小型多载波基站无线电中的集成前端

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无线基站设计人员在巨大的成本压力下面对未来的走向问题。为了快速上市和节省成本，需要一个具有小型状因数的多载波公共无线电平台。对于无线电设计，选择半导体器件是关键。高性能集成前端使基站设计人员能获得降低元件又能满足多载波无线电严格要求的解决方案。本文用几种设计方法分析一个高集成多载波无线电实例，可以用来改善最佳化无线电性能。
         
        降低成本和节省空间的公共无线电平台
        当会演变的3G标准和新出现的无线标准(如WiMAX)之间的会聚，需要采用一个公共无线电平台跨接不同的空中接口标准。对于设备供应商，这种 像商品式的方法，允许研发投资的大量再利用，并能灵活快速地适用性能指标或空中接口的变化。对于运营商在开办新业务时，公共平台无线电接入网络降低了重新 配置的费用。此外，在大城市内台站征收的费用不断增加，促使了小型基站的开发。
         
        建造一个公共无线电平台的一种经济方法是采用单信号链路，在400MHz~4GHz范围内，处理大于10MHz的任何信号带宽。这样宽大的频率范围覆盖全球，使用商业无线通信所许可的频段。对于10MHz以上的带宽，多载波无线电可以处理多载波WCDMA，TD-SCDMA或CDMA2000，而不用另外的元件。
         
        与单载波设计相比，降低元件数能大大地节省板尺寸，并使小型设计成为可能。
        图1示出带接收分集的一个高集成宽带无线电实例。TI公司的AFE8406、DAC5687、TRF3703和TRF3761都集成有多频带元件，它们可用在这种无线电中。

       

        图1 20MHz信号带宽的高集成公共基站无线电

         

        采用复IF正交调制的好处
        在发送器(TX)端采用复中频(IF)正交调制方法。在功率放大器(PA) 输出加一个反馈回路、这是为了处理数字前失真(DPD)来线性化PA，以改善PA效率。在接收器(RX)端，用高IF取样。TRF3761是带集成压控振 荡器(VCO)的频率合成器，为上混频和下混频产生本机振荡(LO)频率。当需要新的空中接口转移或频率配置变化时，唯一硬件的修改是LO频率和带通滤波 器。数据变换器，数字上变频器(DUC)、数字下变频器(DDC)和基带处理的重新配置，通过软件可以很容易地重新编程。
         
        DAC5687是一款双通道、16位500MSPS数/模变换器(DAC)，它具有几个集成数字信号处理单元。通常由波峰因数缩减(CFR)处理器(如 GC1115)或数字前失真处理器产生DAC输入。用一个复中频输入，用DAC5687增加数据率，这是通过数字组混频(NCO)和/或粗混频级内插 (2，4或8)在频谱中灵活地放置输出信号而实现的。复DAC5687输出是到模拟正交调制器(AQM)TRF3703的输入。采用复IF调制的好处分析 示于图2。
         
        图2示出传统的实数IF调制方法。在实数混频的顶部示出复IF调制所需的附加单元。该实例中的信号很对称，有20MHz带宽的3载波W-CDMA信号。

       

        图2 正交调制与实数调制

         

        带实数混频的RF频谱示于图2右上角。它具有以LO频率为中心对称的上边带和下边带。在此情况下，下边带抑制是没有的或0dBc。用复IF调 制，相位信息包含所有到RF调制器的所有通路。这反映在图2右下方所示的带负下边带频率能量的频谱中。在求和之后，理论上TRF3703输出将具有双倍上 边带能量和零下边带能量。
         
        由于I/O失匹，下边带抑制实际达到35dBc(未定标)。因此，在复IF系统中去除LO馈通、边带和其他寄生分量，而无相位、增益和偏移校正 是可能的。此外，在复IF调制中，非谐波时钟相关寄生信号脱离感兴趣频带，而DAC二次Nyquist区域图像在实数IF结构中，由fDAC与FDAC- 2xfIF比较进行进一步的补偿，这降低了对DAC输出的滤波要求。因此，DAC和调制器之间的简单直接和无源连接是可能实现的。相反，实数IF系统完全 依赖更精确的有源RF滤波来实现满足频谱表征码要求的最后滤波RF传输信号。
         
