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創(chuàng)新集成收發(fā)器簡化2G至5G基站接收器設(shè)計

發(fā)布時間:2021-05-07 來源:Jon Lanford and Kenny Man 責任編輯:wenwei

【導讀】基站接收器設(shè)計是一項艱巨的任務(wù)。典型接收器組件包括混頻器、低噪聲放大器(LNA)和模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)等,這些器件隨著時間推移而不斷改善。但是,架構(gòu)的改變卻不大。架構(gòu)選擇的局限性阻礙了基站設(shè)計人員向市場推出差異化產(chǎn)品的努力。最近的產(chǎn)品開發(fā),特別是集成收發(fā)器,顯著降低了最具挑戰(zhàn)性的基站接收器設(shè)計的一些限制。此類收發(fā)器提供的新基站架構(gòu)使得基站設(shè)計人員能夠有更多選擇和方法來實現(xiàn)產(chǎn)品差異化。
 
本文討論的集成收發(fā)器系列是業(yè)界率先支持所有現(xiàn)行蜂窩標準(2G至5G)并覆蓋全部6 GHz以下調(diào)諧范圍的產(chǎn)品。利用這些收發(fā)器,基站設(shè)計人員可以讓單一緊湊型無線電設(shè)計適合所有頻段和功率變化。
 
首先來看一些基站類別。眾所周知的標準組織3GPP定義了若干基站類別。這些基站類別有不同名稱。寬泛地說,最大的基站或廣域基站(WA-BS)提供最大的地理覆蓋范圍和用戶數(shù)量。其輸出功率也最高,必須提供最佳的接收器靈敏度。隨著基站逐漸變小,所需的輸出功率也減小,接收器靈敏度同時降低。
 
表1.各種基站尺寸
創(chuàng)新集成收發(fā)器簡化2G至5G基站接收器設(shè)計
 
此外,3GPP還定義了不同的調(diào)制方案。寬泛地說,對調(diào)制方案的實用細分是劃分為非GSM調(diào)制(包括LTE和CDMA類型的調(diào)制)和基于GSM的調(diào)制——特別是多載波GSM (MC-GSM)。在這兩大類方案中,GSM在射頻和模擬性能方面要求最高。此外,隨著更高吞吐速率的無線電變得越來越普遍,MC-GSM已取代單載波GSM成為標準。一般來說,支持MC-GSM性能的基站無線電前端也可以處理非GSM性能。支持MC-GSM的運營商在把握市場機會方面擁有更大的靈活性。
 
歷史上,基站由分立器件組成。我們相信今天的集成收發(fā)器可以取代很多分立器件,同時提供系統(tǒng)優(yōu)勢。但首先,我們需要討論基站接收器設(shè)計的挑戰(zhàn)。
 
廣域或宏基站在歷史上一直是無線通信網(wǎng)絡(luò)的主力,其接收器設(shè)計傳統(tǒng)上是最具挑戰(zhàn)性且最昂貴的。它為何如此困難?一句話,靈敏度。
 
基站接收器在特定條件下必須達到所需的靈敏度。靈敏度是衡量基站接收器解調(diào)手機發(fā)出的弱信號的能力高低的品質(zhì)因數(shù)。通過靈敏度可確定基站能夠收到手機信號同時保持連接的最遠距離。靈敏度可以按兩種方式分類:1) 沒有任何外部干擾的靜態(tài)靈敏度;2) 有干擾的動態(tài)靈敏度。
 
首先談?wù)勳o態(tài)靈敏度。在工程術(shù)語中,靈敏度由系統(tǒng)噪聲系數(shù)(NF)決定。噪聲系數(shù)越低,意味著靈敏度越高。通過提高增益以實現(xiàn)所需的系統(tǒng)噪聲系數(shù),可實現(xiàn)所需的靈敏度,而增益是由一種稱為低噪聲放大器(LNA)的昂貴器件產(chǎn)生。增益越大,LNA的成本和功耗越高。
 
遺憾的是,動態(tài)靈敏度需要權(quán)衡。動態(tài)靈敏度意味著靜態(tài)靈敏度受到干擾會變差。干擾是指接收器上出現(xiàn)的任何不需要的信號,包括來自外界的信號或接收器無意產(chǎn)生的信號,如互調(diào)產(chǎn)物。在此背景下,線性度描述系統(tǒng)處理干擾的能力。
 
在有干擾的情況下,我們費力實現(xiàn)的系統(tǒng)靈敏度會有損失。這種權(quán)衡會隨著增益提高而變得更糟,因為高增益通常伴隨著線性度降低。換句話說,過大的增益會降低線性度性能,導致強干擾下的靈敏度降低。
 
設(shè)計無線通信網(wǎng)絡(luò)時,網(wǎng)絡(luò)性能的負擔是放在基站端,而不是放在手機端。WA-BS設(shè)計旨在覆蓋較大區(qū)域并實現(xiàn)出色的靈敏度性能。WA-BS必須有最佳靜態(tài)靈敏度以支持小區(qū)邊緣的手機,這里的手機信號非常弱。另一方面,在有干擾或阻塞的情況下,WA-BS接收器的動態(tài)靈敏度仍須很好。即使基站附近手機的強信號產(chǎn)生干擾,接收器仍然必須對手機發(fā)出的弱信號展現(xiàn)良好的性能。
 
