本文討論的集成收發(fā)器系列是業(yè)界率先支持所有現行蜂窩標準（2G至5G）并覆蓋全部6 GHz以下調諧范圍的產(chǎn)品。利用這些收發(fā)器，基站設計人員可以讓單一緊湊型無(wú)線(xiàn)電設計適合所有頻段和功率變化。

 

首先來(lái)看一些基站類(lèi)別。眾所周知的標準組織3GPP定義了若干基站類(lèi)別。這些基站類(lèi)別有不同名稱(chēng)。寬泛地說(shuō)，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(hù)數量。其輸出功率也最高，必須提供最佳的接收器靈敏度。隨著(zhù)基站逐漸變小，所需的輸出功率也減小，接收器靈敏度同時(shí)降低。

 

表1.各種基站尺寸

 

此外，3GPP還定義了不同的調制方案。寬泛地說(shuō)，對調制方案的實(shí)用細分是劃分為非GSM調制（包括LTE和CDMA類(lèi)型的調制）和基于GSM的調制——特別是多載波GSM (MC-GSM)。在這兩大類(lèi)方案中，GSM在射頻和模擬性能方面要求最高。此外，隨著(zhù)更高吞吐速率的無(wú)線(xiàn)電變得越來(lái)越普遍，MC-GSM已取代單載波GSM成為標準。一般來(lái)說(shuō)，支持MC-GSM性能的基站無(wú)線(xiàn)電前端也可以處理非GSM性能。支持MC-GSM的運營(yíng)商在把握市場(chǎng)機會(huì )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(shí)提供系統優(yōu)勢。但首先，我們需要討論基站接收器設計的挑戰。

 

廣域或宏基站在歷史上一直是無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )的主力，其接收器設計傳統上是最具挑戰性且最昂貴的。它為何如此困難？一句話(huà)，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手機發(fā)出的弱信號的能力高低的品質(zhì)因數。通過(guò)靈敏度可確定基站能夠收到手機信號同時(shí)保持連接的最遠距離。靈敏度可以按兩種方式分類(lèi)：1) 沒(méi)有任何外部干擾的靜態(tài)靈敏度；2) 有干擾的動(dòng)態(tài)靈敏度。

 

首先談?wù)勳o態(tài)靈敏度。在工程術(shù)語(yǔ)中，靈敏度由系統噪聲系數(NF)決定。噪聲系數越低，意味著(zhù)靈敏度越高。通過(guò)提高增益以實(shí)現所需的系統噪聲系數，可實(shí)現所需的靈敏度，而增益是由一種稱(chēng)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(dòng)態(tài)靈敏度需要權衡。動(dòng)態(tài)靈敏度意味著(zhù)靜態(tài)靈敏度受到干擾會(huì )變差。干擾是指接收器上出現的任何不需要的信號，包括來(lái)自外界的信號或接收器無(wú)意產(chǎn)生的信號，如互調產(chǎn)物。在此背景下，線(xiàn)性度描述系統處理干擾的能力。

 

在有干擾的情況下，我們費力實(shí)現的系統靈敏度會(huì )有損失。這種權衡會(huì )隨著(zhù)增益提高而變得更糟，因為高增益通常伴隨著(zhù)線(xiàn)性度降低。換句話(huà)說(shuō)，過(guò)大的增益會(huì )降低線(xiàn)性度性能，導致強干擾下的靈敏度降低。

 

設計無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )時(shí)，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設計旨在覆蓋較大區域并實(shí)現出色的靈敏度性能。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(dòng)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)出的弱信號展現良好的性能。

 

以下信號鏈是簡(jiǎn)化的基于分立器件的典型系統接收器。LNA、混頻器和可變增益放大器(VGA)稱(chēng)為RF前端。RF前端設計的噪聲系數為1.8 dB，而ADC的噪聲系數為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靈敏度。

 

圖1.典型分立接收器信號鏈示意圖。

 

現在我們來(lái)比較一個(gè)簡(jiǎn)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(lèi)似的分立器件信號鏈。此外，收發(fā)器片內含有兩個(gè)發(fā)射器和兩個(gè)接收器?？此坪?jiǎn)單的集成隱藏了接收器設計的精致，后者通?？蓪?shí)現12 dB的噪聲系數。圖2所示的以下分析說(shuō)明了系統如何實(shí)現高靈敏度。

 

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(shí)現方案的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(mǎn)足最嚴格要求的區域中。相比之下，小型蜂窩工作在靈敏度曲線(xiàn)斜率最陡的區域，同時(shí)仍滿(mǎn)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(shí)現所需的靈敏度。

 

 

圖3.分立接收器與收發(fā)器/接收器的靈敏度對比。

 

動(dòng)態(tài)靈敏度如何呢？在射頻前端增益區域，我們會(huì )使用收發(fā)器設計廣域基站，動(dòng)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(xiàn)性度。在通常使用高增益的分立解決方案中，線(xiàn)性度常常由RF前端決定。在收發(fā)器設計中，與分立解決方案相比，干擾導致的靈敏度降幅顯著(zhù)降低。

 

值得一提的是，在有過(guò)多干擾的情況下，系統會(huì )將增益降低到可以容忍干擾的程度，并在干擾降低時(shí)增加增益。這就是自動(dòng)增益控制(AGC)。增益減小也會(huì )降低靈敏度。如果系統能夠容忍干擾信號，通常最好保持盡可能高的增益，以使靈敏度最大。AGC是未來(lái)討論的主題。

 

總之，此類(lèi)收發(fā)器有兩個(gè)突出特性：出色的噪聲系數和更高的抗干擾性。在信號鏈中使用收發(fā)器，意味著(zhù)您可以通過(guò)小得多的前端增益實(shí)現所需的靜態(tài)靈敏度。此外，較低的干擾水平意味著(zhù)您可以實(shí)現更好的動(dòng)態(tài)靈敏度。如果需要LNA，其成本和功耗也會(huì )更低。您還可以在系統中的其他地方作出不同的設計權衡，以利用這些特性。

 

如今，市場(chǎng)上有可配置的收發(fā)器產(chǎn)品，其既適合廣域基站設計，也適合小型蜂窩基站設計。ADI公司在發(fā)展這種新方法方面發(fā)揮著(zhù)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，但更側重于功耗優(yōu)化。

 

本文遠非全面綜述。靈敏度話(huà)題將在后續文章中進(jìn)行更深入的討論。此外，基站接收器設計的其他挑戰包括自動(dòng)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寫(xiě)一系列技術(shù)文章，目的是簡(jiǎn)化設計流程并提升大家對接收器系統的理解。

 

作者簡(jiǎn)介

 

Jon Lanford在A(yíng)DI公司位于格林斯博羅的收發(fā)器產(chǎn)品部擔任系統與固件驗證經(jīng)理。2003年獲北卡羅來(lái)納州立大學(xué)電氣工程碩士學(xué)位之后，便在A(yíng)DI公司工作。其之前的工程崗位包括GSPS流水線(xiàn)ADC設計和校準算法設計，以及收發(fā)器的測試開(kāi)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(wú)線(xiàn)基站的系統設計、系統應用以及無(wú)線(xiàn)基礎設施的系統架構，曾任職于電信設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設施的構建模塊做出貢獻。愛(ài)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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