小型多載波基站無線電中的集成前端

無線基站設(shè)計(jì)人員在巨大的成本壓力下面對(duì)未來的走向問題。為了快速上市和節(jié)省成本，需要一個(gè)具有小型狀因數(shù)的多載波公共無線電平臺(tái)。對(duì)于無線電設(shè)計(jì)，選擇半導(dǎo)體器件是關(guān)鍵。高性能集成前端使基站設(shè)計(jì)人員能獲得降低元件又能滿足多載波無線電嚴(yán)格要求的解決方案。本文用幾種設(shè)計(jì)方法分析一個(gè)高集成多載波無線電實(shí)例，可以用來改善最佳化無線電性能。

　　降低成本和節(jié)省空間的公共無線電平臺(tái)

　　當(dāng)會(huì)演變的3G標(biāo)準(zhǔn)和新出現(xiàn)的無線標(biāo)準(zhǔn)(如WiMAX)之間的會(huì)聚，需要采用一個(gè)公共無線電平臺(tái)跨接不同的空中接口標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于設(shè)備供應(yīng)商，這種像商品式的方法，允許研發(fā)投資的大量再利用，并能靈活快速地適用性能指標(biāo)或空中接口的變化。對(duì)于運(yùn)營商在開辦新業(yè)務(wù)時(shí)，公共平臺(tái)無線電接入網(wǎng)絡(luò)降低了重新配置的費(fèi)用。此外，在大城市內(nèi)臺(tái)站征收的費(fèi)用不斷增加，促使了小型基站的開發(fā)。

　　建造一個(gè)公共無線電平臺(tái)的一種經(jīng)濟(jì)方法是采用單信號(hào)鏈路，在400MHz~4GHz范圍內(nèi)，處理大于10MHz的任何信號(hào)帶寬。這樣寬大的頻率范圍覆蓋全球，使用商業(yè)無線通信所許可的頻段。對(duì)于10MHz以上的帶寬，多載波無線電可以處理多載波WCDMA，TD-SCDMA或CDMA2000，而不用另外的元件。

　　與單載波設(shè)計(jì)相比，降低元件數(shù)能大大地節(jié)省板尺寸，并使小型設(shè)計(jì)成為可能。

　　圖1示出帶接收分集的一個(gè)高集成寬帶無線電實(shí)例。TI公司的AFE8406、DAC5687、TRF3703和TRF3761都集成有多頻帶元件，它們可用在這種無線電中。

圖1 20MHz信號(hào)帶寬的高集成公共基站無線電

　　采用復(fù)IF正交調(diào)制的好處

　　在發(fā)送器(TX)端采用復(fù)中頻(IF)正交調(diào)制方法。在功率放大器(PA)輸出加一個(gè)反饋回路、這是為了處理數(shù)字前失真(DPD)來線性化PA，以改善PA效率。在接收器(RX)端，用高IF取樣。TRF3761是帶集成壓控振蕩器(VCO)的頻率合成器，為上混頻和下混頻產(chǎn)生本機(jī)振蕩(LO)頻率。當(dāng)需要新的空中接口轉(zhuǎn)移或頻率配置變化時(shí)，唯一硬件的修改是LO頻率和帶通濾波器。數(shù)據(jù)變換器，數(shù)字上變頻器(DUC)、數(shù)字下變頻器(DDC)和基帶處理的重新配置，通過軟件可以很容易地重新編程。

　　DAC5687是一款雙通道、16位500MSPS數(shù)/模變換器(DAC)，它具有幾個(gè)集成數(shù)字信號(hào)處理單元。通常由波峰因數(shù)縮減(CFR)處理器(如GC1115)或數(shù)字前失真處理器產(chǎn)生DAC輸入。用一個(gè)復(fù)中頻輸入，用DAC5687增加數(shù)據(jù)率，這是通過數(shù)字組混頻(NCO)和/或粗混頻級(jí)內(nèi)插(2，4或8)在頻譜中靈活地放置輸出信號(hào)而實(shí)現(xiàn)的。復(fù)DAC5687輸出是到模擬正交調(diào)制器(AQM)TRF3703的輸入。采用復(fù)IF調(diào)制的好處分析示于圖2。

　　圖2示出傳統(tǒng)的實(shí)數(shù)IF調(diào)制方法。在實(shí)數(shù)混頻的頂部示出復(fù)IF調(diào)制所需的附加單元。該實(shí)例中的信號(hào)很對(duì)稱，有20MHz帶寬的3載波W-CDMA信號(hào)。

圖2 正交調(diào)制與實(shí)數(shù)調(diào)制

　　帶實(shí)數(shù)混頻的RF頻譜示于圖2右上角。它具有以LO頻率為中心對(duì)稱的上邊帶和下邊帶。在此情況下，下邊帶抑制是沒有的或0dBc。用復(fù)IF調(diào)制，相位信息包含所有到RF調(diào)制器的所有通路。這反映在圖2右下方所示的帶負(fù)下邊帶頻率能量的頻譜中。在求和之后，理論上TRF3703輸出將具有雙倍上邊帶能量和零下邊帶能量。

　　由于I/O失匹，下邊帶抑制實(shí)際達(dá)到35dBc(未定標(biāo))。因此，在復(fù)IF系統(tǒng)中去除LO饋通、邊帶和其他寄生分量，而無相位、增益和偏移校正是可能的。此外，在復(fù)IF調(diào)制中，非諧波時(shí)鐘相關(guān)寄生信號(hào)脫離感興趣頻帶，而DAC二次Nyquist區(qū)域圖像在實(shí)數(shù)IF結(jié)構(gòu)中，由fDAC與FDAC-2xfIF比較進(jìn)行進(jìn)一步的補(bǔ)償，這降低了對(duì)DAC輸出的濾波要求。因此，DAC和調(diào)制器之間的簡單直接和無源連接是可能實(shí)現(xiàn)的。相反，實(shí)數(shù)IF系統(tǒng)完全依賴更精確的有源RF濾波來實(shí)現(xiàn)滿足頻譜表征碼要求的最后濾波RF傳輸信號(hào)。

