FDD和WCDMA系統(tǒng)發(fā)射機(jī)的設(shè)計(jì)及性能分析

本文討論了移動(dòng)通信向第三代（3G）標(biāo)準(zhǔn)的演化與發(fā)展，給出了范圍廣泛的3G發(fā)射機(jī)關(guān)鍵技術(shù)與規(guī)范要求的概述。文章提供了頻分復(fù)用（FDD）寬帶碼分多址（WCDMA）系統(tǒng)發(fā)射機(jī)的設(shè)計(jì)和測(cè)得的性能數(shù)據(jù)，以Maxim現(xiàn)有的發(fā)射機(jī)IC進(jìn)行展示和說(shuō)明。

移動(dòng)技術(shù)的發(fā)展：邁向3G

第一代（1G）電話是基于很多種類(lèi)似但互不兼容的技術(shù)的模擬蜂窩設(shè)備。它們提供的服務(wù)范圍很有限，主要依靠固定電話網(wǎng)絡(luò)提供服務(wù)。

第二代（2G）電話采用TDMA或CDMA技術(shù)，使用直接調(diào)制到發(fā)射載波的數(shù)字信道。其結(jié)果—更高的頻譜效率—使信號(hào)質(zhì)量、安全、實(shí)際數(shù)據(jù)服務(wù)量和國(guó)際漫游幾個(gè)方面的價(jià)值都得到提升。

第三代（3G）終端的目標(biāo)是提供全球無(wú)縫移動(dòng)性，同時(shí)與部分接入技術(shù)實(shí)現(xiàn)全球兼容，如無(wú)線本地環(huán)路、蜂窩、無(wú)繩和衛(wèi)星系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)終端全球無(wú)縫移動(dòng)性的一個(gè)技術(shù)上的挑戰(zhàn)和困難在于實(shí)現(xiàn)全球統(tǒng)一的頻率規(guī)劃。在世界上的每一個(gè)地區(qū)，至少有部分必須的頻譜已經(jīng)被分配給其他的無(wú)線服務(wù)。

3G的誕生

1992年，世界無(wú)線電會(huì)議（WRC）在2GHz附近分配了一個(gè)頻段，隨后，國(guó)際電信聯(lián)盟無(wú)線通信部（ITU-R）開(kāi)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(shù)：包括WCDMA、OFDM、TDSCDMA和ODMA。

一個(gè)叫做第三代合作伙伴項(xiàng)目（3GPP）的技術(shù)實(shí)體被指定分析這些提議的技術(shù)。這項(xiàng)工作的結(jié)果是，WCDMA成為了3G系統(tǒng)最傾向于采用的技術(shù)。3GPP曾經(jīng)寫(xiě)過(guò)一個(gè)技術(shù)規(guī)范，其中的25.101章包括了WCDMA移動(dòng)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(gè)參數(shù)確定：RF信道號(hào)和信道碼

適合快速移動(dòng)應(yīng)用

上行和下行鏈路在頻域分開(kāi)

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(shí)分復(fù)用模式［TDD］：

物理信道由三個(gè)參數(shù)確定：RF信道號(hào)、信道碼和時(shí)隙

適合室內(nèi)或慢速移動(dòng)應(yīng)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(wú)線語(yǔ)音通信系統(tǒng)效率的方法，這種方法在沒(méi)有語(yǔ)音輸入的時(shí)候隨時(shí)的關(guān)閉移動(dòng)或便攜式電話。典型的2路通話中，每一方說(shuō)話的時(shí)間都略小于總時(shí)間的一半，所以如果發(fā)射機(jī)只在存在語(yǔ)音輸入的時(shí)候打開(kāi)，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(jī)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(hào)共享信道。DTX利用語(yǔ)音活動(dòng)檢測(cè)（VAD）電路工作，在無(wú)線發(fā)射機(jī)中有時(shí)稱作工作語(yǔ)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(dòng)RX，，1920MHz-1980MHz用于移動(dòng)TX。

CDMA原理

在討論WCDMA發(fā)射機(jī)之前，本部分對(duì)CDMA的原理進(jìn)行簡(jiǎn)單的概述。CDMA系統(tǒng)使用的信號(hào)擴(kuò)展方式為“直接序列”擴(kuò)展方式。為了擴(kuò)展信號(hào)，CDMA系統(tǒng)用一個(gè)獨(dú)特的、稱作擴(kuò)展碼的編碼乘以未調(diào)制的基帶數(shù)據(jù)，編碼中含有一定數(shù)量的碼片。

