Global Sources
電子工程專輯
 
電子工程專輯 > 放大/轉換
 
 
放大/轉換  

透過前端計算降低W-CDMA行動設備誤碼率

上網時間: 2002年02月09日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:W-CDMA  BER  RF  handset  手機 

隨著W-CDMA的最終規範即將完成,具有語音和數據功能的無線上網手機也將面世,但要使這類產品真正實現商用化,設計人員必須首先要想辦法降低射頻前端的誤碼率。本文介紹W-CDMA手機接收器的參數計算方法,討論如何確保將誤碼率降到0.001以下。

第3代(3G)手機將把多媒體應用與無線網際網路及含有語音數據服務的電話功能融合在一起,目前該技術已趨於成熟。3G合作計劃組織(3GPP)全球標準小組正在為採用寬頻CDMA(W-CDMA)協議所必需的標準化文件做準備,該協議既可用於通用陸地無線接入(UTRA)頻分雙工(FDD),也可用於UTRA時分雙工(TDD)標準,新的行動無線性能需求與這些新標準密切相聯。

對RF手持設備和其它行動設備的設計人員來說,他們需要了解如何才能從無線發射接收規範及終端一致性規範中提取出以誤碼率(BER)給出的可測量參數,對於像W-CDMA之類的新標準尤其如此,因為大多數RF設計人員沒有完整的基頻數據機,而這種數據機可以使其以BER形式對無線性能進行測量。

要得到UTRA FDD(以下稱為W-CDMA)行動接收器的RF設計參數,需要發射?接收規範以及手機設計具體實現所要求的性能指標。和許多無線標準一樣,最終我們可以証明設計產生的局限比規範本身更重要。

本文討論的手機都假設在IMT-2000頻段工作,功率等級為3(行動Tx:1,920∼1,980MHz,行動Rx:2,110∼2,170MHz),採用190MHz固定雙工偏移。

靈敏度測試

接收器靈敏度是指BER不超過0.001時天線處測得的W-CDMA信號最小輸入功率。在該BER條件下,收到的下行(基地台到手機)信號[ea]的功率應小或等於-106.7dBm/3.84MHz,且DPCH_Ec(專用物理通道每個PN晶片平均功率)應小或等於-117dBm/3.84MHz。[ea]是合成下行信號,因此可能包含傳送到各單元和地方的多個不同手機的數據。

DPCH_Ec是接收器在測試時的信號功率,可用於靈敏度計算。下行信號用戶數據傳輸率為12.2kbps,傳播晶片傳輸率為3.84Mcps,設計的目標是應用該接收器靈敏度要求並將其轉換成所需的輸入參考噪音係數。

但是在完成之前,還需要對一些其它參數進行計算。首先是系統的過程增益(Gp),它代表給定了編碼增益和信號頻寬減少時,解調過程能達到的信噪比改善程度。對已定義的下行信號可用下式計算:

還必須計算BER為0.001時基頻接收器所要求的Eb/No值。前期模擬結果顯示0.001BER所需DPCH_Ec/[ea](專用物理通道每個PN晶片平均發射功率與頻譜密度全部發射功率之比)為-18.8dB,這此藉由下式就可算出Eb/No:

[e2]

其中

[e3]

3GPP無線接入網路技術規範組(RAN4 TSG)規定在理論值5.2dB上要增加2dB富餘量,因此Eb/NoIMPs=7.2dB。

有了過程增益和Eb/No之後,W-CDMA手機最大輸入參考噪音係數可按下式計算:

[e4]

其中

K(波茲曼常數)=1.38x10-20mJ/K

To=290K

B(W-CDMA信號頻寬)=3.84MHz

DPCH_Ec=-117dBm/3.84MHz

上式假設在接收器靈敏度測試中只有熱噪音和接收器電路所產生的噪音,但如果W-CDMA手機是在全雙工模式下工作且進行接收器靈敏度測試時要求發射器也同時工作,則進入接收器頻段的發射器噪音也是一個影響因素。

