低成本家庭基站射頻解決方案

如今，基帶電路的可編程已不是太大問(wèn)題，但實(shí)現(xiàn)一個(gè)多頻帶多制式的射頻前端卻仍面臨很大挑戰(zhàn)。直到最近，人們還認(rèn)為解決這個(gè)問(wèn)題的方法是使用一排射頻 MEMS開(kāi)關(guān)，在幾種不同的射頻前端之間進(jìn)行切換。隨著一些公司開(kāi)發(fā)可編程的多頻帶多標(biāo)準(zhǔn)的射頻收發(fā)器IC，人們的觀點(diǎn)正在改變。
另一方面，射頻MEMS仍然受到可靠性問(wèn)題的困擾，而可編程射頻硅解決方案正在為OEM廠商和系統(tǒng)設(shè)計(jì)師們提供真正的好處，尤其體現(xiàn)在家庭基站這類(lèi)應(yīng)用中。

　　應(yīng)用背景

　　家庭基站的未來(lái)取決于一系列關(guān)鍵挑戰(zhàn)的解決程度，這些挑戰(zhàn)例如功能性和成本等。還有像定時(shí)/同步，無(wú)線干擾以及從傳統(tǒng)的宏蜂窩基站單元到家庭基站的切換等問(wèn)題，都將影響家庭基站射頻部分的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。多頻段和多標(biāo)準(zhǔn)為本來(lái)就較長(zhǎng)的供應(yīng)鏈進(jìn)一步增加了復(fù)雜性。

　　上述挑戰(zhàn)在為家庭基站增添更多功能的時(shí)候?qū)?huì)出現(xiàn)，如為了接收像位置和定時(shí)這類(lèi)信息時(shí)，向家庭基站添加的對(duì)附近的宏蜂窩基站單元的廣播信道進(jìn)行偵聽(tīng)的偵聽(tīng)模式。這些廣播信道采用的可能是任意一種通用調(diào)制方案，不一定與家庭基站收發(fā)器所用的調(diào)制方式一致。為了將成本降至最低，并將家庭基站中的元器件數(shù)量降到最少，如果能夠?qū)⒅魇瞻l(fā)器的無(wú)線資源借過(guò)來(lái)實(shí)現(xiàn)偵聽(tīng)功能是最好不過(guò)的了。為了確保收發(fā)器不僅能夠工作在一系列不同的頻段上，而且還要能夠處理不同的調(diào)制制式，同時(shí)為了滿(mǎn)足進(jìn)取的價(jià)格點(diǎn)還不能增加過(guò)多的輔助電路，這就需要一系列的設(shè)計(jì)考慮。

　　倘若可編程收發(fā)器具備足夠的頻率捷變能力，就無(wú)需隨著標(biāo)準(zhǔn)和地域的不同而要求與之對(duì)應(yīng)的專(zhuān)用收發(fā)器芯片。這種芯片能夠被迅速和簡(jiǎn)便地重新編程，來(lái)適應(yīng)不同的網(wǎng)絡(luò)配置、帶寬、數(shù)據(jù)傳輸率以及制式。

　　本文所提出的概念基于的是一個(gè)完全可配置的接收機(jī)，該接收機(jī)可以適用于主要的一些調(diào)制制式，并具有多路寬帶低噪聲放大器(LAN)輸入，允許直接連接到多達(dá)3個(gè)接收頻段的濾波器上，能夠?qū)崿F(xiàn)到偵聽(tīng)模式的無(wú)縫轉(zhuǎn)換，而無(wú)需增添額外的接收機(jī)鏈路。該設(shè)計(jì)還允許下行鏈路在接收機(jī)獨(dú)立工作的同時(shí)繼續(xù)其自身廣播信道的發(fā)射。

