你知道WCDMA廣域基站直接轉(zhuǎn)換接收器中的IP2和IP3問題？

簡介

直接轉(zhuǎn)換接收器架構(gòu)與傳統(tǒng)的超外差相比具有多種優(yōu)勢。它簡化了RF前端帶通濾波的要求，因?yàn)樗皇軋D像頻率信號的影響。 RF帶通濾波器只需要衰減強(qiáng)帶外信號，以防止它們使前端過載。此外，直接轉(zhuǎn)換消除了對IF放大器和帶通濾波器的需求。相反，RF輸入信號直接轉(zhuǎn)換為基帶，其中放大和濾波要困難得多。接收器的總體復(fù)雜性和部件數(shù)量也會減少。

然而，直接轉(zhuǎn)換會帶來一系列實(shí)現(xiàn)問題。由于接收LO信號與RF信號的頻率相同，因此它很容易從接收天線輻射并違反監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)。此外，還需要徹底了解IP2和IP3問題的影響。這些參數(shù)對接收器的整體性能至關(guān)重要，關(guān)鍵部件是I / Q解調(diào)器。

不需要的基帶信號可以通過接收器的二階非線性產(chǎn)生。進(jìn)入接收器的任何頻率的音調(diào)都會在基帶電路中產(chǎn)生DC偏移。一旦生成，直接消除DC偏移就變得非常成問題。這是因?yàn)榻殿l后轉(zhuǎn)換電路的頻率響應(yīng)必須經(jīng)常延伸到DC。接收器的二階非線性也允許調(diào)制信號 - 甚至是所需信號 - 產(chǎn)生以DC為中心的偽隨機(jī)能量塊。

與超外差接收器不同，直接轉(zhuǎn)換接收器容易受到這種影響。無論輸入信號的頻率如何，都有順序機(jī)制。因此，最小化有限二階線性度的影響至關(guān)重要。

本文稍后我們將考慮三階失真對直接轉(zhuǎn)換接收器的影響。在這種情況下，以適當(dāng)頻率分隔的兩個信號必須進(jìn)入接收器，以便不需要的產(chǎn)品出現(xiàn)在基帶頻率上。

二階失真（IP2）

直接轉(zhuǎn)換接收器系統(tǒng)的二階交調(diào)截點(diǎn)（IP2）是關(guān)鍵性能參數(shù)。它是二階非線性度量，有助于量化接收機(jī)對單音和雙音干擾信號的敏感度。讓我們來看看這種非線性如何影響靈敏度。

我們可以將任何非線性元素的傳遞函數(shù)建模為泰勒級數(shù)：

其中x（t）是由期望信號和非期望信號組成的輸入信號。僅考慮此分析的二階失真項(xiàng)。系數(shù)a 2 等于

其中IP2是瓦特的單音截距點(diǎn)。請注意，雙音IP2比單音IP2低6dB。元素越線性， 2 越小。

進(jìn)入非線性元素的每個信號都會產(chǎn)生一個以零頻率為中心的信號。即使是所需的信號也會在基帶產(chǎn)生失真產(chǎn)物。為了說明這一點(diǎn)，讓輸入信號由x（t）= A（t）cosωt表示，其可以是音調(diào)或調(diào)制信號。如果是一個音調(diào)，則A（t）只是一個常數(shù)。如果它是調(diào)制信號，則A（t）代表信號包絡(luò)。

根據(jù)定義，所需信號的功率為

其中E {β}是β的預(yù)期值。由于A（t）和cosωt在統(tǒng)計(jì)上是獨(dú)立的，我們可以擴(kuò)展E {（A（t）cosωt） 2 }為E {A 2 （t）}?E {COS 2 ωT}。通過三角法

第二項(xiàng)的期望值僅為?，因此所需信號的功效簡化為：

如果預(yù)期，信號功率等于

在更一般的情況下，所需信號由偽隨機(jī)數(shù)字調(diào)制。數(shù)據(jù)源。我們可以將其表示為具有高斯概率分布的帶限白噪聲。信號包絡(luò)A（t）現(xiàn)在是高斯隨機(jī)變量。包絡(luò)的平方的期望值可以用所需信號的功率表示為：

