未來發射器需求的驅動因素

對於架設無線基地台來說，成本效益往往是主要的驅動因素，其收發器架構更是如此。另一方面，彈性平台可因應各種無線傳輸介面與頻寬的需求，並提升訊號頻寬和載波密度的容量、以及智慧型天線系統的效能。

需符合成本效益

成本因素是發射器（Tx）建置的首要考量，其目的不只是單純地降低元件成本，同時也要降低整體解決方案的成本，這包括主動式訊號鏈元件、被動式訊號鏈元件、濾波器與 本地振盪器（LO）生成合成器，以及電路板空間與更重要的電源功耗。

其中一個顯著的例子是把外差式發射架構（如圖一所示）()轉換為直接升頻轉換架構（如圖二所示），其中外差式發射架構分為兩個中間頻率（IF）階段，直接升頻轉換架構亦稱為零中頻轉換，其中的正交調變器會將同相及正交訊號直接調變為無線射頻載波。

《圖一　雙重IF外差式發射器示意圖》

《圖二　直接升頻轉換發射器示意圖》

擴充頻率範圍

由於新的無線傳輸介面標準不斷問世，如今有許多不同的無線標準同時並行，如圖三所示。其中的基本要求是能夠支援傳統頻段之外的擴充頻段，這將同時涵蓋高頻，包括UMTS LTE的BTS發射器所適用的2.62～ 2.69GHz頻段、以及WiMAX適用的2.3～2.7GHz和3.3～3.8GHz頻段；還有包括GSM與UMTS常用的450MHz低頻頻段兩方面。

《圖三　無線標準演變並行示意圖》

彈性平台與頻率靈活度

因此，為迅速回應市場需求，廠商透過開發彈性平台進一步強化市場差異性的競爭力。這類平台以共通設計為基礎，可迅速調整以掌握短期的市場商機，進而能夠讓準備期和庫存水平達到最佳狀態。

擴充頻寬需求

由於高頻寬市場應用需求愈來愈大，鋪設WCDMA網路的範圍也越來越廣，同時HSDPA與WiMAX等高容量資料服務也同時出現，20MHz以上的訊號頻寬越來越普及。因此數位預失真（digital pre-distortion；DPD）演算法提升功率放大器與整體系統效率的設計，也加重無線發射器的頻寬需求。因為若要建置有效的 DPD演算法，必須偵測出功率放大器非線性運作產生的第三及第五階諧波，因此，先進收發器架構必須支援100MHz的擴充頻寬，如圖四所示。

《圖四　標示第三及第五階諧波的PA輸出頻譜示意圖》

頻道密度及智慧型天線系統

在無線基地台標準配置中，一般可支援三個分別使用不同收發板的區段。由於收發器體積縮小以及為提升多重輸入多重輸出（MIMO）天線配置的系統效能，因此能在相同的實體空間中裝入更多的收發器為佳，如圖五所示。將晶片裝入 QFN及BGA等微型化的封裝元件、垂直整合多重頻道元件以及水平整合單一訊號鏈多項功能等訊號路徑整合設計，就成為不斷追求的目標。

《圖五　智慧型天線發射器架構示意圖》

先進架構可滿足需求

為滿足上述需求，零中頻或稱直接升頻轉換發射器架構是其解決之道，此架構所需元件數非常低，可精簡體積，降低整體系統成本，耗電量也可大幅減少。此架構可應用於下列重要元件：

《圖六　彈性直接升頻轉換發射器架構示意圖》

設計這些個別元件的目的是提供最佳的整體解決方案，相較於大型外差式架構，其能夠顯著節省空間、耗電量與成本。

直接轉換調變器

在直接轉換架構中，調變器的輸出頻率範圍會直接決定可支援的訊號頻段。因此，寬廣的無線射頻頻率範圍便相當重要。調變器輸出頻率的運作範圍可介於400MHz～4GHz之間，基本上涵蓋所有重要的無線頻率頻段，包括 GSM450、GSM900、DCS1800/PCS1900、UMTS頻段I～VII（介於BTS發射器適用的869MHz～2690MHz之間）以及介於2.3～2.7GHz之間與介於3.3～3.8GHz之間的WiMAX頻段。

