探討固定及移動WiMAX系統(tǒng)對無線射頻子系統(tǒng)的設(shè)計要求

隨著服務(wù)供應(yīng)商和基礎(chǔ)架構(gòu)設(shè)備制造商近來公布多項先進無線服務(wù)及設(shè)備合同簽訂的消息，WiMAX正大受市場注目。不過，要成功推出一項服務(wù)，需要三個必備要求：(1)服務(wù)供應(yīng)商的投資；(2)基礎(chǔ)架構(gòu)設(shè)備的開發(fā)；(3)價廉的客戶駐地設(shè)備(customer premise equipment) 和/或移動設(shè)備。本文將探討能夠滿足固定和移動WiMAX 要求的較低成本設(shè)備的設(shè)計，重點放在無線射頻(RF)子系統(tǒng)的實現(xiàn)上。

盡管有些人可能會把WiFi和WiMAX加以比較，因為二者都是基于OFDM的標準；但從射頻角度來看，WiMAX 的實現(xiàn)要困難得多。表1對802.11以及802.16的兩個變體作出了高層次的比較。

固定WiMAX

概述

固定WiMAX標準(常常被誤稱為802.16d)基于正交頻分復(fù)用(OFDM)技術(shù)，使用256個副載波。該標準支持1.75到28MHz范圍內(nèi)的多個信道帶寬。由于副載波的數(shù)量是固定的、而信道帶寬是可變的，故副載波的間距會因信道帶寬的不同而變化。該標準支持大量不同的循環(huán)前綴(符號時間的1/32到1/4)。表2列出了256點OFDM的相關(guān)技術(shù)參數(shù)，由表中可以看出副載波間距范圍為7.8kHz到125kHz之間，符號時間的變化范圍則為8.25us到160us。該標準支持多種不同的調(diào)制方案，包括BPSK、QPSK、16QAM和64QAM。在實際推行上，所采用的調(diào)制方案乃根據(jù)測得的信道載干比/載噪比(CINR)來選擇的。較高級的調(diào)制方案，比如64QAM，需要更好的CINR來使比特誤碼率(bit error rate, BER)處于可接受的范圍內(nèi)。

圖1：SiGe 2.5和3.5GHz射頻

表2： OFDM-PHY基本技術(shù)參數(shù)

固定WiMAX的設(shè)計挑戰(zhàn)

多項技術(shù)參數(shù)導(dǎo)致射頻及參考設(shè)計充滿挑戰(zhàn)性，其中最困難的一項可能是發(fā)射誤差向量幅值(EVM)。從表3可見，所需的發(fā)射EVM是調(diào)制的一個函數(shù)(在表中，調(diào)制類型后的分數(shù)后綴表示所用卷積編碼中的鑿孔程度)。在802.16標準的發(fā)展過程中，Tx EVM的獲得使發(fā)射SNR較在10e-6 BER所需的接收SNR理論值低10dB，有效地消除了總體鏈路預(yù)算中的發(fā)射損傷。

為了滿足64QAM工作模式的要求，需要-30dB的EVM，而且必須關(guān)注發(fā)射鏈路的各個環(huán)節(jié)。雖然一般來說，功率放大器耗費了總體EVM 預(yù)算的大部分，但其它損傷，例如相位噪聲、IQ失衡(對IQ射頻而言)，以及混頻器和功放PA)驅(qū)動器線性度也都變得十分重要。舉例來說，-35dB的集成相位噪聲(相當(dāng)于非?？捎^的1度相位噪聲)，加上-40dB的PA驅(qū)動器線性度和IQ調(diào)制器中的1度相位平衡(也極為可觀)，將導(dǎo)致-32.9dB的總疊加EVM。再計量該PA的影響，可以看出現(xiàn)在PA的EVM必須較-33.1dB更好，才可滿足-30dB的要求(見表1)。

滿足這些EVM要求的方法之一，是增大收發(fā)器和功率放大器的耗電量。正如大多數(shù)RF 性能問題一樣，增加電流常常能夠解決某項問題，但隨之而來的代價是電池壽命將會縮短，而材料清單則增多。

另一個EVM問題，是OFDM具有相當(dāng)高的峰均功率比(peak-to-average power ratio, PAPR)，這對功率放大器的設(shè)計有重大影響。256點OFDM的PAPR大約為10dB，故功率放大器必需定制至能夠處理高于平均發(fā)射功率10dB的峰值功率。請注意，PAPR與是獨立于所用的調(diào)制方法，不論是采用BPSK或64QAM方式發(fā)射，PAPR都是一樣的。PAPR的主要影響在于PA效率，亦即影響總體功耗和電池壽命。

