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射頻/無線  

利用RF功率檢測器控制CDMA行動基地台和接取終端功率

上網時間: 2004年10月01日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:CDMA 

每個行動基地台對於同一蜂巢式內和相鄰蜂巢式的用戶來說都是一個干擾訊號源,因此良好的發射功率控制對於提高CDMA系統通訊性能和容量來說都十分重要。本文介紹的CDMA系統中的閉環功率控制方法能有效控制行動基地台功率,文章還介紹了高精密度RF功率檢測器LMV225實現功率控制的實際應用。

CDMAIS-95蜂巢式網路自從1996年開始商業化以來,已證明CDMA技術是推進蜂巢式式個人通訊產業發展的最佳無線技術。據CDMA發展組織(CDG)報告稱,2004年前六個月CDMA用戶成長2,400萬,全世界的總用戶數達到2.125億。所有主流的第三代標準,如CDMA2000、W-CDMA和TD-SCDMA都以CDMA作為接取方法。CDMA基於擴頻調變技術,而擴頻原理又設立在Shannon資訊理論基礎之上。Shannon容量定律規定,在加性白高斯噪音中訊息通道容量為:

其中:Csk為訊息通道傳輸容量,單位是bps;BRF為訊息通道頻寬,單位是Hz;SNR為訊息噪音比。

與窄頻系統(即BRF較小)相較,要實現相同容量的Csk,寬頻系統(即BRF較大)需要的訊息噪音比SNR較小。從另一方面來講,在特定頻寬BRF的訊息通道中,較高的SNR有更大的傳輸容量。這意味著,如果所有用戶都傳輸相同量的數據,同一訊息通道可以擁有更多的用戶。圖1:線性放大器中的典型的功率控制。

功率控制在CDMA反向鏈路中的重要性

由於任何行動基地台都可以看作是對同一基地台覆蓋區域中其他用戶以及鄰近蜂巢式手機用戶的干擾源,因此行動基地台的發射功率控制對於CDMA執行性能和系統容量來說十分重要。因此,處於執行狀態中的行動基地台越多,系統內的干擾就越大;行動基地台發射能量越低,總干擾也就越低。也就是說,在射頻載波頻寬BRF內的SNR越高,系統容量Csk就越大。

功率控制方案主要是將行動基地台的發射能量設置到最低水準,這樣基地台就可以從各行動基地台接收到相近功率電平的訊號。在該條件下,基地台輸入端的訊息噪音比為:SNR=1/(M-1),M是該基地台的用戶總數。

綜合上述,在CDMA系統中實行功率控制的主要好處有:

1. 增加系統容量


2. 最小化Near-Fare效應


3. 降低行動基地台的功耗

行動基地台或接取終端的IS-95和CDMA2000功率控制

功率控制的特徵是透過估計最佳發射能量水準,並對網路或基地台發送的功率控制指示作出響應,來控制反向鏈路中干擾訊號電平。

在CDMA IS-95和CDMA2000 1X中,基地台決定功率控制;而在CDMA2000 EV-DO中,接取終

端執行功率控制。兩種標準的功率控制方案是相似的,它採用兩種功率控制方法,即開環控制和閉環控制。

1. 開環功率控制

開環方法是利用行動基地台接收器的功率水準PRX來估計前向鏈路損耗,然後指定行動基地台的初始發射功率PTX,這樣基於不同用戶終端選擇(如蜂巢式、PCS或是3G),前向和反向鏈路的功率之和保持為一個常量,即PTX+PRX為常數。PRX透過Eb/Io運算得到,它由行動基地台的數位訊號處理器(DSP)測量。

得到了初始的PTX之後,行動基地台和基地台均開始閉環控制。根據所執行的CDMA標準,基地台給行動基地台發送一個誤差訊號,指示行動基地台增加或減少一個單位的能量。圖2:LMV225、隔離器和功率放大器構成的射頻發射電路。

