設(shè)想有一個(gè)設(shè)備能在家里提供高品質(zhì)移動(dòng)電話的接收功能，讓用戶只需要低廉的月費(fèi)就可無限享受語音和資料的使用，F(xiàn)emtocell基站即可提供上述服務(wù)，甚至更多，而此放在家中或是辦公室內(nèi)可以改善區(qū)域無線覆蓋范圍的小巧無線設(shè)備，也將大幅改變無線基礎(chǔ)建設(shè)的樣貌。

圖1所示為Femtocell基站的運(yùn)作概念，傳統(tǒng)的基站具有廣大的區(qū)域覆蓋范圍，而Femtocell基站則是在一棟住宅的小型區(qū)域內(nèi)提供無線涵蓋范圍。

圖1 Femtocell基站運(yùn)作概念圖

Femtocell基站通過用戶的寬頻網(wǎng)際網(wǎng)絡(luò)連線將移動(dòng)通信流量路由至網(wǎng)絡(luò)，以此方式使流量得以從無線電網(wǎng)絡(luò)中轉(zhuǎn)移出來，可改善網(wǎng)絡(luò)的容量，同時(shí)減輕經(jīng)營者的后置網(wǎng)絡(luò)、電力及維護(hù)成本，也可讓經(jīng)營者對(duì)信號(hào)覆蓋范圍有限的家庭提供服務(wù)。在更換輔助用的Femtocell基站時(shí)，經(jīng)營者會(huì)在客戶的移動(dòng)電話月租帳單中增加一筆額外的費(fèi)用，當(dāng)客戶處于Femtocell基站區(qū)域中，所有的移動(dòng)電話使用都會(huì)被涵蓋在家庭帳單當(dāng)中，客戶可在家中無限制的使用語音與資料而不須負(fù)擔(dān)大筆的月費(fèi)帳單。鄰近Femtocell基站的區(qū)域則能獲得高品質(zhì)的連線，又可一并減少移動(dòng)電話的電池使用時(shí)間，且Femtocell基站克服來自基站的3G信號(hào)須穿透墻壁的限制，也實(shí)現(xiàn)移動(dòng)電話資料服務(wù)的高速存取，如瀏覽網(wǎng)??際網(wǎng)絡(luò)、下載音樂及手機(jī)中的串流視頻等。

低成本為Femtocell基站主要挑戰(zhàn)

類似于無線區(qū)域網(wǎng)絡(luò)(Wi-Fi)路由器的Femtocell基站，以獲得認(rèn)證的無線基礎(chǔ)架構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)--全球移動(dòng)電信系統(tǒng)(UMTS)和分碼多重存取(CDMA)為基礎(chǔ)。此架構(gòu)與新興的標(biāo)準(zhǔn)兼容，借著使用經(jīng)營者專屬的頻譜提供有效率又強(qiáng)固的無線連接，與既有移動(dòng)電話間的兼容性使連線對(duì)使用者透明化。不同于大型蜂窩網(wǎng)絡(luò)在核心網(wǎng)絡(luò)上具有總數(shù)高達(dá)數(shù)十或數(shù)百個(gè)基站，一組Femtocell基站的閘道須管理數(shù)千甚至上百萬個(gè)Femtocell基站的節(jié)點(diǎn)。

Femtocell基站須能從基站以近似移動(dòng)電話的成本提供所需的服務(wù)品質(zhì)，這為無線電設(shè)計(jì)廠商帶來頗大的挑戰(zhàn)。Femtocell基站必須同時(shí)提供高品質(zhì)的語音服務(wù)及EVDO與高速封包存取(HSPA)移動(dòng)資料服務(wù)，且成本須僅能占大型蜂窩網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的一小部分。為克服這些挑戰(zhàn)，F(xiàn)emtocell基站的設(shè)計(jì)須借助低成本生產(chǎn)技術(shù)及能使校正與測試時(shí)間最小化的高整合IC的優(yōu)點(diǎn)。此外，F(xiàn)emtocell基站設(shè)置在家中，因此必須小巧、低成本，并可讓使用者自行安裝。以約100MW低功率發(fā)射的Femtocell基站為例，安裝時(shí)須留意無線環(huán)境，以便減輕干擾的情況，同時(shí)符合調(diào)節(jié)方面的需要，而3G Femtocell基站須監(jiān)測UMTS通道，以便偵測鄰近的基站，同時(shí)還要監(jiān)測全球移動(dòng)系統(tǒng)(GSM)通道，借以在用戶離開Femtocell基站區(qū)域時(shí)建立適合切換(Handover)的Femtocell基站。

