引言
設想一下，某個設備可以使您在家里實現(xiàn)高質(zhì)量的手機接聽，并允許您和您的家人無限制地使用語音和數(shù)據(jù)通信，而且月費用很低。毫微微基站就是這樣的設備，甚至還能提供更多的功能，它通常也稱為毫微微蜂窩基站。當將這種小型的無線設備放置于家庭或辦公室內(nèi)時，它能改善本地無線覆蓋率，這有望顯著改變無線基礎設施的產(chǎn)業(yè)格局。
圖1展示了毫微微蜂窩的概念。傳統(tǒng)的基站提供更大范圍的覆蓋，而毫微微蜂窩可在更小的區(qū)域內(nèi)提供無線覆蓋，例如住宅。毫微微蜂窩通過用戶的寬帶互聯(lián)網(wǎng)連接將手機信息流傳遞到網(wǎng)絡，因而減輕無線網(wǎng)絡的負載。毫微微蜂窩改善了網(wǎng)絡的容量，同時減少了信號的回程路徑，降低了功耗以及運營商的維護成本。它還使運營商可以參與家庭通信業(yè)務的競爭，在這個領域他們的信號覆蓋通常有限。運營商可以通過增加用戶的手機月費來補貼毫微微蜂窩的投入成本。當處于毫微微蜂窩區(qū)域時，所有的手機費用都被包括在家庭開銷預算內(nèi)，允許無限制地使用語音和數(shù)據(jù)，而不會產(chǎn)生很高的月費用。由于距離毫微微蜂窩很近，因此可以達到很高的連接質(zhì)量，這同時可以降低手機的電池耗電量。毫微微蜂窩還克服了3G信號從基站穿透墻體的制約，因而可以實現(xiàn)非常高速的無線數(shù)據(jù)業(yè)務，例如瀏覽互聯(lián)網(wǎng)、下載音樂以及手機接收視頻流等。
圖1：毫微微蜂窩基站與宏蜂窩基站的對比。
毫微微蜂窩與Wi-Fi路由器類似，是基于經(jīng)過驗證的無線基礎架構(gòu)標準，例如UMTS、CDMA。而且它與新出現(xiàn)的標準兼容，利用運營商擁有的頻段提供有效的、魯棒性的無線連接。由于與現(xiàn)存的手機是兼容的，因此這種連接對于用戶來說是透明的。不像宏蜂窩通常將數(shù)十或者數(shù)百個基站匯集到一張核心網(wǎng)中，毫微微蜂窩網(wǎng)關必須管理數(shù)千甚至數(shù)百萬個的毫微微蜂窩節(jié)點。
毫微微蜂窩必須提供與手機基站相近的服務質(zhì)量(QoS)，并且成本也相近，這對于無線設計工程師來說是一個獨特挑戰(zhàn)。毫微微蜂窩必須提供高質(zhì)量的語音服務和高速移動數(shù)據(jù)服務(EVOD和HSPA)，而成本僅為宏節(jié)點的幾分之一。為了解決這些挑戰(zhàn)，毫微微蜂窩的設計必須利用低成本的制造技術(shù)和高度集成的電路來降低調(diào)校和測試時間。 由于毫微微蜂窩設備應用于家庭，因此必須體積小巧、成本低廉，以及用戶可自行安裝。毫微微蜂窩的發(fā)射功率很低，在100mW級別，因此其設計必須注意到無線環(huán)境問題，以便降低無線干擾，滿足無線管制要求。3G毫微微蜂窩還必須能監(jiān)控UMTS信道以檢測附近的基站，以及檢測GSM信道，這樣當用戶離開毫微微蜂窩區(qū)域時，可以進行恰當?shù)木W(wǎng)絡切換。
毫微微蜂窩可以被視為由兩個截然不同的功能組成：模擬前端和基帶處理器。前端部分，即本文討論的主題，將數(shù)字數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換成發(fā)射電路中的RF信號，在接收鏈路中則相反。前端設計需要在集成度和性能之間進行折衷。盡管分立解決方案可以根據(jù)需要進行調(diào)整來提供最佳的性能，但是其成本對于毫微微蜂窩來說是不可接受的。相反，一個完全集成的解決方案可以帶來最低的成本，但是性能可能達不到要求。
圖2：基于ADI芯片組的毫微微蜂窩模擬前端的功能框圖。