　　家庭基站具有獨(dú)特的特性，它們是安裝在終端用戶(hù)家庭中的、必須能夠與現(xiàn)有無(wú)線基礎(chǔ)設(shè)施無(wú)縫連接的無(wú)線基礎(chǔ)設(shè)備。一旦通電后，家庭基站必須能夠根據(jù)其周邊的宏蜂窩環(huán)境進(jìn)行自配置。因此，它必須能夠偵聽(tīng)其自己的宏蜂窩網(wǎng)絡(luò)以及可能出現(xiàn)的其他頻率以及調(diào)制制式。

　　該網(wǎng)絡(luò)偵聽(tīng)模式要求家庭基站采用基于現(xiàn)有的單頻和標(biāo)準(zhǔn)收發(fā)器方案的多路接收機(jī)通道/IC。隨著沒(méi)有器件可以利用的新頻段的發(fā)布，使得問(wèn)題變得更加復(fù)雜。

　　偵聽(tīng)自身下行鏈路

　　干擾控制是家庭基站研發(fā)成功與否的關(guān)鍵，而能夠偵聽(tīng)自身的下行鏈路的要求對(duì)收發(fā)器提出了下列需求：

　　* 接收機(jī)鏈路能夠工作在下行頻段上

　　* 在選定偵聽(tīng)模式時(shí)下行鏈路濾波器需切換到接收機(jī)輸入上

　　在能夠覆蓋所有頻段的偵聽(tīng)模式中靈活性是理所當(dāng)然的需求。在對(duì)同一頻段進(jìn)行偵聽(tīng)時(shí)，要利用現(xiàn)有的用于發(fā)射機(jī)的天線濾波器時(shí)也必須謹(jǐn)慎。由于家庭基站中功率電平較小，也許可以通過(guò)增加低成本的RF開(kāi)關(guān)，使得在需要時(shí)，可以將發(fā)射通道濾波器用于接收機(jī)通道，見(jiàn)圖1。

圖1：接收機(jī)通道共享發(fā)射通道濾波器

　　如果限制該系統(tǒng)只能使用一個(gè)單接收機(jī)通道來(lái)實(shí)現(xiàn)，則在接收機(jī)主通道上還需要增加一個(gè)開(kāi)關(guān)，如圖1所示，這將對(duì)接收性能帶來(lái)如下一些不利影響：

　　* 開(kāi)關(guān)的插入損耗將使接收靈敏度降低(大約0.5dB)

　　* 發(fā)射鏈路和接收鏈路之間的雙工隔離度指標(biāo)要求大于45dB，因此開(kāi)關(guān)的隔離度決定著發(fā)射鏈路和接收鏈路之間的隔離度(約為2*20dB=40dB)

　　而這些問(wèn)題都是無(wú)法克服的，因?yàn)槿魏卧骷脑鎏矶紝?huì)增加成本和復(fù)雜度。通過(guò)在收發(fā)器IC中采用額外的接收機(jī)通道輸入，從而可以使下行偵聽(tīng)通道能夠與接收機(jī)主通道保持分離，因而消除了已知的風(fēng)險(xiǎn)，并減少了元器件數(shù)量。

　　附加網(wǎng)絡(luò)偵聽(tīng)模式

　　除了上述需要偵聽(tīng)自身的下行鏈路外，家庭基站還需要以與自身相同的頻率和調(diào)制制式來(lái)偵聽(tīng)宏蜂窩的下行鏈路，另外，家庭基站也可能會(huì)被放置在無(wú)法實(shí)現(xiàn)這類(lèi)功能的地方。因此，期望能夠從其他的調(diào)制制式和頻段獲取網(wǎng)絡(luò)信息。因此，需要對(duì)偵聽(tīng)模式通道提出更進(jìn)一步的需求，主要是它必須能夠處理不同的調(diào)制制式 (最常見(jiàn)的就是GSM)以及距離主收發(fā)器工作頻段8倍頻程或者更遠(yuǎn)的工作頻率。