射頻前端整合/分離式設(shè)計(jì)各有優(yōu)劣

Femtocell基站具備兩種截然不同的功能，包括模擬式前端及基??頻處理器。本文所提的適用于3G Femtocell基站模擬前端能在發(fā)射電路中將數(shù)位資料流轉(zhuǎn)換成射頻(RF)信號(hào)；而在接收鏈中則反之。前端的設(shè)計(jì)牽涉整合度與性能之間的取舍，雖然分離式解決方案可經(jīng)過特別設(shè)計(jì)提供最佳性能，但其所需成本對(duì)Femtocell基站而言，無法接受；相反的，完全整合型解決方案能提供最低的成本，但性能卻可能不足。

圖2中所示為針對(duì)能支持在UMTS波段1的區(qū)域型基站作業(yè)，以及在850MHz、900MHz、1,800MHz、1,900MHz與2,100MHz波段中監(jiān)測信號(hào)所設(shè)計(jì)的Femtocell基站的高位準(zhǔn)方塊圖。其中還有廠商推出的混合信號(hào)前端基帶收發(fā)器、整合式無線電收發(fā)器與線性放大器、開關(guān)、濾波器，以及其他來自于適合Femtocell基站精巧高性能前端的相關(guān)支持電路，以下是關(guān)于各區(qū)塊的說明。

圖2 以廠商芯片組為基礎(chǔ)的Femtocell基站模擬前端成品

• 發(fā)射端

在發(fā)射端，數(shù)位基帶會(huì)傳送一組12位并行資料流至混和信號(hào)前端組件，該組件會(huì)將其轉(zhuǎn)換為模擬I/Q基帶信號(hào)。基帶信號(hào)會(huì)通過整合式無線電發(fā)射器轉(zhuǎn)換成RF，再由線性放大器增益級(jí)放大，然后傳送至雙工器中。功率偵測器會(huì)監(jiān)測RF輸出。單刀六擲(SP6T)開關(guān)會(huì)選擇將何組發(fā)射或接收監(jiān)測鏈連接至單一天線，這組信號(hào)鏈在RF輸出連接器上提供13dBm的輸出功率，同時(shí)又能夠符合第三代伙伴項(xiàng)目(3GPP )標(biāo)準(zhǔn)TS25.104中所定義的發(fā)射鄰近通道信號(hào)泄漏比(ACLR)規(guī)格。

• 接收端

接收鏈包含表面聲波(SAW)濾波器及單極雙通式(SPDT)開關(guān)，用于監(jiān)測主要路徑。匹配區(qū)塊則是由適用每一組接收埠的簡單串聯(lián)/分流電感器構(gòu)成。整合式無線電收發(fā)器具有三組接收器輸入接腳，一組用于波段1，另兩組分別用于高與低波段監(jiān)測功能。波段1接收功能可在接收上行信號(hào)的1,960MHz與用以監(jiān)測下行頻率的2,140MHz間切換，且整合式無線電收發(fā)器將所選取的RF信號(hào)予以降頻轉(zhuǎn)換和濾波，使其成為基帶I/ Q信號(hào)，基帶信號(hào)會(huì)由混合信號(hào)前端中的雙工模擬數(shù)位轉(zhuǎn)換器(ADC)予以取樣，并轉(zhuǎn)換成適用于數(shù)位基帶的雙12位并行比特流。

高度整合式無線電收發(fā)器可降低BOM

圖3中所示的整合式無線電收發(fā)器是一組適用于高性能3G Femtocell基站的3G收發(fā)器。以直接轉(zhuǎn)換架構(gòu)為基礎(chǔ)的接收器，適用于高度整合寬頻分碼多重存取(WCDMA)接收器，并通過完全整合所有的級(jí)間濾波器，以減少物料清單(BOM)。接收基帶濾波器提供可選擇的頻寬，因此WCDMA及GSM-EDGE無線電信號(hào)都能夠接收，可選擇的頻寬搭配多重波段低雜信放大器(LNA)輸入結(jié)構(gòu)，使GSM-EDGE信號(hào)能被視為是UMTS家用基站的一部分而加以監(jiān)測。

