5. 8GHz WiMAX宽带无线通信射频系统设计

在芯片厂商未推出针对WiMAX 标准5. 8 GHz 频段射频芯片的情况下，利用SIGE 公司开发的中频芯片SE7051L10 及TI 公司开发的射频芯片TRF2436，通过合理设计，成功地研制出5. 8 GHz 频段CPE 和点对点射频收发系统，测试指标满足或优于802. 16d 标准。详细介绍了主要芯片完成功能、主要技术指标、总体设计以及具体指标实现。

　　本设计主要是参照802. 16d 固定无线传输宽带技术标准，是针对WiMAX 宽带无线接入产品而设计的射频系统，它的作用是为基带信号处理单元提供零中频基带信号或基带I、Q 信号无线的收发通道。

　　0 引言

　　固定WiMAX 标准基于正交频分复用( OFDM) 技术，使用256 个副载波； 该标准支持1. 75~ 28 MHz范围内的多个信道带宽，同时支持多种不同的调制方案，包括BPSK、QPSK、16QAM 和64QAM。由于信号宽带及高调制方式等多项技术参数导致射频设计充满挑战性。

　　1 主要芯片完成功能

　　本设备采用超外差时分双工方式来完成设计,在符合WiMAX 标准的射频套片推出之前，成功选用SIGE 公司生产的中频芯片SE7051L10 和Texasinstruments 公司生产的射频芯片TRF2436 来完成设计。中频频率固定为380 MHz，射频频率在5. 725~5. 850 GHz频段内可选。

　　1.1 SE7051L10

　　SE7051L10 主要完成功能为：

　　①在发射时隙内完成I、Q 基带信号上变频为380MHz 的固定中频信号；

　　②在接收时隙内完成接收的380 MHz 的固定中频信号下变频为零中频的I、Q 基带信号；

　　③完成合成IF 和RF 所需的LO 功能； 其中中频LO 频率为固定的380 MHz； RF 本振频率可选，以便系统工作在期望的工作信道内；

　　④在发射和接收通道，均内置可变增益放大器，同时Tx 通道具有18 dB 的增益控制范围( 步进6 dB) ，和50 dB TX 增益控制范围( 步进1 dB) ，Rx 通道具有50 dB 的自动增益控制范围。

　　1.2 TRF2436

　　TRF2436 完成功能为：

　　①在发射时隙内完成380 MHz 的固定中频信号上变频到所需的RF 信道频率；②在接收时隙内完成接收的RF 信号放大并下变频为380 MHz 的固定中频信号；③片内内置收发开关、低噪声放大器及开关控制的功率放大器；④ 内置射频本振倍频器。

　　2 总体设计

　　由于SE7051L10 与TRF2432 非同一公司套片,需重新设计，主要从以下几点考虑。

　　中频芯片SE7051L10 产生射频本振，其合成频率范围2 850~ 3 350MHz，若系统选用低本振，要求最低频率为2 672. 5MHz，SE7051L10 无法满足该要求，系统只能选用高本振，高本振要求频率为3 052~ 3 115MHz； 选用高本振将导致中频及基带频谱镜像，对点对点系统而言，由于接收下变频将发射的上变频导致的频谱镜像翻转，系统会不留痕迹进行解调； 但作为CPE 设备，无法与标准基站对联，采用基带I、Q 信号颠倒连接，巧妙地解决选用高本振导致的频谱翻转，与标准信号源对联，系统工作正常。

　　SE7051L10 的收发中频为各自独立的差分输入输出，而TRF2436 收发中频为共用的差分输入输出,为解决此问题，选用2 只单端双掷开关，通过收发切换控制信号，将SE7051L10 的收发中频各自独立的差分输入输出切换至TRF2436 要求共用的中频差分输入输出，效果良好。

　　作为WiMAX CPE 设备，基站为适应不同用户端设备要求，其系统接收增益固定，不具备AGC 功能,为保证接收信号幅度恒定，通过动态调整不同CPE设备的发射功率； 因此要求WiMAX CPE 设备发射通道具有超过50 dB 的ALC 控制范围； 虽然SE7051L10内置步径1 dB 的50 dB 衰减器，但中频衰减过大，将影响中频信号的信噪比，从而影响系统性能； 而TRF2436 是针对802. 11系统开发的，发射通道没有提高系统动态的数控衰减器； 为增大系统发射动态,在TRF2436 的射频滤波器后增加一片步径4 dB 总衰减28 dB 数控衰减器。

　　重新设计SE7051L10 射频本振的环路滤波器,优化射频本振的相位噪声，从而改善发射及接收系统的信号相对矢量误差。

TRF2436 的本振要求100Ω差分输入，本振功率电平0 dBm。通过增加此频段工作的平衡- 不平衡变换的巴仑集成块来解决，巴仑集成块平衡输出阻抗为200Ω差分输出，阻抗不匹配通过四分之一波长阻抗变换器来解决； 同时，通过一单片放大器将SE7051L10 输出本振放大到0 dBm，单片放大器也有利于提高本振的输入输出隔离度。

　　通过收发通道的预算，合理地完成功放及低噪放设计。

　　3 系统工作流程

系统采用时分双工工作方式，当基带控制的收发开关信号为高电平时，系统工作在发时隙，基带送出的I、Q 信号经调制、上变频、功率放大和中频、射频滤波后经开关由天线发射至接收端； 在接收端，基带控制的收发开关信