高性能TD-SCDMA接收機(jī)設(shè)計(jì)方案

在中國，時(shí)分同步碼分多址(TD-SCDMA) 作為寬帶CDMA(WCDMA)的替代標(biāo)準(zhǔn)，正試圖在各種環(huán)境下提供比WCDMA更好的覆蓋率。WCDMA是專門針對對稱業(yè)務(wù)和宏單元站點(diǎn)優(yōu)化了的一種標(biāo)準(zhǔn)。為了支持TD-SCDMA技術(shù)，業(yè)界已經(jīng)成功開發(fā)出帶數(shù)字中頻(IF)級電路和多個(gè)有源天線模塊的緊湊型多通道TD-SCDMA接收機(jī)。這種靈巧的設(shè)計(jì)支持多載波、分集接收機(jī)系統(tǒng)中的各種應(yīng)用。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這種緊湊型接收機(jī)具有杰出的線性度和相位-噪聲性能。

　　2000年5月，由中國電信科學(xué)技術(shù)研究院(CATT)推薦的TD-SCDMA技術(shù)被國際電信聯(lián)盟(ITU)采納并批準(zhǔn)為第三代(3G)移動通信標(biāo)準(zhǔn)之一。TD-SCDMA擁有許多先進(jìn)的訪問技術(shù)，它們有效整合了時(shí)分多址(TDMA)、頻分多址(FDMA)、碼分多址(CDMA)和空分多址(SDMA)方法。TD-SCDMA系統(tǒng)中的上行鏈路和下行鏈路業(yè)務(wù)共享相同的頻帶但不同的時(shí)隙。因此，TD-SCDMA非常適合不對稱數(shù)據(jù)服務(wù)，并能提供很高的頻譜效率。TD-SCDMA系統(tǒng)中采用的關(guān)鍵技術(shù)包括復(fù)用、智能天線和聯(lián)合檢測技術(shù)。

　　為實(shí)現(xiàn)簡單靈活，TD-SCDMA接收機(jī)的中頻部分采用數(shù)字電路進(jìn)行設(shè)計(jì)。與標(biāo)準(zhǔn)超外差式接收機(jī)相比，它的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)模塊被轉(zhuǎn)移到了中頻輸出端口。通過用數(shù)字器件替代模擬器件，數(shù)字中頻接收機(jī)能夠更加靈活地處理寬帶頻率范圍和多種無線通信標(biāo)準(zhǔn)。

　　接收機(jī)分集技術(shù)常用來減小影響無線通信性能的多徑和瑞利衰落效應(yīng)。主要的分集技術(shù)有頻率分集、時(shí)間分集、天線分集、角度分集和極化分集。

　　TD-SCDMA接收機(jī)應(yīng)用天線接收分集技術(shù)可提高鏈路增益。接收機(jī)利用這種方法收集多路不相關(guān)的射頻信號，然后進(jìn)行合并，并在合并過程中減小甚至消除衰落和多徑效應(yīng)產(chǎn)生的影響。典型的線性分集合并方法有選擇性合并(SC)、最大比例合并(MRC)和等增益合并(EGC)，這些方法各有優(yōu)缺點(diǎn)。

　　TD-SCDMA中采用的多載波技術(shù)可提高這種格式的數(shù)據(jù)容量和傳輸速率，以支持高數(shù)據(jù)速率的無線服務(wù)。多載波TD-SCDMA系統(tǒng)中的每個(gè)特定蜂窩采用三種不同的頻率作為載波頻率，其中一個(gè)頻率被稱為主頻，另外兩個(gè)被稱為輔頻。主頻和輔頻之間的區(qū)別在于它是否承載導(dǎo)頻和廣播信道(BCH)信息。主頻要處理導(dǎo)頻和BCH信息，輔頻不需要。尋呼指示信道(PICH)和輔助公共控制物理信道(S*CH)只能在主頻中配置。

　　圖1：TD-SCDMA通信系統(tǒng)的典型信道結(jié)構(gòu)采用了主載波和副載波。

　　圖1顯示了一個(gè)典型的TD-SCDMA射頻信道。這個(gè)信道包含三個(gè)載波，這些載波使用相對1.6MHz的載波帶寬來說較低的1.28Mchip/s芯片速率。TD-SCDMA有助于提高頻譜利用和網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的靈活性，特別是在人口密集的地區(qū)。另外，在5ms時(shí)間內(nèi)每個(gè)TDMA幀被分成7個(gè)時(shí)隙，這些時(shí)隙可以靈活地分配給多個(gè)用戶，或分配給需要多個(gè)時(shí)隙的單個(gè)用戶。

