隨著服務供應商和基礎架構設備制造商近來公布多項先進無線服務及設備合同簽訂的消息，WiMAX正大受市場注目。不過，要成功推出一項服務，需要三個必備要求：（1）服務供應商的投資；（2）基礎架構設備的開發；（3）價廉的客戶駐地設備（customer premise equipment） 和/或移動設備。本文將探討能夠滿足固定和移動WiMAX 要求的較低成本設備的設計，重點放在無線射頻（RF）子系統的實現上。

盡管有些人可能會把WiFi和WiMAX加以比較，因為二者都是基于OFDM的標準；但從射頻角度來看，WiMAX 的實現要困難得多。表1對802.11以及802.16的兩個變體作出了高層次的比較。

固定WiMAX概述

固定WiMAX標準（常常被誤稱為802.16d）基于正交頻分復用（OFDM）技術，使用256個副載波。該標準支持1.75到28MHz范圍內的多個信道帶寬。由于副載波的數量是固定的、而信道帶寬是可變的，故副載波的間距會因信道帶寬的不同而變化。該標準支持大量不同的循環前綴（符號時間的1/32到1/4）。256點OFDM的副載波間距范圍為7.8kHz到125kHz之間，符號時間的變化范圍則為8.25us到160us。該標準支持多種不同的調制方案，包括BPSK、QPSK、16QAM和64QAM。在實際推行上，所采用的調制方案乃根據測得的信道載干比/載噪比（CINR）來選擇的。較高級的調制方案，比如64QAM，需要更好的CINR來使比特誤碼率（bit error rate， BER）處于可接受的范圍內。

圖1：SiGe 2.5和3.5GHz射頻

固定WiMAX的設計挑戰

多項技術參數導致射頻及參考設計充滿挑戰性，其中最困難的一項可能是發射誤差向量幅值（EVM）。所需的發射EVM是調制的一個函數。在802.16標準的發展過程中，Tx EVM的獲得使發射SNR較在10e-6 BER所需的接收SNR理論值低10dB，有效地消除了總體鏈路預算中的發射損傷。

為了滿足64QAM工作模式的要求，需要-30dB的EVM，而且必須關注發射鏈路的各個環節。雖然一般來說，功率放大器耗費了總體EVM 預算的大部分，但其它損傷，例如相位噪聲、IQ失衡（對IQ射頻而言），以及混頻器和功放（PA）驅動器線性度也都變得十分重要。舉例來說，-35dB的集成相位噪聲（相當于非常可觀的1度相位噪聲），加上-40dB的PA驅動器線性度和IQ調制器中的1度相位平衡（也極為可觀），將導致-32.9dB的總疊加EVM。再計量該PA的影響，可以看出現在PA的EVM必須較-33.1dB更好，才可滿足-30dB的要求。

滿足這些EVM要求的方法之一，是增大收發器和功率放大器的耗電量。正如大多數RF 性能問題一樣，增加電流常常能夠解決某項問題，但隨之而來的代價是電池壽命將會縮短，而材料清單則增多。

另一個EVM問題，是OFDM具有相當高的峰均功率比（peak-to-average power ratio， PAPR），這對功率放大器的設計有重大影響。256點OFDM的PAPR大約為10dB，故功率放大器必需定制至能夠處理高于平均發射功率10dB的峰值功率。請注意，PAPR與是獨立于所用的調制方法，不論是采用BPSK或64QAM方式發射，PAPR都是一樣的。PAPR的主要影響在于PA效率，亦即影響總體功耗和電池壽命。

具有阻斷器的射頻器件的性能是影響設計的又一項問題。根據目前的標準要求，具有“有用信號”（desired signal）以上4dB鄰信道阻斷器的接收器，必須能夠以靈敏度限值以上3dB的級別來解調64QAM信號。對非鄰信道（鄰信道以外的任何信道），接收器的阻斷器容限必須在有用信號電平以上11dB。

此外，使參考設計變得復雜的另一個問題是對頻率精度和穩定性的要求。OFDM標準要求用戶站 （subscriber station）的RF調諧精度必須達到副載波間距的2%。1.75MHz信道副載波間距最小，為7.8kHz。2%的精度要求意味著用戶站必須能夠達到156Hz的調諧精度。假如射頻的工作頻率為3.6GHz，就表示它必須能夠調諧到0.04ppm。此外，基站的絕對頻率精度規定為+/-8ppm。因此，RF收發器必須在很大的頻率范圍上進行調諧，并具有極好的分辨率。大多數情況下，用戶站的頻率控制通過電壓控制、溫度補償、晶振（VCTCXO）來實現。除了滿足調諧和分辨率要求之外，VCTCXO的相位噪聲也很重要，因為它是整個射頻的主要參考時鐘，并可能對總體相位噪聲產生重大影響。要滿足這些要求，必需謹慎選擇VCTCXO。

