ADI:经过 3G Femto 基站的模仿前端完成家庭无线连接

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简介

想象一下，某个设备能够在您的家中供给高品质的手机接听，答应您和您的家人无限制地运用语音和数据通讯，而且每月的费用很低。Femto 基站便是这样的设备，乃至还能供给更多的功用，它一般还被称为“家庭基站”。当把这种小型无线设备放置在家里或作业室内时，它能够改进本地无线掩盖，并将极大地改动无线基础设施的相貌。

图 1 显现了家庭基站概念。传统基站用于供给广域掩盖，而家庭基站用于在住所等小型区域中供给无线掩盖。家庭基站经过用户的互联网宽带衔接将移动手机的通讯流量路由至网络，因而减轻了无线电通讯网络的通讯流量。家庭基站不只能够进步网络容量，一起还削减了信号的回程途径、下降了功耗以及运营商的维护本钱。此外，它还使运营商能够参加竞赛，然后为信号掩盖欠安的家庭供给通讯服务。运营商能够经过添加用户的手机月费来补助家庭基站的投入本钱。当处于家庭基站的掩盖区域内时，一切的手机费用都包含在家庭开支预算内，答应无限制地运用语音和数据，而不会发作很高的月度费用。因为距离家庭基站很近，因而不只能够到达很高的衔接质量，而且还能够下降手机的电池耗电量。家庭基站克服了来自基站的 3G 信号穿透墙面的局限性，答应高速拜访移动数据服务，例如阅读互联网、下载音乐和在手机上观看视频。

与 Wi-Fi 路由器相似，家庭基站也依据久经考验的无线基础设施规范（UMTS、CDMA）。它与许多新式的规范兼容，能够运用运营商具有的频段供给高效、强壮的无线衔接。因为它兼容现有的手机，这种衔接关于用户来说是通明的。与将数十或数百个基站集合到中心网络的宏蜂窝网络不同，家庭基站网关有必要办理数千乃至数百万个家庭基站节点。

因为有必要供给与无线电通讯基站适当的服务质量 (QoS)，而且本钱有必要与手机相似，家庭基站给无线电规划师带来了一起的应战。家庭基站有必要供给高质量的语音服务和高速移动数据服务（EVDO 和 HSPA），而且运用本钱有必要仅适当于宏节点的一小部分。为了应对这些应战，家庭基站的规划有必要运用低本钱的制作技能以及高度集成的电路来缩短校准和测验时刻。因为家庭基站运用于家庭，所以它们有必要细巧、本钱低且可由用户自行装置。尽管家庭基站的发射功率较低 —大约为 100 mW—，但有必要留意无线环境问题，以减轻搅扰，满意监管要求。3G 家庭基站有必要监测 UMTS 信道以检测附近的基站，而且还应监测 GSM 信道，以便当用户脱离家庭基站区域时，能够进行恰当的网络切换。

家庭基站可被视为两种天壤之别的功用：模仿前端和基带处理器。作为本文评论的主题，前端用于将数字数据流转化成发射电路中的 RF 信号，并在接纳链中将 RF 信号转化回数字数据流。在规划前端时，需求在集成度和功用之间进行取舍。尽管离散型处理计划能够定制以供给最佳的功用，可是其本钱关于家庭基站来说是不行承受的。相反，彻底集成型处理计划能够供给最低的本钱，但功用或许稍嫌缺乏。

图 2 显现了一个在 UMTS 频段 1 中支撑本地基站作业并在 850 MHz、900 MHz、1800 MHz、1900 MHz 和 2100 MHz 频段中监测信号的家庭基站的高档框图。AD9863¹ 混合信号前端 (MxFE^®) 基带收发器、ADF4602² 集成无线电收发器、ADL5542³ 和 ADL5320⁴ 线性扩大器、开关、滤波器以及其他相关支撑电路一起构成了一个紧凑、高功用的家庭基站前端。下面具体说明晰框图中杰出显现的模块。

