FDD和WCDMA系统发射机的设计及性能分析

本文讨论了移动通信向第三代（3G）标准的演化与发展，给出了范围广泛的3G发射机关键技术与规范要求的概述。文章提供了频分复用（FDD）宽带码分多址（WCDMA）系统发射机的设计和测得的性能数据，以Maxim现有的发射机IC进行展示和说明。

移动技术的发展：迈向3G

第一代（1G）电话是基于很多种类似但互不兼容的技术的模拟蜂窝设备。它们提供的服务范围很有限，主要依靠固定电话网络提供服务。

第二代（2G）电话采用TDMA或CDMA技术，使用直接调制到发射载波的数字信道。其结果—更高的频谱效率—使信号质量、安全、实际数据服务量和国际漫游几个方面的价值都得到提升。

第三代（3G）终端的目标是提供全球无缝移动性，同时与部分接入技术实现全球兼容，如无线本地环路、蜂窝、无绳和卫星系统。实现终端全球无缝移动性的一个技术上的挑战和困难在于实现全球统一的频率规划。在世界上的每一个地区，至少有部分必须的频谱已经被分配给其他的无线服务。

3G的诞生

1992年，世界无线电会议（WRC）在2GHz附近分配了一个频段，随后，国际电信联盟无线通信部（ITU-R）开始着手定义一份3G系统的要求清单，为满足这些要求提出了许多技术：包括WCDMA、OFDM、TDSCDMA和ODMA。

一个叫做第三代合作伙伴项目（3GPP）的技术实体被指定分析这些提议的技术。这项工作的结果是，WCDMA成为了3G系统最倾向于采用的技术。3GPP曾经写过一个技术规范，其中的25.101章包括了WCDMA移动终端RF硬件部分的核心性能要求。3GPP还定义了WCDMA终端两种可选择的工作模式：

频分复用模式［FDD］：

物理信道由两个参数确定：RF信道号和信道码

适合快速移动应用

上行和下行链路在频域分开

下行链路比上行链路容量大

上行和下行链路都是100%的占空比 时分复用模式［TDD］：

物理信道由三个参数确定：RF信道号、信道码和时隙

适合室内或慢速移动应用

上行和下行链路具有相似的容量并占用相同的信道

上行和下行链路都有DTx DTX（不连续传输）是一种用于优化无线语音通信系统效率的方法，这种方法在没有语音输入的时候随时的关闭移动或便携式电话。典型的2路通话中，每一方说话的时间都略小于总时间的一半，所以如果发射机只在存在语音输入的时候打开，电话工作的占空比就可以小于50%. 这种情况能够节约电池能量、减轻发射机元件的工作负担、使信道更加空闲，允许系统利用空闲带宽与其它信号共享信道。DTX利用语音活动检测（VAD）电路工作，在无线发射机中有时称作工作语音传输（VOX）。

3GPP还规范了FDD终端使用仅60MHz带宽，双工间隔为190MHz：2110MHz-2170MHz 用于移动RX，，1920MHz-1980MHz用于移动TX。

CDMA原理

在讨论WCDMA发射机之前，本部分对CDMA的原理进行简单的概述。CDMA系统使用的信号扩展方式为“直接序列”扩展方式。为了扩展信号，CDMA系统用一个独特的、称作扩展码的编码乘以未调制的基带数据，编码中含有一定数量的码片。

CDMA原理

在讨论WCDMA发射机之前，本部分对CDMA的原理进行简单的概述。CDMA系统使用的信号扩展方式为“直接序列”扩展方式。为了扩展信号，CDMA系统用一个独特的、称作扩展码的编码乘以未调制的基带数据，编码中含有一定数量的码片。

产生的扩展数据被调制到载波上用于发射，被调制的载波带宽受扩频编码码片速率的直接影响。WCDMA使用3.84MHz的码片速率，产生带宽很宽的发射频谱，因此使用“宽带”一词。

为了提取原始信息，CDMA接收机解调信息载波并使用相关器（带有原始发射机扩频码）重新生成（解扩）想要的信号。被提取的数据通过一个窄带的带通滤波器后根据需要进行进一步处理。

3G WCDMA发射机规范要求

3GPP规范的25.101章（在上文中提到过）包括了FDD 3G移动终端Rx/Tx的电气规范要求。在讨论WCDMA发射机的要求之前，这部分将描述几个关键的发射机参数以及它们在发射机设计中的重要性。

