3G蜂窩Femto基站單芯片收發(fā)器方案和射頻參考設計

3G蜂窩Femto基站單芯片收發(fā)器方案和射頻參考設計為什么使用Femto基站？基于3GPP的第三代蜂窩系統(tǒng)設計用于支持全移動多媒體體驗，很多情況下，該系統(tǒng)的普及受限于其接收效果，尤其是住宅和偏遠地區(qū)。在住宅密集的市區(qū)，尤其是高層建筑物中，急待解決系統(tǒng)擴容、改善服務質量(QoS)等問題。面對這樣的要求，“Femto”蜂窩基站應該是合乎邏輯的選擇，基站一般分為以下幾類：

?+45dBm：宏蜂窩基站，覆蓋室外大約5km的區(qū)域

?+30dBm：微蜂窩基站，覆蓋大約0.5km的區(qū)域

?+15dBm：Femto基站，覆蓋大約50m的室內住宅或建筑區(qū)域對于住宅內部署，F(xiàn)emto基站可通過公共交換電話網接入網絡，通?？梢圆捎米≌腄SL線路。手機僅與家里的Femto基站通信，從而使用戶擺脫對宏蜂窩基站的依賴。在高層建筑中，F(xiàn)emto基站可連接到大廈的有線以太網系統(tǒng)，這也減輕了宏蜂窩基站的負荷。下面，我們簡單介紹Femto基站部署的基礎，了解Maxim射頻方案如何為這一技術提供關鍵優(yōu)勢。提高蜂窩覆蓋蜂窩系統(tǒng)的設計需要在手機電池壽命、手機計算功耗、基站用戶負荷之間達到最佳平衡。此外，隨著蜂窩標準的不斷完善，可以充分發(fā)揮先進的移動DSP的性能優(yōu)勢。蜂窩系統(tǒng)運營商緊跟這一趨勢，努力提供更多、更好的多媒體內容，從而提高收入并吸引更多的新用戶。用戶則享受到了“無處不在”的移動互聯(lián)。由于蜂窩手機用戶以每年1億的速率增長，在這一利益的驅使下，形成了一個高效、極具競爭的供應鏈，以保證低價格、高性能。寬帶無線通信與蜂窩RF業(yè)務的比較寬帶無線系統(tǒng)的開發(fā)和部署與蜂窩系統(tǒng)的開發(fā)計劃如影隨形，以滿足市場/用戶的發(fā)展需求。最初，所謂的“咖啡廳”Wi-Fi?為用戶提供802.11互聯(lián)網接入，當用戶在附近停留或在飯店用餐時可以使用網絡。隨后，有些城市開始著手建設Metro-Wi-Fi接入點，為商業(yè)區(qū)提供服務。這種模式非常成功，2004年發(fā)布了更好的無線接入系統(tǒng)，即802.16WiMAX?(以及韓國的WiBro?)，目的是提供“城域寬帶無線接入”服務。采用正交頻分復用(OFDM)代替單載波調制，能夠允許這些寬帶無線系統(tǒng)克服城市的多徑效應，但發(fā)射功率需要提高4倍。這是因為OFDM802.16d的峰均比(pk-avg)接近11dB，而WCDMA3GPPpk-avg為5dB。Intel?已經率先將WiMAX作為超級移動PC(UMPC)的RF連接標準，超級移動PC的大小定義為普通蜂窩電話的大約6倍。因此，UMPC促進了WiMAX服務，但由于WiMAX需要更大容量的電池，所以很難將其集成到超薄/翻蓋手機中。發(fā)射塔建設蜂窩和WiMAX部署的一個共同障礙是發(fā)射塔建設和道路占用問題。道路占用權的租賃費用以及市政部門對城市規(guī)劃的條例，都會大大制約這兩套系統(tǒng)的建設空間和區(qū)域。蜂窩運營商早在WiMAX之前大約20年就開始系統(tǒng)的部署與建設，在基站覆蓋和新建系統(tǒng)上具有明顯優(yōu)勢。有線固定住宅業(yè)務有線住宅接入系統(tǒng)是對住宅WiMAX的有力補充。住宅業(yè)務一般包括光纖到戶(PON)、電話線DSL和有線電視互聯(lián)接入。