圖2所示的是一個毫微微蜂窩設備的一個高層次功能框圖，設計用于支持工作于UMTS頻段的本地基站，以及監(jiān)測在850MHz、900MHz、1800MHz、1900MHz和2100MHz頻段的信號?；旌闲盘柷岸?MxFE®)基帶收發(fā)器 AD98631與 ADF4602-12集成無線收發(fā)器、ADL55423和ADL53204線性放大器、開關、濾波器和其它相關的支持電路共同組成了用于毫微微蜂窩的緊湊而高性能的前端。接下來將對圖中高亮的模塊進行詳細描述。
在發(fā)射端，數(shù)字基帶將12位的并行數(shù)據(jù)流發(fā)送到AD9863中，AD9863再將這些數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換成模擬I/Q基帶信號?；鶐盘栍葾DF4602-1轉(zhuǎn)換為RF信號，并由ADL5542和ADL5320構(gòu)成的增益級放大，然后發(fā)送到雙工器。功率檢測器用用于監(jiān)測RF輸出。一個單刀六擲(SP6T)開關用來選擇哪一條發(fā)送或接收監(jiān)測鏈路連接到唯一的天線。該信號鏈路在RF輸出連接器上提供13dBm的輸出功率，這符合3GPP TS25.104標準定義的發(fā)射ACLR參數(shù)。
接收鏈路包括聲表面波(SAW)濾波器和用于監(jiān)測主路徑的SPDT開關。匹配模塊由一個用于每個接收端口的簡單串聯(lián)/分流電感組成。ADF4602-1具有三個接收器輸入管腳：其中一個針對頻段1，另外兩個分別用于高頻段和低頻段監(jiān)測功能。頻段1接收功能可能在1960MHz到2140MHz之間切換，前者用于接收上行鏈路信號，后者用于監(jiān)測下行鏈路頻率。ADF4602-1將選擇的RF信號下變頻并濾波，從而獲得基帶I/Q信號。AD9863中的雙ADC對基帶信號進行采樣，并轉(zhuǎn)換為數(shù)字基帶的2個12位的并行碼流。
這種功能劃分給設計者帶來了靈活性，可確保信號鏈路的高性能，允許選擇數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的速度和分辨率以適合應用要求。ADI提供的解決方案使設計者能將模擬前端與基帶功能結(jié)合起來，加速毫微微蜂窩設計的面市時間，同時隨著毫微微蜂窩市場的成熟，還具有能在未來整合ADI技術(shù)的好處。
ADF4602-1集成式無線收發(fā)器
圖3中的ADF4602-1為3G收發(fā)器，具有無可比擬的集成度和特性組合，非常適合高性能3G毫微微蜂窩。接收器基于直接變頻架構(gòu)，是高集成度寬帶CDMA(W-CDMA)接收器的理想選擇，它完全集成了級間濾波器，從而降低了材料成本。接收基帶濾波器提供了可選的帶寬，可實現(xiàn)W-CDMA和GSM-EDGE無線信號的接收?？蛇x的帶寬以及多頻段LNA輸入結(jié)構(gòu)使GSM/EDGE信號可作為UMTS家用基站的一部分被監(jiān)測。
ADF4602-1包含兩個完全集成的可編程頻率合成器，用于產(chǎn)生發(fā)送或接收的本地振蕩器(LO)信號。設計中使用了小數(shù)N分頻架構(gòu)來實現(xiàn)低噪聲和快速鎖定。所有必要的器件，包括環(huán)路濾波器、VCO和諧振(tank)元件都完全集成在一起以實現(xiàn)發(fā)送或接收合成器。VCO運行在兩倍的高頻頻率和四倍低頻頻率上，使VCO在期望頻率處和頻率調(diào)諧范圍需求內(nèi)的泄漏功率最低。VCO使用多頻段結(jié)構(gòu)來覆蓋寬的工作頻率范圍。