淺析WCDMA發(fā)射機在理論、設計和規(guī)范要求方面

本文討論了移動通信向第三代(3G)標準的演化與發(fā)展，給出了范圍廣泛的3G發(fā)射機關鍵技術與規(guī)范要求的概述。文章提供了頻分復用(FDD)寬帶碼分多址(WCDMA)系統(tǒng)發(fā)射機的設計和測得的性能數據，以Maxim現有的發(fā)射機IC進行展示和說明。

移動技術的發(fā)展：邁向3G

第一代（1G）電話是基于很多種類似但互不兼容的技術的模擬蜂窩設備。它們提供的服務范圍很有限，主要依靠固定電話網絡提供服務。

第二代（2G）電話采用TDMA或CDMA技術，使用直接調制到發(fā)射載波的數字信道。其結果—更高的頻譜效率—使信號質量、安全、實際數據服務量和國際漫游幾個方面的價值都得到提升。

第三代（3G）終端的目標是提供全球無縫移動性，同時與部分接入技術實現全球兼容，如無線本地環(huán)路、蜂窩、無繩和衛(wèi)星系統(tǒng)。實現終端全球無縫移動性的一個技術上的挑戰(zhàn)和困難在于實現全球統(tǒng)一的頻率規(guī)劃。在世界上的每一個地區(qū)，至少有部分必須的頻譜已經被分配給其他的無線服務。

3G的誕生

1992年，世界無線電會議（WRC）在2GHz附近分配了一個頻段，隨后，國際電信聯盟無線通信部（ITU-R）開始著手定義一份3G系統(tǒng)的要求清單，為滿足這些要求提出了許多技術：包括WCDMA、OFDM、TDSCDMA和ODMA。

一個叫做第三代合作伙伴項目（3GPP）的技術實體被指定分析這些提議的技術。這項工作的結果是，WCDMA成為了3G系統(tǒng)最傾向于采用的技術。3GPP曾經寫過一個技術規(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：

頻分復用模式[FDD]：

物理信道由兩個參數確定：RF信道號和信道碼

適合快速移動應用

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 時分復用模式[TDD]：

物理信道由三個參數確定：RF信道號、信道碼和時隙

適合室內或慢速移動應用

上行和下行鏈路具有相似的容量并占用相同的信道

上行和下行鏈路都有DTx DTX（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，所以如果發(fā)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%. 這種情況能夠節(jié)約電池能量、減輕發(fā)射機元件的工作負擔、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，在無線發(fā)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

在討論WCDMA發(fā)射機之前，本部分對CDMA的原理進行簡單的概述。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制的基帶數據，編碼中含有一定數量的碼片。

產生的擴展數據被調制到載波上用于發(fā)射，被調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，產生帶寬很寬的發(fā)射頻譜，因此使用“寬帶”一詞。

為了提取原始信息，CDMA接收機解調信息載波并使用相關器（帶有原始發(fā)射機擴頻碼）重新生成（解擴）想要的信號。被提取的數據通過一個窄帶的帶通濾波器后根據需要進行進一步處理。

3G WCDMA發(fā)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FDD 3G移動終端Rx/Tx的電氣規(guī)范要求。在討論WCDMA發(fā)射機的要求之前，這部分將描述幾個關鍵的發(fā)射機參數以及它們在發(fā)射機設計中的重要性。

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）內平均功率與發(fā)射信號頻道內的平均功率之比，ACPR描述了由于發(fā)射機硬件非線性造成的失真大小。

ACPR對于WCDMA發(fā)射機來說是至關重要的，因為CDMA調制在調制載波中產生緊密相鄰的頻譜成分。這些成分的互調制導致中心載波兩側頻譜的再生，發(fā)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）是在一個給定時刻理想無誤差基準信號與實際發(fā)射信號的向量差。因為在每個符號變化時它也在不斷的變化，這個新的參數（EVM）定義為誤差向量在一段時間內的RMS值。

EVM對于WCDMA發(fā)射機性能也是十分重要的，因為它表示了發(fā)射信號的調制質量。大EVM值將導致糟糕的檢測精度，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：雜散是發(fā)射機中不同的信號組合產生的信號，諧波是發(fā)射機的非線性特性產生的失真產物。諧波產生在發(fā)射信號頻率的整數倍頻率上。

定義了一些關鍵的發(fā)射機參數以后，我們現在列出了規(guī)范和設計3G WCDMA發(fā)射機終端的一些重要的要求。（表1）

表1. 3GPP發(fā)射機規(guī)范要求

Parameter 3GPP Specification Reference

RF frequency range 1920 - 1980MHz 25.101 [5.2]

Channel spacing Nominally 5MHz

Chip rate 3.84Mcps

Maximum output power 24dBm +1/- 3dB [power class 3] 25.101 [6.2]

Minimum output power -50dBm 25.101 [6.4.3.1]

Transmit off power ＜-56dBm 25.101 [6.5.1.1]

Adjacent channel leakage power ＞-33dBc [if adjacent channel power is ＞-50dBm] 25.101 [6.6.2.2.1]

Alternate channel leakage power ＞-43dBc 25.101 [6.6.2.2.1]

