MIMO RF前端模块：开拓新的市场领域

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       对现有的无线局域网 (WLAN) 设备和芯片组制造商而言，最近获批准的802.11n 标准草案可谓一个新市场的催生力量。当这一标准完全制订时，这些企业的大量无线互联网存取产品将能达到更好的性能，并开创一个全新的音频和视频发送 (distribution) 市场。然而，多输入多输出 (multiple input and multiple output, MIMO) 射频能力的实现，与目前产品尺寸不断缩小、功耗及成本日益降低的趋势是背道而驰的。本文将讨论设计RF MIMO解决方案时所遇到的挑战；总结关键的性能指针，并阐释 MIMO 前端模块如何帮助产品开发商解决这些设计难题。

　　802.11n的优势


　　与现有的无线数据标准比较，802.11n具有多项优势。802.11n的数据传输率为200 到 400 Mbps，能提供一条足够宽的数据信道，实现家居联网和下载，以及媒体内容发送 (media distribution)。此外，该标准还有两项优点 (虽然两者往往因为速度更高这一优势而为人所忽略)，就是其频率范围比现有802.11a/b/g 标准的增大了 20% 到 30%，并具有对 802.11a/b/g 的后向兼容性。后向兼容性能让使用者在家居、办公室和旅途应用 (虽然数据传输率和频率范围可能比完整 MIMO 解决方案的小) 中使用相同的设备。802.11n客户卡 (client card) 于所有的可能情况下都会使用802.11n；而在现有热点 (hotspot) 则退回到802.11a/b/g标准。与其它的竞争方案相比，802.11n最终的优胜之处是它使用和 802 a/b/g 标准相同的频谱，都是2.4 和 5 GHz 。这就让制造商能够充分享受现有工艺技术、组件和供应商所带来的规模经济效益 (economies of scales)，使高速网络的费用更为低廉。


　　RF设计的技术挑战


　　分配式误差向量幅度 (Error Vector Magnitude, EVM) 对总吞吐量和性能是非常重要的。一个完整的前端模块在额定输出功率下应该具有小于3% (-30 dB) 的分配式 EVM (contributed EVM)。在MIMO中，则要求更好的线性度。为什么呢？因为要抽取信道模型，您需要有一个非常好的发射器。如果用作信道模型抽取的发射器的EVM很差，那么 MIMO 的性能便会大打折扣。不过，单凭 EVM 标准尚不足够。前端模块的 EVM 特性应该尽可能接近如图 1a 所示的指数曲线，而不是像图1b 那样有一个“最佳点”(sweet spot)。图 1b 中的特性曲线有一个 1 或 2 dB的最佳点，功率放大器 (PA) 必须在这个点上工作，提供规定性能。在最佳点以上或以下，工作前端模块都会产生额外的 EVM，并降低吞吐量。这里主要的问题在于此最佳点会随工艺、电压、匹配电路以及温度而漂移，因此 EVM的分配会增大，而吞吐量则下降。具有这类性能的前端模块将很难应用在需要保证最低性能标准的产品中。

　　此外，当不同地区对于输出功率限制有不同的条例标准时，一个具有指数EVM特性的前端模块就可以让您在全球各地使用相同的设计。在设计时以用于输出功率最高的地区为目标，而当该设计用于其它地区时，其性能便可以提高。不过，对具有图1b所示 EVM 特性的前端模块而言，情况却并非如此。


　　对于 MIMO 来说，指数 EVM 特性提供了类似的优势。某些条例机构把这一功率定义为所有天线的总功率。所以，即使前端模块能够为每条天线提供较大的输出功率，但输出功率也可能需要补偿 3-6 dB以符合条例要求。然而在同样的产品中，如果使用原有 802.11 a/b/g 标准的单一天线时，使用者都希望能以最高的输出功率进行发射。如上所讨论，在不同功率级之下以图 1b 中特性工作将引起性能下降。


