【無線射頻通信】-WCDMA發(fā)射機設(shè)計原理及Maxim WCDMA設(shè)計參考

----宋停云與您分享--------宋停云與您分享----WCDMA發(fā)射機設(shè)計原理及MaximWCDMA設(shè)計參考本文爭論了移動通信向第三代(3G)標(biāo)準(zhǔn)的演化與進展，給出了范圍廣泛的3G放射機關(guān)鍵技術(shù)與規(guī)范要求的概述。文章供應(yīng)了頻分復(fù)用(FDD)寬帶碼分多址(WCDMA)系統(tǒng)放射機的設(shè)計和測得的性能數(shù)據(jù)，以Maxim現(xiàn)有的放射機IC進行展現(xiàn)和說明。

移動技術(shù)的進展：邁向3G

第一代（1G）電話是基于許多種類似但互不兼容的技術(shù)的模擬蜂窩設(shè)備。它們供應(yīng)的服務(wù)范圍很有限，主要依靠固定電話網(wǎng)絡(luò)供應(yīng)服務(wù)。

其次代（2G）電話采納TDMA或CDMA技術(shù)，使用直接調(diào)制到放射載波的數(shù)字信道。其結(jié)果―更高的頻譜效率―使信號質(zhì)量、平安、實際數(shù)據(jù)服務(wù)量和國際漫游幾個方面的價值都得到提升。

第三代（3G）終端的目標(biāo)是供應(yīng)全球無縫移動性，同時與部分接入技術(shù)實現(xiàn)全球兼容，如無線本地環(huán)路、蜂窩、無繩和衛(wèi)星系統(tǒng)。實現(xiàn)終端全球無縫移動性的一個技術(shù)上的挑戰(zhàn)和困難在于實現(xiàn)全球統(tǒng)一的頻率規(guī)劃。在世界上的每一個地區(qū)，至少有部分必需的頻譜已經(jīng)被安排給其他的無線服務(wù)。

3G的誕生

1992年，世界無線電會議（WRC）在2GHz四周安排了一個頻段，隨后，國際電信聯(lián)盟無線通信部（ITU-R）開頭著手定義一份3G系統(tǒng)的要求清單，為滿意這些要求提出了很多技術(shù)：包括WCDMA、OFDM、TDSCDMA和ODMA。

一個叫做第三代合作伙伴項目（3GPP）的技術(shù)實體被指定分析這些提議的技術(shù)。這項工作的結(jié)果是，WCDMA成為了3G系統(tǒng)最傾向于采納的技術(shù)。3GPP曾經(jīng)寫過一個技術(shù)規(guī)范，其中的25.101章包括了WCDMA移動終端RF硬件部分的核心性能要求。3GPP還定義了WCDMA終端兩種可選擇的工作模式：

頻分復(fù)用模式[FDD]：

物理信道由兩個參數(shù)確定：RF信道號和信道碼

適合快速移動應(yīng)用

上行和下行鏈路在頻域分開

下行鏈路比上行鏈路容量大

上行和下行鏈路都是100%的占空比時分復(fù)用模式[TDD]：

物理信道由三個參數(shù)確定：RF信道號、信道碼和時隙

適合室內(nèi)或慢速移動應(yīng)用

上行和下行鏈路具有相像的容量并占用相同的信道

上行和下行鏈路都有DTxDTX（不連續(xù)傳輸）是一種用于優(yōu)化無線語音通信系統(tǒng)效率的方法，這種方法在沒有語音輸入的時候隨時的關(guān)閉移動或便攜式電話。典型的2路通話中，每一方說話的時間都略小于總時間的一半，所以假如放射機只在存在語音輸入的時候打開，電話工作的占空比就可以小于50%.這種狀況能夠節(jié)省電池能量、減輕放射機元件的工作負(fù)擔(dān)、使信道更加空閑，允許系統(tǒng)利用空閑帶寬與其它信號共享信道。DTX利用語音活動檢測（VAD）電路工作，在無線放射機中有時稱作工作語音傳輸（VOX）。

3GPP還規(guī)范了FDD終端使用僅60MHz帶寬，雙工間隔為190MHz：2110MHz-2170MHz用于移動RX,，1920MHz-1980MHz用于移動TX。

CDMA原理

在爭論WCDMA放射機之前，本部分對CDMA的原理進行簡潔的概述。CDMA系統(tǒng)使用的信號擴展方式為“直接序列”擴展方式。為了擴展信號，CDMA系統(tǒng)用一個獨特的、稱作擴展碼的編碼乘以未調(diào)制的基帶數(shù)據(jù)，編碼中含有肯定數(shù)量的碼片。

CDMA原理

在爭論WCDMA放射機之前，本部分對CDMA的原理進行簡潔的概述。CDMA系統(tǒng)使用的信號擴展方式為“直接序列”擴展方式。為了擴展信號，CDMA系統(tǒng)用一個獨特的、稱作擴展碼的編碼乘以未調(diào)制的基帶數(shù)據(jù)，編碼中含有肯定數(shù)量的碼片。