Frequency error Within +/- 0.1ppm 25.101 [6.3]

Transmit intermodulation ＞-31dBc [@5MHz offset]

＞-41dBc [@10MHz offset]

25.101 [6.7.1]

Error Vector magnitude ＜17.5% 25.101 [6.8.2.1]

Spurious emissions 100kHz RBW -67dBm ;925 ＜f＜935MHz 25.101 [6.6.3.1]

-79dBm ;935 ＜f＜960MHz

-71dBm;1805 ＜f＜1880MHz

-36dBm ;30 ＜f＜1000MHz

300 KHz RBW -41dBm ;1893.5 =f=1919.6MHz

1MHz RBW -30dBm ;1GHz =f=12.75GHz

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

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

WCDMA發(fā)射機

Maxim提供多種WCDMA發(fā)射機IC，覆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)內最高集成度的發(fā)射機芯片（MAX236X），提供典型的380MHz Tx 中頻（IF）。另一個超外差系統(tǒng)芯片的例子是MAX2383上變頻器驅動器，采用的高Tx IF頻率達570MHz。為了展示硬件符合3GPP規(guī)范（帶有余量），本部分提供了一些基于第一代Maxim WCDMA發(fā)射機IC的系統(tǒng)電平和分立元件測試結果，這些硬件是v1.0 WCDMA參考設計的一部分。關于更新的零中頻WCDMA參考設計的信息請與廠商聯系。

? ? ? ?圖1.WCDMA收發(fā)機框圖

WCDMA 超外差發(fā)射機

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

MAX2388 接收前端

MAX2309 IF 正交解調器

The MAX2363 正交調制器/上變頻器發(fā)射IC

The MAX2291 RF 功率放大器

發(fā)射機硬件采用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、進行正交調制、IF和RF LO頻率合成以及RF上變頻。IF LO由內部VCO和PLL合成，頻率為760MHz。外部RF VCO模塊提供的-7dBm信號以高端注入方式輸入MAX2363上變頻器。片上RF驅動器使芯片能夠直接驅動外部PA。

在Tx電路前端，芯片級封裝的線性PA（MAX2291）在本應用中提供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)大多數時間都工作在中等功率下而不是全功率。MAX2291提供了兩種輸出功率的優(yōu)化模式用于滿足這個需求，延長了通話時間同時具有下列預期的性能：

Vcc為3.5V DC，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3.5V DC，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發(fā)射機輸出的功率必須在+24dm到-50dBm之間以滿足要求的74dB動態(tài)范圍。v1.0參考設計板設計為80dB的動態(tài)范圍，留出了一些余量。

發(fā)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v1.0參考設計板設計了額外的20dB可變衰減（由PA的增益控制衰減器引入）。從全面的測試結果中提取出來的主要性能參數（表2）證明了Maxim v1.0 WCDMA發(fā)射機符合規(guī)范要求。

表2. Tx在全功率下的輸出特性

Parameter Specification Data @1980MHz Data @ 1920MHz

O/p power @ antenna port 24dBm 24.8dBm 25.5dBm

+/- 3.8MHz ACP * -50dBc -52dBc -52dBc

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

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

Icc @ 3.3V (TX only) - 620mA 615mA

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

Noise @ 1880MHz -135dBm/Hz

*具體的最小/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v1.0 WCDMA參考設計板測得的EVM大約為5.7%（3.5%來自MAX2291 PA，4.6%來自MAX2363 Tx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.

根據郊區(qū)的語音輸出功率分布函數（一個描述了城市和鄉(xiāng)村、數據和語音等不同情況下功率變化情況的統(tǒng)計性能參數），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頻帶內測得的Tx噪聲為-137.0dBm/Hz。如果Tx與Rx的隔離為-50 dB，Rx通道內的Tx噪聲則為-187.0dBm/Hz，這遠低于熱噪聲。也就是說，Tx對Rx總噪聲的貢獻幾乎為零。（本計算已經得到在最大功率和較小功率下測試結果的證實。）

兩幅曲線圖展示了在V1.0 Tx電路天線端口預期得到的典型頻譜形狀。天線輸出24dBm功率時（圖6），情況為：

Icc = 490mA (TX only), and 535mA (TX + RX)

MAX2363 IF DAC 設置 = 110

VGC = 2.4V.

圖6.天線輸出24dBm功率時，V1.0 Tx電路天線端口的典型頻譜形狀

天線輸出-53dBm功率時，即VGC = 1.35V 且絕對輸出功率 = -38dBm的低Tx輸出功率（圖7），情況為：

Icc = 166mA (僅TX)

VGC = 1.35V

IF DAC = 000

PA 偏置設置 = 1

Pout 衰減 = MAX.

圖7.天線輸出-53dBm低功率時，V1.0 Tx電路天線端口典型的頻譜形狀

小結

本文的目的是給讀者提供WCDMA發(fā)射機在理論、設計和規(guī)范要求方面的適當的概述，采用第一代Maxim WCDMA超外差參考設計進行實例展示。Maxim目前的產品還包括直接變頻（零中頻）的WCDMA收發(fā)機。
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