TD-SCDMA手機射頻前端設計

美信今年一季度開(kāi)發(fā)出商用的TD-SCDMA手機射頻套片，為TD-SCDMA的商用化進(jìn)程立下戰功。本文在該公司基于此套片的參考設計基礎上，詳細探討了在TD-SCDMA手機射頻前端設計中應考慮的一些關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。

TD-SCDMA與另外兩種第三代移動(dòng)通信標準相比有四大技術(shù)特點(diǎn)：雙向智能天線(xiàn)技術(shù)、反向鏈路同步技術(shù)、反向聯(lián)合檢測技術(shù)、動(dòng)態(tài)信道分配技術(shù)，其中雙向智能天線(xiàn)技術(shù)得益于它收發(fā)同頻。除四大技術(shù)特點(diǎn)外，TD-SCDMA還有終端費用低、運營(yíng)成本低的優(yōu)勢，終端費用低得益于TDD工作模式；運營(yíng)成本低得益于收發(fā)同頻，不需要成對頻點(diǎn)。

圖1：TD-SCDMA手機射頻
單元參考設計功能框圖

美信公司新推出的商用TD-SCDMA手機射頻套片共有兩顆：MAX2507和MAX2392。MAX2507是發(fā)射芯片，集成了自模擬I/Q至功放輸出的所有電路，主要功能模塊有：I/Q正交調制器、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(huán)、中頻本振電路、射頻功率檢波器。MAX2392 是零中頻接收芯片，集成了自低噪聲放大器至模擬I/Q輸出的所有電路，主要功能模塊有：低噪聲放大器、I/Q正交解調器、可變增益放大器、信道選擇濾波器、DC-Offset自動(dòng)去除電路、I/Q幅度自動(dòng)校準電路、VCO、鎖相環(huán)。為方便用戶(hù)設計，MAXIM還提供有完整的參考設計方案(圖1)，該參考設計的有效射頻PCB面積為6.6平方厘米，工作在3-3.6V，可直接由單節鋰電池供電。

3GPP針對TD-SCDMA終端規定了很多技術(shù)指標，這些指標根據其制定的目的可以分作三大類(lèi)：一是為滿(mǎn)足系統自身的需要而設定的指標，如發(fā)射機輸出功率等級、功率控制精度、最小可控發(fā)射功率、發(fā)射信號調制精度EVM、接收機靈敏度、最大可接收信號幅度、頻率穩準度等；二是為反映系統魯棒性而設定的指標，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(fā)信機雜散輻射指標、發(fā)射機鄰道功率泄漏ACLR、發(fā)射信號頻域模板、發(fā)射機互調指標等。對于這些指標的詳細論述，請參考3GPP相關(guān)標準。本文以MAXIM參考設計為例，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(fā)信機對鄰近頻點(diǎn)信道造成干擾而設定的指標，它也是衡量發(fā)射機非線(xiàn)性失真程度的一個(gè)重要指標。TD-SCDMA信號屬于非恒包絡(luò )調制，它的成型濾波器是根升余弦濾波器，滾降系數為0.22，因此當通道存在非線(xiàn)性幅度壓縮時(shí)，在TD-SCDMA信號頻譜兩側會(huì )產(chǎn)生新的頻譜成份，ACLR指標是指落入鄰近信道的信號與主信道信號功率之比。TD-SCDMA標準規定相鄰信道ACLR指標應不大于-33dBc，隔一信道該指標應不大于-43dBc，但當泄漏到鄰近信道的信號功率小于-55dBm時(shí)，可不考慮ACLR指標。MAXIM參考設計在最大發(fā)射功率時(shí)，鄰信道與隔一信道ACLR指標都有較大余量。

