直放站設計的原理與方法

1、直放站設計的原理與方法（網絡轉載，只供個人學習）直放站作為公司在網絡優(yōu)化方面的核心產品之一，其設計的重要性不言而喻。直放站的設計包括 很多方面，從核心的射頻性能和監(jiān)控參數，到產品的可靠性設計（EMC設計、降額設計、熱設計、 軟件可靠性和機械可靠性、環(huán)境可靠性等），再到產品的成本分析設計，無論哪一方面都將會影響到 產品的市場競爭力。在此，僅從其中最關鍵的一些因素上來分析直放站設計的原理與方法，以及在設 計中需要特別注意的一些地方。從在通信網絡中所起的作用來看，直放站的主要功能就是放大從基站（下行）和移動臺（上行） 接收過來的有用信號，并將放大后的信號經天線（或其它耦合方式）發(fā)送出去。通過這一方式

2、提高系 統(tǒng)基站的覆蓋能力。在這一放大過程中，要盡可能抑制隨有用信號一起接收進來的干擾信號，同時也 要避免產生新的干擾。也就是說，直放站的放大必須是有帶寬限制的，同時還要保證直放站的放大是 線性的。這是直放站很重要的兩個特點。帶寬的限制主要由雙工器和中頻濾波器來實現，而線性的要 求則對功率放大器的設計實現提出了很高的要求。另外，在實際的工程運用中，還要保證直放站的引 入不會給通信系統(tǒng)疊加更多的噪聲。這就產生了直放站另一類很重要的模塊一一低噪聲放大器。至此，可以看出直放站的基本模型中 已經包含了四類核心模塊：雙工器（限制帶寬）、低噪聲放大器（限制噪聲）、選頻（帶）模塊（中 頻濾波）和線性功率放大器

3、（線性放大）。了解了直放站的基本組成，再來看影響和決定直放站性能的那些基本參量，就比較容易理解接受 了。以WCDMA直放站為例，衡量直放站的無線指標主要有：標稱最大輸出功率；自動電平控制（ALC）；增益（最大增益、增益調節(jié)范圍、增益調節(jié)步長及誤差）；帶內波動；噪聲系數；頻率 誤差及頻率步進；傳輸時延；輸入/輸出駐波比；帶外增益；雜散（頻譜發(fā)射模板、雜散輻射）；調 制精度（誤差矢量幅度EVM、峰值碼域誤差PCDE）；輸入互調；輸出互調等。下面先簡單分析一 下這些指標主要都跟哪些模塊的哪些參數有關，然后再詳細說明各個指標的設計方法以及它們之間的 一些相互制衡的關系。標稱最大輸出功率主要由線性功放的

4、最大輸出功率和雙工器的插損決定，自動 電平控制通常取決于功放的功率控制環(huán)（低噪放也設計成有ALC功能，但一般不應作為整機的ALC 來使用）。增益的設計包含很多方面，直放站射頻通路上的所有組成單元都將影響到整體的增益。影 響增益帶內波動的因素有很多，除了射頻通路上各模塊的帶內波動外，各模塊端口之間的匹配以及模 塊的EMC性能也會有一定的影響。從級聯(lián)系統(tǒng)的噪聲系數計算公式來看，直放站的噪聲系數在一定 程度上只取決于低噪放模塊之前的鏈路損耗和低噪放的噪聲系數；但當低噪放的增益較低時，詵頻器 和功放的噪聲系數也會有很大的影響。頻率誤差主要由本振的參考晶振的頻率準確度和穩(wěn)定度決定， 而頻率步進則與本振鎖

5、相環(huán)的鑒相頻率有關。傳輸時延反映了中頻聲表濾波器的時延特性。輸入/輸 出駐波比跟雙工器的輸入/輸出駐波比、低噪放的輸入駐波比和線性功放的輸出駐波比有關。帶外增 益實際上是一個綜合的指標，它主要由帶內增益和選頻器的帶外抑制決定。影響雜散指標的因素很多， 頻譜發(fā)射模板主要取決于線性功放的ACPR值，而雜散輻射則跟很多參數有關，比如說本振的泄漏、 寄生雜譜、互調產物、諧波輻射等。影響調制精度指標的因素主要有頻率誤差和相位噪聲，系統(tǒng)的自 激（即使很微?。┮矔a生很大的影響。輸入互調指標對于選頻直放站來說，基本上由中頻聲表濾波器之前的電路的三階互調特性決定， 而后面電路的線性影響基本可以忽略；但對選帶直

