MIMO RF前端模块及RF设计的技术挑战

对现有的无线局域网 (WLAN) 设备和芯片组制造商而言，最近获批准的802.11n 标准草案可谓一个新市场的催生力量。当这一标准完全制订时，这些企业的大量无线互联网存取产品将能达到更好的性能，并开创一个全新的音频和视频发送 (distribution) 市场。然而，多输入多输出 (multiple input and multiple output, MIMO) 射频能力的实现，与目前产品尺寸不断缩小、功耗及成本日益降低的趋势是背道而驰的。本文将讨论设计RF MIMO解决方案时所遇到的挑战；总结关键的性能指针，并阐释 MIMO 前端模块如何帮助产品开发商解决这些设计难题。

802.11n的优势

与现有的无线数据标准比较，802.11n具有多项优势。802.11n的数据传输率为200 到 400 Mbps，能提供一条足够宽的数据信道，实现家居联网和下载，以及媒体内容发送 (media distribution)。此外，该标准还有两项优点 (虽然两者往往因为速度更高这一优势而为人所忽略)，就是其频率范围比现有802.11a/b/g 标准的增大了 20% 到 30%，并具有对 802.11a/b/g 的后向兼容性。后向兼容性能让使用者在家居、办公室和旅途应用 (虽然数据传输率和频率范围可能比完整 MIMO 解决方案的小) 中使用相同的设备。802.11n客户卡 (client card) 于所有的可能情况下都会使用802.11n；而在现有热点 (hotspot) 则退回到802.11a/b/g标准。与其它的竞争方案相比，802.11n最终的优胜之处是它使用和 802 a/b/g 标准相同的频谱，都是2.4 和 5 GHz 。这就让制造商能够充分享受现有工艺技术、组件和供应商所带来的规模经济效益 (economies of scales)，使高速网络的费用更为低廉。

RF设计的技术挑战

分配式误差向量幅度 (Error Vector Magnitude, EVM) 对总吞吐量和性能是非常重要的。一个完整的前端模块在额定输出功率下应该具有小于3% (-30 dB) 的分配式 EVM (contributed EVM)。在MIMO中，则要求更好的线性度。为什么呢？因为要抽取信道模型，您需要有一个非常好的发射器。如果用作信道模型抽取的发射器的EVM很差，那么 MIMO 的性能便会大打折扣。不过，单凭 EVM 标准尚不足够。前端模块的 EVM 特性应该尽可能接近如图 1a 所示的指数曲线，而不是像图1b 那样有一个“最佳点”(sweet spot)。图 1b 中的特性曲线有一个 1 或 2 dB的最佳点，功率放大器 (PA) 必须在这个点上工作，提供规定性能。在最佳点以上或以下，工作前端模块都会产生额外的 EVM，并降低吞吐量。这里主要的问题在于此最佳点会随工艺、电压、匹配电路以及温度而漂移，因此 EVM的分配会增大，而吞吐量则下降。具有这类性能的前端模块将很难应用在需要保证最低性能标准的产品中。

 

此外，当不同地区对于输出功率限制有不同的条例标准时，一个具有指数EVM特性的前端模块就可以让您在全球各地使用相同的设计。在设计时以用于输出功率最高的地区为目标，而当该设计用于其它地区时，其性能便可以提高。不过，对具有图1b所示 EVM 特性的前端模块而言，情况却并非如此。

对于 MIMO 来说，指数 EVM 特性提供了类似的优势。某些条例机构把这一功率定义为所有天线的总功率。所以，即使前端模块能够为每条天线提供较大的输出功率，但输出功率也可能需要补偿 3-6 dB以符合条例要求。然而在同样的产品中，如果使用原有 802.11 a/b/g 标准的单一天线时，使用者都希望能以最高的输出功率进行发射。如上所讨论，在不同功率级之下以图 1b 中特性工作将引起性能下降。

外形尺寸

随着标准化产品尺寸日渐缩小，无线标准也变得越来越复杂，并要求具有更多的电路和更高的功耗，这实实在在地为 RF 设计人员带来了极端的挑战。

最新外形尺寸的 PCIE 迷你卡，只有目前占WLAN市场主导地位的迷你PCI卡大小的一半。迷你PCI 卡广泛应用于笔记本计算机、个人计算机和接入点。这些现有设计只使用了一个 RF 发射链路和一个RF接收链路；但 MIMO 802.11n 应用却需要两个 RF 发射链路和两个 RF 接收链路，如图2所示。考虑到组件的数量，加上为了生产需要而设立的禁止布线区域 (keep out areas)，若要在PCIE 迷你卡的尺寸上实现这些电路实在极富挑战性。然而，这正是 MIMO 前端模块的真正优势所在：经过全面测试的单一 RF解决方案，集成了从收发器输出到天线所需的全部电路。