根據RF電路的物理佈局情況,發射器噪音可於不同的地方進入接收器電路中,但如果IF和RF級的接收器和發射器之間隔離足夠遠,則耦合主要藉由雙工器完成。

圖1顯示了發射器噪音如何藉由手機的雙工器耦合進入接收電路。由於發射器噪音與接收頻段(Rx)熱噪音互不相關,所以二者的功率可以對數相加,因而提高了噪音強度。

舉一個例子,假設一W-CDMA手機功率放大器發出的噪音在Rx段不超過-140dBm/Hz(該值是在全功率輸出時於功率放大器輸入端用RF濾波器測量得到的),如果隔離器插入損耗和雙工器在Rx波段中的Tx-Rx隔離電平分別是0.5和45dB,那麼加入額外噪音後應對手機最大噪音重新計算,不過必須首先計算接收頻段內發射器Rx頻段的噪音功率:

PTXN=PPAN-LossISO-IsolationDup=-185.5dBm/Hz

其中

PTXN:手機發射器在Rx波段產生的噪音功率

PPAN(落在Rx波段190MHz之外的功率放大器輸出端噪音)=-140dBm/Hz

LossISO(隔離器在Rx頻段的插入損耗)=0.5dB

IsolationDup=45dB

現在可將該噪音功率轉換為噪音溫度,並與系統的環境噪音溫度相加,得到一個給定Tx噪音分佈下的有效噪音溫度:

-185.5dBm/Hz=kTTx

TTx=20.4K

TEFF=20.4+290=310.4K

其中

TTx:發射器產生的Rx波段噪音溫度

TEFF:給定Tx和熱噪音時的系統有效噪音溫度

算出有效噪音溫度後,就可得到手機接收器新的最大噪音係數,這個新噪音係數包括熱噪音、接收器元件噪音和Tx噪音的影響:

[e6]

和設想的一樣,加入發射器噪音影響後手機最大噪音係數將有所降低。

過去,運營商推出新系統時總是向手機設計人員施加壓力,要求盡可能超過規範的要求。將之與設計人員對製造利潤的要求結合在一起,使得W-CDMA手機的標稱噪音係數一般在6dB範圍內。

上面得到的這幾類噪音係數符合單模設計手機性能,多模終端(W-CDMA/GSM/DCS)由於前端損耗增加,對設計人員來說將更為困難。在W-CDMA模式中,手機可以設計為帶兩個天線,這樣具有更好的噪音係數並增加發射器功效。

動態範圍

嚴格的動態範圍規範對W-CDMA接收器提出了大量信號處理方面的要求,當天線上平均輸入功率為-25dBm/3.84MHz時,手機的BER不得超過0.001。對標準定義W-CDMA下行信號來說,峰值與平均功率之比約為7dB左右時天線處最大功率可以達到-18dBm/3.84MHz。隨著下行信號電平達到元件輸入1dB壓縮點(P1dB),信號失真程度將會升高,從而降低Eb/No並增加BER。

對IS-95而言,通常將Rx自動增益控制(AGC)設計為輸入信號電平達到最大時,靈敏度降低不超過0.25dB。這種要求部份程度上限制了引入到開環功率計算中的誤差,靈敏度降低0.25dB所需補償可使用等於Acosωt的功率冪級數和輸入信號計算,公式如下:

[e7]

由上式可知,位於ω處的增益為:

[e8]

當輸入信號在壓縮點得到的補償為下面結果時,靈敏度將會降低0.25dB:

[e9]

實際中通常採用旁路低噪音放大器(LNA)來幫助減小這種要求對Rx AGC的影響(圖2)。LNA處於旁路模式時,AGC輸入信號電平一般情況下大約要減少17dB。可以利用這種特性使AGC線性度和電流消耗降低,同時由於很多有這種旁路特性的LNA在旁路模式中並不消耗任何電流,因此可進一步減少整個接收器所需的功率。