MAX2507還有一個(gè)特點(diǎn)就是它在小信號發(fā)射時(shí)，ACLR指標并不是變得非常好，看來(lái)是一個(gè)缺點(diǎn)，實(shí)際上這恰恰是MAXIM工程師在設計MAX2507時(shí)的獨具匠心之處。MAX2507保證ACLR指標在所有發(fā)射功率電平下均能滿(mǎn)足標準要求，且有一定余量的同時(shí)，根據發(fā)射功率大小自適應地調整功放偏置電流，這使得該芯片在實(shí)際應用中非常省電。

發(fā)射信號頻譜模板

發(fā)射信號頻譜模板與ACLR同是為防止發(fā)信機對鄰近頻點(diǎn)信道造成干擾而設定的指標，同是由通道的非線(xiàn)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信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范圍內的相對大小。如果你測試過(guò)一些線(xiàn)性功放，你就會(huì )發(fā)現有時(shí)ACLR指標很好，但卻不能滿(mǎn)足頻譜模板的要求，原因是再生的頻譜分量上下兩個(gè)邊帶不對稱(chēng)，且邊帶的形狀并不是想象中的3階、5階頻譜的疊加形狀，其形狀之所以較理想非線(xiàn)性產(chǎn)物頻譜有較大差異，是因為它和非線(xiàn)性器件輸入輸出匹配有關(guān)。雖然MAX2507已設計成50歐姆輸入輸出阻抗以方便客戶(hù)使用，但實(shí)際應用中MAX2507功放前后的電路并不總是很理想，這樣就造成了再生頻譜分量的不對稱(chēng)和某些頻點(diǎn)處有凸包出現，以至于不能滿(mǎn)足頻譜模板的要求。為對付該問(wèn)題，MAXIM在MAX2507內部設計了一個(gè)巧妙的電路，通過(guò)更改寄存器數值來(lái)補償外部電路的非理想性，從而可以輕松解決該問(wèn)題。

圖2：交叉調制現象舉例

發(fā)射信號調制精度EVM

EVM是衡量發(fā)射機發(fā)射信號調制精度的一個(gè)重要指標，需注意的是該指標不是簡(jiǎn)單定義射頻信號的調制精度，而是先將射頻信號映射到I/Q平面，然后經(jīng)過(guò)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。它與射頻信號的精度是不一樣的，原因是在求離散I/Q數據點(diǎn)時(shí)采用了成型濾波器，在頻域上看該濾波器可以將帶外噪聲抑制掉一些，從而提高了調制精度指標。3GPP標準中還指出在測量時(shí)，應盡可能地調整解調過(guò)程中本振的頻率和相位，以及采取所有可能的措施使最終誤差最小，這也就是說(shuō)射頻調制信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(xiàn)性失真、載波泄漏、I/Q正交調制器的移相偏差、正交分量與同相分量幅度的不平衡，這樣算下來(lái)，影響EVM指標的還有兩大因素：相位噪聲與非線(xiàn)性產(chǎn)物。方程1是一個(gè)簡(jiǎn)化公式用來(lái)估算EVM值。

EQ1

其中，ACLR是指相鄰信道的ACLR測量值，Qrms是累積相位誤差，9.5是針對TD-SCDMA標準的一個(gè)修正值。

為驗證方程1是否正確，我們先利用ESG信號源產(chǎn)生簡(jiǎn)單的QPSK I/Q信號，這里碼片速率為 1.28M，成型濾波器為0.22滾降系數的根升余弦濾波器，將該信號加到圖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(shí)利用FSIQ測得EVM約等于3.5%，鄰信道ACLR為-38.5dBc；接下來(lái)我們移開(kāi)ESG信號源，將參考設計的TxI+短接到地，從而在天線(xiàn)端口得到一個(gè)正弦波信號，用FSIQ測量該正弦波的相位噪聲，最后計算出1kHz-1MHz范圍內累積相位噪聲約為1.5度。我們將上面測試結果代入方程1式得:

