設想有一個設備能在家里提供高品質移動電話的接收功能，讓用戶只需要低廉的月費就可無限享受語音和資料的使用，Femtocell基站即可提供上述服務，甚至更多，而此放在家中或是辦公室內可以改善區域無線覆蓋范圍的小巧無線設備，也將大幅改變無線基礎建設的樣貌。

圖1所示為Femtocell基站的運作概念，傳統的基站具有廣大的區域覆蓋范圍，而Femtocell基站則是在一棟住宅的小型區域內提供無線涵蓋范圍。

Femtocell基站通過用戶的寬頻網際網絡連線將移動通信流量路由至網絡，以此方式使流量得以從無線電網絡中轉移出來，可改善網絡的容量，同時減輕經營者的后置網絡、電力及維護成本，也可讓經營者對信號覆蓋范圍有限的家庭提供服務。在更換輔助用的Femtocell基站時，經營者會在客戶的移動電話月租帳單中增加一筆額外的費用，當客戶處于Femtocell基站區域中，所有的移動電話使用都會被涵蓋在家庭帳單當中，客戶可在家中無限制的使用語音與資料而不須負擔大筆的月費帳單。鄰近Femtocell基站的區域則能獲得高品質的連線，又可一并減少移動電話的電池使用時間，且Femtocell基站克服來自基站的3G信號須穿透墻壁的限制，也實現移動電話資料服務的高速存取，如瀏覽網??際網絡、下載音樂及手機中的串流視頻等。

低成本為Femtocell基站主要挑戰

類似于無線區域網絡(Wi-Fi)路由器的Femtocell基站，以獲得認證的無線基礎架構標準--全球移動電信系統(UMTS)和分碼多重存取(CDMA)為基礎。此架構與新興的標準兼容，借著使用經營者專屬的頻譜提供有效率又強固的無線連接，與既有移動電話間的兼容性使連線對使用者透明化。不同于大型蜂窩網絡在核心網絡上具有總數高達數十或數百個基站，一組Femtocell基站的閘道須管理數千甚至上百萬個Femtocell基站的節點。

Femtocell基站須能從基站以近似移動電話的成本提供所需的服務品質，這為無線電設計廠商帶來頗大的挑戰。Femtocell基站必須同時提供高品質的語音服務及EVDO與高速封包存取(HSPA)移動資料服務，且成本須僅能占大型蜂窩網絡節點的一小部分。為克服這些挑戰，Femtocell基站的設計須借助低成本生產技術及能使校正與測試時間最小化的高整合IC的優點。此外，Femtocell基站設置在家中，因此必須小巧、低成本，并可讓使用者自行安裝。以約100MW低功率發射的Femtocell基站為例，安裝時須留意無線環境，以便減輕干擾的情況，同時符合調節方面的需要，而3G Femtocell基站須監測UMTS通道，以便偵測鄰近的基站，同時還要監測全球移動系統(GSM)通道，借以在用戶離開Femtocell基站區域時建立適合切換(Handover)的Femtocell基站。

射頻前端整合/分離式設計各有優劣

Femtocell基站具備兩種截然不同的功能，包括模擬式前端及基??頻處理器。本文所提的適用于3G Femtocell基站模擬前端能在發射電路中將數位資料流轉換成射頻(RF)信號；而在接收鏈中則反之。前端的設計牽涉整合度與性能之間的取舍，雖然分離式解決方案可經過特別設計提供最佳性能，但其所需成本對Femtocell基站而言，無法接受；相反的，完全整合型解決方案能提供最低的成本，但性能卻可能不足。

圖2中所示為針對能支持在UMTS波段1的區域型基站作業，以及在850MHz、900MHz、1,800MHz、1,900MHz與2,100MHz波段中監測信號所設計的Femtocell基站的高位準方塊圖。其中還有廠商推出的混合信號前端基帶收發器、整合式無線電收發器與線性放大器、開關、濾波器，以及其他來自于適合Femtocell基站精巧高性能前端的相關支持電路，以下是關于各區塊的說明。

