TD-LTE發(fā)射機系統設計分析

概述

具有中國自主知識產(chǎn)權的TD-LTE由于其頻譜利用率高(下行：5bit/S/Hz;上行：2.5bit/S/Hz)；高速率(下行:100Mbps；上行:50Mbps)；低延時(shí)(100ms控制面，10ms用戶(hù)面)，以及靈活的頻譜使用（可變帶寬，1.4MHz;3MHz;5MHz,10MHz,15MHz,20MHz）正越來(lái)越受到各個(gè)運營(yíng)商的青睞，到2011年2月，由中國移動(dòng)主導聯(lián)合7家運營(yíng)商發(fā)起成立TD-LTE全球發(fā)展倡議(GTI)，已發(fā)展至48家運營(yíng)商成員，27家廠(chǎng)商合作伙伴；目前已經(jīng)有38個(gè)運營(yíng)商計劃部署或正在進(jìn)行試驗。

本文將對TD-LTE的不同架構的發(fā)射機系統(包括發(fā)射和反饋)的挑戰進(jìn)行分析，最終根據TD-LTE的空口指標要求進(jìn)行系統指標分解，提供了TD-LTE發(fā)射機設計的思路及依據,同時(shí)結合TI的方案分析了發(fā)射機鏈路關(guān)鍵器件的指標要求。

1、TD-LTE 發(fā)射機架構概要

為了更加深入理解基站發(fā)射機系統的系統指標，本節將首先介紹目前在基站系統中常用的幾種架構及各自的優(yōu)缺點(diǎn)，從而根據不同的要求選擇不同的發(fā)射機架構。

總的來(lái)說(shuō)，對 TD-LTE 而言，目前最大的挑戰是帶寬, 中國目前有 190MHz(2500-2690)連續帶寬分配給TD-LTE，同時(shí)還有很多多頻段的要求(比如 F+A；1880-1920MHz,2010-2015MHz)頻段,等都對發(fā)射機，尤其是反饋通道的要求非常高;嚴格的帶外雜散要求，尤其是 F 頻段，對發(fā)射機系統而言也是非常大的一個(gè)挑戰，另外，高 EVM，低噪底的需求同樣對系統設計是一個(gè)挑戰。

1.1 零中頻發(fā)射，零中頻反饋

圖 1 為零中頻發(fā)射及零中頻反饋的架構圖，其中調制器（modulator）的輸入頻點(diǎn)為零，解調制(demodulator)的輸出頻點(diǎn)為零，就稱(chēng)為零中頻發(fā)射和反饋。

該架構在技術(shù)上具有非常大的優(yōu)勢：

1) 發(fā)射和反饋可以采用同一個(gè)本振信號，節約簡(jiǎn)化了系統設計和成本；

2) 降低了 ADC 及 DAC 的采樣率要求，尤其是對于寬帶的 TD-LTE 系統，由于 ADC 有出口管制，采用該種架構后，相對于實(shí)中頻架構，對 ADC 的采樣率要求降低了一半；

3) 由于調制器和解調制的輸入/輸出頻點(diǎn)為零，所以系統沒(méi)有和中頻有關(guān)的各種雜散信號，大大減少各種濾波器的需求；

4) 對 ADC 和 DAC 而言，其輸入/輸出頻點(diǎn)低，本身的性能也大大提高，從而有利于系統設計；

5) 采用零中頻后，可以保證 DPD 信號帶內平坦度高，從而利于 DPD 的處理。

目前，越來(lái)越多的基站發(fā)射機系統已經(jīng)開(kāi)始采用這種架構了，但是該架構同樣有其弱點(diǎn)：

1) 由于采用零中頻架構，其本振泄露和邊帶信號都在信號帶內，沒(méi)有辦法通過(guò)濾波器來(lái)對本振信號和邊帶進(jìn)行抑制，完全靠算法來(lái)進(jìn)行校準，所以對算法的要求比較高；