在發(fā)達國家，這些業(yè)務得益于網絡終端設備的長期發(fā)展。PON是比較新的接入方案，但網絡的本地交換運營商(LEC)已經擁有道路使用權，只需要用新光纖替換老舊的銅纜即可。這些業(yè)務為Femto基站部署提供了現(xiàn)成的設計平臺，我們將在下文詳細討論?；镜腇emto基站部署圖1所示對傳統(tǒng)的節(jié)點B宏峰窩基站連接與Femto基站連接進行了比較。圖1.傳統(tǒng)的節(jié)點B宏蜂窩基站連接與Femto基站連接比較圖1中，左側部分為蜂窩手機與蜂窩發(fā)射塔的直接連接方式，圖中房屋為木質結構，穿過墻壁的損耗相對較低，在一定程度上等效于靠近宏蜂窩基站。右側部分則為混凝土高層建筑，室內或公共辦公樓安裝了Femto基站。通過住宅DSL線路或商用有線以太網連接Femto基站。這種情況下，大廈內的信號可以很微弱，F(xiàn)emto基站扮演了一個“個人、專用基站”的角色，不與宏蜂窩基站通信。需要指出的一點是現(xiàn)在許多基帶DSP供應商都可提供成熟方案，使Femto基站能夠克服宏基站和其它Femto基站信號的干擾，這一點對Femto基站來說很重要。Femto基站克服了蜂窩系統(tǒng)的關鍵問題容量限制傳統(tǒng)的宏蜂窩基站在高峰時段的呼叫容量受到一定限制。系統(tǒng)按照統(tǒng)計學原理設計，采用了流量排隊理論處理既定時間的呼叫數(shù)量。所以，長時間的通話會降低高峰時段的呼叫容量。另外，當基站為位于邊界附近的手機提供服務時，宏蜂窩基站將不得不增大發(fā)射功率，這會影響為其他客戶服務的動態(tài)范圍。所以，邊界附近的手機呼叫也會降低總呼叫容量因為他們會壓縮基站發(fā)射的動態(tài)范圍(見圖2)。圖2.呼叫距離對宏蜂窩基站發(fā)射功率的影響這兩種因素限制了宏基站的容量，進而影響運營商的收益，并將新用戶拒之門外。Maxim的單芯片F(xiàn)emto基站RF收發(fā)器Maxim的RD2550Femto基站參考設計能夠滿足WCDMA波段1的TS25.104要求，我們還提供WCDMA波段2、4和5的參考設計。該參考設計的核心是單片收發(fā)器，帶有Δ-∑比特流數(shù)字接口，可直接連接基帶DSP/調制解調器。收發(fā)器采用低電平LVDS接口，在基帶DSP/調制解調器完成信道濾波，可通過軟件重新配置無線工作狀態(tài)。我們已經完成完整的RF收發(fā)器參考設計。利用收發(fā)器集成的LNA，支持宏蜂窩基站監(jiān)測模式。圖3所示為參考設計電路板，詳細信息請見參考設計5364：利用MAX2550–MAX2553收發(fā)器構建的Femtocell射頻參考設計。圖3.MaximFemto基站參考設計滿足UTRA波段1Femto基站標準(3GPPTS25.104)Femto基站的主要指標如表1所示，對于WCDMAFemto基站，滿足接收機和發(fā)射機TS25.104的動態(tài)范圍要求比TS25.101手機規(guī)格的要求更嚴格，相差至少10dB。但是，由于預計的產量很大，集成度和BOM成本還必須做到手機的同等水平。因此，理想情況下最好采用低成本、高集成度的手機芯片組設計，而在與手機相反的收/發(fā)頻帶內也要保持高性能(基站應用)。表1.TS25.104主要要求UplinkRequirementsDescriptionSpecificationConditionFrequencyband1920MHzto1980MHzBand1Rxsensitivity-107dBm12.2kbpsdatarate,

