作者：Russell Hoppenstein，德州仪器 RF 应用工程师

摘要

由于 WiMAX 技术在全球范围内不断快速发展，市场对符合该标准的技术也提出了更高的要求，需要 OEM 厂商对其无线基础设施设计中 RF 组件及子系统的网络要求进行重新评估。为了充分满足这一新兴标准的要求，工程师在部署其 RF 芯片组之前必须解决若干设计难题，其中最重要的技术考虑事项包括：

• 将符合标准的基带处理器与 RF 电路系统相集成；
• 选择适当的 RF 架构设计方案；
• 在大规模生产制造、产品效率、性能以及价格之间实现综合平衡。

从开发角度来说，OEM 厂商必须选择具有高度灵活性的架构平台才能满足多种频率标准、多种 RF 接口选项的要求，才能进一步降低总体实施成本。选择正确的架构设计方案有助于客户端 (CPE) 实现性价比的平衡。实现这些设计方案的优势是 OEM 厂商在评估符合 WiMAX 标准的 RF 芯片组时所要考虑的重要问题，这样才能推动高性能、高质量以及低上市成本的形成。

本文将深入探讨有关 RF 芯片组设计、架构和系统应用领域的主要优缺点，以满足新兴WiMAX标准的网络要求。

引言

随着 WiMAX 标准的受欢迎程度日益上升，而且 802.16 标准的主导地位也在不断稳固，该技术必将成为一项长期而前景广阔的技术。在手机产业的宽带无线覆盖范围以及高速回程应用 (backhaul application) 方面，802.16d 固定标准在典型应用中已经确立了地位。随着RF芯片组能够支持主要的 WiMAX 频带，其他创造性的通信应用也应运而生。随着固定标准不断推广，业界的关注重点正转向 802.16e 标准，即 WiMAX 的移动标准。这些器件将有助于实现 PCMCIA 卡中收发器的小型化，最终必将为笔记本和移动电话所采用。

最初的设计重点是 CPE 市场，其商业模型侧重于大规模制造以及高销量。WiMAX 基站收发台 (BTS) 解决方案紧随其后，实现完整的系统解决方案。BTS 是一种产量较低（成本较高）的系统，通常要求更高的 RF 架构性能，而不在乎成本的高低。此外，由于 BTS 的静态特性，该技术可配合机械外壳 (mechanical housing)、散热片 (heat sink) 和电源工作，对收发器设计不会产生什么限制。

显然，就上述 WiMAX 系统而言，没有绝对正确的架构。每种选择都有其优缺点，设计人员必须权衡比较，才能实现系统的目标。我们要根据 CPE 和 BTS 等不同应用需求来有选择性地考虑不同的RF 架构，分析其主要的优劣势。

数字基带到 RF 接口

RF 架构首先要考虑的问题就是定义数字基带处理器与 RF 电路之间的信号接口。信号接口有两种选择：低中频(IF) 与 I/Q（正交）接口。数字基带处理器可能仅具备一种接口选项，因此设计人员也就别无其他选择了。其他处理器可能会需要在低 IF 和 I/Q 接口之间进行选择。由于 CPE 数字处理器通常集成了数据转换器，因此需要预定义 RF 电路接口。由于数据转换器属于外部器件，我们可根据架构的选择来确定所匹配的数据转换器，因此 BTS 的灵活性更高。

低 IF 接口针对数据转换器的发送 (TX) 和接收 (RX) 采用统一的信号路径 (signal path)。对低IF 频率的选择可能受限于 RF 芯片组电路，或者受到数据转换器采样率的影响。数据转换器的采样率必须至少是信号带宽最高频率的两倍。但在实践中，对数据转换器采样率的选择往往要高得多，从而在数据转换器图形以及寄生信号上升到足以实现轻松模拟过滤时确保信号的完整性。必须消除由转换器生成的寄生输出信号才能达到 WiMAX 标准。举例来说，18 MHz 的低 IF 传输信号带宽为 3.5 MHz，这就要求数模转换器 (DAC) 采样率至少达40 MSPS 才能满足信号最高频率的要求。如果转换器采用更高的采样率，那么 DAC 图形就会提到更高的频率，这就使简单的 3 极低通滤波器能够高效率地工作。

I/Q 接口采用两个可连接至数据转换器的正交信号。通常，信号在基带之内（即以 0 Hz为中心），不过我们也可让 I/Q 接口的信号以某个较低的中频为中心。低 IF 的 I/Q 接口通常不适用于 CPE 应用，但在可用高性能数据转换器的 BTS 应用领域却非常实用。由于整体信号被拆分为正交信号 (quadrature component)，因此每个路径的信号带宽减半，这样数据转换器的采样率就不会要求那么严格，尽管需要两个转换器（或一个双通道转换器）。

尽管低 IF 接口可简单地采用混频器将输入信号转换为较高频，但 I/Q 接口要求采用调制器 (TX) 或解调器 (RX)。此后，我们说到调制器一词时，将同时指调制器和解调器，因为两种器件的特性基本相同。调制器内部采用两个由 LO 正交信号驱动的两个混频器。

