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固定以及移动WiMAX系统对无线射频子系统的设计要求
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。