在家庭基站應(yīng)用中采用單芯片收發(fā)器

本應(yīng)用筆記討論了3G蜂窩家庭基站的開發(fā)和部署。討論了最后一英里住宅連接和在密集城市環(huán)境中增加系統(tǒng)容量的技術(shù)挑戰(zhàn)，其中3G家庭基站是一種經(jīng)濟高效的解決方案。Maxim的3GPP TS25.104收發(fā)器解決方案與RD2550等完整的無線電參考設(shè)計一起發(fā)布。

為什么選擇家庭基站？

3GPP下的第三代蜂窩電話系統(tǒng)旨在提供完全移動的多媒體體驗。在許多情況下，廣泛采用受到現(xiàn)有接待的限制，特別是在住宅和偏遠地區(qū)。在人口稠密的城市地區(qū)，尤其是在高層建筑中，挑戰(zhàn)在于增加系統(tǒng)容量并克服可能導致這些環(huán)境的低服務(wù)質(zhì)量 （QoS）。

在這兩種部署方案中，“家庭基站”蜂窩基站是合乎邏輯的答案?；镜囊话惴诸惾缦拢?/p>

+45dBm：宏基站覆蓋~5km的室外蜂窩基站

+30dBm：微微基站覆蓋~0.5公里園區(qū)

+15dBm：家庭基站覆蓋室內(nèi)住宅或建筑物至~50m

對于住宅部署，家庭基站通過公共交換電話網(wǎng)絡(luò)訪問網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)通常通過住宅DSL線路提供。聽筒僅與家中的家庭基站通信，這完全將用戶從宏蜂窩中卸載。在高層建筑中，家庭基站可以連接到建筑物的有線以太網(wǎng)系統(tǒng)，這再次減少了宏蜂窩基站的負載。在以下段落中，我們將回顧家庭基站部署的基礎(chǔ)，并演示Maxim的無線電解決方案如何為該技術(shù)提供關(guān)鍵優(yōu)勢。

改善蜂窩覆蓋率

蜂窩系統(tǒng)經(jīng)過精心設(shè)計，以權(quán)衡手機電池壽命、手機計算能力和蜂窩基站用戶負載。此外，蜂窩標準也在不斷發(fā)展，以利用不斷提高的移動DSP性能。蜂窩運營商利用這一趨勢提供更多更好的多媒體內(nèi)容，從而增加收入并吸引新客戶。用戶最終受益于“任何地方”的移動性。例如，由于蜂窩采用率每年為1億，因此存在一個非常精簡且易于理解的競爭供應(yīng)鏈，以保持低價格和高性能。

寬帶無線與蜂窩射頻服務(wù)的比較

在進行蜂窩開發(fā)工作的同時，按照市場/使用模式開發(fā)和部署了廣域?qū)拵o線系統(tǒng)。最初，所謂的“咖啡館”Wi-Fi?為用戶提供802.11互聯(lián)網(wǎng)接入，當他們停在某些啟用的餐廳附近或坐在某些啟用的餐館時。后來，一些城市建造了實驗性的地鐵Wi-Fi接入點，為市中心提供服務(wù)。這些型號非常成功，以至于在2004年推出了更好的無線系統(tǒng)802.16 WiMAX?（和韓國WiBro?），以期提供“城域?qū)拵o線接入”服務(wù)。

這些寬帶無線系統(tǒng)使用正交頻分復用（OFDM）代替單載波調(diào)制，克服了城市多徑效應(yīng)，但它們需要四倍的發(fā)射功率。這是因為 OFDM 802.16d 峰均比 （pk-avg） 約為 11dB，而 WCDMA 3GPP 峰均比為 5dB。英特爾?一直倡導 WiMAX 作為超移動 PC （UMPC） 的射頻連接標準，其外形尺寸被定義為典型蜂窩手機的六倍左右。因此，UMPC機箱對于WiMAX服務(wù)是有意義的，但并不容易部署在具有小電池的薄/折疊手機中，因為WiMAX需要更大的電池。

