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射頻/無線  

TD-SCDMA手機射頻前端設計

上網時間: 2005年07月25日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:TD-SCDMA  RF  ACLR  雙音互調  EVM 

本文將以Maxim公司在今年首季開發的商用化TD-SCDMA手機射頻晶片為例,探討在基於此晶片參考設計基礎上設計TD-SCDMA手機射頻前端設計中應考慮的一些關鍵技術問題。

TD-SCDMA與另外兩種第三代行動通訊標準相比有四大技術特點:雙向智慧天線技術、反向鏈路同步技術、反向聯合檢測技術、動態通道分配技術,其中雙向智慧天線技得益於它收發同頻。除四大技術特點外,TD-SCDMA還有終端費用低、營運成本低的優勢,終端費用低得益於TDD工作模式;營運成本低得益於收發同頻,不需要成對頻點。

Maxim已推出MAX2507和MAX2392兩款TD-SCDMA手機射頻晶片,其中MAX2507是發射晶片,整合了自類比I/Q至功率放大器輸出的所有電路,主要功能模組包含I/Q正交調變器、混頻器、可變增益放大器、功率放大器、射頻本振VCO、射頻鎖相環、中頻本振電路、射頻功率檢波器。MAX2392是零中頻接收晶片,整合了自低噪音放大器至類比I/Q輸出的所有電路,主要功能模組包括低噪音放大器、I/Q正交解調器、可變增益放大器、通道選擇濾波器、DC-Offset自動去除電路、I/Q幅度自動校準電路、VCO、鎖相環。Maxim同時提供參考設計方案(圖1),該方案的有效射頻PCB面積為6.6平方公分,工作在3-3.6V,可直接由單節鋰電池供電。

圖1:TD-SCDMA手機射頻單
元參考設計功能結構圖。

3GPP針對TD-SCDMA終端規定了很多技術指標,這些指標根據其制定的目的可以分作三大類:一是為滿足系統自身的需要而設定的指標,如發射機輸出功率等級、功率控制精度、最小可控發射功率、發射訊號調變精度EVM、接收機靈敏度、最大可接收訊號幅度、頻率穩準度等;二是為反映系統強韌性而設定的指標,如接收機雜散響應指標、抗單音雙音干擾指標、接收機鄰道選擇性指標ACS等;三是為防止該系統對系統自身或其它系統造成干擾而設定的指標,如收發訊機雜散輻射指標、發射機鄰道功率泄漏ACLR、發射訊號頻域模板、發射機互調指標等。本文僅就一些具有挑戰性的指標加以討論。

ACLR指標

ACLR指標是為防止發訊機對鄰近頻點通道造成干擾而設定的指標,它也是衡量發射機非線性失真程度的一個重要指標。TD-SCDMA訊號屬於非?包絡調變,它的成型濾波器是根升餘弦濾波器,滾降係數為0.22,因此當通道存在非線性幅度壓縮時,在TD-SCDMA訊號頻譜兩側會產生新的頻譜成份,ACLR指標是指落入鄰近通道的訊號與主通道訊號功率之比。TD-SCDMA標準規定相鄰通道ACLR指標應不大於-33dBc,隔一通道該指標應不大於-43dBc,但當洩漏到鄰近通道的訊號功率小於-55dBm時,可不考慮ACLR指標。MAXIM參考設計在最大發射功率時,鄰通道與隔一通道ACLR指標都有較大裕量。

MAX2507還有一個特點就是它在小訊號發射時,ACLR指標並不是變得非常好,看來是一個缺點,實際上這恰恰是MAXIM工程師在設計MAX2507時的獨具匠心之處。MAX2507保證ACLR指標在所有發射功率電平下均能滿足標準要求,且有一定裕量的同時,根據發射功率大小自適應地調整功率放大器偏置電流,這使得該晶片在實際應用中非常省電。

