基於WiMAX技術的無線系統及其設計挑戰

儘管新WiMAX系統的優點廣受稱讚，但若要成功設計出這種系統，設計工程師必須清晰了解802.16技術規格和相應的RF設計要求。本文在對比WiMAX和WLAN標準的基礎上，對WiMAX系統的設計挑戰進行了討論。

微波接取全球互連(WiMAX)是寬頻無線接取(BWA)的一種形式，它基於針對無線都會區域網路(MAN)的IEEE802.16標準。由於WiMAX能提供價格適宜的‘最後一公里’寬頻網際網路業務，預計在未來3至5年內，這種技術將得到廣泛應用。經歷過WLAN培訓和鍛煉的工程師在應用這種新標準的時候，往往面臨多種不同的系統考慮，特別是在RF要求和架構方面。

在典型的20MHz訊息通道頻寬部署中，透過WiMAX論壇認證的產品可近距離支援65Mbps的下行數據速率，而在9～10km的距離下則支援16Mbps的下行數據速率。這種頻寬和傳輸距離足以支援數百家公司或數千個家庭同時高速存取語音、數據和視訊業務。

圖1：在RF/IF分割技術中，一個完全可程式合成器位於IF晶片內，以產生所有所需的LO訊號

來驅動傳送和接收路徑。

WiMAX的遠距離傳輸性能催生了一個重大市場商機。另外，在那些因成本昂貴而難以安裝固網傳輸基礎設備的農村地區，WiMAX是提供寬頻業務的有用技術。

WiMAX標準和WLAN標準

該如何比較802.16 WiMAX標準和802.11 WLAN標準？首先，這兩個標準都基於正交頻分多工(OFDM)技術，使用多個導頻音訊號，並支援從BPSK到64QAM的調變。

但同時它們也有一些重大區別。例如，802.11一般使用具有52個子載波的固定20MHz頻寬，而WiMAX系統則可以使用授權或者未授權頻帶中具有256個子載波(192個數據子載波)的1～28MHz的可變頻寬。最初的WiMAX產品可能會使用3.5MHz和7MHz的訊息通道頻寬。

WiMAX支援子訊息通道化機制，這意味著數據並不是在所有的192個數據子載波上傳送，而是在其中一組子載波上傳送。在這種情況，使用的功率相同但載波較少，因而系統可獲得更遠傳輸距離。隨著WiMAX CPE發展成為放置在大樓內的設備，當將訊號發送到大樓外時，它需要補償由此引起的功率損耗。一般來說，CPE的功率有限，因此在上行鏈路中將功率集中在較少載波上，可平衡上、下行鏈路的功率並實現更大傳輸距離。

儘管具有更多數量的子載波使WiMAX的性能優於802.11，但由此也為系統設計帶來了挑戰：由於子載波之間的間隔縮小，所以對相位噪音和定時抖動的要求更高，導致對合成器的性能要求也更高。

另外，WiMAX還利用不同長度的保護間隔來改善多工徑環境中的性能。保護間隔是數據封包開始時的時間延遲，以便補償多徑干擾。如果訊息通道上干擾很少，便可縮短保護間隔以提高數據吞吐量。由於具有更多的子載波和長度可變的保護間隔，WiMAX系統的整個頻帶效率將比WLAN系統高15%至40%。例如，WiMAX的頻帶效率為3.1～3.8Mbps/MHz，而802.11a/b/g的頻帶效率只有2.7Mbps/MHz。表1是802.11與802.16標準的詳細對比。

802.11的錯誤向量幅度(EVM)為-25dB(實現10%的封包錯誤率所要求的)，而802.16的EVM為-31dB(基於1%的封包錯誤率)。封包錯誤率越低，則WiMAX的傳輸距離越遠。WiMAX傳輸距離遠的另一個要素是接收器噪音係數，802.16對接收器噪音係數要求更嚴格，802.11的最大噪音係數為10dB，而802.16的最大噪音係數僅為7dB。

802.11只支援在同一訊息通道、但不同時間內發送和接收數據的時分雙工(TDD)。相較之下，802.16規格可為設計工程師提供更大靈活性，它支援TDD、頻分雙工(FDD)和半雙工FDD(H-FDD)。FDD在不同頻率上同時發送和接收數據，H-FDD則在不同時間、不同訊息通道上發送數據。設計工程師選擇的雙工方式將影響成本、尺寸和設計時間。例如，FDD系統要相對昂貴許多，因為同時發送和接收需要兩個完整的無線電系統。然而，由於頻寬對接收和發送是專用的，而且是同時使用，所以FDD具有更大的數據吞吐量。

WiMAX和802.11的另一個重要區別是發送距離和發送動態範圍。在802.11標準中，輸出功率實際上是固定的，系統一般總是以相同的功率發送數據。但在WiMAX技術中，測距進程被用來確定正確的定時補償和功率設置。測距進程確保每個用戶端發送的數據在適當時間、以相同功率水準到達基地台，因此802.16標準要求用戶端具有50dB的發送動態範圍。這樣，靠近基地台的系統便可減少發送功率，而遠離基地台的系統則以最大功率發送。這一點很重要，因為WiMAX支援數公里的發送距離，如果靠近基地台的系統以最大功率發送數據，情況將會很糟糕。

