基于WiMAXCPE收發(fā)器的基站應(yīng)用

　與分立設(shè)計(jì)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(lái)，嚴(yán)格的發(fā)射性能要求使其無(wú)法用于基站設(shè)計(jì)。最近，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(lèi)應(yīng)用。

　　基站蜂窩類(lèi)型和典型要求

　　根據(jù)最大輸出功率和覆蓋范圍，無(wú)線(xiàn)行業(yè)將基站分為若干寬泛、重疊的類(lèi)別，如表1所示。下面的設(shè)計(jì)示例將使用功率輸出估計(jì)值。價(jià)格和設(shè)備尺寸對(duì)于所有類(lèi)型的蜂窩都非常重要。對(duì)于毫微微蜂窩基站，只有低成本和小尺寸型才能在市場(chǎng)上生存；對(duì)于微微蜂窩和宏蜂窩基站，如果其價(jià)格和尺寸優(yōu)于競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品，將擁有獨(dú)特的市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)。單芯片收發(fā)器有助于降低價(jià)格和減小尺寸，但只有當(dāng)基站滿(mǎn)足其性能要求時(shí)，這些優(yōu)勢(shì)才能顯現(xiàn)出來(lái)。

　　發(fā)射信號(hào)鏈架構(gòu)

　　圖1所示為一個(gè)用于無(wú)線(xiàn)通信的典型直接上變頻發(fā)射信號(hào)路徑的簡(jiǎn)化框圖，其中的虛框部分最近已被集成到WiMAXCPE收發(fā)器中?；景l(fā)射機(jī)，特別是那些設(shè)計(jì)用于較大小區(qū)的發(fā)射機(jī)，通常使用分立器件來(lái)實(shí)現(xiàn)高線(xiàn)性度和低噪聲。

圖1發(fā)射信號(hào)鏈框圖

　　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(shì)。這些CPE收發(fā)器將多個(gè)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(jí)、混頻器和前置驅(qū)動(dòng)器等，組合構(gòu)成一個(gè)混合信號(hào)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(jìn)的細(xì)線(xiàn)CMOS工藝來(lái)降低成本、功耗和縮減尺寸。有些集成收發(fā)器還整合兩個(gè)直接下變頻接收機(jī)，使總體空間和成本進(jìn)一步縮小降低。

　　發(fā)射功率和噪聲

　　對(duì)于特定應(yīng)用，將收發(fā)器與分立設(shè)計(jì)相比較時(shí)，發(fā)射機(jī)噪聲是一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，但噪聲只是一方面考慮。噪聲必須相對(duì)于特定輸出功率進(jìn)行測(cè)量，因?yàn)樗璧腜A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(shí)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(duì)輻射限制時(shí)，如以下設(shè)計(jì)示例所述的情況，噪聲與增益的關(guān)系尤其重要。表2通過(guò)一個(gè)定量示例顯示了這一關(guān)系。

　　在設(shè)計(jì)過(guò)程中，發(fā)射噪聲與頻率偏移的關(guān)系圖會(huì)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(gè)收發(fā)器是否適合給定的應(yīng)用。圖2為一個(gè)多路輸入、單路輸出(MISO)WiMAX/WiBRORF收發(fā)器在2500MHz載波頻率和10MHz信號(hào)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(biāo)信號(hào)的信道邊緣。

圖2發(fā)射噪聲與積分帶寬偏移的關(guān)系

　　雖然10MHz信道內(nèi)功率輸出為-3dBm，但信道內(nèi)輻射為-13dBm，如圖2所示，因?yàn)闇y(cè)量是在1MHz范圍積分的結(jié)果，而不是整個(gè)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(fù)擔(dān)，BBP與收發(fā)器之間的數(shù)據(jù)速率因?yàn)?倍插值而減半。

　　法定限制

　　監(jiān)管機(jī)構(gòu)對(duì)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(guó)家/地區(qū)以及所用的頻段。本文僅關(guān)注2.4～2.7GHz范圍內(nèi)的FCC（美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)）限制。在美國(guó)，特許執(zhí)照WiMAX部署頻譜為2496～2690MHz，免執(zhí)照頻譜為2.4GHzISM頻段（2400～2483.5MHz）。

　　FCC使用多種單位和方法來(lái)規(guī)定最大功率和OOB限制。下面各部分列出了針對(duì)WiMAX基站所用的多個(gè)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(lái)表示，則帶內(nèi)功率和雜散輻射測(cè)量所用的積分帶寬必須相同。