　　圖2給出了帶數(shù)字中頻電路和多個(gè)有源天線模塊的多通道TD-SCDMA射頻接收機(jī)的系統(tǒng)架構(gòu)。該系統(tǒng)包含三個(gè)有源天線模塊和一個(gè)射頻接收機(jī)模塊，而后者又由三個(gè)獨(dú)立的射頻接收通道組成。有源天線模塊包含一個(gè)6dBi增益的全向天線、一個(gè)射頻帶通濾波器和一個(gè)低噪聲放大器(LNA)。每個(gè)通道則包含射頻放大器、下變頻器、本地振蕩器(LO)、中頻聲表面波(SAW)濾波器、受基帶處理單元控制的可變增益放大器(VGA)和中頻放大器。

　　圖2：帶數(shù)字IF級和多個(gè)有源天線模塊的TD-SCDMA RF接收機(jī)結(jié)構(gòu)框圖。

　　這種接收機(jī)支持多種連接機(jī)制。在第一種機(jī)制中，只有一個(gè)有源天線模塊連接到接收機(jī)的全部三個(gè)通道，這時(shí)的接收機(jī)用作多載波TD-SCDMA接收機(jī)。在第二種機(jī)制中，三個(gè)有源天線模塊分別連接到接收機(jī)的三個(gè)通道，用作接收分集TD-SCDMA接收機(jī)(如圖2中的虛箭頭線所示)。在這種情況下，有源天線模塊之間的距離必須足夠遠(yuǎn)，以正確接收到接收信號的不同傳播延時(shí)。通常兩個(gè)天線之間至少間隔5倍波長的距離，才能使接收到的信號具有顯著不同的衰落特性。在第三種連接方案中，三個(gè)有源天線模塊連接到三個(gè)多通道射頻接收機(jī)模塊，用作分集接收機(jī)和多載波TD-SCDMA射頻接收機(jī)。

　　為*估TD-SCDMA接收機(jī)性能，必須更深入地了解它的基準(zhǔn)靈敏度和快速自動增益控制(AGC)電路的功能?；鶞?zhǔn)靈敏度是接收機(jī)的最重要指標(biāo)。一般來說，它指的是系統(tǒng)在達(dá)到要求誤碼率(BER)條件下天線端口的最小輸入功率電平。該指標(biāo)還受到以下一些因素的影響：接收機(jī)的噪聲系數(shù)、發(fā)射機(jī)的本底噪聲、同相/正交(I/Q)增益不平衡、I/Q正交相位不平衡、本振(LO)相位噪聲、電源電壓噪聲、線性相位失真和線性幅度失真。

　　接收機(jī)的噪聲系數(shù)和發(fā)射機(jī)的本底噪聲展示了附加白高斯噪聲(AWGN)帶來的影響，而結(jié)合噪聲系數(shù)可以用來描述這兩種情況。在時(shí)分-雙工操作中，當(dāng)接收機(jī)打開時(shí)，發(fā)射機(jī)應(yīng)該是關(guān)閉的，因此發(fā)射機(jī)的本底噪聲對TD-SCDMA接收機(jī)來說不是問題。使用數(shù)字中頻技術(shù)后，主要由模擬解調(diào)器造成的I/Q增益和相位不平衡可以在數(shù)字域中得到校正，因此不會影響上述靈敏度指標(biāo)。當(dāng)本振和電源性能足夠高時(shí)，相位噪聲和電壓噪聲的影響可以忽略。線性相位失真和線性幅度失真可以用基帶處理器補(bǔ)償?；谶@些分析可以看出，噪聲系數(shù)是影響TD-SCDMA接收機(jī)基準(zhǔn)靈敏度的主要原因。

　　在傳統(tǒng)的接收機(jī)-天線裝置中，由連接天線和射頻接收機(jī)的射頻電纜引起的損耗會增加系統(tǒng)的噪聲系數(shù)。在TD-SCDMA射頻接收機(jī)系統(tǒng)中，系統(tǒng)在有源天線模塊處被分割開來，由該模塊直接連接天線和低噪聲放大器。因此由射頻電纜造成的損耗可以得到有效補(bǔ)償，從而提高了接收機(jī)分集性能。