系統設計挑戰

當設計新的WiMAX系統時，遇到第一個問題就是系統是選擇TDD、FDD還是H-FDD。加拿大和許多歐洲國家通常採用FDD結構。在美國，如果系統工作在授權頻帶上，則採用則雙工方式；如果系統採用FDD，則要求兩個無線電系統(包括合成器)在不同頻率下同時工作。這種系統將需要進行大範圍的外部濾波，以避免發送功率泄漏到接收器，並造成干擾。除成本外，雙無線電系統和濾波還需要佔用較大的電路板面積。由於FDD的數據吞吐量較高，因此很多業界領先公司都希望基地台使用全FDD模式，而用戶端則採用成本較低的H-FDD或TDD。

表1：WLAN和WiMAX的技術指標對比。

如果可以選擇，H-FDD將是一個很有吸引力的雙工方式，因為它只需單個無線電系統(和單個合成器)，而價格與TDD相當。但H-FDD的關鍵問題是合成器必須能在100us內在發射器和接收器之間切換。由於系統不是同時發送和接收數據，所以H-FDD對濾波的要求遠沒有FDD那麼嚴格。

也許對系統設計影響最大的802.16技術指標是EVM，因為802.16的EVM必須比802.11的EVM大6dB。這意味著一系列的設計挑戰：首先，所有系統塊的線性度要更好；其次，相位噪音性能必須優於802.11設計中的相位噪音性能，更嚴格的相位噪音要求對合成器影響很大，它將導致更長的設立時間；第三，如果選擇I/Q介面，則I/Q平衡的要求便會更嚴格，並且很可能需要進行I/Q校準。

更高的EVM要求對功率放大器(PA)的影響最大。除了要達到-31dB EVM的目標外，還有其它兩個重要因素給PA設計帶來挑戰，一是802.16的峰均值功率比(PAPR)比802.11的PAPR高，因為802.16的子載波較多，所以其PAPR大約為10dB，較802.11的8dB PAPR高出2dB；二是802.16系統的發射功率一般比802.11系統高。因此，WiMAX系統中的PA必須提供更大功率和更好的線性度，而且必須能比802.11系統中的PA處理更高的PAPR。

最終結果是PA將消耗更多功率並且效率更低。要開發效率更高、線性度更好的PA將要付出很大努力，特別是對功耗非常關鍵的行動應用來說。也很可能需要採用自適應預矯正方法，以便實現高線性度和高效率。

RF架構

當為WiMAX設計選擇RF架構時，基本架構有超外差和直接變頻兩種選擇。如果要滿足較嚴格的發射器要求，超外差架構具有優勢，因為它能對無用的發射訊號進行晶片外濾波。

有兩種不同的超外差基頻介面：IF和I/Q。具有IF介面的基頻處理器的訊號頻率很低，但不為0，通常使用的IF頻率為10～50MHz。具有I/Q介面的基頻處理器的訊號頻率可低至0，此時任何I/Q不平衡都會影響影像，使其直接疊加在有用訊號上並引起噪音。因此，I/Q平衡是I/Q介面的關鍵，可能需要外部I/Q校準。由於這個原因，IF介面更受歡迎，因為它不需要外部校準。

另一方面，直接變頻發射器架構在基頻上具有兩個I/Q輸入，並直接把它們調變到RF。這種架構很有吸引力，因為它使無線電設計更小、更便宜。它不需要IF本振(LO)，也不需要表面聲波(SAW)濾波器，不過這種方法所面臨的挑戰是性能很難保持，例如，任何小的DC偏移都將降低系統性能。I/Q平衡也很關鍵，因此需要進行DC和I/Q校準。此外，由於沒有SAW濾波，雜散傳輸可能造成頻譜遮罩發射失敗。

晶片的選擇

在現在大多數802.11設計中，RF、實體層(PHY)和媒體存取控制器(MAC)都整合在單個晶片內。由於WiMAX技術很新，量產水準依然相對較低，所以WiMAX晶片還沒有被整合進去。這樣，IC設計工程師需要決定如何進行功能分割，儘管整合具有RF和IF部份的發射器和接收器是有可能的，但這種方法目前並不常用。

對於超外差架構，通常做法是分割晶片。這種分割可以在RF/IF(發射器和接收器在同一個晶片，但RF和IF在不同晶片)或發射器/接收器(發射器和接收器在不同晶片，但兩者都包括RF和IF鏈路)上進行。

在這兩種分割方案中，RF/IF分割更好些，因為兩個晶片可共享單個合成器。這種技術使用IF晶片內的一個完全可程式合成器，並產生所有需要的LO訊號來驅動發射和接收路徑(見圖)。為以最低成本實現最佳性能，IC製造商可用不同的製程技術生產這兩種晶片，例如使用CMOS製程製造IF晶片，使用SiGe或砷化鎵(GaAs)製程製造RF元件。

對設計工程師來說，從WLAN轉移到WiMAX是令人激動的，不過在開始設計之前，清晰理解設計參數(例如授權或未授權頻帶、頻寬、雙工方式)和主要的802.16性能需求非常重要。

作者：Darcy Poulin

SiGe半導體公司