EQ2

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

接收機靈敏度與NF

接收機靈敏度是一個(gè)系統指標，不僅接收機射頻通道的性能影響該指標，基帶單元的解調算法也會(huì )影響該指標，用此指標來(lái)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信號的惡化主要是加性白噪聲的影響，它反應接收機的噪聲系數指標。相位噪聲也會(huì )影響信號接收質(zhì)量，但在小信號時(shí)相對加性白噪聲的影響則微乎其微，故在此不考慮相位噪聲的影響。因此當接收機基帶單元確定的情況下，接收機靈敏度信號電平則與整機噪聲系數有著(zhù)直接對應關(guān)系。3GPP TR 25.945標準指出只要接收機噪聲系數不大于9dB，整機就應該滿(mǎn)足靈敏度指標(靈敏度電平為-108dBm)要求，這里也暗示了如還有問(wèn)題，則應該是基帶解調的問(wèn)題，與射頻接收機無(wú)關(guān)。圖1所示的參考設計整機噪聲系數約為5.7dB，相對9dB的最低要求有3.3dB余量，因此采用該射頻套片的手機其整機靈敏度應能達到-111dBm。

接收機非線(xiàn)性指標要求

3GPP TD-SCDMA標準眾多指標中有很多與接收機非線(xiàn)性有關(guān)，這些指標歸納起來(lái)有兩類(lèi)：一類(lèi)是為防止小信號時(shí)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(lèi)指信號自身幅度太強，這里僅有一個(gè)指標就是最大輸入信號電平指標。為靈活應對這些指標要求，同時(shí)考慮手機的節電要求，MAXIM為接收芯片MAX2392設計了多種工作模式。MAX2392的低噪聲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(shí)混頻器的線(xiàn)性度也有兩檔，這樣組合起來(lái)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(xiàn)性度模式，這時(shí)低噪聲放大器處于高增益狀態(tài)，混頻器處于高增益低線(xiàn)性度狀態(tài)。HGHL指高增益高線(xiàn)性度模式，這時(shí)低噪聲放大器處于高增益狀態(tài)，混頻器處于高增益高線(xiàn)性度狀態(tài)。MG指中等增益模式，這時(shí)低噪聲放大器處于高增益狀態(tài)，混頻器處于低增益狀態(tài)，與混頻器的線(xiàn)性度無(wú)關(guān)。LG指低增益模式，這時(shí)低噪聲放大器與混頻器都處于低增益狀態(tài)，與混頻器的線(xiàn)性度無(wú)關(guān)。下面分別就一些具體的非線(xiàn)性指標要求做詳細討論。

a)接收機最大輸入信號電平指標。該指標涉及到接收機的兩個(gè)問(wèn)題：接收機通道增益控制范圍，因為該指標規定了天線(xiàn)端口最大輸入信號電平，而靈敏指標規定了最小輸入信號電平，我們總希望基帶接口處電平恒定，這就要求通道增益控制范圍至少大于這兩個(gè)指標規定的電平之差；該指標牽扯到的另一個(gè)射頻通道技術(shù)指標就是要求通道在如此大的信號電平下不能發(fā)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(diǎn)為-11.6dBm，而最大輸入信號電平為-25dBm，顯然可以滿(mǎn)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(diǎn)也稱(chēng)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(shí)，它會(huì )對系統造成更大的危害。MAX2392是零中頻接收機，所以該問(wèn)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分地可由前端射頻濾波器解決。阻塞信號對系統的影響有四個(gè)方面：倒易混頻影響、交叉調制影響、阻塞信號二次項成份的影響、阻塞信號直接透過(guò)信道濾波器加到基帶單元輸入端口造成的影響。倒易混頻影響是指干擾信號與本振邊帶噪聲混頻產(chǎn)物對系統的影響，它與本振相位噪聲指標有關(guān)，與通道非線(xiàn)性指標無(wú)關(guān)，后文再作詳細討論。阻塞信號直接透過(guò)信道濾波器造成的影響與信道濾波器的帶外抑制特性有關(guān)，與通道非線(xiàn)性指標無(wú)關(guān)，我們也把這個(gè)影響放到后面去討論。