塔樓擴建

蜂窩和WiMAX部署的一個共同障礙是塔樓擴建和通行權(quán)訪問。租賃通行權(quán)的成本和限制“丑陋”塔樓的市政法規(guī)意味著兩個系統(tǒng)可以在任何給定位置以大致相同的速度建造。然而，蜂窩運營商比WiMAX早約20年開始擴建，因此，他們在基站塔覆蓋和新擴建方面具有明顯的優(yōu)勢。

有線固定住宅服務(wù)適合的地方

有線住宅接入系統(tǒng)直接與固定住宅WiMAX競爭。住宅服務(wù)通常包括光纖到戶 （PON）、電話線 DSL 和有線電視互聯(lián)網(wǎng)接入系統(tǒng)。在發(fā)達國家，這些服務(wù)受益于具有復雜網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備的長期安裝。PON是一個較新的入口，但是網(wǎng)絡(luò)本地交換運營商（LEC）已經(jīng)擁有通行權(quán)，并且只是安排新的光纖工廠擴建，因為舊的銅線需要更換。

對于家庭基站部署，這些服務(wù)是免費的，將在下一節(jié)中介紹。

家庭基站基本實現(xiàn)

圖1比較了通過節(jié)點B宏蜂窩基站與家庭基站安裝的傳統(tǒng)蜂窩連接。

圖1.傳統(tǒng)節(jié)點 B 宏蜂窩連接與家庭基站連接。

圖1中的左側(cè)場景是從手機手機到蜂窩塔的傳統(tǒng)直接連接。在這里，我們展示了一個木結(jié)構(gòu)房屋，它通過墻壁的損耗相對較低，并且有點接近蜂窩宏基站。

右側(cè)場景顯示了一棟混凝土高層建筑，在公寓或公共辦公區(qū)域安裝了家庭基站。家庭基站的網(wǎng)絡(luò)饋送通過住宅DSL線路或商用有線以太網(wǎng)。在這種情況下，我們表明發(fā)給公寓樓的信號很弱。家庭基站充當“個人專用基站”，不與宏基站通信。

應(yīng)該補充的是，家庭基站忽略宏蜂窩和其他家庭基站傳輸?shù)哪芰κ菐讉€基帶DSP提供商已經(jīng)克服的關(guān)鍵設(shè)計問題。

家庭基站克服的蜂窩系統(tǒng)問題

關(guān)鍵容量限制器

傳統(tǒng)的宏蜂窩基站通常在高峰負載時段受到呼叫者容量的限制。該系統(tǒng)采用流量排隊理論進行統(tǒng)計設(shè)計，以處理一定數(shù)量的呼叫，這些呼叫將持續(xù)平均持續(xù)時間。因此，長時間的電話呼叫會限制高峰加載時段的容量。

此外，當蜂窩基站需要為在邊界運行的手機提供服務(wù)時，它會迫使宏蜂窩發(fā)射器增加功率，從而占用所有呼叫方可用動態(tài)范圍的更大部分。因此，手機呼叫的邊緣限制了容量，因為它們“占用”了動態(tài)范圍（見圖2）。

圖2.宏蜂窩發(fā)射器的概念呼叫者電源占用。

這兩個因素限制了宏蜂窩基站的容量，因此限制了蜂窩運營商的收入，并最終減緩了新用戶的采用。

美信家庭基站射頻單芯片收發(fā)器

Maxim的RD2550家庭基站參考設(shè)計旨在滿足WCDMA頻段1的TS25.104要求。還提供 WCDMA 頻段 2、4 和 5 參考設(shè)計。此參考設(shè)計的核心是一個單芯片收發(fā)器，該收發(fā)器具有與基帶DSP/調(diào)制解調(diào)器的Δ-Σ比特流數(shù)字接口。收發(fā)器使用低電平LVDS接口，通道濾波在基帶DSP/調(diào)制解調(diào)器上完成，允許軟件重新配置無線電。