邻近信道功率比［ACPR］：ACPR度量了干扰或者说是相邻频率信道功率的大小。通常定义为相邻频道（或偏移）内平均功率与发射信号频道内的平均功率之比，ACPR描述了由于发射机硬件非线性造成的失真大小。

ACPR对于WCDMA发射机来说是至关重要的，因为CDMA调制在调制载波中产生紧密相邻的频谱成分。这些成分的互调制导致中心载波两侧频谱的再生，发射机的非线性将使这些频谱再生成分进入相邻信道。

误差向量幅度［EVM］：误差向量（包括幅度和相位的失量）是在一个给定时刻理想无误差基准信号与实际发射信号的向量差。因为在每个符号变化时它也在不断的变化，这个新的参数（EVM）定义为误差向量在一段时间内的RMS值。

EVM对于WCDMA发射机性能也是十分重要的，因为它表示了发射信号的调制质量。大EVM值将导致糟糕的检测精度，从而降低收发机的性能。

频率误差：规定的载波频率和实际载波频率之差。由于引起邻信道干扰和低质量检测精度，大的频率误差降低了收发机的性能。

杂散和谐波：杂散是发射机中不同的信号组合产生的信号，谐波是发射机的非线性特性产生的失真产物。谐波产生在发射信号频率的整数倍频率上。

定义了一些关键的发射机参数以后，我们现在列出了规范和设计3G WCDMA发射机终端的一些重要的要求。（表1）

表1. 3GPP发射机规范要求

Parameter 3GPP Specification Reference

RF frequency range 1920 - 1980MHz 25.101 ［5.2］

Channel spacing Nominally 5MHz

Chip rate 3.84Mcps

Maximum output power 24dBm +1/- 3dB ［power class 3］ 25.101 ［6.2］

Minimum output power -50dBm 25.101 ［6.4.3.1］

Transmit off power ＜-56dBm 25.101 ［6.5.1.1］

Adjacent channel leakage power ＞-33dBc ［if adjacent channel power is ＞-50dBm］ 25.101 ［6.6.2.2.1］

Alternate channel leakage power ＞-43dBc 25.101 ［6.6.2.2.1］

Frequency error Within +/- 0.1ppm 25.101 ［6.3］

Transmit intermodulation ＞-31dBc ［@5MHz offset］

＞-41dBc ［@10MHz offset］

25.101 ［6.7.1］

Error Vector magnitude ＜17.5% 25.101 ［6.8.2.1］

Spurious emissions 100kHz RBW -67dBm ;925 ＜f＜935MHz 25.101 ［6.6.3.1］

-79dBm ;935 ＜f＜960MHz

-71dBm;1805 ＜f＜1880MHz

-36dBm ;30 ＜f＜1000MHz

300 KHz RBW -41dBm ;1893.5 =f=1919.6MHz

1MHz RBW -30dBm ;1GHz =f=12.75GHz

10KHz RBW -36dBm ;150KHz =f=30MHz

1KHz RBW -36dBm ;9KHz =f=150KHz

WCDMA发射机

Maxim提供多种WCDMA发射机IC，覆盖了大部分通用频率范围。例如，超外差系统器件具有业内最高集成度的发射机芯片（MAX236X），提供典型的380MHz Tx 中频（IF）。另一个超外差系统芯片的例子是MAX2383上变频器驱动器，采用的高Tx IF频率达570MHz。为了展示硬件符合3GPP规范（带有余量），本部分提供了一些基于第一代Maxim WCDMA发射机IC的系统电平和分立元件测试结果，这些硬件是v1.0 WCDMA参考设计的一部分。关于更新的零中频WCDMA参考设计的信息请与厂商联系。

图1.WCDMA收发机框图

WCDMA 超外差发射机

本发射机是完整WCDMA收发机参考设计的一部分，包含4个主要的IC：

MAX2388 接收前端

MAX2309 IF 正交解调器

The MAX2363 正交调制器/上变频器发射IC

The MAX2291 RF 功率放大器

发射机硬件采用380MHz的IF和1920MHz到1980MHz的Tx频率。双工器通过将Tx通道（与Rx通道）连接到天线实现全双工工作。

在Tx电路后端，MAX2363接收基带传送的I、Q差分信号作为输入、进行正交调制、IF和RF LO频率合成以及RF上变频。IF LO由内部VCO和PLL合成，频率为760MHz。外部RF VCO模块提供的-7dBm信号以高端注入方式输入MAX2363上变频器。片上RF驱动器使芯片能够直接驱动外部PA。

