通过 3G Femto 基站的模拟前端实现家庭无线连接

简介

设想一下,某个设备可以在您的家中提供高品质的手机接听,允许您和您的家人无限制地使用语音和数据通信,而且每月的费用很低。Femto 基站就是这样的设备,甚至还能提供更多的功能,它通常还被称为“家庭基站”。当把这种小型无线设备放置在家里或办公室内时,它可以改善本地无线覆盖,并将极大地改变无线基础设施的面貌。

图 1 显示了家庭基站概念。传统基站用于提供广域覆盖,而家庭基站用于在住宅等小型区域中提供无线覆盖。家庭基站通过用户的互联网宽带连接将移动手机的通信流量路由至网络,因此减轻了无线电通信网络的通信流量。家庭基站不仅可以提高网络容量,同时还减少了信号的回程路径、降低了功耗以及运营商的维护成本。此外,它还使运营商能够参与竞争,从而为信号覆盖不佳的家庭提供通信服务。运营商可以通过增加用户的手机月费来补贴家庭基站的投入成本。当处于家庭基站的覆盖区域内时,所有的手机费用都包括在家庭开销预算内,允许无限制地使用语音和数据,而不会产生很高的月度费用。由于距离家庭基站很近,因此不仅可以达到很高的连接质量,而且还可以降低手机的电池耗电量。家庭基站克服了来自基站的 3G 信号穿透墙壁的局限性,允许高速访问移动数据服务,例如浏览互联网、下载音乐和在手机上观看视频。

图 1
图 1. Femto 基站与宏基站对比。

与 Wi-Fi 路由器类似,家庭基站也基于久经考验的无线基础设施标准(UMTS、CDMA)。它与许多新兴的标准兼容,能够利用运营商拥有的频段提供高效、强大的无线连接。由于它兼容现有的手机,这种连接对于用户来说是透明的。与将数十或数百个基站聚集到核心网络的宏蜂窝网络不同,家庭基站网关必须管理数千甚至数百万个家庭基站节点。

由于必须提供与无线电通信基站相当的服务质量 (QoS),并且成本必须与手机类似,家庭基站给无线电设计师带来了独特的挑战。家庭基站必须提供高质量的语音服务和高速移动数据服务(EVDO 和 HSPA),而且使用成本必须仅相当于宏节点的一小部分。为了应对这些挑战,家庭基站的设计必须利用低成本的制造技术以及高度集成的电路来缩短校准和测试时间。由于家庭基站应用于家庭,所以它们必须小巧、成本低且可由用户自行安装。虽然家庭基站的发射功率较低 —大约为 100 mW—,但必须注意无线环境问题,以减轻干扰,满足监管要求。3G 家庭基站必须监测 UMTS 信道以检测附近的基站,并且还应监测 GSM 信道,以便当用户离开家庭基站区域时,可以进行恰当的网络切换。

家庭基站可被视为两种截然不同的功能:模拟前端和基带处理器。作为本文讨论的主题,前端用于将数字数据流转换成发射电路中的 RF 信号,并在接收链中将 RF 信号转换回数字数据流。在设计前端时,需要在集成度和性能之间进行取舍。虽然离散型解决方案可以定制以提供最佳的性能,但是其成本对于家庭基站来说是不可接受的。相反,完全集成型解决方案可以提供最低的成本,但性能可能稍嫌不足。

图 2
图 2. 基于 ADI 芯片组实现的家庭基站模拟前端。

图 2 显示了一个在 UMTS 频段 1 中支持本地基站工作并在 850 MHz、900 MHz、1800 MHz、1900 MHz 和 2100 MHz 频段中监测信号的家庭基站的高级框图。AD98631 混合信号前端 (MxFE®) 基带收发器、ADF46022 集成无线电收发器、ADL55423ADL53204 线性放大器、开关、滤波器以及其他相关支持电路共同构成了一个紧凑、高性能的家庭基站前端。下面详细说明了框图中突出显示的模块。

发射端,数字基带将 12 位并行数据流馈入 AD9863,在此,数据流被转换成模拟 I/Q 基带信号。基带信号由 ADF4602 转换成 RF 信号,然后经 ADL5542 和 ADL5320 增益级放大后发送到双工器。功率检测器用于监测 RF 输出。单极六投 (SP6T) 开关用于选择哪个发射接收监测链连接到单个天线。该信号链在 RF 输出连接器处提供 13 dBm 的输出功率,满足了 3GPP 标准 TS25.104 标准中定义的发射 ACLR 规格。

