圖 1 顯示了家庭基站概念。傳統(tǒng)基站用于提供廣域覆蓋，而家庭基站用于在住宅等小型區(qū)域中提供無線覆蓋。家庭基站通過用戶的互聯(lián)網(wǎng)寬帶連接將移動手機的通信流量路由至網(wǎng)絡(luò)，因此減輕了無線電通信網(wǎng)絡(luò)的通信流量。家庭基站不僅可以提高網(wǎng)絡(luò)容量，同時還減少了信號的回程路徑、降低了功耗以及運營商的維護成本。此外，它還使運營商能夠參與競爭，從而為信號覆蓋不佳的家庭提供通信服務(wù)。運營商可以通過增加用戶的手機月費來補貼家庭基站的投入成本。當處于家庭基站的覆蓋區(qū)域內(nèi)時，所有的手機費用都包括在家庭開銷預(yù)算內(nèi)，允許無限制地使用語音和數(shù)據(jù)，而不會產(chǎn)生很高的月度費用。由于距離家庭基站很近，因此不僅可以達到很高的連接質(zhì)量，而且還可以降低手機的電池耗電量。家庭基站克服了來自基站的 3G 信號穿透墻壁的局限性，允許高速訪問移動數(shù)據(jù)服務(wù)，例如瀏覽互聯(lián)網(wǎng)、下載音樂和在手機上觀看視頻。

 

圖 1. Femto 基站與宏基站對比。

 

與 Wi-Fi 路由器類似，家庭基站也基于久經(jīng)考驗的無線基礎(chǔ)設(shè)施標準（UMTS、CDMA）。它與許多新興的標準兼容，能夠利用運營商擁有的頻段提供高效、強大的無線連接。由于它兼容現(xiàn)有的手機，這種連接對于用戶來說是透明的。與將數(shù)十或數(shù)百個基站聚集到核心網(wǎng)絡(luò)的宏蜂窩網(wǎng)絡(luò)不同，家庭基站網(wǎng)關(guān)必須管理數(shù)千甚至數(shù)百萬個家庭基站節(jié)點。

 

由于必須提供與無線電通信基站相當?shù)姆?wù)質(zhì)量 (QoS)，并且成本必須與手機類似，家庭基站給無線電設(shè)計師帶來了獨特的挑戰(zhàn)。家庭基站必須提供高質(zhì)量的語音服務(wù)和高速移動數(shù)據(jù)服務(wù)（EVDO 和 HSPA），而且使用成本必須僅相當于宏節(jié)點的一小部分。為了應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，家庭基站的設(shè)計必須利用低成本的制造技術(shù)以及高度集成的電路來縮短校準和測試時間。由于家庭基站應(yīng)用于家庭，所以它們必須小巧、成本低且可由用戶自行安裝。雖然家庭基站的發(fā)射功率較低 —大約為 100 mW—，但必須注意無線環(huán)境問題，以減輕干擾，滿足監(jiān)管要求。3G 家庭基站必須監(jiān)測 UMTS 信道以檢測附近的基站，并且還應(yīng)監(jiān)測 GSM 信道，以便當用戶離開家庭基站區(qū)域時，可以進行恰當?shù)木W(wǎng)絡(luò)切換。

 

家庭基站可被視為兩種截然不同的功能：模擬前端和基帶處理器。作為本文討論的主題，前端用于將數(shù)字數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換成發(fā)射電路中的 RF 信號，并在接收鏈中將 RF 信號轉(zhuǎn)換回數(shù)字數(shù)據(jù)流。在設(shè)計前端時，需要在集成度和性能之間進行取舍。雖然離散型解決方案可以定制以提供最佳的性能，但是其成本對于家庭基站來說是不可接受的。相反，完全集成型解決方案可以提供最低的成本，但性能可能稍嫌不足。

 

圖 2. 基于 ADI 芯片組實現(xiàn)的家庭基站模擬前端。

 

