創新集成收發器簡化2G至5G基站接收器設計

2021-05-06 14:18:50 ADI

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基站接收器設計是一項艱巨的任務。典型接收器組件包括混頻器、低噪聲放大器(LNA)和模數轉換器(ADC)等，這些器件隨著時間推移而不斷改善。但是，架構的改變卻不大。架構選擇的局限性阻礙了基站設計人員向市場推出差異化產品的努力。最近的產品開發，特別是集成收發器，顯著降低了最具挑戰性的基站接收器設計的一些限制。此類收發器提供的新基站架構使得基站設計人員能夠有更多選擇和方法來實現產品差異化。
本文討論的集成收發器系列是業界率先支持所有現行蜂窩標準（2G至5G）并覆蓋全部6 GHz以下調諧范圍的產品。利用這些收發器，基站設計人員可以讓單一緊湊型無線電設計適合所有頻段和功率變化。

首先來看一些基站類別。眾所周知的標準組織3GPP定義了若干基站類別。這些基站類別有不同名稱。寬泛地說，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。隨著基站逐漸變小，所需的輸出功率也減小，接收器靈敏度同時降低。

表1.各種基站尺寸

	非GSM 基站	GSM 基站
最大的地理覆蓋范圍、用戶數、功率輸出，并具有最佳靈敏度	宏或廣域	普通
	中等	微蜂窩
地理覆蓋范圍較小，用戶較少，功耗較低，靈敏度要求放寬	局域或小區	微微蜂窩

此外，3GPP還定義了不同的調制方案。寬泛地說，對調制方案的實用細分是劃分為非GSM調制（包括LTE和CDMA類型的調制）和基于GSM的調制——特別是多載波GSM (MC-GSM)。在這兩大類方案中，GSM在射頻和模擬性能方面要求最高。此外，隨著更高吞吐速率的無線電變得越來越普遍，MC-GSM已取代單載波GSM成為標準。一般來說，支持MC-GSM性能的基站無線電前端也可以處理非GSM性能。支持MC-GSM的運營商在把握市場機會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器可以取代很多分立器件，同時提供系統優勢。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線通信網絡的主力，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，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出的弱信號的能力高低的品質因數。通過靈敏度可確定基站能夠收到手機信號同時保持連接的最遠距離。靈敏度可以按兩種方式分類：1) 沒有任何外部干擾的靜態靈敏度；2) 有干擾的動態靈敏度。
首先談談靜態靈敏度。在工程術語中，靈敏度由系統噪聲系數(NF)決定。噪聲系數越低，意味著靈敏度越高。通過提高增益以實現所需的系統噪聲系數，可實現所需的靈敏度，而增益是由一種稱為低噪聲放大器(LNA)的昂貴器件產生。增益越大，LNA的成本和功耗越高。

遺憾的是，動態靈敏度需要權衡。動態靈敏度意味著靜態靈敏度受到干擾會變差。干擾是指接收器上出現的任何不需要的信號，包括來自外界的信號或接收器無意產生的信號，如互調產物。在此背景下，線性度描述系統處理干擾的能力。

在有干擾的情況下，我們費力實現的系統靈敏度會有損失。這種權衡會隨著增益提高而變得更糟，因為高增益通常伴隨著線性度降低。換句話說，過大的增益會降低線性度性能，導致強干擾下的靈敏度降低。

設計無線通信網絡時，網絡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現出色的靈敏度性能。WA-BS必須有最佳靜態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接收器的動態靈敏度仍須很好。即使基站附近手機的強信號產生干擾，接收器仍然必須對手機發出的弱信號展現良好的性能。

以下信號鏈是簡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。

現在我們來比較一個簡化的收發器接收信號鏈?？梢钥吹?，收發器接收信號鏈的物料清單少于類似的分立器件信號鏈。此外，收發器片內含有兩個發射器和兩個接收器?？此坪唵蔚募呻[藏了接收器設計的精致，后者通常可實現12 dB的噪聲系數。圖2所示的以下分析說明了系統如何實現高靈敏度。

圖2.典型收發器/接收器信號鏈示意圖。

圖3顯示了上述兩種實現方案的RF前端增益與靜態靈敏度的關系。WA-BS工作在靈敏度幾乎要滿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斜率最陡的區域，同時仍滿足標準并有較小裕量。對于WA-BS和小型蜂窩，收發器均以小得多的RF前端增益實現所需的靈敏度。

圖3.分立接收器與收發器/接收器的靈敏度對比。

動態靈敏度如何呢？在射頻前端增益區域，我們會使用收發器設計廣域基站，動態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性度。在通常使用高增益的分立解決方案中，線性度常常由RF前端決定。在收發器設計中，與分立解決方案相比，干擾導致的靈敏度降幅顯著降低。
值得一提的是，在有過多干擾的情況下，系統會將增益降低到可以容忍干擾的程度，并在干擾降低時增加增益。這就是自動增益控制(AGC)。增益減小也會降低靈敏度。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是未來討論的主題。
總之，此類收發器有兩個突出特性：出色的噪聲系數和更高的抗干擾性。在信號鏈中使用收發器，意味著您可以通過小得多的前端增益實現所需的靜態靈敏度。此外，較低的干擾水平意味著您可以實現更好的動態靈敏度。如果需要LNA，其成本和功耗也會更低。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，市場上有可配置的收發器產品，其既適合廣域基站設計，也適合小型蜂窩基站設計。ADI公司在發展這種新方法方面發揮著領導作用，ADRV9009和ADRV9008產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，但更側重于功耗優化。
本文遠非全面綜述。靈敏度話題將在后續文章中進行更深入的討論。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一系列技術文章，目的是簡化設計流程并提升大家對接收器系統的理解。

作者簡介

Jon Lanford在ADI公司位于格林斯博羅的收發器產品部擔任系統與固件驗證經理。2003年獲北卡羅來納州立大學電氣工程碩士學位之后，便在ADI公司工作。其之前的工程崗位包括GSPS流水線ADC設計和校準算法設計，以及收發器的測試開發。聯系方式：jonathan.lanford@analog.com
Kenny Man的25年職業生涯涉及高速儀器儀表和無線基站的系統設計、系統應用以及無線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。愛好包括徒步旅行、滑雪和閱讀歷史。聯系方式：kenny.man@analog.com

關鍵詞：創新集成收發器 5G ADI