基于WiMAX技術(shù)的RF芯片組設(shè)計挑戰(zhàn)

在通信行業(yè)，新技術(shù)不斷涌現(xiàn)。802.16 標準(通常也稱作WiMAX)將成為新一輪技術(shù)發(fā)展高潮。全球微波接入互操作性(WiMAX) 技術(shù)迅速席卷了整個業(yè)界，在小型農(nóng)村運營商、大型服務(wù)原始設(shè)備制造商(OEM)以及供應(yīng)商中引起了廣泛關(guān)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(yīng)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(shù))、企業(yè)或高校的蜂窩回程與高速局域網(wǎng)應(yīng)用演變。盡管WiMAX 之前的許多技術(shù)都能實現(xiàn)類似的功能，但WiMAX 的主要賣點在于這種獨特技術(shù)的互操作性。WiMAX 基于802.16 標準，這樣只要符合該標準的系統(tǒng)就能確保彼此之間實現(xiàn)互操作性。這為WiMAX 供應(yīng)商提高了靈活性，使他們能夠與各種廠商共同構(gòu)建自己的系統(tǒng)，而不用擔心可用性問題，也不必害怕系統(tǒng)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(xiàn)互操作性，那么只能信任大型企業(yè)提供的系統(tǒng)組件。互操作性的優(yōu)勢則在于，小公司也能充分利用其自身的因特網(wǎng)協(xié)議(IP) 技術(shù)，擠進廠商行列，以提供各種系統(tǒng)組件，從而避免服務(wù)供應(yīng)商拴死在一家廠商上的風(fēng)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(tǒng)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5.6 GHz 頻帶以及無許可限制的2.5 GHz 頻帶。此外，還有一些新的4.9 GHz 和700 MHz 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(xiàn)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(shù)實施的RF 芯片組應(yīng)具備足夠的靈活性，以滿足多種實施方案的要求，并應(yīng)具備足夠的性能，滿足標準規(guī)范的要求。我們所面臨的設(shè)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(shù)架構(gòu)要求，同時仍能符合標準要求。確保有關(guān)參數(shù)滿足WiMAX 規(guī)范要求至關(guān)重要，只有這樣才能設(shè)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(guān)鍵性能參數(shù)是其在給定功率下的誤差矢量幅度(EVM)。EVM 表示數(shù)組(digital constellaon)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機振蕩器(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(tǒng)及802.11 參數(shù)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-31.4 dB。我們根據(jù)EVM 為-31.4 甚至更好的情況下的最大額定調(diào)制功率來確定發(fā)送器的性能。

客戶端設(shè)備(CPE) 戶外系統(tǒng)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20 dBm。部署于建筑物內(nèi)的系統(tǒng)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27 dBm。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(tǒng)實施方案。

設(shè)計人員在提高系統(tǒng)的額定功率輸出時，必須調(diào)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(yīng)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(shù)-31.4 dB 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(guān)標準規(guī)定絕對寄生輸出參數(shù)為-40 dBm。不管輸出功率有多大，寄生信號都不能超過這個參數(shù)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(yīng)相應(yīng)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(chǎn)生影響。由于寄生輸出參數(shù)是固定的，因此增益的提高會導(dǎo)致相對于參數(shù)的輸出寄生性能容限降低，因此如果系統(tǒng)原本滿足20 dBm 輸出功率的標準要求，那么由于增益的提高，就會難以滿足24 dBm 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-37 dB 的良好EVM 性能，并與寄生輸出參數(shù)保持7 至10 dB的容限。這樣，設(shè)計人員就能更加靈活的根據(jù)系統(tǒng)需要選擇適當?shù)墓β史糯笃?，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(guān)鍵性能參數(shù)是其靈敏度。有關(guān)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(tǒng)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(shù)值。根據(jù)二者的對應(yīng)關(guān)系，64-QAM 信號的靈敏度相當于-21.5 dB 的EVM值。通常，為達到-23.5 dB，我們應(yīng)為該參數(shù)增加2 dB 的容限。

接收機還采用自動增益控制(AGC) 函數(shù)向模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC) 常量提供輸出功率。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。輸入信號的改變可確保輸出功率為常量，同時AGC 會使增益發(fā)生變動。為了達到所需的靈敏度，需要在含AGC 函數(shù)的輸入功率設(shè)置下，實現(xiàn)適當?shù)南到y(tǒng)噪聲系數(shù)性能。設(shè)計人員可通過添加額外的低噪聲放大器(LNA) 或減小現(xiàn)有噪聲級的噪聲系數(shù)來修改系統(tǒng)噪聲系數(shù)，這兩種方法都能降低整體系統(tǒng)噪聲系數(shù)，并提高系統(tǒng)的靈敏度。