        在RX端，一个低噪声放大器(LNA为输入信号提供增益。然后，信号通过一个带选滤波器抑制带外阻断器及来自相邻频段的干扰。其后，模拟RF混 频器下变频所希望的信号到便于数字化的合适IF。在自动增益控制、另外滤波和放大之后，由集成IF处理信号到基带接收器子系统。
         
        AFE8406是一款高集成的接收器，它无缝集成一个高性能双通道14位85MSPS ADC来数字化IF频谱，用8通道DDC调谐和滤波所希望的信号。对于宽带标准(如W-CDMA，CDMA2000，TD-SCDMA)基带收发系统所需 的滤波要求，DDC是最佳的，并可以软件重新配置。这种集成的一个明显好处是可避免ADC和DDC之间高速板连接。因此，减少了板面积并保持相当好的信号 完整性。DDC输出是很低速的通道滤波数字信号，此信号由基带DSP(如TI公司的TMS325TCI648X)解调。
         
        在RX通道中，通常ADC是最重要的噪声源。ADC的性能因数是噪声比(SNR)和无寄生动态范围(SFDR)。SNR可以表示为频谱中信号 与噪声能量之比。用SNR、输入电压和终端阻抗，可以计算噪声系数。与接收器的其他RF/IF元件相接合，可以确定接收器的总灵敏度。SFD是信号的均方 根(RMS)幅度值与最坏寄生的RMS幅度值之比，这是在信号扫经ADC输入范围情况下。SFDR决定ADC可以处理的信号范围。AFE8406具有 82dBc SFDR(在70MHz IF和70dBc SFDR(在140MHz IF)以及70dB SNR(在70MHz输入)和68dB SNR(在140MHz输入)。这种水平的性能对于为多载波接收器设计提供足够的裕度是必要的。
         
        高IF ADC只需要一个RF混频级来下变频RF输入信号。这减少了所需RF元件数。更重要的是在较高的Nyquist区域用IF性能，有助于在进一步下混频期间 分离信号和它的图像。这就消除了成本高的高阶截止图像抑制滤波器。以W-CDMA设计为例，输入RF信号是在2140MHz。若所用IF仅70MHz，则 LO是：
        　　2140MHz-70MHz=2070MHz
        　　在混频之后，进入ADC的IF信号是：2140MHz-2070MHz=70MHz
        　　而RF输入信号的图像是：
        　　2070MHz-70MHz=2000MHz
        　　RF信号和它的图像分离是：
        　　2140MHz-2000MHz=140MHz或2×70MHz=140MHz
        　　假若ADC带宽可以支持140MHz IF，则分离将是：
        　　2×140MHz=280MHz
        　　图像抑制滤波器的滚降比70MHz IF情况慢两倍。这允许采用低阶滤波器，使得方案成本较便宜。
         
        每个载波成本
        从成本观点看，多载波无线电增加了元件成本，这是由于需要额外成本的IF和混频信号模拟元件(这些元件提供较宽的带宽，较低的噪声、较高的线性 度和较高的采样率)。直接比较单载波设计与多载波设计的成本是不现实的，这是由于开发的复杂性原因。在乡村或人口居住较少区域，采用单载波系统最经济的。 然而，多载波系统更适合于中等到密集居住区，此区域对性能有较高的要求。随着多载波数量的增加，则每个载波的成本也随之降低。因此，在多载波系统变为经济 方案之前，运营商必须评估在可靠的方案中喜欢采用多少载波。公共多载波平台的一个更显著的成本优势是容易移动。开发一个新网络的相关成本可能达到几百万美 元。但是，假若无线电板保持不变、仅仅数字上/下变频和基带DSP的软件需要变化，则成本可以显著降低。
         
        结语
        无线基站设施市场受成本驱动，小型多载波公共无线电平台的明显优势成为设备供应商优选方案。高集成混合信号模拟前端(如 AFE8406，DAC5687，TRF3703，TRF3761)使得这种无线电设计大大减少了元件数量。随着IC设计和制造技术的发展，集成无线电产品将会不断改进基站设计，适应市场的需要。