十年來，寬帶無線接入在市場中始終占有一席之地，但是直到802.16d標(biāo)準(zhǔn)成功發(fā)布后，它才得以進入大眾市場。英特爾(Intel)公司的基帶收發(fā)器芯片有很大的靈活性，足以適用于當(dāng)前及未來的射頻集成電路(RF IC)架構(gòu)。隨著802.16d標(biāo)準(zhǔn)的問世，整個產(chǎn)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)展勢頭日益強勁，多家廠商能夠生產(chǎn)符合該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的元件，從而支持大規(guī)模的部署。802.16d標(biāo)準(zhǔn)的主要挑戰(zhàn)之一是存在過多的選件;通過限制選件數(shù)量， WiMAX將可以解決這個問題，從而確保互操作性，這樣射頻(RF)元件及測試設(shè)備制造商便能在大規(guī)模部署中為其產(chǎn)品找到用武之地。
本文就幾種主要的RF架構(gòu)展開討論，討論RF系統(tǒng)級上的各種RF設(shè)計挑戰(zhàn)，并闡述如何根據(jù)這些需求進行電路設(shè)計。實際上，WiMAX可滿足包括免授權(quán)和需要授權(quán)頻段的整個無線市場的需求，這使得RF電路愈加復(fù)雜。因此，解決方案也必須具備足夠的靈活性，才能支持全球范圍內(nèi)的多種RF頻段及不同管制規(guī)定。
本文還討論如何在免授權(quán)和需要授權(quán)頻段上實現(xiàn)時分雙工(TDD)和頻分雙工(FDD)系統(tǒng)的成本與性能最佳平衡。通常，與FDD系統(tǒng)相比，TDD系統(tǒng)具有成本優(yōu)勢;但需要注意的是，F(xiàn)DD系統(tǒng)運行在面向數(shù)據(jù)應(yīng)用的大部分授權(quán)頻段上。
背景
隨著RF的需求不斷增加，無線設(shè)備的成本也日益提高。為了使WiMAX獲得市場成功，必須實現(xiàn)其成本與性能的完美平衡。成本與性能平衡的兩個極端示例都涉及混合網(wǎng)絡(luò)(現(xiàn)已失效)的單輸入單輸出(SISO)系統(tǒng)，這種網(wǎng)絡(luò)需要使用視距(LOS)無線設(shè)備。LOS無線設(shè)備需要經(jīng)驗豐富的技術(shù)人員對設(shè)備進行現(xiàn)場部署。然而，由于無線設(shè)置結(jié)構(gòu)簡單，所以成本較低。一般來說，SISO無線設(shè)備的安裝成本昂貴、可靠性低、鏈路容限通常為145dB。另一方面，Iospan Wireless公司(現(xiàn)已被收購)曾推出具有3x2系統(tǒng)(即三條接收鏈，兩條發(fā)射鏈)的多輸入多輸出(MIMO)無線設(shè)備，這種無線設(shè)備支持適用于多路徑環(huán)境的165dB的鏈路容限。憑借這種功能，高昂的現(xiàn)場部署成本得以降低，但是，多個無線設(shè)備鏈的成本仍然十分昂貴。盡管如此，隨著射頻集成電路(RF IC)集成設(shè)計的不斷改善，成本也將會隨之大大降低。通過采用集成及先進技術(shù)增加鏈路容限，WiMAX將能夠以合理的成本獲得可靠的無線系統(tǒng)。
本部分討論與WiMAX無線設(shè)備有關(guān)的RF架構(gòu)的折衷與挑戰(zhàn)。這里我們將討論頻分雙工(FDD)及其類似模式、半頻分雙工(HFDD)和時分雙工(TDD)，此外還介紹中頻(IF)、直接變頻或零中頻(ZIF)及各種變體架構(gòu)?；鶐?BB)芯片與無線器件之間的接口必須經(jīng)過精心設(shè)計，這也由此帶來了一些挑戰(zhàn)。改善鏈路容限的方法(即MIMO與波束成形)均可用于WiMAX。此外，支持子通道化模式的OFDMA可以改善效能。我們還將討論由于采用這些方法而引起的RF設(shè)計問題。