設計中采用了頻率和幅度校準來確保振蕩器總是工作在最佳性能條件下。由于自帶校準功能，可以在200微秒的PLL鎖定時間內(nèi)發(fā)生，因而不需要用戶輸入。片上VCO輸出被饋入到經(jīng)過調(diào)整的緩沖器級，然后再輸入到正交發(fā)生電路中。經(jīng)過調(diào)整的緩沖器確保在VCO傳輸中產(chǎn)生最低的電流和LO相關噪聲。正交發(fā)生器產(chǎn)生驅(qū)動調(diào)制器和解調(diào)器所需的非常準確的調(diào)相信號。設計中采取了一些特殊的預防措施來提供發(fā)送或接收鏈路之間的隔離，這是頻分復用(FDD)系統(tǒng)所要求的。
圖3：ADF4602-1功能框圖。
此接收器前端包括三個高性能單端低噪聲放大器(LNA)，允許器件支持三頻段應用。其中兩個適合1800MHz到2170MHz的高頻段工作，而另一個適合于824MHz到960MHz。還完全集成了級間RF濾波功能，確保在混頻級之前帶外阻斷器能恰當?shù)剡M行信號衰減。單端的50Ω輸入結(jié)構(gòu)簡化了連接處理，可減少小尺寸單端接解復用器要求的匹配元件。其卓越的線性度確保該器件能與多種SAW和陶瓷濾波器復用器一起實現(xiàn)良好的性能。
高線性度解調(diào)器電路被用于將RF信號變換到基帶同步分量和正交分量。其中包括兩個解調(diào)制器部分，它們分別針對高頻段和低頻段LNA輸出進行過優(yōu)化。高低頻段輸出被組合起來直接傳輸?shù)交鶐У屯V波器的第一級，這樣在基帶放大之前減少了最大的強干擾信號。接收器合成器部分為VCO分布系統(tǒng)的混頻器提供了正交LO驅(qū)動?？删幊谭诸l器允許使用相同的VCO用于高頻和低頻段。通過解調(diào)器和VCO分布電路的認真設計和布局，可以獲得良好的90度正交相位和幅度匹配。
基帶部分(包括分布式增益和濾波處理)被設計用于提供最大54dB的增益，并具有60dB的增益控制范圍。通過認真的設計，通帶紋波、群延時、信號損耗以及功耗都保持為最低。在制造階段就執(zhí)行濾波器校準，因而獲得很高的精度和易用性。這里提供了兩個可選的7階基帶濾波器：一種用于W-CDMA、截止頻率為1.92MHz，另一種截止頻率為100KHz，用于GSM。
在WCDMA模式中，ADF4602-1能提供102dB的增益，控制范圍為90dB，分布于整個接收信號鏈路。RF前端包含30dB的控制范圍：LNA為18dB，混頻器跨導級為12dB。兩個基帶有源濾波器級可以提供18dB的增益控制范圍，控制步進單位為6dB，因而三個12dB控制步進可以提供36dB的總增益控制范圍?？勺冊鲆娣糯笃?VGA)實現(xiàn)24dB的增益控制范圍，控制步進為1dB。為了簡化編程以及確保最佳的接收器性能和動態(tài)范圍，可以簡單地對總期望接收增益進行編程；ADF4602-1對增益設置進行解碼，在不同模塊之間自動分配增益。
發(fā)射器使用了一種創(chuàng)新的直接變頻調(diào)制器，它具有很高的線性度和極低的噪聲，同時還不需要外部發(fā)射SAW濾波器。用于I/Q信道的差分直流耦合基帶接口支持從1.05V到1.4V的共模電壓。允許的最大信號擺幅峰值為550mV，對應于I信道或Q信道上1.1V的差分電壓范圍。在正交調(diào)制器之前，基帶輸入信號通過截止頻率為4MHz的一個2階巴特沃斯濾波器，以抑制帶外干擾。校準技術(shù)使得在整個頻率范圍和環(huán)境條件下維持了精確的I/Q平衡和相位，確保滿足3GPP載波泄漏、EVM和ACLR要求，并且在任何條件下都有很好的性能裕量。ADF4602-1在190MHz的頻率偏移下具有–163dBm/Hz的寬帶背景噪聲和-8dBm的輸出功率，同時滿足EVM和ACLR的TS25.104規(guī)范要求。輸出匹配到50Ω，可實現(xiàn)到功率放大器的簡單連接。
