MIMO RF前端模塊：開(kāi)拓新的市場(chǎng)領(lǐng)域

　　802.11n的優(yōu)勢

　　與現有的無(wú)線(xiàn)數據標準比較，802.11n具有多項優(yōu)勢。802.11n的數據傳輸率為200 到 400 Mbps，能提供一條足夠寬的數據信道，實(shí)現家居聯(lián)網(wǎng)和下載，以及媒體內容發(fā)送 (media distribution)。此外，該標準還有兩項優(yōu)點(diǎn) (雖然兩者往往因為速度更高這一優(yōu)勢而為人所忽略)，就是其頻率范圍比現有802.11a/b/g 標準的增大了 20% 到 30%，并具有對 802.11a/b/g 的后向兼容性。后向兼容性能讓使用者在家居、辦公室和旅途應用 (雖然數據傳輸率和頻率范圍可能比完整 MIMO 解決方案的小) 中使用相同的設備。802.11n客戶(hù)卡 (client card) 于所有的可能情況下都會(huì )使用802.11n；而在現有熱點(diǎn) (hotspot) 則退回到802.11a/b/g標準。與其它的競爭方案相比，802.11n最終的優(yōu)勝之處是它使用和 802 a/b/g 標準相同的頻譜，都是2.4 和 5 GHz 。這就讓制造商能夠充分享受現有工藝技術(shù)、組件和供應商所帶來(lái)的規模經(jīng)濟效益 (economies of scales)，使高速網(wǎng)絡(luò )的費用更為低廉。

　　RF設計的技術(shù)挑戰

　　分配式誤差向量幅度 (Error Vector Magnitude, EVM) 對總吞吐量和性能是非常重要的。一個(gè)完整的前端模塊在額定輸出功率下應該具有小于3% (-30 dB) 的分配式 EVM (contributed EVM)。在MIMO中，則要求更好的線(xiàn)性度。為什么呢？因為要抽取信道模型，您需要有一個(gè)非常好的發(fā)射器。如果用作信道模型抽取的發(fā)射器的EVM很差，那么 MIMO 的性能便會(huì )大打折扣。不過(guò)，單憑 EVM 標準尚不足夠。前端模塊的 EVM 特性應該盡可能接近如圖 1a 所示的指數曲線(xiàn)，而不是像圖1b 那樣有一個(gè)“最佳點(diǎn)”(sweet spot)。圖 1b 中的特性曲線(xiàn)有一個(gè) 1 或 2 dB的最佳點(diǎn)，功率放大器 (PA) 必須在這個(gè)點(diǎn)上工作，提供規定性能。在最佳點(diǎn)以上或以下，工作前端模塊都會(huì )產(chǎn)生額外的 EVM，并降低吞吐量。這里主要的問(wèn)題在于此最佳點(diǎn)會(huì )隨工藝、電壓、匹配電路以及溫度而漂移，因此 EVM的分配會(huì )增大，而吞吐量則下降。具有這類(lèi)性能的前端模塊將很難應用在需要保證最低性能標準的產(chǎn)品中。

　　此外，當不同地區對于輸出功率限制有不同的條例標準時(shí)，一個(gè)具有指數EVM特性的前端模塊就可以讓您在全球各地使用相同的設計。在設計時(shí)以用于輸出功率最高的地區為目標，而當該設計用于其它地區時(shí)，其性能便可以提高。不過(guò)，對具有圖1b所示 EVM 特性的前端模塊而言，情況卻并非如此。

　　對于 MIMO 來(lái)說(shuō)，指數 EVM 特性提供了類(lèi)似的優(yōu)勢。某些條例機構把這一功率定義為所有天線(xiàn)的總功率。所以，即使前端模塊能夠為每條天線(xiàn)提供較大的輸出功率，但輸出功率也可能需要補償 3-6 dB以符合條例要求。然而在同樣的產(chǎn)品中，如果使用原有 802.11 a/b/g 標準的單一天線(xiàn)時(shí)，使用者都希望能以最高的輸出功率進(jìn)行發(fā)射。如上所討論，在不同功率級之下以圖 1b 中特性工作將引起性能下降。

　　外形尺寸

　　隨著(zhù)標準化產(chǎn)品尺寸日漸縮小，無(wú)線(xiàn)標準也變得越來(lái)越復雜，并要求具有更多的電路和更高的功耗，這實(shí)實(shí)在在地為 RF 設計人員帶來(lái)了極端的挑戰。

