如何簡化2G至5G基站接收器設計

基站接收器設計是一項艱巨的任務。典型接收器組件包括混頻器、低噪聲放大器 (LNA) 和模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 等，這些器件隨著 時間推移而不斷改善。但是，架構(gòu)的改變卻不大。

架構(gòu)選擇的局限性阻礙了基站設計人員向市場推出差異化產(chǎn)品的努力。最近的產(chǎn)品開發(fā)，特別是集成收發(fā)器，顯著降低了最具挑戰(zhàn)性的基站接收器設計的一些限制。此類收發(fā)器提供的新基站架構(gòu)使得基站設計人員能夠有更多選擇和方法來實現(xiàn)產(chǎn)品差異化。

本文討論的集成收發(fā)器系列是業(yè)界率先支持所有現(xiàn)行蜂窩標準（2G至5G）并覆蓋全部6 GHz以下調(diào)諧范圍的產(chǎn)品。利用這些收發(fā)器，基站設計人員可以讓單一緊湊型無線電設計適合所有頻段和功率變化。

首先來看一些基站類別。眾所周知的標準組織3GPP定義了若干基站類別。這些基站類別有不同名稱。寬泛地說，最大的基站或廣域基站 (WA-BS) 提供最大的地理覆蓋范圍和用戶數(shù)量。其輸出功率也最高，必須提供最佳的接收器靈敏度。隨著基站逐漸變小，所需的輸出功率也減小，接收器靈敏度同時降低。

表1. 各種基站尺寸

此外，3GPP還定義了不同的調(diào)制方案。寬泛地說，對調(diào)制方案的實用細分是劃分為非GSM調(diào)制（包括LTE和CDMA類型的調(diào)制）和基于GSM的調(diào)制—特別是多載波 GSM (MC-GSM)。在這兩大類方案中，GSM在射頻和模擬性能方面要求最高。此外，隨著更高吞吐速率的無線電變得越來越普遍，MC-GSM已取代單載波 GSM成為標準。一般來說，支持MC-GSM性能的基站無線電前端也可以處理非GSM性能。支持MC-GSM的運營商在把握市場機會方面擁有更大的靈活性。

歷史上，基站由分立器件組成。我們相信今天的集成收發(fā)器可以取代很多分立器件，同時提供系統(tǒng)優(yōu)勢。但首先，我們需要討論基站接收器設計的挑戰(zhàn)。

廣域或宏基站在歷史上一直是無線通信網(wǎng)絡的主力，其接收器設計傳統(tǒng)上是最具挑戰(zhàn)性且最昂貴的。它為何如此困難？一句話，靈敏度。

基站接收器在特定條件下必須達到所需的靈敏度。靈敏度是衡量基站接收器解調(diào)手機發(fā)出的弱信號的能力高低的品質(zhì)因數(shù)。通過靈敏度可確定基站能夠收到手機信號同時保持連接的最 遠距離。靈敏度可以按兩種方式分類：

沒有任何外部干擾的靜態(tài)靈敏度；

有干擾的動態(tài)靈敏度。

靜態(tài)靈敏度

在工程術(shù)語中，靈敏度由系統(tǒng)噪聲系數(shù) (NF) 決定。噪聲系數(shù)越低，意味著靈敏度越高。通過提高增益以實現(xiàn)所需的系統(tǒng)噪聲系數(shù)，可實現(xiàn)所需的靈敏度，而增益是由一種稱為低噪聲放大器 (LNA) 的昂貴器件產(chǎn)生。增益越大，LNA的成本和功耗越高。

動態(tài)靈敏度

遺憾的是，動態(tài)靈敏度需要權(quán)衡。動態(tài)靈敏度意味著靜態(tài)靈敏度受到干擾會變差。干擾是指接收器上出現(xiàn)的任何不需要的信號，包括來自外界的信號或接收器無意產(chǎn)生的信號，如互調(diào)產(chǎn)物。在此背景下，線性度描述系統(tǒng)處理干擾的能力。

在有干擾的情況下，我們費力實現(xiàn)的系統(tǒng)靈敏度會有損失。這種權(quán)衡會隨著增益提高而變得更糟，因為高增益通常伴隨著線性度降低。換句話說，過大的增益會降低線性度性能，導致強干擾下的靈敏度降低。

