基于ＷｉＭＡＸ技術５．８Ｇ無線專網射頻系統設計

摘 要：WiMAX（即802.16）是一種迅速崛起的城域網無線寬帶技術，能夠為家庭和企業用戶提供高速因特網接入的“最后一英里”解決方案。WiMAX技術正成為通信領域新的市場增長點，緣于此，我們針對5.8G無線專網射頻收發系統進行了研究，研制出在成本、性能上都具有很強競爭力的無線專網產品。整個射頻收發系統集成設計在8層PCB板上，測試結果滿足802.16標準射頻指標要求。

關鍵詞：WiMAX;接收機靈敏度;AGC控制;互調失真;帶外雜散

中圖分類號：TN919.2 文獻標識碼：B

文章編號：1004373X(2008)0308402

5.8G Wireless Network RF System Design Based on WiMAX

NI Xiaoqing，ZHAO Xiaohu，SHUI Quan，SONG Bo

(Anhui Sun Create Electronics Co.Ltd.，Hefei，230088，China)

Abstract：WiMAX (802.16) is a rapidly emerging MAN wireless broadband technology，for families and business users with high speed Internet access to the \"last mile\" solution.WiMAX technology is becoming the communication of new market growth.Because of this，we focuse on the wireless network 5.8 GHz RF transceiver system is studied and developed in terms of cost，performance has strong competitiveness of the wireless network products.The entire RF transceiver integrated design system in eight layer PCB，the test results meet the 802.16 technical standard requirements.

Keywords：WiMAX;receiver sensitivity;AGC control;intermodulation distortion;band stray

WiMAX作為一項無線城域網技術，同當前的3G以及WIFI相比，在帶寬、覆蓋范圍及數據率上具有明顯的優勢，且具有維護成本低、架設方便、建設成本低等特點。對于這樣一種新興且富有前途的無線通信技術，國內已經進行研發的機構和企業總體來說卻仍然較少，市場上可以見到的基本上都是境外產品，價格也較高。研制開發無線局域網產品對于促進我國無線局域網的發展具有重要的意義。但作為一項新技術，射頻技術設計具有相當的難度，尤其是5.8G頻段，對于功放的線性度、低噪放的噪聲指標以及頻率源的相位噪聲指標都提出了很高的要求，我們設計的基于WiMAX技術5.8G無線專網射頻系統，主要采用0402封裝器件貼裝，與基帶電路聯系便利。

1 射頻收、發系統工作原理

射頻收、發系統作用是為基帶I，Q 信號提供一個無線的收發通道。在發射時隙，基帶I，Q 信號通過兩次混頻，一中頻為固定的380 MHz，二中頻本振頻率可變，以使射頻工作在期望的信道內，變頻后的射頻信號經濾波、功率放大后，由天線發送至遠端；在接收時隙，天線接收的遠端傳來的信號，經低噪聲放大后，通過兩次混頻，在接收AGC的控制下，等幅度地送至基帶處理板。

射頻模塊直接通過125芯的插座與基帶板相連，與基帶板連接信號通過125芯的插座傳輸，射頻信號通過MCX連接器安裝于PCB板上，并直接輸出到收發天線。

圖1 射頻收、發系統框圖

2 射頻收發模塊

2.1 高集成度芯片

選用頂級公司中頻芯片與射頻芯片作為本無線射頻系統集成度極高的解決方案。這些芯片由IF與RF收發器組成，支持4.9～5.9 GHz空中接口頻帶。該芯片組可通過復雜的I/Q接口支持系統工作在TDD模式。此款高度集成的芯片可縮小空間，不僅有助于簡化設計，而且還能節約材料清單(BOM)成本。中頻芯片具有低噪聲、高線性的特點只需要一個中頻濾波器，同時還包含兩個中頻和射頻頻率合成器，一個高速的數字可變增益放大器，其增益控制范圍達50 dB。

中頻芯片功能：在發射時隙內完成I/Q基帶信號上變頻為380 MHz的固定中頻信號；在接收時隙內完成接收的380 MHz的固定中頻信號下變頻為零中頻的I/Q基帶信號。

射頻芯片功能：在發射時隙內，完成380 MHz的固定中頻信號上變頻到所需的RF信道頻率；在接收時隙內完成接收的RF信號放大并下變頻為380 MHz的固定中頻信號。

2.2 線性功率放大器

在數字微波通信系統中，功放的非線性失真對信號傳輸質量影響極大，在高階QAM調制系統中，臨界情況下功放的三階交調系數變壞1 dB，誤碼率將惡化80%。在本系統中，采用功率倒退法改善系統的三階交調系數，功放工作在末級功放的P1 dB輸出功率以下10 dB（考慮收發開關及射頻濾波器1.6 dB的插損），當系統最大發射功率要求為16 dBm時，末級功放的P1 dB至少應為28 dBm。我們選用高效的線性功放，輸出功率為21.5 dBm時，EVM為3％，此指標對于發射機的發射星座誤差指標起決定性作用，整個發射系統的EVM指標要求見表1。