AD9863混合信號前端基帶收發(fā)器
AD9863是針對通信市場的MxFE系列集成轉(zhuǎn)換器之一，是低成本高性能毫微微蜂窩應用的理想選擇。它集成了雙12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器和雙12位TxDAC®數(shù)模轉(zhuǎn)換器。這些ADC針對50MSPS或更低采樣率進行優(yōu)化，工作在高達200MHz的頻率下，包括一個可旁路的2×或4×的內(nèi)插濾波器。該器件采用了64管腳的LFCSP封裝，尺寸為9 mm × 9 mm × 0.9 mm。這里重點介紹了AD9863，但是MxFE系列(AD9860、 AD9861和AD9862)提供給設計師更多性能選擇的靈活性，以及針對控制電路的輔助轉(zhuǎn)換器。
圖4：AD9863 MxFE框圖。
市場上有各種ASIC或DSP提供一種靈活的雙向24位I/O總線。在半雙工系統(tǒng)中，接口支持24位并行傳輸或12位交叉?zhèn)鬏敗Ｔ谌p工系統(tǒng)中，接口支持12位交叉ADC總線和以及一種12位交叉DAC總線。靈活的I/O總線減少了管腳數(shù)和封裝尺寸。對于頻分復用(FDD) W-CDMA，AD9863可以實現(xiàn)發(fā)送或接收信道同時工作，這需要使用全雙工模式，即一條12位的交叉Rx數(shù)據(jù)總線和一個12位交叉Tx數(shù)據(jù)總線。
DAC內(nèi)核將12位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成兩個互補的差分電流輸出，并使用圖5中所示的電阻網(wǎng)絡將這些電流提供給ADF4602-1。對于1.2V的共模電壓，將RDC設置為120Ω；對于1Vp-p差動輸入擺幅， RL設置為63Ω。
圖5：AD9863和ADF4602-1之間的簡單接口。
DAC包含可編程的增益精細控制與直流偏置控制，可以用于I和Q信道之間的失配，以抑制LO饋通，并提高EVM性能。10位的直流偏置控制可以獨立用于為任何一個差動管腳提供高達±12%的偏置，這樣可以校準任何的系統(tǒng)偏置。
ADC輸入由一個2KΩ差動輸入電阻和一個開關電容電路組成。輸入可以是針對中位電壓(midsupply)的自偏置，或者可以通過編程設置來接受一個外部直流偏置。因此，建議將ADF4602-1接收基帶輸出直接連接到AD9863 ADC輸入。ADC輸入滿幅電平為差分2V p-p 。
毫微微蜂窩的時鐘解決方案
毫微微蜂窩需要非常準確的參考時鐘(誤差在±0.1 ppm)，以滿足3GPP規(guī)范要求。關于實現(xiàn)這種精確的時鐘控制的方法本文不作討論，但是值得一提的是有若干的可能性存在，包括通過監(jiān)測接收器的GSM宏蜂窩同步、GPS同步以及IEEE1588精確時序協(xié)議。在某些情況下，一些毫微微蜂窩提供商也將上述方法進行組合加以實現(xiàn)。最終，參考時鐘控制電路將控制參考頻率源。在ADI的評估板上，5 這種26MHz VCTCXO用作ADF4602-1的參考時鐘，延時鎖相環(huán)(DLL)產(chǎn)生19.2MHz的時鐘，是3.84MHz W-CDMA芯片時鐘的幾倍，此19.2MHz時鐘用作AD9863的時鐘輸入。