接收链包括用于监测主路径的表面声波 (SAW) 滤波器和 SPDT 开关。匹配模块由适用于每个接收端口的简单串联/并联电抗器组成。ADF4602 具有三个接收器输入引脚:一个用于频段 1,另外两个分别用于高频段监测功能和低频段监测功能。频段 1 接收功能可在 1960 MHz(用于接收上行信号)和 2140 MHz(用于监测下行频率)之间切换。ADF4602 降频并过滤所选的 RF 信号以获得基带 I/Q 信号。基带信号由 AD9863 中的双 ADC 进行采样,并转换成适用于数字基带的双 12 位并行比特流。

这种功能分区为设计师提供了灵活性,从而确保信号链高性能运行,并允许选择转换器的速度和分辨率以满足应用场合的要求。ADI 解决方案使设计师可以将模拟前端与市售的基带功能结合起来,从而加快家庭基站设计的上市速度,同时随着家庭基站市场的成熟,还具有能在未来整合 ADI 技术的好处。

ADF4602 集成无线电收发器

ADF4602(如图 3 所示)不仅是一个提供无与伦比的集成能力的 3G 收发器,同时还是一个非常适合高性能 3G 家庭基站的功能组。接收器基于直接转换架构,是高度集成的宽带 CDMA (W-CDMA) 接收器的理想选择,同时它还安全集成了所有级间滤波器,因此缩减了物料清单 (BOM)。接收基带滤波器提供可选择的带宽,因此既允许接收 W-CDMA 无线电信号,也允许接收 GSM-EDGE 无线电信号。可选择的带宽与多频段 LNA 输入结构相结合,使得 GSM/EDGE 信号可作为 UMTS 家庭基站的一部分进行监测。

ADF4602 包含两个完全集成的可编程频率合成器,用于产生发射接收本机振荡器 (LO) 信号。该设计采用小数 N 分频架构来实现低噪声和快速的锁定时间。已为发射接收合成器完全集成了所有必要的元件,包括环路滤波器、VCO 和谐振元件。VCO 以高频段频率的两倍和低频段频率的四倍运行,最大限度地降低了 VCO 在所需频率下的泄漏功率以及 VCO 的调谐范围要求。VCO 采用多频段结构以覆盖宽泛的工作频率范围。设计结合了频率校准和幅度校准功能,以确保振荡器始终发挥最佳的性能。完全独立的校准可在 200 µs 的 PLL 锁定时间内完成,无需用户输入。片内 VCO 输出被馈送到调谐缓冲器级,然后馈送到正交信号发生电路中。调谐缓冲器可以确保在 VCO 传输过程中产生最小的电流和最少的与 LO 相关的噪声。正交信号发生器能够产生高精度的、用于驱动调制器和解调器的相位信号。此外,还采取了特别的预防措施,以在发射接收链之间提供频分双工 (FDD) 系统所要求的隔离。

图 3
图 3. ADF4602 结构框图。

接收器前端包括三个高性能单端低噪声放大器 (LNA),从而使器件支持三频段应用场合。两个放大器适合在从 1800 MHz 到 2170 MHz 的高频段工作,另一个放大器适合在从 824 MHz 到 960 MHz 的频段范围内工作。此外,还完全集成了级间 RF 滤波功能,以确保外部带外阻断器在混频级之前恰当地进行信号衰减。单端 50 Ω 输入结构简化了连接,并减少了小尺寸单端双工器所需的匹配元件数量。卓越的器件线性度允许在使用各种 SAW 和陶瓷滤波双工器时获得出色的性能。

高线性度解调器电路用于将 RF 信号转换成基带同相和正交分量。包括两个解调器部分:一个优化用于高频段 LNA 输出,另一个优化用于低频段输出。高频段和低频段输出结合在一起,直接传输到基带低通滤波器的第一级,这可以在基带放大之前减少最大的阻断信号。接收器合成器部分通过 VCO 分配系统为混频器正交 LO 驱动。可编程的分频器允许对高频段和低频段使用相同的 VCO。解调器和 VCO 分配电路经过精心设计和布局,可以实现优异的 90° 正交相位和幅度匹配。

基带部分包含分布式增益和滤波功能,能够提供最大为 54 dB 的增益和 60 dB 的增益控制范围。通过精心设计,可以将通带纹波、群延时、信号损耗和功耗保持在最低水平。滤波器在在制造过程中进行了校准,可以提供高水平的精度且易于使用。提供两种可选择的七 阶基带滤波器:一种用于 W-CDMA,具有 1.92 MHz 的截止频率;另一种适用于 GSM,具有 100 kHz 的截止频率。