鄰通道選擇係數定義為在指定通道的中心頻率偏移5MHz處有一個相鄰通道時,接收器在指定通道頻率接收W-CDMA信號的能力。以這?的測試為例,所需信號功率為-103dBm/3.84MHz,調變干擾信號功率為-52dBm/3.84MHz。通常情況下,接收器鄰通道選擇係數要受濾波器或相噪音的限制。

IF和基頻部份的濾波決定了將有多少鄰通道干擾信號漏過接收器出現在解調器?,下變換完成之後,RF本機振盪器的相噪音可與鄰通道干擾信號相互混合到頻帶中,從而給調解過程增加另一個噪音(圖3)。

降低噪音

我們的方法是在已知W-CDMA手機通用壓控振盪器相噪音條件下,計算IF和基頻中所需的鄰通道濾波量。計算完成後,RF本機振盪器的相噪音可人為地反射回接收器輸入端,並可採用類似於計算接收器噪音係數的方法來計算選擇係數。

偏移頻率為5MHz的相噪音反射回輸入端的強度取決於接收器前端增益,計算中假設增益序列如圖2所示。如果在偏移頻率為5MHz處的W-CDMA VCO相噪音是-140dBc/Hz,那麼它將在下變換混頻器輸出端與鄰通道干擾信號(-31dBm/3.84MHz)混合進入頻段內,強度為-105.2dBm/3.84MHz,然後再以-126.2dBm/3.84MHz的強度反射到接收器輸入端:

[e10]

此處的PADJ是BER仍然保持為0.001時系統可處理的總額外干擾功率,它減去相噪音後還剩下:

[e11]

這?

PFilter是IF和基頻需要濾除的干擾功率。

Pphase是本機振盪器(LO)相噪音帶給系統的噪音功率。

現在就可以計算接收器通道選擇濾波器所需的鄰通道選擇係數:

S=-52+85.4=33.4dB

由於測試中所需前向信號從-117dBm/3.84MHz升高到-103dBm/3.84MHz,所以接收器噪音係數和RF本機振盪器相噪音對於系統要求的選擇性係數影響不大。

在一般W-CDMA接收器中,IF和基頻都會出現通道選擇濾波,為W-CDMA手機設計的IF SAW濾波器通常鄰通道抑制約為30dB,基頻低通濾波器可再提供20dB,因此串聯起來選擇係數可達50dB,因此能很容易超出系統的要求。

互調響應抑制是指有兩個或更多干擾信號存在的情況下,接收器在指定通道頻率接收所需信號的能力,其中干擾信號和所需信號頻率之間有一定關係。在本文例子中,定義了兩個干擾信號,一個是偏移量為10MHz強度為-46dBm的連續波(CW)干擾信號,另一個是偏移為20MHz強度為-46dBm/3.84MHz的W-CDMA調變信號。兩個信號在一非線性電路內混合後將產生三階諧波,其中一個和所需接收信號處於同一波段。

利用這些資訊再加上所需信號強度(DPCH_Ec=-114dBm/3.84MHz)、RF LO在10MHz和20MHz處的相噪音(分別為-145dBc/Hz和-150dBc/Hz)以及解調器上面兩個干擾信號的功率,就可計算出接收器三階輸入截點(IIP3)。這與鄰通道選擇係數計算類似,需利用商用W-CDMA VCO的相噪音和商用IF SAW濾波器選擇係數,以及W-CDMA混合信號IC來計算所需IIP3值:

[e13]

這?

PINT是落入頻帶內三階諧波以及伴隨帶內相噪音和解調器上兩個干擾信號的總功率。

可以再次把相噪音強度作為無線輸入量,如同鄰通道選擇係數應用那樣,本例中相噪音與10MHz和20MHz干擾信號相互混合。

在給定IF和基頻通道選擇濾波器條件下,假設這兩個干擾信號的選擇係數均為80dB,則它們在解調器上的功率也可認為是接收器的輸入,這樣就可算出帶內三階諧波產生的干擾功率:

[e14]

這?

