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摘要
隨著數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需求的加速，4G 技術(shù)將取代 3G 成為未來幾年的主流無線通信技術(shù)，而其中具有中國自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的 TD-LTE 將成為其中的重要部分，本文將介紹目前常用的發(fā)射機(jī)架構(gòu)，以及對(duì)TD-LTE 發(fā)射機(jī)的系統(tǒng)指標(biāo)進(jìn)行分析，并且結(jié)合 TI 的芯片方案，全面介紹支持 TD-LTE 的系統(tǒng)解決方案。
術(shù)語：DPD（數(shù)字預(yù)失真）
概述
具有中國自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的TD-LTE由于其頻譜利用率高（下行：5bit/S/Hz;上行：2.5bit/S/Hz）；高速率（下行：100Mbps；上行：50Mbps）；低延時(shí)（100ms控制面，10ms用戶面），以及靈活的頻譜使用（可變帶寬，1.4MHz;3MHz;5MHz，10MHz，15MHz，20MHz）正越來越受到各個(gè)運(yùn)營商的青睞，到2011年2月，由中國移動(dòng)主導(dǎo)聯(lián)合7家運(yùn)營商發(fā)起成立TD-LTE全球發(fā)展倡議（GTI），已發(fā)展至48家運(yùn)營商成員，27家廠商合作伙伴；目前已經(jīng)有38個(gè)運(yùn)營商計(jì)劃部署或正在進(jìn)行試驗(yàn)。
本文將對(duì)TD-LTE的不同架構(gòu)的發(fā)射機(jī)系統(tǒng)（包括發(fā)射和反饋）的挑戰(zhàn)進(jìn)行分析，最終根據(jù)TD-LTE的空口指標(biāo)要求進(jìn)行系統(tǒng)指標(biāo)分解，提供了TD-LTE發(fā)射機(jī)設(shè)計(jì)的思路及依據(jù)，同時(shí)結(jié)合TI的方案分析了發(fā)射機(jī)鏈路關(guān)鍵器件的指標(biāo)要求。
1、TD-LTE 發(fā)射機(jī)架構(gòu)概要
為了更加深入理解基站發(fā)射機(jī)系統(tǒng)的系統(tǒng)指標(biāo)，本節(jié)將首先介紹目前在基站系統(tǒng)中常用的幾種架構(gòu)及各自的優(yōu)缺點(diǎn)，從而根據(jù)不同的要求選擇不同的發(fā)射機(jī)架構(gòu)。
總的來說，對(duì) TD-LTE 而言，目前最大的挑戰(zhàn)是帶寬， 中國目前有 190MHz（2500-2690）連續(xù)帶寬分配給TD-LTE，同時(shí)還有很多多頻段的要求（比如 F+A；1880-1920MHz，2010-2015MHz）頻段，等都對(duì)發(fā)射機(jī)，尤其是反饋通道的要求非常高;嚴(yán)格的帶外雜散要求，尤其是 F 頻段，對(duì)發(fā)射機(jī)系統(tǒng)而言也是非常大的一個(gè)挑戰(zhàn)，另外，高 EVM，低噪底的需求同樣對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)是一個(gè)挑戰(zhàn)。
1.1 零中頻發(fā)射，零中頻反饋
圖 1 為零中頻發(fā)射及零中頻反饋的架構(gòu)圖，其中調(diào)制器（modulator）的輸入頻點(diǎn)為零，解調(diào)制（demodulator）的輸出頻點(diǎn)為零，就稱為零中頻發(fā)射和反饋。
