與分立設(shè)計相比，單芯片WiMAX收發(fā)器能夠顯著節(jié)省成本和空間，但一直以來，嚴格的發(fā)射性能要求使其無法用于基站設(shè)計。然而，一些新型器件極大地改善了發(fā)射信噪比(SNR)性能，因而適合從毫微微蜂窩到微蜂窩的各類應(yīng)用。

基站蜂窩類型和典型要求

根據(jù)最大輸出功率和覆蓋范圍，無線行業(yè)將基站分為若干寬泛、重疊的類別，如表1所示，表中還提供了相關(guān)參數(shù)的粗略估計值。下面的設(shè)計示例將使用功率輸出估計值。價格和設(shè)備尺寸對于所有類型的蜂窩都非常重要。對于毫微微蜂窩基站，只有低成本和小尺寸型才能在市場上生存；對于微微蜂窩和宏蜂窩基站，如果其價格和尺寸優(yōu)于競爭產(chǎn)品，將擁有獨特的市場優(yōu)勢。單芯片收發(fā)器有助于降低價格和減小尺寸，但只有當(dāng)基站滿足其性能要求時，這些優(yōu)勢才能顯現(xiàn)出來。

發(fā)射信號鏈架構(gòu)

圖1. 發(fā)射信號鏈框圖

圖1所示為一個用于無線通信的典型直接上變頻發(fā)射信號路徑的簡化框圖，其中的虛框部分最近已被集成到WiMAX CPE收發(fā)器中。基站發(fā)射機，特別是那些設(shè)計用于較大小區(qū)的發(fā)射機，通常使用分立器件來實現(xiàn)高線性度和低噪聲。

然而，如圖1所示，單芯片收發(fā)器具有明顯的成本和空間優(yōu)勢。這些CPE收發(fā)器將多個功能模塊，包括數(shù)字接口、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器、模擬濾波器、增益級、混頻器和前置驅(qū)動器等，組合構(gòu)成一個混合信號集成電路。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器和數(shù)字接口的集成使得基帶處理器(BBP)可以是純數(shù)字式，從而能夠利用先進的細線CMOS工藝來降低成本、功耗和縮減尺寸。有些集成收發(fā)器還整合兩個直接下變頻接收機，使總體空間和成本進一步縮小降低。

發(fā)射功率和噪聲

對于特定應(yīng)用，將收發(fā)器與分立設(shè)計相比較時，發(fā)射機噪聲是一個關(guān)鍵參數(shù)，但噪聲只是一方面考慮。噪聲必須相對于特定輸出功率進行測量，因為所需的PA增益由收發(fā)器輸出功率決定。例如，如果收發(fā)器B的噪聲比收發(fā)器A低幾dB，但要求多幾dB的增益才能實現(xiàn)同樣的輸出功率，則收發(fā)器B的額外增益將導(dǎo)致系統(tǒng)噪聲更高。當(dāng)考慮絕對輻射限制時，例如以下設(shè)計示例所述的情況，噪聲與增益的關(guān)系尤其重要。

表2通過一個定量示例顯示了這一關(guān)系。

表2

在設(shè)計過程中，發(fā)射噪聲與頻率偏移的關(guān)系圖會有幫助。法定雜散輻射限制轉(zhuǎn)換為dBm/MHz后，便可快速判斷一個收發(fā)器是否適合給定的應(yīng)用。圖2為一個多路輸入、單路輸出(MISO) WiMAX/WiBRO RF收發(fā)器在2500MHz載波頻率和10MHz信號帶寬下的關(guān)系圖。注意，頻率偏移為1MHz積分帶寬的中心頻率。因此，如果中心頻率為5.5MHz，則積分帶寬的邊緣頻率為5MHz。5MHz是10MHz帶寬目標信號的信道邊緣。

雖然10MHz信道內(nèi)功率輸出為-3 dBm，但信道內(nèi)輻射為-13 dBm，如圖2所示，因為測量是在1MHz范圍積分的結(jié)果，而不是整個10MHz信道。在圖2中，頻段邊緣處的極陡滾降是由片內(nèi)插值數(shù)字濾波器引起的。將這些功能集成到收發(fā)器芯片中可以減輕BBP的負擔(dān)，BBP與收發(fā)器之間的數(shù)據(jù)速率因為2倍插值而減半。