在 W-CDMA 模式下,ADF4602 可以在整个接收信号链中提供 102 dB 的增益和 90 dB 的增益控制范围。RF 前端包含 30 dB 的控制范围:LNA 中为 18 dB,混频器跨导级中为 12 dB。两个基带有源滤波器级各自提供 18 dB 的增益控制范围,调节步进为 6 dB。这可以在三个 12 dB 的步进中实现 36 dB 的总增益控制范围。可变增益放大器 (VGA) 可以实现 24 dB 的增益控制范围,调节步进为 1 dB。为了简化编程并确保最佳的接收器性能和动态范围,只需对所需的总接收增益进行编程即可;ADF4602 可以解码增益设置并在不同模块之间自动分配增益。

发射器采用一种创新的直接变频调制器,不仅可以实现高线性度和低噪声,同时还消除了安装外部发射 SAW 滤波器的必要性。用于 I 和 Q 信道的直流耦合差分基带接口支持从 1.05 V 至 1.4 V 的宽范围输入共模电压 (VCM)。允许的最大信号摆幅峰值为 550 mV,这与 I 和 Q 信道的 1.1 V p-p 差分范围相对应。在正交调制器之前,基带输入信号通过截止频率为 4 MHz 的二阶 Butterworth 滤波器,从而滤除带外杂散信号。校准技术可在整个频率范围和环境条件下保持准确的 I/Q 平衡和相位,确保满足 3GPP 载波泄漏、EVM 和 ACLR 要求,并在所有条件下都具有良好的裕量。ADF4602 可在 190 MHz 频率偏置下提供 –163 dBm/Hz 的宽带本底噪声以及 –8 dBm 的输出功率,同时还满足有关 EVM 和 ACLR 的 TS25.104 要求。输出与 50 Ω 相匹配,以便轻松连接到功率放大器。

AD9863 混合信号前端基带收发器

AD9863 是用于通信市场的 MxFE 系列集成转换器的一员,非常适合低成本、高性能的家庭基站应用领域。它集成了双 12 位模数转换器和双 12 位 TxDAC® 数模转换器。ADC 经过专门优化,能以 50 MSPS 或更低的速率进行采样。DAC 的工作速度高达 200 MHz,包括一个可旁路的 2× 或 4× 内插滤波器。AD9863 采用具有 64 个引脚的 LFCSP 封装,尺寸仅为 9 mm × 9 mm × 0.9 mm。此处重点介绍 AD9863,但 MxFE 系列的其他成员(AD9860AD9861AD9862)允许设计师灵活地为控制电路选择高性能和辅助转换器。

图 4
图 4. AD9863 MxFE 结构框图。

柔性双向 24 位 I/O 总线可适用于众多市售的基带 ASIC 或 DSP。在半双工系统中,接口支持 24 位并行传输或 12 位交错传输。在全双工系统中,接口支持一根 12 位交错 ADC 总线和一根 12 位交错 DAC 总线。柔性 I/O 总线减少了引脚数量和封装尺寸。对于频分双工 (FDD) W-CDMA,AD9863 可以同时运行发射接收信道。这需要使用全双工模式 — 一根 12 位交错接收数据总线和一根 12 位交错发射数据总线。

DAC 内核将 12 位数据转换成两个互补的差动电流输出,并使用图 5 中所示的电阻网络将它们提供给 ADF4602。RDC 设置为 120 Ω,适用于 1.2 V 共模电压;RL 设置为 63 Ω,适用于 1 V p-p 差分输入摆幅。

图 5
图 5. AD9863 和 ADF4602 之间的简单接口。

DAC 包含可编程的精细增益和直流偏置控制,可用于补偿 I 和 Q 通道之间的失配,从而抑制 LO 馈通和提高 EVM 性能。10 位直流偏置控制可用于独立为任一差分引脚提供多达 ±12% 的偏置,因此允许校准任何系统偏置。

ADC 输入由一个 2 kΩ 的差分输入电阻和一个开关电容电路组成。该输入可以自行偏置至中位电源,或者对它进行编程以接受外部直流偏置。因此,建议将 ADF4602 接收基带输出直接连接到 AD9863 ADC 输入。ADC 输入满度电平为 2 V p-p 差分。

