利用RF功率檢測器控制CDMA接入終端的功率

　　每個(gè)移動(dòng)臺對于同一蜂窩內和相鄰蜂窩的用戶(hù)來(lái)說(shuō)都是一個(gè)干擾信號源，因此良好的發(fā)射功率控制對于提高CDMA系統通信性能和容量來(lái)說(shuō)都十分重要。本文介紹的CDMA系統中的閉環(huán)功率控制方法能有效控制移動(dòng)臺功率，文章還介紹了高精度RF功率檢測器LMV225實(shí)現功率控制的實(shí)際應用。

　　CDMAIS-95蜂窩網(wǎng)絡(luò )自從1996年開(kāi)始商業(yè)化以來(lái)，已證明CDMA技術(shù)是推進(jìn)蜂窩式個(gè)人通訊產(chǎn)業(yè)發(fā)展的最佳無(wú)線(xiàn)技術(shù)。據CDMA發(fā)展組織(CDG)報告稱(chēng)，2004年前六個(gè)月CDMA用戶(hù)增長(cháng)2,400萬(wàn)，全世界的總用戶(hù)數達到2.125億。所有主流的第3代標準，如CDMA2000、W-CDMA和TD-SCDMA都以CDMA作為接入方法。CDMA基于擴頻調制技術(shù)，而擴頻原理又建立在香農信息理論基礎之上。香農容量定律規定，在加性白高斯噪聲中信道容量為：

　　其中：Csh為信道傳輸容量，單位是bps；BRF為信道帶寬，單位是Hz；SNR為信噪比。

　　與窄帶系統(即BRF較小)相比，要實(shí)現相同容量的Csh，寬帶系統(即BRF較大)需要的信噪比SNR較小。從另一方面來(lái)講，在給定帶寬BRF的信道中，較高的SNR有更大的傳輸容量。這意味著(zhù)，如果所有用戶(hù)都傳輸相同量的數據，同一信道可以擁有更多的用戶(hù)。

　　移動(dòng)臺或接入終端的IS-95和CDMA2000功率控制

　　功率控制的特征是通過(guò)估計最佳發(fā)射能量水平, 并對網(wǎng)絡(luò )或基站發(fā)送的功率控制指示作出響應, 來(lái)控制反向鏈路中干擾信號電平。

　　在CDMA IS-95和CDMA2000 1X中，基站決定功率控制；而在CDMA2000 EV-DO中，接入終端執行功率控制。兩種標準的功率控制方案是相似的，它采用兩種功率控制方法，即開(kāi)環(huán)控制和閉環(huán)控制。

　　1. 開(kāi)環(huán)功率控制

　　開(kāi)環(huán)方法是利用移動(dòng)臺接收器的功率水平PRX來(lái)估計前向鏈路損耗，然后指定移動(dòng)臺的初始發(fā)射功率PTX，這樣基于不同用戶(hù)終端選擇(如蜂窩、PCS或是3G)，前向和反向鏈路的功率之和保持為一個(gè)常量，即PTX+PRX為常數。PRX通過(guò)Eb/Io計算得到，它由移動(dòng)臺的數字信號處理器(DSP)測量。

　　得到了初始的PTX之后，移動(dòng)臺和基站均開(kāi)始閉環(huán)控制。根據所執行的CDMA標準，基站給移動(dòng)臺發(fā)送一個(gè)誤差信號，指示移動(dòng)臺增加或減少一個(gè)單位的能量。

　　閉環(huán)功率控制

　　閉環(huán)功率控制包含兩個(gè)步驟：外環(huán)(僅基站進(jìn)行)和內環(huán)(移動(dòng)臺和基站同時(shí)進(jìn)行)，在IS-95和CDMA 1X中閉環(huán)控制可以達到800Hz的功率控制速率。

　　閉環(huán)功率控制的主要目的是為了根據基站的測量結果，最小化信號多徑傳播損耗所造成的快速衰減效應。結合使用外環(huán)和內環(huán)兩個(gè)閉環(huán)功率控制過(guò)程，可以在20毫秒的幀間間隔中做到20～35dB的衰減補償，動(dòng)態(tài)范圍可達80dB。

　　a. 外環(huán)閉環(huán)功率控制

　　在外環(huán)中，基站每20毫秒為接收器的每一個(gè)幀規定一個(gè)目標Eb/Io(從移動(dòng)臺到基站)。出現幀誤差時(shí)，該Eb/Io值自動(dòng)按0.2~0.3為單位逐步減少，或增加到3～5dB。

