面临挑战的RF子系统设计

11.6.2.1 多模式与多频段支持

LTE设备必须能够提供与传统空中接口的连接，以保证在LTE基站尚未部署的区域，为用户提供漫游能力。接受新技术是一项基本要求，用来确保用户业务的连续性。同时，设备还必须支持不同的运营商、区域性和漫游设备，这就注定LTE设备要支持多个RF频段。与当前技术相比，为了成功引入新技术，UE的性能必须在关键标准（如成本、尺寸和功耗）等方面具有竞争优势^[11]。

3GPP定义的频段见表11-1。虽然可以将锁相环（Phase Locked Loop，PLL）和收发信机（Transceiver，TRX）RF模块设计为能够覆盖所有频段，但是为了对无线系统进行优化，当用户移动设备给定时，设计人员仍然需要决定设备能够同时支持多少个频段。这会导致低噪声放大器（Low Noise Ampli-fier，LNA）和发送缓冲器数目的增加以及频率范围的扩展。前端（Front End，FE）组件也需要考虑功率放大器（Power Amplifier，PA）、滤波器的数量与组合以及天线转换接口的数量等问题。同样，还需要决定分集路径需要支持的频段数。

对传统标准以及多个频段的支持导致了用户使用状态数目增多。这就要求提供一种UE的最优解决方案，无论是在尺寸方面，还是在成本方面。下面是一些可能的多模式组合：

1）EGPRS+WCDMA+LTE FDD；

2）EGPRS+TD-SCDMA+LTE TDD；

3）EVDO+LTE FDD。

前两个组合可以通过采用3GPP蜂窝技术自然演进，3GPP在标准中对测量机制进行了规定，以支持每种技术之间的来回切换，而不需要同时运行（接收或发送）于两种模式。这样，这样使用单一接收或发射路径（或者当采用分集技术时，使用两个接收路径）就能够很好地支持上述三种模式。在后一种情况下，对切换的支持比较复杂，但接收或发射路径组合是可行的，因为根据LTE分集要求，有两个接收机是可用的。

通过使用一种高度可重构的TRX集成电路（Integrated Circuit，IC），能够很好地支持这些多模式要求，这种技术就是人们通常所说的软件无线电（Software Defined Radio，SDR）。实际上，我们可以将SDR理解为软件可重构的硬件。这种针对多模式操作的重构主要发生在接收机和发射机的模拟基带部分。多频段操作通常发生在无线电收发信机的RF和本地振荡器（Local Oscillator，LO）部分以及RF-FE内。

对较大数目的频段组合以及多频段的支持，正在使得用于优化硬件复用的RF子系统体系结构不断发展，尤其是对于UE尺寸和组件数目已成为大问题的FE。该领域的不断改进需要建立在EGPRS/WCDMA中已经实现的终端优化的基础上，从而要求设计人员通过进一步优化来满足LTE的功能要求。这意味着不仅LTE功能需要符合2G和3G使用的体系结构框架，而且它还要研究硬件复用的新技术：

1）应当在不使用外部滤波器的情况下实现LTE性能：无论是在LNA和混频器之间，还是在发射机与PA之间，都不使用外部滤波器，这已经在某些WC-DMA设计中得到实现。这样，不仅可以为每个频段减少两个滤波器，而且还有利于简化多频段TRXIC的设计。尤其是对FDD模式以及在双工间隔非常小的频段中使用了高信道带宽的情形来说，这一点尤为重要。我们将在11.8.2节中对这些新型设计折衷方案进行讨论。同样，指向基带（Baseband，BB）的接口需要对每种模式进行复用，以实现线缆数最小化。它可以通过11.6.3节中描述的数字接口来实现。

2）对于任何给定频段，无论它采用何种工作模式，都要处理好同一RFFE路径的复用问题。此时可以采用：

①共频段：在任何工作模式下，复用同一接收滤波器。尤其是对于增强型通用分组无线业务（Enhanced General Packet Radio Service，EGPRS）来说，由于它采用半双工模式，因而复用FDD工作模式所需的双工器非常重要。

②多模式PA：无论采用何种工作模式，也无论工作在哪个频段上，复用同一PA都非常重要。

与这两种技术相关的详细信息我们将在后面各节进行讨论。说明这些技术在降低UE复杂性、尺寸和成本方面的优势是非常有用的。表11-14对不采用优化设计方案或采用完全优化设计方案之间的复杂性进行了比较。我们给出一个与具有国际漫游功能的美国手机有关的实例：四频EGPRS（频段2/3/5/8）、4频WCDMA（频段1/2/4/5）和3频LTE（频段4/7/13）。完全优化方案的框图如图11-22所示。

