与分立设计相比，单芯片WiMAX收发器能够显著节省成本和空间，但一直以来，严格的发射性能要求使其无法用于基站设计。最近，一些新型器件极大地改善了发射信噪比(SNR)性能，因而适合从毫微微蜂窝到微蜂窝的各类应用。 基站蜂窝类型和典型要求 根据最大输出功率和覆盖范围，无线行业将基站分为若干宽泛、重叠的类别，如表1所示。下面的设计示例将使用功率输出估计值。价格和设备尺寸对于所有类型的蜂窝都非常重要。对于毫微微蜂窝基站，只有低成本和小尺寸型才能在市场上生存;对于微微蜂窝和宏蜂窝基站，如果其价格和尺寸优于竞争产品，将拥有独特的市场优势。单芯片收发器有助于降低价格和减小尺寸，但只有当基站满足其性能要求时，这些优势才能显现出来。 为一个用于无线通信的典型直接上变频发射信号路径的简化框图，其中的虚框部分最近已被集成到WiMAX CPE收发器中。基站发射机，特别是那些设计用于较大小区的发射机，通常使用分立器件来实现高线性度和低噪声。 然而，单芯片收发器具有明显的成本和空间优势。这些CPE收发器将多个功能模块，包括数字接口、数据转换器、模拟滤波器、增益级、混频器和前置驱动器等，组合构成一个混合信号集成电路。数据转换器和数字接口的集成使得基带处理器(BBP)可以是纯数字式，从而能够利用先进的细线CMOS工艺来降低成本、功耗和缩减尺寸。有些集成收发器还整合两个直接下变频接收机，使总体空间和成本进一步缩小降低。 发射功率和噪声 对于特定应用，将收发器与分立设计相比较时，发射机噪声是一个关键参数，但噪声只是一方面考虑。噪声必须相对于特定输出功率进行测量，因为所需的PA增益由收发器输出功率决定。例如，如果收发器B的噪声比收发器A低几dB，但要求多几dB的增益才能实现同样的输出功率，则收发器B的额外增益将导致系统噪声更高。当考虑绝对辐射限制时，如以下设计示例所述的情况，噪声与增益的关系尤其重要。 在设计过程中，发射噪声与频率偏移的关系图会有帮助。法定杂散辐射限制转换为dBm/MHz后，便可快速判断一个收发器是否适合给定的应用。图2为一个多路输入、单路输出(MISO) WiMAX/WiBRO RF收发器在2500MHz载波频率和10MHz信号带宽下的关系图。注意，频率偏移为1MHz积分带宽的中心频率。因此，如果中心频率为5.5MHz，则积分带宽的边缘频率为5MHz。5MHz是10MHz带宽目标信号的信道边缘。 虽然10MHz信道内功率输出为-3dBm，但信道内辐射为-13dBm，因为测量是在1MHz范围积分的结果，而不是整个10MHz信道。在图2中，频段边缘处的极陡滚降是由片内插值数字滤波器引起的。将这些功能集成到收发器芯片中可以减轻BBP的负担，BBP与收发器之间的数据速率因为2倍插值而减半。 法定限制 监管机构对特定频段内的最大输出功率、最大带外(OOB)辐射和最大信道外辐射均有限制，这些限制取决于应用所在的国家/地区以及所用的频段。本文仅关注2.4～2.7GHz范围内的FCC(美国联邦通信委员会)限制。在美国，特许执照WiMAX部署频谱为2496～2690MHz，免执照频谱为2.4GHz ISM频段(2400～2483.5MHz)。 FCC使用多种单位和方法来规定最大功率和OOB限制。下面各部分列出了针对WiMAX基站所用的多个频率范围的限制。如果限制用低于带内输出功率的衰减幅度来表示，则带内功率和杂散辐射测量所用的积分带宽必须相同。 特许执照频段 从2496～2690MHz，最大等效全向辐射功率(EIRP)频段功率输出为63dBm。基站的杂散辐射在信道边缘必须至少衰减43+10log(P)dB，其中，P为频段功率输出(单位W)。 2.4GHz免执照频段 在ISM频段，限制更严格，但最大功率输出也低得多。在2400～2483.5 MHz，点到多点(PTMP)基站的最大传导功率输出为+30dBm，最大EIRP为+36dBm。点到点(PTP)基站必须遵守相同的传导功率限制，但最大理论EIRP无限制。