該架構(gòu)在技術(shù)上具有非常大的優(yōu)勢(shì)：
1） 發(fā)射和反饋可以采用同一個(gè)本振信號(hào)，節(jié)約簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)和成本；
2） 降低了 ADC 及 DAC 的采樣率要求，尤其是對(duì)于寬帶的 TD-LTE 系統(tǒng)，由于 ADC 有出口管制，采用該種架構(gòu)后，相對(duì)于實(shí)中頻架構(gòu)，對(duì) ADC 的采樣率要求降低了一半；
3） 由于調(diào)制器和解調(diào)制的輸入/輸出頻點(diǎn)為零，所以系統(tǒng)沒有和中頻有關(guān)的各種雜散信號(hào)，大大減少各種濾波器的需求；
4） 對(duì) ADC 和 DAC 而言，其輸入/輸出頻點(diǎn)低，本身的性能也大大提高，從而有利于系統(tǒng)設(shè)計(jì)；
5） 采用零中頻后，可以保證 DPD 信號(hào)帶內(nèi)平坦度高，從而利于 DPD 的處理。
目前，越來越多的基站發(fā)射機(jī)系統(tǒng)已經(jīng)開始采用這種架構(gòu)了，但是該架構(gòu)同樣有其弱點(diǎn)：
1） 由于采用零中頻架構(gòu)，其本振泄露和邊帶信號(hào)都在信號(hào)帶內(nèi)，沒有辦法通過濾波器來對(duì)本振信號(hào)和邊帶進(jìn)行抑制，完全靠算法來進(jìn)行校準(zhǔn)，所以對(duì)算法的要求比較高；
2） DAC 的低次諧波（二次，三次）都會(huì)在帶內(nèi)，同樣沒有辦法通過濾波器來抑制，所以需要DAC 本身有比較好的二次及三次諧波性能，同時(shí)也需要算法對(duì)低次諧波進(jìn)行校準(zhǔn)，會(huì)導(dǎo)致算法復(fù)雜化；
3） 由于發(fā)射通道和反饋通道都是采用零中頻架構(gòu)，在做本振泄露和邊帶抑制時(shí)，需要區(qū)分發(fā)射通道的和反饋通道的本振泄露信號(hào)，所以在反饋通道中需要增加移相器來區(qū)別發(fā)射和反饋信號(hào)的本振泄露信號(hào)。
考慮到目前的算法還不能非常好的校準(zhǔn)本振泄露，邊帶信號(hào)，各種低次諧波信號(hào)，對(duì) MCGSM系統(tǒng)，目前還沒有采用該種架構(gòu)。
1.2 零中頻發(fā)射，實(shí)中頻反饋
和圖 1 的架構(gòu)不同，當(dāng)反饋通道采用混頻器替代解調(diào)器后，就叫實(shí)中頻反饋。
該方案是目前最通用的架構(gòu)，相較架構(gòu)一，最大的區(qū)別就是在反饋通道，所以其最大的優(yōu)點(diǎn)：
1） 由于只是發(fā)射通道采用零中頻，系統(tǒng)的本振泄露和邊帶校準(zhǔn)相對(duì)算法比較容易；
2） 對(duì)反饋通道而言，由于采用數(shù)字高中頻的方式，其本振泄露和鏡像信號(hào)都可以通過簡(jiǎn)單的濾波器濾除，無需做任何校準(zhǔn)；
3） 由于采用實(shí)中頻方案，只需要一路反饋 ADC；
4） 降低了 DAC 的采樣率，簡(jiǎn)化了 DAC 和調(diào)制器間抗混疊濾波器設(shè)計(jì)（只需要采用低通濾波器）。
該架構(gòu)的缺點(diǎn)在于：
1） 對(duì)反饋通道的 ADC 采樣率要求非常高，尤其是對(duì) TD-LTE 190MHz 帶寬需求；
2） 反饋通道的濾波器會(huì)引入 DPD 信號(hào)不平坦性問題；
3） 需要兩個(gè)本振信號(hào)目前大多數(shù)的基站都采用這種架構(gòu)。
1.3 復(fù)中頻發(fā)射，復(fù)中頻反饋
