采用高灵活性RF解决方案应对日益增加的频率与无线标准

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[摘要:] 实现无缝语音连接的大趋势正极大改变无线基础设施网络的需求。随着无线市场向全球演进。因此这些无线网络视国家和基础设施开发程度的不同而工作于不同频率。不断演进的射频与不断涌现的全新无线标准，进一步推动了市场对全面集成的、自适应芯片组的需求。满足日新月异的无线市场需求的关键在于，我们需要推出一款整体解决方案，既能满足OEM厂商对提高设计效率并同时降低设计成本的基本需求，又能进一步确保提供增强型语音功能和高质量的语音传输性能。本文将探讨德州仪器(TI)推出的系列射频收发器(TRF)模拟信号链解决方案及其灵活的设计特性与增强型音质功能。此外，我们还将从市场与消费者的角度浅谈OEM厂商、服务供应商乃至RF市场如何从中受益。
引言
         能否实现无缝语音及数据连接技术将影响无线基础局端的设计要求。系统容量必须不断提高，这要求更高带宽的信号与多载波能力。发送器的功率及接收机的灵敏度越高，信号覆盖范围就越广泛。为了确保信号无处不在，网络需要更小型的微微基站 (pico base station) 遍布城市的各个角落以提供服务。为此，OEM 厂商应在确保实现高效率、低成本设计的同时还能提供更高性能的设备。
         此外，OEM 厂商的系统必须支持包括 CDMA2000、WCDMA、GSM 及 EDGE 等在内的多种现有无线标准，以及诸如中国的 TD-SCDMA 和全球宽带数据服务的 WiMAX等各种新兴标准。灵活的架构应满足大多数甚至所有类型的调制需求，这对最大限度地节约设计资源、提高可靠性至关重要。全球工作频带的多样化进一步加剧了复杂性，大多数语音通信所采用的频率介于 800 MHz 至 2.1 GHz 之间，数据服务的频率则在 3.5 GHz 至 5.6 GHz 之间。
         上述频带的多样化需要能够满足多种频带与各种无线调制标准需求的高灵活性解决方案。鉴于此，TI 推出了一款可满足上述要求的高灵活性直接上变频解决方案，其优异的 RF 性能能够充分满足严格的基站规范要求。此外，该解决方案的高集成度还理想适用于小型紧凑的低成本设计方案。
发送器架构
         发送器的两大架构选项是直接上变频架构和超外差架构。传统的超外差架构包括两个混频阶段 (mixing stage)，信号首先向上转换为固定中频 (IF) 信号，然后再通过窄带表面声波 (SAW) 滤波器。直接变频方案绕开了 IF 级，直接从基带信号转换为所选的 RF 通道信号。图 1 给出了以上两种架构的结构图。

图 1    超外差架构与直接上变频架构

         直接上变频方案采用正交调制器 (quadrature modulator)，并且消除了采用额外混频级、合成器以及 SAW 滤波器的麻烦，这不仅大幅简化了设计工作，同时也显著降低了材料清单 (BOM) 成本。此外，该方案可用于其中包括 CDMA、GSM 以及 OFDM 等在内的各种调制技术，因而具有最高的灵活性。
         由于无需采用窄带滤波器，因此该架构可支持与所选调制方案相对应的各种信号带宽。举例来说，除支持与 CDMA2000 和 WCDMA 相关的各种带宽外，还支持范围通常介于3.5 MHz 至 10 MHz 之间的各种 WiMAX 信号带宽。由于无带宽限制，因此同时也支持多载波应用。此外，直接上变频架构还能支持数字预失真 (DPD) 线性化信号。该信号的带宽必须高达所需信号带宽的五倍，该信号中包含为消除功率放大器的非线性影响而修正过的三阶与五阶产物。
直接上变频调制器
         直接上变频调制器由差动同相 (I) 与正交相 (Q) 信号组成，二者汇总于输出端。直接上变频法必须使用正交调制器。基于正交调制器固有特性，本机振荡器 (LO) 自身信号及不必要的镜像信号（或无用边带）无需滤波器就能自然被抑制。
         边带抑制量取决于输入正交分量的幅度与相位平衡。而LO 泄漏取决于IQ两个输入路径间的 DC 偏移平衡。我们最好能让器件本身对本振泄漏与无用边带的抑制性能优于35 dBc，因为随着温度的变化，正交调制器这两个指标可能会恶化。如果需要进一步的抑制，我们还可在数模转换器 (DAC) 中做进一步微调。诸如 TI DAC5687 等数据转换器可提供具备内置调节功能的 I/Q接口，从而可满足幅度与相位平衡的要求，并支持 DC 偏移校正。
         下表 1 给出了 TI TRF3703 调制器的关健参数。该调制器的线性及输出噪声参数对系统性能设置至关重要。这些参数决定了器件的工作输出范围，同时也会限制整个无线电系统的最大输出功率。对于如 CDMA 及 OFDM 等极高峰均比 (PAR) 的调制信号来说，调制器在传输信号峰值时要避免对相邻频道功率比 (ACPR) 性能造成较大负面影响，这对满足标准的要求是至关重要的。