AD9863提供多種時鐘配置，可對很多參數(shù)進行配置。ADC時鐘速度、DAC時鐘速度、PLL以及內(nèi)插器設置都是軟件可控制的，允許針對性能來優(yōu)化功率以滿足要求。在推薦的配置中，PLL乘法器被設置為2×，使PLL的輸出頻率為38.4MHz。ADC的時鐘為該頻率的一半。在發(fā)送端，38.4MHz PLL的輸出用于提供給DAC。發(fā)送插值被設置為2×，以抑制DAC鏡像。還可能有其它的時鐘頻率組合。AD9863數(shù)據(jù)手冊提供完整的工作模式描述。使用上述的時鐘方案，毫微微蜂窩并不需要任何在宏蜂窩基站中常見的分立頻率變換PLL。該器件集成了所有的頻率變換功能，可幫助毫微微蜂窩滿足市場要求的價格水平。
RF放大器
選擇用于RF功率級的放大器為低成本、高性能寬帶線性放大器，采用磷化銦鎵工藝制造。這些放大器對ADF4602-1的輸出進行線性放大，并彌補RF復用器和開關中的損耗。ADL5542包含內(nèi)部偏置和匹配功能；ADL5320需要外部匹配，采用行業(yè)標準的塑料SOT-23封裝。兩種放大器都直接工作在5V的電壓軌，因此不需要外部偏置電路。表1描述了放大器的關鍵參數(shù)。ADI的RF放大器的設計采用了專利技術(shù)，相對于電源電流具有卓越的線性度。
表1：2GHz下ADF5542和ADL5320的關鍵參數(shù)。
| 參數(shù)規(guī)格 | ADL5542 | ADL5320 |
| 增益 | 19 dB | 13.2 dB |
| P1dB | 18.9 dB | 25.7 dBm |
| 輸出 IP3 | 37 dBm | 42 dBm |
| 噪聲指數(shù) | 3.1 dB | 4.4 dB |
| 電源電流(5V電源) | 97 mA | 104 mA |
發(fā)射輸出功率與降低干擾
為了降低干擾，毫微微蜂窩必須靈活智能地設置其輸出功率，以解決多個相互鄰近、工作在相同頻率的毫微微蜂窩的部署問題(例如在公寓內(nèi))。在這種情況下，每個毫微微蜂窩都需要以較低的輸出功率發(fā)射，以避免相同頻率的干擾。而且，毫微微蜂窩還不能干擾工作在鄰近信道的周邊的宏蜂窩基站，因為這會導致對附近連接到該宏蜂窩網(wǎng)絡的手機產(chǎn)生盲點。因此要求毫微微蜂窩具有鄰近信道保護功能，迫使它測試鄰近下行信道的功率，根據(jù)預定義的公式來設置其功率，以便不會妨礙宏蜂窩信號。i
為使毫微微蜂窩滿足要求的價格水平，并便于用戶安裝，這些降低干擾的技術(shù)必須是自動實現(xiàn)的，而不能要求某個受過訓練的現(xiàn)場技術(shù)人員或家庭用戶進行參與。當設備第一次被用戶啟動后，這個過程應該是自動啟動的，此后每隔固定的時間段后就進行升級。ADI設計中的頻段1監(jiān)測接收器和ADF4602-1大的動態(tài)發(fā)射范圍，允許毫微微蜂窩供應商實現(xiàn)自動降低干擾的技術(shù)，而不需要外部參與。監(jiān)測接收器允許對鄰信道的功率進行準確測試，并相應地調(diào)整輸出功率。這將大約需要30dB的總發(fā)射功率動態(tài)范圍。
RF性能測試
為了根據(jù)TS25.104無線系統(tǒng)參數(shù)規(guī)格來評估此收發(fā)器芯片組，我們將上面介紹的收發(fā)器用在評估板設計中。圖6所示的評估平臺使獨立的發(fā)送或接收鏈路測試以及單獨的元件測試得以實現(xiàn)。此評估板包括圖1所示框圖的功能以及功率調(diào)理。
圖6：ADF4602-1/AD9863評估板。
無線電部分，包括ADF4602、AD9863、ADL5542、ADL5320和VCTCXO以及所有相關的前端開關和濾波器，占用1" × 2"的電路板面積。值得注意的是，這個電路板并沒有為了節(jié)省空間尺寸而進行優(yōu)化，因為它僅僅為測試而設計的，對于用作實際生產(chǎn)的設計可以變得更緊湊。下圖包括了某些基于TS25.104參數(shù)規(guī)格的關鍵測試結(jié)果，這些測試結(jié)果表明了測試板上ADI芯片組的性能。