與DAC的免黏接（Glueless）被動式介面

為達到最低元件數的目標，並避免使用可能降低效能的緩衝放大器，I/Q調變器的共模輸入電壓範圍，必須符合DAC的共模輸出範圍，簡單的被動式網路便足以耦合裝置。

寬頻運作以及線性、載波與旁帶抑制

以寬頻訊號及跨越寬頻訊號頻段操作的系統，會要求重要效能參數以維持效能，例如載波與旁帶抑制（如表一所示）以及整體運作頻率範圍的調變器線性 。

《表一　I/Q調變器載波與旁帶抑制及輸出功率》

具備整合式數位功能的彈性內插 DAC

為進一步延伸彈性概念，此架構中使用的數位類比轉換器（DAC）可採用已整合完整數位功能的雙通道裝置。這不僅能夠簡化系統設計，而且適合更精簡的建置，包括升頻取樣的內插法濾波器。

使用內插法時從輸入時脈發出輸出取樣時脈的時脈加法器 PLL、可產生數位IF頻率的數值控制震盪器（NCO）與數位混頻器、從I及Q輸入頻道產生調變輸出的數位正交調變器，以及可修正外部數位正交調變器I/Q不平衡狀態的I及Q頻道增益、相位與偏移等必要修正功能。圖七中的示意圖說明功能區塊與其中的配置。

《圖七　內插DAC功能示意圖》

DAC輸出至調變器IF的概念

選擇DAC輸出介面時，有三種可能的配置：

各個模式都有各自優點，其中的複合IF配置完全運用DAC的數位功能。由於調變器的LO頻率已移出訊號頻帶，因此以複合IF模式運作DAC可大幅度改善LO抑制成效。此外，與類比I/Q調變器搭配使用時，能夠執行單一旁帶升頻轉換，提升非必要旁帶的抑制。在I及Q輸入頻道執行複合混頻，會在兩個DAC輸出產生兩個希伯特轉換組，而當這些轉換組進入調變器時，會顯著抑制其中一個旁帶（如圖八顯示上方旁帶升頻轉換），因此能減少濾波及校正的需求，並且簡化製造程序並降低相關成本。

《圖八　DAC及調變器的單一旁帶升頻轉換模式》

另外，此架構已整合同步處理多重發射DAC的功能，因此相當適用於全新的智慧型天線或MIMO架構；這類架構不僅使用多重發射器進行波束成形（beamforming）以提升效能，而且需要密切維持各個發射鏈之間的相位關係。

可程式化整合式LO合成器

另一個直接影響頻率靈活度的部分是LO合成器。這必須至少支援一個運作頻段的完整頻率範圍，才能以較簡便的方式轉換為其他頻段。整合式VCO/PLL合成器即可支援相關需求，同時顯著減少所需的系統成本與電路板空間，並符合相位雜訊及散訊（spurious signal）方面的嚴格要求。

《圖九　整合式VCO/PLL示意圖》

可調性

為減少合成器差異，並簡化多種頻率版本收發板的庫存供應，合成器必須至少支援完整的運作頻率頻段，例如BTS發射所用介於2110～2170MHz之間的UMTS band I。

《表二　個別合成器裝置的頻率範圍》

此外，換用頻率範圍不同但接腳相容的其他裝置，即可轉換為其他頻率頻帶。表二中6個可用的合成器完全涵蓋介於1500～2404MHz之間的頻率範圍，搭配使用可用的/2及/4輸出分配器模式後，即可延伸為375～2404MHz。

結語：展現效能

以上所述的創新建置方式明顯能夠大幅度節省系統成本、空間和耗電量，在許多可能的應用中，這裡選擇具代表性的3載波WCDMA訊號測試為例，也就是以122.8MHz的複合IF輸出所運作的DAC輸出至調變器的狀況。

《圖十　WCDMA 3載波測試案例的發射輸出頻譜和ACPR示意圖》

這裡可分別發現優於66dBc@5MHz偏移及優於68dBc@10MHz偏移的ACPR（亦即相鄰頻道功率比，為發射器效能的重要測量依據），因此即可斷定能夠將此一彈性高度整合式直接升頻轉換發射器架構的優點，與基地台基礎設備建置所需的效能相互結合。

＜參考資料：

[1] 3GPP TS 25.101 version 7.3.0 Release 7

[2] New Breed of Low-Noise Integrated VCO/PLL RF-Synthesizers Suits Wireless Infrastructure, Matthias Feulner, Texas Instruments

[3] TRF3703 I/Q modulator data sheet http://focus.ti.com/docs/prod/folders/print/trf3703.html

[4] DAC5687 interpolating DAC data sheet http://focus.ti.com/docs/prod/folders/print/dac5687.html

[5] TRF3761 integrated VCO/PLL data sheet http://focus.ti.com/lit/ds/symlink/trf3761-a.pdf

[6] CDCM7005 clock synthesizer data sheet http://focus.ti.com/docs/prod/folders/print/cdcm7005.html＞