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RF通信和收发器系统的MIMO解决方案

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  无线解决方案正在成为移动设备的主要网络接口,现在正在向消费和工业应用中的固定设备迁移。这些无线解决方案利用蜂窝,无线电话,Wi-Fi和WiMAX?频段。历史上,增加这些信道上的带宽的方法涉及增加建立连接的基带频率。然而,今天,传输的数据量的增长速度超过了在新的开放频谱上使用传统设计技术所能处理的速度。因此,新系统正在从单输入,单输出(SISO)系统转变为多输入,多输出(MIMO)和多频/协议连接选项。 MIMO的逻辑和规范已纳入新标准;然而,它们通过在单一设计中要求多个RF放大器和收发器系统来推动系统复杂性。

  什么是MIMO?

  RF通信使用一组接收器和发送器来从一点到另一点发送数据。在清晰的频谱区域,RF通信一直由SISO系统主导,SISO系统由一组天线和RF电路组成。

  随着数据速率和信号拥塞的增加,正在使用包括多个接收器——MAX3232CUE+T和发射器的多天线配置。这些MIMO配置通过扩展天线的总发射功率来改善通信性能,以便实现增加频谱效率的阵列增益和/或提高连接可靠性的分集增益。频谱效率是每赫兹带宽每秒比特数的度量;分集增益通过无线信号的衰落特性来测量,并反映信号通过载波介质和诸如墙壁等障碍物的衰减变化。图1显示了从SISO到MIMO的各种天线和发射器/接收器组合。

  RF通信和收发器系统的MIMO解决方案

  为了实现这些多天线系统,必须分割和修改数据和RF并通过单独的路径。 MIMO技术由三个核心部分组成:预编码,空间复用和分集编码。用于Wi-Fi,WiMAX和蜂窝系统的最常用方法是称为MIMO-OFDMA(正交频分多址)的方法。 OFDMA支持空间复用和分集编码。

  预编码可以描述为多流波束成形的一种形式。通常,它被认为是发射机处发生的所有空间处理的集合。在单层波束形成中,从每个发射天线广播相同的信号,其具有适当的相位和增益加权,使得当信号功率到达接收器输入时信号功率最大化。如果接收器具有多个天线,则发射波束成形不能同时最大化所有接收天线处的信号电平,因此执行发送到多个流中的数据的预编码。

  Spatial Multiplexing使用MIMO天线配置并采用高速信号,然后将其分成多个低速信号流。然后,从相同频率信道中的不同发射天线发送这些流中的每一个。当这些信号到达多个接收器天线时,每个接收器天线具有不同的空间特征,接收器可以将这些流分离成并行信道。可以使用的最大空间流数量由发送器或接收器路径中最低数量的天线组定义。

  分集编码方法适用于传输的单个流而不是多流方案。使用称为空时编码的技术对信号进行编码。从具有完全或接近正交编码的每个发送天线广播信号。分集编码使用多个天线路径中的独立衰落特性来增强信号分集。

  集成解决方案

  MIMO解决方案为目前没有无线接口的设计增加了相当多的额外系统开销和复杂性。对于首次添加连接的产品,可提供支持包括收发器在内的整个MIMO功能的集成解决方案。

  这些集成系统的一个例子是Maxim Integrated Products的MAX2839。该SoC是一款完整的直接转换,零中频RF收发器,适用于2 GHz 802.16e MIMO移动WiMAX应用。该设备包含一个带两个接收器的发射器。为获得高性能,接收器之间的隔离度大于40 dB。

  图2显示了Maxim的MAX2839的框图。 MAX2839集成了实现RF收发器功能,RF到基带接收路径和基带到RF发送路径所需的所有电路;它包括VCO,频率合成器,晶体振荡器和基带/控制接口。本地振荡器I/Q正交相位误差可以在芯片中以大约0.125度的步长进行数字校正。宽带射频无线电解决方案只需要RF带通滤波器,晶体,RF开关,PA,天线和一些无源器件。

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  图2:Maxim的MAX2839 MIMO无线宽带RF收发器(由Maxim Integrated Products提供)。

  该设计通过为接收器和发送器提供可编程单片滤波器,无需外部SAW滤波器,适用于集成到设计中的所有2 GHz和802.16e配置文件。该设计支持高达2048 FFT OFDM,并实现3.5至20 MHz RF信道带宽的可编程信道滤波器。这些RF功能由低功耗关闭模式控制控制,允许系统在移动应用中使用,以延长电池寿命。该芯片可以在2.7至3.6伏的电源上运行RF。

  为了使系统作为收发器工作,它需要一个天线阵列。一系列多个表面贴装天线,如Pulse Electronics的W3108(见图3),将是一种典型的解决方案。这些调谐到特定频率分配,例如2.4 GHz频段,用于处理蓝牙,802.11b/g,ZigBee?,2.4 GHz WLAN和Wi-Fi。对于MIMO配置,系统中的每个接收器和发射器都需要这些天线之一。它们提供1.5 dBi的增益,输入阻抗为50欧姆。

