WiMAX技術領域的RF芯片組設計挑戰(zhàn)

在通信行業(yè)，新技術不斷涌現。802.16標準（通常也稱作WiMAX）將成為新一輪技術發(fā)展高潮。全球微波接入互操作性(WiMAX)技術迅速席卷了整個業(yè)界，在小型農村運營商、大型服務原始設備制造商(OEM)以及供應商中引起了廣泛關注并得到快速推廣。

WiMAX標準最初旨在用于固定電臺的寬帶通信部署。隨著這些應用的日益普及，WiMAX逐漸向點對多點連接（即面向最后一英里無線寬帶接入技術）、企業(yè)或高校的蜂窩回程與高速局域網應用演變。盡管WiMAX之前的許多技術都能實現類似的功能，但WiMAX的主要賣點在于這種獨特技術的互操作性。WiMAX基于802.16標準，這樣只要符合該標準的系統就能確保彼此之間實現互操作性。這為WiMAX供應商提高了靈活性，使他們能夠與各種廠商共同構建自己的系統，而不用擔心可用性問題，也不必害怕系統更新與升級時發(fā)生不兼容，或延遲采購工作等。從廠商的角度來說，互操作性使小型公司也能進入市場來分一杯羹。如果不能確保實現互操作性，那么只能信任大型企業(yè)提供的系統組件?；ゲ僮餍缘膬?yōu)勢則在于，小公司也能充分利用其自身的因特網協議(IP)技術，擠進廠商行列，以提供各種系統組件，從而避免服務供應商拴死在一家廠商上的風險，可以在不同廠商間自由選擇。

WiMAX采用互操作性標準，不過系統中仍存在許多變量，影響RF解決方案的實施。目前，WiMAX適用于3.5和5.6GHz頻帶以及無許可限制的2.5GHz頻帶。此外，還有一些新的4.9GHz和700MHz頻帶也采用WiMAX標準。就互操作性及全球兼容性而言，各公司都希望找到創(chuàng)造性的新方法來實現性能優(yōu)勢和自身的獨特性能，以此在競爭者中獨樹一幟，同時確保符合WiMAX標準的要求。用于WiMAX無線電技術實施的RF芯片組應具備足夠的靈活性，以滿足多種實施方案的要求，并應具備足夠的性能，滿足標準規(guī)范的要求。我們所面臨的設計挑戰(zhàn)在于，確保滿足基本的功能要求，并了解更細微的性能參數架構要求，同時仍能符合標準要求。確保有關參數滿足WiMAX規(guī)范要求至關重要，只有這樣才能設計出穩(wěn)健的、適合于制造要求的解決方案。

WiMAX發(fā)送器

發(fā)送器的關鍵性能參數是其在給定功率下的誤差矢量幅度(EVM)。EVM表示數字星座圖(digital constellaTIon)通過發(fā)送器之后的完整性。發(fā)送器EVM衰減的主要原因在于本地振蕩器(LO)源和最終功率放大器的相位噪聲。由于功率放大器的影響非常大，我們有必要討論一下發(fā)送器在給定輸出功率條件下的EVM性能。EVM參考為2.7%。與蜂窩式系統及802.11參數不同，EVM的要求要嚴格得多，我們通常以分貝為單位來計算EVM值，從而提高精確度。2.7%的標準值相當于-31.4dB。我們根據EVM為-31.4甚至更好的情況下的最大額定調制功率來確定發(fā)送器的性能。

客戶端設備(CPE)戶外系統與基站連接的線路通常不受什么障礙物的影響，輸出功率額定為20dBm。部署于建筑物內的系統必須解決嚴重的多路徑環(huán)境問題，否則會使額定功率提高到24至27dBm。如果基站傳輸功率為4W至20W，那么還需要采用更嚴格的額定功率，這主要取決于所需的連接距離以及系統實施方案。