圖2.發(fā)射噪聲與積分帶寬偏移的關(guān)系

法定限制

監(jiān)管機構(gòu)對特定頻段內(nèi)的最大輸出功率、最大帶外（OOB）輻射和最大信道外輻射均有限制，這些限制取決于應(yīng)用所在的國家/地區(qū)以及所用的頻段。本文僅關(guān)注2.4至2.7 GHz范圍內(nèi)的FCC（美國聯(lián)邦通信委員會）限制。在美國，特許執(zhí)照WiMAX部署頻譜為2496MHz至2690MHz，免執(zhí)照頻譜為2.4GHz ISM頻段（2400MHz至2483.5MHz)。

FCC使用多種單位和方法來規(guī)定最大功率和OOB限制。下面各部分列出了針對WiMAX基站所用的多個頻率范圍的限制。如果限制用低于帶內(nèi)輸出功率的衰減幅度來表示，則帶內(nèi)功率和雜散輻射測量所用的積分帶寬必須相同。

特許執(zhí)照頻段

從2496 MHz到2690 MHz，最大等效全向輻射功率(EIRP)頻段功率輸出為63dBm[1]。基站的雜散輻射在信道邊緣必須至少衰減43+10log(P)dB[2]，其中P為頻段功率輸出（單位W）。 

2.4 GHz免執(zhí)照頻段

在ISM頻段，限制更嚴格，但最大功率輸出也低得多。從2400MHz到2483.5MHz,點到多點（PTMP）基站的最大傳導(dǎo)功率輸出為+30DBm,最大EIRP為+36dBM[3]。點到點(PTP)基站必須遵守相同的傳導(dǎo)功率限制，但最大理論EIRP無限制。對于PTP基站，6 dB以上的天線定向增益每增加3 dB，EIRP必須降低1 dB。信道外但仍在ISM頻段內(nèi)的雜散輻射必須衰減到低于目標信號20 dB的水平[4]。ISM頻段外的輻射必須衰減到低于頻段功率50 dB的水平，或者衰減到-41.25 dBm/MHz的水平，以衰減較小者為準[5]。此外，使用ISM頻段的運營商還必須遵守下述關(guān)于限制頻段的限制。

限制頻段

FCC將某些頻段規(guī)定為“限制使用”頻段。這些頻段內(nèi)的輻射只能是雜散性的，對于 ISM 頻段的運營商，該輻射始終必須等于或小于-41.25 dBm/MHz 的絕對限值。影響 2.4GHz ISM 頻段的限制頻段有兩個：2310 MHz至2390 MHz和2483.5 MHz至2500 MHz。與限制頻段相鄰的特許執(zhí)照頻段不必遵守這些限制。

設(shè)計示例

對于各種情況下的單芯片CPE收發(fā)器的定量評估，功率放大器（PA）被認為為是理想的增益級。實踐中，PA 會增加噪聲和非線性效應(yīng)，但對于下面的各個示例，特別設(shè)計的 PA 可以確保完整發(fā)射路徑的性能符合要求。各示例均使用一個10 MHz帶寬內(nèi)最大輸出設(shè)置為-3.0 dBm的CPE收發(fā)器。

第一個示例是一個工作在ISM頻段的1W點到多點微蜂窩，發(fā)射帶寬為10MHz，中心頻率為2417 MHz。第一個要符合的法定限制是20dB的信道外衰減，信道內(nèi)功率為-13dBm/MHz，因此衰減限制為-33 dBm/MHz，如圖3的“20dB衰減限制”所示。

圖3包含來自圖2的ADI公司AD9354性能曲線，以便快速比較法定限制與收發(fā)器輻射。由于 AD9354 信道外能量遠低于-33dBm/MHz 限制線，因此該收發(fā)器滿足20dB衰減要求。