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  图3:Pulse Electronics的W3108表面贴装天线(由Pulse Electronics提供)。

  RF功率放大器虽然这些MIMO配置提供了更高的数据吞吐量,但它们并非没有成本和复杂性。每个单独的天线路径 - 在发送侧和接收侧 - 需要功率放大器来驱动它并拾取RF信号。对于不仅在同一信道频带上具有多个信号路径但支持多个频带的系统,系统中可能存在相当多的这些放大器。支持具有Bluetooth?和蜂窝频段的802.11g/n无线的典型移动设备可能在系统中具有多达六个PA。有一个用于2.4 GHz G频段,两个用于5 GHz N频段的MIMO,一个用于2.4 GHz蓝牙,两个用于蜂窝或WiMAX频段的MIMO。由于这种信号分集和相关的通道隔离要求,这些功率放大器通常是表面贴装封装中的单个放大器,因此它们可以分布在设计的占位面积周围。

  选择合适的放大器及其相关无源器件需要了解不同供应商提供的产品和工艺技术。 ADI公司和NXP Semiconductorsoutline等制造商的产品培训模块提供了区分其产品的关键细节。这些放大器适用于kHz至20 GHz频谱的应用。

  这些功率放大器由简单的无源器件支持,主要滤波器位于独立模块中或与其他器件集成。图4显示了天线驱动器的典型应用,作为恩智浦BGA2771 MMIC RF放大器的应用。这些单天线配置倾向于用于具有短距离的MIMO应用中,并且当最小化功率是约束时。这些单放大器器件为系统提供大约21 dB的插入增益。对于更高增益的应用,这些器件可以在驱动天线之前级联。除最终级功率输出应用外,单个放大器还可用于IF和后混合宽带应用。

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  图4:恩智浦BGA2771 MMIC射频放大器应用(由NXP Semiconductors提供)。

  对于发射器和接收器之间可能存在高噪声或过度衰落的配置,通常使用多级放大器。多级放大器的例子有Microchip Technology的SST12LP08和Skyworks Solutions的SE2609L。 Microchip放大器是一款两级器件,可在2.4 GHz频段内提供约30 dB的增益(见图5)。为了实现温度稳定性和高效率,该器件具有温度和负载不敏感的片上功率检测器,为每个放大器和偏置发生器提供独立的电源。这种组合的最终结果是功能802.11g OFDM邻信道功率比(ACPR)高达23.5 dBm,在-40°C至+ 85°C范围内增益变化约为-2.5 dB。

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  图5:Microchip的SST12LP08高增益放大器框图(由Microchip Technology提供)。

  与Microchip部分类似,Skyworks放大器(见图6)也是一个带功率检测器的多级设计。该设计使用三个阶段而不是两个阶段,并在2.4 GHz频段提供28 dB增益。对于802.11g应用,该器件支持3.3和5.0伏操作以及54 Mbps的OFDM。多级设计允许器件提供输出功率的闭环监控,从而可以最大限度地减少驱动器对多个通道的不匹配。

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  图6:Skyworks的SE2609L功率放大器功率检测器(由Skyworks Solutions提供)。

  电源标准

  成功实施MIMO设计的关键之一是最大限度地降低噪声并隔离电源的信号耦合。通过天线连接和放大器/混频器模块的接地回路和共用接地可以减少通道间隔离,从而增加信号衰落。重要的是为每个设备使用单独的接地,并为相邻的MIMO信号流使用单独的接地层。在RF以接近驱动无线连接的数字逻辑的操作时钟的信道频率运行的情况下,数字设备应该参考单独的地平面。

  对于电源侧,通过使用单独的稳压器或多输出电源管理控制器来保持信号隔离也很重要。这些器件,例如用于单电池系统的Maxim的MAX8663电源管理控制器,可以在这些MIMO设计中支持大量独立的电源路径。图7显示了MAX8663的框图。它专为智能手机,PDA,互联网设备和其他便携式设备而设计,集成了两个同步降压调节器,一个可驱动两到七个LED的升压调节器和四个低压差线性稳压器(LDO)。该器件还具有用于单节锂离子电池的线性充电器。为了帮助管理系统功能,它集成了一个热限制电路,用于电池充电和峰值负载,以防止过热。在低功耗模式下,它可以将来自外部电源的剩余电量引导至电池充电功能。

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  图7:Maxim的MAX8663多输出功率控制器(由Maxim Integrated Products提供)。

  多个单设备调节输出是MIMO应用的主要优势,可为所有数据流提供一致且可靠的功率。这有助于平衡流到流和相邻信道不匹配,因为一条路径不会压倒并超出其他流。