基于OFDM的WiMAX RF系统设计 - 全文

　　固定WiMAX标准基于正交频分复用(OFDM) 技术，使用256个副载波; 该标准支持1.75~ 28 MHz范围内的多个信道带宽，同时支持多种不同的调制方案，包括BPSK、QPSK、16QAM 和64QAM。

　　1 主要芯片完成功能

　　本设备采用超外差时分双工方式来完成设计,在符合WiMAX 标准的射频套片推出之前，成功选用SIGE 公司生产的中频芯片SE7051L10 和 Texasinstruments 公司生产的射频芯片TRF2436 来完成设计。中频频率固定为380 MHz，射频频率在 5. 725~5. 850 GHz频段内可选。

　　1.1 SE7051L10

　　SE7051L10 主要完成功能为：

　　①在发射时隙内完成I、Q 基带信号上变频为380MHz 的固定中频信号;

　　②在接收时隙内完成接收的380 MHz 的固定中频信号下变频为零中频的I、Q 基带信号;

　　③完成合成IF 和RF 所需的LO 功能; 其中中频LO 频率为固定的380 MHz; RF 本振频率可选，以便系统工作在期望的工作信道内;

　　④在发射和接收通道，均内置可变增益放大器，同时Tx 通道具有18 dB 的增益控制范围( 步进6 dB) ，和50 dB TX 增益控制范围( 步进1 dB) ，Rx 通道具有50 dB 的自动增益控制范围。

　　1.2 TRF2436

　　TRF2436 完成功能为：

　　①在发射时隙内完成380 MHz 的固定中频信号上变频到所需的RF 信道频率;②在接收时隙内完成接收的RF 信号放大并下变频为380 MHz 的固定中频信号;③片内内置收发开关、低噪声放大器及开关控制的功率放大器;④ 内置射频本振倍频器。

　　2 总体设计

　　由于SE7051L10 与TRF2432 非同一公司套片,需重新设计，主要从以下几点考虑。

　　中频芯片SE7051L10 产生射频本振，其合成频率范围2 850~ 3 350MHz，若系统选用低本振，要求最低频率为2 672. 5MHz，SE7051L10 无法满足该要求，系统只能选用高本振，高本振要求频率为3 052~ 3 115MHz。

　　选用高本振将导致中频及基带频谱镜像，对点对点系统而言，由于接收下变频将发射的上变频导致的频谱镜像翻转，系统会不留痕迹进行解调。

　　但作为CPE 设备，无法与标准基站对联，采用基带I、Q信号颠倒连接，巧妙地解决选用高本振导致的频谱翻转，与标准信号源对联，系统工作正常。

　　SE7051L10 的收发中频为各自独立的差分输入输出，而TRF2436 收发中频为共用的差分输入输出,为解决此问题，选用2只单端双掷开关，通过收发切换控制信号，将SE7051L10 的收发中频各自独立的差分输入输出切换至TRF2436 要求共用的中频差分输入输出，效果良好。

　　作为WiMAX CPE设备，基站为适应不同用户端设备要求，其系统接收增益固定，不具备AGC功能,为保证接收信号幅度恒定，通过动态调整不同CPE设备的发射功率。

　　因此要求WiMAX CPE设备发射通道具有超过50 dB的ALC控制范围; 虽然SE7051L10内置步径1 dB 的50 dB衰减器，但中频衰减过大，将影响中频信号的信噪比，从而影响系统性能。

　　而TRF2436是针对802. 11系统开发的，发射通道没有提高系统动态的数控衰减器; 为增大系统发射动态,在TRF2436的射频滤波器后增加一片步径4 dB总衰减28 dB数控衰减器。

　　重新设计SE7051L10 射频本振的环路滤波器,优化射频本振的相位噪声，从而改善发射及接收系统的信号相对矢量误差。

　　TRF2436 的本振要求100Ω差分输入，本振功率电平0 dBm。通过增加此频段工作的平衡- 不平衡变换的巴仑集成块来解决，巴仑集成块平衡输出阻抗为200Ω差分输出，阻抗不匹配通过四分之一波长阻抗变换器来解决。

　　同时，通过一单片放大器将 SE7051L10 输出本振放大到0 dBm，单片放大器也有利于提高本振的输入输出隔离度。

　　通过收发通道的预算，合理地完成功放及低噪放设计。

　　3 系统工作流程

　　系统采用时分双工工作方式，当基带控制的收发开关信号为高电平时，系统工作在发时隙，基带送出的I、Q 信号经调制、上变频、功率放大和中频、射频滤波后经开关由天线发射至接收端。