以下信號鏈是簡化的基于分立器件的典型系統(tǒng)接收器。LNA、混頻器和可變增益放大器(VGA)稱為RF前端。RF前端設(shè)計的噪聲系數(shù)為1.8 dB,而ADC的噪聲系數(shù)為29 dB;在圖1的分析中,RF前端增益在x軸上掃描以顯示系統(tǒng)靈敏度。
 
創(chuàng)新集成收發(fā)器簡化2G至5G基站接收器設(shè)計
圖1.典型分立接收器信號鏈示意圖。
 
現(xiàn)在我們來比較一個簡化的收發(fā)器接收信號鏈??梢钥吹?,收發(fā)器接收信號鏈的物料清單少于類似的分立器件信號鏈。此外,收發(fā)器片內(nèi)含有兩個發(fā)射器和兩個接收器??此坪唵蔚募呻[藏了接收器設(shè)計的精致,后者通??蓪崿F(xiàn)12 dB的噪聲系數(shù)。圖2所示的以下分析說明了系統(tǒng)如何實現(xiàn)高靈敏度。
 
創(chuàng)新集成收發(fā)器簡化2G至5G基站接收器設(shè)計
圖2.典型收發(fā)器/接收器信號鏈示意圖。
 
圖3顯示了上述兩種實現(xiàn)方案的RF前端增益與靜態(tài)靈敏度的關(guān)系。WA-BS工作在靈敏度幾乎要滿足最嚴格要求的區(qū)域中。相比之下,小型蜂窩工作在靈敏度曲線斜率最陡的區(qū)域,同時仍滿足標準并有較小裕量。對于WA-BS和小型蜂窩,收發(fā)器均以小得多的RF前端增益實現(xiàn)所需的靈敏度。
 
 
創(chuàng)新集成收發(fā)器簡化2G至5G基站接收器設(shè)計
圖3.分立接收器與收發(fā)器/接收器的靈敏度對比。
 
動態(tài)靈敏度如何呢?在射頻前端增益區(qū)域,我們會使用收發(fā)器設(shè)計廣域基站,動態(tài)靈敏度也比分立解決方案好得多。這是因為較低增益的RF前端在給定功耗下通常具有較高的線性度。在通常使用高增益的分立解決方案中,線性度常常由RF前端決定。在收發(fā)器設(shè)計中,與分立解決方案相比,干擾導致的靈敏度降幅顯著降低。
 
值得一提的是,在有過多干擾的情況下,系統(tǒng)會將增益降低到可以容忍干擾的程度,并在干擾降低時增加增益。這就是自動增益控制(AGC)。增益減小也會降低靈敏度。如果系統(tǒng)能夠容忍干擾信號,通常最好保持盡可能高的增益,以使靈敏度最大。AGC是未來討論的主題。
 
總之,此類收發(fā)器有兩個突出特性:出色的噪聲系數(shù)和更高的抗干擾性。在信號鏈中使用收發(fā)器,意味著您可以通過小得多的前端增益實現(xiàn)所需的靜態(tài)靈敏度。此外,較低的干擾水平意味著您可以實現(xiàn)更好的動態(tài)靈敏度。如果需要LNA,其成本和功耗也會更低。您還可以在系統(tǒng)中的其他地方作出不同的設(shè)計權(quán)衡,以利用這些特性。
 
如今,市場上有可配置的收發(fā)器產(chǎn)品,其既適合廣域基站設(shè)計,也適合小型蜂窩基站設(shè)計。ADI公司在發(fā)展這種新方法方面發(fā)揮著領(lǐng)導作用,ADRV9009和ADRV9008產(chǎn)品非常適合廣域基站和MC-GSM性能水平。此外,AD9371系列提供非GSM(CDMA、LTE)性能和帶寬選項,但更側(cè)重于功耗優(yōu)化。
 
本文遠非全面綜述。靈敏度話題將在后續(xù)文章中進行更深入的討論。此外,基站接收器設(shè)計的其他挑戰(zhàn)包括自動增益控制(AGC)算法、信道估計和均衡算法等。我們計劃在本文后續(xù)寫一系列技術(shù)文章,目的是簡化設(shè)計流程并提升大家對接收器系統(tǒng)的理解。
 
作者簡介
 
Jon Lanford在ADI公司位于格林斯博羅的收發(fā)器產(chǎn)品部擔任系統(tǒng)與固件驗證經(jīng)理。2003年獲北卡羅來納州立大學電氣工程碩士學位之后,便在ADI公司工作。其之前的工程崗位包括GSPS流水線ADC設(shè)計和校準算法設(shè)計,以及收發(fā)器的測試開發(fā)。聯(lián)系方式:jonathan.lanford@analog.com
 
Kenny Man的25年職業(yè)生涯涉及高速儀器儀表和無線基站的系統(tǒng)設(shè)計、系統(tǒng)應(yīng)用以及無線基礎(chǔ)設(shè)施的系統(tǒng)架構(gòu),曾任職于電信設(shè)備公司和半導體公司。目前的職責是產(chǎn)品工程,他希望更好地為通信基礎(chǔ)設(shè)施的構(gòu)建模塊做出貢獻。愛好包括徒步旅行、滑雪和閱讀歷史。聯(lián)系方式:kenny.man@analog.com
 
 
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