具有阻斷器的射頻器件的性能是影響設(shè)計的又一項問題。根據(jù)目前的標準要求，具有"有用信號"(desired signal) 以上4dB鄰信道阻斷器的接收器，必須能夠以靈敏度限值以上3dB的級別來解調(diào)64QAM信號。對非鄰信道(鄰信道以外的任何信道)，接收器的阻斷器容限必須在有用信號電平以上11dB。

此外，使參考設(shè)計變得復(fù)雜的另一個問題是對頻率精度和穩(wěn)定性的要求。OFDM標準要求用戶站 (subscriber station)的RF調(diào)諧精度必須達到副載波間距的2%。1.75MHz信道副載波間距最小，為7.8kHz。2%的精度要求意味著用戶站必須能夠達到156Hz的調(diào)諧精度。假如射頻的工作頻率為3.6GHz，就表示它必須能夠調(diào)諧到0.04ppm。此外，基站的絕對頻率精度規(guī)定為+/-8ppm。因此，RF收發(fā)器必須在很大的頻率范圍上進行調(diào)諧，并具有極好的分辨率。大多數(shù)情況下，用戶站的頻率控制通過電壓控制、溫度補償、晶振(VCTCXO)來實現(xiàn)。除了滿足調(diào)諧和分辨率要求之外，VCTCXO的相位噪聲也很重要，因為它是整個射頻的主要參考時鐘，并可能對總體相位噪聲產(chǎn)生重大影響。要滿足這些要求，必需謹慎選擇VCTCXO。

固定WiMAX要求支持時分雙工(TDD)和半頻分雙工(HFDD)模式。在TDD工作模式下，發(fā)射器和接收器使用相同的RF頻率，但發(fā)送和接收在不同時間進行。由于頻率合成器不需要改變發(fā)射和接收突發(fā)信號間的信道，加上接收和發(fā)射并非同時進行，射頻的設(shè)計比較容易，因此射頻設(shè)計的成本也得以降低。HFDD類似于TDD，只是在HFDD模式中，接收器和發(fā)射器頻率不同，但發(fā)射器和接收器永遠不會同時工作。HFDD同樣能降低射頻的設(shè)計成本。雖然固定WiMAX中允許完全FDD的工作模式，但一般都不會這么做，因為發(fā)射器和接收器在不同的頻率下同時工作，將會大大增加射頻設(shè)計的復(fù)雜性。

解決固定WiMAX設(shè)計的挑戰(zhàn)

如圖1所示，SiGe半導(dǎo)體公司的2.5和3.5GHz射頻解決方案是固定WiMAX工作模式的理想選擇。這是一種兩片超外差射頻(superheterodyne)芯片的解決方案，其中一片超外差芯片具有兩個頻率轉(zhuǎn)換和外部中頻 (IF)濾波功能。這種架構(gòu)提供了可能是最好的RF性能，代價則是尺寸較大(由于需要外部濾波器)，故成本也稍為高一點。

SE7251L和SE7351這兩款RF IC都是低噪聲高線性度的前端收發(fā)器，分別支持2.3至2.7GHz和3.3至3.8GHz 的頻帶范圍。其接收器提供從RF到200至600MHz中頻的低噪降頻功能，在降頻之前可提供40dB的增益控制來優(yōu)化噪聲和線性度。這一增益控制在可變增益LNA與3位數(shù)字衰減器之間以4dB步進被劃分開。LNA和混頻器之間的片外濾波器可作圖像抑制之用。IF輸出具有片外匹配網(wǎng)絡(luò)，可供靈活的頻率規(guī)劃和聲表面波 (SAW)濾波器選擇。發(fā)射器從200至600MHz的IF升頻到RF。升頻混頻器輸出信號被輸出到片外，從而在最終的放大之前進行圖像頻帶和LO抑制。發(fā)射衰減器具有一個5dB分辨率的3位數(shù)字接口，總范圍為25dB。

SE7051L IF收發(fā)器是高集成度的低噪高線性度收發(fā)器，包含有RF(2850至3250MHz)和IF(200至600MHz)合成器，常用于2.5和3.5GHz設(shè)計中。

其接收器把200至600MHz頻率的信號降頻轉(zhuǎn)換為基帶IQ輸出或IF輸出。這種高線性度輸出為ADC接口提供了出色的互調(diào)性能和驅(qū)動能力。此外，它還具有高速數(shù)字VGA，可提供1dB分辨率的50dB增益控制范圍。在發(fā)射方面，基帶IQ輸入信號升頻轉(zhuǎn)換到200與600MHz間的IF輸出頻率。此外，發(fā)射器可以配置成能夠進行IF 輸入信號的單邊帶(sideband)升頻轉(zhuǎn)換。