　　在RX端，一個(gè)低噪聲放大器(LNA為輸入信號(hào)提供增益。然后，信號(hào)通過一個(gè)帶選濾波器抑制帶外阻斷器及來自相鄰頻段的干擾。其后，模擬RF混頻器下變頻所希望的信號(hào)到便于數(shù)字化的合適IF。在自動(dòng)增益控制、另外濾波和放大之后，由集成IF處理信號(hào)到基帶接收器子系統(tǒng)。

　　AFE8406是一款高集成的接收器，它無縫集成一個(gè)高性能雙通道14位85MSPS ADC來數(shù)字化IF頻譜，用8通道DDC調(diào)諧和濾波所希望的信號(hào)。對(duì)于寬帶標(biāo)準(zhǔn)(如W-CDMA，CDMA2000，TD-SCDMA)基帶收發(fā)系統(tǒng)所需的濾波要求，DDC是最佳的，并可以軟件重新配置。這種集成的一個(gè)明顯好處是可避免ADC和DDC之間高速板連接。因此，減少了板面積并保持相當(dāng)好的信號(hào)完整性。DDC輸出是很低速的通道濾波數(shù)字信號(hào)，此信號(hào)由基帶DSP(如TI公司的TMS325TCI648X)解調(diào)。

在RX通道中，通常ADC是最重要的噪聲源。ADC的性能因數(shù)是噪聲比(SNR)和無寄生動(dòng)態(tài)范圍(SFDR)。SNR可以表示為頻譜中信號(hào)與噪聲能量之比。用SNR、輸入電壓和終端阻抗，可以計(jì)算噪聲系數(shù)。與接收器的其他RF/IF元件相接合，可以確定接收器的總靈敏度。SFD是信號(hào)的均方根(RMS)幅度值與最壞寄生的RMS幅度值之比，這是在信號(hào)掃經(jīng)ADC輸入范圍情況下。SFDR決定ADC可以處理的信號(hào)范圍。AFE8406具有82dBc SFDR(在70MHz IF和70dBc SFDR(在140MHz IF)以及70dB SNR(在70MHz輸入)和68dB SNR(在140MHz輸入)。這種水平的性能對(duì)于為多載波接收器設(shè)計(jì)提供足夠的裕度是必要的。

　　高IF ADC只需要一個(gè)RF混頻級(jí)來下變頻RF輸入信號(hào)。這減少了所需RF元件數(shù)。更重要的是在較高的Nyquist區(qū)域用IF性能，有助于在進(jìn)一步下混頻期間分離信號(hào)和它的圖像。這就消除了成本高的高階截止圖像抑制濾波器。以W-CDMA設(shè)計(jì)為例，輸入RF信號(hào)是在2140MHz。若所用IF僅70MHz，則LO是：

　　2140MHz-70MHz=2070MHz

　　在混頻之后，進(jìn)入ADC的IF信號(hào)是：2140MHz-2070MHz=70MHz

　　而RF輸入信號(hào)的圖像是：

　　2070MHz-70MHz=2000MHz

　　RF信號(hào)和它的圖像分離是：

　　2140MHz-2000MHz=140MHz或2×70MHz=140MHz

　　假若ADC帶寬可以支持140MHz IF，則分離將是：

　　2×140MHz=280MHz

　　圖像抑制濾波器的滾降比70MHz IF情況慢兩倍。這允許采用低階濾波器，使得方案成本較便宜。

　　每個(gè)載波成本

　　從成本觀點(diǎn)看，多載波無線電增加了元件成本，這是由于需要額外成本的IF和混頻信號(hào)模擬元件(這些元件提供較寬的帶寬，較低的噪聲、較高的線性度和較高的采樣率)。直接比較單載波設(shè)計(jì)與多載波設(shè)計(jì)的成本是不現(xiàn)實(shí)的，這是由于開發(fā)的復(fù)雜性原因。在鄉(xiāng)村或人口居住較少區(qū)域，采用單載波系統(tǒng)最經(jīng)濟(jì)的。然而，多載波系統(tǒng)更適合于中等到密集居住區(qū)，此區(qū)域?qū)π阅苡休^高的要求。隨著多載波數(shù)量的增加，則每個(gè)載波的成本也隨之降低。因此，在多載波系統(tǒng)變?yōu)榻?jīng)濟(jì)方案之前，運(yùn)營商必須評(píng)估在可靠的方案中喜歡采用多少載波。公共多載波平臺(tái)的一個(gè)更顯著的成本優(yōu)勢是容易移動(dòng)。開發(fā)一個(gè)新網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)成本可能達(dá)到幾百萬美元。但是，假若無線電板保持不變、僅僅數(shù)字上/下變頻和基帶DSP的軟件需要變化，則成本可以顯著降低。

　　結(jié)語

　　無線基站設(shè)施市場受成本驅(qū)動(dòng)，小型多載波公共無線電平臺(tái)的明顯優(yōu)勢成為設(shè)備供應(yīng)商優(yōu)選方案。高集成混合信號(hào)模擬前端(如 AFE8406，DAC5687，TRF3703，TRF3761)使得這種無線電設(shè)計(jì)大大減少了元件數(shù)量。隨著IC設(shè)計(jì)和制造技術(shù)的發(fā)展，集成無線電產(chǎn)品將會(huì)不斷改進(jìn)基站設(shè)計(jì)，適應(yīng)市場的需要。