WiMAX技术领域的RF芯片组设计挑战

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        在通信行业,新技术不断涌现。802.16标准(通常也称作WiMAX)将成为新一轮技术发展高潮。全球微波接入互操作性(WiMAX)技术迅速席卷了整个业界,在小型农村运营商、大型服务原始设备制造商(OEM)以及供应商中引起了广泛关注并得到快速推广。 

        WiMAX标准最初旨在用于固定电台的宽带通信部署。随着这些应用的日益普及,WiMAX逐渐向点对多点连接(即面向最后一英里无线宽带接入技术)、企业或高校的蜂窝回程与高速局域网应用演变。尽管WiMAX之前的许多技术都能实现类似的功能,但WiMAX的主要卖点在于这种独特技术的互操作性。WiMAX基于802.16标准,这样只要符合该标准的系统就能确保彼此之间实现互操作性。这为WiMAX供应商提高了灵活性,使他们能够与各种厂商共同构建自己的系统,而不用担心可用性问题,也不必害怕系统更新与升级时发生不兼容,或延迟采购工作等。从厂商的角度来说,互操作性使小型公司也能进入市场来分一杯羹。如果不能确保实现互操作性,那么只能信任大型企业提供的系统组件。互操作性的优势则在于,小公司也能充分利用其自身的因特网协议(IP)技术,挤进厂商行列,以提供各种系统组件,从而避免服务供应商拴死在一家厂商上的风险,可以在不同厂商间自由选择。 

        WiMAX采用互操作性标准,不过系统中仍存在许多变量,影响RF解决方案的实施。目前,WiMAX适用于3.5和5.6GHz频带以及无许可限制的2.5GHz频带。此外,还有一些新的4.9GHz和700MHz频带也采用WiMAX标准。就互操作性及全球兼容性而言,各公司都希望找到创造性的新方法来实现性能优势和自身的独特性能,以此在竞争者中独树一帜,同时确保符合WiMAX标准的要求。用于WiMAX无线电技术实施的RF芯片组应具备足够的灵活性,以满足多种实施方案的要求,并应具备足够的性能,满足标准规范的要求。我们所面临的设计挑战在于,确保满足基本的功能要求,并了解更细微的性能参数架构要求,同时仍能符合标准要求。确保有关参数满足WiMAX规范要求至关重要,只有这样才能设计出稳健的、适合于制造要求的解决方案。

WiMAX发送器 

        发送器的关键性能参数是其在给定功率下的误差矢量幅度(EVM)。EVM表示数字星座图(digital constellaTIon)通过发送器之后的完整性。发送器EVM衰减的主要原因在于本地振荡器(LO)源和最终功率放大器的相位噪声。由于功率放大器的影响非常大,我们有必要讨论一下发送器在给定输出功率条件下的EVM性能。EVM参考为2.7%。与蜂窝式系统及802.11参数不同,EVM的要求要严格得多,我们通常以分贝为单位来计算EVM值,从而提高精确度。2.7%的标准值相当于-31.4dB。我们根据EVM为-31.4甚至更好的情况下的最大额定调制功率来确定发送器的性能。 

        客户端设备(CPE)户外系统与基站连接的线路通常不受什么障碍物的影响,输出功率额定为20dBm。部署于建筑物内的系统必须解决严重的多路径环境问题,否则会使额定功率提高到24至27dBm。如果基站传输功率为4W至20W,那么还需要采用更严格的额定功率,这主要取决于所需的连接距离以及系统实施方案。 

        设计人员在提高系统的额定功率输出时,必须调整功率放大器这一主要器件。由于功率放大器对EVM的影响很大,因此我们应采用体积更大、稳健性更高的器件,这样就能在满足EVM参数-31.4dB的同时获得更高输出功率。但这还不足以确保完全符合标准要求。有关标准规定绝对寄生输出参数为-40dBm。不管输出功率有多大,寄生信号都不能超过这个参数值。 

        随着额定功率的提高,如果我们假定基带处理器提供的输入功率保持不变的话,那么发送器的增益也应相应提高。发送器增益的提高不仅将影响所需的信号,而且也将对不必要的寄生信号产生影响。由于寄生输出参数是固定的,因此增益的提高会导致相对于参数的输出寄生性能容限降低,因此如果系统原本满足20dBm输出功率的标准要求,那么由于增益的提高,就会难以满足24dBm或更高输出功率的要求。为了确保RF芯片组的灵活性并满足多种情况下多种输出功率要求,我们必须确保PA前具有约-37dB的良好EVM性能,并与寄生输出参数保持7至10dB的容限。这样,设计人员就能更加灵活的根据系统需要选择适当的功率放大器,同时还能确保满足EVM的要求,并不超过寄生输出的限制。

WiMAX接收机 

        接收机的关键性能参数是其灵敏度。有关规范制定了1E-6的最小误码率(BER),达到该标准就能满足规范的要求。在仅测试RF及模拟电路系统情况下,我们很难进行实际的BER测量。我们通常将BER换算成EVM数值。根据二者的对应关系,对64-QAM调制信号而言,其灵敏度与-21.5dB的EVM值相当。通常,将该值调整为-23.5dB以便保留2dB的设计裕量。 

        接收机还采用自动增益控制(AGC)电路以达到向模/数转换器(ADC)提供固定功率的输入信号。ADC的动态范围是固定的,而采用其整个动态范围也是可行的。AGC会使电路增益随输入信号功率的改变而改变以确保AGC电路输出功率为常量。为了达到所需的系统灵敏度,需要在含AGC接收电路在适当输入功率设置下,达到适当的系统噪声系数性能。设计人员可通过添加额外的低噪声放大器(LNA)或减小现有噪声级的噪声系数来修改系统噪声系数,这两种方法都能降低整体系统噪声系数,并提高系统的灵敏度。 