固定WiMAX要求支持時分雙工（TDD）和半頻分雙工（HFDD）模式。在TDD工作模式下，發射器和接收器使用相同的RF頻率，但發送和接收在不同時間進行。由于頻率合成器不需要改變發射和接收突發信號間的信道，加上接收和發射并非同時進行，射頻的設計比較容易，因此射頻設計的成本也得以降低。HFDD類似于TDD，只是在HFDD模式中，接收器和發射器頻率不同，但發射器和接收器永遠不會同時工作。HFDD同樣能降低射頻的設計成本。雖然固定WiMAX中允許完全FDD的工作模式，但一般都不會這么做，因為發射器和接收器在不同的頻率下同時工作，將會大大增加射頻設計的復雜性。

解決固定WiMAX設計的挑戰

如圖1所示，SiGe半導體公司的2.5和3.5GHz射頻解決方案是固定WiMAX工作模式的理想選擇。這是一種兩片超外差射頻（superheterodyne）芯片的解決方案，其中一片超外差芯片具有兩個頻率轉換和外部中頻（IF）濾波功能。這種架構提供了可能是最好的RF性能，代價則是尺寸較大（由于需要外部濾波器），故成本也稍為高一點。

SE7251L和SE7351這兩款RF IC都是低噪聲高線性度的前端收發器，分別支持2.3至2.7GHz和3.3至3.8GHz 的頻帶范圍。其接收器提供從RF到200至600MHz中頻的低噪降頻功能，在降頻之前可提供40dB的增益控制來優化噪聲和線性度。這一增益控制在可變增益LNA與3位數字衰減器之間以4dB步進被劃分開。LNA和混頻器之間的片外濾波器可作圖像抑制之用。IF輸出具有片外匹配網絡，可供靈活的頻率規劃和聲表面波（SAW）濾波器選擇。發射器從200至600MHz的IF升頻到RF。升頻混頻器輸出信號被輸出到片外，從而在最終的放大之前進行圖像頻帶和LO抑制。發射衰減器具有一個5dB分辨率的3位數字接口，總范圍為25dB。

SE7051L IF收發器是高集成度的低噪高線性度收發器，包含有RF（2850至3250MHz）和IF（200至600MHz）合成器，常用于2.5和3.5GHz設計中。

其接收器把200至600MHz頻率的信號降頻轉換為基帶IQ輸出或IF輸出。這種高線性度輸出為ADC接口提供了出色的互調性能和驅動能力。此外，它還具有高速數字VGA，可提供1dB分辨率的50dB增益控制范圍。在發射方面，基帶IQ輸入信號升頻轉換到200與600MHz間的IF輸出頻率。此外，發射器可以配置成能夠進行IF 輸入信號的單邊帶（sideband）升頻轉換。

發射器的總增益控制范圍為68dB，分辨率為1dB，分布在調制器和VGA之間。VGA具有50dB范圍；而調制器則提供了18dB的范圍，分辨率很低（6dB）。該可變增益調制器能夠接收范圍很廣的輸入電壓，故基帶 DAC 的選擇相當靈活。雙合成器提供極低的相位噪聲本振（LO），適合于高階數字射頻調制。

如上所述，超外差射頻可以提供卓越的RF性能。接收器帶有外接SAW濾波器，具有出色的鄰信道抑制（adjacent channel rejection）性能，可滿足阻斷要求。對發射器來說，SAW濾波器使得發射頻帶非常干凈，DAC圖像及其它雜散信號被完全過濾掉。不過，這種性能是有代價的。首先，SAW濾波器具有固定的帶寬。因此難以實時改變信道帶寬 （不同濾波器必須被轉換到不同信道帶寬路徑）。但對于固定WiMAX而言，由于固定WiMAX對移動性幾乎沒有什么要求，用戶不會在基站之間漫游，而帶寬通常在部署時就被固定下來，所以這一點不是太重要。另一個考慮則是SAW濾波器的尺寸相當大，可能導致通帶紋波，不過正確的RF設計是可以緩解這一問題的。

SE7051具有完全集成的合成器，可用在大多數應用中，能夠產生IF和RF LO信號。想獲得極高的性能，可以選用一個外部壓控振蕩器（VCO），如圖1所示。一般來說，采用外部 VCO可使調諧范圍更廣，而且由于其相位噪聲較低，故能夠把EVM提高1dB左右。

