通过创新的集成收发器简化2G至5G基站接收器设计

作者：Kenny Man and Jon Lanford

基站接收器设计可能是一项艰巨的任务。混频器、低噪声放大器（LNA）和模数转换器（ADC）等典型接收器组件随着时间的推移逐渐得到改进。但是，体系结构仅略有变化。架构选择的限制阻碍了基站设计人员在市场上的差异化产品。最近的产品开发，特别是集成收发器，已经大大放宽了即使是最具挑战性的基站接收器设计的一些限制。这些收发器提供的新基站架构为基站设计人员提供了更多选择和方法来区分其产品。

本文讨论的集成收发器系列是业界首款支持所有现有蜂窝标准（2G 至 5G）并涵盖整个sub-6 GHz调谐范围的收发器。这些收发器允许基站设计人员在所有频段和功率变体中采用单一、紧凑的无线电设计。

首先，让我们回顾一下几个基站类。众所周知的标准机构3GPP有几个定义的基站类别。这些基站类有各种名称。从广义上讲，最大的基站或广域基站 （WA-BS） 提供最多的地理覆盖范围和用户数量。它们还输出最高功率，并且必须提供最佳的接收器灵敏度。每个逐渐变小的基站都需要更少的输出功率和宽松的接收器灵敏度。

	非 GSM 基站	GSM 基站
最广泛的地理覆盖范围、用户、功率 输出，并具有最佳灵敏度	宏观或广域	正常
	中等	微
地理覆盖范围更小，用户更少，功耗更低，灵敏度更低	局部区域或小基站	微微

此外，3GPP还定义了不同的调制方案。从广义上讲，调制方案的实际细分是非GSM（包括LTE和CDMA类型的调制）和基于GSM的调制，特别是多载波GSM（MC-GSM）。在两大方案中，GSM在RF和模拟性能方面要求最高。此外，随着更高吞吐量的无线电变得越来越普遍，MC-GSM已成为单载波GSM案例的常态。通常，基站中可以支持MC-GSM性能的无线电前端也可以处理非GSM性能。处理MC-GSM的运营商将在市场机会中具有更大的灵活性。

从历史上看，基站一直由分立元件组成。我们相信，当今的集成收发器可以取代许多分立元件，并提供系统优势。但首先，我们需要讨论基站接收器设计的挑战。

广域或宏基站历来是最具挑战性和最昂贵的接收器设计，并且历来一直是我们无线通信网络的主力。是什么让它如此具有挑战性？一句话，敏感。

基站接收器必须在特定条件下达到所需的灵敏度。灵敏度是基站接收器解调来自手机的所需微弱信号的能力的品质因数。将灵敏度视为确定基站在保持连接时离手机最远的距离。灵敏度可以分为两种方式：1）没有任何外部干扰的静态灵敏度和2）有干扰的动态灵敏度。

让我们首先关注静态灵敏度。在工程术语中，灵敏度由系统噪声系数（NF）决定。噪声系数越低意味着灵敏度越高。通过增加增益以实现所需的系统NF来实现所需的灵敏度，增益由称为低噪声放大器（LNA）的昂贵组件产生。增益越高，LNA的美元和电力成本就越高。

不幸的是，动态灵敏度需要权衡。动态灵敏度意味着静态灵敏度会因干扰而变差。干扰是出现在接收器上的任何不需要的信号，包括来自外界的信号或接收器无意产生的信号，例如互调产物。在这种情况下，线性度描述了系统处理干扰的能力。

在存在干扰的情况下，我们的系统会失去我们努力实现的灵敏度。增益越高，这种权衡会变得更糟，因为增益通常伴随着较低的线性度。换言之，增益过高会降低线性度性能，从而导致强干扰下的灵敏度下降。

无线通信网络的设计使得网络性能的负担在基站侧而不是手机端。WA-BS设计用于覆盖大面积并实现出色的灵敏度性能。WA-BS必须具有最佳的静态灵敏度，以支持来自手机信号非常弱的小区边缘的手机。另一方面，在干扰或阻塞条件下，WA-BS接收器的动态灵敏度仍然需要良好。接收器仍然必须在来自手机的微弱信号上表现出良好的性能，即使来自基站附近听筒的强信号会产生干扰。

以下信号链是一个简化的典型分立元件系统接收器。LNA、混频器和可变增益放大器（VGA）称为RF前端。RF前端的噪声系数为1.8 dB，而ADC的噪声系数为29 dB，在图1的分析中，RF前端增益在x轴上扫描以显示系统灵敏度。

图1.简化的典型分立接收器信号链。

现在让我们比较一个简化的收发器接收信号链。可以看到收发器接收信号链的物料清单小于可比的分立元件信号链。此外，收发器在片上设计有两个发射器和两个接收器。看似简单的集成隐藏了接收器设计的优雅，通常可实现12 dB的噪声系数。图2所示的以下分析将展示灵敏度在系统中的回报情况。

图2.典型收发器/接收器信号链，简化。

图3显示了上述两种实现方案的RF前端增益与静态灵敏度的关系。WA-BS在灵敏度几乎满足最严格灵敏度要求的区域工作。相比之下，小型蜂窝在灵敏度曲线斜率最陡峭的地方工作，同时仍以较小的裕量满足标准。收发器以低得多的RF前端增益为WA-BS和小型蜂窝实现了所需的灵敏度。

图3.分立接收器与收发器/接收器灵敏度的关系。

动态灵敏度如何？在RF前端增益区域，我们将使用收发器设计广域基站，动态灵敏度也比分立解决方案好得多。这是因为在给定功耗下，较低增益的RF前端通常具有较高的线性度。在通常使用高增益的分立解决方案中，线性度通常由RF前端主导。在收发器设计中，与分立式解决方案相比，干扰导致的灵敏度下降显著降低。

值得一提的是，在存在过多干扰的情况下，系统旨在将增益降低到可以容忍干扰的程度，并在干扰减少时增加增益。这称为自动增益控制（AGC）。增益的任何降低也会降低灵敏度。如果系统可以容忍干扰源，通常最好保持尽可能高的增益，以最大限度地提高灵敏度。AGC是未来讨论的主题。

总之，这类收发器的两个突出特点是出色的噪声系数和更高的抗干扰能力。在信号链中使用收发器意味着您可以以更低的前端增益获得所需的静态灵敏度。此外，较低的干扰水平意味着您可以获得更好的动态灵敏度。如果您需要LNA，它将是成本较低的LNA，并且消耗更少的功率。您还可以在系统的其他位置进行不同的设计权衡，以利用这些功能。

如今，市场上有可配置的收发器产品，它们在广域和小型蜂窝基站设计中都占有一席之地。ADI公司在这种新方法中发挥了领导作用，ADRV9009和ADRV9008产品非常适合广域基站和MC-GSM性能水平。此外，AD9371系列还提供非GSM（CDMA、LTE）性能和带宽选项，但功耗优化更高。

本文远非全面的概述。敏感性的话题将在我们的后续文章中得到更深入的处理。此外，基站接收器设计中的其他挑战包括自动增益控制（AGC）算法、信道估计和均衡算法等。我们计划在本文之后发布一系列技术文章，旨在简化您的设计过程并提高您对接收机系统的理解。

审核编辑：郭婷