發(fā)射器的總增益控制范圍為68dB，分辨率為1dB，分布在調(diào)制器和VGA之間。VGA具有50dB范圍；而調(diào)制器則提供了18dB的范圍，分辨率很低(6dB)。該可變增益調(diào)制器能夠接收范圍很廣的輸入電壓，故基帶 DAC 的選擇相當(dāng)靈活。雙合成器提供極低的相位噪聲本振(LO)，適合于高階數(shù)字射頻調(diào)制。

如上所述，超外差射頻可以提供卓越的RF性能。接收器帶有外接SAW濾波器，具有出色的鄰信道抑制 (adjacent channel rejection)性能，可滿足阻斷要求。對發(fā)射器來說，SAW濾波器使得發(fā)射頻帶非常干凈，DAC圖像及其它雜散信號被完全過濾掉。不過，這種性能是有代價的。首先，SAW濾波器具有固定的帶寬。因此難以實時改變信道帶寬 (不同濾波器必須被轉(zhuǎn)換到不同信道帶寬路徑)。但對于固定WiMAX而言，由于固定WiMAX對移動性幾乎沒有什么要求，用戶不會在基站之間漫游，而帶寬通常在部署時就被固定下來，所以這一點不是太重要。另一個考慮則是SAW濾波器的尺寸相當(dāng)大，可能導(dǎo)致通帶紋波，不過正確的RF設(shè)計是可以緩解這一問題的。

SE7051具有完全集成的合成器，可用在大多數(shù)應(yīng)用中，能夠產(chǎn)生IF和RF LO信號。想獲得極高的性能，可以選用一個外部壓控振蕩器(VCO)，如圖1所示。一般來說，采用外部 VCO可使調(diào)諧范圍更廣，而且由于其相位噪聲較低，故能夠把EVM提高1dB左右。

雖然圖1并沒有顯示，但 VCTCXO是最常用作為參考頻率的。AFC在基帶收發(fā)器的模擬控制下進行。要滿足固定WiMAX的規(guī)范，需要一個調(diào)諧大于±10ppm的VCTCXO。作為整個射頻的主頻參考，其相位噪聲對總體性能也有著至關(guān)重要的影響。所有應(yīng)用都需要VCTCXO，除非是由基帶芯片組來實現(xiàn)數(shù)字AFC。

SiGe半導(dǎo)體的射頻解決方案支持時分雙工(TDD)和半頻分雙工(HFDD)工作模式。在HFDD模式下，專用的頻率控制寄存器與Tx啟動引腳連接在一起。其中一個寄存器在TxEN為高電平時使用；另一個則在TxEN為低時使用，這樣，頻率改變時不用寫入串行接口，因此串行接口的流量被減至最小。對HFDD工作模式，OFDM 標準要求Rx與Tx之間的轉(zhuǎn)換時間為100μs，SE7051L輕而易舉就可以滿足這項要求了。

最后一個需要討論的問題是基帶接口。SE7051L允許使用IF或IQ(零IF)模擬接口來支持多個基帶產(chǎn)品。許多基帶芯片組都使用一個IQ接口，因為它可以簡化基帶設(shè)計。

不過，使用IQ接口有一個重大的RF缺陷，那就是IQ平衡。I和Q信號路徑之間的任何幅值或相位失衡都會產(chǎn)生IQ圖像。這種圖像將直接疊加在有用信號上，降低了EVM性能(對接收和發(fā)射鏈路皆然)。IQ失衡發(fā)生在IQ 調(diào)制器或解調(diào)器中，甚至可能發(fā)生在基帶與 RF收發(fā)器之間的互連中。由于這種失衡與溫度有關(guān)，IQ接口極可能需要校準，以確保不同工藝和溫度上的EVM都良好。

相反地，基于IF的接口就不存在這種問題，所以是超外差射頻的首選。使用IF接口時，圖像落在帶外，并可被SAW濾波器過濾掉。

移動WiMAX

概述

移動WiMAX基于802.16e標準，主要面向下一代寬帶網(wǎng)。雖然移動WiMAX還是一個處于發(fā)展中的標準，但WiMAX Forum已經(jīng)順利地定義了將要實施的主要功能，而且在系統(tǒng)文檔對所有這些功能作了描述。該系統(tǒng)文檔采納了802.16e標準中的許多選項功能，并定義了哪些功能將被實施。例如，下面的表4就顯示了已經(jīng)定義的各種頻帶類型(band class)。

