单芯片WiMAX收发器的应用

       宽带服务，比如互联网接入和流视频，正在不断涌向你身边的无线收发器。许多无线服务供应商已经开始通过他们现有的蜂窝网络提供各种形式的无线宽带服务了。

       不少供应商也在考虑把WiMAX设备作为提高其网络宽带无线接入(BWA)能力的一种有效方法。当然，价廉的WiMAX服务需要低成本的WiMAX设备，而Maxim Integrated Products公司的新型无线宽带RF收发器集成电路(IC)MAX2837就是满足这一要求的一款单芯片解决方案。该收发器适用于2.3~2.7GHz频带，支持固定、便携式和移动WiMAX系统。

       WiMAX即全球微波接入互操作性(Worldwide Interoperability for Microwave Access)，一直被视作有线数字用户线路(DSL)技术的无线替代。这种无线城域网(WirelessMAN)技术可为基站周围30英里以内的固站用户和基站周围10英里以内的移动站用户提供高数据率的通信服务。

       WiMAX设备的工作“规则”由几种IEEE标准定义，IEEE 802.16-2004规定固定WiMAX系统的要求，IEEE 802.16e-2005则给出移动用户的WiMAX要求。

       对于IEEE 802.16-2004固定标准，授权频带在2.5~3.5GHz附近，免授权频带在5.2和5.8GHz间。按照IEEE 802.16e的定义，移动WiMAX被明确规定为允许移动设备从一个基站向另一个基站切换以实现漫游，它专门针对工作在2.3GHz和2.7GHz频带的系统而设计。固定WiMAX基于正交频分复用(OFDM)技术，而移动WiMAX同时采用了OFDM和正交频分多址访问(OFDMA)技术。

       WiMAX采用了大量不同的调制格式，包括BPSK、QPSK、16QAM和64QAM，根据接收信号的强度来转换调制格式。通过这种自适应的调制方案，传输率可达75Mbps。WiMAX信号以突发脉冲形式被发送，其帧结构分为前导信号(Preamble)和数据区。对WiMAX信号进行2048点的快速傅立叶变换(FFT)，可把类噪声信号从频域转换到时域。

       MAX2837单芯片收发器(图1)整合了RF到基带接收信号路径和基带到RF发射路径。它采用先进的SiGe BiCMOS工艺，功耗和噪声系数都很低，从而拥有出色的接收器灵敏度。这款收发器带有一个零中频(zero-IF)直接转换架构，其中包括步长20Hz的低相噪快速转换Δ-Σ小数N分频锁相环(PLL)频率合成器。这种零中频架构的邻信道载波泄漏极低，无需频率校正。相比传统的超外差收发器架构需要外部表面声波(SAW)滤波器进行信道滤波，MAX2837则是在自己的接收和发送部分中集成了单片式基带滤波器。
 

       该无线收发器IC带有可编程信道带宽滤波器，支持从1.75~28MHz的带宽，符合WiMAX标准的信道带宽要求。这种片上信道滤波器可以对所有的WiMAX带宽进行编程：1.75、2.5、3.5、5.5、6、7.7、8.75、10、14、15、20和28MHz。SPI兼容接口可实现信道滤波的电子编程，这一特性使单个基本无线设计可以支持不同地区的市场由于国家频谱管制而造成的不同信道带宽。

       为支持合成器，MAX2837还集成了一个压控振荡器(VCO)和一个数字可控晶体振荡器(DCXO)，后者可采用低成本晶振来替代昂贵的温度补偿晶振TCXO。DCXO结合这一合成器，可实现数字自动频率控制(AFC)，从而扩展了系统范围，同时保持WiMAX标准(10-6BER)所要求的最小比特误码率(BER)之性能。

       片上DCXO可采用±25PPM或更高频的低成本温度频差晶振。DCXO的调谐步长小于1PPM，固有单调性，允许AFC算法的开发，整个工作温度范围上总体频率误差保持在1PPM之内。

       小数N分频PLL合成器甚至还可以采用价廉的非调谐晶振。代替数字调谐晶振的负载电容，可以25Hz步长调节RF频率，以消除频率误差。与参考时钟(晶振)相关的采样时钟误差(以及符号定时误差)可在I/O采样信号的WiMAX调制解调器插补中被数字校正，从而解决采样时钟的漂移问题。