發射訊號頻譜模板

發射訊號頻譜模板與ACLR都是為防止發訊機對鄰近頻點通道造成干擾而設定的指標,都是由通道的非線性幅度壓縮而引起的,較ACLR指標相比,該指標更嚴格一些。ACLR指標只是粗略地規定了再生頻譜分量與主通道頻譜分量功率之比,而頻譜模板則詳細規定了再生頻譜分量在偏離載波0.8MHz至4MHz範圍內的相對大小。如果你測試過一些線性功率放大器,就會發現有時ACLR指標很好,但卻不能滿足頻譜模板的要求,原因是再生的頻譜分量上下兩個邊帶不對稱,且邊帶的形狀並不是想像中的3階、5階頻譜的疊加形狀,其形狀之所以較理想非線性產物頻譜有較大差異,是因為它和非線性元件輸入輸出匹配有關。雖然MAX2507已設計成50歐姆輸入輸出阻抗以方便客戶使用,但實際應用中MAX2507功率放大器前後的電路並不總是很理想,這樣就造成了再生頻譜分量的不對稱和某些頻點處有凸包出現,以至於不能滿足頻譜模板的要求。為對付該問題,MAXIM在MAX2507內部設計了一個巧妙的電路,透過更改暫存器數值來補償外部電路的非理想性,從而可以輕鬆解決該問題。

發射訊號調變精度EVM

EVM是衡量發射機發射訊號調變精度的一個重要指標,需注意的是該指標不是簡單定義射頻訊號的調變精度,而是先將射頻訊號映射到I/Q平面,然後經過匹配濾波器,再抽樣得到離散的I/Q數值,EVM衡量的是該離散I/Q數值的精度。它與射頻訊號的精度是不一樣的,原因是在求離散I/Q數據點時採用了成型濾波器,在頻域上看該濾波器可以將頻帶外噪音抑制掉一些,進而提高了調變精度指標。3GPP標準中還指出在測量時,應盡可能地調整解調過程中本振的頻率和相位,以及採取所有可能的措施使最終誤差最小,這也就是說射頻調變訊號中有些失真與干擾將不計入EVM值,這些包括射頻通道的線性失真、載波泄漏、I/Q正交調變器的移相偏差、正交分量與同相分量幅度的不平衡,這樣算下來,影響EVM指標的還有兩大因素:相位噪音與非線性產物。方程1是一個簡化公式用來估算EVM值。

EQ1

其中,ACLR是指相鄰通道的ACLR測量值,是累積相位誤差,9.5是針對TD-SCDMA標準的修正值。

圖2:交叉調變現象舉例。

為驗證方程1是否正確,我們先利用ESG訊號源產生簡單的QPSK I/Q訊號,這裡碼片速率為1.28M,成型濾波器為0.22滾降係數的根升餘弦濾波器,將該訊號加到圖1所示參考設計的輸入端,調整參考設計配置使其輸出功率為21dBm,這時利用FSIQ測得EVM約等於3.5%,鄰通道ACLR為-38.5dBc;接下來我們移開ESG訊號源,將參考設計的TxI+短接到地,因此在天線埠得到一個正弦波訊號,用FSIQ測量該正弦波的相位噪音,最後計算出1kHz-1MHz範圍內累積相位噪音約為1.5度。我們將上面測試結果代入方程1式得到:

EQ2

比較EVM測量值和計算值,其誤差不到一個百分點,可見方程1作為EVM的估算公式還是很有效的。3GPP標準要求EVM指標不大於17.5%,由上面測試結果可以看到圖1所示參考設計有很大裕量。

接收機靈敏度與NF

接收機靈敏度是一個系統指標,不僅接收機射頻通道的性能影響該指標,基頻單元的解調演算法也會影響該指標,用此指標來直接衡量射頻接收機的性能好壞顯然不合適。接收機射頻通道對小訊號的惡化主要是加性白(additive white)噪音的影響,它反應接收機的噪音係數指標。相位噪音也會影響訊號接收品質,但在小訊號時相對加性白噪音的影響則微乎其微,故在此不考慮相位噪音的影響。因此當接收機基頻單元確定的情況下,接收機靈敏度訊號電平則與整機噪音係數有著直接對應關係。3GPP TR 25.945標準指出只要接收機噪音係數不大於9dB,整機就應該滿足靈敏度指標(靈敏度電平為-108dBm)要求,這裡也暗示了如還有問題,則應該是基頻解調的問題,與射頻接收機無關。圖1所示的參考設計整機噪音係數約為5.7dB,相對9dB的最低要求有3.3dB裕量,因此採用該射頻晶片的手機其整機靈敏度應能達到-111dBm。