2) DAC 的低次諧波(二次，三次)都會(huì )在帶內，同樣沒(méi)有辦法通過(guò)濾波器來(lái)抑制，所以需要DAC 本身有比較好的二次及三次諧波性能，同時(shí)也需要算法對低次諧波進(jìn)行校準，會(huì )導致算法復雜化；

3) 由于發(fā)射通道和反饋通道都是采用零中頻架構，在做本振泄露和邊帶抑制時(shí)，需要區分發(fā)射通道的和反饋通道的本振泄露信號，所以在反饋通道中需要增加移相器來(lái)區別發(fā)射和反饋信號的本振泄露信號。

考慮到目前的算法還不能非常好的校準本振泄露，邊帶信號，各種低次諧波信號，對 MCGSM系統，目前還沒(méi)有采用該種架構。

1.2 零中頻發(fā)射，實(shí)中頻反饋

和圖 1 的架構不同，當反饋通道采用混頻器替代解調器后，就叫實(shí)中頻反饋。

該方案是目前最通用的架構，相較架構一，最大的區別就是在反饋通道，所以其最大的優(yōu)點(diǎn)：

1) 由于只是發(fā)射通道采用零中頻，系統的本振泄露和邊帶校準相對算法比較容易；

2) 對反饋通道而言，由于采用數字高中頻的方式，其本振泄露和鏡像信號都可以通過(guò)簡(jiǎn)單的濾波器濾除，無(wú)需做任何校準；

3) 由于采用實(shí)中頻方案，只需要一路反饋 ADC；

4) 降低了 DAC 的采樣率，簡(jiǎn)化了 DAC 和調制器間抗混疊濾波器設計(只需要采用低通濾波器)。

該架構的缺點(diǎn)在于：

1) 對反饋通道的 ADC 采樣率要求非常高，尤其是對 TD-LTE 190MHz 帶寬需求；

2) 反饋通道的濾波器會(huì )引入 DPD 信號不平坦性問(wèn)題；

3) 需要兩個(gè)本振信號目前大多數的基站都采用這種架構。

1.3 復中頻發(fā)射，復中頻反饋

相較圖 1 的的方案，區別是 DAC 的輸出信號為高中頻信號，ADC 的輸入信號為高中頻信號，其優(yōu)點(diǎn)如下:

1) 發(fā)射和反饋可以采用同一個(gè)本振信號，簡(jiǎn)化節約了系統設計和成本；

2) 本振泄露和邊帶抑制可以通過(guò)濾波器來(lái)抑制，對算法要求大大降低；

3) 低次諧波信號在帶外，可以通過(guò)濾波器來(lái)進(jìn)行抑制，降低了對算法的要求；

4) 由于采用復中頻架構，反饋通道的 ADC 的采用率要求降低一半，尤其對寬帶 TD-LTE 系統尤為重要。

其缺點(diǎn):

1) 由于 DAC 和 ADC 的信號都是高頻信號，對其性能影響比較大；

2) 解調器的線(xiàn)性指標會(huì )下降；

3) 發(fā)射和反饋通道的平坦度性能會(huì )比較差，對 DPD 的性能會(huì )有比較大的影響由于不需要做直流及邊帶校準，而且可以比較容易支持寬帶信號，在 TD-LTE 上有比較大的潛力。

2、TD-LTE 發(fā)射機指標分析

本節將介紹 TD-LTE 的空口指標要求以及對應的系統指標分配,根據 3GPP TS 36.104 要求，TDLTE 的發(fā)射空口指標要求包括：基站輸出功率，基站輸出功率動(dòng)態(tài)范圍；發(fā)射機開(kāi)/關(guān)功率；發(fā)射機信號質(zhì)量；unwanted emission;發(fā)射互調及其他，下面將針對重要的指標進(jìn)行分析，分解。