　　整個(gè)外環(huán)閉環(huán)控制步驟只與基站有關(guān)，而與移動(dòng)臺無(wú)關(guān)。

　　b. 內環(huán)閉環(huán)功率控制

　　在內環(huán)，基站每1.25毫秒比較一次反向信道的Eb/Io和目標Eb/Io，然后指示移動(dòng)臺降低或增大發(fā)射功率，這樣就可以達到目標Eb/Io。對于CDMA2000，功率變化幅度單位在±0.25dB～±0.5dB之間，而對于CDMA IS-95，功率變化幅度為±1.0dB。其修正的速率為800bps。

　　CDMA移動(dòng)臺中功率控制的硬件實(shí)現

　　總之，CDMA IS-95需要移動(dòng)臺每1.25毫秒以±1.0dB的幅度調整一次發(fā)射功率，而CDMA2000可以是±0.25dB～±0.5dB。圖1所示為手持設備的線(xiàn)性功率放大器信號鏈的一般輸出功率控制。由于CDMA需要很高的線(xiàn)性度，輸出功率放大器通常被偏置在一個(gè)固定的增益上，然后該輸出功率水平必須通過(guò)增益控制線(xiàn)性驅動(dòng)放大器進(jìn)行調整, 該放大器在CDMA移動(dòng)臺中通常稱(chēng)為自動(dòng)增益控制(AGC)放大器。

　　實(shí)驗發(fā)現，由于使用了隔離器(如Murata CE04和CES30)和高精度射頻功率檢測器LMV225，圖2中的射頻發(fā)射結構能夠減少功率放大器的直流功耗。隔離器為功率放大器的輸出提供了一個(gè)近乎完美的50歐姆負載，而LMV225能夠檢測精確的發(fā)射功率水平。然后，移動(dòng)臺的DSP將輸出功率設置到基站所需要的水平。在這一應用電路中，使用了一個(gè)電阻器將主信號信道的射頻信號轉移到LMV225的輸入端。此外，還需要一個(gè)約100pF的電容器來(lái)進(jìn)行隔直，防止使能控制信號進(jìn)入主信號通道。由于不希望直流電壓進(jìn)入功率放大器的輸出端或隔離器，這個(gè)隔直電容器十分必要。由于已經(jīng)有了一個(gè)隔離器，因此大部分被轉移的射頻能量都是來(lái)自發(fā)射功率放大器。來(lái)自天線(xiàn)的反射能量將轉移到隔離器的內建50歐姆負載上，很少能夠到達電源放大器的輸出或LMV225。因此，被耦合到LMV225的功率可以用20log[R1/(R1+50)]來(lái)估算。

　　實(shí)際的測試結果發(fā)現，電源電流為500mA、鄰信道功率抑制(ACPR)為-40dBc的功率放大器失真性能可以改善到電源電流為450mA、鄰道功率抑制為-50dBc。在該情形下電流下降了10%，失真改善了約10dB。

　　現在我們已經(jīng)證明，對于IS-95、W-CDMA、CDMA2000和TD-SCDMA空中接口，LMV225和一個(gè)CES30隔離器能夠在線(xiàn)性CDMA功率放大器的應用中，在功耗和射頻失真方面表現出較好的性能。事實(shí)上，由于在發(fā)射信號通道中器件的不確定性和變化(像AGC、功率放大器的增益以及無(wú)源器件的損耗等)，為了實(shí)現嚴格的內環(huán)閉環(huán)功率控制，CDMA2000移動(dòng)臺或接入終端有必要采用LMV225作為發(fā)射功率檢測器。

　　移動(dòng)臺發(fā)射信號通道

　　圖2中的射頻發(fā)射電路架構可以用于很多種不同的CDMA芯片組。圖3是一個(gè)為CDMA2000 1X或EV-DO單波段手持設備發(fā)射功率檢測而推薦的LMV225應用簡(jiǎn)圖。

　　在這種發(fā)射器結構中，輸出到天線(xiàn)的功率為：

　　RFout=PRFT-LSAW+GPA-LISOLATOR-LDUPLEXER

　　其中：RFout為到天線(xiàn)的射頻功率(假定已實(shí)現50(阻抗負載)；PRFT為射頻發(fā)射器芯片的輸出功率；LSAW為聲表面波濾波器的插入損耗；GPA為CDMA功率放大器的固定增益；LISOLATOR為隔離器的插入損耗；LDUPLEXER為雙工器的插入損耗。