• 發射端

在發射端，數位基帶會傳送一組12位并行資料流至混和信號前端組件，該組件會將其轉換為模擬I/Q基帶信號。基帶信號會通過整合式無線電發射器轉換成RF，再由線性放大器增益級放大，然后傳送至雙工器中。功率偵測器會監測RF輸出。單刀六擲(SP6T)開關會選擇將何組發射或接收監測鏈連接至單一天線，這組信號鏈在RF輸出連接器上提供13dBm的輸出功率，同時又能夠符合第三代伙伴項目(3GPP )標準TS25.104中所定義的發射鄰近通道信號泄漏比(ACLR)規格。

• 接收端

接收鏈包含表面聲波(SAW)濾波器及單極雙通式(SPDT)開關，用于監測主要路徑。匹配區塊則是由適用每一組接收埠的簡單串聯/分流電感器構成。整合式無線電收發器具有三組接收器輸入接腳，一組用于波段1，另兩組分別用于高與低波段監測功能。波段1接收功能可在接收上行信號的1,960MHz與用以監測下行頻率的2,140MHz間切換，且整合式無線電收發器將所選取的RF信號予以降頻轉換和濾波，使其成為基帶I/ Q信號，基帶信號會由混合信號前端中的雙工模擬數位轉換器(ADC)予以取樣，并轉換成適用于數位基帶的雙12位并行比特流。

高度整合式無線電收發器可降低BOM

圖3中所示的整合式無線電收發器是一組適用于高性能3G Femtocell基站的3G收發器。以直接轉換架構為基礎的接收器，適用于高度整合寬頻分碼多重存取(WCDMA)接收器，并通過完全整合所有的級間濾波器，以減少物料清單(BOM)。接收基帶濾波器提供可選擇的頻寬，因此WCDMA及GSM-EDGE無線電信號都能夠接收，可選擇的頻寬搭配多重波段低雜信放大器(LNA)輸入結構，使GSM-EDGE信號能被視為是UMTS家用基站的一部分而加以監測。

整合式無線電收發器包含兩組完全整合的可編程頻率合成器，用以產生發射與接收本地振蕩器(LO)信號。其設計采用分數N型架構，以獲得低雜信與快速鎖定時間。所有必要的組件包括回路濾波器、壓控振蕩器(VCO)及電容等，都已針對發射與接收合成器加以完全整合，芯片內建的VCO，以高波段頻率的兩倍和低波段頻率的四倍運作，使在所需頻率上的VCO泄漏功率(Leakage Power)與VCO的調節范圍需求最小化，該VCO采用多波段結構，借以涵蓋廣大的作業頻率范圍，此設計包含頻率與振幅校正，以確保振蕩器能一直在優化的性能下運作。  

且振蕩器在200微秒(μs)的鎖相回路(PLL)鎖定時間中發生的可完全自主的校正功能，不需用戶的輸入，內建VCO輸出被送入經過調整的緩沖級，然后送至正交產生電路。經過調節的緩沖是用以確保最小電流及與LO相關的雜信會產生在VCO的傳輸中。正交產生器會生成高精確相位信號，用以驅動調變器與解調變器，此外，整合式無線電收發器已采取特殊的預防措施，借以提供在分頻雙工(FDD)系統的發射與接收鏈之間所需要的隔離功能。

接收器前端包含三組高性能單端LNA，使整合式無線電收發器能支持三波段應用設備。其中兩組適用于1,800M～2,170MHz的高波段選項，另外一組則適用于824M～960MHz的作業。級間RF濾波功能已完全整合，以確保外部波段外的阻斷器能在混頻器之前被適當的衰減，單端50歐姆(Ω)輸入結構使連接更為容易，同時也減少小尺寸單端雙工器所需要的匹配組件，組件的線性度并可確保具有大范圍SAW與陶瓷濾波雙工器的良好性能。 