TDD/FDD及HFDD架構(gòu)
1、TDD架構(gòu)
圖1給出了TDD無線通信系統(tǒng)框架。圖中的深色模塊表示無線通信系統(tǒng)中最昂貴的模塊。TDD系統(tǒng)將一個頻帶同時用于發(fā)射和接收信號，這只需要無線通信系統(tǒng)采用一個本地振蕩器(LO)。此外，無線通信系統(tǒng)僅要求一個RF濾波器、發(fā)射器(TX)與接收器(RX)共用該濾波器。合成器與RF濾波器占了無線通信系統(tǒng)的主要成本?？梢赃x擇在裸片內(nèi)減少一個合成器，LO(特別是作為諧振結(jié)構(gòu)一部分的電感)占射頻裸片的大部分面積。=
圖1：TDD無線通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。
TDD系統(tǒng)中的RF濾波器不需要像FDD系統(tǒng)中那樣嚴(yán)格地削弱TX噪聲。由于任何時刻都只有一個器件處于工作狀態(tài)，因此TDD模式可以阻止TX噪聲自干擾RX。該模式不受RF濾波器規(guī)范的限制，并且只需一個RF濾波器還可節(jié)省成本和空間。需要注意的是，為確保發(fā)射無線器件不會干擾鄰近的接收無線器件，仍然需要遵守TX噪聲規(guī)范。無線器件1的發(fā)射噪聲將干擾無線器件2的接收信號，因此，盡管自我干擾規(guī)范已愈加簡單，但還需認(rèn)真考慮配置規(guī)范。TDD架構(gòu)可顯著減少功耗，只需在TX模式下關(guān)閉RX即可實現(xiàn)，反之亦然。
然而，TDD系統(tǒng)也存在一些缺點。與FDD系統(tǒng)不同，由于TDD在RX模式下不發(fā)射數(shù)據(jù)，所以數(shù)據(jù)吞吐量會減少。與FDD系統(tǒng)相比，MAC層級軟件的調(diào)度程序往往更復(fù)雜，這是因為它需要在TX模式和RX模式下實現(xiàn)多用戶時隙的同步。必須注意的是，當(dāng)RF濾波規(guī)范不十分嚴(yán)格時，這意味著用戶站彼此之間需要保留足夠空間以防干擾。實際上，在給定區(qū)域內(nèi)，TDD系統(tǒng)與FDD系統(tǒng)相比需要處理更少的用戶。
TDD系統(tǒng)是可以運行在免授權(quán)頻段上的出色系統(tǒng)。與授權(quán)頻段相比，免授權(quán)頻段上的輸出噪聲規(guī)范更加寬松，因此TDD系統(tǒng)可以選用低廉的RF濾波器。由于使用免授權(quán)頻段無需任何成本，因此成本最低的TDD架構(gòu)也日益受到青睞。
2、FDD架構(gòu)
圖2是FDD無線通信系統(tǒng)的框圖。FDD系統(tǒng)需要采用高性能的RF前端。由于不可能出現(xiàn)自我干擾最差的情況，因此該系統(tǒng)解決了TX噪聲方面的配置問題。FDD系統(tǒng)不必切換RX或TX模式，從而簡化了建立時間規(guī)范，使得無線通信系統(tǒng)的設(shè)計更簡單。它無需處理時間同步問題，因此MAC軟件也更簡單。
圖2：FDD無線通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。
這種無線通信系統(tǒng)必須在不降低接收模式中誤碼率(BER)的情況下傳輸數(shù)據(jù)。為減輕濾波器的負(fù)擔(dān)，TX頻帶與RX頻帶之間存在一定的間隙，但載波需要將其降至最小。通常情況下，TX頻帶與RX頻帶的間隙在50MHz到100MHz之間。
