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| WiMAX設備的射頻晶片、架構及系統選擇 |
隨著WiMAX標準的受歡迎程度日益上升，802.16標準的主導地位也日益穩固。
在手機產業的寬頻無線覆蓋以及高速回程應用(backhaul application)方面，802.16d固定標準已獲得一席之地。隨著能支援主要WiMAX頻帶的RF晶片組陸續問世，其他創新的通訊應用也應運而生。目前業界的關注焦點正轉向802.16e標準，即WiMAX行動標準。這些元件將有助於實現PCMCIA卡中收發器的小型化，最終必將為筆記型電腦和行動電話所採用。
WiMAX最初的設計重點是CPE市場，主要瞄準大規模製造以及高銷售量的應用。WiMAX基地台(BTS)解決方案緊隨其後，以實現完整的系統解決方案。BTS是一種產量較低(成本較高)的系統，通常會先考量更高性能的RF架構，成本則為次要考量。此外，BTS在機械外殼、散熱片和電源設計上也具有更多彈性，因此這些不會對收發器設計產生太多侷限性。
顯然，就上述WiMAX系統而言，沒有絕對正確的架構。每種選擇都有其優缺點，設計工程師必須權衡比較，才能實現良好系統設計。必須根據CPE和BTS等不同應用需求，選擇性地考量不同的RF架構，本文將分析各種不同架構的優劣勢。
數位基頻到RF介面
在選擇RF架構時，首先要考慮的問題就是定義數位基頻處理器與RF電路之間的訊號介面。訊號介面有兩種選擇：低中頻(IF)與I/Q(正交)介面。數位基頻處理器可能僅具備一種介面選項，因此設計工程師也就別無選擇了。其他處理器可能會需要在低IF和I/Q介面之間進行選擇。由於CPE數位處理器通常整合了數據轉換器，因此預定義了連接到RF電路的介面。由於數據轉換器屬於外部元件，我們可根據架構的選擇來確定所匹配的數據轉換器，因此BTS的靈活性更高。
低IF介面針對數據轉換器的發送(TX)和接收(RX)採用單一的訊號路徑。對低IF頻率的選擇可能受限於RF晶片組電路，或受到數據轉換器採樣率的影響，數據轉換器的採樣率必須至少是訊號頻寬最高頻率的兩倍。但在實際應用中，對數據轉換器採樣率的選擇往往要高得多，以保持訊號完整性；同時提高數據轉換器鏡像訊號以及雜散訊號，以輕鬆實現類比濾波。要達到WiMAX標準，必須消除由轉換器產生的輸出雜散訊號。例如，18MHz的低IF傳輸訊號頻寬為3.5MHz，這就要求數位類比轉換器(DAC)採樣率至少要達到40MSPS，才能滿足訊號最高頻率要求。如果轉換器採用更高的採樣率，那麼DAC鏡像訊號就會被提到更高的頻率，這將使簡單的3極低通濾波器能夠高效率地實現濾波工作。
I/Q介面採用兩個連接至數據轉換器的正交訊號。通常，訊號位於基頻(即以0Hz為中心)，不過也可讓I/Q介面的訊號以某個低中頻為中心。低中頻的I/Q介面通常不適合CPE應用，但在採用高性能數據轉換器的BTS應用領域卻非常有用。由於整體訊號被拆分為正交分量訊號，因此每個路徑的訊號頻寬減半，如此一來，儘管需要兩個轉換器，但對數據轉換器採樣率的要求就不會那麼嚴格。
儘管低IF介面可簡單地採用混頻器將輸入訊號轉換為較高頻，但I/Q介面要求採用調變器或解調器。下文中的調變器將同時意味著調變器和解調器，因為兩種元件的特性基本相似。調變器內部採用兩個由LO正交訊號驅動的兩個混頻器。
儘管調變器比簡單的混頻器複雜一些，但卻擁有一項重要優勢，即可自然地對LO訊號和鏡像頻率進行抑制。抑制量取決於兩大參數：DC偏置平衡與正交平衡。相內(I)路徑和正交(Q)路徑之間的DC偏置平衡決定了載波饋通(feed through)量。就發送器工作而言，抑制或消除載波非常關鍵，因為它非常接近於目標訊號。訊號路徑間的振幅和相位平衡將決定鏡像訊號或不需要的邊帶抑制。與DC偏置情況類似，抑制鏡像頻率對符合相關標準要求也非常重要，因為它通常會接近目標訊號。
