WiMAX可以滿足包括免授權和需要授權頻段的整個無線市場的需求，但這使得RF電路愈加復雜。本文將討論某些重要的、關系到成本WiMAX規范的RF系統模塊、合成器、功率放大器和濾波器功能。

MIMO、ASS與OFDMA面臨的RF挑戰

天線分集是一種以較低成本增強低成本用戶站性能的重要技術，它有助于減輕一些嚴重降低系統性能，甚至在一些情形下導致系統無法運行的信道損耗(如多路徑、遮蔽及干擾)所造成的影響。由于采用多個天線，系統的鏈路預算可通過降低信道衰落或在某些實施中提供陣列增益而得到顯著提升。按由低到高的復雜性實施多種設計方案，最終都將獲得最佳增益?；驹O計包括選擇分集合成(SDC)、等增益合成(EGC)以及最大比率合成(MRC)。SDC方案對多個天線分支的接收性能進行采樣，并從中選出能夠使接收器信噪比最大的天線分支。為確保正常工作，每個天線分支必須不受信道衰落特性的影響。為了實現這一點，可以讓天線在空間上彼此分離，并采用不同的極性，亦或采用天線的組合設計。通過零階貝塞爾函數，利用方程ρ=J02(2nd／λ)近似計算得出天線的空間相關性(見下圖)。從圖中可看出，通過使空間分離度高于三分之一波長并滿足小外形用戶站的需求，可獲得相對無關聯的天線分支。

為獲得最佳SDC性能，選擇過程和數據收集必須在相干時間內完成。相干時間是傳播波在時間和空間上保持近似恒定的相位關系的一段時間。當相干時間過去后，應再次對天線進行采樣，以計算預期的信道變化，并支持再次選擇最佳天線。對希望具有交互式上行鏈路(UL)和下行鏈路(DL)信道特性的TDD系統來說，選定的接收天線也可作為發射天線使用。SDC技術看似簡單，但如果算法有效，系統增益可以得到很大提升。

有兩個性能指數可以衡量天線分集方案的增益提升效果，即分集增益和陣列增益。在變化的信道條件下，與單天線陣列系統相比，分集增益相當于降低了多天線陣列系統中本地信號強度波動的增益變化。分集增益增加使得衰落深度減小，這是因為多天線系統的每個天線根據不同的頻率和時間采用不同的衰落信道。陣列增益是與通過多天線陣列系統增強方向性有關的天線增益的累積。在典型的系統中，隨著天線陣列元索的增多，增益將以101og(n)的速度增加，這里的n為天線陣列中天線的數量。這意味著每兩個天線將帶來一倍的增益提升。

SDC方案沒有陣列增益這個指標，這是因為n個天線中只有一個天線可在任何情況下使用。但是，通過空間或極化分集，SDC方案具有穩定的分集增益。

另一個采用多天線的基本天線分集技術為EGC。與SDC方案不同，該算法并未從n條天線中選出一個天線，而是合成了所有天線的功率。多個獨立信號分支是共相位的，每個分支的增益都一樣(等增益)，然后將所有分支增益合成在一起。EGC天線分集技術實現了分集增益，同時也產生了陣列增益。因此它能比SDC提供更高的天線分集增益(見46頁的表)。為獲得天線分集的最佳增益，可采用天線的MRC。這種技術與EGC基本相似，但該算法盡量在合成所有天線功率之前，調節各天線的相位與增益。信號的累加過程可能在模擬域或數字域內完成。若累加過程在數字域內進行，則從RF到基帶，每個獨立天線分支都需要RF硬件。若MRC在模擬域中實現，則累加過程可能直接在RF上進行。由于對每個天線分支的頻率選擇信道特性都進行了補償，所以在數字域處理后的性能將得到提升。

多輸入多輸出(MIMO)系統和自適應天線系統(ASS)可用于改進鏈路容限。采用MIMO系統需要多個具有多次模數轉換的RF璇。采用集成的方法可降低這些多鏈路的成本。各接收鏈路之間的隔離度為20dB。RX鏈之間的增益和相位并無特殊匹配要求，這意味著射頻設計非常簡單。MIMO在TDD和FDD系統中運行良好，能在多路徑環境中增加鏈路容限。

相反，對AAS或波束成形系統而言，TX和RX鏈需要在頻率、增益和相位等方面實現匹配。但用戶站通常不具備多鏈路。由于TX頻率與RX頻率相同，所以這類系統在TDD模式下運行良好。AAS限據從RX信道獲取的信息評估TX信道，因此具有相同的頻率有助于改善評估結果。

