RF通信和收發(fā)器系統(tǒng)的MIMO解決方案

無線解決方案正在成為移動設(shè)備的主要網(wǎng)絡(luò)接口，現(xiàn)在正在向消費(fèi)和工業(yè)應(yīng)用中的固定設(shè)備遷移。這些無線解決方案利用蜂窩，無線電話，Wi-Fi和WiMAX?頻段。歷史上，增加這些信道上的帶寬的方法涉及增加建立連接的基帶頻率。然而，今天，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量的增長速度超過了在新的開放頻譜上使用傳統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)所能處理的速度。因此，新系統(tǒng)正在從單輸入，單輸出（SISO）系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)槎噍斎?，多輸出（MIMO）和多頻/協(xié)議連接選項(xiàng)。 MIMO的邏輯和規(guī)范已納入新標(biāo)準(zhǔn);然而，它們通過在單一設(shè)計(jì)中要求多個(gè)RF放大器和收發(fā)器系統(tǒng)來推動系統(tǒng)復(fù)雜性。

什么是MIMO？

RF通信使用一組接收器和發(fā)送器來從一點(diǎn)到另一點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)。在清晰的頻譜區(qū)域，RF通信一直由SISO系統(tǒng)主導(dǎo)，SISO系統(tǒng)由一組天線和RF電路組成。

隨著數(shù)據(jù)速率和信號擁塞的增加，正在使用包括多個(gè)接收器和發(fā)射器的多天線配置。這些MIMO配置通過擴(kuò)展天線的總發(fā)射功率來改善通信性能，以便實(shí)現(xiàn)增加頻譜效率的陣列增益和/或提高連接可靠性的分集增益。頻譜效率是每赫茲帶寬每秒比特?cái)?shù)的度量;分集增益通過無線信號的衰落特性來測量，并反映信號通過載波介質(zhì)和諸如墻壁等障礙物的衰減變化。圖1顯示了從SISO到MIMO的各種天線和發(fā)射器/接收器組合。

圖1：MIMO天線配置。

為了實(shí)現(xiàn)這些多天線系統(tǒng)，必須分割和修改數(shù)據(jù)和RF并通過單獨(dú)的路徑。 MIMO技術(shù)由三個(gè)核心部分組成：預(yù)編碼，空間復(fù)用和分集編碼。用于Wi-Fi，WiMAX和蜂窩系統(tǒng)的最常用方法是稱為MIMO-OFDMA（正交頻分多址）的方法。 OFDMA支持空間復(fù)用和分集編碼。

預(yù)編碼可以描述為多流波束成形的一種形式。通常，它被認(rèn)為是發(fā)射機(jī)處發(fā)生的所有空間處理的集合。在單層波束形成中，從每個(gè)發(fā)射天線廣播相同的信號，其具有適當(dāng)?shù)南辔缓驮鲆婕訖?quán)，使得當(dāng)信號功率到達(dá)接收器輸入時(shí)信號功率最大化。如果接收器具有多個(gè)天線，則發(fā)射波束成形不能同時(shí)最大化所有接收天線處的信號電平，因此執(zhí)行發(fā)送到多個(gè)流中的數(shù)據(jù)的預(yù)編碼。

Spatial Multiplexing使用MIMO天線配置并采用高速信號，然后將其分成多個(gè)低速信號流。然后，從相同頻率信道中的不同發(fā)射天線發(fā)送這些流中的每一個(gè)。當(dāng)這些信號到達(dá)多個(gè)接收器天線時(shí)，每個(gè)接收器天線具有不同的空間特征，接收器可以將這些流分離成并行信道?？梢允褂玫淖畲罂臻g流數(shù)量由發(fā)送器或接收器路徑中最低數(shù)量的天線組定義。

分集編碼方法適用于傳輸?shù)膯蝹€(gè)流而不是多流方案。使用稱為空時(shí)編碼的技術(shù)對信號進(jìn)行編碼。從具有完全或接近正交編碼的每個(gè)發(fā)送天線廣播信號。分集編碼使用多個(gè)天線路徑中的獨(dú)立衰落特性來增強(qiáng)信號分集。

集成解決方案

MIMO解決方案為目前沒有無線接口的設(shè)計(jì)增加了相當(dāng)多的額外系統(tǒng)開銷和復(fù)雜性。對于首次添加連接的產(chǎn)品，可提供支持包括收發(fā)器在內(nèi)的整個(gè)MIMO功能的集成解決方案。