產(chǎn)生的擴展數(shù)據(jù)被調(diào)制到載波上用于放射，被調(diào)制的載波帶寬受擴頻編碼碼片速率的直接影響。WCDMA使用3.84MHz的碼片速率，產(chǎn)生帶寬很寬的放射頻譜，因此使用“寬帶”一詞。

為了提取原始信息，CDMA接收機解調(diào)信息載波并使用相關(guān)器（帶有原始放射機擴頻碼）重新生成（解擴）想要的信號。被提取的數(shù)據(jù)通過一個窄帶的帶通濾波器后依據(jù)需要進行進一步處理。

3GWCDMA放射機規(guī)范要求

3GPP規(guī)范的25.101章（在上文中提到過）包括了FDD3G移動終端Rx/Tx的電氣規(guī)范要求。在爭論WCDMA放射機的要求之前，這部分將描述幾個關(guān)鍵的放射機參數(shù)以及它們在放射機設(shè)計中的重要性。

鄰近信道功率比[ACPR]：ACPR度量了干擾或者說是相鄰頻率信道功率的大小。通常定義為相鄰頻道（或偏移）內(nèi)平均功率與放射信號頻道內(nèi)的平均功率之比，ACPR描述了由于放射機硬件非線性造成的失真大小。

ACPR對于WCDMA放射機來說是至關(guān)重要的，由于CDMA調(diào)制在調(diào)制載波中產(chǎn)生緊密相鄰的頻譜成分。這些成分的互調(diào)制導(dǎo)致中心載波兩側(cè)頻譜的再生，放射機的非線性將使這些頻譜再生成分進入相鄰信道。

誤差向量幅度[EVM]：誤差向量（包括幅度和相位的失量）是在一個給定時刻抱負(fù)無誤差基準(zhǔn)信號與實際放射信號的向量差。由于在每個符號變化時它也在不斷的變化，這個新的參數(shù)（EVM）定義為誤差向量在一段時間內(nèi)的RMS值。

EVM對于WCDMA放射機性能也是非常重要的，由于它表示了放射信號的調(diào)制質(zhì)量。大EVM值將導(dǎo)致糟糕的檢測精度，從而降低收發(fā)機的性能。

頻率誤差：規(guī)定的載波頻率和實際載波頻率之差。由于引起鄰信道干擾和低質(zhì)量檢測精度，大的頻率誤差降低了收發(fā)機的性能。

雜散和諧波：雜散是放射機中不同的信號組合產(chǎn)生的信號，諧波是放射機的非線性特性產(chǎn)生的失真產(chǎn)物。諧波產(chǎn)生在放射信號頻率的整數(shù)倍頻率上。

定義了一些關(guān)鍵的放射機參數(shù)以后，我們現(xiàn)在列出了規(guī)范和設(shè)計3GWCDMA放射機終端的一些重要的要求。（表1）

表1.3GPP放射機規(guī)范要求

Parameter3GPPSpecificationReference

RFfrequencyrange1920-1980MHz25.101[5.2]

ChannelspacingNominally5MHz

Chiprate3.84Mcps

Maximumoutputpower24dBm+1/-3dB[powerclass3]25.101[6.2]

Minimumoutputpower-50dBm25.101[6.4.3.1]

Transmitoffpower＜-56dBm25.101[6.5.1.1]

Adjacentchannelleakagepower＞-33dBc[ifadjacentchannelpoweris＞-50dBm]25.101[6.6.2.2.1]

Alternatechannelleakagepower＞-43dBc25.101[6.6.2.2.1]

FrequencyerrorWithin+/-0.1ppm25.101[6.3]

Transmitintermodulation＞-31dBc[@5MHzoffset]

＞-41dBc[@10MHzoffset]

25.101[6.7.1]

ErrorVectormagnitude＜17.5%25.101[6.8.2.1]

Spuriousemissions100kHzRBW-67dBm;925＜f＜935MHz25.101[6.6.3.1]

-79dBm;935＜f＜960MHz

-71dBm;1805＜f＜1880MHz

-36dBm;30＜f＜1000MHz

300KHzRBW-41dBm;1893.5=f=1919.6MHz

1MHzRBW-30dBm;1GHz=f=12.75GHz

10KHzRBW-36dBm;150KHz=f=30MHz

1KHzRBW-36dBm;9KHz=f=150KHz

WCDMA放射機

Maxim供應(yīng)多種WCDMA放射機IC，掩蓋了大部分通用頻率范圍。例如，超外差系統(tǒng)器件具有業(yè)內(nèi)最高集成度的放射機芯片（MAX236X），供應(yīng)典型的380MHzTx中頻（IF）。另一個超外差系統(tǒng)芯片的例子是MAX2383上變頻器驅(qū)動器，采納的高TxIF頻率達570MHz。為了展現(xiàn)硬件符合3GPP規(guī)范（帶有余量），本部分供應(yīng)了一些基于第一代MaximWCDMA放射機IC的系統(tǒng)電平和分立元件測試結(jié)果，這些硬件是v1.0WCDMA參考設(shè)計的一部分。關(guān)于更新的零中頻WCDMA參考設(shè)計的信息請與廠商聯(lián)系。