　　最新外形尺寸的 PCIE 迷你卡，只有目前占WLAN市場(chǎng)主導地位的迷你PCI卡大小的一半。迷你PCI 卡廣泛應用于筆記本計算機、個(gè)人計算機和接入點(diǎn)。這些現有設計只使用了一個(gè) RF 發(fā)射鏈路和一個(gè)RF接收鏈路；但 MIMO 802.11n 應用卻需要兩個(gè) RF 發(fā)射鏈路和兩個(gè) RF 接收鏈路，如圖2所示?？紤]到組件的數量，加上為了生產(chǎn)需要而設立的禁止布線(xiàn)區域 (keep out areas)，若要在PCIE 迷你卡的尺寸上實(shí)現這些電路實(shí)在極富挑戰性。然而，這正是 MIMO 前端模塊的真正優(yōu)勢所在：經(jīng)過(guò)全面測試的單一 RF解決方案，集成了從收發(fā)器輸出到天線(xiàn)所需的全部電路。

　　要比較前端模塊的集成度，進(jìn)行嚴格的同模擬較是很重要的。有時(shí)，功能性(functionality) 會(huì )被 RF 功能 (輸出功率、EVM) 的強大優(yōu)勢所掩蓋，但它對成本和關(guān)鍵的電路板空間卻是非常重要的。

　　控制接口：控制接口是CMOS嗎？如果不是，將需要額外的電路來(lái)連接前端模塊和IC。

　　偏置電壓：前端模塊需要偏置電壓?jiǎn)?？若需要，則常常需要外置調節器來(lái)提供典型范圍在 2.7 到 2.9V 之間的偏置電壓，并利用額外的晶體管電路來(lái)啟動(dòng)偏置電壓或使之失效。除了尺寸和成本外， 前端模塊 (FEM) 的性能也直接與偏置電壓相關(guān)，后者會(huì )隨溫度和電壓而變化。

　　電流消耗

　　盡管開(kāi)發(fā)人員可能認為電流消耗和外形尺寸沒(méi)有關(guān)聯(lián)，但事實(shí)上由前端模塊電流消耗所引起的三個(gè)問(wèn)題中，有兩個(gè)都與外形尺寸有直接關(guān)系。

一直以來(lái)，電流消耗都和電池壽命有關(guān)。產(chǎn)品開(kāi)發(fā)人員希望以最低的電流消耗獲得最高的功率，有時(shí)甚至愿意接受稍低的輸出功率，以換取延長(cháng)10% 的電池使用壽命。同樣的問(wèn)題也存在于 MIMO 應用中，只是情況更甚，因為這些應用里有兩個(gè)完整的發(fā)射鏈路同時(shí)工作。這意味著(zhù)前端模塊供應商必須開(kāi)發(fā)出更高效、更低電流消耗的模塊來(lái)滿(mǎn)足 MIMO 市場(chǎng)的需要。若 MIMO 進(jìn)入 PDA、手機和游戲機等電池更小的嵌入式應用領(lǐng)域，這將變得更為關(guān)鍵。

雖然電池壽命很重要，但開(kāi)發(fā)高效前端模塊另一個(gè)更重要的原因，是外形尺寸標準清楚限定了有多少功率提供給PCI卡。在原有的 802.11 a/b/g 標準下，這些卡所消耗的電流與這些規格所限的相距甚遠。不過(guò)，隨著(zhù)工藝技術(shù)不斷提高，而 MIMO系統具有多個(gè)信道，PCI卡所消耗的電流可能已經(jīng)很接近、甚至超過(guò)了外形尺寸標準規定的限值。由于 PA 一般來(lái)說(shuō)是電流消耗最大的器件，因此前端模塊供貨商面對著(zhù)更大的壓力，必須推動(dòng)技術(shù)和物理學(xué)的發(fā)展，以實(shí)現高效解決方案。

　　前端模塊

　　本身也設計 PA 和開(kāi)關(guān)等組件的前端模塊制造商，能夠采用一些技術(shù)來(lái)讓匹配和偏置達到最佳化，把發(fā)射接收鏈路中的損耗減至最少。此外，他們也可以利用新的技術(shù)，以達到高集成度以實(shí)現這種小外形尺寸。這些技術(shù)都是目前市場(chǎng)上可見(jiàn)的組件所沒(méi)有的。

　　憑借一種經(jīng)全面測試而且能夠滿(mǎn)足高輸出功率、低EVM和低電流消耗要求的解決方案，單一前端模塊便可以解決前面討論過(guò)的所有系統問(wèn)題，協(xié)助開(kāi)發(fā)商加快產(chǎn)品面市的速度。由于這種前端模塊是經(jīng)過(guò)全面測試的解決方案，能夠取代約60個(gè)組件，因此終端產(chǎn)品的良率將得以提升。較之使用多個(gè)具有較低集成度的前端模塊，單一前端模塊具有更大的優(yōu)勢，因為每一個(gè)組件都有其禁止布線(xiàn)區域，組件越多需要占用的電路板面積也就越多。此外，一般而言，這些前端模塊的接腳與收發(fā)器界面成鏡像化 (mirror)，故限制了設備所能提供的規模經(jīng)濟效益。