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随着WiMAX标准的受欢迎程度日益上升，而且802.16标准的主导地位也在不断稳固，该技术必将成为一项长期而前景广阔的技术。在手机产业的宽带无线覆盖以及高速回程应用(backhaul application)方面，802.16d固定标准已经获得其立足之地。随着能够支持主要的WiMAX频带的RF芯片组的推出，其他创新性的通信应用也应运而生。随着固定标准不断推广，业界的关注重点正转向802.16e标准，即WiMAX的移动标准。这些器件将有助于实现PCMCIA卡中收发器的小型化，最终必将为笔记本和移动电话所采用。
最初的设计重点是CPE市场，其商业模型侧重于大规模制造以及高销量。WiMAX基站收发台(BTS)解决方案紧随其后，实现完整的系统解决方案。BTS是一种量较低(成本较高)的系统，通常对更高的RF架构性能考虑重于对成本的考虑。此外，由于BTS的静态特性，在机械外壳、散热片和电源设计上具有更多的回旋余地，因此这些不会对收发器设计产生什么局限性。
显然，就上述WiMAX系统而言，没有绝对正确的架构。每种选择都有其优缺点，设计工程师必须权衡比较，才能实现系统的目标。我们要根据CPE和BTS等不同应用需求来有选择性地考虑不同的RF架构，分析其主要的优劣势。
数字基带到RF接口
RF架构首先要考虑的问题就是定义数字基带处理器与RF电路之间的信号接口。信号接口有两种选择：低中频(IF)与I/Q(正交)接口。数字基带处理器可能仅具备一种接口选项，因此设计工程师也就别无选择了。其他处理器可能会需要在低IF和I/Q接口之间进行选择。由于CPE数字处理器通常集成了数据转换器，因此预定义了连接到RF电路的接口。由于数据转换器属于外部器件，我们可根据架构的选择来确定所匹配的数据转换器，因此BTS的灵活性更高。
低IF接口针对数据转换器的发送(TX)和接收(RX)采用单一的信号路径。对低IF频率的选择可能受限于RF芯片组电路，或者受到数据转换器采样率的影响，数据转换器的采样率必须至少是信号带宽最高频率的两倍。但在实践中，对数据转换器采样率的选择往往要高得多，以确保保持信号完整性，同时使在数据转换器镜像信号以及杂散信号被推高，以轻松实现模拟滤波。要达到WiMAX标准，必须消除由转换器生成的输出杂散信号。例如，18MHz的低IF传输信号带宽为3.5MHz，这就要求数模转换器(DAC)采样率至少达40MSPS才能满足信号最高频率的要求。如果转换器采用更高的采样率，那么DAC镜像信号就会被提到更高的频率，这就使简单的3极低通滤波器能够高效率地实现滤波工作。
I/Q接口采用两个连接至数据转换器的正交信号。通常，信号位于基带(即以0Hz为中心)，不过也可让I/Q接口的信号以某个低中频为中心。低中频的I/Q接口通常不适合CPE应用，但在采用高性能数据转换器的BTS应用领域却非常有用。由于整体信号被拆分为正交分量信号，因此每个路径的信号带宽减半，这样数据转换器的采样率就不会要求那么严格，尽管需要两个转换器。
尽管低IF接口可简单地采用混频器将输入信号转换为较高频，但I/Q接口要求采用调制器或解调器。此后，我们说到调制器一词时，将同时指调制器和解调器，因为两种器件的特性基本相似。调制器内部采用两个由LO正交信号驱动的两个混频器。
尽管调制器比简单的混频器要复杂些，但其拥有一项重要优势，即可自然地对LO信号和镜像频率进行抑制。抑制量取决于两大参数：DC偏置平衡与正交平衡，相内(I)路径和正交(Q)路径之间的DC偏置平衡决定了载波馈通(feed through)量。具体就发送器工作而言，抑制或消除载波非常关键，因为它非常接近于目标信号。信号路径间的幅度和相位平衡将决定镜像信号或不需要的边带的抑制。与DC偏置情况类似，抑制镜像频率对符合相关标准要求也非常重要，因为它通常会接近目标信号。