圖3 整合式無線電收發(fā)器方塊圖

整合式無線電收發(fā)器包含兩組完全整合的可編程頻率合成器，用以產(chǎn)生發(fā)射與接收本地振蕩器(LO)信號(hào)。其設(shè)計(jì)采用分?jǐn)?shù)N型架構(gòu)，以獲得低雜信與快速鎖定時(shí)間。所有必要的組件包括回路濾波器、壓控振蕩器(VCO)及電容等，都已針對(duì)發(fā)射與接收合成器加以完全整合，芯片內(nèi)建的VCO，以高波段頻率的兩倍和低波段頻率的四倍運(yùn)作，使在所需頻率上的VCO泄漏功率(Leakage Power)與VCO的調(diào)節(jié)范圍需求最小化，該VCO采用多波段結(jié)構(gòu)，借以涵蓋廣大的作業(yè)頻率范圍，此設(shè)計(jì)包含頻率與振幅校正，以確保振蕩器能一直在優(yōu)化的性能下運(yùn)作。  

且振蕩器在200微秒(μs)的鎖相回路(PLL)鎖定時(shí)間中發(fā)生的可完全自主的校正功能，不需用戶的輸入，內(nèi)建VCO輸出被送入經(jīng)過調(diào)整的緩沖級(jí)，然后送至正交產(chǎn)生電路。經(jīng)過調(diào)節(jié)的緩沖是用以確保最小電流及與LO相關(guān)的雜信會(huì)產(chǎn)生在VCO的傳輸中。正交產(chǎn)生器會(huì)生成高精確相位信號(hào)，用以驅(qū)動(dòng)調(diào)變器與解調(diào)變器，此外，整合式無線電收發(fā)器已采取特殊的預(yù)防措施，借以提供在分頻雙工(FDD)系統(tǒng)的發(fā)射與接收鏈之間所需要的隔離功能。

接收器前端包含三組高性能單端LNA，使整合式無線電收發(fā)器能支持三波段應(yīng)用設(shè)備。其中兩組適用于1,800M～2,170MHz的高波段選項(xiàng)，另外一組則適用于824M～960MHz的作業(yè)。級(jí)間RF濾波功能已完全整合，以確保外部波段外的阻斷器能在混頻器之前被適當(dāng)?shù)乃p，單端50歐姆(Ω)輸入結(jié)構(gòu)使連接更為容易，同時(shí)也減少小尺寸單端雙工器所需要的匹配組件，組件的線性度并可確保具有大范圍SAW與陶瓷濾波雙工器的良好性能。 

整合式無線電收發(fā)器的高線性度的解調(diào)變器電路是用來將RF信號(hào)轉(zhuǎn)換成基帶同相及正交要素。兩組解調(diào)變器都包含在內(nèi)，一組針對(duì)高波段LNA輸出優(yōu)化；另一組則是針對(duì)低波段。高波段與低波段輸出會(huì)被加以結(jié)合，并直接送入基帶低通濾波器的第一級(jí)當(dāng)中，而這會(huì)使最大阻斷信號(hào)在基帶放大之前遭到縮減。接收器的合成器提供從VCO分配系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)至混頻器的正交LO。可編程除法器使相同的VCO可被使用在高波段與低波段上，上述布局解調(diào)變器與VCO分配電路的設(shè)計(jì)，就能實(shí)現(xiàn)90o正交相位與振幅匹配。 

基帶部分包含經(jīng)過分配的增益與濾波功能，是為以60dB增益控制范圍提供最大54dB的增益所設(shè)計(jì)。通過此設(shè)計(jì)，通帶漣波(Pass-band Ripple)、波群延遲(Group Delay)、信號(hào)損耗及功率消耗等都能維持在最小化。整合式無線電收發(fā)器中的濾波器校正是在生產(chǎn)程序中執(zhí)行，這可產(chǎn)生較高的精確度與易使用性，有兩組可供選擇的第七階基帶濾波器可以使用，一組具有適用于WCDMA的1.92MHz截止點(diǎn)，另一組則具有適用于GSM的100kHz截止點(diǎn)。 

