WCDMA 發(fā)射機原理及Maxim WCDMA參考設計

　　本文討論了移動(dòng)通信向第三代(3G)標準的演化與發(fā)展，給出了范圍廣泛的3G發(fā)射機關(guān)鍵技術(shù)與規范要求的概述。文章提供了頻分復用(FDD)寬帶碼分多址(WCDMA)系統發(fā)射機的設計和測得的性能數據，以Maxim現有的發(fā)射機IC進(jìn)行展示和說(shuō)明。

　　移動(dòng)技術(shù)的發(fā)展：邁向3G

　　第一代（1G）電話(huà)是基于很多種類(lèi)似但互不兼容的技術(shù)的模擬蜂窩設備。它們提供的服務(wù)范圍很有限，主要依靠固定電話(huà)網(wǎng)絡(luò )提供服務(wù)。

　　第二代（2G）電話(huà)采用TDMA或CDMA技術(shù)，使用直接調制到發(fā)射載波的數字信道。其結果—更高的頻譜效率—使信號質(zhì)量、安全、實(shí)際數據服務(wù)量和國際漫游幾個(gè)方面的價(jià)值都得到提升。

　　第三代（3G）終端的目標是提供全球無(wú)縫移動(dòng)性，同時(shí)與部分接入技術(shù)實(shí)現全球兼容，如無(wú)線(xiàn)本地環(huán)路、蜂窩、無(wú)繩和衛星系統。實(shí)現終端全球無(wú)縫移動(dòng)性的一個(gè)技術(shù)上的挑戰和困難在于實(shí)現全球統一的頻率規劃。在世界上的每一個(gè)地區，至少有部分必須的頻譜已經(jīng)被分配給其他的無(wú)線(xiàn)服務(wù)。

　　3G的誕生

　　1992年，世界無(wú)線(xiàn)電會(huì )議（WRC）在2GHz附近分配了一個(gè)頻段，隨后，國際電信聯(lián)盟無(wú)線(xiàn)通信部（ITU-R）開(kāi)始著(zhù)手定義一份3G系統的要求清單，為滿(mǎn)足這些要求提出了許多技術(shù)：包括WCDMA、OFDM、TDSCDMA和ODMA。

　　一個(gè)叫做第三代合作伙伴項目（3GPP）的技術(shù)實(shí)體被指定分析這些提議的技術(shù)。這項工作的結果是，WCDMA成為了3G系統最傾向于采用的技術(shù)。3GPP曾經(jīng)寫(xiě)過(guò)一個(gè)技術(shù)規范，其中的25.101章包括了WCDMA移動(dòng)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(gè)參數確定：RF信道號和信道碼

　　適合快速移動(dòng)應用

　　上行和下行鏈路在頻域分開(kāi)

　　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(shí)分復用模式[TDD]：

　　物理信道由三個(gè)參數確定：RF信道號、信道碼和時(shí)隙

　　適合室內或慢速移動(dòng)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(yōu)化無(wú)線(xiàn)語(yǔ)音通信系統效率的方法，這種方法在沒(méi)有語(yǔ)音輸入的時(shí)候隨時(shí)的關(guān)閉移動(dòng)或便攜式電話(huà)。典型的2路通話(huà)中，每一方說(shuō)話(huà)的時(shí)間都略小于總時(shí)間的一半，所以如果發(fā)射機只在存在語(yǔ)音輸入的時(shí)候打開(kāi)，電話(huà)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(fā)射機元件的工作負擔、使信道更加空閑，允許系統利用空閑帶寬與其它信號共享信道。DTX利用語(yǔ)音活動(dòng)檢測（VAD）電路工作，在無(wú)線(xiàn)發(fā)射機中有時(shí)稱(chēng)作工作語(yǔ)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(dòng)RX,，1920MHz-1980MHz用于移動(dòng)TX。

　　CDMA原理

　　在討論WCDMA發(fā)射機之前，本部分對CDMA的原理進(jìn)行簡(jiǎn)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(gè)獨特的、稱(chēng)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。

