WiMAX射频系统和电路设计的挑战分析及解决方法

十年来，宽带无线接入在市场中始终占有一席之地，但是直到802.16d标准成功发布后，它才得以进入大众市场。英特尔(Intel)公司的基带收发器芯片有很大的灵活性，足以适用于当前及未来的射频集成电路(RF IC)架构。随着802.16d标准的问世，整个产业生态系统的发展势头日益强劲，多家厂商能够生产符合该标准规范的元件，从而支持大规模的部署。802.16d标准的主要挑战之一是存在过多的选件；通过限制选件数量， WiMAX将可以解决这个问题，从而确保互操作性，这样射频(RF)元件及测试设备制造商便能在大规模部署中为其产品找到用武之地。

本文就几种主要的RF架构展开讨论，讨论RF系统级上的各种RF设计挑战，并阐述如何根据这些需求进行电路设计。实际上，WiMAX可满足包括免授权和需要授权频段的整个无线市场的需求，这使得RF电路愈加复杂。因此，解决方案也必须具备足够的灵活性，才能支持全球范围内的多种RF频段及不同管制规定。

本文还讨论如何在免授权和需要授权频段上实现时分双工(TDD)和频分双工(FDD)系统的成本与性能最佳平衡。通常，与FDD系统相比，TDD系统具有成本优势；但需要注意的是，FDD系统运行在面向数据应用的大部分授权频段上。

背景

随着RF的需求不断增加，无线设备的成本也日益提高。为了使WiMAX获得市场成功，必须实现其成本与性能的完美平衡。成本与性能平衡的两个极端示例都涉及混合网络(现已失效)的单输入单输出(SISO)系统，这种网络需要使用视距(LOS)无线设备。LOS无线设备需要经验丰富的技术人员对设备进行现场部署。然而，由于无线设置结构简单，所以成本较低。一般来说，SISO无线设备的安装成本昂贵、可靠性低、链路容限通常为145dB。另一方面，Iospan Wireless公司(现已被收购)曾推出具有3x2系统(即三条接收链，两条发射链)的多输入多输出(MIMO)无线设备，这种无线设备支持适用于多路径环境的165dB的链路容限。凭借这种功能，高昂的现场部署成本得以降低，但是，多个无线设备链的成本仍然十分昂贵。尽管如此，随着射频集成电路(RF IC)集成设计的不断改善，成本也将会随之大大降低。通过采用集成及先进技术增加链路容限，WiMAX将能够以合理的成本获得可靠的无线系统。

本部分讨论与WiMAX无线设备有关的RF架构的折衷与挑战。这里我们将讨论频分双工(FDD)及其类似模式、半频分双工(HFDD)和时分双工(TDD)，此外还介绍中频(IF)、直接变频或零中频(ZIF)及各种变体架构。基带(BB)芯片与无线器件之间的接口必须经过精心设计，这也由此带来了一些挑战。改善链路容限的方法(即MIMO与波束成形)均可用于WiMAX。此外，支持子通道化模式的OFDMA可以改善效能。我们还将讨论由于采用这些方法而引起的RF设计问题。

TDD/FDD及HFDD架构

1、TDD架构

图1给出了TDD无线通信系统框架。图中的深色模块表示无线通信系统中最昂贵的模块。TDD系统将一个频带同时用于发射和接收信号，这只需要无线通信系统采用一个本地振荡器(LO)。此外，无线通信系统仅要求一个RF滤波器、发射器(TX)与接收器(RX)共用该滤波器。合成器与RF滤波器占了无线通信系统的主要成本。可以选择在裸片内减少一个合成器，LO(特别是作为谐振结构一部分的电感)占射频裸片的大部分面积。

图1：TDD无线通信系统的结构框图。

TDD系统中的RF滤波器不需要像FDD系统中那样严格地削弱TX噪声。由于任何时刻都只有一个器件处于工作状态，因此TDD模式可以阻止TX噪声自干扰RX。该模式不受RF滤波器规范的限制，并且只需一个RF滤波器还可节省成本和空间。需要注意的是，为确保发射无线器件不会干扰邻近的接收无线器件，仍然需要遵守TX噪声规范。无线器件1的发射噪声将干扰无线器件2的接收信号，因此，尽管自我干扰规范已愈加简单，但还需认真考虑配置规范。TDD架构可显著减少功耗，只需在TX模式下关闭RX即可实现，反之亦然。

然而，TDD系统也存在一些缺点。与FDD系统不同，由于TDD在RX模式下不发射数据，所以数据吞吐量会减少。与FDD系统相比，MAC层级软件的调度程序往往更复杂，这是因为它需要在TX模式和RX模式下实现多用户时隙的同步。必须注意的是，当RF滤波规范不十分严格时，这意味着用户站彼此之间需要保留足够空间以防干扰。实际上，在给定区域内，TDD系统与FDD系统相比需要处理更少的用户。