CDMA原理

在討論WCDMA發(fā)射機(jī)之前，本部分對(duì)CDMA的原理進(jìn)行簡(jiǎn)單的概述。CDMA系統(tǒng)使用的信號(hào)擴(kuò)展方式為“直接序列”擴(kuò)展方式。為了擴(kuò)展信號(hào)，CDMA系統(tǒng)用一個(gè)獨(dú)特的、稱作擴(kuò)展碼的編碼乘以未調(diào)制的基帶數(shù)據(jù)，編碼中含有一定數(shù)量的碼片。

產(chǎn)生的擴(kuò)展數(shù)據(jù)被調(diào)制到載波上用于發(fā)射，被調(diào)制的載波帶寬受擴(kuò)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(jī)解調(diào)信息載波并使用相關(guān)器（帶有原始發(fā)射機(jī)擴(kuò)頻碼）重新生成（解擴(kuò)）想要的信號(hào)。被提取的數(shù)據(jù)通過(guò)一個(gè)窄帶的帶通濾波器后根據(jù)需要進(jìn)行進(jìn)一步處理。

3G WCDMA發(fā)射機(jī)規(guī)范要求

3GPP規(guī)范的25.101章（在上文中提到過(guò)）包括了FDD 3G移動(dòng)終端Rx/Tx的電氣規(guī)范要求。在討論WCDMA發(fā)射機(jī)的要求之前，這部分將描述幾個(gè)關(guān)鍵的發(fā)射機(jī)參數(shù)以及它們?cè)诎l(fā)射機(jī)設(shè)計(jì)中的重要性。

鄰近信道功率比［ACPR］：ACPR度量了干擾或者說(shuō)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)平均功率與發(fā)射信號(hào)頻道內(nèi)的平均功率之比，ACPR描述了由于發(fā)射機(jī)硬件非線性造成的失真大小。

ACPR對(duì)于WCDMA發(fā)射機(jī)來(lái)說(shuō)是至關(guān)重要的，因?yàn)镃DMA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，發(fā)射機(jī)的非線性將使這些頻譜再生成分進(jìn)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(gè)給定時(shí)刻理想無(wú)誤差基準(zhǔn)信號(hào)與實(shí)際發(fā)射信號(hào)的向量差。因?yàn)樵诿總€(gè)符號(hào)變化時(shí)它也在不斷的變化，這個(gè)新的參數(shù)（EVM）定義為誤差向量在一段時(shí)間內(nèi)的RMS值。

EVM對(duì)于WCDMA發(fā)射機(jī)性能也是十分重要的，因?yàn)樗硎玖税l(fā)射信號(hào)的調(diào)制質(zhì)量。大EVM值將導(dǎo)致糟糕的檢測(cè)精度，從而降低收發(fā)機(jī)的性能。

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

雜散和諧波：雜散是發(fā)射機(jī)中不同的信號(hào)組合產(chǎn)生的信號(hào)，諧波是發(fā)射機(jī)的非線性特性產(chǎn)生的失真產(chǎn)物。諧波產(chǎn)生在發(fā)射信號(hào)頻率的整數(shù)倍頻率上。

定義了一些關(guān)鍵的發(fā)射機(jī)參數(shù)以后，我們現(xiàn)在列出了規(guī)范和設(shè)計(jì)3G WCDMA發(fā)射機(jī)終端的一些重要的要求。（表1）

表1. 3GPP發(fā)射機(jī)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(jī)

Maxim提供多種WCDMA發(fā)射機(jī)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(nèi)最高集成度的發(fā)射機(jī)芯片（MAX236X），提供典型的380MHz Tx 中頻（IF）。另一個(gè)超外差系統(tǒng)芯片的例子是MAX2383上變頻器驅(qū)動(dòng)器，采用的高Tx IF頻率達(dá)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(jī)IC的系統(tǒng)電平和分立元件測(cè)試結(jié)果，這些硬件是v1.0 WCDMA參考設(shè)計(jì)的一部分。關(guān)于更新的零中頻WCDMA參考設(shè)計(jì)的信息請(qǐng)與廠商聯(lián)系。

圖1.WCDMA收發(fā)機(jī)框圖

WCDMA 超外差發(fā)射機(jī)