圖7：頻段1接收器靈敏度測試結(jié)果。
接收器靈敏度是根據(jù)接收器檢測到一個低電平信號的能力來評估的，表征了接收器的噪聲指數(shù)。在這次測量中采用了一個12.2KHz的參考基準。ADF4602-1的增益設置為80dB。此接收器靈敏度在整個頻段超過TS25.104規(guī)格達6dB以上。
接收器的另外一個關鍵參數(shù)是在干擾條件下的性能。干擾測試仿真了在出現(xiàn)大的鄰信道干擾信號條件下接收到目標信號的能力。UL 12.2kHz基準信號被設置為-101dBm，在測得的BER為10–3 時加入干擾信號。如表2所示，在所有三種情況下，ADF4602-1都以一定裕量超過TS25.104指標。
表2：接收器阻斷測試結(jié)果與TS25.104參數(shù)比較。
| 接收器強干擾參數(shù)規(guī)格 | TS25.104規(guī)格極限值 | ADF4602 評估板測試結(jié)果 |
| 鄰近信道選擇性 | –38 dBm | –31 dBm (7 dB 裕量) |
| 10 MHz WCDMA 強干擾 | –30 dBm | –21 dBm (9 dB 裕量) |
| 20 MHz 帶外 CW 強干擾 (1900 MHz) | –15 dBm | –11 dBm (4 dB 裕量) |
發(fā)射信號鏈路質(zhì)量的關鍵指標為鄰近信道泄漏比(ACLR)以及矢量幅度誤差(EVM)。在這兩種情況下，這些測試是組合發(fā)射鏈路線性度的關鍵指標。表3收集了在ADI評估板上測試的結(jié)果并與TS25.104規(guī)格進行比較。它還包括了峰值碼域誤差，EVM測試確保誤差在碼域內(nèi)均衡分布。ii在所有的情況下，ADF4602-1評估板都以一定的裕量超過了TS25.104規(guī)格。圖8給出了在ACLR測試中用到的輸出頻譜。
表3：發(fā)射器測試結(jié)果與TS25.104參數(shù)比較。
| 發(fā)射器參數(shù) | TS25.104 參數(shù)極限值 | ADF4602 評估板測試結(jié)果 |
| 誤差矢量幅度 (EVM) | <12% | 4% |
| 峰值碼域誤差 (PkCDE) | <–33 dB | –46 dB |
| 鄰近信道(5 MHz) ACLR | <–45 dB | –49 dB |
| 間隔信道(10 MHz) ACLR | <–50 dBm | –72 dB |
圖8：針對13dBm輸出功率的W-CDMA頻段1信號的ACLR測量結(jié)果。
圖9給出了典型的毫微微蜂窩配置的發(fā)射EVM圖，涉及到兩個HSDPA信道以及許多語音/數(shù)據(jù)信道。復合EVM低于4%。電路評估結(jié)果表明，EVM主要是因為調(diào)制器輸入處的I/Q偏置電壓引起LO泄漏而產(chǎn)生，這是直接變頻發(fā)射器的一個特點。如前面所述，這些偏置可以采用AD9863直流偏置控制進行校正。這種校正方法在應用筆記6中有完整的闡述。6
圖9：典型毫微微蜂窩配置的EVM測量結(jié)果。
結(jié)束語
方興未艾的毫微微蜂窩應用為無線電設計師在保持基站性能的同時將成本降至最低帶來了特有的挑戰(zhàn)。ADI 3G毫微微蜂窩芯片組由集成了無線收發(fā)器的ADF4602-1、MxFE基帶收發(fā)器AD9863和ADL5542、ADL5320RF放大器組成，該芯片組使設計師能以緊湊的外形尺寸滿足TS25.104規(guī)格要求。