基于WiMAX技术的无线系统及其设计挑战

无题

尽管新WiMAX系统的优点广受称赞，但若要成功设计出这种系统，设计工程师必须清晰理解802.16技术规范和相应的RF设计要求。本文在对比WiMAX和WLAN标准的基础上，对WiMAX系统的设计挑战进行了讨论。
微波接入全球互连(WiMAX)是宽带无线接入(BWA)的一种形式，它基于针对无线城域网(MAN)的IEEE802.16 标准。由于WiMAX能提供价格适宜的“最后一公里”宽带互联网业务，预计在未来3至5年内，这种技术将得到广泛应用。经历过WLAN培训和锻炼的工程师在应用这种新标准的时候，往往面临多种不同的系统考虑，特别是在RF要求和架构方面。
在典型的20MHz信道带宽部署中，通过WiMAX论坛认证的产品可近距离支持65Mbps的下行数据速率，而在9~10km的距离下则支持16Mbps的下行数据速率。这种带宽和传输距离足以支持数百家公司或数千个家庭同时高速访问语音、数据和视频业务。



图1：在RF/IF分割技术中，一个完全可编程合成器位于IF芯片内，以产生所有所需的
LO信号来驱动传送和接收路径。


WiMAX的远距离传输性能催生了一个重大市场机遇。另外，在那些因成本昂贵而难以安装固网传输基础设施的农村地区，WiMAX是提供宽带业务的有用技术。
WiMAX标准和WLAN标准
该如何比较802.16 WiMAX标准和802.11 WLAN标准？首先，这两个标准都基于正交频分复用(OFDM)技术，使用多个导频音信号，并支持从BPSK到64QAM的调制。
但同时它们也有一些重大区别。例如，802.11一般使用带有52个子载波的固定20MHz带宽，而WiMAX系统则可以使用授权或者未授权频带中带有256个子载波(192个数据子载波)的1~28MHz的可变带宽。最初的WiMAX产品可能会使用3.5MHz和7MHz的信道带宽。
WiMAX支持子信道化机制，这意味着数据并不是在所有的192个数据子载波上传送，而是在其中一组子载波上传送。在这种情况，使用的功率相同但载波较少，因而系统可获得更远传输距离。随着WiMAX CPE发展成为放置在楼宇内的设备，当将信号发送到楼外时，它需要补偿由此引起的功率损耗。一般来说，CPE的功率有限，因此在上行链路中将功率集中在较少载波上，可平衡上、下行链路的功率并实现更大传输距离。
尽管具有更多数量的子载波使WiMAX的性能优于802.11，但由此也给系统设计带来了挑战：由于子载波之间的间隔缩小，所以对相位噪声和定时抖动的要求更高，导致对合成器的性能要求也更高。
另外，WiMAX还利用不同长度的保护间隔来改善多路径环境中的性能。保护间隔是数据包开始时的时间延迟，以便补偿多径干扰。如果信道上干扰很少，便可缩短保护间隔以提高数据吞吐量。由于具有更多的子载波和长度可变的保护间隔，WiMAX系统的整个频带效率将比WLAN系统高15%至40%。例如，WiMAX的频带效率为3.1~3.8Mbps/MHz，而802.11a/b/g的频带效率只有2.7Mbps/MHz。表1是802.11与802.16标准的详细对比。
802.11的错误矢量幅度(EVM)为-25dB(实现10%的错包率所要求的)，而802.16的EVM为-31dB(基于1%的错包率)。错包率越低，则WiMAX的传输距离越远。WiMAX传输距离远的另一个要素是接收器噪声系数，802.16对接收器噪声系数要求更严格，802.11的最大噪声系数为10dB，而802.16的最大噪声系数仅为7dB。
802.11只支持在同一信道、但不同时间内发送和接收数据的时分双工(TDD)。相比之下，802.16规范可为设计工程师提供更大灵活性，它支持TDD、频分双工(FDD)和半双工FDD(H-FDD)。FDD在不同频率上同时发送和接收数据，H-FDD则在不同时间、不同信道上发送数据。设计工程师选择的双工方式将影响成本、尺寸和设计时间。例如，FDD系统要相对贵许多，因为同时发送和接收需要两个完整的无线电系统。然而，由于带宽对接收和发送是专用的，而且是同时使用，所以FDD具有更大的数据吞吐量。
WiMAX和802.11的另一个重要区别是发送距离和发送动态范围。在802.11标准中，输出功率实际上是固定的，系统一般总是以相同的功率发送数据。但在WiMAX技术中，测距进程被用来确定正确的定时补偿和功率设置。测距进程确保每个用户站发送的数据在适当时间、以相同功率水平到达基站，因此802.16标准要求用户站具有50dB的发送动态范围。这样，靠近基站的系统便可减小发送功率，而远离基站的系统则以最大功率发送。这一点很重要，因为WiMAX支持数公里的发送距离，如果靠近基站的系统以最大功率发送数据，情况将会很糟糕。
系统设计挑战


