WiMax終端收發(fā)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其射頻前端設(shè)計(jì)分析

2001年12月由IEEE頒布的IEEE 802.16標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范了工作在10～66GHz頻段的固定寬帶無(wú)線接入系統(tǒng)的空中接口物理層和MAC層，應(yīng)用于視距（LOS）傳輸。IEEE 802.16a將其拓展到非視距（NLOS）傳輸并分別指定了物理層（PHY）的正交頻分復(fù)用（OFDM）和媒體訪問(wèn)控制層（MAC）的正交頻分多址接入（OFDMA）工作方式，支持語(yǔ)音和視頻等實(shí)時(shí)性業(yè)務(wù)。IEEE 802.16d進(jìn)一步完善了系統(tǒng)性能和簡(jiǎn)化部署等。IEEE 802.16e/Mobile WiMax標(biāo)準(zhǔn)則較前幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的最大區(qū)別在于對(duì)移動(dòng)性的支持，隨著技術(shù)的進(jìn)一步成熟，已經(jīng)得到越來(lái)越廣泛的關(guān)注和應(yīng)用。IEEE 802.16工作組可以看作標(biāo)準(zhǔn)的制定者，而WiMax則是標(biāo)準(zhǔn)的推動(dòng)者。終端設(shè)備作為WiMax應(yīng)用的重要一環(huán)，其射頻前端設(shè)計(jì)也是值得高度重視的部分之一。

一般而言，在現(xiàn)代的射頻系統(tǒng)中，天線接收到的信號(hào)頻率很高而且具有極小的信道帶寬。如果考慮直接濾出所需信道，則濾波器的Q值將非常大，而且高頻電路在增益、精度和穩(wěn)定性等方面的問(wèn)題，在目前的技術(shù)條件下，對(duì)信號(hào)直接在高頻段解調(diào)是不現(xiàn)實(shí)的。使用混頻器將高頻信號(hào)降頻，在一個(gè)中頻頻率進(jìn)行信道濾波、放大和解調(diào)可以解決高頻信號(hào)處理所遇到的上述困難，但是又引入了另一個(gè)嚴(yán)重的問(wèn)題，即鏡像頻率干擾：當(dāng)兩個(gè)信號(hào)的頻率與本振（LO）信號(hào)頻率差在頻率軸上對(duì)稱地位于本振信號(hào)的兩邊，或者說(shuō)它們的絕對(duì)值相等但是符號(hào)相反，那么經(jīng)過(guò)混頻后這兩個(gè)信號(hào)都將被搬移到同一個(gè)中頻頻率。如果其中一個(gè)是有用信號(hào)，另一個(gè)是噪聲信號(hào)，那么噪聲信號(hào)所在的頻率就稱為鏡像頻率，這種經(jīng)過(guò)混頻后的干擾現(xiàn)象通常被稱為鏡頻干擾。為了抑制鏡頻干擾，普遍采用的方法是利用濾波器濾除鏡像頻率成份。但是由于該濾波器工作在高頻頻段，其濾波效果取決于鏡頻頻率與信號(hào)頻率之間的距離，或者說(shuō)取決于中頻頻率的高低。如果中頻頻率高，信號(hào)頻率與鏡像頻率相距較遠(yuǎn)，那么鏡像頻率成份就受到較大的抑制;反之，如果中頻頻率較低，信號(hào)頻率與鏡像頻率相隔不遠(yuǎn)，濾波的效果就較差。但另一方面，由于信道選擇在中頻頻段進(jìn)行，基于同樣的理由，較高的中頻頻率對(duì)信道選擇濾波器的要求也較高。所以，鏡像頻率抑制與信道選擇形成了一對(duì)矛盾，而中頻頻率的選擇成為平衡這對(duì)矛盾的關(guān)鍵。在一些要求較高的應(yīng)用中，常常使用兩次或三次變頻來(lái)取得更好的折衷。

通常而言，由于要濾出一個(gè)具有很高中心頻率和受很大干擾的窄信道要求濾波器具有高的 Q 值。在外差結(jié)構(gòu)中，信號(hào)頻帶被變換到低得多的頻率，從而降低了對(duì)信道選擇濾波器的要求。外差結(jié)構(gòu)可以從鏡像抑制和信道選擇這兩方面進(jìn)行綜合考慮，由于鏡像信號(hào)降低了接收器的靈敏度，那么中頻的選擇要求從靈敏度和選擇性兩個(gè)方面進(jìn)行權(quán)衡。在IEEE802.16e/WiMAX的射頻前端設(shè)計(jì)而言，外差式發(fā)送端較直接變換對(duì)DAC的要求較低，而且鏡像問(wèn)題變得不突出。但是模塊器件數(shù)增加了，這意味著更多的功耗。抑制鏡像信號(hào)的最常用的方法就是利用放在混頻器前面的一個(gè)鏡像抑制濾波器，濾波器設(shè)計(jì)成使它在有用頻帶上有較小的損耗，而鏡像頻帶上則有很大的衰減。外差結(jié)構(gòu)需要鏡像濾波器，但是由于大的頻率分離， 圖像濾波器的設(shè)計(jì)是比較簡(jiǎn)單的。這里還需要注意的是：不同頻率濾波器的可達(dá)性和物理尺寸。