整合式無線電收發器的高線性度的解調變器電路是用來將RF信號轉換成基帶同相及正交要素。兩組解調變器都包含在內，一組針對高波段LNA輸出優化；另一組則是針對低波段。高波段與低波段輸出會被加以結合，并直接送入基帶低通濾波器的第一級當中，而這會使最大阻斷信號在基帶放大之前遭到縮減。接收器的合成器提供從VCO分配系統驅動至混頻器的正交LO。可編程除法器使相同的VCO可被使用在高波段與低波段上，上述布局解調變器與VCO分配電路的設計，就能實現90o正交相位與振幅匹配。 

基帶部分包含經過分配的增益與濾波功能，是為以60dB增益控制范圍提供最大54dB的增益所設計。通過此設計，通帶漣波(Pass-band Ripple)、波群延遲(Group Delay)、信號損耗及功率消耗等都能維持在最小化。整合式無線電收發器中的濾波器校正是在生產程序中執行，這可產生較高的精確度與易使用性，有兩組可供選擇的第七階基帶濾波器可以使用，一組具有適用于WCDMA的1.92MHz截止點，另一組則具有適用于GSM的100kHz截止點。 

在WCDMA模式下，整合式無線電收發器能以分配于整個接收信號鏈的90dB增益控制范圍提供102dB的增益。RF前端包含30dB的控制范圍，其中18dB在LNA，12dB在混頻器跨導(Transconductance)。6dB下，兩組基帶主動式濾波器級都可提供18dB的增益控制范圍，這將會產生三組12dB，總共36dB的增益控制范圍。可變增益放大器(VGA)以1dB執行24dB的增益控制范圍，為簡化編程與確保接收器性能和動態范圍的優化，只針對總體所需接收增益加以編程即可，整合式無線電收發器將增益設定解碼，并將不同區塊間的增益予以自動分配。 

發射器使用直接轉換調變器，該轉換器具有高線性度及低雜信，不須使用外部發射SAW濾波器。針對I與Q通道的差動直流(DC)耦合基帶接口，能支持從1.05～1.4伏特(V)的寬廣范圍輸入共模電壓(VCM)，最大容許信號擺幅為550毫伏特峰值，相當于在I或Q任一通道上1.1Vp-p的差動范圍。基帶輸入的信號會在正交調變器之前以4MHz的截斷頻率通過一組第二階巴特威士(Butterworth)濾波器，借以抑制波段外的突波，收發器中的校正技術使I/ Q平衡與相位在所有的頻率和環境條件下得以維持，進而確保在所有條件下都能以良好的邊限，符合3GPP載波泄漏、誤差向量幅度(EVM)及ACLR的需求。整合式無線電收發器具有在190MHz偏移與-8dBm輸出功率下-163dBm/Hz的寬頻雜信層，同時又符合TS25.104需求，而其輸出與50Ω匹配，因而與功率放大器的連接能夠更為簡單。

混合信號前端基帶收發器須與無線電收發器ADC連接

廠商推出的混合信號前端基帶收發器(圖4)為適用于通信市場的整合式轉換器MxFE家族的成員，適合于低成本、高性能的Femtocell基站應用。該組件整合雙12位ADC及雙12位數位模擬轉換器(DAC)。該ADC已針對以50MSPS或更低的取樣予以優化，以200MHz速度運作的DAC中包含2×或4×的插補濾波器。

圖4 混合信號前端基帶收發器方塊圖

混合信號前端基帶收發器彈性化的雙向24位輸入/輸出(I/O)匯流排能適用于各種商用基帶特定應用積體電路(ASIC)或數位信號處理器(DSP)，在半雙工系統當中，其接口支持24位并行轉換或12位交錯式轉換；在全雙工系統當中，此接口支持12位交錯式ADC匯流排及12位交錯式DAC匯流排。對于FDD WCDMA，混合信號前端基帶收發器會同步運作發射與接收通道，此須使用全雙工模式，包括一組12位交錯式Rx(接收)資料匯流排及一組12位交錯式Tx(發射)資料匯流排。