2.1 基站輸出功率

基站輸出功率是指的天線(xiàn)口的每載波的均值功率，這個(gè)指標要求通常是由運營(yíng)商提出來(lái)的，目前TD-LTE 通常要求支持 8 天線(xiàn) 20W（43dBm）的最大功率輸出，3GPP 要求其精度為+/-2dB, 極端條件下保證精度為+/-2.5dB, 但是為了簡(jiǎn)化功放設計，以及良好的熱設計，通常要求鏈路保證的功率波動(dòng)為+/-1dB, 在寬帶信號，尤其是中國的 TD-LTE 190MHz 帶寬，怎樣保證鏈路的功率波動(dòng)在+/-1dB 以?xún)饶亍?/p>

在選擇鏈路器件時(shí)，需要保證在 190MHz 帶內的功率波動(dòng)盡量小，通常分配給 DAC 和調制的功率波動(dòng)在+/-0.5dB 以?xún)?，目?TI 的 DAC34H8X+TRF3705 能夠保證+/-0.5dB 的帶內波動(dòng)要求。

除了鏈路器件的選擇要保證比較好波動(dòng)外，閉環(huán)功率校準也是必須的，下表是對閉環(huán)校準的要求樣例。

2.2 發(fā)射機開(kāi)/關(guān)功率

發(fā)射機開(kāi)關(guān)是專(zhuān)門(mén)針對 TD-LTE 的一個(gè)指標要求，由于 TD-LTE 采用同頻接收/發(fā)射，在發(fā)射機關(guān)斷后要求其噪底對接收機的影響有控制在一定范圍之內，3GPP 要求其在關(guān)斷后功率低于-85dBm/MHz, 歸一化后： -85dBm/MHz=-(85+10*lg10^6)=-145dBm/Hz,考慮到增益，分配到 DAC機調制器的噪底要保證-155dBm/Hz 左右。

2.3 發(fā)射機信號質(zhì)量

發(fā)射機的信號質(zhì)量包括：頻率誤差；EVM(矢量幅度誤差);多天線(xiàn)之間的時(shí)延同步。

2.3.1 頻率誤差

3GPP 要求, 調制載波頻率在一個(gè)子幀周期 (1ms) 內觀(guān)察到的頻率偏差不得超過(guò)+/-0.05ppm在 TD-LTE 發(fā)射機系統中，由于基帶系統是完全同步的，沒(méi)有長(cháng)期頻率誤差，所以其頻率誤差主要來(lái)之于時(shí)鐘和頻綜的貢獻。

2.3.2 EVM(矢量幅度誤差)

3GPP 要求對各種調制信號的要求如下表，通常對設計者而言，需要保留 2-3%的余量。

EVM的貢獻對整個(gè)發(fā)射兩路而言，主要來(lái)自于幾部分: 數字處理和鏈路部分。

1：CFR (削峰處理), 為了提高 PA 的效率，削峰是目前結合 DPD 最重要的技術(shù)，它對系統的 EVM 有著(zhù)非常重要的影響，不同的削峰技術(shù)性能不同，通常的硬削峰會(huì )比較簡(jiǎn)單，但是對系統的影響，尤其是對EVM 的影響會(huì )比較大，目前常用的方法峰值對消法，雖然要求的資源比較多，但是對整個(gè)系統性能是最優(yōu)的，此處不詳細述具體的 CFR 對 EVM 的影響，但是需要清楚 CFR 對 EVM 有非常重要的影響。

2：鏈路部分,如下式發(fā)射鏈路的通用示意圖，我們可以列出 7 個(gè)影響 EVM的因素，本文不做詳細推導，直接應用結論(2)。

A: I/Q 之路不平衡，設增益差為 δ dB

如果

則可以得到如下 EVM 和增益誤差的關(guān)系

B: 正交調制器本振移相誤差對β對 EVM 的影響

C: 本振泄露? 對 EVM 的影響

D: 本振相位噪聲 ? 對 EVM 的影響，設 G? 為相位噪聲的功率譜密度，則

除以上主要影響，通道濾波器的幅頻特性失真，通道濾波器的非線(xiàn)性相位失真，鏈路的非線(xiàn)性失真都會(huì )影響發(fā)射機的 EVM, 式(5)給出了鏈路總 EVM 的計算式

