在手機產業的寬帶無線覆蓋以及高速回程應用(backhaul application)方面，802.16d固定標準已經獲得其立足之地。隨著能夠支持主要的WiMAX頻帶的RF芯片組的推出，其他創新性的通信應用也應運而生。隨著固定標準不斷推廣，業界的關注重點正轉向802.16e標準，即WiMAX的移動標準。這些器件將有助于實現PCMCIA卡中收發器的小型化，終必將為筆記本和移動電話所采用。
初的設計重點是CPE市場，其商業模型側重于大規模制造以及高銷量。WiMAX基站收發臺(BTS)解決方案緊隨其后，實現完整的系統解決方案。BTS是一種量較低(成本較高)的系統，通常對更高的RF架構性能考慮重于對成本的考慮。此外，由于BTS的靜態特性，在機械外殼、散熱片和電源設計上具有更多的回旋余地，因此這些不會對收發器設計產生什么局限性。
顯然，就上述WiMAX系統而言，沒有正確的架構。每種選擇都有其優缺點，設計工程師必須權衡比較，才能實現系統的目標。我們要根據CPE和BTS等不同應用需求來有選擇性地考慮不同的RF架構，分析其主要的優劣勢。
數字基帶到RF接口
RF架構首先要考慮的問題就是定義數字基帶處理器與RF電路之間的信號接口。信號接口有兩種選擇：低中頻(IF)與I/Q(正交)接口。數字基帶處理器可能僅具備一種接口選項，因此設計工程師也就別無選擇了。其他處理器可能會需要在低IF和I/Q接口之間進行選擇。由于CPE數字處理器通常集成了數據轉換器，因此預定義了連接到RF電路的接口。由于數據轉換器屬于外部器件，我們可根據架構的選擇來確定所匹配的數據轉換器，因此BTS的靈活性更高。
低IF接口針對數據轉換器的發送(TX)和接收(RX)采用單一的信號路徑。對低IF頻率的選擇可能受限于RF芯片組電路，或者受到數據轉換器采樣率的影響，數據轉換器的采樣率必須至少是信號帶寬頻率的兩倍。但在實踐中，對數據轉換器采樣率的選擇往往要高得多，以確保保持信號完整性，同時使在數據轉換器鏡像信號以及雜散信號被推高，以輕松實現模擬濾波。要達到WiMAX標準，必須消除由轉換器生成的輸出雜散信號。例如，18MHz的低IF傳輸信號帶寬為3.5MHz，這就要求數模轉換器(DAC)采樣率至少達40MSPS才能滿足信號頻率的要求。如果轉換器采用更高的采樣率，那么DAC鏡像信號就會被提到更高的頻率，這就使簡單的3極低通濾波器能夠高效率地實現濾波工作。
I/Q接口采用兩個連接至數據轉換器的正交信號。通常，信號位于基帶(即以0Hz為中心)，不過也可讓I/Q接口的信號以某個低中頻為中心。低中頻的I/Q接口通常不適合CPE應用，但在采用高性能數據轉換器的BTS應用領域卻非常有用。由于整體信號被拆分為正交分量信號，因此每個路徑的信號帶寬減半，這樣數據轉換器的采樣率就不會要求那么嚴格，盡管需要兩個轉換器。
盡管低IF接口可簡單地采用混頻器將輸入信號轉換為較高頻，但I/Q接口要求采用調制器或解調器。此后，我們說到調制器一詞時，將同時指調制器和解調器，因為兩種器件的特性基本相似。調制器內部采用兩個由LO正交信號驅動的兩個混頻器。
盡管調制器比簡單的混頻器要復雜些，但其擁有一項重要優勢，即可自然地對LO信號和鏡像頻率進行抑制。抑制量取決于兩大參數：DC偏置平衡與正交平衡，相內(I)路徑和正交(Q)路徑之間的DC偏置平衡決定了載波饋通(feed through)量。具體就發送器工作而言，抑制或消除載波非常關鍵，因為它非常接近于目標信號。信號路徑間的幅度和相位平衡將決定鏡像信號或不需要的邊帶的抑制。與DC偏置情況類似，抑制鏡像頻率對符合相關標準要求也非常重要，因為它通常會接近目標信號。