這些集成系統(tǒng)的一個(gè)例子是Maxim Integrated Products的MAX2839。該SoC是一款完整的直接轉(zhuǎn)換，零中頻RF收發(fā)器，適用于2 GHz 802.16e MIMO移動WiMAX應(yīng)用。該設(shè)備包含一個(gè)帶兩個(gè)接收器的發(fā)射器。為獲得高性能，接收器之間的隔離度大于40 dB。

圖2顯示了Maxim的MAX2839的框圖。 MAX2839集成了實(shí)現(xiàn)RF收發(fā)器功能，RF到基帶接收路徑和基帶到RF發(fā)送路徑所需的所有電路;它包括VCO，頻率合成器，晶體振蕩器和基帶/控制接口。本地振蕩器I/Q正交相位誤差可以在芯片中以大約0.125度的步長進(jìn)行數(shù)字校正。寬帶射頻無線電解決方案只需要RF帶通濾波器，晶體，RF開關(guān)，PA，天線和一些無源器件。

圖2：Maxim的MAX2839 MIMO無線寬帶RF收發(fā)器（由Maxim Integrated Products提供）。

該設(shè)計(jì)通過為接收器和發(fā)送器提供可編程單片濾波器，無需外部SAW濾波器，適用于集成到設(shè)計(jì)中的所有2 GHz和802.16e配置文件。該設(shè)計(jì)支持高達(dá)2048 FFT OFDM，并實(shí)現(xiàn)3.5至20 MHz RF信道帶寬的可編程信道濾波器。這些RF功能由低功耗關(guān)閉模式控制控制，允許系統(tǒng)在移動應(yīng)用中使用，以延長電池壽命。該芯片可以在2.7至3.6伏的電源上運(yùn)行RF。

為了使系統(tǒng)作為收發(fā)器工作，它需要一個(gè)天線陣列。一系列多個(gè)表面貼裝天線，如Pulse Electronics的W3108（見圖3），將是一種典型的解決方案。這些調(diào)諧到特定頻率分配，例如2.4 GHz頻段，用于處理藍(lán)牙，802.11b/g，ZigBee?，2.4 GHz WLAN和Wi-Fi。對于MIMO配置，系統(tǒng)中的每個(gè)接收器和發(fā)射器都需要這些天線之一。它們提供1.5 dBi的增益，輸入阻抗為50歐姆。

圖3：Pulse Electronics的W3108表面貼裝天線（由Pulse Electronics提供）。

RF功率放大器雖然這些MIMO配置提供了更高的數(shù)據(jù)吞吐量，但它們并非沒有成本和復(fù)雜性。每個(gè)單獨(dú)的天線路徑 - 在發(fā)送側(cè)和接收側(cè) - 需要功率放大器來驅(qū)動它并拾取RF信號。對于不僅在同一信道頻帶上具有多個(gè)信號路徑但支持多個(gè)頻帶的系統(tǒng)，系統(tǒng)中可能存在相當(dāng)多的這些放大器。支持具有Bluetooth?和蜂窩頻段的802.11g/n無線的典型移動設(shè)備可能在系統(tǒng)中具有多達(dá)六個(gè)PA。有一個(gè)用于2.4 GHz G頻段，兩個(gè)用于5 GHz N頻段的MIMO，一個(gè)用于2.4 GHz藍(lán)牙，兩個(gè)用于蜂窩或WiMAX頻段的MIMO。由于這種信號分集和相關(guān)的通道隔離要求，這些功率放大器通常是表面貼裝封裝中的單個(gè)放大器，因此它們可以分布在設(shè)計(jì)的占位面積周圍。

選擇合適的放大器及其相關(guān)無源器件需要了解不同供應(yīng)商提供的產(chǎn)品和工藝技術(shù)。 ADI公司和NXP Semiconductorsoutline等制造商的產(chǎn)品培訓(xùn)模塊提供了區(qū)分其產(chǎn)品的關(guān)鍵細(xì)節(jié)。這些放大器適用于kHz至20 GHz頻譜的應(yīng)用。