表11-14 不同前端设计方案的组件计算

①在频段1和4中复用了接收机

两种应用场景的差别较大，组件数相差近1倍。此外，组件数目小还能大大简化TRXIC和FE布局的设计以及UE的尺寸。还有一些部分优化方案，其组件数位于两种应用场景之间。

图11-22 EGPRS/WCDMA/LTERF优化子系统框图

HB—高频段（High Band，HB） LB—低频段（Low Band，LB） DCXO—数字晶体振荡器（Digital Crystal Oscillator，DCXO） PGA—可编程增益放大器（Programmable Gain Amplifier，PGA） MM—多模式（Multi-Mode，MM） FE—前端（Front-End，FE）

11.6.2.2 天线分集要求

LTE引入的一个主要特征是MIMO操作，它用于提高可用数据速率。MI-MO操作要求UE安装两个接收天线和路径。一致性测试可以通过RF连接器完成，且采用完全非相关天线。这种应用场景与实际域中的典型操作相去甚远，尤其是对于工作在700MHz较低频段的小型天线。小型天线（如智能手机上的天线）尺寸较小，这就决定了两个天线之间的间距只有几厘米。在低频段，这种距离会导致同一天线接收的两个信号高度相关，从而导致分集增益降低。同时，在这些频率处，当终端尺寸较小时，手效应（由于终端靠近手或头，造成天线辐射图形变化）会进一步降低分集增益。对那些对数据速率要求高的设备（如笔记本电脑或PC平板电脑）来说，设备尺寸支持正确的天线设计。另外，在高频段，即使是小型终端，也能提供足够的天线间距，以保证MIMO操作正常进行。

与当前WCDMA手机相比，在设计LTEUE天线时，会面临如下设计方面的挑战：

1）全频段支持：当前WCDMA天线的频率范围为824～2170MHz，而未来LTE设备天线频率范围为698～2690MHz。这会提升与整个高带宽中的天线匹配和天线增益维持有关的技术发展水平。同时，这可能还会推动新技术（如有源天线调谐模块）的引入。

2）一些LTE频段会与UE中存在的其他天线系统产生新的天线耦合问题。需要考虑的其他天线包括全球定位系统（Global Positioning System，GPS）天线、蓝牙（Bluetooth，BT）与WLAN天线、模拟调频（Frequency Modulated，FM）无线天线、数字电视（如手持式数字视频广播）天线。我们将在11.6.2.3节中对相关的关键共存应用情形进行讨论。

3）对天线分集的支持：如果需要合理的分集增益，则需要在复杂的、相对较小的UE中引入外接天线。

后两个问题容易在数据卡设计中解决，因为数据卡中只有蜂窝调制解调器存在。在某种程度上，这适用于大型便携设备（如PC平板电脑和视频播放器），但智能手机机械设计对天线安装提出了较大挑战。

11.6.2.3 RF共存面临的新挑战(www.xing528.com)

在多模式UE的上下文中，UE包含多个无线系统和多个调制解调器，这些BT、FM无线、GPS、WLAN和DVB-H必须能够共存，LTE引入的高带宽、新调制方案和新频段将为共存带来新的挑战。通常情况下，共存问题是由于某一系统（入侵者）的发射（TX）信号对另一个系统的接收机（RX，受害者）性能以及灵敏度产生不利影响。需要考虑两个方面的问题：由于受到入侵者系统发射机在接收机频段内带外噪声的影响，受害者系统噪声本底提高；阻塞机制的存在导致接收机性能的降低。

入侵者系统发射机在接收机频段内的噪声泄漏加到接收机噪声本底上，进一步降低了接收机的灵敏度，如图11-23所示。噪声泄漏是发射机固有噪声功率、受害者系统频段中的发射机输出滤波器衰减以及天线隔离度的函数。

图11-23 受害者/入侵者框图和入侵者发射机泄漏到受害者接收机的噪声

这种去敏机制取决于入侵者发射机设计方案。由入侵者发射机带外噪声导致的去敏值可计算如下：

式中，DES_OOBN为由入侵者发射机噪声导致的受害者灵敏度的降幅（单位为dB）；NF_victim为与受害者天线有关的接收机噪声系数（单位为dB）；POUT_aggressor为入侵者发射机最大输出功率（dBm）；OOBN（Out of Band Noise，带外噪声）是入侵者发射机在受害者频段中的噪声（单位为dBc/Hz）；ANT_isol为天线隔离度（单位为dB）。

受害者LNA输入端的阻塞功率电平取决于入侵者最大发射信号功率、天线隔离度和入侵者发射机频段中的受害者FE滤波器衰减。缓解技术只能在受害者接收机设计中实现。在两种情况下，提高天线隔离度是非常有用的，但在小外形因子UE中，自由度是有限的，尤其是当入侵者和受害者工作频率比较接近时。