对于PTP基站，6 dB以上的天线定向增益每增加3dB，EIRP必须降低1dB。信道外但仍在ISM频段内的杂散辐射必须衰减到低于目标信号20 dB的水平。ISM频段外的辐射必须衰减到低于频段功率50 dB的水平，或者衰减到-41.25 dBm/MHz的水平，以衰减较小者为准。此外，使用ISM频段的运营商还必须遵守下述关于限制频段的限制。 限制频段 FCC将某些频段规定为“限制使用”频段。这些频段内的辐射只能是杂散性的，对于ISM频段的运营商，该辐射始终必须等于或小于-41.25dBm/MHz的绝对限值。影响2.4GHz ISM频段的限制频段有两个：2310～2390MHz和2483.5～2500MHz。与限制频段相邻的特许执照频段不必遵守这些限制。 设计示例 对于各种情况下的单芯片CPE收发器的定量评估，功率放大器(PA)被认为是理想的增益级。实践中，PA会增加噪声和非线性效应，但对于下面的各个示例，特别设计的PA可以确保完整发射路径的性能符合要求。各示例均使用一个10 MHz带宽内最大输出设置为-3.0 dBm的CPE收发器。 第一个示例是一个工作在ISM频段的1W点到多点微蜂窝，发射带宽为10MHz，中心频率为2417 MHz。第一个要符合的法定限制是20 dB的信道外衰减，信道内功率为-13 dBm/MHz，因此衰减限制为-33 dBm/MHz。 性能曲线以便快速比较法定限制与收发器辐射。由于AD9354信道外能量远低于-33dBm/MHz限制线，因此该收发器满足20dB衰减要求。 第二个限制是50dB或-41.25dBm/MHz的OOB衰减，以衰减较小者为准。Pout=30dBm，因此50dB是较小的衰减。目标信号带宽中心与ISM边缘的频率范围为17.5MHz(2417～2400MHz+500kHz)。从-13dBm/MHz的信道内功率衰减50dB，得到-63dBm/MHz的限制，如图3的“50dB衰减限制”所示。可以看出，AD9354的辐射远低于此限制。 最后，FCC要求2390 MHz限制频段边缘的杂散辐射衰减到-41.25dBm/MHz。频率范围为27.5MHz(2417～2390 MHz+500kHz)。由于这是一个绝对限值，因此需要考虑PA增益。为了将带内输出功率从-3dBm提升到30dBm，需要33dB的增益。将该值折合到收发器输出端，可以得到-74.25dBm/MHz的法定限制(-41.25dBm/MHz -33dB) 采用特许执照频段的毫微微蜂窝 在所有类型的基站中，毫微微蜂窝对成本最敏感，因此单芯片收发器必须满足这种应用的要求。表1显示，典型毫微微蜂窝基站可以提供高达20 dBm的带内输出功率。在信道边缘，杂散辐射需要降低33dB(43+ 10×log(0.1))。从-13dBm/MHz的信道内功率衰减33dB，得到-46dBm/MHz的法定限制，如图3的水平虚线所示。 采用特许执照频段的微微蜂窝 微微蜂窝涵盖的最大输出功率范围非常广，为20～30dBm。本例中，功率输出设置为27dBm，信道边缘所需的衰减为40dB(43+10×log(0.5))。从-13dBm/MHz的信道内功率衰减-40dB，得到法定限制为-53dBm/MHz，如图3中的-53dBm/MHz水平线所示。 采用特许执照频段的微蜂窝 微蜂窝一直是昂贵、大型分立式收发器设计的领地，它要求的增益和功率输出显著大于较小尺寸的蜂窝。最高功率输出2W(33dBm)要求衰减46dB(43+10×log(2))。按照与前两例相同的逻辑进行分析，从-13dBm/MHz的信道内功率衰减46dB，得到-59dBm/MHz的法定限制。在图3中，通过比较AD9354辐射曲线与-59dBm/MHz的水平虚线可以发现，该器件有足够的裕量来满足此要求。 WiMAX CPE收发器的发射性能已大大改进，现已能够满足从微微蜂窝到微蜂窝的应用要求。与分立设计相比，除了集成发射路径所带来的成本和空间节省以外，单芯片收发器还能提供两个接收机，从而进一步节约成本和空间。