　　寬帶操作

　　多頻段收發(fā)器通常采用多個(gè)低噪聲放大器，調(diào)整每個(gè)放大器使之用來(lái)處理不同的RF頻段，但是，在家庭基站市場(chǎng)中，由于部署的地理位置的限制，要求偵聽(tīng)模式所用的頻率保持靈活性。能夠覆蓋歐洲主要國(guó)家和美國(guó)的各個(gè)頻段的最基本的一組接收頻率為：

　　* 主接收機(jī)

　　o WCDMA(頻段I，US頻段class 6)，上行–1920～1980MHz

　　o WCDMA(頻段V，US頻段class 0)，上行–824～849MHz

　　* 偵聽(tīng)模式

　　o WCDMA(頻段I，US頻段class 6)，下行-2110～2170MHZ

　　o WCDMA/GSM850(頻段V，US頻段class 0)，下行–869～894MHz

　　o GSM900(頻段VII，US頻段class 9)，下行–925～960MHz

　　o GSM1800頻段III，US頻段class 8)，下行–1805～1880MHz

　　o GSM1900(頻段II，US頻段class 1)，下行–1930～1990MHz

　　顯然，通過(guò)為每個(gè)頻段增加接收機(jī)輸入來(lái)提供一個(gè)具有足夠靈活性的系統(tǒng)是不現(xiàn)實(shí)的，因?yàn)閷?lái)還可能啟用其他一些頻段。另外，如果這樣的話，收發(fā)器IC所增加的硅片和引腳數(shù)量(由此引發(fā)的封裝成本)所導(dǎo)致的成本將開(kāi)始占據(jù)主導(dǎo)地位。

　　對(duì)于主通道接收機(jī)來(lái)說(shuō)，人們期望通過(guò)調(diào)整低噪聲放大器來(lái)實(shí)現(xiàn)性能的提升，但對(duì)于偵聽(tīng)模式(該模式通常只是偵聽(tīng)本地附近的宏蜂窩網(wǎng)絡(luò)的廣播信道)來(lái)說(shuō)，允許噪聲系數(shù)指標(biāo)略為低一些，這是因?yàn)橄旅娴囊恍┰颍?/p>

　　* 偵聽(tīng)模式接收機(jī)只需要滿(mǎn)足移動(dòng)接收靈敏度電平

　　* 偵聽(tīng)模式下發(fā)射機(jī)是關(guān)閉的，因此沒(méi)有發(fā)射機(jī)噪聲所引起的影響

　　* 在接收機(jī)通道中不需要采用額外的濾波器來(lái)抑制發(fā)射信號(hào)(因此射頻前端的損耗較小)

　　因此，最理想的解決方案是：為接收機(jī)主通道提供一個(gè)高性能的接收機(jī)輸入來(lái)執(zhí)行特定的主通道信號(hào)接收任務(wù)，而另外采用一個(gè)低噪聲寬帶放大器來(lái)實(shí)現(xiàn)所有頻段的偵聽(tīng)模式。

　　調(diào)制，GSM接收

　　由于GSM信號(hào)為窄帶信號(hào)，所提供的編碼增益較小，所以需要低噪聲的接收機(jī)。在零中頻接收機(jī)中，特別容易受到IP2互調(diào)失真的影響。而像WCDMA，LTE以及WiMAX這類(lèi)的寬帶調(diào)制解決方案，不容易受到這類(lèi)失真的影響，因而使得相應(yīng)的零中頻接收機(jī)比較簡(jiǎn)單。

　　在零中頻接收機(jī)中，通過(guò)重新調(diào)整本振(LO)信號(hào)，對(duì)一些低中頻提供補(bǔ)償，并采用I支路和Q之路來(lái)構(gòu)成鏡像抑制接收機(jī)，這樣，就有可能將WCDMA零中頻接收機(jī)鏈路適用于GSM的低中頻接收鏈路。

　　對(duì)于專(zhuān)用于有用信號(hào)的高端和低端兩側(cè)的抑制器來(lái)說(shuō)，中頻本身以及中頻濾波器帶寬的選擇都是非常重要的。這樣，可以使中頻頻率較高，從而可以遠(yuǎn)離能夠使需要抑制的、RF附近的頻率分量通過(guò)變頻處理后剛好落入到中頻級(jí)低通濾波器帶寬內(nèi)的DC IP2互調(diào)產(chǎn)品。

