3G通信系统的直接调制无线电硬件结构

基站收发器系统(BTS)的关键性能部件(天线、无线电收发器,信号处理子系统,以及支持、控制硬件和软件)影响BTS的成本。BTS配置的一个实例示于图1。BTS采用主分支模块和分集分支模块。在2G系统中,分集接吸器系统是通用的,而3G规范也定义了发射器分集的选项。如图1所示,发送接收模块(TRM)包含双工发送和接收部分。对于广域蜂窝站,接收器一般通过双工器模块(DM)和塔顶部件(TTA)连接到天线。TTA由低噪声放大器(LNA)组成,LNA对于补偿天线到TRM之间缆线损耗是必须的。TTA可以用旁路开关(用于低噪声放大器保护)和前置选择器滤波器配置。在发送端,TRM中的驱动功率放大器(PA)在连通双工器和天线前馈连高功率放大器(HPA)。

本文关注点是接收器和发送器模块(通常每组每个TRM有4个模块),并讨论不损害系统性能和降低成本的方法。本文集中在直接变频接收器(DCR)和直接变频发送器(DCT)结构,因为这种结构在不牺牲性能的情况下,具有显著的成本和尺寸优势。

第3代系统可以用EDGE(GSM发展用增强数据)、CDMA2000(第3代码分多址)或WDCMA(宽带码分多址)调制标准。

表1 WCDMA直接变频发送器的ACLR1预算实例

3G直接变频接收器

在需要多频带灵活工作而大小、功率和成本受限制的应用中,正在日益采用DCR。DCR也能满足这些严格的要求,因为它需要较少的元件(混频器、滤波器、放大器),使得功率、成本和尺寸都较小。DCR直接变频RF信号为基带,不需要各种混频器,反射抑制滤波器和放大器。图2示出DCR的一个可适用于3G基站的DCR实例。接收器链路的第1个元件是LNA。LNA主要功能是使整个接收器噪声指数最小。建议用1个开关LNA来处理大输入信号动态范围。在接收器链路LNA之后,是一个RF带通滤波器(BPF)。BPF对带外干扰信号和接收器产生的寄生信号进行衰减。用可变增益放大器(VGA)或可变衰减器和放大器组合对滤波的输入信号进行电平控制。然后,信号送到解调器RF集成电路(RFIC),RFIC把信号解调为同相[I]和90°相位差(Q)基带信号。解调信号线路以差分对形式出现,这样可提供更高的抗噪声度。来自解调器的I和Q信号然后到低通滤波器(LPF)并由低频自动增益(AGC)放大器放大。低频AGC对于保持I和Q信号电平在A/D转换器(ADC)的输入范围内是关键性的。接收器(图2)用少量元件提供一个相当简单的结构。但是对于任何DCR必须考虑的主要设计问题是直流(dc)偏移。

图1 分集接收和发送通路的基站结构

图2 直接变频接收器结构

图3 3G直接变频接收器的RF性能预算实例

本振(LO)信号与输入RF信号的混频或泄漏耦合到RF输入,这可能在接收器中产生显著的dc 电压电平。对LO和RF之间进行最大隔离和通过谐波器,可使d c 偏移最小。在解调器I-Q通路中很好地匹配混频器和放大器的振幅和相位响应是关键性的。Si-BiCMOS解调器SKY73009的振幅和相位平衡可分别达到0~3dB和1U庵纸獾髌饕簿哂?0dB的LO和RF间隔离,这对于在接收器中保持低dc偏移信号是必不可少的。采用低性能解调器的系统将需要复杂和昂贵的dc定标技术。

采用开关LNA(前端接收器RFIC的一部分)和Si-BiCMOS解调器的DCR示于图3。采用这些关键性的器件,RF分析表明所得到的级联噪声指数为3.2dB ,级联增益为70dB。对于大多数3G基站实现(依赖于TTA噪声指数和缆线损耗)小于6dB的级联噪声指数是可接受的。所以,上面所建议的接收器结构,可提供1.9dB额外的系统余量。