相較圖 1 的的方案，區(qū)別是 DAC 的輸出信號(hào)為高中頻信號(hào)，ADC 的輸入信號(hào)為高中頻信號(hào)，其優(yōu)點(diǎn)如下：
1） 發(fā)射和反饋可以采用同一個(gè)本振信號(hào)，簡(jiǎn)化節(jié)約了系統(tǒng)設(shè)計(jì)和成本；
2） 本振泄露和邊帶抑制可以通過濾波器來抑制，對(duì)算法要求大大降低；
3） 低次諧波信號(hào)在帶外，可以通過濾波器來進(jìn)行抑制，降低了對(duì)算法的要求；
4） 由于采用復(fù)中頻架構(gòu)，反饋通道的 ADC 的采用率要求降低一半，尤其對(duì)寬帶 TD-LTE 系統(tǒng)尤為重要。
其缺點(diǎn)：
1） 由于 DAC 和 ADC 的信號(hào)都是高頻信號(hào)，對(duì)其性能影響比較大；
2） 解調(diào)器的線性指標(biāo)會(huì)下降；
3） 發(fā)射和反饋通道的平坦度性能會(huì)比較差，對(duì) DPD 的性能會(huì)有比較大的影響由于不需要做直流及邊帶校準(zhǔn)，而且可以比較容易支持寬帶信號(hào)，在 TD-LTE 上有比較大的潛力。
2、TD-LTE 發(fā)射機(jī)指標(biāo)分析
本節(jié)將介紹 TD-LTE 的空口指標(biāo)要求以及對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)指標(biāo)分配，根據(jù) 3GPP TS 36.104 要求，TDLTE 的發(fā)射空口指標(biāo)要求包括：基站輸出功率，基站輸出功率動(dòng)態(tài)范圍；發(fā)射機(jī)開/關(guān)功率；發(fā)射機(jī)信號(hào)質(zhì)量；unwanted emission;發(fā)射互調(diào)及其他，下面將針對(duì)重要的指標(biāo)進(jìn)行分析，分解。
2.1 基站輸出功率
基站輸出功率是指的天線口的每載波的均值功率，這個(gè)指標(biāo)要求通常是由運(yùn)營商提出來的，目前TD-LTE 通常要求支持 8 天線 20W（43dBm）的最大功率輸出，3GPP 要求其精度為+/-2dB， 極端條件下保證精度為+/-2.5dB， 但是為了簡(jiǎn)化功放設(shè)計(jì)，以及良好的熱設(shè)計(jì)，通常要求鏈路保證的功率波動(dòng)為+/-1dB， 在寬帶信號(hào)，尤其是中國的 TD-LTE 190MHz 帶寬，怎樣保證鏈路的功率波動(dòng)在+/-1dB 以內(nèi)呢。
在選擇鏈路器件時(shí)，需要保證在 190MHz 帶內(nèi)的功率波動(dòng)盡量小，通常分配給 DAC 和調(diào)制的功率波動(dòng)在+/-0.5dB 以內(nèi)，目前 TI 的 DAC34H8X+TRF3705 能夠保證+/-0.5dB 的帶內(nèi)波動(dòng)要求。
除了鏈路器件的選擇要保證比較好波動(dòng)外，閉環(huán)功率校準(zhǔn)也是必須的，下表是對(duì)閉環(huán)校準(zhǔn)的要求樣例。
2.2 發(fā)射機(jī)開/關(guān)功率
發(fā)射機(jī)開關(guān)是專門針對(duì) TD-LTE 的一個(gè)指標(biāo)要求，由于 TD-LTE 采用同頻接收/發(fā)射，在發(fā)射機(jī)關(guān)斷后要求其噪底對(duì)接收機(jī)的影響有控制在一定范圍之內(nèi)，3GPP 要求其在關(guān)斷后功率低于-85dBm/MHz， 歸一化后： -85dBm/MHz=-（85+10*lg10^6）=-145dBm/Hz，考慮到增益，分配到 DAC機(jī)調(diào)制器的噪底要保證-155dBm/Hz 左右。