相關參數通常非常敏感，經常需要微調DC偏置、訊號振幅以及I/Q路徑間的相位平衡，以解決不同頻率及溫度的差異問題。不同環境下的參數校準和參數調節是架構設計重要組成部份，同時對I/Q介面的實現也至關重要。
超外差或直接變頻架構
設立了介面後，設計工程師就應該選擇適當的RF鏈轉換架構。對於大多數應用而言，我們可在超外差和直接變頻射頻技術之間進行選擇。這一選擇決定著採用何種類型的元件以及所需濾波器的數量。除晶片組本身外，濾波器的成本是射頻電路中最高的部份。
超外差技術是一種雙轉換方案，即先將輸入訊號轉換為中頻，再將其轉換為適當的RF通道。在這種架構下，IF頻率是靜態的，允許使用高性能聲表面波(SAW)濾波器。最終的變頻混頻器採用可調節的LO，將訊號置於期望的輸出通道上。透過IF SAW濾波器，來自DAC或首次變頻混頻器的雜散輸出訊號會傳輸到放大器和PA，並在透過天線傳播開來之前將其消除。在接收端，可利用SAW濾波器來阻斷鄰近訊息通道干擾，避免嚴重影響到射頻靈敏度。RX阻斷器的性能是確保符合WiMAX標準的關鍵參數。
直接變頻架構是將輸入訊號直接變頻為所需的RF通道，不採用中頻。超外差射頻技術採用低IF轉換或I/Q調變器來進行中頻轉換，而直接變頻射頻技術則需採用正交調變器。由於該架構中沒有SAW濾波器，因此必須利用調變器來抑制鏡像頻率和載波分量。我們可將LO頻率調至適當通道，將輸入訊號轉換為期望的RF通道。在阻斷特性非常關鍵的接收端，直接下變頻射頻技術應具備優異的動態範圍和適當的基頻濾波技術，以處理相鄰訊息通道的干擾和窄頻干擾，避免對無線電廣播的靈敏度造成較大影響。
直接變頻射頻技術的另一個關鍵參數是傳輸輸出噪音，單位為dBc/Hz。如果沒有IF濾波的話，那麼調變器的所有噪音都將到達PA，透過天線發射出去。因此，必須確保較高的動態範圍，並降低輸出噪音，才能滿足WiMAX標準的要求及其它相關規格。直接變頻架構採用盡可能少的濾波器和合成器，這對低成本設計而言相當有利，不過同時也對調變器和解調器元件提出了極高的性能要求。必須採用適當的元件，使其滿足所有的相關標準要求，才能確保該方法的可行性。
WiMAX CPE系統設計
用戶端設備(CPE)是一種高銷售量產品，它不僅要符合WiMAX規格，而且還要求滿足低成本目標，同時在製造過程中還要具備高度穩定性，才能在市場上獲得成功。如前所述，基頻處理器的選擇至關重要，必須採用低IF或I/Q介面。目前市場上多數CPE基頻解決方案均可配置為IF或I/Q介面，在介面的選擇方面不會有什麼限制。變頻架構的選擇是主要問題。為符合WiMAX標準，設計工程師通常首先會選擇低IF、雙變頻射頻技術。這時，類似於TSW500x參考設計中的TI TRF1xxx系列元件就能實現符合WiMAX標準要求的收發器，而且還能滿足WiMAX對頻率、功耗以及溫度的要求。圖1為該設計的結構圖。
下一代的WiMAX系統設計在性能上將可望保持與目前固定式WiMAX技術相同的性能標準，同時提高整合度，進而降低行動應用的成本。我們可採用直接變頻架構來實現上述目的，如採用外部功率放大器(PA)和外部低噪音放大器(LNA)，或可採用在RF前端晶片上整合PA和LNA的超外差架構，圖2為這兩種架構的結構圖。
兩種架構均能降低成本、提高整合度，並將晶片組的元件減少為兩到三顆，降低PCB的佔用面積。直接變頻必須保持不錯的DC偏置平衡和正交平衡，並具有適當的動態範圍以處理阻斷訊號(blocker signal)，這樣才能成為有效的解決方案。超外差方案將採用額外的SAW濾波器，以協助滿足減少雜散和RX阻斷器的要求。只要採用了正確的設計方案，其所需的額外濾波器和合成器就會透過功率放大器的整合性能而提升其附加價值。這兩種方案的成本和所佔電路板面積基本上是相同的，決定因素在於PA的性能和成本。