       MAX2837包含了一个基带/控制接口，带有片上直流漂移消除(DC offset cancellation)、同相/正交(I/Q)误差检测和载波泄漏检测电路。除了RF带通滤波器、参考振荡器晶振、RF开关、发射器功率放大器以及少量无源元件之外，要构成一个完整的WiMAX RF收发器前端几乎不再需要什么额外的电路了。
 

       MAX2837的接收器部分带有一个噪声系数2.3dB的集成低噪放大器(LNA)，在最大增益设置时输入三阶交调截取点(input Third-order Intercept Point，IIP3)从-8到-11dBm可调。在整个RF输入范围上的峰峰值增益变化一般为0.8dB(图2)，而在集成LNA的所有设置下RF输入回损的典型值为13dB。总电压增益一般是99dB，其中包含了可调RF增益和基带增益。RF增益步长为8、16和32dB，基带增益范围一般为62dB(最小步长2dB)。

       若RF或基带增益发生任何变化，达到±1dB内的新稳态值所需的稳定时间一般只需0.2μs；达到±0.1dB内的新稳态值所需的稳定时间一般也只有0.2μs。双边带(DSB)噪声系数是总RF增益的函数。

       电压增益50dB、最大RF增益8dB时，DSB噪声系数一般为5.5dB。电压增益45-dB、最大RF增益16dB时，DSB噪声系数一般为17dB。电压增益15dB、最大RF增益32dB时，DSB噪声系数一般为27dB(图3)。接收器误差向量幅度(EVM)性能通常优于-35dBm/64QAM输入信号的2.5%(图4)。以上结果均通过10MHz WiMAX(OFDM)信号信道在2.5GHz下测得。

       MAX2837的发射器部分在2.3到-2.7GHz的频带上可提供12dB的典型电压增益；在整个工作范围内任何200MHz频带上输出功率一般为0dBm，全部工作频带上输出功率一般超过-2dBm(图5)。发射器可实现优于45dB的边带抑制(sideband suppression)。对r -36dBm/64QAM信号，典型EVM性能(同时满足-70dBr的频谱屏蔽(spectral mask))优于1.8%。发射器相位噪声一般为-90dBc/Hz，1kHz载波频偏。发射器电路提供1dB步长的47dB总增益控制，功率放大器校正可使用0.5-dB步长控制。MAX2738发射器输出的高线性度，使该收发器适用于WiMAX微型或小型基站，以及客户端设备(CPE)和个人电脑(PC)的WiMAX卡。
 

        这款单芯片宽带收发器适合于固定和移动WiMAX应用，以及韩国的移动WiMAX版WiBro(无线宽带)。它还可用于工作在2.3GHz和2.7GHz频带的专用OFDM无线宽带无线电系统。该芯片采用6×6×0.8mm的48脚QFN封装，额定工作温度范围为-40℃~+85℃。

       MAX2837(图7)具有断电模式，在该模式下，除四线串行总线和内部编程寄存器外，所有电路模块都被断电。这时的电流消耗只有100μA。在待机模式下，频率合成器模块激活，而芯片的其余部分断电。这款单芯片WiMAX收发器专门设计来由+2.7~+3.6V VDC单电源供电。关断模式下的耗电量仅10μA。相比现有的WiMAX无线电IC解决方案，MAX2837接收器部分的功耗只有大约四分之一，而发射器的功耗也只有大多数其它解决方案的约三分之一。对-10dBm的输入三阶交调截取点，接收器电流消耗为90mA。对0dBm/64QAM信号，发射电流消耗为135mA。对0dBm/16QAM信号，这个值降至125mA；对-3dBm/16QAM信号，为115mA。
 

      继MAX2837之后，Maxim公司计划再针对3.3~3.9GHz的固定、便携式和移动WiMAX应用推出MAX2838单芯片、零IF收发器。正如MAX2837，这款拟发表的更高频收发器也提供全部WiMAX功能，无需SAW滤波器。此外，它还支持主/从结构中的多输入多输出(MIMO)功能。这种MIMO方案采用多根发射和/或接收天线来尽量减小多路径失真及信号衰减的影响。MAX2838也和MAX2837一样，设计在参考电路RD142中，适用于3.5GHz的应用。

       为便于评估，并帮助设计人员缩短产品开发周期，该公司基于MAX2837开发了好几个参考设计，包括针对WiBro应用的RD087参考设计，和针对双模(固定OFDM和移动OFDMA)WiMAX应用的RD0117参考设计。这些完整的无线电设计也可用于其它应用，并受数字版图文件和编程软件支持。

 

本文来源：美信集成产品公司     作者：美信集成产品公司 Walter Lau

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