我們應(yīng)指定TX噪聲值比RX輸入噪聲值低10dB，這樣TX噪聲僅可使RX降低0.5dB。但是，該規(guī)范通常要求FDD系統(tǒng)采用腔體濾波器或4極陶瓷濾波器。大部分授權(quán)頻帶比較靈活，沒有標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)，也就是說，可以在不同地理區(qū)域內(nèi)更換TX和RX，這就需要設(shè)計幾種不同風(fēng)格的濾波器，而其中一些并不投入大規(guī)模生產(chǎn)。
在FDD系統(tǒng)中，對濾波器的要求如下：
Filter_rej (dB)=Po(dBm/Hz)-Mask (dBc)-[174+NF-cochannel_rej]
例如，在1MHz的信號帶寬中，如果功率輸出Po=-33dBm/Hz，則輸出功率為+27dBm。
TX的Mask值為60dBc，也就是說，TX的熱噪聲基地比Po低60dB。
NF是接收器的噪聲指數(shù)，NF=5dB。
CoChannel_rej代表非期望信號比期望信號低多少dB，例如CoChannel_rej=10dB表示非期望信號比期望信號低10dB。
我們可以得到RX頻率上Filter_rej的值等于86dB。如果RX與TX相差100MHz，那么該濾波器則為成本昂貴的腔體濾波器。
電路的全雙工特性需要獨立的TX與RX合成器。諧振電路的電感器將顯著影響RF IC的裸片區(qū)設(shè)計。該電感器是在合成器中使用的壓控振蕩器(VCO)的一部分，因此這兩部分都將對RF IC的成本產(chǎn)生巨大影響。
最后需要注意的是，F(xiàn)DD系統(tǒng)的功率消耗很大，這也增加了功率系統(tǒng)的成本。因此，F(xiàn)DD并不是構(gòu)建便攜式或移動無線通信系統(tǒng)的理想平臺。
FDD系統(tǒng)通常部署工作在授權(quán)頻帶上，如5.8GHz、3.5GHz、2.5GHz，這些頻譜的成本比較昂貴，導(dǎo)致載波必須能為盡可能多的用戶提供服務(wù)。因此，鏈路容量必須優(yōu)化，以構(gòu)建適合于載波的FDD架構(gòu)。顯然，最理想的情況是基站采用FDD系統(tǒng)，但從減少成本的角度考慮，用戶站應(yīng)該采用HFDD結(jié)構(gòu)。
3.HFDD架構(gòu)
圖3給出了HFDD無線通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。HFDD架構(gòu)融合了TDD系統(tǒng)的優(yōu)勢，同時還支持頻率的雙工方式?；究稍贔DD系統(tǒng)下工作，并保留了容量優(yōu)勢，能顯著降低用戶站中無線設(shè)置的成本。
圖3：HFDD無線通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。
成本的降低是通過減輕RF TX濾波器的負(fù)擔(dān)來實現(xiàn)的，這是因為在RF IC縮小的裸片區(qū)內(nèi)有一個合成器。與TDD系統(tǒng)相同，該系統(tǒng)可節(jié)省功率。同樣，也必須謹(jǐn)慎處理配置問題。與TDD不同，自我干擾并不是HFDD系統(tǒng)的主要問題，但TX濾波器的負(fù)載過少可能導(dǎo)致用戶間的相互干擾。由于無線設(shè)備不能同時發(fā)射和接收，因此用戶站也存在容量損失的情況。
HFDD結(jié)構(gòu)在授權(quán)頻段和免授權(quán)頻段中均可使用。發(fā)射與接收頻率可以相同(如TDD系統(tǒng))，也可以存在頻段間隙(如FDD系統(tǒng))。這類無線通信系統(tǒng)非常靈活，成本結(jié)構(gòu)接近于TDD無線通信系統(tǒng)。