6、放站來說，輸入互調指標由整個鏈路所有模塊的三 階互調（也可能是五階互調）特性共同決定。輸出互調主要跟功放的輸出端特性有關，在功放輸出端接有環(huán)行器或隔離器的情況下，輸出互調 指標很容易實現。從上面簡單的分析可以看到，有些指標相互之間是有關聯(lián)的，甚至在一定程度上還會相互制約。比如說，最大增益會影響帶外增益指標，頻率誤差會影響調制精度，噪聲系數也會影響到雜散（噪聲）。 下面會對其中幾個重要的指標進行詳細的分析以及相應設計方法的探討。直放站的標稱輸出功率設計直放站的設計首先要考慮運營商的需求。作為非消費類產品，直放站有很明確的目標客戶，因此 其設計在很大程度上可以算是量身定做。當然，這里指的只是產品的

7、性能規(guī)格，而在實現方式上仍然 可以很靈活。對于WCDMA直放站來說，其下行標稱輸出功率一般由運營商的需求指定，通?？煞譃槲⒐β省?小功率、中功率和大功率等幾個檔次。從目前主要的一些設備制造商的產品來看，功率等級主要包含 有50mW、200mW、2W、5W、10W和20W 等幾個級別。相應地需要設計不同功率等級的下 行線性功放。因此，直放站下行標稱輸出功率的設計實際上就是相應輸出功率等級的線性功放的設計。而WCDMA直放站上行標稱輸出功率的設計則主要由WCDMA的話務量決定。下面簡單分析一下WCDMA直放站上行輸出功率設計的原則。設WCDMA基站NodeB接收機BLER為10 3時Eb/No要求

8、為5dB，所以當基站下只有一個語音用戶時，用戶到基站的功率電平值PUE-NodeB為（為計算方便，未考慮其它干擾）：PUE-NodeB = KTB+NFNodeB+Eb/No- GP=-108+5+5-25=-123dBm其中：KTB為WCDMA系統(tǒng)的熱噪聲，3.84MHz時為-108dBm；NFNodeB為NodeB的噪聲系數，假定為5dB；GP為WCDMA系統(tǒng)的擴頻增益，當系統(tǒng)使用12.2kbps速率進行語音通信時，GP=Log （3.84M/12.2K） =25dB。即當基站只有一個語音用戶時終端UE的上行電平只要到達基站有-123dBm就可以滿足通信要求。如果直放站 到基站的綜合路徑損

9、耗為95dB，那么此時直放站的上行輸出功率為-123+95=-28dBm?，F在假 設一種極端的情況來看看WCDMA直放站的上行輸出功率，條件如下：基站導頻功率PCPICH （導頻功率占總功率按10%計）：33dBm直放站下行輸入導頻功率PCPICHREP：80dBm基站到直放站的綜合路徑損耗LNodeB-REP： 113dB直放站上/下行增益 GREP-UP/GREP-DN： 90dB/90dB無話務時直放站上行輸出功率PREP-UP （此時相當于直放站輸出自有上行熱噪聲NREP-UP）：PREP-UP =NREP-UP =KTB+NFREP-UP+GREP-UP= 108+5+90= 13d

10、Bm假設此時基站由于話務量較高且受到較大的外干擾，UE到達基站的功率電平PUE-NodeB要為-110dBm才能滿足Eb/No為5的要求，那么此時每用戶從直放站上行輸出電平PUE-REP要為：PUE-REP = PUE-NodeB +LNodeB-REP =-110+113 = 3dBm。假定施主基站是一個三載波基站，直放站覆蓋范圍內最多時有30個用戶進行通信，那么此時直放站上行總輸出功率電平PREP-UP/ 30為：PREP-UP/ 30 =NREP-UP + PUE-REP/ 30 = 10Log（1/101.3+30*100.3） = 18dBm而要使直放站達到18dBm的上行輸出功率需

