第三代移动通信系统：解析WCDMA发射机

2019-11-05 02:43:25

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供稿：网友

　　概述
　　上世纪80年代初开始商用的以模拟技术为主要特征的移动通信系统被称为第一代移动通信系统；90年代人们普遍使用的以GSM和IS-95为代表的数字移动通信系统被称为第二代移动通信系统；而被命名为IMT-2000的以智能移动通信技术为主要特征的新一代移动通信系统被称为第三代移动通信系统。与前两代系统相比，3G系统有更大的容量、更好的通信质量、更高的频带利用率，这些特点使得它能为高速和低速移动用户提供话音、数据、会议电视及多媒体等多种业务。而且用户能在全球范围内无缝漫游。
　　
　　1992年，世界无线电会议(WRC)在2GHz四周分配了一个频段，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。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，所以假如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，答应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。
　　
　　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。
　　
　　WCDMA发射机规范要求
　　3GPP规范了FDD3G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，这部分将描述几个要害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。定义了一些要害的发射机参数以后，我们现在列出了规范和设计3GWCDMA发射机终端的一些重要的要求。
　　
　　解析WCDMA发射机
　　WCDMA无线射频方面整机指标相对2G来讲严格了很多，主要表现在信号的纯度(泄露)、高动态范围、调制带宽(5MHz)、复杂的码域分析。为了实现整机的外部表现满足协议规范要求，系统内个模块的指标分配非常重要。因此在研发阶段单板和主要器件的各项指标要求更为苛刻。Maxim提供多种WCDMA发射机IC，覆盖了大部分通用频率范围，在此选用了其中的一个方案作为例子，见图。
　　
　　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RFLO频率合成以及RF上变频。IFLO由内部VCO和PLL合成，频率为760MHz。外部RFVCO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3.5VDC，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3.5VDC，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。

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