尽管调制器比简单的混频器要复杂些，但其拥有一项重要优势，即可自然地对 LO 信号和图形频率进行抑制。抑制量取决于两大因素：DC 偏置平衡与正交平衡。相内 (I) 路径和正交 (Q) 路径之间的 DC 偏置平衡决定了载波馈通量。具体就发送器工作而言，抑制或消除载波非常关键，因为其非常接近于理想的信号。信号路径间的幅度和相位平衡将决定着图形信号抑制或不必要的边带。与 DC 偏置情况类似，抑制图形频率对符合相关标准要求也非常重要，因为其通常会接近理想的信号。

相关参数通常非常敏感，我们经常需要微调 DC 偏置、信号幅度以及 I/Q 路径间的相位平衡，以解决不同批次、频率以及温度的差异问题。不同环境下的参数校准和参数调节是架构设计的重要组成部分，同时对 I/Q 接口的实施也致关重要。

超外差或直接变频架构

一旦明确了接口之后，设计人员就应该选择适当的 RF 链转换架构。对于大多数应用而言，我们可在超外差和直接变频无线电技术之间进行选择。这一选择决定着采用何种类型的器件以及所需滤波器的数量。除芯片组本身之外，滤波器的成本是无线技术中花费最多的部分。

超外差技术是一种双通道转换方案，即先将输入信号转换为中频 (IF)，再将其转换为适当的RF 通道。在这种架构下，IF 频率为静态，并允许使用高性能表面声波 (SAW) 滤波器。最终的转换混频器采用可调节的 LO，以便将信号放置于理想的输出通道上。通过 IF SAW滤波器，我们能消除 DAC 或首次转换混频器生成的大部分不必要的错误输出，避免错误输出到达传输放大器和 PA，防止其向天线广播。在接收端，我们可用 SAW 滤波器来阻断相邻通道的干扰因素，避免其给无线电的灵敏度造成大的影响。RX 阻断器的性能是确保符合 WiMAX 标准的关键参数。

直接转换架构是将输入信号直接转换为所需的 RF 通道，不采用中频。超外差无线电技术采用低 IF转换或 I/Q 调制器来进行中频转换，而直接转换无线电技术则需采用正交调制器。由于该架构中没有选择性较高的 SAW 滤波器，因此我们必须利用调制器来抑制图形频率和载波矢量。我们可将 LO 频率调至适当通道，将输入信号转换为理想的 RF 通道。在阻断特性发挥重要作用的接收端，直接下变频无线电技术应具备优异的动态范围和适当的基带滤波技术，以处理相邻信道的干扰因素和窄带干扰因素，从而避免对无线电广播的灵敏度造成较大影响。

直接转换无线电广播技术的另一重要参数是传输输出噪声，单位为 dBc/Hz。如果没有 IF 滤波技术的话，那么调制器的所有噪声都将到达 PA，从而传输给天线；因此，必须确保较高的动态范围，并降低输出噪声，这样才能满足 WiMAX 标准的要求及其它相关规范。直接转换架构采用尽可能少的滤波器和合成器，这使其对低成本设计方案而言是相当有利的，不过同时也对调制器和解调器器件提出了极高的性能要求。我们必须注意采用适当的器件，使其满足所有的相关标准要求，这样才能确保该方法的可行性。

针对 CPE 的 WiMAX 系统

CPE 是一种高销量的产品，其不仅需要符合 WiMAX 规范，而且还要求满足低成本目标，同时在制造过程中还要实现高度的稳健性，这样才能在市场中获得成功。如前所述，基带处理器的选择至关重要，其接口适用于采用低 IF 或 I/Q 接口。目前市场上的大多数 CPE 基带解决方案均可配置为 IF 或 I/Q 接口，在接口的选择方面不会有什么限制问题。但转换架构的选择问题却要显得更为突出一些。为了确保满足 WiMAX 标准，设计人员通常首先会选择低 IF、双通道转换无线电广播技术，这时，类似于 TI 的 TRF1xxx 系列芯片组就能实现 TSW500x 参考设计中的方案，不仅可支持符合 WiMAX 标准要求的收发器，而且还能满足 WiMAX 对频率、功耗以及温度的要求。图 1 给出了该架构的结构图。

图 1：TSW500x WiMAX 参考设计结构图

在将来的设计中，我们往往希望能保持与当前固定 WiMAX 技术部署相关的性能标准，同时提高集成度，进而降低移动应用的成本。我们可采用直接转换架构来实现上述目的，配合采用外部功率放大器 (PA) 和外部低噪声放大器 (LNA)，同时也可采用在 RF 前端芯片上集成 PA 和 LNA 的超外差架构。图 2 给出了这两种架构的结构图。两种架构均能降低成本、提高集成度，并将芯片组上的器件减少为两到三颗，从而缩小板级空间的占用。直接转换技术为解决阻断器信号问题不仅应保持 DC 偏置平衡和正交平衡，而且还要实现适当的动态范围，这样才能成为有效的解决方案。超外差方案将采用额外的 SAW 滤波器，以便协助满足减少误差和 RX 阻断器的要求。只要采用了正确的设计方案，其所需的额外滤波器和合成器就会通过功率放大器的集成性能而物有所值。这两种方案的成本和电路板面积的占用基本相同，决定性因素将在于 PA 的性能和成本。