接收機非線性指標要求

3GPP TD-SCDMA標準眾多指標中有很多與接收機非線性有關,這些指標歸納起來有兩類:一類是為防止小訊號時強干擾造成性能下降而設定的指標,如阻塞、雜散響應、雙音互調;另一類指訊號自身幅度太強,這裡僅有一個指標就是最大輸入訊號電平指標。為靈活應對這些指標要求,同時考慮手機的節電要求,MAXIM為接收晶片MAX2392設計了多種工作模式。MAX2392的低噪音放大器有高低兩種增益模式,混頻器也有兩種增益模式,同時混頻器的線性度也有兩檔,這樣組合起來MAX2392有四種區別比較明顯的模式:HGML、HGHL、MG、LG。HGML指高增益中等線性度模式,這時低噪音放大器處於高增益狀態,混頻器處於高增益低線性度狀態。HGHL指高增益高線性度模式,這時低噪音放大器處於高增益狀態,混頻器處於高增益高線性度狀態。MG指中等增益模式,這時低噪音放大器處於高增益狀態,混頻器處於低增益狀態,與混頻器的線性度無關。LG指低增益模式,這時低噪音放大器與混頻器都處於低增益狀態,與混頻器的線性度無關。下面分別就一些具體的非線性指標要求做詳細討論。

a. 接收機最大輸入訊號電平指標。該指標涉及到接收機的兩個問題:接收機通道增益控制範圍,因為該指標規定了天線埠最大輸入訊號電平,而靈敏指標規定了最小輸入訊號電平,我們總希望基頻介面處電平?定,這就要求通道增益控制範圍至少大於這兩個指標規定的電平之差;該指標牽扯到的另一個射頻通道技術指標就是要求通道在如此大的訊號電平下不能產生明顯的限幅。針對該指標要求,MAXIM建議將MAX2392置為低增益模式。圖1所示參考設計在低增益模式下測到輸入1dB壓縮點為-11.6dBm,而最大輸入訊號電平為-25dBm,顯然可以滿足要求。

b. 雜散響應與阻塞指標。雜散響應主要是針對超外差接收機提的指標,雜散響應點也稱為寄生頻道,它是射頻本振與中頻的組合頻率。與一般阻塞相比,當干擾落在這些寄生頻道上時,它會對系統造成更大的危害。MAX2392是零中頻接收機,所以該問題不明顯。阻塞指標又分為頻段內阻塞指標與頻段外阻塞指標,頻段外阻塞指標對系統的影響部份地可由前端射頻濾波器解決。阻塞訊號對系統的影響有四個方面:倒易混頻影響、交叉調變影響、阻塞訊號二次項成份的影響、阻塞訊號直接透過通道濾波器加到基頻單元輸入埠造成的影響。倒易混頻影響是指干擾訊號與本振邊帶噪音混頻產物對系統的影響,它與本振相位噪音指標有關,與通道非線性指標無關,後文再作詳細討論。阻塞訊號直接透過通道濾波器造成的影響與通道濾波器的頻帶外抑制特性有關,與通道非線性指標無關,我們也把這個影響放到後面去討論。

圖2是以放大器為例來說明交叉調變現象,混頻器也有交叉調變現象。圖2中f1頻點處訊號可認為是阻塞訊號,假定其功率譜密度函數為矩形函數,頻點f2處點頻訊號是所要的訊號,由圖中看到在輸出訊號頻譜中f2處有三角型頻譜出現,這也就是所說的交叉調變產物,該交叉調變產物大小與通道三階截止點有關,當輸入阻塞訊號為平穩正態過程時,交叉調變產物功率可由方程3算出:

EQ3

即便頻點f2處所要的訊號不是點頻訊號,交叉調變產物依然存在,且電平大小同樣由方程3提供,只是這時交叉調變產物的頻譜形狀不再是三角形,而是三角形與訊號功率譜密度函數的卷積。上面得出的公式是基於正態噪音這一假設的,。

3GPP規定TD-SCDMA終端當存在一個調變類型的干擾訊號在±4.8MHz處,電平為-49dBm,系統靈敏度可下降3dB。如果我們認為靈敏度下降是因為交叉調變產物所導致的,只要交叉調變產物功率不大於靈敏度電平時的頻帶內總噪音功率,則該指標就沒有問題。假定接收通道噪音係數為標準所要求的最低指標9dB,由此可以推出該指標所要求的等效三階截止點,該三階截止點與輸入阻塞訊號的頻率偏移量有關,因為接收通道包括通道選擇濾波器。