TDD系统是可以运行在免授权频段上的出色系统。与授权频段相比，免授权频段上的输出噪声规范更加宽松，因此TDD系统可以选用低廉的RF滤波器。由于使用免授权频段无需任何成本，因此成本最低的TDD架构也日益受到青睐。

2、FDD架构

图2是FDD无线通信系统的框图。FDD系统需要采用高性能的RF前端。由于不可能出现自我干扰最差的情况，因此该系统解决了TX噪声方面的配置问题。FDD系统不必切换RX或TX模式，从而简化了建立时间规范，使得无线通信系统的设计更简单。它无需处理时间同步问题，因此MAC软件也更简单。

图2：FDD无线通信系统的结构框图。

这种无线通信系统必须在不降低接收模式中误码率(BER)的情况下传输数据。为减轻滤波器的负担，TX频带与RX频带之间存在一定的间隙，但载波需要将其降至最小。通常情况下，TX频带与RX频带的间隙在50MHz到100MHz之间。

我们应指定TX噪声值比RX输入噪声值低10dB，这样TX噪声仅可使RX降低0.5dB。但是，该规范通常要求FDD系统采用腔体滤波器或4极陶瓷滤波器。大部分授权频带比较灵活，没有标准的结构，也就是说，可以在不同地理区域内更换TX和RX，这就需要设计几种不同风格的滤波器，而其中一些并不投入大规模生产。

在FDD系统中，对滤波器的要求如下：

Filter_rej (dB)=Po(dBm/Hz)-Mask (dBc)-[174+NF-cochannel_rej]

例如，在1MHz的信号带宽中，如果功率输出Po=-33dBm/Hz，则输出功率为+27dBm。

TX的Mask值为60dBc，也就是说，TX的热噪声基地比Po低60dB。

NF是接收器的噪声指数，NF＝5dB。

CoChannel_rej代表非期望信号比期望信号低多少dB，例如CoChannel_rej=10dB表示非期望信号比期望信号低10dB。

我们可以得到RX频率上Filter_rej的值等于86dB。如果RX与TX相差100MHz，那么该滤波器则为成本昂贵的腔体滤波器。

电路的全双工特性需要独立的TX与RX合成器。谐振电路的电感器将显著影响RF IC的裸片区设计。该电感器是在合成器中使用的压控振荡器(VCO)的一部分，因此这两部分都将对RF IC的成本产生巨大影响。

最后需要注意的是，FDD系统的功率消耗很大，这也增加了功率系统的成本。因此，FDD并不是构建便携式或移动无线通信系统的理想平台。

FDD系统通常部署工作在授权频带上，如5.8GHz、3.5GHz、2.5GHz，这些频谱的成本比较昂贵，导致载波必须能为尽可能多的用户提供服务。因此，链路容量必须优化，以构建适合于载波的FDD架构。显然，最理想的情况是基站采用FDD系统，但从减少成本的角度考虑，用户站应该采用HFDD结构。

3．HFDD架构

图3给出了HFDD无线通信系统的结构框图。HFDD架构融合了TDD系统的优势，同时还支持频率的双工方式。基站可在FDD系统下工作，并保留了容量优势，能显著降低用户站中无线设置的成本。

图3：HFDD无线通信系统的结构框图。

成本的降低是通过减轻RF TX滤波器的负担来实现的，这是因为在RF IC缩小的裸片区内有一个合成器。与TDD系统相同，该系统可节省功率。同样，也必须谨慎处理配置问题。与TDD不同，自我干扰并不是HFDD系统的主要问题，但TX滤波器的负载过少可能导致用户间的相互干扰。由于无线设备不能同时发射和接收，因此用户站也存在容量损失的情况。

HFDD结构在授权频段和免授权频段中均可使用。发射与接收频率可以相同(如TDD系统)，也可以存在频段间隙(如FDD系统)。这类无线通信系统非常灵活，成本结构接近于TDD无线通信系统。

Intel的基带芯片支持TDD与HFDD模式，这样大多数用户站都可从中获益。在典型的部署中，基站与用户站的无线电器件比率为1:100，因为基站的数量比较少。请注意，物理层与MAC层并不一定要设计成定制芯片，采用FPGA可能更具有成本效益。也可以在基站中同时采用两个基带芯片，以持FDD系统。

下面将讨论各种射频架构，包括基于IF和I/Q的架构，以及以这些架构为基础的一些变体架构。无线电器件与基带芯片之间还预留了一些接口。