<del id="aymay"></del> 十年來，寬帶無線接入在市場中始終占有一席之地，但是直到802.16d標準成功發布后，它才得以進入大眾市場。英特爾(Intel)公司的基帶收發器芯片有很大的靈活性，足以適用于當前及未來的射頻集成電路(RF IC)架構。隨著802.16d標準的問世，整個產業生態系統的發展勢頭日益強勁，多家廠商能夠生產符合該標準規范的元件，從而支持大規模的部署。802.16d標準的主要挑戰之一是存在過多的選件;通過限制選件數量， WiMAX將可以解決這個問題，從而確保互操作性，這樣射頻(RF)元件及測試設備制造商便能在大規模部署中為其產品找到用武之地。
本文就幾種主要的RF架構展開討論，討論RF系統級上的各種RF設計挑戰，并闡述如何根據這些需求進行電路設計。實際上，WiMAX可滿足包括免授權和需要授權頻段的整個無線市場的需求，這使得RF電路愈加復雜。因此，解決方案也必須具備足夠的靈活性，才能支持全球范圍內的多種RF頻段及不同管制規定。
本文還討論如何在免授權和需要授權頻段上實現時分雙工(TDD)和頻分雙工(FDD)系統的成本與性能最佳平衡。通常，與FDD系統相比，TDD系統具有成本優勢;但需要注意的是，FDD系統運行在面向數據應用的大部分授權頻段上。
背景
隨著RF的需求不斷增加，無線設備的成本也日益提高。為了使WiMAX獲得市場成功，必須實現其成本與性能的完美平衡。成本與性能平衡的兩個極端示例都涉及混合網絡(現已失效)的單輸入單輸出(SISO)系統，這種網絡需要使用視距(LOS)無線設備。LOS無線設備需要經驗豐富的技術人員對設備進行現場部署。然而，由于無線設置結構簡單，所以成本較低。一般來說，SISO無線設備的安裝成本昂貴、可靠性低、鏈路容限通常為145dB。另一方面，Iospan Wireless公司(現已被收購)曾推出具有3x2系統(即三條接收鏈，兩條發射鏈)的多輸入多輸出(MIMO)無線設備，這種無線設備支持適用于多路徑環境的165dB的鏈路容限。憑借這種功能，高昂的現場部署成本得以降低，但是，多個無線設備鏈的成本仍然十分昂貴。盡管如此，隨著射頻集成電路(RF IC)集成設計的不斷改善，成本也將會隨之大大降低。通過采用集成及先進技術增加鏈路容限，WiMAX將能夠以合理的成本獲得可靠的無線系統。
本部分討論與WiMAX無線設備有關的RF架構的折衷與挑戰。這里我們將討論頻分雙工(FDD)及其類似模式、半頻分雙工(HFDD)和時分雙工(TDD)，此外還介紹中頻(IF)、直接變頻或零中頻(ZIF)及各種變體架構。基帶(BB)芯片與無線器件之間的接口必須經過精心設計，這也由此帶來了一些挑戰。改善鏈路容限的方法(即MIMO與波束成形)均可用于WiMAX。此外，支持子通道化模式的OFDMA可以改善效能。我們還將討論由于采用這些方法而引起的RF設計問題。
TDD/FDD及HFDD架構
1、TDD架構
圖1給出了TDD無線通信系統框架。圖中的深色模塊表示無線通信系統中最昂貴的模塊。TDD系統將一個頻帶同時用于發射和接收信號，這只需要無線通信系統采用一個本地振蕩器(LO)。此外，無線通信系統僅要求一個RF濾波器、發射器(TX)與接收器(RX)共用該濾波器。合成器與RF濾波器占了無線通信系統的主要成本。可以選擇在裸片內減少一個合成器，LO(特別是作為諧振結構一部分的電感)占射頻裸片的大部分面積。=
圖1：TDD無線通信系統的結構框圖。