Intel的基帶芯片支持TDD與HFDD模式，這樣大多數(shù)用戶站都可從中獲益。在典型的部署中，基站與用戶站的無線電器件比率為1:100，因為基站的數(shù)量比較少。請注意，物理層與MAC層并不一定要設(shè)計成定制芯片，采用FPGA可能更具有成本效益。也可以在基站中同時采用兩個基帶芯片，以持FDD系統(tǒng)。
下面將討論各種射頻架構(gòu)，包括基于IF和I/Q的架構(gòu)，以及以這些架構(gòu)為基礎(chǔ)的一些變體架構(gòu)。無線電器件與基帶芯片之間還預(yù)留了一些接口。
RF接口
基帶芯片對模擬信號進行數(shù)字化處理并完成信號處理過程。PHY層芯片包含濾波、自動增益控制(AGC)、數(shù)據(jù)調(diào)諧、安全以及幀化數(shù)據(jù)的多個模塊。功率測量算法，如AGC和RF參數(shù)選項可由較低級別的MAC進行管理?？梢钥吹?，AGC等一些公共參數(shù)在PHY、MAC及無線電器件之間共享。
需要由基帶IC控制的射頻模塊包括AGC、頻率選擇、TX/RX數(shù)據(jù)鏈的序列化、發(fā)射功率監(jiān)控以及校準(zhǔn)函數(shù)(如I/Q不均衡)。其中，每一個模塊均與PHY和/或較低級別的MAC緊密結(jié)合。一種與無線電器件進行通訊的有效方法是通過串行外設(shè)接口(SPI)，它可以將RF IC上的引腳數(shù)量降至最低。
通常，SPI用于控制合成器。為了使接口更有效地得到利用，以便控制RF IC的數(shù)字AGC，并協(xié)助完成功率和溫度測量，SPI必須是一個對時間有嚴(yán)格要求的專用元件。這樣，SPI便能以一種及時可預(yù)測的方式對AGC、測量以及頻率指令做出響應(yīng)。但需要注意的是，SPI上的流量可能會干擾輸入信號并影響發(fā)射信號。因此，所有SPI通信應(yīng)當(dāng)僅在發(fā)射與接收的時隙中進行。其它接口模塊為通用輸入/輸出(GPIO)、脈寬調(diào)制(PWM)、數(shù)模轉(zhuǎn)換C以及ADC。
AGC可劃分為RX AGC和TX AGC。在RX AGC中，響應(yīng)頻率較大才能適應(yīng)移動環(huán)境下變化的RF信道(以微秒計算)。在固定無線應(yīng)用中，信道變化以毫秒為單位計算。TX AGC在穩(wěn)定狀態(tài)下相對較慢。但當(dāng)TX啟動后，AGC需要在微秒級時間幀內(nèi)達到適當(dāng)?shù)墓β仕健Ｍǔ?，AGC通過由單比特數(shù)模轉(zhuǎn)換器(如Σ-Δ轉(zhuǎn)換器)控制。這些方法都具有需要濾除的時鐘噪聲。對RF AGC變化較大的部分，最好的辦法是濾除時鐘噪聲，以免干擾信號。但濾除時鐘噪聲會導(dǎo)致延遲，從而降低AGC的響應(yīng)速度，因此提高AGC的響應(yīng)速度可以采用多位數(shù)模轉(zhuǎn)換C。
RF選擇通過SPI來完成。對HFDD系統(tǒng)而言，從TX轉(zhuǎn)換至RX頻率需要一定的建立時間，加載SPI是在該時間內(nèi)應(yīng)完成的一部分操作。
監(jiān)控?zé)o線電器件的溫度是一個緩慢的過程，并且TX或RX的功率測量都需要與TX/RX時隙保持同步。與無線電器件的接口連接必須考慮無線電器件的順序，例如，對發(fā)射器來說，我們需要轉(zhuǎn)換天線、啟用TX和加載頻率、改變TX增益、啟動PA，最后再進行調(diào)制。
噪聲和線性特性這兩項基本參數(shù)是射頻電路的關(guān)鍵。設(shè)計的目標(biāo)是在存在非期望信號的情況下，獲得盡可能大的動態(tài)范圍，這需要通過TX或RX鏈對增益和濾波進行分配。許多架構(gòu)設(shè)計人員也在努力解決這種增益和濾波問題。在后面我們將討論前面提到的一些無線架構(gòu)。