雖然圖1并沒有顯示，但 VCTCXO是最常用作為參考頻率的。AFC在基帶收發器的模擬控制下進行。要滿足固定WiMAX的規范，需要一個調諧大于±10ppm的VCTCXO。作為整個射頻的主頻參考，其相位噪聲對總體性能也有著至關重要的影響。所有應用都需要VCTCXO，除非是由基帶芯片組來實現數字AFC。

SiGe半導體的射頻解決方案支持時分雙工（TDD）和半頻分雙工（HFDD）工作模式。在HFDD模式下，專用的頻率控制寄存器與Tx啟動引腳連接在一起。其中一個寄存器在TxEN為高電平時使用；另一個則在TxEN為低時使用，這樣，頻率改變時不用寫入串行接口，因此串行接口的流量被減至最小。對HFDD工作模式，OFDM 標準要求Rx與Tx之間的轉換時間為100μs，SE7051L輕而易舉就可以滿足這項要求了。

最后一個需要討論的問題是基帶接口。SE7051L允許使用IF或IQ（零IF）模擬接口來支持多個基帶產品。許多基帶芯片組都使用一個IQ接口，因為它可以簡化基帶設計。

不過，使用IQ接口有一個重大的RF缺陷，那就是IQ平衡。I和Q信號路徑之間的任何幅值或相位失衡都會產生IQ圖像。這種圖像將直接疊加在有用信號上，降低了EVM性能（對接收和發射鏈路皆然）。IQ失衡發生在IQ 調制器或解調器中，甚至可能發生在基帶與 RF收發器之間的互連中。由于這種失衡與溫度有關，IQ接口極可能需要校準，以確保不同工藝和溫度上的EVM都良好。

相反地，基于IF的接口就不存在這種問題，所以是超外差射頻的首選。使用IF接口時，圖像落在帶外，并可被SAW濾波器過濾掉。

移動WiMAX概述

移動WiMAX基于802.16e標準，主要面向下一代寬帶網。雖然移動WiMAX還是一個處于發展中的標準，但WiMAX Forum已經順利地定義了將要實施的主要功能，而且在系統文檔對所有這些功能作了描述。該系統文檔采納了802.16e標準中的許多選項功能，并定義了哪些功能將被實施。

移動WiMAX標準中有許多明顯不同于固定WiMAX的地方。其中一個顯著的差別是：采用移動 WiMAX時，快速傅立葉變換采樣數（FFT size）隨帶寬成比例伸縮（因此移動WiMAX有時也稱為可伸縮OFDM）。由于具有這種伸縮性，對移動WiMAX來說，副載波間隔及符號時間幾乎不依賴于信道帶寬；但對固定WiMAX來說，則隨信道帶寬的變化很顯著。

二者最顯著的差別是接入技術本身。固定WiMAX基于OFDM；而移動WiMAX則基于OFDMA，后者給每個用戶都分配了一個收發時間片。例如，一個固定WiMAX傳輸通常要占用所有可用的副載波。在移動WiMAX中，一個用戶一般只用到可用副載波的一個子集，而且是在一個預先指定的時間使用這些副載波。OFDMA允許靈活地分配資源，從而優化對可用帶寬的利用。

移動WiMAX的設計困難

OFDMA本身對RF收發器的設計無直接影響，但OFDMA面向的是大批量生產的便攜式和移動設備（如筆記本電腦和手機），而這對RF前端的設計則有很大的影響。

移動WiMAX受到的第一項限制是尺寸和功率。由于移動WiMAX將用于移動和便攜式設備，因此產品的整體尺寸和功耗都必須最小化。這樣的要求反過來又對系統架構的選擇提出了要求。移動設備中不太可能使用超外差接收器，因為這種接收器一般都比直接轉換接收器的體積大很多，而且功耗也較高。

實現低功耗對功率放大器的設計提出了很高的要求。由于需要有相對較高的PAPR和線性，用標準的甲類（甚至甲乙類）功率放大器很難獲得高效率和低功耗。為了盡可能降低線性要求，目前系統文檔對上行鏈路只要求采用16QAM調制；而64QAM為可選。這樣，在EVM上就有6dB的緩解（16QAM要求-24dB EVM；而64QAM則為-30dB）。不過，業界普遍預計64QAM調制也將會被用到，尤其是在筆記本電腦上。為了滿足這一要求，我們預期大多數功率放大器將開始采用先進的效率改進技術，而標準的甲類或甲乙類放大器的使用將會越來越少。

