第三代移動通信系統：解析WCDMA發射機

2019-11-05 02:43:25

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　　概述
　　上世紀80年代初開始商用的以模擬技術為主要特征的移動通信系統被稱為第一代移動通信系統；90年代人們普遍使用的以GSM和IS-95為代表的數字移動通信系統被稱為第二代移動通信系統；而被命名為IMT-2000的以智能移動通信技術為主要特征的新一代移動通信系統被稱為第三代移動通信系統。與前兩代系統相比，3G系統有更大的容量、更好的通信質量、更高的頻帶利用率，這些特點使得它能為高速和低速移動用戶提供話音、數據、會議電視及多媒體等多種業務。而且用戶能在全球范圍內無縫漫游。
　　
　　1992年，世界無線電會議(WRC)在2GHz四周分配了一個頻段，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。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系統最傾向于采用的技術。3GPP曾經寫過一個技術規范，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(不連續傳輸)是一種用于優化無線語音通信系統效率的方法，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，所以假如發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%。
　　
　　這種情況能夠節約電池能量、減輕發射機元件的工作負擔、使信道更加空閑，答應系統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，在無線發射機中有時稱作工作語音傳輸(VOX)。
　　
　　3GPP還規范了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發射機之前，本部分對CDMA的原理進行簡單的概述。CDMA系統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。
　　
　　WCDMA發射機規范要求
　　3GPP規范了FDD3G移動終端Rx/Tx的電氣規范要求。在討論WCDMA發射機的要求之前，這部分將描述幾個要害的發射機參數以及它們在發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)內平均功率與發射信號頻道內的平均功率之比，ACPR描述了由于發射機硬件非線性造成的失真大小。
　　
　　ACPR對于WCDMA發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發射機性能也是十分重要的，因為它表示了發射信號的調制質量。大EVM值將導致糟糕的檢測精度，從而降低收發機的性能。
　　
　　頻率誤差：規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機的性能。
　　
　　雜散和諧波：雜散是發射機中不同的信號組合產生的信號，諧波是發射機的非線性特性產生的失真產物。諧波產生在發射信號頻率的整數倍頻率上。定義了一些要害的發射機參數以后，我們現在列出了規范和設計3GWCDMA發射機終端的一些重要的要求。
　　
　　解析WCDMA發射機
　　WCDMA無線射頻方面整機指標相對2G來講嚴格了很多，主要表現在信號的純度(泄露)、高動態范圍、調制帶寬(5MHz)、復雜的碼域分析。為了實現整機的外部表現滿足協議規范要求，系統內個模塊的指標分配非常重要。因此在研發階段單板和主要器件的各項指標要求更為苛刻。Maxim提供多種WCDMA發射機IC，覆蓋了大部分通用頻率范圍，在此選用了其中的一個方案作為例子，見圖。
　　
　　WCDMA 超外差發射機
　　本發射機是完整WCDMA收發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/上變頻器發射IC
　　
　　The MAX2291 RF 功率放大器
　　
　　發射機硬件采用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RFLO頻率合成以及RF上變頻。IFLO由內部VCO和PLL合成，頻率為760MHz。外部RFVCO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，系統實現的最大天線輸出為24dBm。
　　
　　完全進入工作狀態以后，WCDMA系統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3.5VDC，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3.5VDC，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規范規定WCDMA發射機輸出的功率必須在+24dm到-50dBm之間以滿足要求的74dB動態范圍。v1.0參考設計板設計為80dB的動態范圍，留出了一些余量。

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