DAC核心將12位資料轉換成兩組互補的差動電流輸出，并利用電阻器網絡將其送至混合信號前端基帶收發器(圖5)，其中RDC針對1.2伏特共模電壓被設定為120Ω；而RL則針對1Vp-p差動輸入擺幅被設定為63Ω。

圖5 介于整合式無線電收發器與混合信號前端基帶收發器間的簡單界面

混合信號前端基帶收發器的DAC包含可編程精密增益控制及DC偏移控制，可用來對I與Q通道之間的不匹配進行補償，借以抑制LO的饋通(Feedthrough)與改善EVM性能， 10位DC偏移控制能對任一差動接腳獨立提供達±12%的偏移，進而使任何系統偏移都能獲得校正。 

ADC輸入是由一組2kΩ差動輸入電阻與一組交換式電容器電路組成，此輸入可進行自我偏壓以達到中位供應電壓，或可對其加以編程，使能接受外部的DC偏壓。因此建議整合式無線電收發器接收基帶輸出可直接連接至混合信號前端基帶收發器的ADC輸入，而ADC輸入的全范圍位準為2Vp-p差動。

Femtocell基站倚賴精準時脈

Femtocell基站需要一組達±0.1ppm的精確參考時脈，以符合3GPP的規格。要執行這個非常精密時脈控制的方法已超出本文所討論的范圍，但仍然有一些可能性存在，其中包括通過監測接收器而使GSM大型蜂窩式基站同步化、全球衛星定位系統(GPS )同步化及IEEE 1588精密時序通信協定等，在某些例子當中，上述方法的組合可由Femtocell基站供應商實現，最后，參考時序控制電路將調節參考頻率源極。在廠商的評估用電路板上會使用這組26MHz的電壓控制溫度補償石英振蕩器(VCTCXO)作為整合式無線電收發器的參考。延遲鎖定回路(DLL)會產生19.2MHz的時脈，恰為3.84MHz WCDMA芯片時脈的倍數，這個19.2MHz的時脈會被用為混合信號前端基帶收發器的時脈輸入，且混合信號前端基帶收發器具有一組包含許多變數的多功能時脈設定組態。

ADC時脈速率、DAC時脈速率、PLL及插補器設定等都可由軟體控制，使功率對應性能的優化可符合需求。在建議的設定組態當中，PLL乘法器被設定為2×，PLL輸出頻率設定為38.4MHz；ADC則鎖定為此頻率的一半。在發射端，38.4MHz的PLL輸出被用來鎖定DAC，發射插補被設定為2×，借以抑制DAC的鏡像，且時脈頻率也可能會有其他組合。使用上述的時脈方案，Femtocell基站不需要任何經常會出現在大型蜂窩式基站內獨立的頻率轉換PLL，所有的頻率轉換功能都已經獲得整合，此有助于Femtocell基站符合市場所要求的價格點。

RF放大器還須符合低成本要求

針對RF功率級所挑選的放大器，必須是低成本、高性能、以磷化鎵銦制程所生產的寬頻線性放大器。放大器會將整合式無線電收發器的輸出予以線性放大，并且對RF雙工器與交換網絡中的損耗進行補償，兩組線性放大器中，一組包含了內部偏壓與匹配功能；另一組則需要外部匹配功能，并采用業界標準的塑膠材質SOT-23封裝方式，且兩組放大器都以5V軌直接運行，因此不需外部偏壓電路。

本文分析3G Femtocell系統功能區塊中各個關鍵組件的運作特性及所需的規格要求，包括采用直接轉換架構為基礎且具高整合度的無線電收發器，有助降低BOM，整合雙12位ADC及雙12位DAC的混合信號基帶收發器，適合于低成本、高性能的Femtocell基站應用，并可符合3GPP規格的精準參考時脈，以及寬頻線性RF放大器。

作者：Thomas Cameron/Peadar Forbes，ADI公司