当存在阻塞器时，受害者去敏值可能是由多种机制产生的，如图11-24所示。

由于有用信号与入侵者发射信号泄漏相互混频，因而受害者RXLO的相位噪声需要加到有用信号上：

1）对于有用信号来说，因发射机信号泄漏上的交叉压缩而导致的受害者接收机增益降幅。

图11-24 去敏机制

2）对于直接变频接收机（Direct Conversion Receiver，DCR）来说，发生在DC处的发射机信号泄漏AM（Amplitude Modulation，调幅）内容的2阶互调失真（IMD₂）结果，它存在着与有用信号重叠的可能性。

3）受害者LO泄漏与发生在DC处的发射机信号泄漏AM内容的3阶互调失真结果，它存在着与有用信号重叠的可能性（通常称为交调）。

对于前两种情况，实际入侵者信号特性与带宽在干扰机制不起作用：

1）交叉压缩与信号峰值功率直接相关，由于3G引入了最大功率降幅（Maximum Power Reduction，MPR），因而在WCDMA和LTE上行链路之间，交叉压缩通常是一个常数。

2）相互混频与某个频偏值处的干扰泄漏和受害者LO相位噪声直接相关，该频偏值等于入侵者发射机频率和受害者接收机频率之差。较大距离可以提高入侵者泄漏和LO相位噪声的选择性。

同样，在较大频偏处，由于存在着较高选择性和较低相位噪声，因而当频率距离较大时，入侵者噪声泄漏比较低。由上可知，对于诸如发射机噪声泄漏、交叉压缩和相互混频等机制来说，主要影响因素是入侵者和受害者频域的接近程度。在LTE中，新的频段分配会导致新情况的出现，我们将在与频段相关的共存问题面临的挑战一节以及11.8.2节中对这些新情况进行描述。

但是，交调和IMD₂结果包含一个频谱带宽（Bandwidth，BW），它与干扰源的带宽直接相关。同时，这些失真的频谱形状取决于信号统计和调制方案。对于这些影响因素，很难给出一种如何将LTE干扰与WCDMA进行比较的通用分析方法。对于每种LTE带宽和调制组合来说，必须要分析干扰频谱的哪一部分是在受害者信道带宽中进行计算的。我们将在11.8.2.1节中，对WCDMA和LTEQPSK上行链路调制载波的IMD₂结果进行对比。

1.与频段有关的共存问题面临的挑战

至于LTE带外发射机噪声发射，双工器必须在如下频段中提供足够大的衰减：

1）在频段11中，发射机频率非常靠近GPS频段。使用预计的天线隔离度，需要提供大于40dB的衰减。GPS接收机也提供其阻塞处理能力，来应对LTE发射机信号泄漏问题。

2）在频段11/12/13/14中，发射机频率靠近某些TV频段，因而要求提供足够的LTETX噪声衰减。

3）在频段7/38/40中，发射机频率靠近蓝牙（BT）和WLAN工作的2.4GHz ISM（Industrial Scientific Medical，工业、科学和医疗）频段。使用预计的天线隔离度，需要提供约40dB的衰减。同样，在频段7/38/40中，蓝牙（BT）和WLAN发射机噪声应当保持在较低水平。假定LTEFDDRX已经拥有所需的阻塞处理能力，则蓝牙（BT）和WLAN阻塞器将不成为问题。但是，可能需要提高BT/WLAN接收机的阻塞处理能力，以应对LTETX信号泄漏问题。

关于LTETX调制载波，当输出功率为23dBm时，特别要注意在如下入侵者/受害者组合中，对LTETX的第二谐波功率电平进行控制：

1）在频段7/38中，第二谐波位于5GHzWLAN频段内，因而要求LTE发射机将其功率电平降低至-90dBm左右。与要求第二谐波功率电平低于-40dBm的3GPPLTE相比，这意味着一个很大的挑战。同时，当LTETX基本信号泄漏存在时，WLANRX必须具有较好的线性特征，以防止第二谐波再次产生。

2）在频段13中，发射机第二谐波位于GPS频段内，因而要求LTE发射机将其功率电平降低至-110dBm以下。在实际应用中，要将功率电平降低到这种水平非常困难。同样，对于上述共存测试情况，GPSRX输入端存在的LTETX泄漏也会针对GPSRX提出线性要求，以防止第二谐波再次产生。

还存在LTETX谐波位于5GHzWLAN或超宽带（Ultra Wide Band，UWB）频段的其他情况。它们通常具有较高的谐波阶数，基本上不会存在什么问题。