　　CDMA原理

　　在討論WCDMA發(fā)射機之前，本部分對CDMA的原理進(jìn)行簡(jiǎn)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(gè)獨特的、稱(chēng)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(chǎn)生的擴展數據被調制到載波上用于發(fā)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(chǎn)生帶寬很寬的發(fā)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(guān)器（帶有原始發(fā)射機擴頻碼）重新生成（解擴）想要的信號。被提取的數據通過(guò)一個(gè)窄帶的帶通濾波器后根據需要進(jìn)行進(jìn)一步處理。

　　3G WCDMA發(fā)射機規范要求

　　3GPP規范的25.101章（在上文中提到過(guò)）包括了FDD 3G移動(dòng)終端Rx/Tx的電氣規范要求。在討論WCDMA發(fā)射機的要求之前，這部分將描述幾個(gè)關(guān)鍵的發(fā)射機參數以及它們在發(fā)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(shuō)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(fā)射信號頻道內的平均功率之比，ACPR描述了由于發(fā)射機硬件非線(xiàn)性造成的失真大小。

　　ACPR對于WCDMA發(fā)射機來(lái)說(shuō)是至關(guān)重要的，因為CDMA調制在調制載波中產(chǎn)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(fā)射機的非線(xiàn)性將使這些頻譜再生成分進(jìn)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(gè)給定時(shí)刻理想無(wú)誤差基準信號與實(shí)際發(fā)射信號的向量差。因為在每個(gè)符號變化時(shí)它也在不斷的變化，這個(gè)新的參數（EVM）定義為誤差向量在一段時(shí)間內的RMS值。

　　EVM對于WCDMA發(fā)射機性能也是十分重要的，因為它表示了發(fā)射信號的調制質(zhì)量。大EVM值將導致糟糕的檢測精度，從而降低收發(fā)機的性能。

　　頻率誤差：規定的載波頻率和實(shí)際載波頻率之差。由于引起鄰信道干擾和低質(zhì)量檢測精度，大的頻率誤差降低了收發(fā)機的性能。

　　雜散和諧波：雜散是發(fā)射機中不同的信號組合產(chǎn)生的信號，諧波是發(fā)射機的非線(xiàn)性特性產(chǎn)生的失真產(chǎn)物。諧波產(chǎn)生在發(fā)射信號頻率的整數倍頻率上。

　　定義了一些關(guān)鍵的發(fā)射機參數以后，我們現在列出了規范和設計3G WCDMA發(fā)射機終端的一些重要的要求。（表1）

　　表1. 3GPP發(fā)射機規范要求

　　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 f935MHz 25.101 [6.6.3.1]

　　-79dBm ;935 f960MHz

　　-71dBm;1805 f1880MHz

　　-36dBm ;30 f1000MHz

　　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發(fā)射機

　　Maxim提供多種WCDMA發(fā)射機IC，覆蓋了大部分通用頻率范圍。例如，超外差系統器件具有業(yè)內最高集成度的發(fā)射機芯片（MAX236X），提供典型的380MHz Tx 中頻（IF）。另一個(gè)超外差系統芯片的例子是MAX2383上變頻器驅動(dòng)器，采用的高Tx IF頻率達570MHz。為了展示硬件符合3GPP規范（帶有余量），本部分提供了一些基于第一代Maxim WCDMA發(fā)射機IC的系統電平和分立元件測試結果，這些硬件是v1.0 WCDMA參考設計的一部分。關(guān)于更新的零中頻WCDMA參考設計的信息請與廠(chǎng)商聯(lián)系。

　　圖1.WCDMA收發(fā)機框圖

　　WCDMA 超外差發(fā)射機

　　本發(fā)射機是完整WCDMA收發(fā)機參考設計的一部分，包含4個(gè)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(fā)射IC

　　The MAX2291 RF 功率放大器

　　發(fā)射機硬件采用380MHz的IF和1920MHz到1980MHz的Tx頻率。雙工器通過(guò)將Tx通道（與Rx通道）連接到天線(xiàn)實(shí)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(jìn)行正交調制、IF和RF LO頻率合成以及RF上變頻。IF LO由內部VCO和PLL合成，頻率為760MHz。外部RF VCO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(dòng)器使芯片能夠直接驅動(dòng)外部PA。

　　在Tx電路前端，芯片級封裝的線(xiàn)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(shí)現的最大天線(xiàn)輸出為24dBm。