2.3.3 多天線(xiàn)同步時(shí)延誤差

TD-LTE 除了智能天線(xiàn)要求的多天線(xiàn)之間的相位要求之外，3GPP 對多天線(xiàn)之間的相位誤差也要求不得大于 65ns, 通常分配到發(fā)射機信號鏈路的延遲不得大于 30ns, 所以對發(fā)射鏈路通常要求調制器共本振，DAC 共時(shí)鐘，而且由于 DAC 里面集成了 FIFO，通常還要求 DAC 能夠同步，同時(shí)如果多天線(xiàn)之間的相位延遲是固定的，通常需要進(jìn)行補償，如果多天線(xiàn)之間的相位延遲存在不確定性，需要保證不確定性盡量小。

2.4 Un-wanted emissions(雜散輻射要求)

Un-wanted emissions 包括帶外輻射和雜散輻射兩部分，帶外輻射是是指發(fā)射機工作帶寬的下限頻點(diǎn)到10MHz 距離以?xún)鹊姆秶鷥鹊妮椛湟?，以及上限頻率以上 10MHz 以?xún)确秶妮椛湟?，?UMTS 為列，發(fā)射機工作帶寬為 2110-2170MH 在，所以帶外雜散就是指 2100-2110MHz 以及 2170-2180MHz 范圍內的雜散要求；除去帶外輻射要求的頻率范圍內的信號，其他區域的雜散都歸于雜散輻射指標的要求。

2.4.1 Operating band unwanted emissions

Operating band unwanted emissions 是 Un-wanted emission 中的一種，其近端的貢獻主要來(lái)至于 DPD后功放的殘余非線(xiàn)性產(chǎn)物以及本振信號的相位噪聲，而遠端的貢獻主要來(lái)之于發(fā)射鏈路的噪底，以及DPD 后功放的殘余非線(xiàn)性產(chǎn)物，發(fā)射鏈路落在帶內的雜散對遠端輻射也有比較大的影響。

如上所示為帶內雜散模板，其中藍色是 FCC 的要求，在偏移 1MHz 時(shí)，需要滿(mǎn)足 22dBm/MHz， 而中國移動(dòng)只需要滿(mǎn)足 3GPP cat A 的需求，在偏移 1MHz 時(shí)，需要滿(mǎn)足-11dBm/MHz 的要求，但是為了支持beam forming,需要增加 9dB 的要求，即在偏移 1MHz 時(shí)，需要滿(mǎn)足-20dBm/MHz 要求，設功放輸出功率為 20W（43dBm），對 20MHz 的 TD-LTE 信號而言，為了滿(mǎn)足 3GPP 要求。

0-1MHz: 43dBm-10*log (18MHz)-(-11dBm/MHz) =40.5dBc

1MHz-10MHz: 43dBm-10*log (18MHz)-(-13dBm/MHz) =42.5dBc

10MHz: 43dBm-10*log (18MHz)-(--15dBm/MHz) =44.5dBc

根據如上的結果，可以分配到 DUC，CFR,調制器，功放等每一級，保證級聯(lián)結果不得低于如上的值。

2.4.2 ACLR(鄰道泄露功率抑制比)

ACLR 是指主信號的均值功率和領(lǐng)道信號功率的比值，通常 3GPP cat A 要求其可以取滿(mǎn)足于-45dB 的相對比值，或者取-13dBm/MHz 作為絕對的值的領(lǐng)道功率，可以?xún)烧呷∑漭p； cat B 是可以在相對 45dB或者絕對-15dBm/MHz 中取其輕，相對帶內雜散要求來(lái)說(shuō)，ACPR 要求更低，通常是用來(lái)評估發(fā)射機系統的非線(xiàn)性指標的，在系統中，PA driver, 調制的非線(xiàn)性，本振信號的相位噪聲，以及 DAC 的非線(xiàn)性指標都會(huì )影響系統的 ACLR。