在发射端，数字基带将 12 位并行数据流馈入 AD9863，在此，数据流被转化成模仿 I/Q 基带信号。基带信号由 ADF4602 转化成 RF 信号，然后经 ADL5542 和 ADL5320 增益级扩大后发送到双工器。功率检测器用于监测 RF 输出。单极六投 (SP6T) 开关用于挑选哪个发射或接纳监测链衔接到单个天线。该信号链在 RF 输出衔接器处供给 13 dBm 的输出功率，满意了 3GPP 规范 TS25.104 规范中界说的发射 ACLR 标准。

接纳链包含用于监测主途径的外表声波 (SAW) 滤波器和 SPDT 开关。匹配模块由适用于每个接纳端口的简略串联/并联电抗器组成。ADF4602 具有三个接纳器输入引脚：一个用于频段 1，别的两个别离用于高频段监测功用和低频段监测功用。频段 1 接纳功用可在 1960 MHz（用于接纳上行信号）和 2140 MHz（用于监测下行频率）之间切换。ADF4602 降频并过滤所选的 RF 信号以获得基带 I/Q 信号。基带信号由 AD9863 中的双 ADC 进行采样，并转化成适用于数字基带的双 12 位并行比特流。

这种功用分区为规划师供给了灵敏性，然后保证信号链高功用运转，并答应挑选转化器的速度和分辨率以满意运用场合的要求。ADI 处理计划使规划师能够将模仿前端与市售的基带功用结合起来，然后加速家庭基站规划的上市速度，一起跟着家庭基站商场的老练，还具有能在未来整合 ADI 技能的优点。

ADF4602 集成无线电收发器

ADF4602（如图 3 所示）不只是一个供给无与伦比的集成才能的 3G 收发器，一起仍是一个十分合适高功用 3G 家庭基站的功用组。接纳器依据直接转化架构，是高度集成的宽带 CDMA (W-CDMA) 接纳器的抱负挑选，一起它还安全集成了一切级间滤波器，因而缩减了物料清单 (BOM)。接纳基带滤波器供给可挑选的带宽，因而既答应接纳 W-CDMA 无线电信号，也答应接纳 GSM-EDGE 无线电信号。可挑选的带宽与多频段 LNA 输入结构相结合，使得 GSM/EDGE 信号可作为 UMTS 家庭基站的一部分进行监测。

ADF4602 包含两个彻底集成的可编程频率合成器，用于发作发射和接纳本机振荡器 (LO) 信号。该规划选用小数 N 分频架构来完结低噪声和快速的确定时刻。已为发射和接纳合成器彻底集成了一切必要的元件，包含环路滤波器、VCO 和谐振元件。VCO 以高频段频率的两倍和低频段频率的四倍运转，最大极限地下降了 VCO 在所需频率下的走漏功率以及 VCO 的调谐规模要求。VCO 选用多频段结构以掩盖广泛的作业频率规模。规划结合了频率校准和起伏校准功用，以保证振荡器一直发挥最佳的功用。彻底独立的校准可在 200 µs 的 PLL 确定时刻内完结，无需用户输入。片内 VCO 输出被馈送到调谐缓冲器级，然后馈送到正交信号发作电路中。调谐缓冲器能够保证在 VCO 传输进程中发作最小的电流和最少的与 LO 相关的噪声。正交信号发作器能够发作高精度的、用于驱动调制器和解调器的相位信号。此外，还采取了特别的预防措施，以在发射和接纳链之间供给频分双工 (FDD) 体系所要求的阻隔。

接纳器前端包含三个高功用单端低噪声扩大器 (LNA)，然后使器材支撑三频段运用场合。两个扩大器合适在从 1800 MHz 到 2170 MHz 的高频段作业，另一个扩大器合适在从 824 MHz 到 960 MHz 的频段规模内作业。此外，还彻底集成了级间 RF 滤波功用，以保证外部带外阻断器在混频级之前恰当地进行信号衰减。单端 50 Ω 输入结构简化了衔接，并削减了小尺度单端双工器所需的匹配元件数量。杰出的器材线性度答应在运用各种 SAW 和陶瓷滤波双工器时获得超卓的功用。