　　特許執(zhí)照頻段

　　從2496～2690MHz，最大等效全向輻射功率(EIRP)頻段功率輸出為63dBm?；镜碾s散輻射在信道邊緣必須至少衰減43+10log(P)dB，其中，P為頻段功率輸出（單位W）。

　　2.4GHz免執(zhí)照頻段

　　在ISM頻段，限制更嚴(yán)格，但最大功率輸出也低得多。在2400～2483.5MHz，點(diǎn)到多點(diǎn)(PTMP)基站的最大傳導(dǎo)功率輸出為+30dBm，最大EIRP為+36dBm。點(diǎn)到點(diǎn)(PTP)基站必須遵守相同的傳導(dǎo)功率限制，但最大理論EIRP無(wú)限制。對(duì)于PTP基站，6dB以上的天線(xiàn)定向增益每增加3dB，EIRP必須降低1dB。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(biāo)信號(hào)20dB的水平。ISM頻段外的輻射必須衰減到低于頻段功率50dB的水平，或者衰減到-41.25dBm/MHz的水平，以衰減較小者為準(zhǔn)。此外，使用ISM頻段的運(yùn)營(yíng)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(duì)于ISM頻段的運(yùn)營(yíng)商，該輻射始終必須等于或小于-41.25dBm/MHz的絕對(duì)限值。影響2.4GHzISM頻段的限制頻段有兩個(gè)：2310～2390MHz和2483.5～2500MHz。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(jì)示例

　　對(duì)于各種情況下的單芯片CPE收發(fā)器的定量評(píng)估，功率放大器(PA)被認(rèn)為是理想的增益級(jí)。實(shí)踐中，PA會(huì)增加噪聲和非線(xiàn)性效應(yīng)，但對(duì)于下面的各個(gè)示例，特別設(shè)計(jì)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(gè)10MHz帶寬內(nèi)最大輸出設(shè)置為-3.0dBm的CPE收發(fā)器。

　　第一個(gè)示例是一個(gè)工作在ISM頻段的1W點(diǎn)到多點(diǎn)微蜂窩，發(fā)射帶寬為10MHz，中心頻率為2417MHz。第一個(gè)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-33dBm/MHz，如圖3的“20dB衰減限制”所示。

圖3發(fā)射輻射與頻率偏移的關(guān)系以及法定限制

　　圖3包含來(lái)自圖2的ADI公司AD9354性能曲線(xiàn)，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(yuǎn)低于-33dBm/MHz限制線(xiàn)，因此該收發(fā)器滿(mǎn)足20dB衰減要求。

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

　　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（2417～2390MHz+500kHz）。由于這是一個(gè)絕對(duì)限值，因此需要考慮PA增益。為了將帶內(nèi)輸出功率從-3dBm提升到30dBm，需要33dB的增益。將該值折合到收發(fā)器輸出端，可以得到-74.25dBm/MHz的法定限制(-41.25dBm/MHz-33dB)，如圖3中“-74.25dBm/MHz”線(xiàn)所示。

　　采用特許執(zhí)照頻段的毫微微蜂窩

　　在所有類(lèi)型的基站中，毫微微蜂窩對(duì)成本最敏感，因此單芯片收發(fā)器必須滿(mǎn)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(dá)20dBm的帶內(nèi)輸出功率。在信道邊緣，雜散輻射需要降低33dB(43+10×log(0.1))。從-13dBm/MHz的信道內(nèi)功率衰減33dB，得到-46dBm/MHz的法定限制，如圖3的水平虛線(xiàn)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，為20～30dBm。本例中，功率輸出設(shè)置為27dBm，信道邊緣所需的衰減為40dB(43+10×log(0.5))。從-13dBm/MHz的信道內(nèi)功率衰減-40dB，得到法定限制為-53dBm/MHz，如圖3中的-53dBm/MHz水平線(xiàn)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(jì)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(jìn)行分析，從-13dBm/MHz的信道內(nèi)功率衰減46dB，得到-59dBm/MHz的法定限制。在圖3中，通過(guò)比較AD9354輻射曲線(xiàn)與-59dBm/MHz的水平虛線(xiàn)可以發(fā)現(xiàn)，該器件有足夠的裕量來(lái)滿(mǎn)足此要求。

　　WiMAXCPE收發(fā)器的發(fā)射性能已大大改進(jìn)，現(xiàn)已能夠滿(mǎn)足從微微蜂窩到微蜂窩的應(yīng)用要求。與分立設(shè)計(jì)相比，除了集成發(fā)射路徑所帶來(lái)的成本和空間節(jié)省以外，單芯片收發(fā)器還能提供兩個(gè)接收機(jī)，從而進(jìn)一步節(jié)約成本和空間。