第二個限制是50 dB或-41.25 dBm/MHz的OOB衰減，以衰減較小者為準。Pout = 30 dBm，因此50 dB是較小的衰減。目標信號帶寬中心與ISM邊緣的頻率范圍為 17.5 MHz (2417 MHz "2400 MHz + 500 kHz)。從-13 dBm/MHz的信道內(nèi)功率衰減50 dB，得到-63 dBm/MHz的限制，如圖3的“50dB衰減限制”所示。可以看出，AD9354的輻射遠低于此限制。

圖3 發(fā)射輻射與頻率偏移的關(guān)系以及法定限制

最后，F(xiàn)CC要求2390MHz限制頻段邊緣的雜散輻射衰減到-41.25dBm/MHz。頻率范圍為27.5MHz(2417MHz至2390MHz+500kHz）。由于這是一個絕對限值，因此需要考慮PA增益。為了將帶內(nèi)輸出功率從-3 dBm提升到30 dBm，需要33 dB的增益。將該值折合到收發(fā)器輸出端，可以得到-74.25 dBm/MHz的法定限制(-41.25 dBm/MHz -33 dB)，如圖3中“-74.25dBm/MHz”線所示。 

采用特許執(zhí)照頻段的毫微微蜂窩

在所有類型的基站中，毫微微蜂窩對成本最敏感，因此單芯片收發(fā)器必須滿足這種應(yīng)用的要求。表1顯示，典型毫微微蜂窩基站可以提供高達20dBm的帶內(nèi)輸出功率。在信道邊緣，雜散輻射需要降低33 dB (43 + 10*log(0.1))。從-13 dBm/MHz的信道內(nèi)功率衰減33 dB，得到-46 dBm/MHz的法定限制，如圖3的水平虛線所示。

采用特許執(zhí)照頻段的微微蜂窩

微微蜂窩涵蓋的最大輸出功率范圍非常廣，從20dBm到30dBm。本例中，功率輸出設(shè)置為27dBm，信道邊緣所需的衰減為40 dB (43 + 10*log(0.5))。從-13dBm/MHz的信道內(nèi)功率衰減-40 dB，得到法定限制為-53 dBm/MHz，如圖3中的-53dBm/MHz水平線所示。

采用特許執(zhí)照頻段的微蜂窩

微蜂窩一直是昂貴、大型分立式收發(fā)器設(shè)計的領(lǐng)地，它要求的增益和功率輸出顯著大于較小尺寸的蜂窩。表2所示的最高功率輸出2W（33dBm）要求衰減46dB（43+10*log（2））。按照與前兩例相同的邏輯進行分析，從-13 dBm/MHz的信道內(nèi)功率衰減46 dB，得到-59 dBm/MHz的法定限制。在圖3中，通過比較AD9354輻射曲線與-59dBm/MHz的水平虛線可以發(fā)現(xiàn)，該器件有足夠的裕量來滿足此要求。

WiMAX CPE收發(fā)器的發(fā)射性能已大大改進，現(xiàn)已能夠滿足從微微蜂窩到微蜂窩的應(yīng)用要求。與分立設(shè)計相比，除了集成發(fā)射路徑所帶來的成本和空間節(jié)省以外，單芯片收發(fā)器還能提供兩個接收機，從而進一步節(jié)約成本和空間。本文討論發(fā)射機性能。

參考文獻

[1]FCC 47CFR27.50
[2]FCC 47CFR27.53
[3]FCC 47CFR15.247
[4]IBID
[5]FCC 47CFR15.249
[6]FCC 47CFR15.205
[7]"Femtocells and Health" published on the Femto Forum
[8]Telecomasia, "A Base Station in Every Home", Sept 5, 20Fiona Chau
[9]"The Need for WiMAX picocell and femtocells", Rupert Baines, picoChip
[10]"Mobile Phones: Jargon Explained", Ofcom
[11]"Femtocells: Transforming the Indoor Experience", Femto Forum
[12]"Orange prepares to release picocells", Zdnet
[13]"Picocell primer", Wireless net Design Line

作者簡介

Patrick Wiers是ADI公司高級應(yīng)用工程師，其重點關(guān)注領(lǐng)域為集成WiMAX收發(fā)器。他擁有位于美國加利福尼亞州圣路易斯奧比斯波的加利福尼亞州立工業(yè)大學(xué)電子工程學(xué)士學(xué)位。