高线性度解调器电路用于将 RF 信号转化成基带同相和正交重量。包含两个解调器部分：一个优化用于高频段 LNA 输出，另一个优化用于低频段输出。高频段和低频段输出结合在一起，直接传输到基带低通滤波器的榜首级，这能够在基带扩大之前削减最大的阻断信号。接纳器合成器部分经过 VCO 分配体系为混频器正交 LO 驱动。可编程的分频器答应对高频段和低频段运用相同的 VCO。解调器和 VCO 分配电路经过精心规划和布局，能够完结优异的 90° 正交相位和起伏匹配。

基带部分包含散布式增益和滤波功用，能够供给最大为 54 dB 的增益和 60 dB 的增益操控规模。经过精心规划，能够将通带纹波、群延时、信号损耗和功耗坚持在最低水平。滤波器在在制作进程中进行了校准，能够供给高水平的精度且易于运用。供给两种可挑选的七 阶基带滤波器：一种用于 W-CDMA，具有 1.92 MHz 的截止频率；另一种适用于 GSM，具有 100 kHz 的截止频率。

在 W-CDMA 形式下，ADF4602 能够在整个接纳信号链中供给 102 dB 的增益和 90 dB 的增益操控规模。RF 前端包含 30 dB 的操控规模：LNA 中为 18 dB，混频器跨导级中为 12 dB。两个基带有源滤波器级各自供给 18 dB 的增益操控规模，调理步进为 6 dB。这能够在三个 12 dB 的步进中完结 36 dB 的总增益操控规模。可变增益扩大器 (VGA) 能够完结 24 dB 的增益操控规模，调理步进为 1 dB。为了简化编程并保证最佳的接纳器功用和动态规模，只需对所需的总接纳增益进行编程即可；ADF4602 能够解码增益设置并在不同模块之间主动分配增益。

发射器选用一种立异的直接变频调制器，不只能够完结高线性度和低噪声，一起还消除了装置外部发射 SAW 滤波器的必要性。用于 I 和 Q 信道的直流耦合差分基带接口支撑从 1.05 V 至 1.4 V 的宽规模输入共模电压 (VCM)。答应的最大信号摆幅峰值为 550 mV，这与 I 和 Q 信道的 1.1 V p-p 差分规模相对应。在正交调制器之前，基带输入信号经过截止频率为 4 MHz 的二阶 Butterworth 滤波器，然后滤除带外杂散信号。校准技能可在整个频率规模和环境条件下坚持精确的 I/Q 平衡和相位，保证满意 3GPP 载波走漏、EVM 和 ACLR 要求，并在一切条件下都具有杰出的裕量。ADF4602 可在 190 MHz 频率偏置下供给 –163 dBm/Hz 的宽带本底噪声以及 –8 dBm 的输出功率，一起还满意有关 EVM 和 ACLR 的 TS25.104 要求。输出与 50 Ω 相匹配，以便轻松衔接到功率扩大器。

AD9863 混合信号前端基带收发器

AD9863 是用于通讯商场的 MxFE 系列集成转化器的一员，十分合适低本钱、高功用的家庭基站运用领域。它集成了双 12 位模数转化器和双 12 位 TxDAC^® 数模转化器。ADC 经过专门优化，能以 50 MSPS 或更低的速率进行采样。DAC 的作业速度高达 200 MHz，包含一个可旁路的 2× 或 4× 内插滤波器。AD9863 选用具有 64 个引脚的 LFCSP 封装，尺度仅为 9 mm × 9 mm × 0.9 mm。此处要点介绍 AD9863，但 MxFE 系列的其他成员（AD9860、AD9861 和 AD9862）答应规划师灵敏地为操控电路挑选高功用和辅佐转化器。

柔性双向 24 位 I/O 总线可适用于很多市售的基带 ASIC 或 DSP。在半双工体系中，接口支撑 24 位并行传输或 12 位交织传输。在全双工体系中，接口支撑一根 12 位交织 ADC 总线和一根 12 位交织 DAC 总线。柔性 I/O 总线削减了引脚数量和封装尺度。关于频分双工 (FDD) W-CDMA，AD9863 能够一起运转发射和接纳信道。这需求运用全双工形式 — 一根 12 位交织接纳数据总线和一根 12 位交织发射数据总线。