圖 2 顯示了一個在 UMTS 頻段 1 中支持本地基站工作并在 850 MHz、900 MHz、1800 MHz、1900 MHz 和 2100 MHz 頻段中監(jiān)測信號的家庭基站的高級框圖。AD98631 混合信號前端 (MxFE®) 基帶收發(fā)器、ADF46022 集成無線電收發(fā)器、ADL55423 和 ADL53204 線性放大器、開關(guān)、濾波器以及其他相關(guān)支持電路共同構(gòu)成了一個緊湊、高性能的家庭基站前端。下面詳細說明了框圖中突出顯示的模塊。

 

在發(fā)射端，數(shù)字基帶將 12 位并行數(shù)據(jù)流饋入 AD9863，在此，數(shù)據(jù)流被轉(zhuǎn)換成模擬 I/Q 基帶信號。基帶信號由 ADF4602 轉(zhuǎn)換成 RF 信號，然后經(jīng) ADL5542 和 ADL5320 增益級放大后發(fā)送到雙工器。功率檢測器用于監(jiān)測 RF 輸出。單極六投 (SP6T) 開關(guān)用于選擇哪個發(fā)射或接收監(jiān)測鏈連接到單個天線。該信號鏈在 RF 輸出連接器處提供 13 dBm 的輸出功率，滿足了 3GPP 標準 TS25.104 標準中定義的發(fā)射 ACLR 規(guī)格。

 

接收鏈包括用于監(jiān)測主路徑的表面聲波 (SAW) 濾波器和 SPDT 開關(guān)。匹配模塊由適用于每個接收端口的簡單串聯(lián)/并聯(lián)電抗器組成。ADF4602 具有三個接收器輸入引腳：一個用于頻段 1，另外兩個分別用于高頻段監(jiān)測功能和低頻段監(jiān)測功能。頻段 1 接收功能可在 1960 MHz（用于接收上行信號）和 2140 MHz（用于監(jiān)測下行頻率）之間切換。ADF4602 降頻并過濾所選的 RF 信號以獲得基帶 I/Q 信號。基帶信號由 AD9863 中的雙 ADC 進行采樣，并轉(zhuǎn)換成適用于數(shù)字基帶的雙 12 位并行比特流。

 

這種功能分區(qū)為設(shè)計師提供了靈活性，從而確保信號鏈高性能運行，并允許選擇轉(zhuǎn)換器的速度和分辨率以滿足應(yīng)用場合的要求。ADI 解決方案使設(shè)計師可以將模擬前端與市售的基帶功能結(jié)合起來，從而加快家庭基站設(shè)計的上市速度，同時隨著家庭基站市場的成熟，還具有能在未來整合 ADI 技術(shù)的好處。

 

ADF4602 集成無線電收發(fā)器

 

ADF4602（如圖 3 所示）不僅是一個提供無與倫比的集成能力的 3G 收發(fā)器，同時還是一個非常適合高性能 3G 家庭基站的功能組。接收器基于直接轉(zhuǎn)換架構(gòu)，是高度集成的寬帶 CDMA (W-CDMA) 接收器的理想選擇，同時它還安全集成了所有級間濾波器，因此縮減了物料清單 (BOM)。接收基帶濾波器提供可選擇的帶寬，因此既允許接收 W-CDMA 無線電信號，也允許接收 GSM-EDGE 無線電信號。可選擇的帶寬與多頻段 LNA 輸入結(jié)構(gòu)相結(jié)合，使得 GSM/EDGE 信號可作為 UMTS 家庭基站的一部分進行監(jiān)測。

 

ADF4602 包含兩個完全集成的可編程頻率合成器，用于產(chǎn)生發(fā)射和接收本機振蕩器 (LO) 信號。該設(shè)計采用小數(shù) N 分頻架構(gòu)來實現(xiàn)低噪聲和快速的鎖定時間。已為發(fā)射和接收合成器完全集成了所有必要的元件，包括環(huán)路濾波器、VCO 和諧振元件。VCO 以高頻段頻率的兩倍和低頻段頻率的四倍運行，最大限度地降低了 VCO 在所需頻率下的泄漏功率以及 VCO 的調(diào)諧范圍要求。VCO 采用多頻段結(jié)構(gòu)以覆蓋寬泛的工作頻率范圍。設(shè)計結(jié)合了頻率校準和幅度校準功能，以確保振蕩器始終發(fā)揮最佳的性能。完全獨立的校準可在 200 µs 的 PLL 鎖定時間內(nèi)完成，無需用戶輸入。片內(nèi) VCO 輸出被饋送到調(diào)諧緩沖器級，然后饋送到正交信號發(fā)生電路中。調(diào)諧緩沖器可以確保在 VCO 傳輸過程中產(chǎn)生最小的電流和最少的與 LO 相關(guān)的噪聲。正交信號發(fā)生器能夠產(chǎn)生高精度的、用于驅(qū)動調(diào)制器和解調(diào)器的相位信號。此外，還采取了特別的預(yù)防措施，以在發(fā)射和接收鏈之間提供頻分雙工 (FDD) 系統(tǒng)所要求的隔離。

