射频模拟前端在毫微微蜂窝基站中的应用

设想有一个设备能在家里提供高品质移动电话的接收功能，让用户只需要低廉的月费就可无限享受语音和资料的使用，Femtocell基站即可提供上述服务，甚至更多，而此放在家中或是办公室内可以改善区域无线覆盖范围的小巧无线设备，也将大幅改变无线基础建设的样貌。

图1所示为Femtocell基站的运作概念，传统的基站具有广大的区域覆盖范围，而Femtocell基站则是在一栋住宅的小型区域内提供无线涵盖范围。

图1 Femtocell基站运作概念图

Femtocell基站通过用户的宽频网际网络连线将移动通信流量路由至网络，以此方式使流量得以从无线电网络中转移出来，可改善网络的容量，同时减轻经营者的后置网络、电力及维护成本，也可让经营者对信号覆盖范围有限的家庭提供服务。在更换辅助用的Femtocell基站时，经营者会在客户的移动电话月租帐单中增加一笔额外的费用，当客户处于Femtocell基站区域中，所有的移动电话使用都会被涵盖在家庭帐单当中，客户可在家中无限制的使用语音与资料而不须负担大笔的月费帐单。邻近Femtocell基站的区域则能获得高品质的连线，又可一并减少移动电话的电池使用时间，且Femtocell基站克服来自基站的3G信号须穿透墙壁的限制，也实现移动电话资料服务的高速存取，如浏览网​​际网络、下载音乐及手机中的串流视频等。

低成本为Femtocell基站主要挑战

类似于无线区域网络(Wi-Fi)路由器的Femtocell基站，以获得认证的无线基础架构标准--全球移动电信系统(UMTS)和分码多重存取(CDMA)为基础。此架构与新兴的标准兼容，借着使用经营者专属的频谱提供有效率又强固的无线连接，与既有移动电话间的兼容性使连线对使用者透明化。不同于大型蜂窝网络在核心网络上具有总数高达数十或数百个基站，一组Femtocell基站的闸道须管理数千甚至上百万个Femtocell基站的节点。

Femtocell基站须能从基站以近似移动电话的成本提供所需的服务品质，这为无线电设计厂商带来颇大的挑战。Femtocell基站必须同时提供高品质的语音服务及EVDO与高速封包存取(HSPA)移动资料服务，且成本须仅能占大型蜂窝网络节点的一小部分。为克服这些挑战，Femtocell基站的设计须借助低成本生产技术及能使校正与测试时间最小化的高整合IC的优点。此外，Femtocell基站设置在家中，因此必须小巧、低成本，并可让使用者自行安装。以约100MW低功率发射的Femtocell基站为例，安装时须留意无线环境，以便减轻干扰的情况，同时符合调节方面的需要，而3G Femtocell基站须监测UMTS通道，以便侦测邻近的基站，同时还要监测全球移动系统(GSM)通道，借以在用户离开Femtocell基站区域时建立适合切换(Handover)的Femtocell基站。

射频前端整合/分离式设计各有优劣

Femtocell基站具备两种截然不同的功能，包括模拟式前端及基​​频处理器。本文所提的适用于3G Femtocell基站模拟前端能在发射电路中将数位资料流转换成射频(RF)信号；而在接收链中则反之。前端的设计牵涉整合度与性能之间的取舍，虽然分离式解决方案可经过特别设计提供最佳性能，但其所需成本对Femtocell基站而言，无法接受；相反的，完全整合型解决方案能提供最低的成本，但性能却可能不足。

图2中所示为针对能支持在UMTS波段1的区域型基站作业，以及在850MHz、900MHz、1,800MHz、1,900MHz与2,100MHz波段中监测信号所设计的Femtocell基站的高位准方块图。其中还有厂商推出的混合信号前端基带收发器、整合式无线电收发器与线性放大器、开关、滤波器，以及其他来自于适合Femtocell基站精巧高性能前端的相关支持电路，以下是关于各区块的说明。

图2 以厂商芯片组为基础的Femtocell基站模拟前端成品

• 发射端

在发射端，数位基带会传送一组12位并行资料流至混和信号前端组件，该组件会将其转换为模拟I/Q基带信号。基带信号会通过整合式无线电发射器转换成RF，再由线性放大器增益级放大，然后传送至双工器中。功率侦测器会监测RF输出。单刀六掷(SP6T)开关会选择将何组发射或接收监测链连接至单一天线，这组信号链在RF输出连接器上提供13dBm的输出功率，同时又能够符合第三代伙伴项目(3GPP )标准TS25.104中所定义的发射邻近通道信号泄漏比(ACLR)规格。

• 接收端

针对RF功率级所挑选的放大器，必须是低成本、高性能、以磷化镓铟制程所生产的宽频线性放大器。放大器会将整合式无线电收发器的输出予以线性放大，并且对RF双工器与交换网络中的损耗进行补偿，两组线性放大器中，一组包含了内部偏压与匹配功能；另一组则需要外部匹配功能，并采用业界标准的塑胶材质SOT-23封装方式，且两组放大器都以5V轨直接运行，因此不需外部偏压电路。

本文分析3G Femtocell系统功能区块中各个关键组件的运作特性及所需的规格要求，包括采用直接转换架构为基础且具高整合度的无线电收发器，有助降低BOM，整合双12位ADC及双12位DAC的混合信号基带收发器，适合于低成本、高性能的Femtocell基站应用，并可符合3GPP规格的精准参考时脉，以及宽频线性RF放大器。