TDD系統中的RF濾波器不需要像FDD系統中那樣嚴格地削弱TX噪聲。由于任何時刻都只有一個器件處于工作狀態，因此TDD模式可以阻止TX噪聲自干擾RX。該模式不受RF濾波器規范的限制，并且只需一個RF濾波器還可節省成本和空間。需要注意的是，為確保發射無線器件不會干擾鄰近的接收無線器件，仍然需要遵守TX噪聲規范。無線器件1的發射噪聲將干擾無線器件2的接收信號，因此，盡管自我干擾規范已愈加簡單，但還需認真考慮配置規范。TDD架構可顯著減少功耗，只需在TX模式下關閉RX即可實現，反之亦然。
然而，TDD系統也存在一些缺點。與FDD系統不同，由于TDD在RX模式下不發射數據，所以數據吞吐量會減少。與FDD系統相比，MAC層級軟件的調度程序往往更復雜，這是因為它需要在TX模式和RX模式下實現多用戶時隙的同步。必須注意的是，當RF濾波規范不十分嚴格時，這意味著用戶站彼此之間需要保留足夠空間以防干擾。實際上，在給定區域內，TDD系統與FDD系統相比需要處理更少的用戶。
TDD系統是可以運行在免授權頻段上的出色系統。與授權頻段相比，免授權頻段上的輸出噪聲規范更加寬松，因此TDD系統可以選用低廉的RF濾波器。由于使用免授權頻段無需任何成本，因此成本最低的TDD架構也日益受到青睞。
2、FDD架構
圖2是FDD無線通信系統的框圖。FDD系統需要采用高性能的RF前端。由于不可能出現自我干擾最差的情況，因此該系統解決了TX噪聲方面的配置問題。FDD系統不必切換RX或TX模式，從而簡化了建立時間規范，使得無線通信系統的設計更簡單。它無需處理時間同步問題，因此MAC軟件也更簡單。
圖2：FDD無線通信系統的結構框圖。
這種無線通信系統必須在不降低接收模式中誤碼率(BER)的情況下傳輸數據。為減輕濾波器的負擔，TX頻帶與RX頻帶之間存在一定的間隙，但載波需要將其降至最小。通常情況下，TX頻帶與RX頻帶的間隙在50MHz到100MHz之間。
我們應指定TX噪聲值比RX輸入噪聲值低10dB，這樣TX噪聲僅可使RX降低0.5dB。但是，該規范通常要求FDD系統采用腔體濾波器或4極陶瓷濾波器。大部分授權頻帶比較靈活，沒有標準的結構，也就是說，可以在不同地理區域內更換TX和RX，這就需要設計幾種不同風格的濾波器，而其中一些并不投入大規模生產。
在FDD系統中，對濾波器的要求如下：
Filter_rej (dB)=Po(dBm/Hz)-Mask (dBc)-[174+NF-cochannel_rej]
例如，在1MHz的信號帶寬中，如果功率輸出Po=-33dBm/Hz，則輸出功率為+27dBm。
TX的Mask值為60dBc，也就是說，TX的熱噪聲基地比Po低60dB。
NF是接收器的噪聲指數，NF=5dB。
CoChannel_rej代表非期望信號比期望信號低多少dB，例如CoChannel_rej=10dB表示非期望信號比期望信號低10dB。
我們可以得到RX頻率上Filter_rej的值等于86dB。如果RX與TX相差100MHz，那么該濾波器則為成本昂貴的腔體濾波器。
電路的全雙工特性需要獨立的TX與RX合成器。諧振電路的電感器將顯著影響RF IC的裸片區設計。該電感器是在合成器中使用的壓控振蕩器(VCO)的一部分，因此這兩部分都將對RF IC的成本產生巨大影響。
最后需要注意的是，FDD系統的功率消耗很大，這也增加了功率系統的成本。因此，FDD并不是構建便攜式或移動無線通信系統的理想平臺。
FDD系統通常部署工作在授權頻帶上，如5.8GHz、3.5GHz、2.5GHz，這些頻譜的成本比較昂貴，導致載波必須能為盡可能多的用戶提供服務。因此，鏈路容量必須優化，以構建適合于載波的FDD架構。顯然，最理想的情況是基站采用FDD系統，但從減少成本的角度考慮，用戶站應該采用HFDD結構。
3.HFDD架構
圖3給出了HFDD無線通信系統的結構框圖。HFDD架構融合了TDD系統的優勢，同時還支持頻率的雙工方式。基站可在FDD系統下工作，并保留了容量優勢，能顯著降低用戶站中無線設置的成本。