3G直接变频发送器

3GPP规范允许基端发送分集。用适当的统调(降低交叉耦合和增益加分路隔离)和定时同步,发送器分集可改善系统信噪比(SNR)和减轻多通路、信号衰减效应。然而,分集将增加系统实现成本、尺寸和功耗。采用低成本RFIC器件和直接变频结构,将有助于减轻这种负面效应对分集发送器的影响。

直接上变频发送器结构示于图4,这种结构正在成为更普遍的形式,这是因为这种结构具有元件数少,功耗低的特点。

采用直接变频结构,DAC提供I-Q信号。来自DAC的I-Q信号可以是低通滤波的,这样可去除由DAC引起的混淆、谐波和寄生信号。然后,用直接正交调制器对滤波的I-Q信号进行直接调制和上变频到RF频率。调制器在I-Q分路之间必须具有适当的幅度和相位匹配,以使调制信号信息或误差向量幅度(EVM)的不纯最小。采用正交相移键控(QPSK)调制信号,WCDMA基站发送器所允许总的EVM是17.5%。系统工程师将分配大部分EVM系统预算给HPA(为了改善功率效率)。因此,希望来自调制器的EVM贡献要小或没有。所用的直接正交调制器的振幅和相位失调分别小于0.3dB和3o,而对EVM预算的贡献小于5%。

图4 直接变频发送器结构

图5 3G直接变频发送器的RF性能预算实例

从LO到RF端口的信号泄漏应最小,这是因为大部分直接变频系统中LO和RF输入信号是在相同的频率,而且,调制器之后的RF滤波,对于抑制任何的LO-RF泄漏将是无效的。现在,可以得到大于50dBc LO-RF隔离、大于60dBm 2阶输入截听点(IIP2)、小于-153dBm/Hz NF电平的直接正交调制器FRIC。这些RF性能值保证调制器对整个发送器链路的寄生发射不会有重大的影响。

可以电平控制上变频信号来补偿部件到部件、分集到主分路和温度增量变化。需要可变衰减来处理-10dBm~+10dBm(调制器的典型输出电平)输入功率电平,而不影响系统非线性。AA102-80可变衰减工作在大多数通用无线频带(0.5GHz~2.5GHz),它具有大于+45dBm输入3阶分量截听点(IP3)。可置的衰减范围大于30dBm(1dB步长)。

在电平控制之后,发送信号在馈入最后高功率放大器之前由线性驱动器放大。驱动器需要具有足够高的增益(一般20dBm~35dBm)和线性度以满足整个系统要求。用较高增益的驱放大器,可以减少高功率放大器所需的级数,使得成本降低和效率提高。可以得到大于25dBm RF增益和大于+40dBm输出3阶截听点(OIP3)的高性能线性驱动器。

WCDMA发送器的关键要求是邻信道泄漏功率比(ACLR)。3G规范要求ACLR1(1个信道或5MHz频率偏移)小于-45dBc,ACLR2(两个信道或10MHz频率偏移)小于-50dBc。ACLR测量通常在限定的测试模式1(包括64个专用物理信道DPCH信号和128扩展因数)。64个DPCH信号的功率电平和定时随机分布来仿真实际的信号环境。3G规范文件中规定测试信号功率电平定时。必须仔细分配发送器链路不同非线性部分的ACLR预算。表1示出ACLR预算在主要发送器部分的分配实例。

3G发送信号在0.01%累积互补分布(CCD)点测量时,其峰值平均值比(PAR)超过10 dB。3G信号的高PAR值对功率放大器的线性度提出严格的要求。对于表1所列ACLR预算实例,例1、例2和例3中线性驱动器可分别提供22dBm、20.5dBm和11dBm输出功率。例3是最可取的配置,因为它对基带元件、调制器和驱动器PA配置严格的要求,并会降低来自这些部分的可用输出功率,进而对HPA提出更高的增益要求。图6示出发送器链路框图和电平实例,用它可使总ACLR1达到大于标准-45dBc性能指标,其线性输出功率为+41dBm。发送器ACLR1预算紧密地反映表1中例2的分配。