家庭基站的时钟解决方案

为了满足 3GPP 规格要求,家庭基站需要非常精确的基准时钟—±0.1 ppm—。有关实现这种非常精准时钟控制的方法超出了本文的范围—但存在多种机会来实现此目的,包括通过监测接收器进行的 GSM 宏基站同步、GPS 同步和 IEEE 1588 精密时序协议。在某些情况下,家庭基站供应商可能会组合采用上述方法来实现精确的控制。最终,基准时间控制电路将调整基准频率源。在 ADI 评估板上,此 26 MHz VCTCXO 用作 ADF4602 的基准时钟。延迟锁相环 (DLL) 可以生成 19.2 MHz 的时钟(它是 3.84 MHz W-CDMA 芯片时钟的数倍)。此 19.2 MHz 时钟用作 AD9863 的时钟输入。

AD9863 提供一种具有许多变量的通用时钟配置。ADC 时钟速度、DAC 时钟速度、PLL 以及内插器设置可由软件控制,允许对性能和功率进行优化以满足要求。在推荐的配置中,PLL 乘法器被设置为 2×,使得 PLL 的输出频率为 38.4MHz。ADC 的时钟设置为该频率的一半。在发射侧,38.4 MHz PLL 的输出用作 DAC 的时钟。发射插值设置为 2× 以抑制 DAC 镜像。此外,还可能有其它的时钟频率组合。AD9863 数据手册详细介绍了各种工作模式。通过使用上述时钟方案,家庭基站不需要宏基站中常见的任何离散频率转换 PLL。家庭基站集成了所有频率转换功能,可帮助其满足市场要求的价格水平。

RF 放大器

选择用于 RF 功率级的放大器为低成本的高性能宽带线性放大器,采用 InGaP 工艺制造而成。这些放大器对 ADF4602 的输出进行线性放大,并补偿 RF 双工器和开关网络中的损耗。ADL5542 包含内部偏置和匹配功能;ADL5320 需要外部匹配,并且采用行业标准的塑料 SOT-23 封装。两种放大器都直接工作在 5V 供电轨上,因此不需要外部偏置电路。表 1 列出了放大器的关键参数。ADI RF 放大器的设计采用了专有技术,可以提供卓越的线性度(相对于电源电流)。

表 1. ADF5542 和 ADL5320 在 2 GHz 时的关键规格
规格
ADL5542 ADL5320
增益 19 dB
13.2 dB
P1dB
18.9 dB
25.7 dBm
输出 IP3
37 dBm
42 dBm
噪声指数
3.1 dB
4.4 dB
电源电流 (5 V 电源)
97 mA
104 mA

发射输出功率与降低干扰

为了降低干扰,家庭基站必须灵活智能地设置其输出功率,以解决多个相互邻近、工作在相同频率下的家庭基站的部署问题(例如在公寓内)。在这种情况下,每个家庭基站都需要以较低的输出功率发射,以避免相同频率的干扰。此外,家庭基站也不能干扰部署在周边且使用邻近信道的宏蜂窝基站,因为这会给附近连接到该宏蜂窝网络的手机带造成盲点,使其无法正常接收信号。因此要求家庭基站具有邻近信道保护功能,迫使它测试邻近下行信道的功率并根据预定义的公式来设置自身的功率,以便不会妨碍宏蜂窝基站的信号。i

为使家庭基站满足要求的价格水平,并便于客户安装,这些降低干扰的技术必须是自动运行的,而不需要经过培训的现场技术人员或家庭用户进行干预。当家庭基站第一次被用户打开后,这个过程应该是自动启动的,并且之后会定期更新。此外,ADI 设计中的频段 1 监测接收器和 ADF4602 宽泛的动态发射范围,允许家庭基站供应商自动实施这些降低干扰的技术,而不需要外部干预。监测接收器允许对邻信道的功率进行准确测量,并相应地调整输出功率。这将大约需要 30 dB 的总发射功率动态范围。

无线电性能测量

为了根据 TS25.104 无线系统规格来评估收发器芯片组,已将上面介绍的收发器系列纳入评估板设计中。图 6 所示的评估平台可以对发射接收链执行独立的测试,并且允许执行单独的元件测试。此评估板包含图 1 所示框图的功能以及功率调节。无线电部分,包括 ADF4602、AD9863、ADL5542、ADL5320、VCTCXO 以及所有相关的前端开关和滤波器,在电路板上占用 1" × 2" 的空间。值得注意的是,此电路板并没有为了节省空间尺寸而进行优化,因为它仅仅是为了测试而提供的,用于实际生产的设计可以采用更紧凑的设计。下面包括了某些基于 TS25.104 规格的关键测试结果,以展示 ADI 芯片组在测试板上的性能。