設(shè)計人員還應(yīng)考慮到與鄰道阻塞性能有關(guān)的WiMAX 參數(shù)。該參數(shù)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斷抑制功能。這種接收機參數(shù)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的位置及選擇性。如果我們?nèi)我獾乜吭黾覮NA 來降低系統(tǒng)噪聲系數(shù)與提高靈敏度，那么反而可能會對阻塞性能產(chǎn)生消極影響。

我們針對兩種工作情況制定了接收機(RX) 阻斷規(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(shè)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，即這時的輸入功率檢測到EVM 值為-23.5 dB，加上3 dB，這就使EVM 性能好于-23.5 dB。相鄰或相隔一個通道的阻斷信號以與所需信號相同的功率級進行不斷傳輸，直到系統(tǒng)EVM 衰減至-23.5 dB 為止。阻斷性能由所需信號和干擾信號之間的變數(shù)增量決定。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：-30 dBm。阻斷信號以相同的水平進行傳輸，而所需信號減少，同時根據(jù)所需設(shè)置點調(diào)節(jié)AGC，直到系統(tǒng)EVM 降至?23.5 dB 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變數(shù)增量決定。規(guī)范要求所需信號和阻斷信號之間的變數(shù)增量差就相鄰?fù)ǖ罏? dB，就隔一個通道的情況而言為11 dB。

檢測性能

我們通過采用TSW5003 參考設(shè)計板的TI WiMAX 芯片組來檢測發(fā)送器和接收機的WiMAX 系統(tǒng)參數(shù)。圖1 顯示了采用超外差架構(gòu)的五芯片組解決方案的結(jié)構(gòu)圖。

圖1：TI TSW5003 參考設(shè)計結(jié)構(gòu)圖

該解決方案采用10 MHz 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：3.5 MHz、7 MHz、5 MHz 和10 MHz。TRF1223 PA 為1W 的A 類放大器，它能在一定溫度和頻率范圍內(nèi)提供20 dBm 的調(diào)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(shù)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(TX) 頻譜掩模等參數(shù)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、間歇頻率(IF)和RF 濾波器來大幅降低各種預(yù)期的并與混頻器的載波饋通、DAC 圖像及第二諧波等相關(guān)的寄生信號。有關(guān)諧波以及時鐘信號與LO 信號互調(diào)混合產(chǎn)物的寄生信號更加難以預(yù)測，這會造成嚴重障礙，特別是影響芯片組集成度的提高，進而造成隔離方面的問題。

額定為20 dBm 的TSW5003 設(shè)計方案在額定功率下寄生輸出不大于-50 dBm，這樣可提供10 dB 的容限。提供一定的設(shè)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(nèi)應(yīng)用的額定功率會提高到24 至27dBm，這樣我們采用適當?shù)墓β史糯笃鞑⒆鱿鄳?yīng)改動就可替代現(xiàn)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7 dB，這會降低寄生輸出的容限，不過至少還會剩下3 至6 dB 的容限。

圖3 顯示了接收機EVM 曲線以及-20 dBm 的ADC 恒定輸入功率。根據(jù)該圖形信息我們可得知接收機靈敏度，不過仍不能確保阻斷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?fù)ǖ赖淖钄嘁?。該架?gòu)可支持高IF SAW 濾波器和兩個可交換的即時低IF濾波器。高IF濾波器有10 MHz 的帶寬可傳輸10MHz或更低帶寬的所需信號。低頻IF SAW 無需修改任何硬件即可支持兩個不同的信號帶寬。TRF1212 中AGC 放大器的過濾機制加上較大的動態(tài)范圍，有助于滿足靈敏度方面嚴格的阻斷規(guī)范要求。憑借上述方法以及TRF1216 LNA 中的集成可交換衰減器，我們可以成功進行高功率的阻斷測試，有助于提高高功率情況下的線性。圖4 顯示了TSW5003 的阻斷性能。

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(tǒng)實施。盡管EVM 初期掃描不明顯，其他接收機特性對確保符合標準要求以及系統(tǒng)實施的靈活性仍是十分重要的。

圖4：TSW5003 RX 高低功率下的阻斷性能

結(jié)論

在WiMAX 標準下采用RF 芯片組時，我們應(yīng)進一步了解性能標準，而不是只考慮標準的EVM 性能。我們應(yīng)就寄生輸出以及RX阻斷等參數(shù)提供足夠的容限，這樣才能幫助系統(tǒng)設(shè)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(chǎn)品的穩(wěn)健性，便于投入生產(chǎn)。WiMAX 的固定版標準已經(jīng)趨于確定，而802.16e 移動WiMAX 標準正在受到越來越多的關(guān)注。由于標準尚未完全確定，而且越來越多的基帶供應(yīng)商不斷推出新型移動產(chǎn)品，因此我們必須推出高性能、高度靈活的RF 解決方案來應(yīng)對各種設(shè)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。