在WCDMA模式下，整合式無線電收發(fā)器能以分配于整個(gè)接收信號(hào)鏈的90dB增益控制范圍提供102dB的增益。RF前端包含30dB的控制范圍，其中18dB在LNA，12dB在混頻器跨導(dǎo)(Transconductance)。6dB下，兩組基帶主動(dòng)式濾波器級(jí)都可提供18dB的增益控制范圍，這將會(huì)產(chǎn)生三組12dB，總共36dB的增益控制范圍。可變?cè)鲆娣糯笃?VGA)以1dB執(zhí)行24dB的增益控制范圍，為簡化編程與確保接收器性能和動(dòng)態(tài)范圍的優(yōu)化，只針對(duì)總體所需接收增益加以編程即可，整合式無線電收發(fā)器將增益設(shè)定解碼，并將不同區(qū)塊間的增益予以自動(dòng)分配。 

發(fā)射器使用直接轉(zhuǎn)換調(diào)變器，該轉(zhuǎn)換器具有高線性度及低雜信，不須使用外部發(fā)射SAW濾波器。針對(duì)I與Q通道的差動(dòng)直流(DC)耦合基帶接口，能支持從1.05～1.4伏特(V)的寬廣范圍輸入共模電壓(VCM)，最大容許信號(hào)擺幅為550毫伏特峰值，相當(dāng)于在I或Q任一通道上1.1Vp-p的差動(dòng)范圍。基帶輸入的信號(hào)會(huì)在正交調(diào)變器之前以4MHz的截?cái)囝l率通過一組第二階巴特威士(Butterworth)濾波器，借以抑制波段外的突波，收發(fā)器中的校正技術(shù)使I/ Q平衡與相位在所有的頻率和環(huán)境條件下得以維持，進(jìn)而確保在所有條件下都能以良好的邊限，符合3GPP載波泄漏、誤差向量幅度(EVM)及ACLR的需求。整合式無線電收發(fā)器具有在190MHz偏移與-8dBm輸出功率下-163dBm/Hz的寬頻雜信層，同時(shí)又符合TS25.104需求，而其輸出與50Ω匹配，因而與功率放大器的連接能夠更為簡單。

混合信號(hào)前端基帶收發(fā)器須與無線電收發(fā)器ADC連接

廠商推出的混合信號(hào)前端基帶收發(fā)器(圖4)為適用于通信市場的整合式轉(zhuǎn)換器MxFE家族的成員，適合于低成本、高性能的Femtocell基站應(yīng)用。該組件整合雙12位ADC及雙12位數(shù)位模擬轉(zhuǎn)換器(DAC)。該ADC已針對(duì)以50MSPS或更低的取樣予以優(yōu)化，以200MHz速度運(yùn)作的DAC中包含2×或4×的插補(bǔ)濾波器。

圖4 混合信號(hào)前端基帶收發(fā)器方塊圖

混合信號(hào)前端基帶收發(fā)器彈性化的雙向24位輸入/輸出(I/O)匯流排能適用于各種商用基帶特定應(yīng)用積體電路(ASIC)或數(shù)位信號(hào)處理器(DSP)，在半雙工系統(tǒng)當(dāng)中，其接口支持24位并行轉(zhuǎn)換或12位交錯(cuò)式轉(zhuǎn)換；在全雙工系統(tǒng)當(dāng)中，此接口支持12位交錯(cuò)式ADC匯流排及12位交錯(cuò)式DAC匯流排。對(duì)于FDD WCDMA，混合信號(hào)前端基帶收發(fā)器會(huì)同步運(yùn)作發(fā)射與接收通道，此須使用全雙工模式，包括一組12位交錯(cuò)式Rx(接收)資料匯流排及一組12位交錯(cuò)式Tx(發(fā)射)資料匯流排。

DAC核心將12位資料轉(zhuǎn)換成兩組互補(bǔ)的差動(dòng)電流輸出，并利用電阻器網(wǎng)絡(luò)將其送至混合信號(hào)前端基帶收發(fā)器(圖5)，其中RDC針對(duì)1.2伏特共模電壓被設(shè)定為120Ω；而RL則針對(duì)1Vp-p差動(dòng)輸入擺幅被設(shè)定為63Ω。

圖5 介于整合式無線電收發(fā)器與混合信號(hào)前端基帶收發(fā)器間的簡單界面

混合信號(hào)前端基帶收發(fā)器的DAC包含可編程精密增益控制及DC偏移控制，可用來對(duì)I與Q通道之間的不匹配進(jìn)行補(bǔ)償，借以抑制LO的饋通(Feedthrough)與改善EVM性能， 10位DC偏移控制能對(duì)任一差動(dòng)接腳獨(dú)立提供達(dá)±12%的偏移，進(jìn)而使任何系統(tǒng)偏移都能獲得校正。 