2. 閉環功率控制

閉環功率控制包含兩個步驟:外環(僅基地台進行)和內環(行動基地台和基地台同時進行),在IS-95和CDMA 1X中閉環控制可以達到800Hz的功率控制速率。

閉環功率控制的主要目的是為了根據基地台的測量結果,最小化訊號多徑傳播損耗所造成的快速衰減效應。結合使用外環和內環兩個閉環功率控制過程,可以在20毫秒的訊框間隔中做到20∼35dB的衰減補償,動態範圍可達80dB。

a. 外環閉環功率控制

在外環中,基地台每20毫秒為接收器的每一個訊框規定一個目標Eb/Io(從行動基地台到基地台)。出現訊框誤差時,該Eb/Io值自動按0.2~0.3為單位逐步減少,或增加到3∼5dB。

整個外環閉環控制步驟只與基地台有關,而與行動基地台無關。

b. 內環閉環功率控制

在內環,基地台每1.25毫秒比較一次反向訊息通道的Eb/Io和目標Eb/Io,然後指示行動基地台降低或增大發射功率,這樣就可以達到目標Eb/Io。對於CDMA2000,功率變化幅度單位在±0.25dB∼±0.5dB之間,而對於CDMA IS-95,功率變化幅度為±1.0dB。其修正的速率為800bps。

CDMA行動基地台中功率控制的硬體實現

總之,CDMA IS-95需要行動基地台每1.25毫秒以±1.0dB的幅度調整一次發射功率,而CDMA2000可以是±0.25dB∼±0.5dB。圖1所示為手持設備的線性功率放大器訊號鏈的一般輸出功率控制。由於CDMA需要很高的線性度,輸出功率放大器通常被偏置在一個固定的增益上,然後該輸出功率水準必須透過增益控制線性驅動放大器進行調整,該放大器在CDMA行動基地台中通常稱為自動增益控制(AGC)放大器。

實驗發現,由於使用了隔離器(如Murata圖3:採用LMV225/MSM6500的單頻段CDMA2000功能框圖。 CE04和CES30)和高精密度射頻功率檢測器LMV225,圖2中的射頻發射結構能夠減少功率放大器的直流功耗。隔離器為功率放大器的輸出提供了一個近乎完美的50歐姆負載,而LMV225能夠檢測精確的發射功率水準。然後,行動基地台的DSP將輸出功率設置到基地台所需要的水準。在這一應用電路中,使用了一個電阻器將主訊號訊息通道的射頻訊號轉移到LMV225的輸入端。此外,還需要一個約100pF的電容器來進行隔直,防止使能控制訊號進入主訊號通道。由於不希望直流電壓進入功率放大器的輸出端或隔離器,這個隔直電容器十分必要。由於已經有了一個隔離器,因此大部份被轉移的射頻能量都是來自發射功率放大器。來自天線的反射能量將轉移到隔離器的內建50歐姆負載上,很少能夠到達電源放大器的輸出或LMV225。因此,被耦合到LMV225的功率可以用20log[R1/(R1+50)]來估算。

實際的測試結果發現,電源電流為500mA、鄰訊息通道功率抑制(ACPR)為-40dBc的功率放大器失真性能可以改善到電源電流為450mA、鄰道功率抑制為-50dBc。在該情形下電流下降了10%,失真改善了約10dB。

現在我們已經證明,對於IS-95、W-CDMA、CDMA2000和TD-SCDMA空中介面,LMV225和一個CES30隔離器能夠在線性CDMA功率放大器的應用中,在功耗和射頻失真方面表現出較好的性能。事實上,由於在發射訊號通道中元件的不確定性和變化(像AGC、功率放大器的增益以及被動元件的損耗等),為了實現嚴格的內環閉環功率控制,CDMA2000行動基地台或接取終端有必要採用LMV225作為發射功率檢測器。

行動基地台發射訊號通道

圖2中的射頻發射電路架構可以用於很多種不同的CDMA晶片組。圖3是一個為CDMA2000 1X或EV-DO單波段手持設備發射功率檢測而推薦的LMV225應用簡圖。在這種發射器結構中,輸出到天線的功率為:

RFout=PRFT-LSAW+GPA-LISOLATOR-LDUPLEXER

其中:RFout為到天線的射頻功率(假定已實現50(阻抗負載);PRFT為射頻發射器晶片的輸出功率;LSAW為聲表面波濾波器的插入損耗;GPA為CDMA功率放大器的固定增益;LISOLATOR為隔離器的插入損耗;LDUPLEXER為雙工器的插入損耗。

由於R1和LMV225已經為訊號通道構成了一個高阻抗的並聯負載,這裡R1和LMV225構成的電阻功率分配器的插入損耗可以忽略不計。在室溫下,可以將LSAW、GPA、LISOLATOR和LDUPLEXER看成不變的。那麼,至天線的射頻功率RFout就可以透過PRFT調節,而PRFT受發射晶片中的AGC控制。實際上,AGC放大器通常支援IS-95或CDMA2000所要求的80dB動態範圍。我們還發現,CDMA行動基地台大部份工作時間的輸出功率為中等大小,因此從中等輸出功率到高輸出功率的變化過程中,功率控制的精確度十分重要。不當的高功率電平會減少行動基地台的通話時間,並對其他網路用戶產生更多的干擾。

LMV225的優點圖4:採用LMV225/MSM6500的雙頻段CDMA2000功能框圖。(萸僻溫湮芞)

為在CDMA手持設備中提供最佳的功率檢測範圍,LMV225的設計進行了最佳化。如上所述,從中功率到高功率精確的功率控制尤為重要,採用耦合電阻R1使LMV225能知道射頻訊號出現的關鍵範圍。假設將AGC設置在高/最高增益上以實現CDMA功率放大器的最大輸出,比如28dBm。如果此時射頻發送訊號的振幅因子為3dB,那麼CDMA功率放大器的瞬時峰值功率將為28+3=31dBm。如果我們選擇它作為LMV225應該能檢測到的最大參考點,即當功率放大器的瞬時輸出功率為31dBm時,輸入到MV225的RFin/使能接腳為0dBm,應該採用一個31dBm的耦合因子。我們發現用一個1.8K(的R1能夠在本電路中產生一個31dBm的耦合因子。

LMV225的線性特徵

LMV225有30dB的線性檢測範圍,這一特徵減少了生產校準過程的複雜度。校準過程是CDMA行動基地台生產過程中的一個重要環節。使用自動測試設備來收集控制碼/訊號從弱到強過程中的行動基地台輸出功率資訊,將該資訊保存在行動基地台的記憶體中以供現場使用。基地台請求輸出功率時,行動基地台的DSP從記憶體中找出實現請求輸出功率水準應採用的控制碼/訊號。

市場上的一些AGC在控制訊號和輸出增益之間可能存在指數特性,如果和LMV225一起使用的是這種AGC,與其它檢測方法(如二極體檢測)相較,以dB為單位的線性特徵不會使原始控制曲線比原始AGC特徵曲線更複雜。然而,如果AGC有一個線性控制範圍,以dB為單位的線性特徵將把校準點從20多個減少到2個左右。兩點校準過程基於下面的原理:在一個二維平面內,只需要兩個不同的點就可以表示一個一階線性方程式。如果方程式為y=mx+b,用兩個測試坐標(x1,y1)和(x2,y2)就可以運算出斜率m和截距b。

雙波段CDMA2000行動基地台中的LMV225

圖4為用於CDMA2000手持設備的推薦框圖。雖然電阻R1和R1'可能並不相同,用戶還是可以對兩個波段的性能進行最佳化使R1和R1'的值相同。另一方面,由於在實際應用只有一個功率放大器處於工作狀態,且電阻R1或R1'通常提供30+dB的隔離,低波段和高波段之間的隔離應該處於可以接受的範圍內。

作者:Barry Yuen


射頻系統工程師


美國國家半導體公司





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