無線解決方案正在成為移動設備的主要網絡接口，現(xiàn)在正在向消費和工業(yè)應用中的固定設備遷移。這些無線解決方案利用蜂窩，無線電話，Wi-Fi和WiMAX?頻段。歷史上，增加這些信道上的帶寬的方法涉及增加建立連接的基帶頻率。然而，今天，傳輸?shù)臄?shù)據量的增長速度超過了在新的開放頻譜上使用傳統(tǒng)設計技術所能處理的速度。因此，新系統(tǒng)正在從單輸入，單輸出（SISO）系統(tǒng)轉變?yōu)槎噍斎?，多輸出（MIMO）和多頻/協(xié)議連接選項。 MIMO的邏輯和規(guī)范已納入新標準;然而，它們通過在單一設計中要求多個RF放大器和收發(fā)器系統(tǒng)來推動系統(tǒng)復雜性。

什么是MIMO？

RF通信使用一組接收器和發(fā)送器來從一點到另一點發(fā)送數(shù)據。在清晰的頻譜區(qū)域，RF通信一直由SISO系統(tǒng)主導，SISO系統(tǒng)由一組天線和RF電路組成。

隨著數(shù)據速率和信號擁塞的增加，正在使用包括多個接收器和發(fā)射器的多天線配置。這些MIMO配置通過擴展天線的總發(fā)射功率來改善通信性能，以便實現(xiàn)增加頻譜效率的陣列增益和/或提高連接可靠性的分集增益。頻譜效率是每赫茲帶寬每秒比特數(shù)的度量;分集增益通過無線信號的衰落特性來測量，并反映信號通過載波介質和諸如墻壁等障礙物的衰減變化。圖1顯示了從SISO到MIMO的各種天線和發(fā)射器/接收器組合。

圖1：MIMO天線配置。

為了實現(xiàn)這些多天線系統(tǒng)，必須分割和修改數(shù)據和RF并通過單獨的路徑。 MIMO技術由三個核心部分組成：預編碼，空間復用和分集編碼。用于Wi-Fi，WiMAX和蜂窩系統(tǒng)的最常用方法是稱為MIMO-OFDMA（正交頻分多址）的方法。 OFDMA支持空間復用和分集編碼。

預編碼可以描述為多流波束成形的一種形式。通常，它被認為是發(fā)射機處發(fā)生的所有空間處理的集合。在單層波束形成中，從每個發(fā)射天線廣播相同的信號，其具有適當?shù)南辔缓驮鲆婕訖?，使得當信號功率到達接收器輸入時信號功率最大化。如果接收器具有多個天線，則發(fā)射波束成形不能同時最大化所有接收天線處的信號電平，因此執(zhí)行發(fā)送到多個流中的數(shù)據的預編碼。

Spatial Multiplexing使用MIMO天線配置并采用高速信號，然后將其分成多個低速信號流。然后，從相同頻率信道中的不同發(fā)射天線發(fā)送這些流中的每一個。當這些信號到達多個接收器天線時，每個接收器天線具有不同的空間特征，接收器可以將這些流分離成并行信道。可以使用的最大空間流數(shù)量由發(fā)送器或接收器路徑中最低數(shù)量的天線組定義。

分集編碼方法適用于傳輸?shù)膯蝹€流而不是多流方案。使用稱為空時編碼的技術對信號進行編碼。從具有完全或接近正交編碼的每個發(fā)送天線廣播信號。分集編碼使用多個天線路徑中的獨立衰落特性來增強信號分集。

集成解決方案

MIMO解決方案為目前沒有無線接口的設計增加了相當多的額外系統(tǒng)開銷和復雜性。對于首次添加連接的產品，可提供支持包括收發(fā)器在內的整個MIMO功能的集成解決方案。

這些集成系統(tǒng)的一個例子是Maxim Integrated Products的MAX2839。該SoC是一款完整的直接轉換，零中頻RF收發(fā)器，適用于2 GHz 802.16e MIMO移動WiMAX應用。該設備包含一個帶兩個接收器的發(fā)射器。為獲得高性能，接收器之間的隔離度大于40 dB。

圖2顯示了Maxim的MAX2839的框圖。 MAX2839集成了實現(xiàn)RF收發(fā)器功能，RF到基帶接收路徑和基帶到RF發(fā)送路徑所需的所有電路;它包括VCO，頻率合成器，晶體振蕩器和基帶/控制接口。本地振蕩器I/Q正交相位誤差可以在芯片中以大約0.125度的步長進行數(shù)字校正。寬帶射頻無線電解決方案只需要RF帶通濾波器，晶體，RF開關，PA，天線和一些無源器件。

圖2：Maxim的MAX2839 MIMO無線寬帶RF收發(fā)器（由Maxim Integrated Products提供）。

該設計通過為接收器和發(fā)送器提供可編程單片濾波器，無需外部SAW濾波器，適用于集成到設計中的所有2 GHz和802.16e配置文件。該設計支持高達2048 FFT OFDM，并實現(xiàn)3.5至20 MHz RF信道帶寬的可編程信道濾波器。這些RF功能由低功耗關閉模式控制控制，允許系統(tǒng)在移動應用中使用，以延長電池壽命。該芯片可以在2.7至3.6伏的電源上運行RF。