ADC輸入是由一組2kΩ差動(dòng)輸入電阻與一組交換式電容器電路組成，此輸入可進(jìn)行自我偏壓以達(dá)到中位供應(yīng)電壓，或可對(duì)其加以編程，使能接受外部的DC偏壓。因此建議整合式無線電收發(fā)器接收基帶輸出可直接連接至混合信號(hào)前端基帶收發(fā)器的ADC輸入，而ADC輸入的全范圍位準(zhǔn)為2Vp-p差動(dòng)。

Femtocell基站倚賴精準(zhǔn)時(shí)脈

Femtocell基站需要一組達(dá)±0.1ppm的精確參考時(shí)脈，以符合3GPP的規(guī)格。要執(zhí)行這個(gè)非常精密時(shí)脈控制的方法已超出本文所討論的范圍，但仍然有一些可能性存在，其中包括通過監(jiān)測接收器而使GSM大型蜂窩式基站同步化、全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS )同步化及IEEE 1588精密時(shí)序通信協(xié)定等，在某些例子當(dāng)中，上述方法的組合可由Femtocell基站供應(yīng)商實(shí)現(xiàn)，最后，參考時(shí)序控制電路將調(diào)節(jié)參考頻率源極。在廠商的評(píng)估用電路板上會(huì)使用這組26MHz的電壓控制溫度補(bǔ)償石英振蕩器(VCTCXO)作為整合式無線電收發(fā)器的參考。延遲鎖定回路(DLL)會(huì)產(chǎn)生19.2MHz的時(shí)脈，恰為3.84MHz WCDMA芯片時(shí)脈的倍數(shù)，這個(gè)19.2MHz的時(shí)脈會(huì)被用為混合信號(hào)前端基帶收發(fā)器的時(shí)脈輸入，且混合信號(hào)前端基帶收發(fā)器具有一組包含許多變數(shù)的多功能時(shí)脈設(shè)定組態(tài)。

ADC時(shí)脈速率、DAC時(shí)脈速率、PLL及插補(bǔ)器設(shè)定等都可由軟體控制，使功率對(duì)應(yīng)性能的優(yōu)化可符合需求。在建議的設(shè)定組態(tài)當(dāng)中，PLL乘法器被設(shè)定為2×，PLL輸出頻率設(shè)定為38.4MHz；ADC則鎖定為此頻率的一半。在發(fā)射端，38.4MHz的PLL輸出被用來鎖定DAC，發(fā)射插補(bǔ)被設(shè)定為2×，借以抑制DAC的鏡像，且時(shí)脈頻率也可能會(huì)有其他組合。使用上述的時(shí)脈方案，F(xiàn)emtocell基站不需要任何經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)在大型蜂窩式基站內(nèi)獨(dú)立的頻率轉(zhuǎn)換PLL，所有的頻率轉(zhuǎn)換功能都已經(jīng)獲得整合，此有助于Femtocell基站符合市場所要求的價(jià)格點(diǎn)。

RF放大器還須符合低成本要求

針對(duì)RF功率級(jí)所挑選的放大器，必須是低成本、高性能、以磷化鎵銦制程所生產(chǎn)的寬頻線性放大器。放大器會(huì)將整合式無線電收發(fā)器的輸出予以線性放大，并且對(duì)RF雙工器與交換網(wǎng)絡(luò)中的損耗進(jìn)行補(bǔ)償，兩組線性放大器中，一組包含了內(nèi)部偏壓與匹配功能；另一組則需要外部匹配功能，并采用業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的塑膠材質(zhì)SOT-23封裝方式，且兩組放大器都以5V軌直接運(yùn)行，因此不需外部偏壓電路。

本文分析3G Femtocell系統(tǒng)功能區(qū)塊中各個(gè)關(guān)鍵組件的運(yùn)作特性及所需的規(guī)格要求，包括采用直接轉(zhuǎn)換架構(gòu)為基礎(chǔ)且具高整合度的無線電收發(fā)器，有助降低BOM，整合雙12位ADC及雙12位DAC的混合信號(hào)基帶收發(fā)器，適合于低成本、高性能的Femtocell基站應(yīng)用，并可符合3GPP規(guī)格的精準(zhǔn)參考時(shí)脈，以及寬頻線性RF放大器。