　　當(dāng)接收機(jī)由多個(gè)塊組成時(shí)，每個(gè)塊都有自己的插入增益(Gi)和噪聲因數(shù)(Fi)。每個(gè)塊都會增加噪聲到信號中，但當(dāng)信號在前級電路中被放大時(shí)，后續(xù)塊對總噪聲因數(shù)的影響會減弱。接收機(jī)的噪聲系數(shù)可以用式1計(jì)算。式1中的值必須用增益和噪聲因數(shù)(F)的數(shù)值計(jì)算，而不能作為對數(shù)式噪聲系數(shù)值(單位dB)。這個(gè)簡單級聯(lián)的噪聲系數(shù)公式的含義在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中是很重要的。

　　根據(jù)式1，且考慮到5米長同軸電纜的3dB損耗，帶通濾波器的1dB損耗，低噪聲放大器的1dB噪聲系數(shù)和20dB增益，其它部件維持不變，那么噪聲系數(shù)可以從5.1dB(式2)降低到2.14dB(式3)，而且TD-SCDMA接收機(jī)基準(zhǔn)靈敏度有顯著提高。接收機(jī)中使用的AGC電路可以向ADC提供恒定電平的信號。在WiMAX和3G蜂窩系統(tǒng)等許多寬帶系統(tǒng)應(yīng)用中經(jīng)常用到基于PIN二極管的AGC衰減器。TD-SCDMA接收機(jī)則常采用數(shù)字AGC方法，不用模擬電路，以提供靈活和一致的性能。PIN二極管衰減器用于每個(gè)射頻通道中的模擬衰耗，并受數(shù)字基帶電路的控制。

　　圖3(a)是一種典型的π型電阻衰減器，其衰耗由式4決定，其中參數(shù)K被定義為輸入到輸出電壓比，Z0代表系統(tǒng)特征阻抗。

　　對于常見衰耗值，電阻值為50Ω。根據(jù)π電阻衰減器框圖，在圖3(b)所示電路中使用了4個(gè)PIN二極管。在開關(guān)電路中，PIN二極管的最大和最小值點(diǎn)的電阻特性是被充分利用的。然而在衰減器中使用的是PIN二極管電阻的有限值。這種電路的好處是其對稱性，允許使用比較簡單的偏置網(wǎng)絡(luò)，并且由于在這種背靠背連接的串連二極管電路中的諧波信號可以相互抵消而使失真減小。雖然還有其它方法可提供AGC功能，比如改變射頻晶體管放大器增益，但PIN二極管方法通常具有低功耗、寬帶恒定阻抗、寬動態(tài)范圍、低頻率牽引和高線性度等特性。

　　圖3：(a)典型的π型電阻衰減器；(b)采用PIN二極管的衰減器。

　　圖4：用安捷倫的ADS軟件對由4個(gè)PIN二極管組成的衰減器進(jìn)行仿真。

　　利用安捷倫科技公司提供的高級設(shè)計(jì)系統(tǒng)(ADS)軟件工具套件對上述AGC電路中使用的PIN二極管衰減器進(jìn)行了計(jì)算機(jī)仿真。仿真得到的動態(tài)范圍結(jié)果見圖4。根據(jù)這些仿真得到的動態(tài)范圍可達(dá)120dB。雖然衰耗曲線不是線性的，但AGC控制電壓通過基帶算法校正可以達(dá)到有效的線性響應(yīng)。與傳統(tǒng)環(huán)路型AGC電路相比，這種數(shù)字AGC技術(shù)速度更快，更加適合TDD系統(tǒng)。

　　圖5(a)和5(b)分別是有源天線模塊和多通道射頻接收機(jī)模塊。這種多通道射頻接收機(jī)模塊被集成在尺寸為150x200x20mm的四層電路板上。圖6給出了用安捷倫科技公司的N8975A噪聲系數(shù)分析儀測得的總體接收機(jī)噪聲系數(shù)和同樣是安捷倫科技公司的E4438C信號發(fā)生器和89600軟件測得的調(diào)制性能。如圖6所示，接收機(jī)噪聲系數(shù)小于2dB，而系統(tǒng)測得的基準(zhǔn)靈敏度為-115dBm。圖7給出了誤差向量幅度(EVM)性能。