图 2：直接转换与超外差结构图

针对 BTS 的 WiMAX 系统

对于 BTS 系统而言，我们更关注性能而不是成本和尺寸。不过，由于 WiMAX 是一种新的部署技术，我们还是希望降低成本。最期的 WiMAX 系统采用开环 PA，能够向天线提供 2 到4 瓦的调制功率。采用这种 PA 技术时，我们用了足够高功率的 PA 终态晶体管 (final transistor)（或晶体管组合）来实现理想的调制功率输出，给放大器提供足够补偿以实现适当的误差矢量幅度 (EVM) 性能。尽管这种方法能发挥作用，但效率非常低，常常需要大型的散热片和风扇。新一代的 BTS 系统将需要更高的功率，这使得补偿线性化方法就难以为继了。设计人员开始考虑其他的线性化方案。他们先用波峰因数抑制技术 (CFR) 在进行数模转换前降低信号域中到达信号的功率峰均比 (PAR)。由于 WiMAX 信号对带内信号完整性的要求非常严格，因此这种方法可能只会降低 1.5 到 2 dB 的 PAR，随后 CFR 的固有 EVM 衰减就会变得过大。

为了在技术改进方面取得更大的进展，设计人员将采用数字预失真 (DPD) 线性化方法。该技术将修改数字输入信号，这样，在信号通过非线性功率放大器之前，我们能抑制掉不必要的互调产物。该方法在蜂窝式 PA 市场上日益受到欢迎，人们正在研究将其用于 WiMAX 系统。

DPD 有两种特殊的架构要求：一是需要在 PA 后提供反馈路径，以便为进行线性化系数的自适应调节向 DPD 处理器发送输出信号，从而在不同输出功率和环境条件下保持良好的线性化效果。如果采用时分双工 (TDD) WiMAX 系统的话，我们就不需要这一要求了，因为这时已经有了接收机，并且在传输周期中处于空闲状态。

第二个要求与预失真信号的带宽相关。DPD 信号将包括用于抑制由 PA 生成的三阶与五阶产物。这样，输入信号会是所需信号的五倍。超外差无线电广播技术中所用的SAW 滤波器与所需信号宽度相同，不足以让 DPD 信号通过。此外，过长的群组延迟和与 SAW 滤波器不同带宽属性下群组延迟的差异也会对 DPD 自适应算法产生不良影响。因此，直接上变频方案是采用 DPD 技术的最可行方法。采用 DPD 的直接上变频方案对正交调制器和执行驱动功能的 DAC 提出了极高的性能要求。举例来说，TI 的 DAC5687 配合 TRF3703 正交调制器就是一个典型的应用实例，如图 3 所示。DAC5687 拥有超过 500 MSPS 的采样率以及内置的调节功能，可实现 DC 偏置校准以及幅度和相位平衡等。调制器具备足够宽泛的动态范围，输出噪声极低，仅为 -163 dBc/Hz，足以在不必添加任何额外失真的情况下确保 DPD 信号通过。上述技术相结合，我们可将 DPD 用于蜂窝信号，同样也可应用于 WiMAX 系统。

图 3：DPD 直接上变频结构图

出于对称原因，BTS 接收机也可采用直接下变频架构。不过，由于对阻断器的严格要求，我们可能需要在超外差方案中采用窄带滤波技术。BTS 设计人员可选择混合架构方法，其中采用 DPD 的发送器使用直接上变频调制器，而接收机则采用双通道转换机制，当接收机用作 DPD 反馈路径时可选择绕开 IF SAW 滤波器。该方案在整个系统中实现了每种架构的最佳优势。

结论

实践证明，WiMAX 技术是可行的。不过，该技术的成功取决于我们制造并部署相关产品的效率。这里介绍的多种接口和架构为我们提供了基本的信息，有助于我们设计出高性能，并且可大规模制造低成本的产品，从而适应并迎合当前商业环境的需求。接口选择主要由数字基带决定。是采用双转换还是采用直接上变频或下变频技术，这要在性能和复杂性之间进行权衡取舍。没有绝对正确的方法，每种方法都各有千秋。我们应努力实现具有最高性能和灵活性的方案，这样才能为 RF 设计人员提供最佳的商业模型，从而满足日新月异的标准要求。

关于作者

Russell Hoppenstein 现任TI 得克萨斯州达拉斯总部无线局端业务部WiMAX 产品组的 RF 应用工程师。在移动通信局端设备及 WiMAX 系统的产品开发与应用领域，他拥有超过 14 年的丰富经验。。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)，分别获电子工程学士学位及电子工程硕士学位。他的电子邮件为：rhoppenstein@ti.com。