設計人員在提高系統的額定功率輸出時，必須調整功率放大器這一主要器件。由于功率放大器對EVM的影響很大，因此我們應采用體積更大、穩(wěn)健性更高的器件，這樣就能在滿足EVM參數-31.4dB的同時獲得更高輸出功率。但這還不足以確保完全符合標準要求。有關標準規(guī)定絕對寄生輸出參數為-40dBm。不管輸出功率有多大，寄生信號都不能超過這個參數值。

隨著額定功率的提高，如果我們假定基帶處理器提供的輸入功率保持不變的話，那么發(fā)送器的增益也應相應提高。發(fā)送器增益的提高不僅將影響所需的信號，而且也將對不必要的寄生信號產生影響。由于寄生輸出參數是固定的，因此增益的提高會導致相對于參數的輸出寄生性能容限降低，因此如果系統原本滿足20dBm輸出功率的標準要求，那么由于增益的提高，就會難以滿足24dBm或更高輸出功率的要求。為了確保RF芯片組的靈活性并滿足多種情況下多種輸出功率要求，我們必須確保PA前具有約-37dB的良好EVM性能，并與寄生輸出參數保持7至10dB的容限。這樣，設計人員就能更加靈活的根據系統需要選擇適當的功率放大器，同時還能確保滿足EVM的要求，并不超過寄生輸出的限制。

WiMAX接收機

接收機的關鍵性能參數是其靈敏度。有關規(guī)范制定了1E-6的最小誤碼率(BER)，達到該標準就能滿足規(guī)范的要求。在僅測試RF及模擬電路系統情況下，我們很難進行實際的BER測量。我們通常將BER換算成EVM數值。根據二者的對應關系，對64-QAM調制信號而言，其靈敏度與-21.5dB的EVM值相當。通常，將該值調整為-23.5dB以便保留2dB的設計裕量。

接收機還采用自動增益控制(AGC)電路以達到向模/數轉換器(ADC)提供固定功率的輸入信號。ADC的動態(tài)范圍是固定的，而采用其整個動態(tài)范圍也是可行的。AGC會使電路增益隨輸入信號功率的改變而改變以確保AGC電路輸出功率為常量。為了達到所需的系統靈敏度，需要在含AGC接收電路在適當輸入功率設置下，達到適當的系統噪聲系數性能。設計人員可通過添加額外的低噪聲放大器(LNA)或減小現有噪聲級的噪聲系數來修改系統噪聲系數，這兩種方法都能降低整體系統噪聲系數，并提高系統的靈敏度。

設計人員還應考慮到與鄰道阻塞性能有關的WiMAX參數。該參數顯示了接收機抗干擾信號的能力，以及接收機對相隔一兩個通道的阻塞抑制功能。這種接收機參數要求非常嚴格，這表明接收機工作狀態(tài)的線性性能要求以及線路中濾波器的位置及選擇性。如果我們任意地靠增加LNA來降低系統噪聲系數與提高靈敏度，那么反而可能會對阻塞性能產生消極影響。

我們針對兩種工作情況制定了接收機(RX)阻塞規(guī)范：一是工作在接近最小靈敏度時；二是工作在接近最大輸入功率時。這兩種極端情況反映了接收機在最大和最小增益設置下的情況。就最大增益來說，規(guī)范要求接收機工作在靈敏度水平上，即這時的輸入功率為系統檢測到EVM值為-23.5dB時的最小功率，另外加上3dB作為系統輸入信號功率，這就使EVM性能好于-23.5dB。相鄰或相隔一個通道的阻塞信號以與所需信號相同的功率級進行傳輸并不斷增加阻塞信號功率，直到系統EVM退減至-23.5dB為止。阻斷性能由所需信號和干擾信號之間的差值表示。同樣，最小增益情況下，輸入功率以相對較高的功率進行傳輸：-30dBm。阻斷信號以相同功率進行傳輸，此時逐漸減小輸入信號功率，同時根據所需設置點調節(jié)AGC，直到系統EVM降至23.5dB為止。這種情況下，阻斷性能也由所需信號和干擾信號之間的差值表示。規(guī)范要求所需信號和阻斷信號之間的差值為相鄰通道為4dB，相隔通道為11dB。

