低成本、宽频率、单接收机通道的可配置接收机解决方案

2017-12-11 14:50:24 来源:电子发烧友
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如今,基带电路的可编程已不是太大问题,但实现一个多频带多制式的射频前端却仍面临很大挑战。直到最近,人们还认为解决这个问题的方法是使用一排射频 MEMS开关,在几种不同的射频前端之间进行切换。随着一些公司开发可编程的多频带多标准的射频收发器IC,人们的观点正在改变。
 
另一方面,射频MEMS仍然受到可靠性问题的困扰,而可编程射频硅解决方案正在为OEM厂商和系统设计师们提供真正的好处,尤其体现在家庭基站这类应用中。
 
应用背景
家庭基站的未来取决于一系列关键挑战的解决程度,这些挑战例如功能性和成本等。还有像定时/同步,无线干扰以及从传统的宏蜂窝基站单元到家庭基站的切换等问题,都将影响家庭基站射频部分的设计和实现。多频段和多标准为本来就较长的供应链进一步增加了复杂性。
 
上述挑战在为家庭基站增添更多功能的时候将会出现,如为了接收像位置和定时这类信息时,向家庭基站添加的对附近的宏蜂窝基站单元的广播信道进行侦听的侦听模式。这些广播信道采用的可能是任意一种通用调制方案,不一定与家庭基站收发器所用的调制方式一致。为了将成本降至最低,并将家庭基站中的元器件数量降到最少,如果能够将主收发器的无线资源借过来实现侦听功能是最好不过的了。为了确保收发器不仅能够工作在一系列不同的频段上,而且还要能够处理不同的调制制式,同时为了满足进取的价格点还不能增加过多的辅助电路,这就需要一系列的设计考虑。
 
倘若可编程收发器具备足够的频率捷变能力,就无需随着标准和地域的不同而要求与之对应的专用收发器芯片。这种芯片能够被迅速和简便地重新编程,来适应不同的网络配置、带宽、数据传输率以及制式。
 
本文所提出的概念基于的是一个完全可配置的接收机,该接收机可以适用于主要的一些调制制式,并具有多路宽带低噪声放大器(LAN)输入,允许直接连接到多达3个接收频段的滤波器上,能够实现到侦听模式的无缝转换,而无需增添额外的接收机链路。该设计还允许下行链路在接收机独立工作的同时继续其自身广播信道的发射。
 
家庭基站具有独特的特性,它们是安装在终端用户家庭中的、必须能够与现有无线基础设施无缝连接的无线基础设备。一旦通电后,家庭基站必须能够根据其周边的宏蜂窝环境进行自配置。因此,它必须能够侦听其自己的宏蜂窝网络以及可能出现的其他频率以及调制制式。
 
该网络侦听模式要求家庭基站采用基于现有的单频和标准收发器方案的多路接收机通道/IC。随着没有器件可以利用的新频段的发布,使得问题变得更加复杂。
 
侦听自身下行链路
干扰控制是家庭基站研发成功与否的关键,而能够侦听自身的下行链路的要求对收发器提出了下列需求:
 
* 接收机链路能够工作在下行频段上
* 在选定侦听模式时下行链路滤波器需切换到接收机输入上
 
在能够覆盖所有频段的侦听模式中灵活性是理所当然的需求。在对同一频段进行侦听时,要利用现有的用于发射机的天线滤波器时也必须谨慎。由于家庭基站中功率电平较小,也许可以通过增加低成本的RF开关,使得在需要时,可以将发射通道滤波器用于接收机通道,见图1。
 
图1:接收机通道共享发射通道滤波器
 
如果限制该系统只能使用一个单接收机通道来实现,则在接收机主通道上还需要增加一个开关,如图1所示,这将对接收性能带来如下一些不利影响:
 
* 开关的插入损耗将使接收灵敏度降低(大约0.5dB)
* 发射链路和接收链路之间的双工隔离度指标要求大于45dB,因此开关的隔离度决定着发射链路和接收链路之间的隔离度(约为2*20dB=40dB)
 
而这些问题都是无法克服的,因为任何元器件的增添都将会增加成本和复杂度。通过在收发器IC中采用额外的接收机通道输入,从而可以使下行侦听通道能够与接收机主通道保持分离,因而消除了已知的风险,并减少了元器件数量。
 
附加网络侦听模式
除了上述需要侦听自身的下行链路外,家庭基站还需要以与自身相同的频率和调制制式来侦听宏蜂窝的下行链路,另外,家庭基站也可能会被放置在无法实现这类功能的地方。因此,期望能够从其他的调制制式和频段获取网络信息。因此,需要对侦听模式通道提出更进一步的需求,主要是它必须能够处理不同的调制制式 (最常见的就是GSM)以及距离主收发器工作频段8倍频程或者更远的工作频率。
 
宽带操作
多频段收发器通常采用多个低噪声放大器,调整每个放大器使之用来处理不同的RF频段,但是,在家庭基站市场中,由于部署的地理位置的限制,要求侦听模式所用的频率保持灵活性。能够覆盖欧洲主要国家和美国的各个频段的最基本的一组接收频率为:
 