2.3 發(fā)射機(jī)信號(hào)質(zhì)量
發(fā)射機(jī)的信號(hào)質(zhì)量包括：頻率誤差；EVM（矢量幅度誤差）;多天線之間的時(shí)延同步。
2.3.1 頻率誤差
3GPP 要求， 調(diào)制載波頻率在一個(gè)子幀周期 （1ms） 內(nèi)觀察到的頻率偏差不得超過+/-0.05ppm在 TD-LTE 發(fā)射機(jī)系統(tǒng)中，由于基帶系統(tǒng)是完全同步的，沒有長(zhǎng)期頻率誤差，所以其頻率誤差主要來之于時(shí)鐘和頻綜的貢獻(xiàn)。
2.3.2 EVM（矢量幅度誤差）
3GPP 要求對(duì)各種調(diào)制信號(hào)的要求如下表，通常對(duì)設(shè)計(jì)者而言，需要保留 2-3%的余量。
EVM的貢獻(xiàn)對(duì)整個(gè)發(fā)射兩路而言，主要來自于幾部分： 數(shù)字處理和鏈路部分。
1：CFR （削峰處理）， 為了提高 PA 的效率，削峰是目前結(jié)合 DPD 最重要的技術(shù)，它對(duì)系統(tǒng)的 EVM 有著非常重要的影響，不同的削峰技術(shù)性能不同，通常的硬削峰會(huì)比較簡(jiǎn)單，但是對(duì)系統(tǒng)的影響，尤其是對(duì)EVM 的影響會(huì)比較大，目前常用的方法峰值對(duì)消法，雖然要求的資源比較多，但是對(duì)整個(gè)系統(tǒng)性能是最優(yōu)的，此處不詳細(xì)述具體的 CFR 對(duì) EVM 的影響，但是需要清楚 CFR 對(duì) EVM 有非常重要的影響。
2：鏈路部分
如下式發(fā)射鏈路的通用示意圖，我們可以列出 7 個(gè)影響 EVM的因素，本文不做詳細(xì)推導(dǎo)，直接應(yīng)用結(jié)論（2）。
A： I/Q 之路不平衡，設(shè)增益差為 δ dB
如果
? ??
則可以得到如下 EVM 和增益誤差的關(guān)系
B： 正交調(diào)制器本振移相誤差對(duì)β對(duì) EVM 的影響
C： 本振泄露￡ 對(duì) EVM 的影響
D： 本振相位噪聲 ? 對(duì) EVM 的影響
設(shè) G? 為相位噪聲的功率譜密度，則
除以上主要影響，通道濾波器的幅頻特性失真，通道濾波器的非線性相位失真，鏈路的非線性失真都會(huì)影響發(fā)射機(jī)的 EVM， 式（5）給出了鏈路總 EVM 的計(jì)算式
2.3.3 多天線同步時(shí)延誤差
TD-LTE 除了智能天線要求的多天線之間的相位要求之外，3GPP 對(duì)多天線之間的相位誤差也要求不得大于 65ns， 通常分配到發(fā)射機(jī)信號(hào)鏈路的延遲不得大于 30ns， 所以對(duì)發(fā)射鏈路通常要求調(diào)制器共本振，DAC 共時(shí)鐘，而且由于 DAC 里面集成了 FIFO，通常還要求 DAC 能夠同步，同時(shí)如果多天線之間的相位延遲是固定的，通常需要進(jìn)行補(bǔ)償，如果多天線之間的相位延遲存在不確定性，需要保證不確定性盡量小。
2.4 Un-wanted emissions（雜散輻射要求）
Un-wanted emissions 包括帶外輻射和雜散輻射兩部分，帶外輻射是是指發(fā)射機(jī)工作帶寬的下限頻點(diǎn)到10MHz 距離以內(nèi)的范圍內(nèi)的輻射要求，以及上限頻率以上 10MHz 以內(nèi)范圍的輻射要求，以 UMTS 為列，發(fā)射機(jī)工作帶寬為 2110-2170MH 在，所以帶外雜散就是指 2100-2110MHz 以及 2170-2180MHz 范圍內(nèi)的雜散要求；除去帶外輻射要求的頻率范圍內(nèi)的信號(hào)，其他區(qū)域的雜散都?xì)w于雜散輻射指標(biāo)的要求。