　　由于R1和LMV225已經(jīng)為信號通道構成了一個(gè)高阻抗的并聯(lián)負載，這里R1和LMV225構成的電阻功率分配器的插入損耗可以忽略不計。在室溫下，可以將LSAW、GPA、LISOLATOR和LDUPLEXER看成不變的。那么，至天線(xiàn)的射頻功率RFout就可以通過(guò)PRFT調節，而PRFT受發(fā)射芯片中的AGC控制。實(shí)際上，AGC放大器通常支持IS-95或CDMA2000所要求的80dB動(dòng)態(tài)范圍。我們還發(fā)現，CDMA移動(dòng)臺大部分工作時(shí)間的輸出功率為中等大小，因此從中等輸出功率到高輸出功率的變化過(guò)程中，功率控制的精確度十分重要。不當的高功率電平會(huì )減少移動(dòng)臺的通話(huà)時(shí)間，并對其他網(wǎng)絡(luò )用戶(hù)產(chǎn)生更多的干擾。

　　LMV225的優(yōu)點(diǎn)

　　為在CDMA手持設備中提供最佳的功率檢測范圍，LMV225的設計進(jìn)行了優(yōu)化。如上所述，從中功率到高功率精確的功率控制尤為重要，采用耦合電阻R1使LMV225能知道射頻信號出現的關(guān)鍵范圍。假設將AGC設置在高/最高增益上以實(shí)現CDMA功率放大器的最大輸出，比如28dBm。如果此時(shí)射頻發(fā)送信號的振幅因數為3dB，那么CDMA功率放大器的瞬時(shí)峰值功率將為28+3=31dBm。如果我們選擇它作為L(cháng)MV225應該能檢測到的最大參考點(diǎn)，即當功率放大器的瞬時(shí)輸出功率為31dBm時(shí)，輸入到MV225的RFin/使能引腳為0dBm, 應該采用一個(gè)31dBm的耦合因子。我們發(fā)現用一個(gè)1.8K(的R1能夠在本電路中產(chǎn)生一個(gè)31dBm的耦合因子。

　　LMV225的線(xiàn)性特征

　　LMV225有30dB的線(xiàn)性檢測范圍，這一特征減少了生產(chǎn)校準過(guò)程的復雜度。校準過(guò)程是CDMA 移動(dòng)臺生產(chǎn)過(guò)程中的一個(gè)重要環(huán)節。使用自動(dòng)測試設備來(lái)收集控制碼/信號從弱到強過(guò)程中的移動(dòng)臺輸出功率信息，將該信息保存在移動(dòng)臺的存儲器中以供現場(chǎng)使用?；菊埱筝敵龉β蕰r(shí)，移動(dòng)臺的DSP從存儲器中找出實(shí)現請求輸出功率水平應采用的控制碼/信號。

　　市場(chǎng)上的一些AGC在控制信號和輸出增益之間可能存在指數特性，如果和LMV225一起使用的是這種AGC，與其它檢測方法(如二極管檢測)相比，以dB為單位的線(xiàn)性特征不會(huì )使原始控制曲線(xiàn)比原始AGC特征曲線(xiàn)更復雜。然而，如果AGC有一個(gè)線(xiàn)性控制范圍，以dB為單位的線(xiàn)性特征將把校準點(diǎn)從20多個(gè)減少到2個(gè)左右。兩點(diǎn)校準過(guò)程基于下面的原理：在一個(gè)二維平面內，只需要兩個(gè)不同的點(diǎn)就可以表示一個(gè)一階線(xiàn)性方程。如果方程為y=mx+b，用兩個(gè)測試坐標(x1，y1)和(x2，y2)就可以計算出斜率m和截距b。

　　雙波段CDMA2000移動(dòng)站中的LMV225

　　圖4為用于CDMA2000手持設備的推薦框圖。雖然電阻R1和R1''可能并不相同，用戶(hù)還是可以對兩個(gè)波段的性能進(jìn)行優(yōu)化使R1和R1''的值相同。另一方面，由于在實(shí)際應用只有一個(gè)功率放大器處于工作狀態(tài)，且電阻R1或R1''通常提供30+dB的隔離，低波段和高波段之間的隔離應該處于可以接受的范圍內。

　　作者：Barry Yuen

　　射頻系統工程師

　　美國國家半導體公司