相关参数通常非常敏感，我们经常需要微调DC偏置、信号幅度以及I/Q路径间的相位平衡，以解决不同批次、频率以及温度的差异问题。不同环境下的参数校准和参数调节是架构设计的重要组成部分，同时对I/Q接口的实现也至关重要。
超外差或直接变频架构
建立了接口之后，设计工程师就应该选择适当的RF链转换架构。对于大多数应用而言，我们可在超外差和直接变频射频技术之间进行选择。这一选择决定着采用何种类型的器件以及所需滤波器的数量。除芯片组本身之外，滤波器的成本是射频电路中最高的部分。
超外差技术是一种双转换方案，即先将输入信号转换为中频，再将其转换为适当的RF通道。在这种架构下，IF频率是静态的，允许使用高性能声表面波(SAW)滤波器。最终的变频混频器采用可调节的LO，将信号置于期望的输出通道上。通过IF SAW滤波器，在来自DAC或首次变频混频器的杂散输出信号传输到放大器和PA，通过天线传播开来之前，将其消除。在接收端，利用SAW滤波器来阻断邻信道干扰，避免严重影响到的射频灵敏度。RX阻断器的性能是确保符合WiMAX标准的关键参数。
直接变频架构是将输入信号直接变频为所需的RF通道，不采用中频。超外差射频技术采用低IF转换或I/Q调制器来进行中频转换，而直接变频射频技术则需采用正交调制器。由于该架构中没有选择性较高的SAW滤波器，因此必须利用调制器来抑制镜像频率和载波分量。我们可将LO频率调至适当通道，将输入信号转换为期望的RF通道。在阻断特性非常关键的接收端，直接下变频射频技术应具备优异的动态范围和适当的基带滤波技术，以处理相邻信道的干扰和窄带干扰，从而避免对无线电广播的灵敏度造成较大影响。
直接变频射频技术的另一个关键参数是传输输出噪声，单位为dBc/Hz。如果没有IF滤波的话，那么调制器的所有噪声都将到达PA，从而通过天线发射出去。因此，必须确保较高的动态范围，并降低输出噪声，这样才能满足WiMAX标准的要求及其它相关规范。直接变频架构采用尽可能少的滤波器和合成器，这对于低成本设计方案而言是相当有利的，不过同时也对调制器和解调器器件提出了极高的性能要求。我们必须注意采用适当的器件，使其满足所有的相关标准要求，这样才能确保该方法的可行性。
针对CPE的WiMAX系统
CPE(用户端设备)是一种高销量的产品，它不仅需要符合WiMAX规范，而且还要求满足低成本目标，同时在制造过程中还要具有高度的性能稳健性，这样才能在市场中获得成功。如前所述，基带处理器的选择至关重要，需要采用低IF或I/Q接口。目前市场上的大多数CPE基带解决方案均可配置为IF或I/Q接口，在接口的选择方面不会有什么限制问题。变频架构的选择是一个相关性很强的问题。为了确保满足WiMAX标准，设计工程师通常首先会选择低IF、双变频射频技术。这时，类似于TSW500x参考设计中的TI TRF1xxx系列器件就能实现符合WiMAX标准要求的收发器，而且还能满足WiMAX对频率、功耗以及温度的要求。图1给出了该架构的结构图。
图1：TSW500xWiMAX参考设计结构图
在下一代的设计中，在性能上将有望保持与当前的固定WiMAX技术相关的性能标准，同时提高集成度，进而降低移动应用的成本。我们可采用直接变频架构来实现上述目的，配合采用外部功率放大器(PA)和外部低噪声放大器(LNA)，或者可采用在RF前端芯片上集成PA和LNA的超外差架构，图2给出了这两种架构的结构图。两种架构均能降低成本、提高集成度，并将芯片组的器件减少为两到三颗，从而降低PCB的面积占用。直接变频必须保持不错的DC偏置平衡和正交平衡，并且具有适当的动态范围以处理阻断信号(blocker signal)，这样才能成为有效的解决方案。超外差方案将采用额外的SAW滤波器，以便协助满足减少杂散和RX阻断器的要求。只要采用了正确的设计方案，其所需的额外滤波器和合成器就会通过功率放大器的集成性能而物有所值。这两种方案的成本和电路板面积的占用基本相同，决定性因素将在于PA的性能和成本。