2.4.1 Operating band unwanted emissions
Operating band unwanted emissions 是 Un-wanted emission 中的一種，其近端的貢獻(xiàn)主要來至于 DPD后功放的殘余非線性產(chǎn)物以及本振信號(hào)的相位噪聲，而遠(yuǎn)端的貢獻(xiàn)主要來之于發(fā)射鏈路的噪底，以及DPD 后功放的殘余非線性產(chǎn)物，發(fā)射鏈路落在帶內(nèi)的雜散對(duì)遠(yuǎn)端輻射也有比較大的影響。
如上所示為帶內(nèi)雜散模板，其中藍(lán)色是 FCC 的要求，在偏移 1MHz 時(shí)，需要滿足 22dBm/MHz， 而中國移動(dòng)只需要滿足 3GPP cat A 的需求，在偏移 1MHz 時(shí)，需要滿足-11dBm/MHz 的要求，但是為了支持beam forming，需要增加 9dB 的要求，即在偏移 1MHz 時(shí)，需要滿足-20dBm/MHz 要求，設(shè)功放輸出功率為 20W（43dBm），對(duì) 20MHz 的 TD-LTE 信號(hào)而言，為了滿足 3GPP 要求。
0-1MHz： 43dBm-10*log （18MHz）-（-11dBm/MHz） =40.5dBc
1MHz-10MHz： 43dBm-10*log （18MHz）-（-13dBm/MHz） =42.5dBc
10MHz： 43dBm-10*log （18MHz）-（--15dBm/MHz） =44.5dBc
根據(jù)如上的結(jié)果，可以分配到 DUC，CFR，調(diào)制器，功放等每一級(jí)，保證級(jí)聯(lián)結(jié)果不得低于如上的值。
2.4 .2 ACLR（鄰道泄露功率抑制比）
ACLR 是指主信號(hào)的均值功率和領(lǐng)道信號(hào)功率的比值，通常 3GPP cat A 要求其可以取滿足于-45dB 的相對(duì)比值，或者取-13dBm/MHz 作為絕對(duì)的值的領(lǐng)道功率，可以兩者取其輕； cat B 是可以在相對(duì) 45dB或者絕對(duì)-15dBm/MHz 中取其輕，相對(duì)帶內(nèi)雜散要求來說，ACPR 要求更低，通常是用來評(píng)估發(fā)射機(jī)系統(tǒng)的非線性指標(biāo)的，在系統(tǒng)中，PA driver， 調(diào)制的非線性，本振信號(hào)的相位噪聲，以及 DAC 的非線性指標(biāo)都會(huì)影響系統(tǒng)的 ACLR。
ACLR 是一個(gè)系統(tǒng)指標(biāo)，對(duì)應(yīng)的 PA driver， 調(diào)制器的非線性指標(biāo)為 OIP3， 粗約的轉(zhuǎn)化可以表示為：
1 載波 ACPR=IIM3I-3dB
2 載波 ACPR=IIM3I-9dB
4 載波 ACPR=IIM3I-12dB
所以可以根據(jù) IM3 算出 OIP3，從而根據(jù) OIP3 的級(jí)聯(lián)公式可以算出對(duì)每一級(jí)器件的 OIP3 要求。
2.4.3 Transmitter spurious emissions（發(fā)射雜散）
發(fā)射雜散是指 9KHz 到 12.5GHz 頻段，除去帶內(nèi)雜散以外的所有頻率范圍內(nèi)的雜散要求，這是一個(gè)強(qiáng)制的要求，如下總結(jié)了通用的雜散指標(biāo)，發(fā)射通道對(duì)接收通道的雜散要求，共存雜散指標(biāo)，共站址等雜散指標(biāo)要求，對(duì)共存，共站址沒有列出所有的頻率范圍，僅僅列出了一些代表部分，具體的設(shè)計(jì)需要對(duì)照3GPP 里面列出的所有頻率范圍的雜散指標(biāo)要求。