設計無線通信網(wǎng)絡時，網(wǎng)絡性能的負擔是放在基站端，而不是放在手機端。WA-BS設計旨在覆蓋較大區(qū)域并實現(xiàn)出色的靈敏度性能。WA-BS必須有最佳靜態(tài)靈敏度以支持小區(qū)邊緣的手機，這里的手機信號非常弱。另一方面，在有干擾或阻塞的情況下， WA-BS接收器的動態(tài)靈敏度仍須很好。即使基站附近手機的強信號產(chǎn)生干擾，接收器仍然必須對手機發(fā)出的弱信號展現(xiàn)良好的性能。

以下信號鏈是簡化的基于分立器件的典型系統(tǒng)接收器。LNA、混頻器和可變增益放大器 (VGA) 稱為RF前端。RF前端設計的噪聲系數(shù)為1.8 dB，而ADC的噪聲系數(shù)為29 dB；在圖1的分析中，RF前端增益在x軸上掃描以顯示系統(tǒng)靈敏度。

【圖1. 典型分立接收器信號鏈示意圖】

現(xiàn)在我們來比較一個簡化的收發(fā)器接收信號鏈?？梢钥吹剑瞻l(fā)器接收信號鏈的物料清單少于類似的分立器件信號鏈。此外，收發(fā)器片內(nèi)含有兩個發(fā)射器和兩個接收器?？此坪唵蔚募呻[藏了接收器設計的精致，后者通?？蓪崿F(xiàn) 12 dB 的噪聲系數(shù)。圖 2 所示的以下分析說明了系統(tǒng)如何實現(xiàn)高靈敏度。

【圖2. 典型收發(fā)器/接收器信號鏈示意圖】

圖 3 顯示了上述兩種實現(xiàn)方案的RF前端增益與靜態(tài)靈敏度的關(guān)系。WA-BS工作在靈敏度幾乎要滿足最嚴格要求的區(qū)域中。相比之下，小型蜂窩工作在靈敏度曲線斜率最陡的區(qū)域，同時仍滿足標準并有較小裕量。對于WA-BS和小型蜂窩，收發(fā)器均以小得多的 RF 前端增益實現(xiàn)所需的靈敏度。

【圖3. 分立接收器與收發(fā)器/接收器的靈敏度對比】

動態(tài)靈敏度如何呢？在射頻前端增益區(qū)域，我們會使用收發(fā)器設計廣域基站，動態(tài)靈敏度也比分立解決方案好得多。這是因為較低增益的RF前端在給定功耗下通常具有較高的線性度。在通常使用高增益的分立解決方案中，線性度常常由RF前端決定。在收發(fā)器設計中，與分立解決方案相比，干擾導致的靈敏度降幅顯著降低。

值得一提的是，在有過多干擾的情況下，系統(tǒng)會將增益降低到可以容忍干擾的程度，并在干擾降低時增加增益。這就是自動增益控制(AGC)。增益減小也會降低靈敏度。如果系統(tǒng)能夠容忍干擾信號，通常最好保持盡可能高的增益，以使靈敏度最大。AGC是未來討論的主題。

總之，此類收發(fā)器有兩個突出特性：出色的噪聲系數(shù)和更高的抗干擾性。在信號鏈中使用收發(fā)器，意味著您可以通過小得多的前端增益實現(xiàn)所需的靜態(tài)靈敏度。此外，較低的干擾水平意味著您可以實現(xiàn)更好的動態(tài)靈敏度。如果需要LNA，其成本和功耗也會更低。您還可以在系統(tǒng)中的其他地方作出不同的設計權(quán)衡，以利用這些特性。

如今，市場上有可配置的收發(fā)器產(chǎn)品，其既適合廣域基站設計，也適合小型蜂窩基站設計。ADI公司在發(fā)展這種新方法方面發(fā)揮著領(lǐng)導作用，ADRV9009和ADRV9008產(chǎn)品非常適合廣域基站和 MC-GSM性能水平。此外，AD9371系列提供非GSM（CDMA、LTE） 性能和帶寬選項，但更側(cè)重于功耗優(yōu)化。