作者：Kenny Man and Jon Lanford

基站接收器設計可能是一項艱巨的任務。混頻器、低噪聲放大器（LNA）和模數轉換器（ADC）等典型接收器組件隨著時間的推移逐漸得到改進。但是，體系結構僅略有變化。架構選擇的限制阻礙了基站設計人員在市場上的差異化產品。最近的產品開發，特別是集成收發器，已經大大放寬了即使是最具挑戰性的基站接收器設計的一些限制。這些收發器提供的新基站架構為基站設計人員提供了更多選擇和方法來區分其產品。

本文討論的集成收發器系列是業界首款支持所有現有蜂窩標準（2G 至 5G）并涵蓋整個sub-6 GHz調諧范圍的收發器。這些收發器允許基站設計人員在所有頻段和功率變體中采用單一、緊湊的無線電設計。

首先，讓我們回顧一下幾個基站類。眾所周知的標準機構3GPP有幾個定義的基站類別。這些基站類有各種名稱。從廣義上講，最大的基站或廣域基站 （WA-BS） 提供最多的地理覆蓋范圍和用戶數量。它們還輸出最高功率，并且必須提供最佳的接收器靈敏度。每個逐漸變小的基站都需要更少的輸出功率和寬松的接收器靈敏度。

此外，3GPP還定義了不同的調制方案。從廣義上講，調制方案的實際細分是非GSM（包括LTE和CDMA類型的調制）和基于GSM的調制，特別是多載波GSM（MC-GSM）。在兩大方案中，GSM在RF和模擬性能方面要求最高。此外，隨著更高吞吐量的無線電變得越來越普遍，MC-GSM已成為單載波GSM案例的常態。通常，基站中可以支持MC-GSM性能的無線電前端也可以處理非GSM性能。處理MC-GSM的運營商將在市場機會中具有更大的靈活性。

從歷史上看，基站一直由分立元件組成。我們相信，當今的集成收發器可以取代許多分立元件，并提供系統優勢。但首先，我們需要討論基站接收器設計的挑戰。

廣域或宏基站歷來是最具挑戰性和最昂貴的接收器設計，并且歷來一直是我們無線通信網絡的主力。是什么讓它如此具有挑戰性？一句話，敏感。

基站接收器必須在特定條件下達到所需的靈敏度。靈敏度是基站接收器解調來自手機的所需微弱信號的能力的品質因數。將靈敏度視為確定基站在保持連接時離手機最遠的距離。靈敏度可以分為兩種方式：1）沒有任何外部干擾的靜態靈敏度和2）有干擾的動態靈敏度。

讓我們首先關注靜態靈敏度。在工程術語中，靈敏度由系統噪聲系數（NF）決定。噪聲系數越低意味著靈敏度越高。通過增加增益以實現所需的系統NF來實現所需的靈敏度，增益由稱為低噪聲放大器（LNA）的昂貴組件產生。增益越高，LNA的美元和電力成本就越高。

不幸的是，動態靈敏度需要權衡。動態靈敏度意味著靜態靈敏度會因干擾而變差。干擾是出現在接收器上的任何不需要的信號，包括來自外界的信號或接收器無意產生的信號，例如互調產物。在這種情況下，線性度描述了系統處理干擾的能力。

在存在干擾的情況下，我們的系統會失去我們努力實現的靈敏度。增益越高，這種權衡會變得更糟，因為增益通常伴隨著較低的線性度。換言之，增益過高會降低線性度性能，從而導致強干擾下的靈敏度下降。

無線通信網絡的設計使得網絡性能的負擔在基站側而不是手機端。WA-BS設計用于覆蓋大面積并實現出色的靈敏度性能。WA-BS必須具有最佳的靜態靈敏度，以支持來自手機信號非常弱的小區邊緣的手機。另一方面，在干擾或阻塞條件下，WA-BS接收器的動態靈敏度仍然需要良好。接收器仍然必須在來自手機的微弱信號上表現出良好的性能，即使來自基站附近聽筒的強信號會產生干擾。

以下信號鏈是一個簡化的典型分立元件系統接收器。LNA、混頻器和可變增益放大器（VGA）稱為RF前端。RF前端的噪聲系數為1.8 dB，而ADC的噪聲系數為29 dB，在圖1的分析中，RF前端增益在x軸上掃描以顯示系統靈敏度。

圖1.簡化的典型分立接收器信號鏈。

現在讓我們比較一個簡化的收發器接收信號鏈。可以看到收發器接收信號鏈的物料清單小于可比的分立元件信號鏈。此外，收發器在片上設計有兩個發射器和兩個接收器。看似簡單的集成隱藏了接收器設計的優雅，通常可實現12 dB的噪聲系數。圖2所示的以下分析將展示靈敏度在系統中的回報情況。

圖2.典型收發器/接收器信號鏈，簡化。

圖3顯示了上述兩種實現方案的RF前端增益與靜態靈敏度的關系。WA-BS在靈敏度幾乎滿足最嚴格靈敏度要求的區域工作。相比之下，小型蜂窩在靈敏度曲線斜率最陡峭的地方工作，同時仍以較小的裕量滿足標準。收發器以低得多的RF前端增益為WA-BS和小型蜂窩實現了所需的靈敏度。

圖3.分立接收器與收發器/接收器靈敏度的關系。

動態靈敏度如何？在RF前端增益區域，我們將使用收發器設計廣域基站，動態靈敏度也比分立解決方案好得多。這是因為在給定功耗下，較低增益的RF前端通常具有較高的線性度。在通常使用高增益的分立解決方案中，線性度通常由RF前端主導。在收發器設計中，與分立式解決方案相比，干擾導致的靈敏度下降顯著降低。

值得一提的是，在存在過多干擾的情況下，系統旨在將增益降低到可以容忍干擾的程度，并在干擾減少時增加增益。這稱為自動增益控制（AGC）。增益的任何降低也會降低靈敏度。如果系統可以容忍干擾源，通常最好保持盡可能高的增益，以最大限度地提高靈敏度。AGC是未來討論的主題。

總之，這類收發器的兩個突出特點是出色的噪聲系數和更高的抗干擾能力。在信號鏈中使用收發器意味著您可以以更低的前端增益獲得所需的靜態靈敏度。此外，較低的干擾水平意味著您可以獲得更好的動態靈敏度。如果您需要LNA，它將是成本較低的LNA，并且消耗更少的功率。您還可以在系統的其他位置進行不同的設計權衡，以利用這些功能。

如今，市場上有可配置的收發器產品，它們在廣域和小型蜂窩基站設計中都占有一席之地。ADI公司在這種新方法中發揮了領導作用，ADRV9009和ADRV9008產品非常適合廣域基站和MC-GSM性能水平。此外，AD9371系列還提供非GSM（CDMA、LTE）性能和帶寬選項，但功耗優化更高。

本文遠非全面的概述。敏感性的話題將在我們的后續文章中得到更深入的處理。此外，基站接收器設計中的其他挑戰包括自動增益控制（AGC）算法、信道估計和均衡算法等。我們計劃在本文之后發布一系列技術文章，旨在簡化您的設計過程并提高您對接收機系統的理解。

審核編輯：郭婷