　　中頻頻率可以選用400kHz到600kHz之間的某一頻率。采用一個(gè)帶寬為600-800kHz左右的低通濾波器(LPF)是理想的，能夠確保ADC轉(zhuǎn)換后的信號(hào)沒(méi)有損失地通過(guò)該低通濾波器。

圖2：采用了最大抑制指標(biāo)的移動(dòng)臺(tái)實(shí)例

　　圖2中例子根據(jù)GSM900移動(dòng)臺(tái)的要求，采用了最大的抑制指標(biāo)，具體如下：

　　抑制電平=-23dBm@1.6MHz

　　有用信號(hào)=-99dBm

　　IP2處的Rx輸入=35dBm

　　低中頻=500kHz

　　Rx IF BW=750kHz

　　根據(jù)上述可以看到，在基帶下變頻并進(jìn)行濾波后，有用信號(hào)可以得到恢復(fù)，恢復(fù)后的信噪比為SNR>10dB，這在基帶處理中就足以實(shí)現(xiàn)可靠的解調(diào)。

　　在基帶處理中，由于處理單邊帶低中頻下變換所需的開(kāi)銷(xiāo)較小，因而WCDMA和GSM兩種接收模式能夠共享相同的接收機(jī)硬件資源。為了實(shí)現(xiàn)資源的復(fù)用，接收機(jī)必須具有足夠的線性度和壓縮比，以避免在具有阻塞信號(hào)時(shí)產(chǎn)生失真，另外，還需具有射頻頻率捷變能力，以及上述的中頻濾波器帶寬可選擇能力。

　　方案實(shí)現(xiàn)

　　由Lime Microsystems公司所開(kāi)發(fā)的一款收發(fā)器IC具有375MHz到4GHz的頻率工作范圍，可以覆蓋3GPP所規(guī)定的所有頻段。另外，該芯片還提供 2個(gè)發(fā)射輸出，兩個(gè)主接收機(jī)輸入，還有一個(gè)專(zhuān)為前面所述的偵聽(tīng)模式而優(yōu)化的寬帶接收機(jī)輸入。Lime Microsystems公司所開(kāi)發(fā)的這款收發(fā)器IC如圖3和圖4所示。

圖3：用于目標(biāo)頻段并具有最低材料成本的最小系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案。

圖4：Lime Microsystems公司的收發(fā)器配置

　　由于該收發(fā)器不再需要增加外圍電路來(lái)實(shí)現(xiàn)所需的靈活度，而且提供了現(xiàn)有設(shè)計(jì)模塊的復(fù)用，因而它不僅為針對(duì)某個(gè)單一市場(chǎng)的單頻系統(tǒng)(例如，用于歐洲的 WCDMA頻段I)，也為能夠通過(guò)動(dòng)態(tài)配置來(lái)適用于任意一個(gè)蜂窩頻段的多頻段、多制式系統(tǒng)提供了具有成本效益的解決方案。

　　總結(jié)

　　一個(gè)低成本的、具有足夠?qū)挼念l率范圍的、具有帶寬選擇靈活性的、以及具有足夠線性度的單接收機(jī)通道，可以由WCDMA和GSM接收機(jī)通道共享。由于能夠在多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)和多個(gè)制式之間共享一些硬件資源，從而成為實(shí)現(xiàn)收發(fā)器連接的最佳解決方案。

　　將一個(gè)低成本的單接收機(jī)通道用于多種接收模式，減少了對(duì)多路接收機(jī)器件(無(wú)論是分立器件還是集成到單芯片上)、多個(gè)本振、濾波器的需求，ADC也可以復(fù)用，從而大大節(jié)省了元器件數(shù)量，進(jìn)而降低了硅片成本。