表1 發射系統EVM指標要求

2.3 接收靈敏度及接收AGC控制

接收機靈敏度是接收系統的重要技術指標，對802.16d系統而言，其接收機靈敏度可通過以下公式來計算：

Rss=-102+SNRrx+10Log((Fs*200)/256)

對3.5 MHz帶寬而言，這里的Fs=3.5*8/7

SNRrx為系統解調歸一化信噪比要求，對64QAM—3/4而言，其歸一化信噪比要求為24.4 dB。

通過計算Rss=-72.6 dBm。

接收機靈敏度與噪聲系數之間滿足關系式：

Rss=-174 dBm+10lg BW+NF

因此要滿足上述的接收靈敏度要求，在帶寬確定的條件下必須使接收機的NF足夠小。我們選用的LNA噪聲系數優于1.7dB，完全滿足指標要求。

SS的接收靈敏度要求如表2所示(BER≤10-6)。

表2 SS的接收靈敏度要求

在通信系統中，接收機都要用到自動增益控制（AGC）電路來提高接收機的動態控制范圍，使強輸入信號不至于使接收機飽和而產生很大失真，小信號不至于使接收機解調器檢測不到而完全丟失，即為系統提供適當的增益和線性度而滿足接收靈敏度的要求。

在本系統中，最大正常接收電平不小于-30 dBm，同時應保證接收系統在0 dBm的輸入信號時，系統不至于損壞；最小接收電平（即調制方式為BPSK時的接收機靈敏度）-91 dBm，AGC控制范圍91 dB。接收增益控制采用三級增益控制方案：第一級在LNA處，兩級LNA均具有旁路開關功能，可以將電流設置到0，并實現最小的插入損耗。當接收到大信號時，旁路模式可調整動態的接收增益范圍達26 dB以上；第二級在5.8 GHz的射頻信號處，射頻芯片中含有15 dB的增益控制范圍；第三級在380 MHz中頻信號處，中頻芯片中帶有高速的數字VGA控制，其范圍達50 dB。

2.4 頻率源

由于射頻本振不是完美的連續波單頻率源，而是存在相位噪聲的，在射頻轉換級的輸出端他會使輸入信號發生變化。由于數字信號的相位里攜帶信息，所以引入的相位變化使誤碼率增加，調制的高階程度影響誤碼率的增加程度。對64QAM調制方式來講，要求在RF輸出頻率，偏置1 kHz，相位噪聲要求-88 dBc/Hz。同時射頻本振頻率漂移（即頻率穩定度）使解調過程中產生相位誤差，致使有效信號幅度下降，誤碼率增加；頻率穩定度的技術指標取決系統采用的調制方式及用戶對通信質量的要求，本系統采用64QAM調制方式，要求頻率穩定度 ±1.5×10-6。頻率源的頻率穩定度及相位噪聲是系統的又一關鍵技術指標，我們擬采用環路鎖相技術進行頻率合成，基準源采用高穩定晶體產生。

3 測試結果

測試按照基于802.16的固定寬帶無線接入點對點射頻技術要求測試各項指標，采用AGILENT儀表E4438C

作為信號源，E4440C作為矢量信號分析儀進行測試。該

系統最大輸出功率為18 dBm，最小功率低于-50 dBm。信道帶寬選用3.5 MHz，發射EVM優于-31 dB。具體指標見圖3。接收信號電平-30～-91 dBm，最小接收信號電平低于-91 dBm（BPSK調制方式）。

圖2 發射測試結果

4 結語

將5.8 GHz無線專網射頻系統設備，配合基帶處理設

備安裝整架于兩地，跳距約10 km，經歷大雨、大霧等各種惡劣天氣，兩地之間有部分遮擋，設備工作穩定可靠，各系統誤碼率優于10-7。可以雙向傳輸10～50 Mb/s以太網數據，并且傳輸電影圖像畫面、聲音，效果都很好。

參考文獻

[1]CotterW Sayer.無線通信設備與系統設計大全[M].張之超，黃世亮，吳海云，等譯.北京：人民郵電出版社，2004.

[2]王文博，鄭侃.寬帶無線通信OFDM技術[M].北京:人民郵電出版社，2003.

[3]姚彥，梅順良，高葆新.數字微波中繼通信工程[M].北京:人民郵電出版社，1990.

[4]Reinhold Ludwig，Pavel Bretchko.RF Circuit Design:Theory and Applications.

[5]王彬，呂登芳，馬鳳國.IEEE 802.16和WiMax的組網技術[J].中興通訊技術，2006，12(2):21—26.

作者簡介

倪曉清女，1974年出生，安徽四創電子股份有限公司工程師。主要從事無線通信射頻技術的研發工作。

趙曉虎男，1969年出生，安徽四創電子股份有限公司高級工程師。主要從事無線通信射頻技術的研發工作。

水泉男，1976年出生，安徽四創電子股份有限公司工程師。主要從事無線通信軟件技術的研發工作。

宋波男，1971年出生，安徽四創電子股份有限公司高級工程師。主要從事無線通信系統技術的研發工作。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文。