圖3：HFDD無線通信系統的結構框圖。
成本的降低是通過減輕RF TX濾波器的負擔來實現的，這是因為在RF IC縮小的裸片區內有一個合成器。與TDD系統相同，該系統可節省功率。同樣，也必須謹慎處理配置問題。與TDD不同，自我干擾并不是HFDD系統的主要問題，但TX濾波器的負載過少可能導致用戶間的相互干擾。由于無線設備不能同時發射和接收，因此用戶站也存在容量損失的情況。
HFDD結構在授權頻段和免授權頻段中均可使用。發射與接收頻率可以相同(如TDD系統)，也可以存在頻段間隙(如FDD系統)。這類無線通信系統非常靈活，成本結構接近于TDD無線通信系統。
Intel的基帶芯片支持TDD與HFDD模式，這樣大多數用戶站都可從中獲益。在典型的部署中，基站與用戶站的無線電器件比率為1:100，因為基站的數量比較少。請注意，物理層與MAC層并不一定要設計成定制芯片，采用FPGA可能更具有成本效益。也可以在基站中同時采用兩個基帶芯片，以持FDD系統。
下面將討論各種射頻架構，包括基于IF和I/Q的架構，以及以這些架構為基礎的一些變體架構。無線電器件與基帶芯片之間還預留了一些接口。
RF接口
基帶芯片對模擬信號進行數字化處理并完成信號處理過程。PHY層芯片包含濾波、自動增益控制(AGC)、數據調諧、安全以及幀化數據的多個模塊。功率測量算法，如AGC和RF參數選項可由較低級別的MAC進行管理。可以看到，AGC等一些公共參數在PHY、MAC及無線電器件之間共享。
需要由基帶IC控制的射頻模塊包括AGC、頻率選擇、TX/RX數據鏈的序列化、發射功率監控以及校準函數(如I/Q不均衡)。其中，每一個模塊均與PHY和/或較低級別的MAC緊密結合。一種與無線電器件進行通訊的有效方法是通過串行外設接口(SPI)，它可以將RF IC上的引腳數量降至最低。
通常，SPI用于控制合成器。為了使接口更有效地得到利用，以便控制RF IC的數字AGC，并協助完成功率和溫度測量，SPI必須是一個對時間有嚴格要求的專用元件。這樣，SPI便能以一種及時可預測的方式對AGC、測量以及頻率指令做出響應。但需要注意的是，SPI上的流量可能會干擾輸入信號并影響發射信號。因此，所有SPI通信應當僅在發射與接收的時隙中進行。其它接口模塊為通用輸入/輸出(GPIO)、脈寬調制(PWM)、數模轉換C以及ADC。
AGC可劃分為RX AGC和TX AGC。在RX AGC中，響應頻率較大才能適應移動環境下變化的RF信道(以微秒計算)。在固定無線應用中，信道變化以毫秒為單位計算。TX AGC在穩定狀態下相對較慢。但當TX啟動后，AGC需要在微秒級時間幀內達到適當的功率水平。通常，AGC通過由單比特數模轉換器(如Σ-Δ轉換器)控制。這些方法都具有需要濾除的時鐘噪聲。對RF AGC變化較大的部分，最好的辦法是濾除時鐘噪聲，以免干擾信號。但濾除時鐘噪聲會導致延遲，從而降低AGC的響應速度，因此提高AGC的響應速度可以采用多位數模轉換C。
RF選擇通過SPI來完成。對HFDD系統而言，從TX轉換至RX頻率需要一定的建立時間，加載SPI是在該時間內應完成的一部分操作。
監控無線電器件的溫度是一個緩慢的過程，并且TX或RX的功率測量都需要與TX/RX時隙保持同步。與無線電器件的接口連接必須考慮無線電器件的順序，例如，對發射器來說，我們需要轉換天線、啟用TX和加載頻率、改變TX增益、啟動PA，最后再進行調制。
噪聲和線性特性這兩項基本參數是射頻電路的關鍵。設計的目標是在存在非期望信號的情況下，獲得盡可能大的動態范圍，這需要通過TX或RX鏈對增益和濾波進行分配。許多架構設計人員也在努力解決這種增益和濾波問題。在后面我們將討論前面提到的一些無線架構。
