还剩2页未读,继续阅读
文本内容:
创新集成收发器简化2G至5G基站接收器设计Jon Lanfordand Kenny ManADI公司基站接收器设计是一项艰巨的任务典型接收器组件包括混频器、低噪声放大器LNA和模数转换器ADC等,这些器件随着时间推移而不断改善但是,架构的改变却不大架构选择的局限性阻碍了基站设计人员向市场推出差异化产品的努力最近的产品开发,特别是集成收发器,显著降低了最具挑战性的基站接收器设计的一些限制此类收发器提供的新基站架构使得基站设计人员能够有更多选择和方法来实现产品差异化本文讨论的集成收发器系列是业界率先支持所有现行蜂窝标准2G至5G并覆盖全部6GHz以下调谐范围的产品利用这些收发器,基站设计人员可以让单一紧凑型无线电设计适合所有频段和功率变化首先来看一些基站类别众所周知的标准组织3Gpp定义了若干基站类别这些基站类别有不同名称宽泛地说,最大的基站或广域基站WA-BS提供最大的地理覆盖范围和用户数量其输出功率也最高,必须提供最佳的接收器灵敏度随着基站逐渐变小,所需的输出功率也减小,接收器灵敏度同时降低表
1.各种基站尺寸非GSM基站GSM基站最大的地理覆盖范围、用户数、功率输宏或广域普通出,并具有最佳灵敏度中等微蜂窝地理覆盖范围较小,用户较少,功耗较局域或小区微微蜂窝低,灵敏度要求放宽此外,3Gpp还定义了不同的调制方案宽泛地说,对调制方案的实用细分是划分为非GSM调制包括LTE和CDMA类型的调制和基于GSM的调制——特别是多载波GSM MC-GSM在这两大类方案中,GSM在射频和模拟性能方面要求最高此外,随着更高吞吐速率的无线电变得越来越普遍,MC-GSM已取代单载波GSM成为标准一般来说,支持MC-GSM性能的基站无线电前端也可以处理非GSM性能支持MC-GSM的运营商在把握市场机会方面拥有更大的灵活性历史上,基站由分立器件组成我们相信今天的集成收发器可以取代很多分立器件,同时提供系统优势但首先,我们需要讨论基站接收器设计的挑战广域或宏基站在历史上一直是无线通信网络的主力,其接收器设计传统上是最具挑战性且最昂贵的它为何如此困难?一句话,灵敏度基站接收器在特定条件下必须达到所需的灵敏度灵敏度是衡量基站接收器解调手机发出的弱信号的能力高低的品质因数通过灵敏度可确定基站能够收到手机信号同时保持连接的最远距离灵敏度可以按两种方式分类1没有任何外部干扰的静态灵敏度;2有干扰的动态灵敏度首先谈谈静态灵敏度在工程术语中,灵敏度由系统噪声系数NF决定噪声系数越低,意味着灵敏度越高通过提高增益以实现所需的系统噪声系数,可实现所需的灵敏度,而增益是由一种称为低噪声放大器LNA的昂贵器件产生增益越大,LNA的成本和功耗越高遗憾的是,动态灵敏度需要权衡动态灵敏度意味着静态灵敏度受到干扰会变差干扰是指接收器上出现的任何不需要的信号,包括来自外界的信号或接收器无意产生的信号,如互调产物在此背景下,线性度描述系统处理干扰的能力在有干扰的情况下,我们费力实现的系统灵敏度会有损失这种权衡会随着增益提高而变得更糟,因为高增益通常伴随着线性度降低换句话说,过大的增益会降低线性度性能,导致强干扰下的灵敏度降低设计无线通信网络时,网络性能的负担是放在基站端,而不是放在手机端WA-BS设计旨在覆盖较大区域并实现出色的灵敏度性能WA-BS必须有最佳静态灵敏度以支持小区边缘的手机,这里的手机信号非常弱另一方面,在有干扰或阻塞的情况下,WA-BS接收器的动态灵敏度仍须很好即使基站附近手机的强信号产生干扰,接收器仍然必须对手机发出的弱信号展现良好的性能以下信号链是简化的基于分立器件的典型系统接收器LNA、混频器和可变增益放大器VGA称为RF前端RF前端设计的噪声系数为
1.8dB,而ADC的噪声系数为29dB;在图1的分析中,RF前端增益在x轴上扫描以显示系统灵敏度DMixer VGAigital SignalProcessingAntennaADC图
1.典型分立接收器信号链示意图现在我们来比较一个简化的收发器接收信号链可以看到,收发器接收信号链的物料清单少于类似的分立器件信号链此外,收发器片内含有两个发射器和两个接收器看似简单的集成隐藏了接收器设计的精致,后者通常可实现12dB的噪声系数图2所示的以下分析说明了系统如何实现高灵敏度图
2.典型收发器/接收器信号链示意图图3显示了上述两种实现方案的RF前端增益与静态灵敏度的关系WA-BS工作在灵敏度几乎要满足最严格要求的区域中相比之下,小型蜂窝工作在灵敏度曲线斜率最陡的区域,同时仍满足标准并有较小裕量对于WA-BS和小型蜂窝,收发器均以小得多的RF前端增益实现所需的灵敏度图
3.分立接收器与收发器/接收器的灵敏度对比动态灵敏度如何呢?在射频前端增益区域,我们会使用收发器设计广域基站,动态灵敏度也比分立解决方案好得多这是因为较低增益的RF前端在给定功耗下通常具有较高的线性度在通常使用高增益的分立解决方案中,线性度常常由RF前端决定在收发器设计中,与分立解决方案相比,干扰导致的灵敏度降幅显著降低值得一提的是,在有过多干扰的情况下,系统会将增益降低到可以容忍干扰的程度,并在干扰降低时增加增益这就是自动增益控制AGC增益减小也会降低灵敏度如果系统能够容忍干扰信号,通常最好保持尽可能高的增益,以使灵敏度最大AGC是未来讨论的主题总之,此类收发器有两个突出特性出色的噪声系数和更高的抗干扰性在信号链中使用收发器,意味着您可以通过小得多的前端增益实现所需的静态灵敏度止匕外,较低的干扰水平意味着您可以实现更好的动态灵敏度如果需要LNA,其成本和功耗也会更低您还可以在系统中的其他地方作出不同的设计权衡,以利用这些特性如今,市场上有可配置的收发器产品,其既适合广域基站设计,也适合小型蜂窝基站设计ADI公司在发展这种新方法方面发挥着领导作用,ADRV9009和ADRV9008产品非常适合广域基站和MC-GSM性能水平此外,AD9371系列提供非GSM CDMA、LTE性能和带宽选项,但更侧重于功耗优化本文远非全面综述灵敏度话题将在后续文章中进行更深入的讨论止匕外,基站接收器设计的其他挑战包括自动增益控制AGC算法、信道估计和均衡算法等我们计划在本文后续写一系列技术文章,目的是简化设计流程并提升大家对接收器系统的理解简介Jon Lanford在ADI公司位于格林斯博罗的收发器产品部担任系统与固件验证经理2003年获北卡罗来纳州立大学电气工程硕士学位之后,便在ADI公司工作其之前的工程岗位包括GSPS流水线ADC设计和校准算法设计,以及收发器的测试开发KennyMan的25年职业生涯涉及高速仪器仪表和无线基站的系统设计、系统应用以及无线基础设施的系统架构,曾任职于电信设备公司和半导体公司目前的职责是产品工程,他希望更好地为通信基础设施的构建模块做出贡献爱好包括徒步旅行、滑雪和阅读历史。