WiMAX系统对无线射频子系统的设计要求

随着服务供应商和基础架构设备制造商近来公布多项先进无线服务及设备合同签订的消息，WiMAX正大受市场注目。不过，要成功推出一项服务，需要三个必备要求：(1)服务供应商的投资；(2)基础架构设备的开发；(3)价廉的客户驻地设备(customer premise equipment) 和/或移动设备。本文将探讨能够满足固定和移动WiMAX 要求的较低成本设备的设计，重点放在无线射频(RF)子系统的实现上。

尽管有些人可能会把WiFi和WiMAX加以比较，因为二者都是基于OFDM的标准；但从射频角度来看，WiMAX 的实现要困难得多。表1对802.11以及802.16的两个变体作出了高层次的比较。

固定WiMAX

概述

固定WiMAX标准(常常被误称为802.16d)基于正交频分复用(OFDM)技术，使用256个副载波。该标准支持1.75到28MHz范围内的多个信道带宽。由于副载波的数量是固定的、而信道带宽是可变的，故副载波的间距会因信道带宽的不同而变化。该标准支持大量不同的循环前缀(符号时间的1/32到1/4)。表2列出了256点OFDM的相关技术参数，由表中可以看出副载波间距范围为7.8kHz到125kHz之间，符号时间的变化范围则为8.25us到160us。该标准支持多种不同的调制方案，包括BPSK、QPSK、16QAM和6?QAM。在实际推行上，所采用的调制方案乃根据测得的信道载干比/载噪比(CINR)来选择的。较高级的调制方案，比如6?QAM，需要更好的CINR来使比特误码率(bit error rate, BER)处于可接受的范围内。

 

图1：SiGe 2.5和3.5GHz射频

表2： OFDM-PHY基本技术参数

固定WiMAX的设计挑战

多项技术参数导致射频及参考设计充满挑战性，其中最困难的一项可能是发射误差向量幅值(EVM)。从表3可见，所需的发射EVM是调制的一个函数(在表中，调制类型后的分数后缀表示所用卷积编码中的凿孔程度)。在802.16标准的发展过程中，Tx EVM的获得使发射SNR较在10e-6 BER所需的接收SNR理论值低10dB，有效地消除了总体链路预算中的发射损伤。

 

表3： 发射EVM对OFDM的要求

为了满足6?QAM工作模式的要求，需要-30dB的EVM，而且必须关注发射链路的各个环节。虽然一般来说，功率放大器耗费了总体EVM 预算的大部分，但其它损伤，例如相位噪声、IQ失衡(对IQ射频而言)，以及混频器和功放(PA)驱动器线性度也都变得十分重要。举例来说，-35dB的集成相位噪声(相当于非常可观的1度相位噪声)，加上-40dB的PA驱动器线性度和IQ调制器中的1度相位平衡(也极为可观)，将导致-32.9dB的总叠加EVM。再计量该PA的影响，可以看出现在PA的EVM必须较-33.1dB更好，才可满足-30dB的要求(见表1)。

表1：WiMAX 和 WiFi技术参数对比:

满足这些EVM要求的方法之一，是增大收发器和功率放大器的耗电量。正如大多数RF 性能问题一样，增加电流常常能够解决某项问题，但随之而来的代价是电池寿命将会缩短，而材料清单则增多。

另一个EVM问题，是OFDM具有相当高的峰均功率比(peak-to-average power ratio, PAPR)，这对功率放大器的设计有重大影响。256点OFDM的PAPR大约为10dB，故功率放大器必需定制至能够处理高于平均发射功率10dB的峰值功率。请注意，PAPR与是独立于所用的调制方法，不论是采用BPSK或6?QAM方式发射，PAPR都是一样的。PAPR的主要影响在于PA效率，亦即影响总体功耗和电池寿命。

具有阻断器的射频器件的性能是影响设计的又一项问题。根据目前的标准要求，具有"有用信号"(desired signal) 以上4dB邻信道阻断器的接收器，必须能够以灵敏度限值以上3dB的级别来解调6?QAM信号。对非邻信道(邻信道以外的任何信道)，接收器的阻断器容限必须在有用信号电平以上11dB。

此外，使参考设计变得复杂的另一个问题是对频率精度和稳定性的要求。OFDM标准要求用户站 (subscriber station)的RF调谐精度必须达到副载波间距的2%。1.75MHz信道副载波间距最小，为7.8kHz。2%的精度要求意味着用户站必须能够达到156Hz的调谐精度。假如射频的工作频率为3.6GHz，就表示它必须能够调谐到0.04ppm。此外，基站的绝对频率精度规定为+/-8ppm。因此，RF收发器必须在很大的频率范围上进行调谐，并具有极好的分辨率。大多数情况下，用户站的频率控制通过电压控制、温度补偿、晶振(VCTCXO)来实现。除了满足调谐和分辨率要求之外，VCTCXO的相位噪声也很重要，因为它是整个射频的主要参考时钟，并可能对总体相位噪声产生重大影响。要满足这些要求，必需谨慎选择VCTCXO。

固定WiMAX要求支持时分双工(TDD)和半频分双工(HFDD)模式。在TDD工作模式下，发射器和接收器使用相同的RF频率，但发送和接收在不同时间进行。由于频率合成器不需要改变发射和接收突发信号间的信道，加上接收和发射并非同时进行，射频的设计比较容易，因此射频设计的成本也得以降低。HFDD类似于TDD，只是在HFDD模式中，接收器和发射器频率不同，但发射器和接收器永远不会同时工作。HFDD同样能降低射频的设计成本。虽然固定WiMAX中允许完全FDD的工作模式，但一般都不会这么做，因为发射器和接收器在不同的频率下同时工作，将会大大增加射频设计的复杂性。