現(xiàn)在將x（t）替換為泰勒級數(shù)展開以找到y(tǒng)（t），這是非線性元素的輸出：

考慮二階失真術(shù)語?a 2 [A（t）] 2 。該術(shù)語以DC為中心，而另一個二階項(xiàng)出現(xiàn)在所需信號的二次諧波附近。這里只有DC附近的術(shù)語很重要，因?yàn)楦哳l音被基帶電路拒絕。

在信號是音調(diào)的情況下，二階結(jié)果是DC偏移等于：< / p>

如果調(diào)制了所需信號，則二階結(jié)果是調(diào)制基帶信號。這個術(shù)語的力量是

這可以擴(kuò)展為：

為了根據(jù)所需的信號功率表達(dá)這個結(jié)果，我們必須將E {A 4 （t）}與E {A 2 （T）}。對于高斯隨機(jī)變量，以下關(guān)系為真：

失真能力可以表示為

現(xiàn)在表達(dá)預(yù)期值所需的信號功率：

將任何給定音調(diào)轉(zhuǎn)換為DC，將任何調(diào)制信號轉(zhuǎn)換為基帶信號，使二階性能對于直接轉(zhuǎn)換接收器性能至關(guān)重要。與其他非線性機(jī)制不同，信號頻率不能確定失真產(chǎn)物落在何處。

進(jìn)入非線性元素的任何兩個信號都會產(chǎn)生拍音/項(xiàng)。讓

其中第一項(xiàng)是所需信號，第二項(xiàng)是不需要的信號。

感興趣的二階失真項(xiàng)是 2 A（t）B（t）cos（ω - ω u ）t。該術(shù)語描述了以兩個輸入信號之間的差頻為中心的失真產(chǎn)物。在兩個不需要的音調(diào)進(jìn)入該元素的情況下，結(jié)果包括差頻的音調(diào)。如果兩個不需要的信號被調(diào)制，則結(jié)果包括以其差頻率為中心的調(diào)制信號。

我們可以將這些原理應(yīng)用于直接轉(zhuǎn)換接收器示例。圖1顯示了典型WCDMA基站接收器的框圖。以下是此示例的一些主要特征：

基站類型：FDD，Band I

基站類別：廣域

運(yùn)營商數(shù)量：1

接收頻段：1920MHz至1980MHz

發(fā)射頻段：2110MHz至2170MHz

此接收機(jī)的RF部分包括雙工器，帶通濾波器，以及至少一個低噪聲放大器（LNA）。頻率選擇元件用于衰減帶外信號和噪聲。 LNA確定接收器的噪聲系數(shù)。 I / Q解調(diào)器將接收信號轉(zhuǎn)換為基帶。

在下面的例子中，LT5575 I / Q解調(diào)器的特性代表了這種類型的基站類設(shè)備。低通濾波器和基帶放大器在傳輸?shù)紸 / D轉(zhuǎn)換器之前限制并增加信號電平。雙工器和RF帶通濾波器僅用作帶通濾波器;它們不提供任何載體選擇性。

LNA的二階線性度遠(yuǎn)低于解調(diào)器的二階線性度。這是因?yàn)橛蓡蝹€信號引起的任何LNA失真都以DC為中心并被解調(diào)器拒絕。如果接收頻帶中存在兩個不需要的信號（例如1960MHz），則LNA以差頻產(chǎn)生二階乘積。該信號被解調(diào)并在A / D轉(zhuǎn)換器處顯示為基帶偽像。然而，我們不需要解決這個問題，因?yàn)閺那岸穗p工器出現(xiàn)的帶外信號不足以產(chǎn)生任何重要的失真產(chǎn)物。

首先考慮進(jìn)入接收器的單個未調(diào)制音調(diào)（見圖2）。如上所述，該音調(diào)在解調(diào)器的輸出端產(chǎn)生DC偏移。如果解調(diào)器后面的基帶級聯(lián)是直流耦合的，則該偏移應(yīng)用于A / D轉(zhuǎn)換器，從而降低其動態(tài)范圍。 WCDMA規(guī)范（3GPP TS 25104.740）在-15dBm處調(diào)出帶外音調(diào)，距離任一接收頻帶邊緣均為20MHz或更高（第7.5.1節(jié)）。計(jì)算I / Q解調(diào)器中產(chǎn)生的DC偏移：