ACLR 是一個(gè)系統指標，對應的 PA driver, 調制器的非線(xiàn)性指標為 OIP3, 粗約的轉化可以表示為:

1 載波 ACPR=IIM3I-3dB

2 載波 ACPR=IIM3I-9dB

4 載波 ACPR=IIM3I-12dB

所以可以根據 IM3 算出 OIP3，從而根據 OIP3 的級聯(lián)公式可以算出對每一級器件的 OIP3 要求。

2.4.3 Transmitter spurious emissions(發(fā)射雜散)

發(fā)射雜散是指 9KHz 到 12.5GHz 頻段，除去帶內雜散以外的所有頻率范圍內的雜散要求，這是一個(gè)強制的要求，如下總結了通用的雜散指標，發(fā)射通道對接收通道的雜散要求，共存雜散指標，共站址等雜散指標要求，對共存，共站址沒(méi)有列出所有的頻率范圍，僅僅列出了一些代表部分，具體的設計需要對照3GPP 里面列出的所有頻率范圍的雜散指標要求。

尤其是對接收機的信號干擾，需要保證-96dBm-10*log(100KHz/Hz)=-146dBm/Hz,這是沒(méi)有濾波器抑制的，需要保證在發(fā)射機關(guān)斷后，其輸出的功率極低;對于共站址的-98dBm 雜散要求，需要在設計雙工器的時(shí)候針對對應的共站址頻率進(jìn)行相應的抑制。

同時(shí)要考慮各種可能的交調產(chǎn)物落在對應的頻率范圍內(有很多計算交調的工具),需要考慮到各種可能的信號，如時(shí)鐘頻率及諧波，PLL 頻率及諧波，以及其相互之間的交調產(chǎn)物。

2.4.4 發(fā)射互調

發(fā)射互調要求是用來(lái)測試發(fā)射機抑制自身非線(xiàn)性的能力，測試的干擾信號為 5MHz E-UTRA，均值功率為 43dBm-30dB=13dBm 的信號，其位置分別位于離主信號+/-12.5MHz,+/-7.5MH 在,+/-2.5MHz 處，其交調產(chǎn)物要滿(mǎn)足圖 6 所以的雜散輻射模板。

3、TI TD-LTE 發(fā)射關(guān)鍵器件要求

第二節詳細解析了發(fā)射機的指標要求，本節將依據其指標要求，結合 TI 的方案介紹重點(diǎn)器件的需求(DAC+調制器,時(shí)鐘，頻綜)。

3.1 DAC+調制器

高帶寬：支持 190MHz BW，需要的 DPD 帶寬至少 600MHz，DAC 數據速率 750MHz。

(750*0.8=600MHz) DAC 采樣率 750*2=1.5Gpbs, DAC34SH84 采樣率 1.5GHz, 支持最大 600MHz 信號帶寬。

低噪聲:考慮遠端噪聲模板要求，保留 13dB 余量，DAC+調制的噪聲要求應該低于:-22dBm/MHz-13dB-(-43dBm-(-14dBm))-10lg1MHz=-152dBm/Hz，DAC34SH84 噪底為-156dBm/Hz, TRF3705 噪底 -157dBm/Hz,所以總噪聲為大概為-153dBm/Hz。

平坦度:圖 8 為 DAC34SH84+TRF3705 的平坦圖,結合頻率校準，能夠滿(mǎn)足平坦度要求。

SFDR：考慮單載波信號，帶寬 20MHz, 對帶內雜散指標要求，假設 10%貢獻來(lái)自于DAC34SH84+TRF3705，SFDR 需要好于： [43dBm-10lg (18MHz)]-[(-22dBm)-(10lg1MHz)]-10lg0.1=63dB

總結

本文詳細介紹了發(fā)射機的系統指標要求及分解，各種指標對系統的要求，以及關(guān)鍵器件的選擇，結合 TI 的方案 DAC34SH84+TRF3705，為 TD-LTE 提供了一套發(fā)射機系統方案分析的思路及器件選擇的依據。