表4：系統(tǒng)文檔中定義的頻帶類型，第1類頻帶包括WiBRO(標為紅色)，而第3類頻帶將在美國使用(標為藍色)。

移動WiMAX標準中有許多明顯不同于固定WiMAX的地方。表5所示為針對移動WiMAX定義的各種信道帶寬的基本技術(shù)參數(shù)；讀者可與表2中的固定WiMAX的基本技術(shù)參數(shù)作比較。其中一個顯著的差別是：采用移動 WiMAX時，快速傅立葉變換采樣數(shù)(FFT size)隨帶寬成比例伸縮(因此移動WiMAX有時也稱為可伸縮OFDM)。由于具有這種伸縮性，對移動WiMAX來說，副載波間隔及符號時間幾乎不依賴于信道帶寬；但對固定WiMAX來說，則隨信道帶寬的變化很顯著。

表5：移動WiMAX的基本技術(shù)參數(shù)

二者最顯著的差別是接入技術(shù)本身。固定WiMAX基于OFDM；而移動WiMAX則基于OFDMA，,后者給每個用戶都分配了一個收發(fā)時間片。例如，一個固定WiMAX傳輸通常要占用所有可用的副載波。在移動WiMAX中，一個用戶一般只用到可用副載波的一個子集，而且是在一個預(yù)先指定的時間使用這些副載波。OFDMA允許靈活地分配資源，從而優(yōu)化對可用帶寬的利用。

移動WiMAX的設(shè)計困難

OFDMA本身對RF收發(fā)器的設(shè)計無直接影響，但OFDMA面向的是大批量生產(chǎn)的便攜式和移動設(shè)備 (如筆記本電腦和手機)，而這對RF前端的設(shè)計則有很大的影響。

移動WiMAX受到的第一項限制是尺寸和功率。由于移動WiMAX將用于移動和便攜式設(shè)備，因此產(chǎn)品的整體尺寸和功耗都必須最小化。這樣的要求反過來又對系統(tǒng)架構(gòu)的選擇提出了要求。移動設(shè)備中不太可能使用超外差接收器，因為這種接收器一般都比直接轉(zhuǎn)換接收器的體積大很多，而且功耗也較高。

實現(xiàn)低功耗對功率放大器的設(shè)計提出了很高的要求。由于需要有相對較高的PAPR和線性，用標準的甲類(甚至甲乙類) 功率放大器很難獲得高效率和低功耗。為了盡可能降低線性要求，目前系統(tǒng)文檔對上行鏈路只要求采用16QAM調(diào)制；而64QAM為可選。這樣，在EVM上就有6dB的緩解(16QAM要求-24dB EVM；而64QAM則為-30dB)。不過，業(yè)界普遍預(yù)計64QAM調(diào)制也將會被用到，尤其是在筆記本電腦上。為了滿足這一要求，我們預(yù)期大多數(shù)功率放大器將開始采用先進的效率改進技術(shù)，而標準的甲類或甲乙類放大器的使用將會越來越少。

為了方便說明，我們假設(shè)：所希望的天線端口發(fā)送功率為24dBm。放大器與天線之間很可能有2dB的損耗，因此從放大器出來的發(fā)送功率必須為26dBm或400mW。如果采用效率為15%的標準甲乙類放大器，那么在放大器本身的功耗就有3W，加上發(fā)送鏈路的其它部分、DAC和基帶芯片組，功耗將增加到約3.7W，因此電池壽命將是一個嚴重問題。如果通過效率改進技術(shù)，將該放大器效率增加到25%，其功耗將降低到1.8W，而WiMAX接收器的功耗將顯著降低到2.5W。請注意，2.5W正是目前許多手持設(shè)備中GSM接收器的功耗。

多輸入多輸出(MIMO)也是移動WiMAX的一項要求。目前的系統(tǒng)文檔要求下行鏈路(從基站到移動設(shè)備)采用2x2MIMO；因此接收器必須有兩條完整的接收鏈路，這就增加了尺寸方面的限制，更加不利于采用超外差體系架構(gòu)。請注意，上行鏈路并不要求采用MIMO技術(shù)，因此只需要一條發(fā)送鏈路。

