WiMAX 技术领域的RF 芯片组设计挑战

 

　　WiMax（Worldwide Interoperability for Microwave Access），即微波互联接入。WiMAX也叫802·16无线城域网或802.16.WiMAX是一项新兴的宽带无线接入技术，能提供面向互联网的高速连接，数据传输距离远可达50km.WiMAX还具有QoS保障、传输速率高、业务丰富多样等优点。WiMAX的技术起点较高，采用了代表未来通信技术发展方向的OFDM/OFDMA、AAS、MIMO等先进技术，随着技术标准的发展，WiMAX逐步实现宽带业务的移动化，而3G则实现移动业务的宽带化，两种网络的融合程度会越来越高。

　　WiMAX是又一种为企业和家庭用户提供"一英里"的宽带无线连接方案。因在数据通信领域的高覆盖范围（可以覆盖25~30英里的范围），以及对3G可能构成的威胁，使WiMAX在近一段时间备受业界关注。该技术以IEEE 802.16 的系列宽频无线标准为基础。一如当年对提升802.11使用率有功的Wi-Fi 联盟，WiMAX 也成立了论坛，将提高大众对宽频潜力的认识，并力促供应商解决设备兼容问题，借此加速WiMAX 技术的使用率，让WiMAX 技术成为业界使用IEEE 802.16 系列宽频无线设备的标准。虽然WiMAX 无法另辟新的市场﹙目前市面已有多种宽频无线网方式﹚，但是有助于统一技术的规范，有了标准化的规范，就可以以量制价，降低成本，提高市场增长率。短期而言﹙2004年﹚，WiMAX 论坛将在年底之前，着手开发流程，为一步的产品测试预作准备。2005年左右，大型供应商将推出拥有WiMAX 的产品，多数产品的频率不超过11GHz.长期而言，WiMAX 将进步到可以支持一哩，回程、私人企业应用。2006/07 年左右，WiMAX 解决方案将内建于笔记本电脑，可直接进行客户端发送，递送真正的便携式无线宽频，不需外接的客户端设备（CPE）。WiMAX是一项新兴技术，能够在比Wi-Fi更广阔的地域范围内提供"一公里"宽带连接性，由此支持企业客户享受T1类服务以及居民用户拥有相当于线缆/DSL的访问能力。凭借其在任意地点的1~6英里覆盖范围（取决于多种因素），WiMAX将可以为高速数据应用提供更出色的移动性。此外，凭借这种覆盖范围和高吞吐率，WiMAX还能够提供为电信基础设施、企业园区和Wi-Fi热点提供回程。

　　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6?-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：一是工作在接近灵敏度时；二是工作在接近输入功率时。这两种极端情况反映了接收机在和增益设置下的情况。就增益来说，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，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。