 

圖 3. ADF4602 結(jié)構(gòu)框圖。

 

接收器前端包括三個高性能單端低噪聲放大器 (LNA)，從而使器件支持三頻段應(yīng)用場合。兩個放大器適合在從 1800 MHz 到 2170 MHz 的高頻段工作，另一個放大器適合在從 824 MHz 到 960 MHz 的頻段范圍內(nèi)工作。此外，還完全集成了級間 RF 濾波功能，以確保外部帶外阻斷器在混頻級之前恰當?shù)剡M行信號衰減。單端 50 ? 輸入結(jié)構(gòu)簡化了連接，并減少了小尺寸單端雙工器所需的匹配元件數(shù)量。卓越的器件線性度允許在使用各種 SAW 和陶瓷濾波雙工器時獲得出色的性能。

 

高線性度解調(diào)器電路用于將 RF 信號轉(zhuǎn)換成基帶同相和正交分量。包括兩個解調(diào)器部分：一個優(yōu)化用于高頻段 LNA 輸出，另一個優(yōu)化用于低頻段輸出。高頻段和低頻段輸出結(jié)合在一起，直接傳輸?shù)交鶐У屯V波器的第一級，這可以在基帶放大之前減少最大的阻斷信號。接收器合成器部分通過 VCO 分配系統(tǒng)為混頻器正交 LO 驅(qū)動?？删幊痰姆诸l器允許對高頻段和低頻段使用相同的 VCO。解調(diào)器和 VCO 分配電路經(jīng)過精心設(shè)計和布局，可以實現(xiàn)優(yōu)異的 90° 正交相位和幅度匹配。

 

基帶部分包含分布式增益和濾波功能，能夠提供最大為 54 dB 的增益和 60 dB 的增益控制范圍。通過精心設(shè)計，可以將通帶紋波、群延時、信號損耗和功耗保持在最低水平。濾波器在在制造過程中進行了校準，可以提供高水平的精度且易于使用。提供兩種可選擇的七 階基帶濾波器：一種用于 W-CDMA，具有 1.92 MHz 的截止頻率；另一種適用于 GSM，具有 100 kHz 的截止頻率。

 

在 W-CDMA 模式下，ADF4602 可以在整個接收信號鏈中提供 102 dB 的增益和 90 dB 的增益控制范圍。RF 前端包含 30 dB 的控制范圍：LNA 中為 18 dB，混頻器跨導(dǎo)級中為 12 dB。兩個基帶有源濾波器級各自提供 18 dB 的增益控制范圍，調(diào)節(jié)步進為 6 dB。這可以在三個 12 dB 的步進中實現(xiàn) 36 dB 的總增益控制范圍。可變增益放大器 (VGA) 可以實現(xiàn) 24 dB 的增益控制范圍，調(diào)節(jié)步進為 1 dB。為了簡化編程并確保最佳的接收器性能和動態(tài)范圍，只需對所需的總接收增益進行編程即可；ADF4602 可以解碼增益設(shè)置并在不同模塊之間自動分配增益。

 