图2：直接变频与超外差结构图
针对BTS的WiMAX系统
对于BTS系统而言，我们更关注性能而不是成本和尺寸。不过，由于WiMAX是一种新部署的技术，我们还是希望降低成本。最初的WiMAX系统采用开环PA，能够向天线提供2到4瓦的调制功率。采用这种PA技术时，我们用了足够高功率的PA末级晶体管(final transistor)来实现期望的调制功率输出，通过足够地补偿(back off)放大器来实现适当的误差矢量幅度(EVM)性能。尽管这种方法是可行的，但效率非常低，常常需要大型的散热片和主动冷却。新一代的BTS系统将需要更高的功率，这使得补偿线性化方法就难以为继了。设计工程师开始考虑其他的线性化方案。他们先用波峰因数降低技术(CFR)在进行数模转换前降低信号域中到达信号的功率峰均值比(PAR)。由于WiMAX信号对带内信号完整性的要求非常严格，因此这种方法在CFR的固有EVM衰减变得很大之前，可能只会降低1.5到2dB的PAR。
为了在技术改进方面取得更大的进展，设计工程师将采用数字预失真(DPD)线性化方法。该技术将修改数字输入信号，这样，在信号通过非线性功率放大器之前，我们能抑制掉不必要的互调信号。该方法在蜂窝通信PA市场上日益受到欢迎，人们正在研究将其用于WiMAX系统。
DPD有两种特殊的架构要求。一是需要在PA后提供反馈路径，以便为进行线性化系数的自适应调节向DPD处理器发送输出信号，从而在不同输出功率和环境条件下保持良好的线性化效果。如果采用时分双工(TDD)WiMAX系统的话，这一要求可以忽略，因为这时已经有了接收机，并且在传输周期中处于空闲状态。
第二个要求与预失真信号的带宽相关。DPD信号将包括用于抑制由PA生成的三阶与五阶产物。这样，输入信号会是所需信号的五倍。超外差无线电广播技术中所用的SAW滤波器与所需信号宽度相同，不足以让DPD信号通过。此外，过长的群组延迟和与SAW滤波器不同带宽属性下群组延迟的差异也会对DPD自适应算法产生不良影响。因此，直接上变频方案是采用DPD技术的最可行方法。采用DPD的直接上变频方案对正交调制器和执行驱动功能的DAC提出了极高的性能要求。例如，TI的DAC5687配合TRF3703正交调制器就是一个典型的应用实例，如图3所示。
图3：DPD直接上变频结构图
DAC5687拥有超过500MSPS的采样率以及内置的调节功能，可实现DC偏置校准以及幅度和相位平衡等。调制器具备足够宽泛的动态范围，输出噪声低，仅为-163dBc/Hz，足以在不增加任何额外失真的情况下确保DPD信号通过。上述技术相结合，我们可将DPD用于蜂窝信号，同样也可应用于WiMAX系统。
出于对称原因，BTS接收机也可采用直接下变频架构。不过，由于对阻断器的严格要求，我们可能需要在超外差方案中采用窄带滤波技术。BTS设计工程师可选择混合架构方法，其中采用DPD的发送器使用直接上变频调制器，而接收机则采用双通道转换机制，当接收机用作DPD反馈路径时可选择绕开IF SAW滤波器。该方案在整个系统中实现了每种架构的最佳优势。
本文小结
实践证明，WiMAX技术是可行的。不过，该技术的成功取决于我们制造并部署相关产品的效率。这里介绍的多种接口和架构为我们提供了基本的信息，有助于我们设计出高性能，并且可大规模制造低成本的产品，从而适应并迎合当前商业环境的需求。接口选择主要由数字基带决定。是采用双转换还是采用直接上变频或下变频技术，这要在性能和复杂性之间进行权衡取舍。没有绝对正确的方法，每种方法都各有千秋。我们应努力实现具有最高性能和灵活性的方案，这样才能为RF设计工程师提供最佳的商业模型，从而满足日新月异的标准要求。
作者：
Russell Hoppenstein
射频应用工程师
德州仪器公司
rhoppenstein@ti.com
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