通過創(chuàng)新的集成收發(fā)器簡化2G至5G基站接收器設(shè)計(jì)

作者：Kenny Man and Jon Lanford

基站接收器設(shè)計(jì)可能是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)?；祛l器、低噪聲放大器（LNA）和模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）等典型接收器組件隨著時(shí)間的推移逐漸得到改進(jìn)。但是，體系結(jié)構(gòu)僅略有變化。架構(gòu)選擇的限制阻礙了基站設(shè)計(jì)人員在市場上的差異化產(chǎn)品。最近的產(chǎn)品開發(fā)，特別是集成收發(fā)器，已經(jīng)大大放寬了即使是最具挑戰(zhàn)性的基站接收器設(shè)計(jì)的一些限制。這些收發(fā)器提供的新基站架構(gòu)為基站設(shè)計(jì)人員提供了更多選擇和方法來區(qū)分其產(chǎn)品。

本文討論的集成收發(fā)器系列是業(yè)界首款支持所有現(xiàn)有蜂窩標(biāo)準(zhǔn)（2G 至 5G）并涵蓋整個(gè)sub-6 GHz調(diào)諧范圍的收發(fā)器。這些收發(fā)器允許基站設(shè)計(jì)人員在所有頻段和功率變體中采用單一、緊湊的無線電設(shè)計(jì)。

首先，讓我們回顧一下幾個(gè)基站類。眾所周知的標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)3GPP有幾個(gè)定義的基站類別。這些基站類有各種名稱。從廣義上講，最大的基站或廣域基站 （WA-BS） 提供最多的地理覆蓋范圍和用戶數(shù)量。它們還輸出最高功率，并且必須提供最佳的接收器靈敏度。每個(gè)逐漸變小的基站都需要更少的輸出功率和寬松的接收器靈敏度。

此外，3GPP還定義了不同的調(diào)制方案。從廣義上講，調(diào)制方案的實(shí)際細(xì)分是非GSM（包括LTE和CDMA類型的調(diào)制）和基于GSM的調(diào)制，特別是多載波GSM（MC-GSM）。在兩大方案中，GSM在RF和模擬性能方面要求最高。此外，隨著更高吞吐量的無線電變得越來越普遍，MC-GSM已成為單載波GSM案例的常態(tài)。通常，基站中可以支持MC-GSM性能的無線電前端也可以處理非GSM性能。處理MC-GSM的運(yùn)營商將在市場機(jī)會(huì)中具有更大的靈活性。

從歷史上看，基站一直由分立元件組成。我們相信，當(dāng)今的集成收發(fā)器可以取代許多分立元件，并提供系統(tǒng)優(yōu)勢。但首先，我們需要討論基站接收器設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)。

廣域或宏基站歷來是最具挑戰(zhàn)性和最昂貴的接收器設(shè)計(jì)，并且歷來一直是我們無線通信網(wǎng)絡(luò)的主力。是什么讓它如此具有挑戰(zhàn)性？一句話，敏感。

基站接收器必須在特定條件下達(dá)到所需的靈敏度。靈敏度是基站接收器解調(diào)來自手機(jī)的所需微弱信號(hào)的能力的品質(zhì)因數(shù)。將靈敏度視為確定基站在保持連接時(shí)離手機(jī)最遠(yuǎn)的距離。靈敏度可以分為兩種方式：1）沒有任何外部干擾的靜態(tài)靈敏度和2）有干擾的動(dòng)態(tài)靈敏度。

讓我們首先關(guān)注靜態(tài)靈敏度。在工程術(shù)語中，靈敏度由系統(tǒng)噪聲系數(shù)（NF）決定。噪聲系數(shù)越低意味著靈敏度越高。通過增加增益以實(shí)現(xiàn)所需的系統(tǒng)NF來實(shí)現(xiàn)所需的靈敏度，增益由稱為低噪聲放大器（LNA）的昂貴組件產(chǎn)生。增益越高，LNA的美元和電力成本就越高。

不幸的是，動(dòng)態(tài)靈敏度需要權(quán)衡。動(dòng)態(tài)靈敏度意味著靜態(tài)靈敏度會(huì)因干擾而變差。干擾是出現(xiàn)在接收器上的任何不需要的信號(hào)，包括來自外界的信號(hào)或接收器無意產(chǎn)生的信號(hào)，例如互調(diào)產(chǎn)物。在這種情況下，線性度描述了系統(tǒng)處理干擾的能力。

在存在干擾的情況下，我們的系統(tǒng)會(huì)失去我們努力實(shí)現(xiàn)的靈敏度。增益越高，這種權(quán)衡會(huì)變得更糟，因?yàn)樵鲆嫱ǔ０殡S著較低的線性度。換言之，增益過高會(huì)降低線性度性能，從而導(dǎo)致強(qiáng)干擾下的靈敏度下降。