WiMAX BTS系統設計
對於BTS系統而言，我們更將關注性能而非成本和尺寸。不過，由於WiMAX是一種全新技術，我們仍希望能降低成本。最初的WiMAX系統採用開環PA，能向天線提供2到4瓦的調變功率。採用這種PA技術時，我們採用了功率足夠高的PA末級電晶體(final transistor)來實現期望的調變功率輸出，透過功率回退(back off)放大器來實現適當的誤差向量振幅(EVM)性能。儘管這種方法是可行的，但效率非常低，常常需要大型的散熱片和主動冷卻。新一代的BTS系統將需要更高的功率，這時補償線性化方法就難以為繼了。設計工程師開始考慮其他的線性化方案。他們先用波峰因子降低技術(CFR)在進行數位類比轉換前降低訊號域中到達訊號的功率峰值和平均功率比(PAR)。由於WiMAX訊號對帶內訊號完整性的要求非常嚴格，因此這種方法在CFR的固有EVM衰減變得很大之前，可能只會降低1.5到2dB的PAR。
為了在技術改進方面取得更大進展，設計工程師將採用數位預失真(DPD)線性化方法。該技術將修改數位輸入訊號，這樣，在訊號通過非線性功率放大器之前，我們能抑制掉不必要的互調訊號。該方法在蜂巢式通訊PA市場上日益受到歡迎，人們正研究將其用於WiMAX系統。
DPD有兩種特殊的架構要求。一是需要在PA後提供反饋路徑，以便為進行線性化係數的自適應調節向DPD處理器發送輸出訊號，在不同輸出功率和環境條件下保持良好的線性化效果。如果採用時分雙工(TDD)WiMAX系統的話，這一要求可以忽略，因為這時已經有了接收機，且在傳輸週期中處於空閒狀態。
第二個要求與預失真訊號的頻寬相關。DPD訊號將包含用於抑制由PA產生的三階與五階諧波。這樣，輸入訊號會是所需訊號的五倍。超外差無線電廣播技術中所用的SAW濾波器與所需訊號寬度相同，不足以讓DPD訊號通過。此外，過長的群組延遲，以及與SAW濾波器不同頻寬屬性下群組延遲的差異，也會對DPD自適應演算法產生不良影響。因此，直接上變頻方案是採用DPD技術的最可行方法。
採用DPD的直接上變頻方案對正交調變器和執行驅動功能的DAC提出了極高的性能要求。例如，TI的DAC5687配合TRF3703正交調變器就是一種應用實例，如圖3所示。
DAC5687擁有超過500MSPS的採樣率及內建的調節功能，可實現DC偏置校準及振幅和相位平衡等。調變器具備足夠寬的動態範圍，輸出噪音僅-163dBc/Hz，足以在不增加任何額外失真的情況下確保DPD訊號通過。透過結合上述技術，可將DPD用於蜂巢式訊號，同樣也可應用於WiMAX系統。
出於對稱原因，BTS接收機也可採用直接下變頻架構。不過，由於對阻斷器的嚴格要求，我們可能需要在超外差方案中採用窄頻濾波技術。BTS設計工程師可選擇混合架構方法，其中採用DPD的發送器使用直接上變頻調變器，而接收機則採用雙通道轉換機制，當接收機作為DPD反饋路徑時可選擇繞開IF SAW濾波器。該方案在整個系統中實現了每種架構的最佳優勢。
本文小結
實際應用已證實WiMAX技術是可行的。不過，該技術的成功取決於製造及部署相關產品的效率。本文介紹的多種介面和架構提供了基本設計資訊，有助於設計出高性能，並可大規模製造的低成本產品，而且能適應並迎合目前商業環境的需求。介面選擇主要由數位基頻決定。究竟要採用雙轉換還是採用直接上變頻或下變頻技術，都必須在性能和複雜性之間進行權衡取捨，沒有絕對正確的方法。我們應努力實現具有最高性能和靈活性的方案，才能為RF設計工程師提供最佳的商業模型，滿足日新月異的標準要求。
作者：
Russell Hoppenstein
射頻應用工程師
德州儀器公司
rhoppenstein@ti.com
電子工程專輯 上網時間 : 2007年07月13日
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