檢測性能

我們通過采用TSW5003參考設計板的TIWiMAX芯片組來檢測發(fā)送器和接收機的WiMAX系統參數。圖1顯示了采用超外差架構的五芯片組解決方案的結構圖。



圖1：TITSW5003參考設計結構圖

該解決方案采用10MHz寬的表面聲波(SAW)濾波器，配合使用多種常見的信號頻帶寬度：3.5MHz、7MHz、5MHz和10MHz。TRF1223PA為1W的A類放大器，它能在一定溫度和頻率范圍內提供20dBm的調制輸出功率。圖2所示為EVM性能曲線。



圖2：TSW5003收發(fā)機EVM性能與功率輸出

上述曲線清晰表明無線電技術就EVM性能而言的額定輸出性能，但仍不能反映整體性能情況。盡管在EVM性能較好情況下，收發(fā)器(TRX)頻譜模板等參數可能會符合要求，但仍不能確保寄生輸出的性能。我們可有效利用基帶、中率（IF）和RF濾波器來大幅降低各種與混頻器的載波饋通、DAC鏡像及第二諧波等相關的各種預期寄生信號。有關諧波以及時鐘信號與LO信號互調混合產物的寄生信號更加難以預測，這會造成嚴重障礙，特別是隨著芯片組集成度的提高，隔離方面的問題將更難以控制。

額定為20dBm的TSW5003設計方案在額定功率下寄生輸出不大于-50dBm，這樣可提供10dB的容限。提供一定的設計容限也很好，可以使解決方案靈活地采用更高的額定功率。舉例來說，室內應用的額定功率會提高到24至27dBm，這樣我們采用適當的功率放大器并做相應改動就可替代現有的功率放大器。與此同時，隨著功率的提高，增益也增加了4至7dB，這會降低寄生輸出的容限，不過至少還會剩下3至6dB的容限。

圖3顯示了接收機EVM曲線以及-20dBm的ADC恒定輸入功率。根據該圖形信息我們可得知接收機靈敏度，不過仍不能確保阻塞測量情況符合標準要求。與發(fā)射器相比較，接收機需要特定的帶寬限制濾波器來滿足相鄰通道的阻塞要求。該架構可支持高中頻SAW濾波器和兩個可交換的低中頻濾波器。高IF濾波器有10MHz的帶寬可傳輸10MHz或更低帶寬的所需信號。低頻IFSAW無需修改任何硬件即可支持兩個不同的信號帶寬。TRF1212中大動態(tài)范圍的AGC放大器與濾波器能在接收靈敏度狀況下滿足阻塞測試規(guī)范。憑借上述方法以及TRF1216LNA中的集成可開/關的衰減器，我們可以成功進行高功率的阻塞測試，有助于提高高功率情況下的線性。圖4顯示了TSW5003的阻塞性能。



圖3：TSW5003接收機EVM曲線與輸入功率

接收機的高動態(tài)范圍配合可交換的濾波器，有助于靈活地支持各種系統實施。盡管EVM初期掃描曲線不明顯，其他接收機特性對確保符合標準要求以及系統實施的靈活性仍是十分重要的。



圖4：TSW5003RX高低功率下的阻斷性能

結論

在WiMAX標準下采用RF芯片組時，我們應進一步了解性能標準，而不是只考慮標準的EVM性能。我們應就寄生輸出以及RX阻塞等參數提供足夠的容限，這樣才能幫助系統設計人員推出創(chuàng)新性解決方案，從而滿足市場需求，并確保產品的穩(wěn)健性，便于投入生產。WiMAX的固定版標準已經趨于確定，而802.16e移動WiMAX標準正在受到越來越多的關注。由于標準尚未完全確定，而且越來越多的基帶供應商不斷推出新型移動產品，因此我們必須推出高性能、高度靈活的RF解決方案來應對各種設計挑戰(zhàn)，這樣才能在市場中贏得成功。

我們以TI芯片組為例說明，它不僅能夠作為一款足夠靈活的解決方案，滿足WiMAX三大頻帶的工作要求，而且還能支持多種額定輸出功率與多種基帶處理器，適用于低IF或I/Q（正交）接口。