發(fā)射器采用一種創(chuàng)新的直接變頻調(diào)制器，不僅可以實現(xiàn)高線性度和低噪聲，同時還消除了安裝外部發(fā)射 SAW 濾波器的必要性。用于 I 和 Q 信道的直流耦合差分基帶接口支持從 1.05 V 至 1.4 V 的寬范圍輸入共模電壓 (VCM)。允許的最大信號擺幅峰值為 550 mV，這與 I 和 Q 信道的 1.1 V p-p 差分范圍相對應(yīng)。在正交調(diào)制器之前，基帶輸入信號通過截止頻率為 4 MHz 的二階 Butterworth 濾波器，從而濾除帶外雜散信號。校準技術(shù)可在整個頻率范圍和環(huán)境條件下保持準確的 I/Q 平衡和相位，確保滿足 3GPP 載波泄漏、EVM 和 ACLR 要求，并在所有條件下都具有良好的裕量。ADF4602 可在 190 MHz 頻率偏置下提供 –163 dBm/Hz 的寬帶本底噪聲以及 –8 dBm 的輸出功率，同時還滿足有關(guān) EVM 和 ACLR 的 TS25.104 要求。輸出與 50 ? 相匹配，以便輕松連接到功率放大器。

 

AD9863 混合信號前端基帶收發(fā)器

 

AD9863 是用于通信市場的 MxFE 系列集成轉(zhuǎn)換器的一員，非常適合低成本、高性能的家庭基站應(yīng)用領(lǐng)域。它集成了雙 12 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器和雙 12 位 TxDAC® 數(shù)模轉(zhuǎn)換器。ADC 經(jīng)過專門優(yōu)化，能以 50 MSPS 或更低的速率進行采樣。DAC 的工作速度高達 200 MHz，包括一個可旁路的 2× 或 4× 內(nèi)插濾波器。AD9863 采用具有 64 個引腳的 LFCSP 封裝，尺寸僅為 9 mm × 9 mm × 0.9 mm。此處重點介紹 AD9863，但 MxFE 系列的其他成員（AD9860、AD9861 和 AD9862）允許設(shè)計師靈活地為控制電路選擇高性能和輔助轉(zhuǎn)換器。

 

圖 4. AD9863 MxFE 結(jié)構(gòu)框圖。

 

柔性雙向 24 位 I/O 總線可適用于眾多市售的基帶 ASIC 或 DSP。在半雙工系統(tǒng)中，接口支持 24 位并行傳輸或 12 位交錯傳輸。在全雙工系統(tǒng)中，接口支持一根 12 位交錯 ADC 總線和一根 12 位交錯 DAC 總線。柔性 I/O 總線減少了引腳數(shù)量和封裝尺寸。對于頻分雙工 (FDD) W-CDMA，AD9863 可以同時運行發(fā)射和接收信道。這需要使用全雙工模式 — 一根 12 位交錯接收數(shù)據(jù)總線和一根 12 位交錯發(fā)射數(shù)據(jù)總線。

 

DAC 內(nèi)核將 12 位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成兩個互補的差動電流輸出，并使用圖 5 中所示的電阻網(wǎng)絡(luò)將它們提供給 ADF4602。RDC 設(shè)置為 120 ?，適用于 1.2 V 共模電壓；RL 設(shè)置為 63 ?，適用于 1 V p-p 差分輸入擺幅。

 

圖 5. AD9863 和 ADF4602 之間的簡單接口。

 

DAC 包含可編程的精細增益和直流偏置控制，可用于補償 I 和 Q 通道之間的失配，從而抑制 LO 饋通和提高 EVM 性能。10 位直流偏置控制可用于獨立為任一差分引腳提供多達 ±12% 的偏置，因此允許校準任何系統(tǒng)偏置。

 

ADC 輸入由一個 2 k? 的差分輸入電阻和一個開關(guān)電容電路組成。該輸入可以自行偏置至中位電源，或者對它進行編程以接受外部直流偏置。因此，建議將 ADF4602 接收基帶輸出直接連接到 AD9863 ADC 輸入。ADC 輸入滿度電平為 2 V p-p 差分。

 

家庭基站的時鐘解決方案

 