另一個在移動WiMAX中常常被忽視的問題是WiMAX和WiFi網(wǎng)絡(luò)間存在相互影響。例如，按照表4，第3類頻帶在2496至2670MHz的范圍，由于WiFi(在美國)工作在2412至2462MHz范圍，WiMAX和WiFi接收機的頻率隔離度非常小，因此兩個網(wǎng)絡(luò)之間很容易產(chǎn)生有害的干擾。因為這兩個頻帶太接近，以至于無法真正實現(xiàn)RF 濾波，所以WiMAX接收器必須設(shè)計成即使有WiFi接收器在旁也能工作。這個要求對WiMAX接收器的設(shè)計有著根本性的影響，因為WiMAX接收器必須能夠在可能是很強的WiFi信號環(huán)境下接收微弱的WiMAX信號。這些 WiFi阻斷信號可能比任何可能的WiMAX阻斷信號都要強得多。

如何將移動WiMAX產(chǎn)品迅速推向市場？

移動WiMAX網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)已開始逐步推行，而且有望推行得很快，尤其是在美國，推行的進度預(yù)計將會更迅速。這意味著制造商需要尋找創(chuàng)新的方法，在盡可能短的時間內(nèi)將產(chǎn)品推向場。解決這個問題的方法有很多。

市場上有多項明顯的技術(shù)切入點。第一個技術(shù)切入點是盡早開發(fā)芯片，為了最大限度地降低風(fēng)險，制造商必須參與標準的開發(fā)，并與WiMAX Forum合作，確保他們能盡早獲得設(shè)計的要求。一旦設(shè)計完成，開發(fā)了一個全功能、而且能通過WiMAX Forum接收器符合性測試(RCT)規(guī)范的RF參考設(shè)計后，就可以加快系統(tǒng)集成的步伐。同時，還有助于在RF芯片組中實現(xiàn)內(nèi)置的測試和診斷功能。

不過，即使及早著手設(shè)計和擁有可實現(xiàn)的參考設(shè)計，也未必能縮短產(chǎn)品的面市時間。一旦有了RF芯片組，還必須將其集成到基帶芯片組中。完成這種集成需要較長的時間，這個環(huán)節(jié)也是能否大幅度節(jié)省時間的關(guān)鍵所在。

首先，RF和基帶制造商間需要盡早形成互動。其次，必須力爭減少RF和基帶芯片組間的相互作用。例如，如果RF芯片組能實現(xiàn)完全的自主自動增益控制和校準程序，軟件開發(fā)時間就會更短，整個集成時間也可縮短。

另一個能縮短集成時間的可能切入點為基帶至RF接口本身。以往都采用模擬IQ或IF接口來實現(xiàn)RF和基帶芯片組之間的數(shù)據(jù)傳輸；ADC和DAC在基帶芯片組上實現(xiàn)，而數(shù)據(jù)是以模擬方式傳送到RF芯片組。由于采用這種接口，各個基帶芯片的要求都有所不同，因此會增加集成時間?，F(xiàn)在，一種針對移動WiMAX的全數(shù)字基帶至RF接口已經(jīng)面世，目前正由Jedec JC61開發(fā)小組完成。該接口定義基帶和RF之間的數(shù)據(jù)傳輸格式，以及串行控制接口，可用于MIMO或單輸入單輸出(SISO)數(shù)據(jù)傳輸，并面向基帶IQ數(shù)據(jù)。除了便于集成外，該接口還能降低設(shè)計成本。由于基帶收發(fā)器都采用數(shù)字CMOS器件，故很容易利用最先進的CMOS工藝改變尺寸，從而制造出尺寸更小、成本更低的基帶芯片?？上У氖牵瑹o論是RF或模擬轉(zhuǎn)換器都不容易改變尺寸，因此將轉(zhuǎn)換器與RF放在一起比較可行，這樣二者都可通過優(yōu)化技術(shù)來推行，而不會影響CMOS基帶裸片。

結(jié)論

不管是固定或移動WiMAX，都為RF設(shè)計人員提出了嚴苛的挑戰(zhàn)。

固定WiMAX基于OFDM物理層，主要面向客戶端設(shè)備(CPE)。因此，其整體功耗不是市場主要關(guān)心的問題。對固定WiMAX網(wǎng)絡(luò)而言，用戶更關(guān)心的是性能。因此，許多固定WiMAX接收器將采用超外差系統(tǒng)，以獲得最佳的整體RF性能。

新的移動WiMAX基于OFDMA物理層，這類設(shè)備面向移動電話和筆記本電腦，故要求較低的功耗和成本。由于功耗和成本上的限制，采用直接轉(zhuǎn)換技術(shù)的RF收發(fā)器最有可能成為首選的體系架構(gòu)。此外，要在合理的功耗下實現(xiàn)足夠的RF功率，還需要有高效率的功率放大器。

本文由SiGe半導(dǎo)體公司提供