　　在接收端，基带控制的收发开关信号此时为低高电平，系统工作在收时隙，接收的射频信号经开关、低噪放、下变频、相应射频、中频滤波，解调出I、Q 基带信号送至基带信号处理单元。

　　4 主要技术指标的实现与指标分配

　　4.1 发射功率的实现

　　由于系统的基带采用OFDM 调制技术，OFDM是无线通信系统中的一项关键技术，是一种多载波传输技术。

　　多载波传输技术相对于单载波传输技术而言有很多优点，例如抗多径干扰，抗突发噪声和有效地克服频率选择衰落。但OFDM 技术的一个主要缺点就是具有很高的峰均功率比(PAPR) ，高的峰值容易引起非线性失真。

　　同时，由于系统采用较高的64QAM 等调制方式，对系统的线性要求较高，针对以上问题，在设计及选用器件时，为保证系统工作在线性区域，所有器件均要求在其P1 dB回退10 dB工作。

　　功放设计的难点主要是末级功放的设计，本系统末级功放选用SIRENZA公司生产的SZA5044，其输出P1 dB为29 dBm，功率回退10 dB，其输出线性功率为19 dBm。

　　功放末级有一无源收发开关、抑制谐波分量的低通滤波器及MCX 插座，其插入损耗总和为1. 6 dB，在插座输出口输出的线性功率为 17. 4 dBm，满足设备技术指标要求;同时，SZA5044的增益为28 dB，为保证设备技术指标16 dBm 功率输出，SZA5044 输入功率要求-9 dBm。

　　功放前级的射频开关、数控衰减器及滤波器的插入损耗总和为4. 4 dB，要求TRF2436 的线性功率输出- 4. 6 dBm,TRF2436 其输出P1 dB为22 dBm，线性功率输出12 dBm，满足技术指标要求。

　　4.2 发射通道ALC的实现

　　由于系统针对点对多点设计，基站的AGC 不能工作，基站的接收增益相对固定。

　　为保证系统正常通信，基站端通过测试上行接收基带I、Q 的功率电平,与标准I、Q 的功率电平比较，计算出功率误差，送至用户端，通过软件开环控制用户端上行的发射功率;为保证有足够的动态，以适应衰落的影响，指标规定用户端的ALC 控制范围大于50 dB，步径1 dB。

　　本系统的ALC 由SE7051L10 提供30dB ALC 控制范围，步径1 dB; 同时，数控衰减器提供28 dB 的ALC 控制范围，步径 4 dB，在实际应用中，实际测试一ALC 控制表格，按实际衰减量从小到大排列，步径1 dB，通过安捷仑公司的89601 软件实际测量发射功率电平，同时保证在50 dB 的动态范围内，发射的相对矢量误差小于- 31 dB。

　　在正常工作时，基带软件根据当前ALC 控制信号所在控制表格的位置和基站测量的功率误差，动态调整用户端发射功率,保证系统正常工作。

　　4.3 发射机EVM指标实现

　　发射机相对矢量误差是衡量发射机综合技术指标之一，由基带I、Q 的正交误差、幅度平衡，本振的相位噪声，混频器和功放(PA) 线性技术指标和系统频偏等决定。

　　针对本射频系统而言，I、Q 的正交误差主要通过PCB 板I、Q 信号走线严格等长来控制;幅度平衡可通过运算放大器的增益控制电阻来调整; 由于本射频系统选用TRF2436 作为二次混频的主芯片，混频器集成在芯片内部，无法控制; 发射EVM 主要由本地振荡器的相位噪声决定。

　　通过合理选用VCTCXO，优化环路滤波器等措施，保证射频本地振荡器的相位噪声指标满足-88 dBc@1 kHz、-90 dBc@10 kHz，从而保证TRF2436输出最终功率0 dBm时，其相对矢量误差达到- 34. 5 dB;对本系统而言，功放的合理设计决定了发射机相对矢量误差。

　　5小结

　　如前所述，本系统选用的末级功放，在输出功率为16 dBm 时，其相对矢量误差为2% (-34 dB) ，通过计算系统的相对矢量误差为-32.5dB，满足技术指标要求。