為了滿足 3GPP 規(guī)格要求，家庭基站需要非常精確的基準時鐘—±0.1 ppm—。有關(guān)實現(xiàn)這種非常精準時鐘控制的方法超出了本文的范圍—但存在多種機會來實現(xiàn)此目的，包括通過監(jiān)測接收器進行的 GSM 宏基站同步、GPS 同步和 IEEE 1588 精密時序協(xié)議。在某些情況下，家庭基站供應(yīng)商可能會組合采用上述方法來實現(xiàn)精確的控制。最終，基準時間控制電路將調(diào)整基準頻率源。在 ADI 評估板上，此 26 MHz VCTCXO 用作 ADF4602 的基準時鐘。延遲鎖相環(huán) (DLL) 可以生成 19.2 MHz 的時鐘（它是 3.84 MHz W-CDMA 芯片時鐘的數(shù)倍）。此 19.2 MHz 時鐘用作 AD9863 的時鐘輸入。

 

AD9863 提供一種具有許多變量的通用時鐘配置。ADC 時鐘速度、DAC 時鐘速度、PLL 以及內(nèi)插器設(shè)置可由軟件控制，允許對性能和功率進行優(yōu)化以滿足要求。在推薦的配置中，PLL 乘法器被設(shè)置為 2×，使得 PLL 的輸出頻率為 38.4MHz。ADC 的時鐘設(shè)置為該頻率的一半。在發(fā)射側(cè)，38.4 MHz PLL 的輸出用作 DAC 的時鐘。發(fā)射插值設(shè)置為 2× 以抑制 DAC 鏡像。此外，還可能有其它的時鐘頻率組合。AD9863 數(shù)據(jù)手冊詳細介紹了各種工作模式。通過使用上述時鐘方案，家庭基站不需要宏基站中常見的任何離散頻率轉(zhuǎn)換 PLL。家庭基站集成了所有頻率轉(zhuǎn)換功能，可幫助其滿足市場要求的價格水平。

 

RF 放大器

 

選擇用于 RF 功率級的放大器為低成本的高性能寬帶線性放大器，采用 InGaP 工藝制造而成。這些放大器對 ADF4602 的輸出進行線性放大，并補償 RF 雙工器和開關(guān)網(wǎng)絡(luò)中的損耗。ADL5542 包含內(nèi)部偏置和匹配功能；ADL5320 需要外部匹配，并且采用行業(yè)標準的塑料 SOT-23 封裝。兩種放大器都直接工作在 5V 供電軌上，因此不需要外部偏置電路。表 1 列出了放大器的關(guān)鍵參數(shù)。ADI RF 放大器的設(shè)計采用了專有技術(shù)，可以提供卓越的線性度（相對于電源電流）。

 

表 1. ADF5542 和 ADL5320 在 2 GHz 時的關(guān)鍵規(guī)格

 

發(fā)射輸出功率與降低干擾

 

為了降低干擾，家庭基站必須靈活智能地設(shè)置其輸出功率，以解決多個相互鄰近、工作在相同頻率下的家庭基站的部署問題（例如在公寓內(nèi)）。在這種情況下，每個家庭基站都需要以較低的輸出功率發(fā)射，以避免相同頻率的干擾。此外，家庭基站也不能干擾部署在周邊且使用鄰近信道的宏蜂窩基站，因為這會給附近連接到該宏蜂窩網(wǎng)絡(luò)的手機帶造成盲點，使其無法正常接收信號。因此要求家庭基站具有鄰近信道保護功能，迫使它測試鄰近下行信道的功率并根據(jù)預(yù)定義的公式來設(shè)置自身的功率，以便不會妨礙宏蜂窩基站的信號。i

 

為使家庭基站滿足要求的價格水平，并便于客戶安裝，這些降低干擾的技術(shù)必須是自動運行的，而不需要經(jīng)過培訓(xùn)的現(xiàn)場技術(shù)人員或家庭用戶進行干預(yù)。當家庭基站第一次被用戶打開后，這個過程應(yīng)該是自動啟動的，并且之后會定期更新。此外，ADI 設(shè)計中的頻段 1 監(jiān)測接收器和 ADF4602 寬泛的動態(tài)發(fā)射范圍，允許家庭基站供應(yīng)商自動實施這些降低干擾的技術(shù)，而不需要外部干預(yù)。監(jiān)測接收器允許對鄰信道的功率進行準確測量，并相應(yīng)地調(diào)整輸出功率。這將大約需要 30 dB 的總發(fā)射功率動態(tài)范圍。

 

無線電性能測量

 

