創(chuàng)新集成收發(fā)器簡(jiǎn)化2G至5G基站接收器設(shè)計(jì)

Jon Lanford和Kenny Man ADI公司

基站接收器設(shè)計(jì)是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。典型接收器組件包括混頻器、低噪聲放大器 (LNA) 和模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 等，這些器件隨著時(shí)間推移而不斷改善。但是，架構(gòu)的改變卻不大。架構(gòu)選擇的局限性阻礙了基站設(shè)計(jì)人員向市場(chǎng)推出差異化產(chǎn)品的努力。最近的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，特別是集成收發(fā)器，顯著降低了最具挑戰(zhàn)性的基站接收器設(shè)計(jì)的一些限制。此類(lèi)收發(fā)器提供的新基站架構(gòu)使得基站設(shè)計(jì)人員能夠有更多選擇和方法來(lái)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品差異化。

本文討論的集成收發(fā)器系列是業(yè)界率先支持所有現(xiàn)行蜂窩標(biāo)準(zhǔn)（2G至5G）并覆蓋全部6 GHz以下調(diào)諧范圍的產(chǎn)品。利用這些收發(fā)器，基站設(shè)計(jì)人員可以讓單一緊湊型無(wú)線電設(shè)計(jì)適合所有頻段和功率變化。

首先來(lái)看一些基站類(lèi)別。眾所周知的標(biāo)準(zhǔn)組織3GPP定義了若干基站類(lèi)別。這些基站類(lèi)別有不同名稱(chēng)。寬泛地說(shuō)，最大的基站或廣域基站 (WA-BS) 提供最大的地理覆蓋范圍和用戶(hù)數(shù)量。其輸出功率也最高，必須提供最佳的接收器靈敏度。隨著基站逐漸變小，所需的輸出功率也減小，接收器靈敏度同時(shí)降低。

表1. 各種基站尺寸

此外，3GPP還定義了不同的調(diào)制方案。寬泛地說(shuō)，對(duì)調(diào)制方案的實(shí)用細(xì)分是劃分為非GSM調(diào)制（包括LTE和CDMA類(lèi)型的調(diào)制）和基于GSM的調(diào)制—特別是多載波GSM (MC-GSM)。在這兩大類(lèi)方案中，GSM在射頻和模擬性能方面要求最高。此外，隨著更高吞吐速率的無(wú)線電變得越來(lái)越普遍，MC-GSM已取代單載波GSM成為標(biāo)準(zhǔn)。一般來(lái)說(shuō)，支持MC-GSM性能的基站無(wú)線電前端也可以處理非GSM性能。支持MC-GSM的運(yùn)營(yíng)商在把握市場(chǎng)機(jī)會(huì)方面擁有更大的靈活性。

歷史上，基站由分立器件組成。我們相信今天的集成收發(fā)器可以取代很多分立器件，同時(shí)提供系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)。但首先，我們需要討論基站接收器設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)。

廣域或宏基站在歷史上一直是無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的主力，其接收器設(shè)計(jì)傳統(tǒng)上是最具挑戰(zhàn)性且最昂貴的。它為何如此困難？一句話，靈敏度。

基站接收器在特定條件下必須達(dá)到所需的靈敏度。靈敏度是衡量基站接收器解調(diào)手機(jī)發(fā)出的弱信號(hào)的能力高低的品質(zhì)因數(shù)。通過(guò)靈敏度可確定基站能夠收到手機(jī)信號(hào)同時(shí)保持連接的最遠(yuǎn)距離。靈敏度可以按兩種方式分類(lèi)：1) 沒(méi)有任何外部干擾的靜態(tài)靈敏度；2) 有干擾的動(dòng)態(tài)靈敏度。

首先談?wù)勳o態(tài)靈敏度。在工程術(shù)語(yǔ)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(guò)提高增益以實(shí)現(xiàn)所需的系統(tǒng)噪聲系數(shù)，可實(shí)現(xiàn)所需的靈敏度，而增益是由一種稱(chēng)為低噪聲放大器 (LNA) 的昂貴器件產(chǎn)生。增益越大，LNA的成本和功耗越高。

遺憾的是，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)靈敏度受到干擾會(huì)變差。干擾是指接收器上出現(xiàn)的任何不需要的信號(hào)，包括來(lái)自外界的信號(hào)或接收器無(wú)意產(chǎn)生的信號(hào)，如互調(diào)產(chǎn)物。在此背景下，線性度描述系統(tǒng)處理干擾的能力。

在有干擾的情況下，我們費(fèi)力實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)靈敏度會(huì)有損失。這種權(quán)衡會(huì)隨著增益提高而變得更糟，因?yàn)楦咴鲆嫱ǔ０殡S著線性度降低。換句話說(shuō)，過(guò)大的增益會(huì)降低線性度性能，導(dǎo)致強(qiáng)干擾下的靈敏度降低。

設(shè)計(jì)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)時(shí)，網(wǎng)絡(luò)性能的負(fù)擔(dān)是放在基站端，而不是放在手機(jī)端。WA-BS設(shè)計(jì)旨在覆蓋較大區(qū)域并實(shí)現(xiàn)出色的靈敏度性能。WA-BS必須有最佳靜態(tài)靈敏度以支持小區(qū)邊緣的手機(jī)，這里的手機(jī)信號(hào)非常弱。另一方面，在有干擾或阻塞的情況下，WA-BS接收器的動(dòng)態(tài)靈敏度仍須很好。即使基站附近手機(jī)的強(qiáng)信號(hào)產(chǎn)生干擾，接收器仍然必須對(duì)手機(jī)發(fā)出的弱信號(hào)展現(xiàn)良好的性能。

