采用高靈活性RF解決方案應對日益增加的頻率與無線標準

[摘要:] 實現(xiàn)無縫語音連接的大趨勢正極大改變無線基礎設施網絡的需求。隨著無線市場向全球演進。因此這些無線網絡視國家和基礎設施開發(fā)程度的不同而工作于不同頻率。不斷演進的射頻與不斷涌現(xiàn)的全新無線標準，進一步推動了市場對全面集成的、自適應芯片組的需求。滿足日新月異的無線市場需求的關鍵在于，我們需要推出一款整體解決方案，既能滿足OEM廠商對提高設計效率并同時降低設計成本的基本需求，又能進一步確保提供增強型語音功能和高質量的語音傳輸性能。本文將探討德州儀器(TI)推出的系列射頻收發(fā)器(TRF)模擬信號鏈解決方案及其靈活的設計特性與增強型音質功能。此外，我們還將從市場與消費者的角度淺談OEM廠商、服務供應商乃至RF市場如何從中受益。

引言

能否實現(xiàn)無縫語音及數(shù)據連接技術將影響無線基礎局端的設計要求。系統(tǒng)容量必須不斷提高，這要求更高帶寬的信號與多載波能力。發(fā)送器的功率及接收機的靈敏度越高，信號覆蓋范圍就越廣泛。為了確保信號無處不在，網絡需要更小型的微微基站 (pico base station) 遍布城市的各個角落以提供服務。為此，OEM 廠商應在確保實現(xiàn)高效率、低成本設計的同時還能提供更高性能的設備。

此外，OEM 廠商的系統(tǒng)必須支持包括 CDMA2000、WCDMA、GSM 及 EDGE 等在內的多種現(xiàn)有無線標準，以及諸如中國的 TD-SCDMA 和全球寬帶數(shù)據服務的 WiMAX等各種新興標準。靈活的架構應滿足大多數(shù)甚至所有類型的調制需求，這對最大限度地節(jié)約設計資源、提高可靠性至關重要。全球工作頻帶的多樣化進一步加劇了復雜性，大多數(shù)語音通信所采用的頻率介于 800 MHz 至 2.1 GHz 之間，數(shù)據服務的頻率則在 3.5 GHz 至 5.6 GHz 之間。

上述頻帶的多樣化需要能夠滿足多種頻帶與各種無線調制標準需求的高靈活性解決方案。鑒于此，TI 推出了一款可滿足上述要求的高靈活性直接上變頻解決方案，其優(yōu)異的 RF 性能能夠充分滿足嚴格的基站規(guī)范要求。此外，該解決方案的高集成度還理想適用于小型緊湊的低成本設計方案。

發(fā)送器架構

發(fā)送器的兩大架構選項是直接上變頻架構和超外差架構。傳統(tǒng)的超外差架構包括兩個混頻階段 (mixing stage)，信號首先向上轉換為固定中頻 (IF) 信號，然后再通過窄帶表面聲波 (SAW) 濾波器。直接變頻方案繞開了 IF 級，直接從基帶信號轉換為所選的 RF 通道信號。圖 1 給出了以上兩種架構的結構圖。

圖 1 超外差架構與直接上變頻架構

直接上變頻方案采用正交調制器 (quadrature modulator)，并且消除了采用額外混頻級、合成器以及 SAW 濾波器的麻煩，這不僅大幅簡化了設計工作，同時也顯著降低了材料清單 (BOM) 成本。此外，該方案可用于其中包括 CDMA、GSM 以及 OFDM 等在內的各種調制技術，因而具有最高的靈活性。

由于無需采用窄帶濾波器，因此該架構可支持與所選調制方案相對應的各種信號帶寬。舉例來說，除支持與 CDMA2000 和 WCDMA 相關的各種帶寬外，還支持范圍通常介于3.5 MHz 至 10 MHz 之間的各種 WiMAX 信號帶寬。由于無帶寬限制，因此同時也支持多載波應用。此外，直接上變頻架構還能支持數(shù)字預失真 (DPD) 線性化信號。該信號的帶寬必須高達所需信號帶寬的五倍，該信號中包含為消除功率放大器的非線性影響而修正過的三階與五階產物。

直接上變頻調制器

直接上變頻調制器由差動同相 (I) 與正交相 (Q) 信號組成，二者匯總于輸出端。直接上變頻法必須使用正交調制器?；谡徽{制器固有特性，本機振蕩器 (LO) 自身信號及不必要的鏡像信號（或無用邊帶）無需濾波器就能自然被抑制。

邊帶抑制量取決于輸入正交分量的幅度與相位平衡。而LO 泄漏取決于IQ兩個輸入路徑間的 DC 偏移平衡。我們最好能讓器件本身對本振泄漏與無用邊帶的抑制性能優(yōu)于35 dBc，因為隨著溫度的變化，正交調制器這兩個指標可能會惡化。如果需要進一步的抑制，我們還可在數(shù)模轉換器 (DAC) 中做進一步微調。諸如 TI DAC5687 等數(shù)據轉換器可提供具備內置調節(jié)功能的 I/Q接口，從而可滿足幅度與相位平衡的要求，并支持 DC 偏移校正。

下表 1 給出了 TI TRF3703 調制器的關健參數(shù)。該調制器的線性及輸出噪聲參數(shù)對系統(tǒng)性能設置至關重要。這些參數(shù)決定了器件的工作輸出范圍，同時也會限制整個無線電系統(tǒng)的最大輸出功率。對于如 CDMA 及 OFDM 等極高峰均比 (PAR) 的調制信號來說，調制器在傳輸信號峰值時要避免對相鄰頻道功率比 (ACPR) 性能造成較大負面影響，這對滿足標準的要求是至關重要的。