　　外形尺寸


　　随着标准化产品尺寸日渐缩小，无线标准也变得越来越复杂，并要求具有更多的电路和更高的功耗，这实实在在地为 RF 设计人员带来了极端的挑战。


　　最新外形尺寸的 PCIE 迷你卡，只有目前占WLAN市场主导地位的迷你PCI卡大小的一半。迷你PCI 卡广泛应用于笔记本计算机、个人计算机和接入点。这些现有设计只使用了一个 RF 发射链路和一个RF接收链路；但 MIMO 802.11n 应用却需要两个 RF 发射链路和两个 RF 接收链路，如图2所示。考虑到组件的数量，加上为了生产需要而设立的禁止布线区域 (keep out areas)，若要在PCIE 迷你卡的尺寸上实现这些电路实在极富挑战性。然而，这正是 MIMO 前端模块的真正优势所在：经过全面测试的单一 RF解决方案，集成了从收发器输出到天线所需的全部电路。


　　要比较前端模块的集成度，进行严格的同模拟较是很重要的。有时，功能性(functionality) 会被 RF 功能 (输出功率、EVM) 的强大优势所掩盖，但它对成本和关键的电路板空间却是非常重要的。


　　控制接口：控制接口是CMOS吗？如果不是，将需要额外的电路来连接前端模块和IC。


　　偏置电压：前端模块需要偏置电压吗？若需要，则常常需要外置调节器来提供典型范围在 2.7 到 2.9V 之间的偏置电压，并利用额外的晶体管电路来启动偏置电压或使之失效。除了尺寸和成本外， 前端模块 (FEM) 的性能也直接与偏置电压相关，后者会随温度和电压而变化。


　　电流消耗


　　尽管开发人员可能认为电流消耗和外形尺寸没有关联，但事实上由前端模块电流消耗所引起的三个问题中，有两个都与外形尺寸有直接关系。

一直以来，电流消耗都和电池寿命有关。产品开发人员希望以最低的电流消耗获得最高的功率，有时甚至愿意接受稍低的输出功率，以换取延长10% 的电池使用寿命。同样的问题也存在于 MIMO 应用中，只是情况更甚，因为这些应用里有两个完整的发射链路同时工作。这意味着前端模块供应商必须开发出更高效、更低电流消耗的模块来满足 MIMO 市场的需要。若 MIMO 进入 PDA、手机和游戏机等电池更小的嵌入式应用领域，这将变得更为关键。

虽然电池寿命很重要，但开发高效前端模块另一个更重要的原因，是外形尺寸标准清楚限定了有多少功率提供给PCI卡。在原有的 802.11 a/b/g 标准下，这些卡所消耗的电流与这些规格所限的相距甚远。不过，随着工艺技术不断提高，而 MIMO系统具有多个信道，PCI卡所消耗的电流可能已经很接近、甚至超过了外形尺寸标准规定的限值。由于 PA 一般来说是电流消耗最大的器件，因此前端模块供货商面对着更大的压力，必须推动技术和物理学的发展，以实现高效解决方案。


　　前端模块


　　本身也设计 PA 和开关等组件的前端模块制造商，能够采用一些技术来让匹配和偏置达到最佳化，把发射接收链路中的损耗减至最少。此外，他们也可以利用新的技术，以达到高集成度以实现这种小外形尺寸。这些技术都是目前市场上可见的组件所没有的。


　　凭借一种经全面测试而且能够满足高输出功率、低EVM和低电流消耗要求的解决方案，单一前端模块便可以解决前面讨论过的所有系统问题，协助开发商加快产品面市的速度。由于这种前端模块是经过全面测试的解决方案，能够取代约60个组件，因此终端产品的良率将得以提升。较之使用多个具有较低集成度的前端模块，单一前端模块具有更大的优势，因为每一个组件都有其禁止布线区域，组件越多需要占用的电路板面积也就越多。此外，一般而言，这些前端模块的接脚与收发器界面成镜像化 (mirror)，故限制了设备所能提供的规模经济效益。