以下信號(hào)鏈?zhǔn)呛?jiǎn)化的基于分立器件的典型系統(tǒng)接收器。LNA、混頻器和可變?cè)鲆娣糯笃?/u> (VGA) 稱(chēng)為RF前端。RF前端設(shè)計(jì)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. 典型分立接收器信號(hào)鏈?zhǔn)疽鈭D。

現(xiàn)在我們來(lái)比較一個(gè)簡(jiǎn)化的收發(fā)器接收信號(hào)鏈?？梢钥吹剑瞻l(fā)器接收信號(hào)鏈的物料清單少于類(lèi)似的分立器件信號(hào)鏈。此外，收發(fā)器片內(nèi)含有兩個(gè)發(fā)射器和兩個(gè)接收器?？此坪?jiǎn)單的集成隱藏了接收器設(shè)計(jì)的精致，后者通常可實(shí)現(xiàn)12 dB的噪聲系數(shù)。圖2所示的以下分析說(shuō)明了系統(tǒng)如何實(shí)現(xiàn)高靈敏度。

圖2. 典型收發(fā)器/接收器信號(hào)鏈?zhǔn)疽鈭D。

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工作在靈敏度幾乎要滿(mǎn)足最嚴(yán)格要求的區(qū)域中。相比之下，小型蜂窩工作在靈敏度曲線斜率最陡的區(qū)域，同時(shí)仍滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)并有較小裕量。對(duì)于WA-BS和小型蜂窩，收發(fā)器均以小得多的RF前端增益實(shí)現(xiàn)所需的靈敏度。

圖3. 分立接收器與收發(fā)器/接收器的靈敏度對(duì)比。

動(dòng)態(tài)靈敏度如何呢？在射頻前端增益區(qū)域，我們會(huì)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)檩^低增益的RF前端在給定功耗下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，線性度常常由RF前端決定。在收發(fā)器設(shè)計(jì)中，與分立解決方案相比，干擾導(dǎo)致的靈敏度降幅顯著降低。

值得一提的是，在有過(guò)多干擾的情況下，系統(tǒng)會(huì)將增益降低到可以容忍干擾的程度，并在干擾降低時(shí)增加增益。這就是自動(dòng)增益控制(AGC)。增益減小也會(huì)降低靈敏度。如果系統(tǒng)能夠容忍干擾信號(hào)，通常最好保持盡可能高的增益，以使靈敏度最大。AGC是未來(lái)討論的主題。

總之，此類(lèi)收發(fā)器有兩個(gè)突出特性：出色的噪聲系數(shù)和更高的抗干擾性。在信號(hào)鏈中使用收發(fā)器，意味著您可以通過(guò)小得多的前端增益實(shí)現(xiàn)所需的靜態(tài)靈敏度。此外，較低的干擾水平意味著您可以實(shí)現(xiàn)更好的動(dòng)態(tài)靈敏度。如果需要LNA，其成本和功耗也會(huì)更低。您還可以在系統(tǒng)中的其他地方作出不同的設(shè)計(jì)權(quán)衡，以利用這些特性。

如今，市場(chǎng)上有可配置的收發(fā)器產(chǎn)品，其既適合廣域基站設(shè)計(jì)，也適合小型蜂窩基站設(shè)計(jì)。ADI公司在發(fā)展這種新方法方面發(fā)揮著領(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系列提供非GSM（CDMA、LTE）性能和帶寬選項(xiàng)，但更側(cè)重于功耗優(yōu)化。

本文遠(yuǎn)非全面綜述。靈敏度話題將在后續(xù)文章中進(jìn)行更深入的討論。此外，基站接收器設(shè)計(jì)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)劃在本文后續(xù)寫(xiě)一系列技術(shù)文章，目的是簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)流程并提升大家對(duì)接收器系統(tǒng)的理解。

作者簡(jiǎn)介

Jon Lanford在ADI公司位于格林斯博羅的收發(fā)器產(chǎn)品部擔(dān)任系統(tǒng)與固件驗(yàn)證經(jīng)理。2003年獲北卡羅來(lái)納州立大學(xué)電氣工程碩士學(xué)位之后，便在ADI公司工作。其之前的工程崗位包括GSPS流水線ADC設(shè)計(jì)和校準(zhǔn)算法設(shè)計(jì)，以及收發(fā)器的測(cè)試開(kāi)發(fā)。聯(lián)系方式：jonathan.lanford@analog.comKenny Man的25年職業(yè)生涯涉及高速儀器儀表和無(wú)線基站的系統(tǒng)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)應(yīng)用以及無(wú)線基礎(chǔ)設(shè)施的系統(tǒng)架構(gòu)，曾任職于電信設(shè)備公司和半導(dǎo)體公司。目前的職責(zé)是產(chǎn)品工程，他希望更好地為通信基礎(chǔ)設(shè)施的構(gòu)建模塊做出貢獻(xiàn)。愛(ài)好包括徒步旅行、滑雪和閱讀歷史。聯(lián)系方式：kenny.man@analog.com