為了根據(jù) TS25.104 無線系統(tǒng)規(guī)格來評估收發(fā)器芯片組，已將上面介紹的收發(fā)器系列納入評估板設(shè)計中。圖 6 所示的評估平臺可以對發(fā)射和接收鏈執(zhí)行獨立的測試，并且允許執(zhí)行單獨的元件測試。此評估板包含圖 1 所示框圖的功能以及功率調(diào)節(jié)。無線電部分，包括 ADF4602、AD9863、ADL5542、ADL5320、VCTCXO 以及所有相關(guān)的前端開關(guān)和濾波器，在電路板上占用 1" × 2" 的空間。值得注意的是，此電路板并沒有為了節(jié)省空間尺寸而進行優(yōu)化，因為它僅僅是為了測試而提供的，用于實際生產(chǎn)的設(shè)計可以采用更緊湊的設(shè)計。下面包括了某些基于 TS25.104 規(guī)格的關(guān)鍵測試結(jié)果，以展示 ADI 芯片組在測試板上的性能。

 

圖 6. ADF4602/AD9863 評估板。

 

圖 7 顯示了頻段 1 接收器靈敏度測量結(jié)果。接收器靈敏度用于評估接收器檢測到低電平信號的能力，并且表征了指示接收器的噪聲指數(shù)。在本次測量中，采用了 12.2 KHz 的基準信號。ADF4602-1 的增益設(shè)置為 80 dB。在整個頻段上，接收器靈敏度超過 TS25.104 規(guī)格達 6 dB 以上。

 

圖 7. 頻段 1 接收器靈敏度。

 

接收器的另外一個關(guān)鍵規(guī)格是在阻斷條件下的性能。阻斷測試模擬了接收器在鄰近信道出現(xiàn)大量干擾信號的條件下接收到目標信號的能力。UL 12.2 kHz 基準信號設(shè)置為 –101 dBm，然后加入阻斷信號，直到 BER 的測量值為 10–3。如表 2 中所示，在所有三種情況下，ADF4602 都以一定裕量超過了 TS25.104 規(guī)格。

 

表 2. 接收器阻斷測試摘要與 TS25.104 規(guī)格

 

發(fā)射信號鏈路質(zhì)量的關(guān)鍵指標為鄰近信道泄漏比 (ACLR) 以及誤差向量幅度 (EVM)。在這兩種情況下，這些測試是組合發(fā)射鏈線性度的關(guān)鍵指標。表 3 收集了在 ADI 評估板上取得的測量結(jié)果并與 TS25.104 規(guī)格進行比較。它還包括了峰值碼域誤差，這一 EVM 測量結(jié)果用于確保誤差在碼域內(nèi)均衡分布。ii 在所有情況下，ADF4602 評估板都以一定的裕量超過了 TS25.104 規(guī)格。圖 8 顯示了 ACLR 測量中使用的輸出頻譜圖。

 

表 3. 發(fā)射器測試摘要與 TS25.104 規(guī)格

 

圖 8. 在 13 dBm 輸出功率下 W-CDMA 頻段 1 信號的 ACLR 測量結(jié)果。

 

圖 9 顯示了涉及兩個 HSDPA 信道以及許多語音/數(shù)據(jù)信道的典型家庭基站配置的發(fā)射 EVM 圖。復(fù)合 EVM 低于 4%。電路評估結(jié)果表明，EVM 主要是因為調(diào)制器輸入處的 I/Q 偏置電壓引起 LO 泄漏而產(chǎn)生 — 這是直接轉(zhuǎn)換發(fā)射器的一個特點。如前面所述，這些偏置可以采用 AD9863 直流偏置控制進行校正。

 

圖 9. 典型家庭基站配置的 EVM 測量結(jié)果。

 

結(jié)論

 

由于必須在保持基站性能的同時將成本降至最低，方興未艾的家庭基站應(yīng)用為無線電設(shè)計師帶來了特有的挑戰(zhàn)。ADI 3G 家庭基站芯片組由 ADF4602 集成無線電收發(fā)器、AD9863 MxFE 基帶收發(fā)器以及 ADL5542 和 ADL5320 RF 放大器組成，可使家庭基站設(shè)計師能以緊湊的外形尺寸滿足 TS25.104 規(guī)格要求。