無線通信網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)使得網(wǎng)絡(luò)性能的負(fù)擔(dān)在基站側(cè)而不是手機(jī)端。WA-BS設(shè)計(jì)用于覆蓋大面積并實(shí)現(xiàn)出色的靈敏度性能。WA-BS必須具有最佳的靜態(tài)靈敏度，以支持來自手機(jī)信號(hào)非常弱的小區(qū)邊緣的手機(jī)。另一方面，在干擾或阻塞條件下，WA-BS接收器的動(dòng)態(tài)靈敏度仍然需要良好。接收器仍然必須在來自手機(jī)的微弱信號(hào)上表現(xiàn)出良好的性能，即使來自基站附近聽筒的強(qiáng)信號(hào)會(huì)產(chǎn)生干擾。

以下信號(hào)鏈?zhǔn)且粋€(gè)簡化的典型分立元件系統(tǒng)接收器。LNA、混頻器和可變增益放大器（VGA）稱為RF前端。RF前端的噪聲系數(shù)為1.8 dB，而ADC的噪聲系數(shù)為29 dB，在圖1的分析中，RF前端增益在x軸上掃描以顯示系統(tǒng)靈敏度。

圖1.簡化的典型分立接收器信號(hào)鏈。

現(xiàn)在讓我們比較一個(gè)簡化的收發(fā)器接收信號(hào)鏈?？梢钥吹绞瞻l(fā)器接收信號(hào)鏈的物料清單小于可比的分立元件信號(hào)鏈。此外，收發(fā)器在片上設(shè)計(jì)有兩個(gè)發(fā)射器和兩個(gè)接收器?？此坪唵蔚募呻[藏了接收器設(shè)計(jì)的優(yōu)雅，通?？蓪?shí)現(xiàn)12 dB的噪聲系數(shù)。圖2所示的以下分析將展示靈敏度在系統(tǒng)中的回報(bào)情況。

圖2.典型收發(fā)器/接收器信號(hào)鏈，簡化。

圖3顯示了上述兩種實(shí)現(xiàn)方案的RF前端增益與靜態(tài)靈敏度的關(guān)系。WA-BS在靈敏度幾乎滿足最嚴(yán)格靈敏度要求的區(qū)域工作。相比之下，小型蜂窩在靈敏度曲線斜率最陡峭的地方工作，同時(shí)仍以較小的裕量滿足標(biāo)準(zhǔn)。收發(fā)器以低得多的RF前端增益為WA-BS和小型蜂窩實(shí)現(xiàn)了所需的靈敏度。

圖3.分立接收器與收發(fā)器/接收器靈敏度的關(guān)系。

動(dòng)態(tài)靈敏度如何？在RF前端增益區(qū)域，我們將使用收發(fā)器設(shè)計(jì)廣域基站，動(dòng)態(tài)靈敏度也比分立解決方案好得多。這是因?yàn)樵诮o定功耗下，較低增益的RF前端通常具有較高的線性度。在通常使用高增益的分立解決方案中，線性度通常由RF前端主導(dǎo)。在收發(fā)器設(shè)計(jì)中，與分立式解決方案相比，干擾導(dǎo)致的靈敏度下降顯著降低。

值得一提的是，在存在過多干擾的情況下，系統(tǒng)旨在將增益降低到可以容忍干擾的程度，并在干擾減少時(shí)增加增益。這稱為自動(dòng)增益控制（AGC）。增益的任何降低也會(huì)降低靈敏度。如果系統(tǒng)可以容忍干擾源，通常最好保持盡可能高的增益，以最大限度地提高靈敏度。AGC是未來討論的主題。

總之，這類收發(fā)器的兩個(gè)突出特點(diǎn)是出色的噪聲系數(shù)和更高的抗干擾能力。在信號(hào)鏈中使用收發(fā)器意味著您可以以更低的前端增益獲得所需的靜態(tài)靈敏度。此外，較低的干擾水平意味著您可以獲得更好的動(dòng)態(tài)靈敏度。如果您需要LNA，它將是成本較低的LNA，并且消耗更少的功率。您還可以在系統(tǒng)的其他位置進(jìn)行不同的設(shè)計(jì)權(quán)衡，以利用這些功能。

如今，市場上有可配置的收發(fā)器產(chǎn)品，它們在廣域和小型蜂窩基站設(shè)計(jì)中都占有一席之地。ADI公司在這種新方法中發(fā)揮了領(lǐng)導(dǎo)作用，ADRV9009和ADRV9008產(chǎn)品非常適合廣域基站和MC-GSM性能水平。此外，AD9371系列還提供非GSM（CDMA、LTE）性能和帶寬選項(xiàng)，但功耗優(yōu)化更高。

本文遠(yuǎn)非全面的概述。敏感性的話題將在我們的后續(xù)文章中得到更深入的處理。此外，基站接收器設(shè)計(jì)中的其他挑戰(zhàn)包括自動(dòng)增益控制（AGC）算法、信道估計(jì)和均衡算法等。我們計(jì)劃在本文之后發(fā)布一系列技術(shù)文章，旨在簡化您的設(shè)計(jì)過程并提高您對(duì)接收機(jī)系統(tǒng)的理解。

審核編輯：郭婷