BER

shallnotexceed0.1%Adjacentchannelselectivity(ACS)-101dBm-38dBm,5MHzoffsetWCDMAmodulatedinterferingsignalBlocking(1900MHzto2000MHz)-101dBm-30dBm(min),10MHzoffsetWCDMAmodulatedinterferingsignalBlocking(1MHzto12,750MHz,except1900MHzto2000MHz)-101dBm-15dBmCWcarrierIntermodulation-101dBm-38dBm,10MHzoffsetCWsignaland-38dBm,20MHzoffsetWCDMAsignal

DownlinkRequirementsDescriptionSpecificationConditionFrequencyband2110MHzto2170MHzBand1MaximumoutputpowerLessthan+24dBm—Adjacentchannelleakageratio(ACLR)-45dB/-50dBOffsetfrequency5MHz/10MHzErrorvectormagnitude17.5%/12.5%QPSK/16QAM,RMS例如在接收通道，用于測量ACS的5MHz頻偏內阻塞要做到-38dBm，比-52dBm的手機要求苛刻得多。同樣，用來測試通道選擇性的10MHz頻偏內，阻塞要做到-30dBm，而手機僅要求-56dBm。因此，接收器必須具有更高的IIP2和IIP3性能。相對于手機，F(xiàn)emto基站發(fā)射機線性度的指標同樣要求非常高。對于WCDMA手機，ACPR規(guī)定為-33dBm，而TS25.104Femto基站則為-45dBm左右。系統(tǒng)性能測試和分析接收靈敏度是一個重要的系統(tǒng)指標，受RF通道的信號質量和基帶調制解調器DSP處理能力的影響較大，在最小輸入信號條件下，RF通道質量受接收器噪聲(即NF)的影響。接收靈敏度可通過系統(tǒng)NF計算，在靈敏度計算中，基帶解調器BER為0.001%的QPSK信號要求Eb/No為7.5dB，靈敏度可根據下式計算：參考靈敏度=KTB+NF+Eb/No-PG

式中：

BW=3.84MHz碼片速率

KTB=-174dBm/Hz+10log(3.84MHz)=-108.13dBm

PG=12.2kbps碼率，相對于擴頻帶寬=10log(3.84MHz/12.2kbps)=25dB

如果NF為10.5dB，靈敏度計算如下：

-108.13dBm+10.5dB+7.5dB-25dB=-115.13dBmACS及阻塞性能可采用類似方法計算，按規(guī)定的干涉條件測量系統(tǒng)NF。這里，由于干涉效應產生的附加噪聲，使得NF比靈敏度測量結果要差一些。按照TS25.141規(guī)定的測試模型1(TM1)測量Tx性能，TM1信號模擬實際的流量情況，pk-avg可能較高。在3.84MHzWCDMA帶寬測量最大功率，在5MHz頻偏位置測量ACLR。這種情況下，發(fā)射ACLR性能主要取決于外部PA。RD2550UMTS波段1Femto基站參考設計的性能測試表2.RD2550參考設計性能測試UplinkRequirements

DescriptionSpecificationMaxim'sRadioPerformanceFrequencyband1920MHzto1980MHzBand1Rxsensitivity-107dBmExceedsACS-101dBmExceedsBlocking(1900MHzto2000MHz)-101dBmExceedsBlocking(1MHzto12,750MHz,except1900MHzto2000MHz)-101dBmExceedsIntermodulation-101dBmExceeds

DownlinkRequirements

DescriptionSpecificationMeasuredPerformanceFrequencyband2110MHzto2170MHzBand1MaximumoutputpowerLessthan+24dBmWithexternalPAACLR-45dB/-50dBExceedsErrorvectormagnitude17.5%/12.5%Exceeds圖4.TM116DPCH信號ACLR，+20