表1：WLAN和WiMAX的技术指标对比。


当设计新的WiMAX系统时，遇到第一个问题就是系统是选择TDD、FDD还是H-FDD。加拿大和许多欧洲国家通常采用FDD结构。在美国，如果系统工作在授权频带上，则采用则双工方式；如果系统采用FDD，则要求两个无线电系统(包括合成器)在不同频率下同时工作。这种系统将需要进行大范围的外部滤波，以避免发送功率泄漏到接收器，并造成干扰。除成本外，双无线电系统和滤波还需要占用较大的电路板面积。由于FDD的数据吞吐量较高，因此很多业界领先公司都希望基站使用全FDD模式，而用户站则采用成本较低的H-FDD或TDD。
如果可以选择，H-FDD将是一个很有吸引力的双工方式，因为它只需单个无线电系统(和单个合成器)，而价格与TDD相当。但H-FDD的关键问题是合成器必须能在100us内在发射器和接收器之间切换。由于系统不是同时发送和接收数据，所以H-FDD对滤波的要求远没有FDD那么严格。
也许对系统设计影响最大的802.16技术指标是EVM，因为802.16的EVM必须比802.11的EVM大6dB。这意味着一系列的设计挑战：首先，所有系统块的线性度要更好；其次，相位噪声性能必须优于802.11设计中的相位噪声性能，更严格的相位噪声要求对合成器影响很大，它将导致更长的建立时间；第三，如果选择I/Q接口，则I/Q平衡的要求便会更严格，并且很可能需要进行I/Q校准。
更高的EVM要求对功率放大器(PA)的影响最大。除了要达到-31dB EVM的目标外，还有其它两个重要因素给PA 设计带来挑战，一是802.16的峰均值功率比(PAPR)比802.11的PAPR高，因为802.16的子载波较多，所以其PAPR大约为10dB，较802.11的8dB PAPR高出2dB；二是802.16系统的发射功率一般比802.11系统高。因此，WiMAX系统中的PA必须提供更大功率和更好的线性度，而且必须能比802.11系统中的PA处理更高的PAPR。
最终结果是PA将消耗更多功率并且效率更低。要开发效率更高、线性度更好的PA将要付出很大努力，特别是对功耗非常关键的移动应用来说。也很可能需要采用自适应预矫方法，以便实现高线性度和高效率。
RF架构
当为WiMAX设计选择RF架构时，基本架构有超外差和直接变频两种选择。如果要满足较严格的发射器要求，超外差架构具有优势，因为它能对无用的发射信号进行片外滤波。
有两种不同的超外差基带接口：IF和I/Q。具有IF接口的基带处理器的信号频率很低，但不为0，通常使用的IF频率为10～50MHz。具有I/Q接口的基带处理器的信号频率可低至0，此时任何I/Q不平衡都会影响图像，使其直接叠加在有用信号上并引起噪声。因此，I/Q平衡是I/Q接口的关键，可能需要外部I/Q校准。由于这个原因，IF接口更受欢迎，因为它不需要外部校准。
另一方面，直接变频发射器架构在基带上具有两个I/Q输入，并直接把它们调制到RF。这种架构很有吸引力，因为它使无线电设计更小、更便宜。它不需要IF本振(LO)，也不需要表面声波(SAW)滤波器，不过这种方法所面临的挑战是性能很难保持，例如，任何小的DC偏移都将降低系统性能。I/Q平衡也很关键，因此需要进行DC和I/Q校准。此外，由于没有SAW滤波，杂散传输可能造成频带掩模发射失败。
芯片的选择
在现在大多数802.11设计中，RF、物理层(PHY)和媒体访问控制器(MAC)都集成在单个芯片内。由于WiMAX技术很新，量产水平依然相对较低，所以WiMAX芯片还没有被集成进去。这样，IC设计工程师需要决定如何进行功能分割，尽管集成带有RF和IF部分的发射器和接收器是有可能的，但这种方法目前并不常用。
对于超外差架构，通常做法是分割芯片。这种分割可以在RF/IF(发射器和接收器在同一个芯片，但RF和IF在不同芯片)或发射器/接收器(发射器和接收器在不同芯片，但两者都包括RF和IF链路)上进行。
在这两种分割方案中，RF/IF分割更好些，因为两个芯片可共享单个合成器。这种技术使用IF芯片内的一个完全可编程合成器，并产生所有需要的LO信号来驱动发射和接收路径(见图)。为以最低成本实现最佳性能，IC制造商可用不同的工艺技术生产这两种芯片，例如使用CMOS工艺制造IF芯片，使用SiGe或砷化镓(GaAs)工艺制造RF器件。
对设计工程师来说，从WLAN转移到WiMAX是令人激动的，不过在开始设计之前，清晰理解设计参数(例如授权或未授权频带、带宽、双工方式)和主要的802.16性能需求非常重要。
作者：Darcy Poulin

SiGe半导体公司

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