EQ4

阻塞訊號二次項成份對系統的影響模型如圖3。阻塞訊號的二次失真產物由三部份構成,當阻塞信號為平穩正態過程時,這三部份產物功率相等,功率大小圖3已標出。注意圖3中的公式是基於正態噪音這一假設的,一般干擾訊號與正態噪音相比更接近?包絡訊號,低頻交流產物會小一些,當干擾訊號為?包絡時,低頻交流產物為零。該干擾模型僅是針對零中頻接收機而言,零中頻接收機可簡單等效成一個混頻器,混頻器輸出包含本振頻率與輸入訊號頻率的各種組合分量,而該干擾模型即是輸入訊號的二次與本振頻率零次的組合分量,該組合分量中的低頻交流成份與直流成份恰好落在我們要的頻帶內,會影響系統性能。直流成份的影響也就是通常所說的DC-offset,MAX2392有專門的DC-Offset去除電路,而低頻交流成份則無法去除。

3GPP規定TD-SCDMA終端當存在一個調變類型的干擾訊號在±4.8MHz處,電平為-49dBm,系統靈敏度可下降3dB。如果認為靈敏度下降是因為阻塞訊號二次項成份中的低頻交流產物所導致的,只要該產物不大於靈敏度電平時的頻帶內總噪音功率,則該指標就沒有問題。假定接收通道噪音係數為標準所要求的最低指標為9dB,由此可以推出該指標所要求的等效二階截止點,該二階截止點與輸入阻塞訊號的頻率偏移量有關,因為接收通道包括通道選擇濾波器。

圖3:阻塞訊號二次項
成份對系統的影響模型。

EQ5

MAX2392有四種工作模式,在沒有干擾而且訊號較弱時,建議採用HGML模式;上面阻塞指標所討論的情況應該是訊號很弱,而且有較強干擾,這時建議將MAX2392置為HGHL模式。透過討論我們得到兩個射頻通道指標:IP2和IP3,關於IP3,下面所要討論的雙音互調指標會有更高要求。方程5提供了阻塞指標所要求的IP2應大於3dBm,圖1的參考設計在該指標上有很大裕量。

c. 雙音互調指標。無論是零中頻接收機還是超外差接收機都會面臨雙音互調干擾問題。影響該指標的主要是混頻器及前面各級主動元件,混頻器後面電路因有通道濾波器的緣故,對此指標影響不大。3GPP規定TD-SCDMA終端當存在兩個干擾訊號,一個為調變類型的干擾訊號,在±6.4MHz處,電平為-46dBm,另一個為點頻類型干擾訊號,在±3.2MHz處,電平為-46dBm,系統靈敏度可下降3dB。如果認為靈敏度下降是因為互調產物所導致的,只要該產物功率不大於靈敏度電平時的頻帶內總噪音功率,則該指標就沒有問題。假定接收通道噪音係數為標準所要求的最低指標為9dB,由此可以推出該指標所要求的等效三階截止點,該三階截止點與輸入干擾訊號的頻率偏移量有關,因為接收通道包括通道選擇濾波器。

EQ6

針對互調抑制指標所討論的情況,MAX2392應設置為HGHL模式,在該模式下,圖1所示參考設計完全能夠滿足該指標要求,且有一定裕量。

接收機通道選擇性要求

TD-SCDMA標準規定的與接收機線性幅頻特性有關的指標包括:ACS、阻塞、雜散響應、交調抑制。阻塞與雜散響應點遠離TD-SCDMA頻段時,可透過選擇射頻前端的頻段濾波器加以解決,對於頻段內的阻塞干擾和雜散響應點,及雙音互調干擾,是要透過通道濾波器加以濾除。對於超外差結構的接收機來講,通道濾波器就是混頻器後通常採用的聲表面波濾波器。MAX2392是零中頻接收晶片,它的通道濾波器是I/Q支路上的主動低通濾波器,這已整合在晶片內部而且指標很高。ACS是3GPP對接收機所規定的唯一的一個純射頻技術指標,它直接規定了接收機通道濾波器對鄰近通道(±1.6MHz)的抑製程度為33dB。頻帶內阻塞指標規定當±3.2MHz處存在-61dBm的調變干擾時,或±4.8MHz處存在-49dBm的調變干擾時,系統靈敏度允許下降3dB。如果認為靈敏度下降是因為阻塞干擾直接透過濾波器加到基頻單元輸入埠所導致的,而不考慮非線性和倒易混頻的影響,只要透過去的干擾功率不大於靈敏度電平時的頻帶內總噪音功率,則該指標就沒有問題。假定接收通道噪音係數為標準所要求的最低指標(9dB),可以推出該指標所要求的通道濾波器頻帶外抑制特性:

EQ7

EQ8

雙音互調指標規定的兩個干擾訊號,一個是點頻干擾,另一個是己調類型干擾,點頻干擾其特徵明顯,基頻很容易處理掉,這裡只考慮已調干擾的影響,按與上面頻帶內阻塞同樣的分析方法可推出:

EQ9

至此,對通道濾波器頻帶外抑制特性我們有了4個參數,即該濾波器對±1.6MHz通道相對抑制應不小於33dB,對±3.2MHz通道相對抑制應不小於43dB,對±4.8MHz通道相對抑制應不小於55dB,對±6.4MHz通道相對抑制應不小於58dB。

相位噪音

TD-SCDMA標準沒有明確提出收發訊機相位噪音指標,但標準規定的很多其它指標與相位噪音有關:發射訊號調變精度EVM指標與發通道鎖相環的相位噪音有關,方程1提供了它們之間的關係,其實EVM主要還是由非線性指標所決定的,除非鎖相環指標太差;接收機靈敏度與接收通道本振相位噪音指標有關,但靈敏度指標對相位噪音要求不高,即便是16QAM訊號也是一樣,影響靈敏度的主要還是加性白噪音;頻率穩準度指標與收發鎖相環指標均有關,頻率穩準度指標好像在講頻率精確度問題,但仔細研究標準規定的測試方法,就會了解頻率穩準度指標與噪音係數,接收發射通道本振相位噪音,基頻單元頻率估值演算法有關,該指標主要取決於基頻演算法和發射通道鎖相環相位噪音,圖1所示參考設計中發射晶片MAX2507的鎖相環是Σ-△型鎖相環,相位噪音指標非常高;阻塞指標、雙音互調指標與接收通道本振相位噪音指標有關。阻塞指標、雙音互調指標對系統的影響有一個途徑就是倒易混頻。在阻塞抑制指標和雙音互調指標中都提到允許接收機靈敏度下降3dB,如果認為靈敏度下降的原因全部是由倒易混頻產物導致的,則只要該產物功率不大於靈敏度電平時的頻帶內總噪音功率,該指標就沒有問題。仍假定接收通道噪音係數為標準所要求的最低指標(9dB),可以導出一個限制本振遠端噪音底的指標:

EQ10

在阻塞及雙音互調指標中提到的最大干擾功率為-46dBm點頻訊號,偏離有用訊號中心為3.2MHz,將該值代入上式,得到關於接收機本振相噪的一個指標:本振相位噪音在偏離中心3.2MHz外,必須優於-119dBc/Hz。MAX2392在該點處的相位噪音遠優於此最低要求。

零中頻接收機與DC-Offset

但凡零中頻接收機都有DC-offset問題,DC-offset的產生有這樣幾個原因:本振自混、混頻器偶次項非線性失真產物、平衡混頻器正反向導通時間不相等、平衡混頻器負載不平衡等。不管是怎樣產生的,重點是去除該直流偏移量。對於一個電路來說,它要除去直流分量而保留交流分量,那麼它必然是一個高通型濾波器,應該如何設計這一高通濾波器,又如何方便地調整濾波器參數?一般有三種情況:一是採用固定高通濾波器,以不變應萬變,其優點是簡單,缺點是響應時間長;二是採用一個高拐點的高通濾波器,該濾波器只是在特定時間起作用,響應速度快,響應完後電路記住其響應終值,然後利用該終值去對消通道上的直流偏移量,其缺點是環境改變後,記錄的以前的響應終值無法對消直流偏移量;三是靈活改變高通濾波器的拐點,很明顯它綜合了上述兩種方法的優點。

作者:王險峰


高級射頻工程師


Maxim公司




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