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5.6 GHz 频带以及无许可限制的2.5 GHz 频带。此外,还有一些新的4.9 GHz 和700 MHz 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 表示数组(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机振荡器(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-31.4 dB。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20 dBm。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27 dBm。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-31.4 dB 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-40 dBm。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20 dBm 输出功率的标准要求,那么由于增益的提高,就会难以满足24 dBm 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-37 dB 的良好EVM 性能,并与寄生输出参数保持7 至10 dB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,64-QAM 信号的灵敏度相当于-21.5 dB 的EVM值。通常,为达到-23.5 dB,我们应为该参数增加2 dB 的容限。

接收机还采用自动增益控制(AGC) 函数向模数转换器(ADC) 常量提供输出功率。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。输入信号的改变可确保输出功率为常量,同时AGC 会使增益发生变动。为了达到所需的灵敏度,需要在含AGC 函数的输入功率设置下,实现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断抑制功能。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) 阻断规范: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,即这时的输入功率检测到EVM 值为-23.5 dB,加上3 dB,这就使EVM 性能好于-23.5 dB。相邻或相隔一个通道的阻断信号以与所需信号相同的功率级进行不断传输,直到系统EVM 衰减至-23.5 dB 为止。阻断性能由所需信号和干扰信号之间的变数增量决定。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:-30 dBm。阻断信号以相同的水平进行传输,而所需信号减少,同时根据所需设置点调节AGC,直到系统EVM 降至‑23.5 dB 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变数增量决定。规范要求所需信号和阻断信号之间的变数增量差就相邻通道为4 dB,就隔一个通道的情况而言为11 dB。

检测性能

我们通过采用TSW5003 参考设计板的TI WiMAX 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:TI TSW5003 参考设计结构图
该解决方案采用10 MHz 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:3.5 MHz、7 MHz、5 MHz 和10 MHz。TRF1223 PA 为1W 的A 类放大器,它能在一定温度和频率范围内提供20 dBm 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(TX) 频谱掩模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、间歇频率(IF)和RF 滤波器来大幅降低各种预期的并与混频器的载波馈通、DAC 图像及第二谐波等相关的寄生信号。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,特别是影响芯片组集成度的提高,进而造成隔离方面的问题。

额定为20 dBm 的TSW5003 设计方案在额定功率下寄生输出不大于-50 dBm,这样可提供10 dB 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7 dB,这会降低寄生输出的容限,不过至少还会剩下3 至6 dB 的容限。

图3 显示了接收机EVM 曲线以及-20 dBm 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,不过仍不能确保阻断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断要求。该架构可支持高IF SAW 滤波器和两个可交换的即时低IF滤波器。高IF滤波器有10 MHz 的带宽可传输10MHz或更低带宽的所需信号。低频IF SAW 无需修改任何硬件即可支持两个不同的信号带宽。TRF1212 中AGC 放大器的过滤机制加上较大的动态范围,有助于满足灵敏度方面严格的阻断规范要求。凭借上述方法以及TRF1216 LNA 中的集成可交换衰减器,我们可以成功进行高功率的阻断测试,有助于提高高功率情况下的线性。图4 显示了TSW5003 的阻断性能。

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:TSW5003 RX 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阻断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。

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