在OFDMA方案中，RF信道可分成多個子信道，因為使用的載波(tone)減少了，所以可以相應增大功率。對于不必在上行鏈路中發射大量數據的用戶，只需分配一個較小帶寬，以便能根據用戶需求更有效地利用帶寬。但這種技術也給無線網絡設計帶來很多挑戰。在整個傳輸增益范圍內，設計人員必須謹慎處理子信道之間的干擾和噪聲。除了不存在頻率隔離外，其它條件與FDD完全相同。由于濾波對該技術沒有幫助，所以它要求出色的噪聲性能與線性特性。OFDMA的另一個問題是RF的精確度必須保持在1％范圍內，否則在各子信道內，不同用戶可能發生沖突。

上面討論了一些改善鏈路容限的方法，接下來介紹RF系統內的詳細電路模塊，這些模塊對降低成本具有很大作用，包括占據射頻系統主要成本的合成器、功率放大器和濾波器。

RF系統模塊

1．合成器

合成器可以產生混合了輸入RF信號的本振(LO)信號，以得到一個可以由基帶IC進行數字化處理的頻率較低的信號。WiMAX規范要求采用性能較高的合成器。合成器模塊占據RFIC的大部分面積，因此該模塊是RFIC中成本較高的一個部分。它的合成相位噪聲低于1deg rms，合成頻率為載波間隔的1／20至信道帶寬的1／2。因此，在1.75MHz較小帶寬下，相位噪聲的合成最低可以從100Hz開始。對于HFDD架構，TX到RX頻率的調整要在l00微秒內完成。信道量化的步長在3.5GHz頻帶內為125KHz。為調整并維持這個量化步長，需要考慮分數頻率合成器。請注意，隨著RF頻率不斷提高，獲得低于1degrms的相位噪聲將變得更加困難。與所有射頻LO一樣，AD轉換時鐘也要被看成將相位噪聲增加到整體抖動指標上的LO。

2．功率放大器

寬帶數字調制要求較高的線性度，但線性度高會產生較高的損耗。通常，效率和線性度難以實現最佳平衡。對于WiMAX，在距離輸出P1 dB6dB的回退(backoff)點上，功率放大器的效率為4％～5％。這種回退會產生大約2.5％的誤差矢量幅度(EVM)，或32dBc的信號噪聲失真比(SNDR)。AB類功率放大器(PA)在該點上的效率可達15％～18％，而EVM值基本不變。

PA設計中常被忽略的參數是建立時間。啟動PA后，功率將會發生過沖(或下沖)，然后趨于穩定(settle out)。在100毫秒的建立時間內，將達到低于0.1dB的最終值。對于OFDM符號，RX需要從幀開始到結束對載波功率進行評估。如果從幀開始至結束，功率下降的值大于0.1dB，則64位正交振幅調制(QAM)的BER將增大。功率下降的主要原因是偏壓電路和輸出功率場效應晶體管(FET)處于不同的散熱點上。散熱現象在100毫秒內持續產生影響。為減緩功率的降低，偏壓電路要盡可能靠近輸出FET，這樣它們就可以保持相同的運行溫度。某些情況下，PA可能需要在TX周期之前啟動，這樣PA就可以保持穩定或者減緩功率降低。這意味著在發射數據時需要一個觸發信號，而利用MAC和PHY實現這一觸發并非易事。對于HFDD模式，在100微秒的預算時間內，合成器必須穩定，且PA必須啟動。一個切實可行的解決方案是將PA的建立時間設計成小于5微秒。

3．濾波器

濾波器用來消除鄰近或備選信道產生的非期望信號，這些瞬時信號產生的噪聲可泄漏到期望的頻帶內。因此，在接收器中濾波并沒有效果，只有"干凈"的發射信號才沒有這種噪
聲泄漏。

關于鄰近信道的問題，主要挑戰是線性度和濾波復雜性。如果非期望信道被濾除，則要求射頻器件的功率回退少一些，并有更多的AD位可用于衰落容限。采用SAW濾波器有助于降低成本，它還具有最佳的濾波效果。但這種技術的主要缺點是它能支持的最大信道帶寬是固定的。另一個問題是，采用固定IF難以支持很多RF頻帶。對雜散分析而言，最佳IF性能取決于RF。

片上濾波需要占據較大的裸片面積，而且隨著信道帶寬減小，裸片面積將增大。此外，片上濾波會產生更多噪聲，它的優勢在于可以調節濾波器以適應帶寬要求。

對于基于I／Q的設計，采用片上濾波器很有必要。在片上進行濾波可以更好地匹配濾波器，這