基于OFDM標準的WiFi和WiMAX簡析

隨著服務供應商和基礎架構設備制造商近來公布多項先進無線服務及設備合同簽訂的消息，WiMAX正大受市場注目。不過，要成功推出一項服務，需要三個必備要求：（1）服務供應商的投資；（2）基礎架構設備的開發(fā)；（3）價廉的客戶駐地設備（customer premise equipment） 和/或移動設備。本文將探討能夠滿足固定和移動WiMAX 要求的較低成本設備的設計，重點放在無線射頻（RF）子系統(tǒng)的實現(xiàn)上。

盡管有些人可能會把WiFi和WiMAX加以比較，因為二者都是基于OFDM的標準；但從射頻角度來看，WiMAX 的實現(xiàn)要困難得多。表1對802.11以及802.16的兩個變體作出了高層次的比較。

固定WiMAX概述

固定WiMAX標準（常常被誤稱為802.16d）基于正交頻分復用（OFDM）技術，使用256個副載波。該標準支持1.75到28MHz范圍內的多個信道帶寬。由于副載波的數(shù)量是固定的、而信道帶寬是可變的，故副載波的間距會因信道帶寬的不同而變化。該標準支持大量不同的循環(huán)前綴（符號時間的1/32到1/4）。256點OFDM的副載波間距范圍為7.8kHz到125kHz之間，符號時間的變化范圍則為8.25us到160us。該標準支持多種不同的調制方案，包括BPSK、QPSK、16QAM和64QAM。在實際推行上，所采用的調制方案乃根據(jù)測得的信道載干比/載噪比（CINR）來選擇的。較高級的調制方案，比如64QAM，需要更好的CINR來使比特誤碼率（bit error rate， BER）處于可接受的范圍內。

圖1：SiGe 2.5和3.5GHz射頻

固定WiMAX的設計挑戰(zhàn)

多項技術參數(shù)導致射頻及參考設計充滿挑戰(zhàn)性，其中最困難的一項可能是發(fā)射誤差向量幅值（EVM）。所需的發(fā)射EVM是調制的一個函數(shù)。在802.16標準的發(fā)展過程中，Tx EVM的獲得使發(fā)射SNR較在10e-6 BER所需的接收SNR理論值低10dB，有效地消除了總體鏈路預算中的發(fā)射損傷。

為了滿足64QAM工作模式的要求，需要-30dB的EVM，而且必須關注發(fā)射鏈路的各個環(huán)節(jié)。雖然一般來說，功率放大器耗費了總體EVM 預算的大部分，但其它損傷，例如相位噪聲、IQ失衡（對IQ射頻而言），以及混頻器和功放（PA）驅動器線性度也都變得十分重要。舉例來說，-35dB的集成相位噪聲（相當于非常可觀的1度相位噪聲），加上-40dB的PA驅動器線性度和IQ調制器中的1度相位平衡（也極為可觀），將導致-32.9dB的總疊加EVM。再計量該PA的影響，可以看出現(xiàn)在PA的EVM必須較-33.1dB更好，才可滿足-30dB的要求。

滿足這些EVM要求的方法之一，是增大收發(fā)器和功率放大器的耗電量。正如大多數(shù)RF 性能問題一樣，增加電流常常能夠解決某項問題，但隨之而來的代價是電池壽命將會縮短，而材料清單則增多。

另一個EVM問題，是OFDM具有相當高的峰均功率比（peak-to-average power ratio， PAPR），這對功率放大器的設計有重大影響。256點OFDM的PAPR大約為10dB，故功率放大器必需定制至能夠處理高于平均發(fā)射功率10dB的峰值功率。請注意，PAPR與是獨立于所用的調制方法，不論是采用BPSK或64QAM方式發(fā)射，PAPR都是一樣的。PAPR的主要影響在于PA效率，亦即影響總體功耗和電池壽命。

具有阻斷器的射頻器件的性能是影響設計的又一項問題。根據(jù)目前的標準要求，具有“有用信號”（desired signal）以上4dB鄰信道阻斷器的接收器，必須能夠以靈敏度限值以上3dB的級別來解調64QAM信號。對非鄰信道（鄰信道以外的任何信道），接收器的阻斷器容限必須在有用信號電平以上11dB。

此外，使參考設計變得復雜的另一個問題是對頻率精度和穩(wěn)定性的要求。OFDM標準要求用戶站 （subscriber station）的RF調諧精度必須達到副載波間距的2%。1.75MHz信道副載波間距最小，為7.8kHz。2%的精度要求意味著用戶站必須能夠達到156Hz的調諧精度。假如射頻的工作頻率為3.6GHz，就表示它必須能夠調諧到0.04ppm。此外，基站的絕對頻率精度規(guī)定為+/-8ppm。因此，RF收發(fā)器必須在很大的頻率范圍上進行調諧，并具有極好的分辨率。大多數(shù)情況下，用戶站的頻率控制通過電壓控制、溫度補償、晶振（VCTCXO）來實現(xiàn)。除了滿足調諧和分辨率要求之外，VCTCXO的相位噪聲也很重要，因為它是整個射頻的主要參考時鐘，并可能對總體相位噪聲產(chǎn)生重大影響。要滿足這些要求，必需謹慎選擇VCTCXO。

固定WiMAX要求支持時分雙工（TDD）和半頻分雙工（HFDD）模式。在TDD工作模式下，發(fā)射器和接收器使用相同的RF頻率，但發(fā)送和接收在不同時間進行。由于頻率合成器不需要改變發(fā)射和接收突發(fā)信號間的信道，加上接收和發(fā)射并非同時進行，射頻的設計比較容易，因此射頻設計的成本也得以降低。HFDD類似于TDD，只是在HFDD模式中，接收器和發(fā)射器頻率不同，但發(fā)射器和接收器永遠不會同時工作。HFDD同樣能降低射頻的設計成本。雖然固定WiMAX中允許完全FDD的工作模式，但一般都不會這么做，因為發(fā)射器和接收器在不同的頻率下同時工作，將會大大增加射頻設計的復雜性。