固定以及移动WiMAX系统对无线射频子系统的设计要求

解决固定WiMAX设计的挑战

如图1所示，SiGe半导体公司的2.5和3.5GHz射频解决方案是固定WiMAX工作模式的理想选择。这是一种两片超外差射频(superheterodyne)芯片的解决方案，其中一片超外差芯片具有两个频率转换和外部中频 (IF)滤波功能。这种架构提供了可能是最好的RF性能，代价则是尺寸较大(由于需要外部滤波器)，故成本也稍为高一点。

SE7251L和SE7351这两款RF IC都是低噪声高线性度的前端收发器，分别支持2.3至2.7GHz和3.3至3.8GHz 的频带范围。其接收器提供从RF到200至600MHz中频的低噪降频功能，在降频之前可提供40dB的增益控制来优化噪声和线性度。这一增益控制在可变增益LNA与3位数字衰减器之间以4dB步进被划分开。LNA和混频器之间的片外滤波器可作图像抑制之用。IF输出具有片外匹配网络，可供灵活的频率规划和声表面波 (SAW)滤波器选择。发射器从200至600MHz的IF升频到RF。升频混频器输出信号被输出到片外，从而在最终的放大之前进行图像频带和LO抑制。发射衰减器具有一个5dB分辨率的3位数字接口，总范围为25dB。

SE7051L IF收发器是高集成度的低噪高线性度收发器，包含有RF(2850至3250MHz)和IF(200至600MHz)合成器，常用于2.5和3.5GHz设计中。

其接收器把200至600MHz频率的信号降频转换为基带IQ输出或IF输出。这种高线性度输出为ADC接口提供了出色的互调性能和驱动能力。此外，它还具有高速数字VGA，可提供1dB分辨率的50dB增益控制范围。在发射方面，基带IQ输入信号升频转换到200与600MHz间的IF输出频率。此外，发射器可以配置成能够进行IF 输入信号的单边带(sideband)升频转换。

发射器的总增益控制范围为68dB，分辨率为1dB，分布在调制器和VGA之间。VGA具有50dB范围；而调制器则提供了18dB的范围，分辨率很低(6dB)。该可变增益调制器能够接收范围很广的输入电压，故基带 DAC 的选择相当灵活。双合成器提供极低的相位噪声本振(LO)，适合于高阶数字射频调制。

如上所述，超外差射频可以提供卓越的RF性能。接收器带有外接SAW滤波器，具有出色的邻信道抑制 (adjacent channel rejection)性能，可满足阻断要求。对发射器来说，SAW滤波器使得发射频带非常干净，DAC图像及其它杂散信号被完全过滤掉。不过，这种性能是有代价的。首先，SAW滤波器具有固定的带宽。因此难以实时改变信道带宽 (不同滤波器必须被转换到不同信道带宽路径)。但对于固定WiMAX而言，由于固定WiMAX对移动性几乎没有什么要求，用户不会在基站之间漫游，而带宽通常在部署时就被固定下来，所以这一点不是太重要。另一个考虑则是SAW滤波器的尺寸相当大，可能导致通带纹波，不过正确的RF设计是可以缓解这一问题的。

SE7051具有完全集成的合成器，可用在大多数应用中，能够产生IF和RF LO信号。想获得极高的性能，可以选用一个外部压控振荡器(VCO)，如图1所示。一般来说，采用外部 VCO可使调谐范围更广，而且由于其相位噪声较低，故能够把EVM提高1dB左右。

虽然图1并没有显示，但 VCTCXO是最常用作为参考频率的。AFC在基带收发器的模拟控制下进行。要满足固定WiMAX的规范，需要一个调谐大于±10ppm的VCTCXO。作为整个射频的主频参考，其相位噪声对总体性能也有着至关重要的影响。所有应用都需要VCTCXO，除非是由基带芯片组来实现数字AFC。

SiGe半导体的射频解决方案支持时分双工(TDD)和半频分双工(HFDD)工作模式。在HFDD模式下，专用的频率控制寄存器与Tx启动引脚连接在一起。其中一个寄存器在TxEN为高电平时使用；另一个则在TxEN为低时使用，这样，频率改变时不用写入串行接口，因此串行接口的流量被减至最小。对HFDD工作模式，OFDM 标准要求Rx与Tx之间的转换时间为100μs，SE7051L轻而易举就可以满足这项要求了。

最后一个需要讨论的问题是基带接口。SE7051L允许使用IF或IQ(零IF)模拟接口来支持多个基带产品。许多基带芯片组都使用一个IQ接口，因为它可以简化基带设计。

不过，使用IQ接口有一个重大的RF缺陷，那就是IQ平衡。I和Q信号路径之间的任何幅值或相位失衡都会产生IQ图像。这种图像将直接叠加在有用信号上，降低了EVM性能(对接收和发射链路皆然)。IQ失衡发生在IQ 调制器或解调器中，甚至可能发生在基带与 RF收发器之间的互连中。由于这种失衡与温度有关，IQ接口极可能需要校准，以确保不同工艺和温度上的EVM都良好。

相反地，基于IF的接口就不存在这种问题，所以是超外差射频的首选。使用IF接口时，图像落在带外，并可被SAW滤波器过滤掉。

移动WiMAX

概述

移动WiMAX基于802.16e标准，主要面向下一代宽带网。虽然移动WiMAX还是一个处于发展中的标准，但WiMAX Forum已经顺利地定义了将要实施的主要功能，而且在系统文档对所有这些功能作了描述。该系统文档采纳了802.16e标准中的许多选项功能，并定义了哪些功能将被实施。例如，下面的表4就显示了已经定义的各种频带类型(band class)。

表4：系统文档中定义的频带类型，第1类频带包括WiBRO(标为红色)，而第3类频带将在美国使用(标为蓝色)。

移动WiMAX标准中有许多明显不同于固定WiMAX的地方。表5所示为针对移动WiMAX定义的各种信道带宽的基本技术参数；读者可与表2中的固定WiMAX的基本技术参数作比较。其中一个显着的差别是：采用移动 WiMAX时，快速傅立叶变换采样数(FFT size)随带宽成比例伸缩(因此移动WiMAX有时也称为可伸缩OFDM)。由于具有这种伸缩性，对移动WiMAX来说，副载波间隔及符号时间几乎不依赖于信道带宽；但对固定WiMAX来说，则随信道带宽的变化很显着。

表5：移动WiMAX的基本技术参数

二者最显着的差别是接入技术本身。固定WiMAX基于OFDM；而移动WiMAX则基于OFDMA，,后者给每个用户都分配了一个收发时间片。例如，一个固定WiMAX传输通常要占用所有可用的副载波。在移动WiMAX中，一个用户一般只用到可用副载波的一个子集，而且是在一个预先指定的时间使用这些副载波。OFDMA允许灵活地分配资源，从而优化对可用带宽的利用。