這些功率放大器由簡單的無源器件支持，主要濾波器位于獨(dú)立模塊中或與其他器件集成。圖4顯示了天線驅(qū)動器的典型應(yīng)用，作為恩智浦BGA2771 MMIC RF放大器的應(yīng)用。這些單天線配置傾向于用于具有短距離的MIMO應(yīng)用中，并且當(dāng)最小化功率是約束時(shí)。這些單放大器器件為系統(tǒng)提供大約21 dB的插入增益。對于更高增益的應(yīng)用，這些器件可以在驅(qū)動天線之前級聯(lián)。除最終級功率輸出應(yīng)用外，單個(gè)放大器還可用于IF和后混合寬帶應(yīng)用。

圖4：恩智浦BGA2771 MMIC射頻放大器應(yīng)用（由NXP Semiconductors提供）。

對于發(fā)射器和接收器之間可能存在高噪聲或過度衰落的配置，通常使用多級放大器。多級放大器的例子有Microchip Technology的SST12LP08和Skyworks Solutions的SE2609L。 Microchip放大器是一款兩級器件，可在2.4 GHz頻段內(nèi)提供約30 dB的增益（見圖5）。為了實(shí)現(xiàn)溫度穩(wěn)定性和高效率，該器件具有溫度和負(fù)載不敏感的片上功率檢測器，為每個(gè)放大器和偏置發(fā)生器提供獨(dú)立的電源。這種組合的最終結(jié)果是功能802.11g OFDM鄰信道功率比（ACPR）高達(dá)23.5 dBm，在-40°C至+ 85°C范圍內(nèi)增益變化約為-2.5 dB。

圖5：Microchip的SST12LP08高增益放大器框圖（由Microchip Technology提供）。

與Microchip部分類似，Skyworks放大器（見圖6）也是一個(gè)帶功率檢測器的多級設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)使用三個(gè)階段而不是兩個(gè)階段，并在2.4 GHz頻段提供28 dB增益。對于802.11g應(yīng)用，該器件支持3.3和5.0伏操作以及54 Mbps的OFDM。多級設(shè)計(jì)允許器件提供輸出功率的閉環(huán)監(jiān)控，從而可以最大限度地減少驅(qū)動器對多個(gè)通道的不匹配。

圖6：Skyworks的SE2609L功率放大器功率檢測器（由Skyworks Solutions提供）。

電源標(biāo)準(zhǔn)

成功實(shí)施MIMO設(shè)計(jì)的關(guān)鍵之一是最大限度地降低噪聲并隔離電源的信號耦合。通過天線連接和放大器/混頻器模塊的接地回路和共用接地可以減少通道間隔離，從而增加信號衰落。重要的是為每個(gè)設(shè)備使用單獨(dú)的接地，并為相鄰的MIMO信號流使用單獨(dú)的接地層。在RF以接近驅(qū)動無線連接的數(shù)字邏輯的操作時(shí)鐘的信道頻率運(yùn)行的情況下，數(shù)字設(shè)備應(yīng)該參考單獨(dú)的地平面。

對于電源側(cè)，通過使用單獨(dú)的穩(wěn)壓器或多輸出電源管理控制器來保持信號隔離也很重要。這些器件，例如用于單電池系統(tǒng)的Maxim的MAX8663電源管理控制器，可以在這些MIMO設(shè)計(jì)中支持大量獨(dú)立的電源路徑。圖7顯示了MAX8663的框圖。它專為智能手機(jī)，PDA，互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和其他便攜式設(shè)備而設(shè)計(jì)，集成了兩個(gè)同步降壓調(diào)節(jié)器，一個(gè)可驅(qū)動兩到七個(gè)LED的升壓調(diào)節(jié)器和四個(gè)低壓差線性穩(wěn)壓器（LDO）。該器件還具有用于單節(jié)鋰離子電池的線性充電器。為了幫助管理系統(tǒng)功能，它集成了一個(gè)熱限制電路，用于電池充電和峰值負(fù)載，以防止過熱。在低功耗模式下，它可以將來自外部電源的剩余電量引導(dǎo)至電池充電功能。

圖7：Maxim的MAX8663多輸出功率控制器（由Maxim Integrated Products提供）。

多個(gè)單設(shè)備調(diào)節(jié)輸出是MIMO應(yīng)用的主要優(yōu)勢，可為所有數(shù)據(jù)流提供一致且可靠的功率。這有助于平衡流到流和相鄰信道不匹配，因?yàn)橐粭l路徑不會壓倒并超出其他流。