相關參數通常非常敏感，我們經常需要微調DC偏置、信號幅度以及I/Q路徑間的相位平衡，以解決不同批次、頻率以及溫度的差異問題。不同環境下的參數校準和參數調節是架構設計的重要組成部分，同時對I/Q接口的實現也至關重要。
超外差或直接變頻架構
建立了接口之后，設計工程師就應該選擇適當的RF鏈轉換架構。對于大多數應用而言，我們可在超外差和直接變頻射頻技術之間進行選擇。這一選擇決定著采用何種類型的器件以及所需濾波器的數量。除芯片組本身之外，濾波器的成本是射頻電路中的部分。
超外差技術是一種雙轉換方案，即先將輸入信號轉換為中頻，再將其轉換為適當的RF通道。在這種架構下，IF頻率是靜態的，允許使用高性能聲表面波(SAW)濾波器。終的變頻混頻器采用可調節的LO，將信號置于期望的輸出通道上。通過IF SAW濾波器，在來自DAC或變頻混頻器的雜散輸出信號傳輸到放大器和PA，通過天線傳播開來之前，將其消除。在接收端，利用SAW濾波器來阻斷鄰信道干擾，避免嚴重影響到的射頻靈敏度。RX阻斷器的性能是確保符合WiMAX標準的關鍵參數。
直接變頻架構是將輸入信號直接變頻為所需的RF通道，不采用中頻。超外差射頻技術采用低IF轉換或I/Q調制器來進行中頻轉換，而直接變頻射頻技術則需采用正交調制器。由于該架構中沒有選擇性較高的SAW濾波器，因此必須利用調制器來抑制鏡像頻率和載波分量。我們可將LO頻率調至適當通道，將輸入信號轉換為期望的RF通道。在阻斷特性非常關鍵的接收端，直接下變頻射頻技術應具備優異的動態范圍和適當的基帶濾波技術，以處理相鄰信道的干擾和窄帶干擾，從而避免對無線電廣播的靈敏度造成較大影響。
直接變頻射頻技術的另一個關鍵參數是傳輸輸出噪聲，單位為dBc/Hz。如果沒有IF濾波的話，那么調制器的所有噪聲都將到達PA，從而通過天線發射出去。因此，必須確保較高的動態范圍，并降低輸出噪聲，這樣才能滿足WiMAX標準的要求及其它相關規范。直接變頻架構采用盡可能少的濾波器和合成器，這對于低成本設計方案而言是相當有利的，不過同時也對調制器和解調器器件提出了極高的性能要求。我們必須注意采用適當的器件，使其滿足所有的相關標準要求，這樣才能確保該方法的可行性。
針對CPE的WiMAX系統
CPE(用戶端設備)是一種高銷量的產品，它不僅需要符合WiMAX規范，而且還要求滿足低成本目標，同時在制造過程中還要具有高度的性能穩健性，這樣才能在市場中獲得成功。如前所述，基帶處理器的選擇至關重要，需要采用低IF或I/Q接口。目前市場上的大多數CPE基帶解決方案均可配置為IF或I/Q接口，在接口的選擇方面不會有什么限制問題。變頻架構的選擇是一個相關性很強的問題。為了確保滿足WiMAX標準，設計工程師通常首先會選擇低IF、雙變頻射頻技術。這時，類似于TSW500x參考設計中的TI TRF1xxx系列器件就能實現符合WiMAX標準要求的收發器，而且還能滿足WiMAX對頻率、功耗以及溫度的要求。圖1給出了該架構的結構圖。
圖1：TSW500xWiMAX參考設計結構圖
兩種架構均能降低成本、提高集成度，并將芯片組的器件減少為兩到三顆，從而降低PCB的面積占用。直接變頻必須保持不錯的DC偏置平衡和正交平衡，并且具有適當的動態范圍以處理阻斷信號(blocker signal)，這樣才能成為有效的解決方案。超外差方案將采用額外的SAW濾波器，以便協助滿足減少雜散和RX阻斷器的要求。只要采用了正確的設計方案，其所需的額外濾波器和合成器就會通過功率放大器的集成性能而物有所值。這兩種方案的成本和電路板面積的占用基本相同，決定性因素將在于PA的性能和成本。