為了方便說明，我們假設：所希望的天線端口發送功率為24dBm。放大器與天線之間很可能有2dB的損耗，因此從放大器出來的發送功率必須為26dBm或400mW。如果采用效率為15%的標準甲乙類放大器，那么在放大器本身的功耗就有3W，加上發送鏈路的其它部分、DAC和基帶芯片組，功耗將增加到約3.7W，因此電池壽命將是一個嚴重問題。如果通過效率改進技術，將該放大器效率增加到25%，其功耗將降低到1.8W，而WiMAX接收器的功耗將顯著降低到2.5W。請注意，2.5W正是目前許多手持設備中GSM接收器的功耗。

多輸入多輸出（MIMO）也是移動WiMAX的一項要求。目前的系統文檔要求下行鏈路（從基站到移動設備）采用2x2MIMO；因此接收器必須有兩條完整的接收鏈路，這就增加了尺寸方面的限制，更加不利于采用超外差體系架構。請注意，上行鏈路并不要求采用MIMO技術，因此只需要一條發送鏈路。

另一個在移動WiMAX中常常被忽視的問題是WiMAX和WiFi網絡間存在相互影響。例如，按照表4，第3類頻帶在2496至2670MHz的范圍，由于WiFi（在美國）工作在2412至2462MHz范圍，WiMAX和WiFi接收機的頻率隔離度非常小，因此兩個網絡之間很容易產生有害的干擾。因為這兩個頻帶太接近，以至于無法真正實現RF 濾波，所以WiMAX接收器必須設計成即使有WiFi接收器在旁也能工作。這個要求對WiMAX接收器的設計有著根本性的影響，因為WiMAX接收器必須能夠在可能是很強的WiFi信號環境下接收微弱的WiMAX信號。這些 WiFi阻斷信號可能比任何可能的WiMAX阻斷信號都要強得多。

如何將移動WiMAX產品迅速推向市場？

移動WiMAX網絡現已開始逐步推行，而且有望推行得很快，尤其是在美國，推行的進度預計將會更迅速。這意味著制造商需要尋找創新的方法，在盡可能短的時間內將產品推向場。解決這個問題的方法有很多。

市場上有多項明顯的技術切入點。第一個技術切入點是盡早開發芯片，為了最大限度地降低風險，制造商必須參與標準的開發，并與WiMAX Forum合作，確保他們能盡早獲得設計的要求。一旦設計完成，開發了一個全功能、而且能通過WiMAX Forum接收器符合性測試（RCT）規范的RF參考設計后，就可以加快系統集成的步伐。同時，還有助于在RF芯片組中實現內置的測試和診斷功能。

不過，即使及早著手設計和擁有可實現的參考設計，也未必能縮短產品的面市時間。一旦有了RF芯片組，還必須將其集成到基帶芯片組中。完成這種集成需要較長的時間，這個環節也是能否大幅度節省時間的關鍵所在。

首先，RF和基帶制造商間需要盡早形成互動。其次，必須力爭減少RF和基帶芯片組間的相互作用。例如，如果RF芯片組能實現完全的自主自動增益控制和校準程序，軟件開發時間就會更短，整個集成 時間也可縮短。

另一個能縮短集成時間的可能切入點為基帶至RF接口本身。以往都采用模擬IQ或IF接口來實現RF和基帶芯片組之間的數據傳輸；ADC和DAC在基帶芯片組上實現，而數據是以模擬方式傳送到RF芯片組。由于采用這種接口，各個基帶芯片的要求都有所不同，因此會增加集成時間。現在，一種針對移動WiMAX的全數字基帶至RF接口已經面世，目前正由Jedec JC61開發小組完成。該接口定義基帶和RF之間的數據傳輸格式，以及串行控制接口，可用于MIMO或單輸入單輸出（SISO）數據傳輸，并面向基帶IQ數據。除了便于集成外，該接口還能降低設計成本。由于基帶收發器都采用數字CMOS器件，故很容易利用最先進的CMOS工藝改變尺寸，從而制造出尺寸更小、成本更低的基帶芯片。可惜的是，無論是RF或模擬轉換器都不容易改變尺寸，因此將轉換器與RF放在一起比較可行，這樣二者都可通過優化技術來推行，而不會影響CMOS基帶裸片。

結論

不管是固定或移動WiMAX，都為RF設計人員提出了嚴苛的挑戰。

固定WiMAX基于OFDM物理層，主要面向客戶端設備（CPE）。因此，其整體功耗不是市場主要關心的問題。對固定WiMAX網絡而言，用戶更關心的是性能。因此，許多固定WiMAX接收器將采用超外差系統，以獲得最佳的整體RF性能。

新的移動WiMAX基于OFDMA物理層，這類設備面向移動電話和筆記本電腦，故要求較低的功耗和成本。由于功耗和成本上的限制，采用直接轉換技術的RF收發器最有可能成為首選的體系架構。此外，要在合理的功耗下實現足夠的RF功率，還需要有高效率的功率放大器。