DAC 内核将 12 位数据转化成两个互补的差动电流输出，并运用图 5 中所示的电阻网络将它们供给给 ADF4602。RDC 设置为 120 Ω，适用于 1.2 V 共模电压；R_L 设置为 63 Ω，适用于 1 V p-p 差分输入摆幅。

DAC 包含可编程的精细增益和直流偏置操控，可用于补偿 I 和 Q 通道之间的失配，然后按捺 LO 馈通和进步 EVM 功用。10 位直流偏置操控可用于独立为任一差分引脚供给多达 ±12% 的偏置，因而答应校准任何体系偏置。

ADC 输入由一个 2 kΩ 的差分输入电阻和一个开关电容电路组成。该输入能够自行偏置至中位电源，或许对它进行编程以承受外部直流偏置。因而，主张将 ADF4602 接纳基带输出直接衔接到 AD9863 ADC 输入。ADC 输入满度电平为 2 V p-p 差分。

家庭基站的时钟处理计划

为了满意 3GPP 标准要求，家庭基站需求十分精确的基准时钟—±0.1 ppm—。有关完结这种十分精准时钟操控的办法超出了本文的规模—但存在多种机会来完结此意图，包含经过监测接纳器进行的 GSM 宏基站同步、GPS 同步和 IEEE 1588 精细时序协议。在某些情况下，家庭基站供货商或许会组合选用上述办法来完结精确的操控。终究，基准时刻操控电路将调整基准频率源。在 ADI 评价板上，此 26 MHz VCTCXO 用作 ADF4602 的基准时钟。推迟锁相环 (DLL) 能够生成 19.2 MHz 的时钟（它是 3.84 MHz W-CDMA 芯片时钟的数倍）。此 19.2 MHz 时钟用作 AD9863 的时钟输入。

AD9863 供给一种具有许多变量的通用时钟装备。ADC 时钟速度、DAC 时钟速度、PLL 以及内插器设置可由软件操控，答应对功用和功率进行优化以满意要求。在引荐的装备中，PLL 乘法器被设置为 2×，使得 PLL 的输出频率为 38.4MHz。ADC 的时钟设置为该频率的一半。在发射侧，38.4 MHz PLL 的输出用作 DAC 的时钟。发射插值设置为 2× 以按捺 DAC 镜像。此外，还或许有其它的时钟频率组合。AD9863 数据手册具体介绍了各种作业形式。经过运用上述时钟计划，家庭基站不需求宏基站中常见的任何离散频率转化 PLL。家庭基站集成了一切频率转化功用，可协助其满意商场要求的价格水平。

RF 扩大器

挑选用于 RF 功率级的扩大器为低本钱的高功用宽带线性扩大器，选用 InGaP 工艺制作而成。这些扩大器对 ADF4602 的输出进行线性扩大，并补偿 RF 双工器和开关网络中的损耗。ADL5542 包含内部偏置和匹配功用；ADL5320 需求外部匹配，而且选用行业规范的塑料 SOT-23 封装。两种扩大器都直接作业在 5V 供电轨上，因而不需求外部偏置电路。表 1 列出了扩大器的要害参数。ADI RF 扩大器的规划选用了专有技能，能够供给杰出的线性度（相关于电源电流）。

表 1. ADF5542 和 ADL5320 在 2 GHz 时的要害标准

发射输出功率与下降搅扰

为了下降搅扰，家庭基站有必要灵敏智能地设置其输出功率，以处理多个彼此附近、作业在相同频率下的家庭基站的布置问题（例如在公寓内）。在这种情况下，每个家庭基站都需求以较低的输出功率发射，以防止相同频率的搅扰。此外，家庭基站也不能搅扰布置在周边且运用附近信道的宏蜂窝基站，因为这会给附近衔接到该宏蜂窝网络的手机带形成盲点，使其无法正常接纳信号。因而要求家庭基站具有附近信道维护功用，迫使它测验附近下行信道的功率并依据预界说的公式来设置本身的功率，以便不会阻碍宏蜂窝基站的信号。ⁱ