        设计人员还应考虑到与邻道阻塞性能有关的WiMAX参数。该参数显示了接收机抗干扰信号的能力,以及接收机对相隔一两个通道的阻塞抑制功能。这种接收机参数要求非常严格,这表明接收机工作状态的线性性能要求以及线路中滤波器的位置及选择性。如果我们任意地靠增加LNA来降低系统噪声系数与提高灵敏度,那么反而可能会对阻塞性能产生消极影响。 

        我们针对两种工作情况制定了接收机(RX)阻塞规范:一是工作在接近最小灵敏度时;二是工作在接近最大输入功率时。这两种极端情况反映了接收机在最大和最小增益设置下的情况。就最大增益来说,规范要求接收机工作在灵敏度水平上,即这时的输入功率为系统检测到EVM值为-23.5dB时的最小功率,另外加上3dB作为系统输入信号功率,这就使EVM性能好于-23.5dB。相邻或相隔一个通道的阻塞信号以与所需信号相同的功率级进行传输并不断增加阻塞信号功率,直到系统EVM退减至-23.5dB为止。阻断性能由所需信号和干扰信号之间的差值表示。同样,最小增益情况下,输入功率以相对较高的功率进行传输:-30dBm。阻断信号以相同功率进行传输,此时逐渐减小输入信号功率,同时根据所需设置点调节AGC,直到系统EVM降至23.5dB为止。这种情况下,阻断性能也由所需信号和干扰信号之间的差值表示。规范要求所需信号和阻断信号之间的差值为相邻通道为4dB,相隔通道为11dB。

检测性能 

        我们通过采用TSW5003参考设计板的TIWiMAX芯片组来检测发送器和接收机的WiMAX系统参数。图1显示了采用超外差架构的五芯片组解决方案的结构图。



图1:TITSW5003参考设计结构图

        该解决方案采用10MHz宽的表面声波(SAW)滤波器,配合使用多种常见的信号频带宽度:3.5MHz、7MHz、5MHz和10MHz。TRF1223PA为1W的A类放大器,它能在一定温度和频率范围内提供20dBm的调制输出功率。图2所示为EVM性能曲线。



图2:TSW5003收发机EVM性能与功率输出

        上述曲线清晰表明无线电技术就EVM性能而言的额定输出性能,但仍不能反映整体性能情况。尽管在EVM性能较好情况下,收发器(TRX)频谱模板等参数可能会符合要求,但仍不能确保寄生输出的性能。我们可有效利用基带、中率(IF)和RF滤波器来大幅降低各种与混频器的载波馈通、DAC镜像及第二谐波等相关的各种预期寄生信号。有关谐波以及时钟信号与LO信号互调混合产物的寄生信号更加难以预测,这会造成严重障碍,特别是随着芯片组集成度的提高,隔离方面的问题将更难以控制。 

        额定为20dBm的TSW5003设计方案在额定功率下寄生输出不大于-50dBm,这样可提供10dB的容限。提供一定的设计容限也很好,可以使解决方案灵活地采用更高的额定功率。举例来说,室内应用的额定功率会提高到24至27dBm,这样我们采用适当的功率放大器并做相应改动就可替代现有的功率放大器。与此同时,随着功率的提高,增益也增加了4至7dB,这会降低寄生输出的容限,不过至少还会剩下3至6dB的容限。 

        图3显示了接收机EVM曲线以及-20dBm的ADC恒定输入功率。根据该图形信息我们可得知接收机灵敏度,不过仍不能确保阻塞测量情况符合标准要求。与发射器相比较,接收机需要特定的带宽限制滤波器来满足相邻通道的阻塞要求。该架构可支持高中频SAW滤波器和两个可交换的低中频滤波器。高IF滤波器有10MHz的带宽可传输10MHz或更低带宽的所需信号。低频IFSAW无需修改任何硬件即可支持两个不同的信号带宽。TRF1212中大动态范围的AGC放大器与滤波器能在接收灵敏度状况下满足阻塞测试规范。凭借上述方法以及TRF1216LNA中的集成可开/关的衰减器,我们可以成功进行高功率的阻塞测试,有助于提高高功率情况下的线性。图4显示了TSW5003的阻塞性能。



图3:TSW5003接收机EVM曲线与输入功率

        接收机的高动态范围配合可交换的滤波器,有助于灵活地支持各种系统实施。尽管EVM初期扫描曲线不明显,其他接收机特性对确保符合标准要求以及系统实施的灵活性仍是十分重要的。



图4:TSW5003RX高低功率下的阻断性能

结论 

        在WiMAX标准下采用RF芯片组时,我们应进一步了解性能标准,而不是只考虑标准的EVM性能。我们应就寄生输出以及RX阻塞等参数提供足够的容限,这样才能帮助系统设计人员推出创新性解决方案,从而满足市场需求,并确保产品的稳健性,便于投入生产。WiMAX的固定版标准已经趋于确定,而802.16e移动WiMAX标准正在受到越来越多的关注。由于标准尚未完全确定,而且越来越多的基带供应商不断推出新型移动产品,因此我们必须推出高性能、高度灵活的RF解决方案来应对各种设计挑战,这样才能在市场中赢得成功。 

        我们以TI芯片组为例说明,它不仅能够作为一款足够灵活的解决方案,满足WiMAX三大频带的工作要求,而且还能支持多种额定输出功率与多种基带处理器,适用于低IF或I/Q(正交)接口。