创新集成收发器简化2G至5G基站接收器设计.docx

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1、创新集成收发器简化2G至5G基站接收器设计Jon Lanford and 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6 GHz以下调谐范围

2、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 输出，并具有最佳灵敏度宏或广域普通中等微蜂窝地理覆盖范围较小，用户较少，功耗 较低，灵敏度要求放宽局域或小区微微蜂窝此外，3Gpp还定义了不同的调制方案。

3、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

4、，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

5、，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，

6、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1.8 dB,而ADC的噪声系 数为29 dB；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。AntennaMixer VGADigital Signal ProcessingADC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

7、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12 dB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，

8、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

9、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(AG

10、C)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。Kenny Man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。