本發(fā)射機(jī)是完整WCDMA收發(fā)機(jī)參考設(shè)計(jì)的一部分，包含4個(gè)主要的IC：

MAX2388 接收前端

MAX2309 IF 正交解調(diào)器

The MAX2363 正交調(diào)制器/上變頻器發(fā)射IC

The MAX2291 RF 功率放大器

發(fā)射機(jī)硬件采用380MHz的IF和1920MHz到1980MHz的Tx頻率。雙工器通過(guò)將Tx通道（與Rx通道）連接到天線實(shí)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(hào)作為輸入、進(jìn)行正交調(diào)制、IF和RF LO頻率合成以及RF上變頻。IF LO由內(nèi)部VCO和PLL合成，頻率為760MHz。外部RF VCO模塊提供的-7dBm信號(hào)以高端注入方式輸入MAX2363上變頻器。片上RF驅(qū)動(dòng)器使芯片能夠直接驅(qū)動(dòng)外部PA。

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

完全進(jìn)入工作狀態(tài)以后，WCDMA系統(tǒng)大多數(shù)時(shí)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(gè)需求，延長(zhǎng)了通話時(shí)間同時(shí)具有下列預(yù)期的性能：

Vcc為3.5V DC，高功率模式下測(cè)得：

Pout = 28dBm

頻率 = 1.95GHz

ACP1 = -39dBc （在5MHz 偏移測(cè)得，3.84MHz 帶寬）

功率附加效率 = 37%

待機(jī)電流 Icc = 97mA

Vcc為3.5V DC，低功率模式下測(cè)得：

Pout = 16dBm

頻率 = 1.95GHz

ACP1 = -38dBc （在5MHz 偏移測(cè)得，3.84MHz 帶寬）

功率附加效率 = 14%

待機(jī)電流Icc = 30mA

前邊給出的3GPP規(guī)范規(guī)定WCDMA發(fā)射機(jī)輸出的功率必須在+24dm到-50dBm之間以滿足要求的74dB動(dòng)態(tài)范圍。v1.0參考設(shè)計(jì)板設(shè)計(jì)為80dB的動(dòng)態(tài)范圍，留出了一些余量。

發(fā)射機(jī)芯片的動(dòng)態(tài)范圍是有限的DD通常在高功率時(shí)受到ACPR的限制，低功率時(shí)受到噪聲基底的限制。為了在低功率時(shí)獲得超過(guò)15dB的載波噪聲比（C/N），為v1.0參考設(shè)計(jì)板設(shè)計(jì)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(cè)試結(jié)果中提取出來(lái)的主要性能參數(shù)（表2）證明了Maxim v1.0 WCDMA發(fā)射機(jī)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(jiàn)下面的圖2-5

Tx電路的EVM和ACPR

Tx輸出功率為+24dBm時(shí)從v1.0 WCDMA參考設(shè)計(jì)板測(cè)得的EVM大約為5.7%（3.5%來(lái)自MAX2291 PA，4.6%來(lái)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(cè)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.

根據(jù)郊區(qū)的語(yǔ)音輸出功率分布函數(shù)（一個(gè)描述了城市和鄉(xiāng)村、數(shù)據(jù)和語(yǔ)音等不同情況下功率變化情況的統(tǒng)計(jì)性能參數(shù)），最大輸出功率時(shí)測(cè)得的Tx電路的電流為550mA，輸出22dBm功率時(shí)為365mA。

Tx功率最大時(shí)，Rx頻帶內(nèi)測(cè)得的Tx噪聲為-137.0dBm/Hz。如果Tx與Rx的隔離為-50 dB，Rx通道內(nèi)的Tx噪聲則為-187.0dBm/Hz，這遠(yuǎn)低于熱噪聲。也就是說(shuō)，Tx對(duì)Rx總噪聲的貢獻(xiàn)幾乎為零。（本計(jì)算已經(jīng)得到在最大功率和較小功率下測(cè)試結(jié)果的證實(shí)。）

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

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

MAX2363 IF DAC 設(shè)置 = 110

VGC = 2.4V.

圖6.天線輸出24dBm功率時(shí)，V1.0 Tx電路天線端口的典型頻譜形狀

天線輸出-53dBm功率時(shí)，即VGC = 1.35V 且絕對(duì)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(shè)置 = 1

Pout 衰減 = MAX.

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

小結(jié)

本文的目的是給讀者提供WCDMA發(fā)射機(jī)在理論、設(shè)計(jì)和規(guī)范要求方面的適當(dāng)?shù)母攀?，采用第一代Maxim WCDMA超外差參考設(shè)計(jì)進(jìn)行實(shí)例展示。Maxim目前的產(chǎn)品還包括直接變頻（零中頻）的WCDMA收發(fā)機(jī)。

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