11、同時滿足以下三個條件：1、直放站與基站的路徑損耗特別大；2、話務量特別大或受到較大的干擾；3、直放站覆蓋范圍內話務量也特別大。要同時達到這三個條件的概率非常小，因此，WCDMA直 放站的上行額定輸出功率做到20dBm就足夠任意類型WCDMA直放站的上行輸出要求了。2.直放站的增益設計直放站的增益通常設計成跟直放站到基站的路徑損耗相當的等級。當直放站覆蓋的區(qū)域下行輸入 功率特別?。粗狈耪镜交镜穆窂綋p耗特別大）的時候，直放站的增益不能變得很大，直放站的覆 蓋范圍將會縮小。而當直放站覆蓋的區(qū)域下行輸入功率較大時，直放站應該可以適當控制其增益，即 直放站要有增益調節(jié)的功能。從整機的角度來看，直放站

12、的增益設計也有諸多的限制。直放站的增益如果設計得過高，除了可 能會引起鏈路的不穩(wěn)定之外，對其它很多指標都會產生影響。首先，當直放站到基站的路徑損耗一定時，直放站的上行增益越高，直放站的噪聲對基站噪聲的 影響就越大。一個明顯的例子是，當直放站的上行增益跟直放站到基站的路徑損耗相等，直放站的噪 聲系數跟基站接收機的噪聲系數也相等時，直放站的熱噪聲疊加到基站輸入端將導致基站的熱噪聲被 抬高3dB。如果直放站的增益高于直放站到基站的路徑損耗，那么直放站熱噪聲的影響會更大。此外， 直放站增益過高會使直放站的輸出底噪很高，而導致直放站的雜散高于指標要求。另外，在上面也提 到了帶外增益指標是跟帶內增益有直接

13、聯(lián)系的，當帶外抑制一定時，帶內增益過高也會導致帶外增益 超出指標的要求。因此，直放站的增益設計并不是越高越好。當然，直放站的增益如果太低，那么實 際運用中很可能直放站不能滿功率輸出，這會導致直放站的覆蓋能力降低。所以，直放站的增益設計 必須結合多種因素綜合考慮。直放站的增益設計除了從整機角度考慮以外，還有很重要的一點是增益分配的問題，即如何把整 機的增益分配到各個模塊上面。上面提到直放站的射頻通路上有四類核心模塊，直放站的增益主要分 配到這幾個模塊上。對雙工器來說，其插損越小越好。因為無論其作為鏈路輸入還是作為鏈路輸出， 其插損小都會給直放站的設計帶來很大的便利。作為鏈路輸入，小的插損會帶來更

14、好的整機噪聲；而 作為鏈路輸出，小的插損會減輕線性功放輸出功率的壓力。選頻（帶）模塊通常會做成零增益或負增 益，這對選頻（帶）模塊來說并不難實現，而且對整機來說也是一個較好的方案。增益分配的關鍵在 低噪放和功放上面。從直放站整機噪聲的角度來考慮，低噪放的增益越高越有利；而從混頻器的線性 角度來考慮，低噪放的增益不能設計得太高。因為對于同樣的整機輸入功率，低噪放的增益越高，低 噪放的輸出功率就越大，也就意味著選頻模塊的輸入功率越大，位于選頻模塊輸入端的混頻器的線性 壓力就越大。從目前WCDMA直放站的設計來看，選頻模塊的下變頻器的線性是整機輸入互調指標 的瓶頸。因此，低噪放的增益設計必須根據整機噪聲指標和輸入互調指標來綜合考慮，選擇合理的分 配方案。基于實際的工程應用，直放站的增益要有可調節(jié)的功能。這個可調節(jié)實際上包含了兩個方面。一 個是自動調節(jié)，這就是自動電平控制。在直放站的輸入功率增大時，為了控