为使家庭基站满意要求的价格水平，并便于客户装置，这些下降搅扰的技能有必要是主动运转的，而不需求经过培训的现场技能人员或家庭用户进行干涉。当家庭基站榜首次被用户翻开后，这个进程应该是主动发动的，而且之后会定时更新。此外，ADI 规划中的频段 1 监测接纳器和 ADF4602 广泛的动态发射规模，答应家庭基站供货商主动施行这些下降搅扰的技能，而不需求外部干涉。监测接纳器答应对邻信道的功率进行精确丈量，并相应地调整输出功率。这将大约需求 30 dB 的总发射功率动态规模。

无线电功用丈量

为了依据 TS25.104 无线体系标准来评价收发器芯片组，已将上面介绍的收发器系列归入评价板规划中。图 6 所示的评价渠道能够对发射和接纳链履行独立的测验，而且答应履行独自的元件测验。此评价板包含图 1 所示框图的功用以及功率调理。无线电部分，包含 ADF4602、AD9863、ADL5542、ADL5320、VCTCXO 以及一切相关的前端开关和滤波器，在电路板上占用 1″ × 2″ 的空间。值得留意的是，此电路板并没有为了节约空间尺度而进行优化，因为它只是是为了测验而供给的，用于实践出产的规划能够选用更紧凑的规划。下面包含了某些依据 TS25.104 标准的要害测验成果，以展现 ADI 芯片组在测验板上的功用。

图 7 显现了频段 1 接纳器灵敏度丈量成果。接纳器灵敏度用于评价接纳器检测到低电平信号的才能，而且表征了指示接纳器的噪声指数。在本次丈量中，选用了 12.2 KHz 的基准信号。ADF4602-1 的增益设置为 80 dB。在整个频段上，接纳器灵敏度超越 TS25.104 标准达 6 dB 以上。

接纳器的别的一个要害标准是在阻断条件下的功用。阻断测验模仿了接纳器在附近信道呈现很多搅扰信号的条件下接纳到方针信号的才能。UL 12.2 kHz 基准信号设置为 –101 dBm，然后参加阻断信号，直到 BER 的丈量值为 10^–3。如表 2 中所示，在一切三种情况下，ADF4602 都以必定裕量超越了 TS25.104 标准。

表 2. 接纳器阻断测验摘要与 TS25.104 标准

发射信号链路质量的要害目标为附近信道走漏比 (ACLR) 以及差错向量起伏 (EVM)。在这两种情况下，这些测验是组合发射链线性度的要害目标。表 3 收集了在 ADI 评价板上获得的丈量成果并与 TS25.104 标准进行比较。它还包含了峰值码域差错，这一 EVM 丈量成果用于保证差错在码域内均衡散布。ⁱⁱ 在一切情况下，ADF4602 评价板都以必定的裕量超越了 TS25.104 标准。图 8 显现了 ACLR 丈量中运用的输出频谱图。

表 3. 发射器测验摘要与 TS25.104 标准

图 9 显现了触及两个 HSDPA 信道以及许多语音/数据信道的典型家庭基站装备的发射 EVM 图。复合 EVM 低于 4%。电路评价成果表明，EVM 首要是因为调制器输入处的 I/Q 偏置电压引起 LO 走漏而发作 — 这是直接转化发射器的一个特色。如前面所述，这些偏置能够选用 AD9863 直流偏置操控进行校对。

定论

因为有必要在坚持基站功用的一起将本钱降至最低，方兴未已的家庭基站运用为无线电规划师带来了特有的应战。ADI 3G 家庭基站芯片组由 ADF4602 集成无线电收发器、AD9863 MxFE 基带收发器以及 ADL5542 和 ADL5320 RF 扩大器组成，可使家庭基站规划师能以紧凑的外形尺度满意 TS25.104 标准要求。

参阅电路

¹www.analog.com/AD9863

²www.analog.com/adf4602

³www.analog.com/ADL5542

⁴www.analog.com/ADL5320

ⁱTSG R4#48 – TSG-RAN 作业组 4（无线电）第 48 次会议，2008 年 10 月。

ⁱⁱTSG R4#8 (99)705 – TSG-RAN 作业组 4（无线电）第 8 次会议。1999 年 10 月。