圖2：直接變頻與超外差結構圖
對于BTS系統而言，我們更關注性能而不是成本和尺寸。不過，由于WiMAX是一種新部署的技術，我們還是希望降低成本。初的WiMAX系統采用開環PA，能夠向天線提供2到4瓦的調制功率。采用這種PA技術時，我們用了足夠高功率的PA末級晶體管(final transistor)來實現期望的調制功率輸出，通過足夠地補償(back off)放大器來實現適當的誤差矢量幅度(EVM)性能。盡管這種方法是可行的，但效率非常低，常常需要大型的散熱片和主動冷卻。
新一代的BTS系統將需要更高的功率，這使得補償線性化方法就難以為繼了。設計工程師開始考慮其他的線性化方案。他們先用波峰因數降低技術(CFR)在進行數模轉換前降低信號域中到達信號的功率峰均值比(PAR)。由于WiMAX信號對帶內信號完整性的要求非常嚴格，因此這種方法在CFR的固有EVM衰減變得很大之前，可能只會降低1.5到2dB的PAR。
為了在技術改進方面取得更大的進展，設計工程師將采用數字預失真(DPD)線性化方法。該技術將修改數字輸入信號，這樣，在信號通過非線性功率放大器之前，我們能抑制掉不必要的互調信號。該方法在蜂窩通信PA市場上日益受到歡迎，人們正在研究將其用于WiMAX系統。
DPD有兩種特殊的架構要求。一是需要在PA后提供反饋路徑，以便為進行線性化系數的自適應調節向DPD處理器發送輸出信號，從而在不同輸出功率和環境條件下保持良好的線性化效果。如果采用時分雙工(TDD)WiMAX系統的話，這一要求可以忽略，因為這時已經有了接收機，并且在傳輸周期中處于空閑狀態。
第二個要求與預失真信號的帶寬相關。DPD信號將包括用于抑制由PA生成的三階與五階產物。這樣，輸入信號會是所需信號的五倍。超外差無線電廣播技術中所用的SAW濾波器與所需信號寬度相同，不足以讓DPD信號通過。
此外，過長的群組延遲和與SAW濾波器不同帶寬屬性下群組延遲的差異也會對DPD自適應算法產生不良影響。因此，直接上變頻方案是采用DPD技術的可行方法。采用DPD的直接上變頻方案對正交調制器和執行驅動功能的DAC提出了極高的性能要求。例如，TI的DAC5687配合TRF3703正交調制器就是一個典型的應用實例，如圖3所示。
圖3：DPD直接上變頻結構圖
出于對稱原因，BTS接收機也可采用直接下變頻架構。不過，由于對阻斷器的嚴格要求，我們可能需要在超外差方案中采用窄帶濾波技術。BTS設計工程師可選擇混合架構方法，其中采用DPD的發送器使用直接上變頻調制器，而接收機則采用雙通道轉換機制，當接收機用作DPD反饋路徑時可選擇繞開IF SAW濾波器。該方案在整個系統中實現了每種架構的優勢。
本文小結
實踐證明，WiMAX技術是可行的。不過，該技術的成功取決于我們制造并部署相關產品的效率。這里介紹的多種接口和架構為我們提供了基本的信息，有助于我們設計出高性能，并且可大規模制造低成本的產品，從而適應并迎合當前商業環境的需求。接口選擇主要由數字基帶決定。是采用雙轉換還是采用直接上變頻或下變頻技術，這要在性能和復雜性之間進行權衡取舍。沒有正確的方法，每種方法都各有千秋。我們應努力實現具有性能和靈活性的方案，這樣才能為RF設計工程師提供的商業模型，從而滿足日新月異的標準要求。