RF收發(fā)器部分設(shè)計了完整的參考設(shè)計。它支持在收發(fā)器中使用集成LNA的宏蜂窩監(jiān)控模式。參考板的照片如圖3所示。

圖 3.美信家庭基站參考設(shè)計。

符合 UTRA 頻段 1 家庭基站標準 （3GPP TS25.104）

家庭基站標準的主要要求如表1所示。對于WCDMA家庭基站，同時滿足接收器和發(fā)射器TS25.104動態(tài)范圍要求比滿足TS25.101兼容手機的要求至少10dB更嚴格。然而，預期的產(chǎn)量需要類似手機的電路集成和BOM成本。因此，理想情況下，系統(tǒng)應(yīng)圍繞低成本和高集成度的手機芯片組進行設(shè)計，但也能夠在反向Tx-Rx頻段（根據(jù)基站的要求）實現(xiàn)出色的性能。

例如，在接收器中，用于測量ACS的5MHz偏移帶內(nèi)阻塞信號的額定值為-38dBm，這比手機所需的-52dBm阻塞信號要苛刻得多。同樣，用于測量信道選擇性的10MHz偏移帶內(nèi)阻塞器被指定為-30dBm，而手機則為-56dBm。因此，接收器必須能夠?qū)崿F(xiàn)更高的IIP2和IIP3性能。

家庭基站的發(fā)射器線性度同樣比手機更難滿足。對于WCDMA手機，ACPR的額定值為-33dBm，而TS25.104家庭基站的額定值約為-45dBm。

系統(tǒng)性能測量條件與分析

接收器靈敏度是一種系統(tǒng)規(guī)格，受RF信道中的信號質(zhì)量和DSP調(diào)制解調(diào)器部分的基帶處理的影響很大。在最小輸入信號電平條件下，RF通道質(zhì)量完全受接收器噪聲貢獻的限制，噪聲貢獻由其NF決定。

測得的接收器靈敏度是根據(jù)測得的系統(tǒng)NF計算得出的。對于靈敏度計算，E需要7.5dBb/No滿足 QPSK 信號的 0.1% BER（在基帶解調(diào)器中處理）。靈敏度可以計算如下：

參考靈敏度 = KTB + NF + （Eb/No） - PG

其中：
帶寬 = 3.84MHz 的芯片速率
KTB = -174dBm/Hz + 10 log (3.84MHz) = -108.13dBm
PG = 相對于擴展帶寬的 12.2kbps 比特率 = 10log （3.84MHz/12.2kbps） = 25dB

如果NF為10.5dB，則靈敏度計算如下：

-108.13dBm + 10.5dB + 7.5dB - 25dB = -115.13dBm

ACS 和阻塞性能的計算方式也相同。系統(tǒng)NF是在指定的干擾條件下測量的。在這種情況下，由于干擾效應(yīng)產(chǎn)生的額外噪聲，NF比靈敏度測量差。

Tx 性能使用 TS25.141 中指定的測試模型 1 （TM1） 信號進行測量。TM1 信號模擬可能具有高 pk-avg 的真實交通場景。

最大功率電平在 3.84MHz WCDMA 帶寬內(nèi)測量。ACLR 在 5MHz 偏移位置測量。在這種情況下，發(fā)射ACLR性能主要由外部PA性能主導。

RD2550 UMTS 頻段 1 家庭基站參考設(shè)計測量性能

圖4.TM1 16DPCH 信號 ACLR 在 +20dBm 輸出功率電平下。

圖5.TM1 16DPCH 信號 EVM，輸出功率電平為 +20dBm。

結(jié)論

Femtocell基站將為住宅手機客戶提供大大改善的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)體驗。設(shè)計家庭基站電路很困難，因為它必須滿足嚴格的基站性能規(guī)格，但又要像蜂窩手機一樣低成本。Maxim家庭基站收發(fā)器成功滿足3GPP TS25.104規(guī)范的關(guān)鍵要求，并提供最少的BOM器件數(shù)量。Maxim基于MAX2550家庭基站RF收發(fā)器的RD2550 UMTS頻段1無線電參考設(shè)計實現(xiàn)了該市場的最佳性能和成本水平。

審核編輯：郭婷