* 主接收机
 
o WCDMA(频段I,US频段class 6),上行–1920~1980MHz
o WCDMA(频段V,US频段class 0),上行–824~849MHz
 
* 侦听模式
 
o WCDMA(频段I,US频段class 6),下行-2110~2170MHZ
o WCDMA/GSM850(频段V,US频段class 0),下行–869~894MHz
o GSM900(频段VII,US频段class 9),下行–925~960MHz
o GSM1800频段III,US频段class 8),下行–1805~1880MHz
o GSM1900(频段II,US频段class 1),下行–1930~1990MHz
 
显然,通过为每个频段增加接收机输入来提供一个具有足够灵活性的系统是不现实的,因为将来还可能启用其他一些频段。另外,如果这样的话,收发器IC所增加的硅片和引脚数量(由此引发的封装成本)所导致的成本将开始占据主导地位。
 
对于主通道接收机来说,人们期望通过调整低噪声放大器来实现性能的提升,但对于侦听模式(该模式通常只是侦听本地附近的宏蜂窝网络的广播信道)来说,允许噪声系数指标略为低一些,这是因为下面的一些原因:
 
* 侦听模式接收机只需要满足移动接收灵敏度电平
* 侦听模式下发射机是关闭的,因此没有发射机噪声所引起的影响
* 在接收机通道中不需要采用额外的滤波器来抑制发射信号(因此射频前端的损耗较小)
 
因此,最理想的解决方案是:为接收机主通道提供一个高性能的接收机输入来执行特定的主通道信号接收任务,而另外采用一个低噪声宽带放大器来实现所有频段的侦听模式。
 
调制,GSM接收
由于GSM信号为窄带信号,所提供的编码增益较小,所以需要低噪声的接收机。在零中频接收机中,特别容易受到IP2互调失真的影响。而像WCDMA,LTE以及WiMAX这类的宽带调制解决方案,不容易受到这类失真的影响,因而使得相应的零中频接收机比较简单。
 
在零中频接收机中,通过重新调整本振(LO)信号,对一些低中频提供补偿,并采用I支路和Q之路来构成镜像抑制接收机,这样,就有可能将WCDMA零中频接收机链路适用于GSM的低中频接收链路。
 
对于专用于有用信号的高端和低端两侧的抑制器来说,中频本身以及中频滤波器带宽的选择都是非常重要的。这样,可以使中频频率较高,从而可以远离能够使需要抑制的、RF附近的频率分量通过变频处理后刚好落入到中频级低通滤波器带宽内的DC IP2互调产品。
 
中频频率可以选用400kHz到600kHz之间的某一频率。采用一个带宽为600-800kHz左右的低通滤波器(LPF)是理想的,能够确保ADC转换后的信号没有损失地通过该低通滤波器。
 
图2:采用了最大抑制指标的移动台实例
 
图2中例子根据GSM900移动台的要求,采用了最大的抑制指标,具体如下:
 
抑制电平=-23dBm@1.6MHz
有用信号=-99dBm
IP2处的Rx输入=35dBm
低中频=500kHz
Rx IF BW="750kHz"
 
根据上述可以看到,在基带下变频并进行滤波后,有用信号可以得到恢复,恢复后的信噪比为SNR>10dB,这在基带处理中就足以实现可靠的解调。
 
在基带处理中,由于处理单边带低中频下变换所需的开销较小,因而WCDMA和GSM两种接收模式能够共享相同的接收机硬件资源。为了实现资源的复用,接收机必须具有足够的线性度和压缩比,以避免在具有阻塞信号时产生失真,另外,还需具有射频频率捷变能力,以及上述的中频滤波器带宽可选择能力。
 
方案实现
由Lime Microsystems公司所开发的一款收发器IC具有375MHz到4GHz的频率工作范围,可以覆盖3GPP所规定的所有频段。另外,该芯片还提供 2个发射输出,两个主接收机输入,还有一个专为前面所述的侦听模式而优化的宽带接收机输入。Lime Microsystems公司所开发的这款收发器IC如图3和图4所示。
 
图3:用于目标频段并具有最低材料成本的最小系统实现方案。
 
图4:Lime Microsystems公司的收发器配置
 
由于该收发器不再需要增加外围电路来实现所需的灵活度,而且提供了现有设计模块的复用,因而它不仅为针对某个单一市场的单频系统(例如,用于欧洲的 WCDMA频段I),也为能够通过动态配置来适用于任意一个蜂窝频段的多频段、多制式系统提供了具有成本效益的解决方案。
 
总结
一个低成本的、具有足够宽的频率范围的、具有带宽选择灵活性的、以及具有足够线性度的单接收机通道,可以由WCDMA和GSM接收机通道共享。由于能够在多个标准和多个制式之间共享一些硬件资源,从而成为实现收发器连接的最佳解决方案。将一个低成本的单接收机通道用于多种接收模式,减少了对多路接收机器件(无论是分立器件还是集成到单芯片上)、多个本振、滤波器的需求,ADC也可以复用,从而大大节省了元器件数量,进而降低了硅片成本。
 
 
 
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