在Tx电路前端，芯片级封装的线性PA（MAX2291）在本应用中提供28dB的增益，输出功率达+28dBm。由于PA之后的插入损耗大约为4dB，系统实现的最大天线输出为24dBm。

完全进入工作状态以后，WCDMA系统大多数时间都工作在中等功率下而不是全功率。MAX2291提供了两种输出功率的优化模式用于满足这个需求，延长了通话时间同时具有下列预期的性能：

Vcc为3.5V DC，高功率模式下测得：

Pout = 28dBm

频率 = 1.95GHz

ACP1 = -39dBc （在5MHz 偏移测得，3.84MHz 带宽）

功率附加效率 = 37%

待机电流 Icc = 97mA

Vcc为3.5V DC，低功率模式下测得：

Pout = 16dBm

频率 = 1.95GHz

ACP1 = -38dBc （在5MHz 偏移测得，3.84MHz 带宽）

功率附加效率 = 14%

待机电流Icc = 30mA

前边给出的3GPP规范规定WCDMA发射机输出的功率必须在+24dm到-50dBm之间以满足要求的74dB动态范围。v1.0参考设计板设计为80dB的动态范围，留出了一些余量。

发射机芯片的动态范围是有限的DD通常在高功率时受到ACPR的限制，低功率时受到噪声基底的限制。为了在低功率时获得超过15dB的载波噪声比（C/N），为v1.0参考设计板设计了额外的20dB可变衰减（由PA的增益控制衰减器引入）。从全面的测试结果中提取出来的主要性能参数（表2）证明了Maxim v1.0 WCDMA发射机符合规范要求。

表2. Tx在全功率下的输出特性

Parameter Specification Data @1980MHz Data @ 1920MHz

O/p power @ antenna port 24dBm 24.8dBm 25.5dBm

+/- 3.8MHz ACP * -50dBc -52dBc -52dBc

+/- ACPR1 * -33dBc -37dBc -37dBc

+/- ACPR2 * -42dBc -54dBc -54dBc

Icc @ 3.3V （TX only） - 620mA 615mA

Noise @ Rx. band -137dBm/Hz -137dBm/Hz

Noise @ 1880MHz -135dBm/Hz

*具体的最小/最大ACP图，见下面的图2-5

Tx电路的EVM和ACPR

Tx输出功率为+24dBm时从v1.0 WCDMA参考设计板测得的EVM大约为5.7%（3.5%来自MAX2291 PA，4.6%来自MAX2363 Tx芯片）。整体EVM值完全符合3GPP的要求（＜17.5%），Tx电路的EVM和ACP测试结果如下所示：

图2.Tx电路的EVM，输出 -20dBm

图3.Tx电路的EVM，输出 +24dBm.

图4.Tx电路的ACP，输出+24dBm.

图5.Tx电路的ACP，输出 -20dBm.

根据郊区的语音输出功率分布函数（一个描述了城市和乡村、数据和语音等不同情况下功率变化情况的统计性能参数），最大输出功率时测得的Tx电路的电流为550mA，输出22dBm功率时为365mA。

Tx功率最大时，Rx频带内测得的Tx噪声为-137.0dBm/Hz。如果Tx与Rx的隔离为-50 dB，Rx通道内的Tx噪声则为-187.0dBm/Hz，这远低于热噪声。也就是说，Tx对Rx总噪声的贡献几乎为零。（本计算已经得到在最大功率和较小功率下测试结果的证实。）

两幅曲线图展示了在V1.0 Tx电路天线端口预期得到的典型频谱形状。天线输出24dBm功率时（图6），情况为：

Icc = 490mA （TX only）， and 535mA （TX + RX）

MAX2363 IF DAC 设置 = 110

VGC = 2.4V.

图6.天线输出24dBm功率时，V1.0 Tx电路天线端口的典型频谱形状

天线输出-53dBm功率时，即VGC = 1.35V 且绝对输出功率 = -38dBm的低Tx输出功率（图7），情况为：

Icc = 166mA （仅TX）

VGC = 1.35V

IF DAC = 000

PA 偏置设置 = 1

Pout 衰减 = MAX.

图7.天线输出-53dBm低功率时，V1.0 Tx电路天线端口典型的频谱形状

小结

本文的目的是给读者提供WCDMA发射机在理论、设计和规范要求方面的适当的概述，采用第一代Maxim WCDMA超外差参考设计进行实例展示。Maxim目前的产品还包括直接变频（零中频）的WCDMA收发机。

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