图 6
图 6. ADF4602/AD9863 评估板。

图 7 显示了频段 1 接收器灵敏度测量结果。接收器灵敏度用于评估接收器检测到低电平信号的能力,并且表征了指示接收器的噪声指数。在本次测量中,采用了 12.2 KHz 的基准信号。ADF4602-1 的增益设置为 80 dB。在整个频段上,接收器灵敏度超过 TS25.104 规格达 6 dB 以上。

图 7
图 7. 频段 1 接收器灵敏度。

接收器的另外一个关键规格是在阻断条件下的性能。阻断测试模拟了接收器在邻近信道出现大量干扰信号的条件下接收到目标信号的能力。UL 12.2 kHz 基准信号设置为 –101 dBm,然后加入阻断信号,直到 BER 的测量值为 10–3。如表 2 中所示,在所有三种情况下,ADF4602 都以一定裕量超过了 TS25.104 规格。

表 2. 接收器阻断测试摘要与 TS25.104 规格
接收器阻断规格
TS25.104 规格限值
ADF4602 评估板测试结果
邻近信道选择性
–38 dBm
–31 dBm(7 dB 裕量)
10 MHz WCDMA 阻断器
–30 dBm
–21 dBm(9 dB 裕量)
20 MHz 带外 CW 阻断器 (1900 MHz)
–15 dBm
–11 dBm(4 dB 裕量)

发射信号链路质量的关键指标为邻近信道泄漏比 (ACLR) 以及误差向量幅度 (EVM)。在这两种情况下,这些测试是组合发射链线性度的关键指标。表 3 收集了在 ADI 评估板上取得的测量结果并与 TS25.104 规格进行比较。它还包括了峰值码域误差,这一 EVM 测量结果用于确保误差在码域内均衡分布。ii 在所有情况下,ADF4602 评估板都以一定的裕量超过了 TS25.104 规格。图 8 显示了 ACLR 测量中使用的输出频谱图。

表 3. 发射器测试摘要与 TS25.104 规格
发射器规格
TS25.104 规格限值
ADF4602 评估板测试结果
误差向量幅度 (EVM)
<12%
4%
峰值码域误差 (PkCDE)
<–33 dB
–46 dB
邻近信道 (5 MHz) ACLR
<–45 dB
–49 dB
间隔信道 (10 MHz) ACLR
<–50 dBm
–72 dB
图 8
图 8. 在 13 dBm 输出功率下 W-CDMA 频段 1 信号的 ACLR 测量结果。

图 9 显示了涉及两个 HSDPA 信道以及许多语音/数据信道的典型家庭基站配置的发射 EVM 图。复合 EVM 低于 4%。电路评估结果表明,EVM 主要是因为调制器输入处的 I/Q 偏置电压引起 LO 泄漏而产生 — 这是直接转换发射器的一个特点。如前面所述,这些偏置可以采用 AD9863 直流偏置控制进行校正。

图 9
图 9. 典型家庭基站配置的 EVM 测量结果。

结论

由于必须在保持基站性能的同时将成本降至最低,方兴未艾的家庭基站应用为无线电设计师带来了特有的挑战。ADI 3G 家庭基站芯片组由 ADF4602 集成无线电收发器、AD9863 MxFE 基带收发器以及 ADL5542 和 ADL5320 RF 放大器组成,可使家庭基站设计师能以紧凑的外形尺寸满足 TS25.104 规格要求。

参考电路

1www.analog.com/AD9863

2www.analog.com/adf4602

3www.analog.com/ADL5542

4www.analog.com/ADL5320

iTSG R4#48 - TSG-RAN 工作组 4(无线电)第 48 次会议,2008 年 10 月。

iiTSG R4#8 (99)705 - TSG-RAN 工作组 4(无线电)第 8 次会议。1999 年 10 月。

作者

Thomas Cameron

Thomas Cameron

Thomas Cameron博士是ADI公司通信业务部首席技术官。他的职责是为无线电基站和微波回程系统的集成电路作出行业领先的创新。Thomas拥有超过30年的行业经验,并拥有佐治亚理工学院电气工程博士学位。

Peadar-Forbes

Peadar Forbes

Peadar Forbes 是ADI公司通信业务部产品营销经理。在担任目前职务之前,他是ADI公司的应用和系统工程师,负责PLL频率合成器、集成收发器、无线电系统和算法。Peadar拥有科克大学电气工程学士学位和利默里克大学工商管理硕士学位。