PPhase10(混入波段偏移為10MHz的相噪音功率)=-125.2dBm/3.84MHz

Pphase20(混入波段偏移為20MHz的相噪音功率)=-130.2dBm/3.84MHz

P10MHz(解調器上偏移為10MHz干擾信號的帶內輸入參考功率)=-118dBm/3.84MHz

P20MHz(解調器上偏移為20MHz干擾信號的帶內輸入參考功率)=-118dBm/3.84MHz

PIM3:降到所需Rx頻率的三階信號功率

同樣可以把相噪音忽略掉,求得IIP3:

[e15]

如果LNA線性度不夠,則從發射器漏到接收器前端的信號將使LNA靈敏度降低(圖4)。為了防止出現這種情況,LNA IIP3或輸入P1dB必須提高並超出互調測試中所設置的要求,也可使用功率冪級數表示方法來解釋強閉塞信號(在此為發射信號)如何引起靈敏度降低。

在所需信號較弱(A1cosω1t)、閉塞信號較強(A2cosω2t)並且都給定情況下,電路視在增益可按下式計算:

[e16]

由上可知,位於ω1的增益為:

[e17]

電路的視在增益是A2的函數,如果α3是負值,則設備位於ω1的增益將隨A2增大趨向於零。

對於一個單頻段功率等級為3的手機,需要從功率放大器中分出約27dBm功率以確保有24dBm功率用於天線。在Tx波段,典型的W-CDMA雙工器可提供50dB Rx-Tx隔離,因此到達LNA輸入端的信號平均電平約為-23.5dBm(峰值為-20dBm)左右。

藉由在實驗室測量LNA噪音係數與干擾信號強度的對比可以看到靈敏度降低造成的影響,對本文中的測試來說,可變偏移LNA的噪音係數是在反向鏈路W-CDMA信號增加時測量得到的,結果顯示了兩個不同偏移(線性)設置時LNA噪音係數降低的情況。如圖5所示,當干擾信號峰值功率接近放大器輸入P1dB時,噪音係數將增大,或者說增益將降低。

假設LNA噪音係數或增益不受發射器洩漏的影響,則可選擇-7dBm輸入P1dB或4dBm IIP3作為LNA校正線性設置。由於設備線性度更高以及RF鏡像抑制濾波器產生的Tx信號衰減,所以這並不影響對混頻器的要求。

系統計算

我們再次回到圖2,可以計算接收器的串聯參數看它們是否滿足或超過3GPP技術規範25.101 V3.4.1所要求的標準,這些參數還可以解決這?檢查出來的實現問題。

我們以最低性能標準為例,並考慮到設計者在實現時必須注意的事項,探討了一些對W-CDMA接收器的要求。只要給出所需的額外濾波資訊,就可以按照上面討論參數的類似方式算出3GPP技術規範25.101 V3.4.1的阻塞和偽響應要求。

隨著越來越多手機要求具有多頻段和多模式功能,以及同時希望加入諸如GPS和藍芽等特性,3G手機設計人員所面臨的挑戰也越來越大,3G手機的成功將取決於設計業界能否拿出體積更小、整合度更高、成本更低以及功耗更低的解決方案。

Thomas Gee

高級技術人員

安捷倫科技公司無線半導體事業部

tom_gee@agilent.com





投票數:   加入我的最愛
我來評論 - 透過前端計算降低W-CDMA行動設備誤碼率
評論:  
*  您還能輸入[0]個字
*驗證碼:
 
論壇熱門主題 熱門下載
 •   將邁入40歲的你...存款多少了  •  深入電容觸控技術就從這個問題開始
 •  我有一個數位電源的專利...  •  磷酸鋰鐵電池一問
 •   關於設備商公司的工程師(廠商)薪資前景  •  計算諧振轉換器的同步整流MOSFET功耗損失
 •   Touch sensor & MEMS controller  •  針對智慧電表PLC通訊應用的線路驅動器
 •   下週 深圳 llC 2012 關於PCB免費工具的研討會  •  邏輯閘的應用


EE人生人氣排行
 
返回頁首