表 1 TRF3703 RF 參數(shù)

我們只需回退正交調制器的輸出功率，理論上就可以提高 ACPR 性能。如果器件符合標準模型的話，那么每 1dB 的信號功率回退，三階產物就能降低 3dB。在某一輸出功率點，（不變的）器件噪底會主導 ACPR 性能。為打破這一局面，關鍵在于保持調制器工作于足夠高的輸出電平上，這樣 ACPR 性能就不局限于器件的噪底了，不過也不能讓調制器輸出電平過高，要避免器件工作在非線性區(qū)降低 ACPR 性能。最佳電平取決于調制信號的 PAR 及載波數(shù)量。在大多數(shù)情況下，最佳窗體寬度僅為1至 2dB。

噪聲基底性能還決定著給定輸出功率下無線電技術能否滿足寄生要求。舉例來說，調制器的輸出功率設為 -10 dBm以提供足夠的線性功能。20 W 的無線電系統(tǒng)會需要調制器輸出向天線輸入提供額外的 53dB 增益。假定不采用噪聲濾波，后續(xù)階段也不會增加額外的噪聲，那么在 1 MHz 帶寬（標準規(guī)范下典型的噪聲帶寬）內，輸出噪聲電平可通過以下計算得出：

噪聲功率 + 1 MHz BW [dB] + 增益 = 噪聲功率輸出

-163 dBm/Hz + 60 dB-Hz +53 dB = -50 dBm

對于所有頻率而言，上述配置的寄生輸出性能為：每1 MHz帶寬內具有 -50 dBm 的噪聲輸出功率。這符合有關標準要求。

合成器

調制器需要合成 LO 源，然后根據所選輸出頻道進行編程。傳統(tǒng)的合成器實施方法是采用鎖相環(huán)芯片并配合使用外部壓控振蕩器 (VCO)。盡管這種方案可實現(xiàn)良好的性能，但 VCO 器件通常尺寸較大，成本不菲，并且只能工作在較窄的頻帶上。我們通過采用集成頻率合成器，就能大幅降低電路的復雜性。類似于 TITRF3761 整數(shù) PLL 頻率合成器的只需一個外部環(huán)路濾波器即可，因為 VCO 已集成在硅芯片上了?？蓪Νh(huán)路濾波器進行優(yōu)化，以加快 TDD 系統(tǒng)通常要求的鎖定時間。此外，該器件還采用“除二和除四”特性，使一個器件能適應較大的工作范圍。

盡管集成型頻率合成器能顯著縮小系統(tǒng)尺寸并降低成本，但相位噪聲是非常關鍵的參數(shù)，其性能不容衰減。LO 的相位噪聲信號將被傳輸至調制器的輸出信號上，這對于高帶寬 CDMA 調制信號、GSM 等窄帶調制信號以及 WiMAX 信號所用的 OFDM 調制等高頻子載波系統(tǒng)而言，同等重要。合成器的相位噪聲肯定會影響發(fā)送器的誤差矢量幅度 (EVM) 性能。當頻率為 1.8 GHz 時，TRF3761 能在 10 MHz頻偏時提供-160 dBc/Hz的閉環(huán)相位噪聲。在低頻情況下對器件加以優(yōu)化后還能進一步提高系統(tǒng)性能。

測量結果

TI 提供的 TSW3003 參考設計顯示了發(fā)送器直接上變頻架構。該電路板采用可驅動 TRF3703 正交調制器的 DAC5687 器件。TRF3761 集成合成器可提供 LO 源。采用 WCDMA 信號標準時該電路板的 ACPR 性能如圖 2 所示。從圖中我們可以看出，單載波輸出功率為 -12 dBm 時，ACPR 性能在 2.17 GHz 內可提供 -77 dBc 的噪聲功率輸出。

圖2 采用WCDMA 標準時的 TSW3003 ACPR 性能

采用 EDGE 信號標準時，我們對 EVM 進行測量。TSW3003 電路板的 EVM 性能小于1.5%。當頻率為 1800 MHz 時，其測量結果如圖 3 所示。

圖 3 采用EDGE 標準時的 TSW3003 性能

就采用 OFDM 及 64 QAM 調制方案的 WiMAX 信號而言，我們也可通過上述方案進行處理并獲得相近性能。WiMAX 的關鍵性能參數(shù)為 EVM 性能。該系統(tǒng)在 2.5 GHz 輸出上的 EVM 優(yōu)于 -40 dB，如圖 4 所示。盡管功率放大器不可避免會出現(xiàn)衰減，但上述參數(shù)盡可能地降低了性能衰減。

圖 4 采用64-QAM WiMAX 標準時的 TSW3003 性能

上述不同調制信號標準與頻率下的測量結果顯示了器件的靈活性與性能，這有助于 OEM 設計人員在不影響系統(tǒng)性能并確保滿足有關規(guī)范要求的情況下能夠提供更小型的低成本器件。

作者：Russell Hoppenstein 德州儀器(TI)

關于作者：Russell Hoppenstein 現(xiàn)任 TI 位于得克薩斯州達拉斯市總部無線基礎局端業(yè)務部負責 WiMAX 產品組的 RF 應用工程師。他在移動通信局端設備及 WiMAX 系統(tǒng)的產品開發(fā)與應用領域擁有超過 14 年的豐富工作經驗。Hoppenstein 先后畢業(yè)于得克薩斯大學奧斯汀分校 (University of Texas at Austin) 以及得克薩斯大學阿靈頓分校 (University of Texas at Arlington)，分別獲學士學位及電子工程碩士學位。他的電子郵件為：rhoppenstein@ti.com。