模拟向数字域转移可大幅降低成本

2006-01-01 23:53:11来源: 电子系统设计

  在讨论将模拟与RF集成到数字系统级芯片(SoC)中时,前两者通常是最重要的因素。不过,数字处理技术的发展正在改变这种情况。在过去几年中,通过将资源和操作转移到数字域,设计人员一直在努力设计更简单的模拟与RF系统,尤其是在无线基站设计方面。

  在无线领域,从窄带1G系统(例如AMPS可为每个用户分配30 kHz带宽)向2G(GSM在8个TDMA时隙间共用200 kHz带宽)及3G系统(在多个对话间共用5 MHz带宽)过渡的过程中,通过将滤波、信道选择与处理功能转移到数字信号处理器(DSP),逐渐减少了对模拟滤波器的需求。在过去,这种改变是不可行的,但每Mips成本的持续下降已使其变得相当经济。

  DSP性能的提高有助于模拟部分,反之亦然。例如,更高的调制可使模拟设计更灵敏,这反过来又有助于数字处理。

  W-CDMA所要求的DSP性能大约为GSM的100倍。因此,采用GSM并支持64个用户的设计将需要8个收发器单元,亦即要有8个独立的功放、8个用于邻近信道抑制的昂贵的模拟滤波器组、8个独立的中频(IF)及RF频带以及8个独立的数据转换器。相反,要完成同样任务,W-CDMA只需一个RF系统,从而能大大降低成本。所有分立功能及信道化均以数字方式完成。

图1:模拟功能向数字域转移极大地降
低了从AMPS到GSM再到3G的每信道成本。

  满负载基站信道的成本如图所示。在早年,GSM相对更便宜,部分原因是模拟器件的成本比数字器件低。但后来摩尔定律导致DSP成本下降,从而压低了3G成本。而2G就没有这么幸运,因为模拟器件的成本下降缓慢。其结果是,3G的“每厄兰(Erlang,占线小时)成本”远低于2G。这就是3G技术之所以将取得成功的一个主要原因。新服务当然不错,但语音通信效率的提高及成本削减才是真正的“杀手级应用”。

  尽管开发商正在制定新标准以利用3G的优势,但也可将其应用到旧标准上。例如,虽然GSM本质上是一种窄带协议,但也可以用宽带方法来部署多信道系统,即使用一个宽带模数转换器(ADC)及数模转换器(DAC)、一个单独的RF以及一个多信道功放(MCPA)将多个信道合并到一个信道中。然后,在多信道转换器与独立的每信道信号处理之间,用一个数字滤波器级来分割信道。

  这意味着,对于数量有限的无线协议来说,采用专用的、优化的逻辑是最有效的。不过,随着标准数量的增加,灵活的架构将更经济。换言之,对于一种或两种不同的协议,全数字化方法的成本可能会超过“更有效的”专用及部分模拟系统;但如果想要支持更多的模式(譬如W-CDMA、GSM、蓝牙及WiFi等),那么具有一定程度的可编程性将更为有效。

  最终,手持设备可能要支持大约14个空中接口,包括不同类型的2G 与3G、不同的无线局域网标准、蓝牙、GPS以及Wi-Max等。

  除了确保多模性能外,另一个争论点在于采用灵活的数字部分:新标准不是固定不变的。确实,设计复杂性的提高意味着标准在迅速改变。在W-CDMA领域,仅仅4年的时间,就出现了4个不同版本的标准。我们已经看到了99预先版(例如 FOMA)、99正式版、版本4以及明年将开发的、带有极重要的高速下行分组接入(HSDPA)的版本5。

  同样,在WiFi领域,我们已经看到了802.11b、.11g以及不久将出台的.11n(这些全都与媒体存取控制层的变化相关)。因此,业界需要开发一种更为经济高效的架构,但它要能提供合理的生命周期,这意味着灵活性以及升级能力。

  诸如W-CDMA及正交频分复用(OFDM)等更新的技术拥有几种共同的特性。首先,它们将功能从数字转换到模拟;其次,对更高性能及带宽效率的需求会增加调制的复杂性。结果,这些协议比前代的恒定包络更接近于高斯分布。这是由于调制深度的增加(从QPSK 到16 QAM或以上),以及使用多音调制或CDMA的缘故。不过,我们也需为此付出一些代价:尽管带宽效率提高,但功率效率却有所下降。

  对于GSM及蓝牙等简单的技术,用一个功放(PA)就能获得40%的效率。尽管对于复杂技术,则需要有一个线性度非常好的功放(因为复杂调制需要低失真度)。为获得高线性度,必须让功放低效运作。

  这种情况会由于高峰均比而变得更糟,因为它要求将PA“后移”,以使其总处于线性范围内,从而浪费更多的效率。实际上,你要在发射效率(每单元每赫兹每秒发射更多比特位,可以实现更少的基站和更高的速率)与电路效率(消耗更多的热量及功率)之间进行权衡。

  在3G领域,这个效率可能低至3%,例如一个20W功放要消耗700W热能。发热会引起故障,因此需要有空调装置,所以你还要为实际上并不想用的电能支付费用。

  传统上,可用模拟技术解决这个问题。采用极为精细的工艺制造出的、并经过非常仔细匹配的超精密晶体管可以改进器件的线性度。

  近来,数字预矫正(DPD)技术被用来取代这些低效技术,可将效率提高20%以上。这种技术允许PA是非线性的,因此它能更有效地工作并更接近非线性,但这需要增加DSP资源,以对非线性度进行建模、预测和求逆。事实上,即使故意输入“错误”信号,非线性也会使它一直输出所期望的结果。

  因此,我们可以采用数字技术和DSP来取代模拟部分,从而降低成本。

关键字:无线  基站  信号处理  滤波器  收发器  频带  通道

编辑:汤宏琳 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/news/analog/200601/article_21147.html
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