進(jìn)入接收天線端口的音調(diào)：-15dBm

20MHz偏移時的雙工器抑制：0dB

20MHz偏移時的帶通抑制：2dB

LT5575之前的RF增益：20dB

進(jìn)入LT5575的音調(diào)：3dBm

LT5575 IIP2,2音：60dBm

LT5575 a 2 ：0.00317

LT5575輸出的DC偏移：0.32mV

基帶電壓增益：31.6

A / D輸入的DC偏移：10mV

單個WCDMA載波也可以作為干擾源，詳見7.5.1節(jié)。在一種情況下，該載波偏離期望載波至少10MHz，但仍處于接收頻帶中。功率電平為-40dBm，接收器必須滿足-115dBm的靈敏度，12.2kbps信號，BER為0.1％。以下是詳細(xì)信息：

信號進(jìn)入接收天線端口：-40dBm

LT5575之前的RF增益：20dB

進(jìn)入LT5575的信號：-20dBm < / li>

LT5575 IIP2,2-tone：60dBm

LT5575 a 2 ：0.00317

使用a執(zhí)行的MATLAB仿真偽隨機(jī)信道預(yù)測LT5575輸出的失真為-98.7dBm。該結(jié)果與公式6給出的結(jié)果非常吻合，公式6預(yù)測失真功率為-98.2dBm。

LT5575輸出端出現(xiàn)的基帶產(chǎn)品是一個類噪聲信號，由干擾WCDMA載波產(chǎn)生。如果此信號足夠大，則可能會增加熱接收器和A / D轉(zhuǎn)換器噪聲，從而降低靈敏度。計(jì)算接收器輸入端的等效熱噪聲，不會增加失真：

靈敏度：-121dBm

處理+編碼增益：25dB

靈敏度信噪比：5.2dB

接收機(jī)的熱噪聲輸入：-101.2dBm

現(xiàn)在將失真信號反饋給接收器輸入：

LT5575之前的RF增益：20dB

Rx輸入端的等效干擾電平：-118.7dBm

在這種情況下，基帶二階乘積比接收器輸入端的熱噪聲低17.5dB。由此導(dǎo)致的靈敏度下降<0.1dB，因此接收器很容易滿足-115dBm的規(guī)格。如圖3所示。單個WCDMA載波也可以出現(xiàn)在帶外，如7.5.1節(jié)所述。它們可以直接與接收頻帶相鄰，電平高達(dá)-40dBm。同樣，這些載波對靈敏度的二階效應(yīng)可以忽略不計(jì)，如前面的分析所示。

靈敏度的另一個威脅來自FDD系統(tǒng)中的發(fā)射機(jī)泄漏，如圖4所示。在FDD系統(tǒng)中，發(fā)射器和接收器同時工作。對于WCDMA頻段I的情況，發(fā)射頻帶比接收頻帶高130MHz。通常使用單個天線，發(fā)射器和接收器通過雙工器連接。以下是一些典型的基站耦合諧振器型雙工器規(guī)格：

隔離，Tx至Rx 2110MHz：55dB

雙工器插入損耗，Tx路徑：1.2dB

對于廣域基站，發(fā)射功率可能高達(dá)46dBm。在雙工器的發(fā)送端口，功率至少為47dBm。這個高電平調(diào)制信號泄漏到接收器輸入，其中一部分驅(qū)動I / Q解調(diào)器：