　　完全進(jìn)入工作狀態(tài)以后，WCDMA系統大多數時(shí)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(yōu)化模式用于滿(mǎn)足這個(gè)需求，延長(cháng)了通話(huà)時(shí)間同時(shí)具有下列預期的性能：

　　Vcc為3.5V DC，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3.5V DC，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(fā)射機輸出的功率必須在+24dm到-50dBm之間以滿(mǎn)足要求的74dB動(dòng)態(tài)范圍。v1.0參考設計板設計為80dB的動(dòng)態(tài)范圍，留出了一些余量。

　　發(fā)射機芯片的動(dòng)態(tài)范圍是有限的DD通常在高功率時(shí)受到ACPR的限制，低功率時(shí)受到噪聲基底的限制。為了在低功率時(shí)獲得超過(guò)15dB的載波噪聲比（C/N），為v1.0參考設計板設計了額外的20dB可變衰減（由PA的增益控制衰減器引入）。從全面的測試結果中提取出來(lái)的主要性能參數（表2）證明了Maxim v1.0 WCDMA發(fā)射機符合規范要求。

　　表2. Tx在全功率下的輸出特性

　　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

　　*具體的最小/最大ACP圖，見(jiàn)下面的圖2-5

　　Tx電路的EVM和ACPR

　　Tx輸出功率為+24dBm時(shí)從v1.0 WCDMA參考設計板測得的EVM大約為5.7%（3.5%來(lái)自MAX2291 PA，4.6%來(lái)自MAX2363 Tx芯片）。整體EVM值完全符合3GPP的要求（17.5%），Tx電路的EVM和ACP測試結果如下所示：

　　圖2.Tx電路的EVM，輸出 -20dBm

　　圖3.Tx電路的EVM，輸出 +24dBm.

　　圖4.Tx電路的ACP，輸出+24dBm.

　　圖5.Tx電路的ACP，輸出 -20dBm.

　　根據郊區的語(yǔ)音輸出功率分布函數（一個(gè)描述了城市和鄉村、數據和語(yǔ)音等不同情況下功率變化情況的統計性能參數），最大輸出功率時(shí)測得的Tx電路的電流為550mA，輸出22dBm功率時(shí)為365mA。

　　Tx功率最大時(shí)，Rx頻帶內測得的Tx噪聲為-137.0dBm/Hz。如果Tx與Rx的隔離為-50 dB，Rx通道內的Tx噪聲則為-187.0dBm/Hz，這遠低于熱噪聲。也就是說(shuō)，Tx對Rx總噪聲的貢獻幾乎為零。（本計算已經(jīng)得到在最大功率和較小功率下測試結果的證實(shí)。）

　　兩幅曲線(xiàn)圖展示了在V1.0 Tx電路天線(xiàn)端口預期得到的典型頻譜形狀。天線(xiàn)輸出24dBm功率時(shí)（圖6），情況為：

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

　　MAX2363 IF DAC 設置 = 110

　　VGC = 2.4V.

　　圖6.天線(xiàn)輸出24dBm功率時(shí)，V1.0 Tx電路天線(xiàn)端口的典型頻譜形狀

　　天線(xiàn)輸出-53dBm功率時(shí)，即VGC = 1.35V 且絕對輸出功率 = -38dBm的低Tx輸出功率（圖7），情況為：

　　Icc = 166mA (僅TX)

　　VGC = 1.35V

　　IF DAC = 000

　　PA 偏置設置 = 1

　　Pout 衰減 = MAX.

　　圖7.天線(xiàn)輸出-53dBm低功率時(shí)，V1.0 Tx電路天線(xiàn)端口典型的頻譜形狀

　　小結

　　本文的目的是給讀者提供WCDMA發(fā)射機在理論、設計和規范要求方面的適當的概述，采用第一代Maxim WCDMA超外差參考設計進(jìn)行實(shí)例展示。Maxim目前的產(chǎn)品還包括直接變頻（零中頻）的WCDMA收發(fā)機。

　　參考文獻

　　1. v1.0 reference design preliminary performance report, Maxim Integrated Products Inc.

　　2. Maxim website: http://dbserv.maxim-ic.com/an_prodline2.cfm?prodline=14