尤其是對(duì)接收機(jī)的信號(hào)干擾，需要保證-96dBm-10*log（100KHz/Hz）=-146dBm/Hz，這是沒有濾波器抑制的，需要保證在發(fā)射機(jī)關(guān)斷后，其輸出的功率極低;對(duì)于共站址的-98dBm 雜散要求，需要在設(shè)計(jì)雙工器的時(shí)候針對(duì)對(duì)應(yīng)的共站址頻率進(jìn)行相應(yīng)的抑制。
同時(shí)要考慮各種可能的交調(diào)產(chǎn)物落在對(duì)應(yīng)的頻率范圍內(nèi)（有很多計(jì)算交調(diào)的工具），需要考慮到各種可能的信號(hào)，如時(shí)鐘頻率及諧波，PLL 頻率及諧波，以及其相互之間的交調(diào)產(chǎn)物。
2.4.4 發(fā)射互調(diào)
發(fā)射互調(diào)要求是用來測(cè)試發(fā)射機(jī)抑制自身非線性的能力，測(cè)試的干擾信號(hào)為 5MHz E-UTRA，均值功率為 43dBm-30dB=13dBm 的信號(hào)，其位置分別位于離主信號(hào)+/-12.5MHz，+/-7.5MH 在，+/-2.5MHz 處，其交調(diào)產(chǎn)物要滿足圖 6 所以的雜散輻射模板。
3、TI TD-LTE 發(fā)射關(guān)鍵器件要求
第二節(jié)詳細(xì)解析了發(fā)射機(jī)的指標(biāo)要求，本節(jié)將依據(jù)其指標(biāo)要求，結(jié)合 TI 的方案介紹重點(diǎn)器件的需求（DAC+調(diào)制器，時(shí)鐘，頻綜）。
3.1 DAC+調(diào)制器
高帶寬：支持 190MHz BW，需要的 DPD 帶寬至少 600MHz，DAC 數(shù)據(jù)速率 750MHz。
?。?50*0.8=600MHz） DAC 采樣率 750*2=1.5Gpbs， DAC34SH84 采樣率 1.5GHz， 支持最大 600MHz 信號(hào)帶寬。
低噪聲：考慮遠(yuǎn)端噪聲模板要求，保留 13dB 余量，DAC+調(diào)制的噪聲要求應(yīng)該低于：-22dBm/MHz-13dB-（-43dBm-（-14dBm））-10lg1MHz=-152dBm/Hz，DAC34SH84 噪底為-156dBm/Hz， TRF3705 噪底 -157dBm/Hz，所以總噪聲為大概為-153dBm/Hz。
平坦度：圖 8 為 DAC34SH84+TRF3705 的平坦圖，結(jié)合頻率校準(zhǔn)，能夠滿足平坦度要求。
圖 8 DAC34SH84+TRF3705 平坦度
SFDR：考慮單載波信號(hào)，帶寬 20MHz， 對(duì)帶內(nèi)雜散指標(biāo)要求，假設(shè) 10%貢獻(xiàn)來自于DAC34SH84+TRF3705，SFDR 需要好于： ［43dBm-10lg （18MHz）］-［（-22dBm）-（10lg1MHz）］-10lg0.1=63dB
圖 9 DAC34SH84+TRF3705 SFDR
總結(jié)
本文詳細(xì)介紹了發(fā)射機(jī)的系統(tǒng)指標(biāo)要求及分解，各種指標(biāo)對(duì)系統(tǒng)的要求，以及關(guān)鍵器件的選擇，結(jié)合 TI 的方案 DAC34SH84+TRF3705，為 TD-LTE 提供了一套發(fā)射機(jī)系統(tǒng)方案分析的思路及器件選擇的依據(jù)。
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評(píng)論