為了使系統(tǒng)作為收發(fā)器工作，它需要一個天線陣列。一系列多個表面貼裝天線，如Pulse Electronics的W3108（見圖3），將是一種典型的解決方案。這些調諧到特定頻率分配，例如2.4 GHz頻段，用于處理藍牙，802.11b/g，ZigBee?，2.4 GHz WLAN和Wi-Fi。對于MIMO配置，系統(tǒng)中的每個接收器和發(fā)射器都需要這些天線之一。它們提供1.5 dBi的增益，輸入阻抗為50歐姆。

圖3：Pulse Electronics的W3108表面貼裝天線（由Pulse Electronics提供）。

RF功率放大器雖然這些MIMO配置提供了更高的數(shù)據吞吐量，但它們并非沒有成本和復雜性。每個單獨的天線路徑 - 在發(fā)送側和接收側 - 需要功率放大器來驅動它并拾取RF信號。對于不僅在同一信道頻帶上具有多個信號路徑但支持多個頻帶的系統(tǒng)，系統(tǒng)中可能存在相當多的這些放大器。支持具有Bluetooth?和蜂窩頻段的802.11g/n無線的典型移動設備可能在系統(tǒng)中具有多達六個PA。有一個用于2.4 GHz G頻段，兩個用于5 GHz N頻段的MIMO，一個用于2.4 GHz藍牙，兩個用于蜂窩或WiMAX頻段的MIMO。由于這種信號分集和相關的通道隔離要求，這些功率放大器通常是表面貼裝封裝中的單個放大器，因此它們可以分布在設計的占位面積周圍。

選擇合適的放大器及其相關無源器件需要了解不同供應商提供的產品和工藝技術。 ADI公司和NXP Semiconductorsoutline等制造商的產品培訓模塊提供了區(qū)分其產品的關鍵細節(jié)。這些放大器適用于kHz至20 GHz頻譜的應用。

這些功率放大器由簡單的無源器件支持，主要濾波器位于獨立模塊中或與其他器件集成。圖4顯示了天線驅動器的典型應用，作為恩智浦BGA2771 MMIC RF放大器的應用。這些單天線配置傾向于用于具有短距離的MIMO應用中，并且當最小化功率是約束時。這些單放大器器件為系統(tǒng)提供大約21 dB的插入增益。對于更高增益的應用，這些器件可以在驅動天線之前級聯(lián)。除最終級功率輸出應用外，單個放大器還可用于IF和后混合寬帶應用。

圖4：恩智浦BGA2771 MMIC射頻放大器應用（由NXP Semiconductors提供）。

對于發(fā)射器和接收器之間可能存在高噪聲或過度衰落的配置，通常使用多級放大器。多級放大器的例子有Microchip Technology的SST12LP08和Skyworks Solutions的SE2609L。 Microchip放大器是一款兩級器件，可在2.4 GHz頻段內提供約30 dB的增益（見圖5）。為了實現(xiàn)溫度穩(wěn)定性和高效率，該器件具有溫度和負載不敏感的片上功率檢測器，為每個放大器和偏置發(fā)生器提供獨立的電源。這種組合的最終結果是功能802.11g OFDM鄰信道功率比（ACPR）高達23.5 dBm，在-40°C至+ 85°C范圍內增益變化約為-2.5 dB。

圖5：Microchip的SST12LP08高增益放大器框圖（由Microchip Technology提供）。

與Microchip部分類似，Skyworks放大器（見圖6）也是一個帶功率檢測器的多級設計。該設計使用三個階段而不是兩個階段，并在2.4 GHz頻段提供28 dB增益。對于802.11g應用，該器件支持3.3和5.0伏操作以及54 Mbps的OFDM。多級設計允許器件提供輸出功率的閉環(huán)監(jiān)控，從而可以最大限度地減少驅動器對多個通道的不匹配。

圖6：Skyworks的SE2609L功率放大器功率檢測器（由Skyworks Solutions提供）。

電源標準

成功實施MIMO設計的關鍵之一是最大限度地降低噪聲并隔離電源的信號耦合。通過天線連接和放大器/混頻器模塊的接地回路和共用接地可以減少通道間隔離，從而增加信號衰落。重要的是為每個設備使用單獨的接地，并為相鄰的MIMO信號流使用單獨的接地層。在RF以接近驅動無線連接的數(shù)字邏輯的操作時鐘的信道頻率運行的情況下，數(shù)字設備應該參考單獨的地平面。

對于電源側，通過使用單獨的穩(wěn)壓器或多輸出電源管理控制器來保持信號隔離也很重要。這些器件，例如用于單電池系統(tǒng)的Maxim的MAX8663電源管理控制器，可以在這些MIMO設計中支持大量獨立的電源路徑。圖7顯示了MAX8663的框圖。它專為智能手機，PDA，互聯(lián)網設備和其他便攜式設備而設計，集成了兩個同步降壓調節(jié)器，一個可驅動兩到七個LED的升壓調節(jié)器和四個低壓差線性穩(wěn)壓器（LDO）。該器件還具有用于單節(jié)鋰離子電池的線性充電器。為了幫助管理系統(tǒng)功能，它集成了一個熱限制電路，用于電池充電和峰值負載，以防止過熱。在低功耗模式下，它可以將來自外部電源的剩余電量引導至電池充電功能。

圖7：Maxim的MAX8663多輸出功率控制器（由Maxim Integrated Products提供）。

多個單設備調節(jié)輸出是MIMO應用的主要優(yōu)勢，可為所有數(shù)據流提供一致且可靠的功率。這有助于平衡流到流和相鄰信道不匹配，因為一條路徑不會壓倒并超出其他流。