表 1    TRF3703 RF 参数

         我们只需回退正交调制器的输出功率，理论上就可以提高 ACPR 性能。如果器件符合标准模型的话，那么每 1dB 的信号功率回退，三阶产物就能降低 3dB。在某一输出功率点，（不变的）器件噪底会主导 ACPR 性能。为打破这一局面，关键在于保持调制器工作于足够高的输出电平上，这样 ACPR 性能就不局限于器件的噪底了，不过也不能让调制器输出电平过高，要避免器件工作在非线性区降低 ACPR 性能。最佳电平取决于调制信号的 PAR 及载波数量。在大多数情况下，最佳窗体宽度仅为1至 2dB。
         噪声基底性能还决定着给定输出功率下无线电技术能否满足寄生要求。举例来说，调制器的输出功率设为 -10 dBm以提供足够的线性功能。20 W 的无线电系统会需要调制器输出向天线输入提供额外的 53dB 增益。假定不采用噪声滤波，后续阶段也不会增加额外的噪声，那么在 1 MHz 带宽（标准规范下典型的噪声带宽）内，输出噪声电平可通过以下计算得出：
         噪声功率 + 1 MHz BW [dB] + 增益 = 噪声功率输出
         -163 dBm/Hz + 60 dB-Hz +53 dB = -50 dBm
         对于所有频率而言，上述配置的寄生输出性能为：每1 MHz带宽内具有 -50 dBm 的噪声输出功率。这符合有关标准要求。
合成器
         调制器需要合成 LO 源，然后根据所选输出频道进行编程。传统的合成器实施方法是采用锁相环芯片并配合使用外部压控振荡器 (VCO)。尽管这种方案可实现良好的性能，但 VCO 器件通常尺寸较大，成本不菲，并且只能工作在较窄的频带上。我们通过采用集成频率合成器，就能大幅降低电路的复杂性。类似于 TITRF3761 整数 PLL 频率合成器的只需一个外部环路滤波器即可，因为 VCO 已集成在硅芯片上了。可对环路滤波器进行优化，以加快 TDD 系统通常要求的锁定时间。此外，该器件还采用“除二和除四”特性，使一个器件能适应较大的工作范围。
         尽管集成型频率合成器能显著缩小系统尺寸并降低成本，但相位噪声是非常关键的参数，其性能不容衰减。LO 的相位噪声信号将被传输至调制器的输出信号上，这对于高带宽 CDMA 调制信号、GSM 等窄带调制信号以及 WiMAX 信号所用的 OFDM 调制等高频子载波系统而言，同等重要。合成器的相位噪声肯定会影响发送器的误差矢量幅度 (EVM) 性能。当频率为 1.8 GHz 时，TRF3761 能在 10 MHz频偏时提供-160 dBc/Hz的闭环相位噪声。在低频情况下对器件加以优化后还能进一步提高系统性能。
测量结果
         TI 提供的 TSW3003 参考设计显示了发送器直接上变频架构。该电路板采用可驱动 TRF3703 正交调制器的 DAC5687 器件。TRF3761 集成合成器可提供 LO 源。采用 WCDMA 信号标准时该电路板的 ACPR 性能如图 2 所示。从图中我们可以看出，单载波输出功率为 -12 dBm 时，ACPR 性能在 2.17 GHz 内可提供 -77 dBc 的噪声功率输出。

图 2    采用WCDMA 标准时的 TSW3003 ACPR 性能

         采用 EDGE 信号标准时，我们对 EVM 进行测量。TSW3003 电路板的 EVM 性能小于1.5%。当频率为 1800 MHz 时，其测量结果如图 3 所示。

图 3     采用EDGE 标准时的 TSW3003 性能

         就采用 OFDM 及 64 QAM 调制方案的 WiMAX 信号而言，我们也可通过上述方案进行处理并获得相近性能。WiMAX 的关键性能参数为 EVM 性能。该系统在 2.5 GHz 输出上的 EVM 优于 -40 dB，如图 4 所示。尽管功率放大器不可避免会出现衰减，但上述参数尽可能地降低了性能衰减。

图 4    采用64-QAM WiMAX 标准时的 TSW3003 性能

         上述不同调制信号标准与频率下的测量结果显示了器件的灵活性与性能，这有助于 OEM 设计人员在不影响系统性能并确保满足有关规范要求的情况下能够提供更小型的低成本器件。
         作者：Russell Hoppenstein 德州仪器(TI)
         关于作者：Russell Hoppenstein 现任 TI 位于得克萨斯州达拉斯市总部无线基础局端业务部负责 WiMAX 产品组的 RF 应用工程师。他在移动通信局端设备及 WiMAX 系统的产品开发与应用领域拥有超过 14 年的丰富工作经验。Hoppenstein 先后毕业于得克萨斯大学奥斯汀分校 (University of Texas at Austin) 以及得克萨斯大学阿灵顿分校 (University of Texas at Arlington)，分别获学士学位及电子工程硕士学位。他的电子邮件为：rhoppenstein@ti.com。