超外差接收機(jī)在抑制鏡像頻率干擾、敏度和選擇性上有較大優(yōu)勢(shì)，而且多級(jí)轉(zhuǎn)換無(wú)直流偏移和信號(hào)泄漏，但是也有成本高、對(duì)IR濾波器有較高要求、需要低噪聲放大器（LNA）和混頻器（Mixer）與50W的良好匹配等缺點(diǎn)。在某些情況下，鏡像頻率抑制濾波器和信道選擇濾波器并不適于單片集成，從而導(dǎo)致前級(jí)（如LNA）的50歐姆阻抗匹配，加重了LNA等模塊增益，穩(wěn)定性，功耗等性能的折衷問(wèn)題。

零中頻（零差，直接下變頻）結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)單性相對(duì)于外差結(jié)構(gòu)有兩個(gè)很重要的優(yōu)點(diǎn)。第一，鏡像問(wèn)題被克服了，因此，不需要鏡像濾波器，所以 LNA 也不需要驅(qū)動(dòng) 50 歐姆的負(fù)載。其次，SAW 濾波器和后續(xù)的下變頻級(jí)可代之以適合單片集成的低通濾波器和基帶放大器。 但是，零中頻結(jié)構(gòu)在信道選擇時(shí)通過(guò)有源低通濾波器抑制信道外的干擾比使用無(wú)源濾波器更加困難，并且產(chǎn)生了直流偏移，IQ失配，偶階失真，閃爍噪聲，LO 泄漏等問(wèn)題。

零中頻結(jié)構(gòu)對(duì)射頻濾波器的要求較為寬松，而且在中頻部分，基帶濾波器一般較帶通濾波器更容易實(shí)現(xiàn)。在此類結(jié)構(gòu)中，MIMO技術(shù)也容易實(shí)現(xiàn)。另外，一般而言，零中頻結(jié)構(gòu)在功耗方面也較為優(yōu)越。但是需要格外注意的是，IQ均衡問(wèn)題，高SNDR的DAC設(shè)計(jì)，直流偏移消除等問(wèn)題，尤其是在接收端方面的直流偏移消除問(wèn)題，需要非常小心的對(duì)待，并且注意通道的均衡，而帶外噪聲的濾出則需要高階濾波器。

相比于零中頻結(jié)構(gòu)，數(shù)字處理可以避免I Q 的失配問(wèn)題。而且數(shù)字中頻結(jié)構(gòu)還具有多種優(yōu)點(diǎn)。在基帶-中頻中的IQ均衡問(wèn)題、直流偏移問(wèn)題容易解決;較低的帶外整形泄露要求和可調(diào)的振幅;而且信號(hào)在基帶-中頻段之后對(duì)帶通濾波器的要求較低，很容易到達(dá)指標(biāo);混頻器的負(fù)載能力和振幅要求對(duì)衰減器要求也不高。但是，數(shù)字中頻接收機(jī)對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）有較高要求，如需要ADC有足夠高的動(dòng)態(tài)范圍，較低的量化噪聲和熱噪聲，好的線性度，足夠大的動(dòng)態(tài)范圍。在一些低速率應(yīng)用中，如IEEE802.15.4中，帶通Σ-Δ ADC（ Band pass Σ-Δ ADC）性能較為適宜，但帶通Σ-Δ ADC卻有有較大的設(shè)計(jì)難度。同時(shí)還意味著對(duì)基帶部分的DSP性能要求更高，例如進(jìn)行窗式濾波等。而且DAC要求也相應(yīng)提高，通常需要10~12比特的分辨率和較高的速率。對(duì)鏡像抑制濾波器的性能也變得苛刻，甚至在某些頻率區(qū)域需要對(duì)RF濾波器補(bǔ)償。所以在WiMax應(yīng)用中，數(shù)字中頻結(jié)構(gòu)很有潛力，但是需要對(duì)設(shè)計(jì)能力進(jìn)行權(quán)衡。

三種接收結(jié)構(gòu)相應(yīng)的WiMax終端收發(fā)系統(tǒng)及其數(shù)字基帶處理部分的模塊數(shù)簡(jiǎn)單對(duì)比如下表所示，這里忽略了一些次要模塊和一些非收發(fā)通路的一些模塊。

這里，空白欄并不完全表示不需要該模塊，而是根據(jù)具體設(shè)計(jì)指標(biāo)確定。另外，在對(duì)于QAM64和QAM16調(diào)制中由相位失衡造成的誤差矢量幅度性能差異比較，數(shù)字中頻結(jié)構(gòu)較其余兩種有微弱優(yōu)勢(shì);在QPSK調(diào)制方式下，數(shù)字中頻結(jié)構(gòu)僅在增益失衡較大時(shí)略有劣勢(shì)?？傮w而言，在WiMax的這三種調(diào)制方式下，三種接收結(jié)構(gòu)中由相位失衡造成的誤差矢量幅度性能差異極小。

給出了幾種WiMax芯片的性能參數(shù)，可以看出在這些芯片中，零中頻結(jié)構(gòu)較為普遍。

這里，空白欄并不完全表示不需要該模塊，而是根據(jù)具體設(shè)計(jì)指標(biāo)確定。另外，在對(duì)于QAM64和QAM16調(diào)制中由相位失衡造成的誤差矢量幅度性能差異比較，數(shù)字中頻結(jié)構(gòu)較其余兩種有微弱優(yōu)勢(shì);在QPSK調(diào)制方式下，數(shù)字中頻結(jié)構(gòu)僅在增益失衡較大時(shí)略有劣勢(shì)?？傮w而言，在WiMax的這三種調(diào)制方式下，三種接收結(jié)構(gòu)中由相位失衡造成的誤差矢量幅度性能差異極?。?］。