接收器輸入功率：-8dBm

Rx BPF抑制2110MHz：40dB

LT5575之前的RF增益：20dB

進(jìn)入LT5575的信號：-28dBm

LT5575 IIP2，雙音：60dBm

LT5575 a 2 ：0.00317

使用偽隨機(jī)通道執(zhí)行的MATLAB仿真可預(yù)測以下內(nèi)容：

LT5575輸出失真：-114.7dBm

將此信號反饋給接收器輸入：

LT5575之前的RF增益：20dB

Rx輸入端的等效干擾電平：-134.7dBm

接收器輸入端的熱噪聲：-101.2dBm

此等效干擾為33.5dB低于接收器輸入端的熱噪聲。由此導(dǎo)致的靈敏度降低<0.1dB，因此接收器容易滿足-121dBm的規(guī)范。

三階失真（IP3）

三階交調(diào)截點(diǎn)（IP3）具有當(dāng)兩個適當(dāng)間隔的通道或信號進(jìn)入非線性元件時對基帶信號的影響。

返回傳遞函數(shù)：y（t）= x（t）+ a 2 x 2 （t）+ a 3 x 3 （t）+ ...，其中x（t）是由兩者組成的輸入信號期望和不需要的信號。現(xiàn)在考慮三階失真項(xiàng)。系數(shù)a 3 等于2 /（3Z 0 IP3）其中IP3是瓦特中的單音截距點(diǎn)。請注意，雙音IP3比單音IP3低4.78dB。

如果兩個信號之間的間距等于到達(dá)的距離，則進(jìn)入非線性元件的兩個信號會產(chǎn)生一個以零頻率為中心的信號。零頻率。設(shè)x（t）= A（t）cosωt+ B（t）cosω u t，其中第一項(xiàng)是期望信號，第二項(xiàng)是不需要的信號。不需要的信號可以是音調(diào)或調(diào)制信號。如果是一個音調(diào)，那么B（t）就是一個常數(shù)。如果它是調(diào)制信號，則B（t）代表信號包絡(luò)。

輸出信號則等于y（t）：

這里感興趣的三階失真項(xiàng)是?a 3 A（t）B < sup> 2 （t）cos（2ω u - ω）t。為了使這種失真出現(xiàn)在基帶上，設(shè)置ω=2ω u 。失真的力量是

，它可以擴(kuò)展到

考慮調(diào)制的所需信號和音調(diào)干擾的情況; B（t）可以用B代替。參見圖5.E {B 4 }的值可以表示為（2Z 0 P u ） 2 ，其中P u 是音調(diào)干擾的功率。我們可以使用等式2以期望的信號功率表示E {A 2 （t）}為2Z o P s ，其中P s 是所需信號的功率。然后，基帶失真的功率電平為：

如果調(diào)制了不需要的信號，則使用等式2和5表示E {B 4 （t）}為3（2Z 0 P u ） 2 ，其中P u 是冪的冪音調(diào)干擾：

在直接轉(zhuǎn)換接收器示例中，WCDMA規(guī)范的第7.6.1節(jié)要求兩個干擾信號，如圖6所示。其中一個是-48dBm CW音，另一個是-48dBm WCDMA運(yùn)營商。這些在頻率上是偏移的，因此得到的第三階產(chǎn)品看起來以DC為中心。計(jì)算I / Q解調(diào)器中產(chǎn)生的互調(diào)產(chǎn)物：

LT5575之前的RF增益：20dB

進(jìn)入LT5575的信號：-28dBm

LT5575 IIP3 ，2音：22.6dBm

LT5575 a 3 ：0.0244

使用偽隨機(jī)進(jìn)行的MATLAB仿真通道預(yù)測LT5575輸出的失真為-135.8dBm。這個結(jié)果與公式8非常吻合，公式8預(yù)測失真功率為-135.7dBm。

將此信號反饋給接收器輸入：

LT5575之前的RF增益： 20dB

Rx輸入端的等效干擾電平：-155.8dBm

接收器輸入端的熱噪聲：-101.2dBm

此等效干擾case比接收器輸入端的熱噪聲低54.6dB。由此導(dǎo)致的靈敏度降低<0.1dB，因此接收器很容易滿足-121dBm的規(guī)范。

結(jié)論

這里使用LT5575 I / Q解調(diào)器進(jìn)行的計(jì)算表明WCDMA廣域基站接收器可以使用直接轉(zhuǎn)換架構(gòu)成功實(shí)現(xiàn)。 LT5575的高二階線性度和輸入1dB壓縮點(diǎn)對于滿足此類設(shè)計(jì)的性能要求至關(guān)重要。