圖1.WCDMA收發(fā)機框圖

WCDMA超外差放射機

本放射機是完整WCDMA收發(fā)機參考設(shè)計的一部分，包含4個主要的IC：

MAX2388接收前端

MAX2309IF正交解調(diào)器

TheMAX2363正交調(diào)制器/上變頻器放射IC

TheMAX2291RF功率放大器

放射機硬件采納380MHz的IF和1920MHz到1980MHz的Tx頻率。雙工器通過將Tx通道（與Rx通道）連接到天線實現(xiàn)全雙工工作。

在Tx電路后端，MAX2363接收基帶傳送的I、Q差分信號作為輸入、進行正交調(diào)制、IF和RFLO頻率合成以及RF上變頻。IFLO由內(nèi)部VCO和PLL合成，頻率為760MHz。外部RFVCO模塊供應(yīng)的-7dBm信號以高端注入方式輸入MAX2363上變頻器。片上RF驅(qū)動器使芯片能夠直接驅(qū)動外部PA。

在Tx電路前端，芯片級封裝的線性PA（MAX2291）在本應(yīng)用中供應(yīng)28dB的增益，輸出功率達+28dBm。由于PA之后的插入損耗大約為4dB，系統(tǒng)實現(xiàn)的最大天線輸出為24dBm。

完全進入工作狀態(tài)以后，WCDMA系統(tǒng)大多數(shù)時間都工作在中等功率下而不是全功率。MAX2291供應(yīng)了兩種輸出功率的優(yōu)化模式用于滿意這個需求，延長了通話時間同時具有下列預(yù)期的性能：

Vcc為3.5VDC，高功率模式下測得：

Pout=28dBm

頻率=1.95GHz

ACP1=-39dBc(在5MHz偏移測得，3.84MHz帶寬)

功率附加效率=37%

待機電流Icc=97mA

Vcc為3.5VDC，低功率模式下測得：

Pout=16dBm

頻率=1.95GHz

ACP1=-38dBc(在5MHz偏移測得，3.84MHz帶寬)

功率附加效率=14%

待機電流Icc=30mA

前邊給出的3GPP規(guī)范規(guī)定WCDMA放射機輸出的功率必需在+24dm到-50dBm之間以滿意要求的74dB動態(tài)范圍。v1.0參考設(shè)計板設(shè)計為80dB的動態(tài)范圍，留出了一些余量。

放射機芯片的動態(tài)范圍是有限的DD通常在高功率時受到ACPR的限制，低功率時受到噪聲基底的限制。為了在低功率時獲得超過15dB的載波噪聲比（C/N），為v1.0參考設(shè)計板設(shè)計了額外的20dB可變衰減（由PA的增益掌握衰減器引入）。從全面的測試結(jié)果中提取出來的主要性能參數(shù)（表2）證明白Maximv1.0WCDMA放射機符合規(guī)范要求。

表2.Tx在全功率下的輸出特性

ParameterSpecificationData@1980MHzData@1920MHz

O/ppower@antennaport24dBm24.8dBm25.5dBm

+/-3.8MHzACP*-50dBc-52dBc-52dBc

+/-ACPR1*-33dBc-37dBc-37dBc

+/-ACPR2*-42dBc-54dBc-54dBc

Icc@3.3V(TXonly)-620mA615mA

Noise@Rx.band-137dBm/Hz-137dBm/Hz

Noise@1880MHz-135dBm/Hz

*詳細(xì)的最小/最大ACP圖，見下面的圖2-5

Tx電路的EVM和ACPR

Tx輸出功率為+24dBm時從v1.0WCDMA參考設(shè)計板測得的EVM大約為5.7%（3.5%來自MAX2291PA，4.6%來自MAX2363Tx芯片）。整體EVM值完全符合3GPP的要求（＜17.5%），Tx電路的EVM和ACP測試結(jié)果如下所示：

圖2.Tx電路的EVM，輸出-20dBm

圖3.Tx電路的EVM，輸出+24dBm.

圖4.Tx電路的ACP，輸出+24dBm.

圖5.Tx電路的ACP，輸出-20dBm.

依據(jù)郊區(qū)的語音輸出功率分布函數(shù)（一個描述了城市和鄉(xiāng)村、數(shù)據(jù)和語音等不憐憫況下功率變化狀況的統(tǒng)計性能參數(shù)），最大輸出功率時測得的Tx電路的電流為550mA，輸出22dBm功率時為365mA。

Tx功率最大時，Rx頻帶內(nèi)測得的Tx噪聲為-137.0