5.8GHz WiMAX寬帶無線通信射頻系統設計

趙小虎,潘子春,周 雨

（1.安徽四創電子股份有限公司,安徽 合肥 230088;2.安徽電力通信有限公司,安徽 合肥 230061）

0 引言

固定WiMAX標準基于正交頻分復用（OFDM）技術,使用256個副載波;該標準支持1.75～28MHz范圍內的多個信道帶寬,同時支持多種不同的調制方案,包括BPSK、QPSK、16QAM和64QAM。由于信號寬帶及高調制方式等多項技術參數導致射頻設計充滿挑戰性。

1 主要芯片完成功能

本設備采用超外差時分雙工方式來完成設計,在符合WiMAX標準的射頻套片推出之前,成功選用SIGE公司生產的中頻芯片SE7051L10和Texas instruments公司生產的射頻芯片TRF2436來完成設計。中頻頻率固定為380MHz,射頻頻率在5.725～5.850GHz頻段內可選。

1.1 SE7051L10

SE7051L10主要完成功能為:

①在發射時隙內完成I、Q基帶信號上變頻為380MHz的固定中頻信號;

②在接收時隙內完成接收的380MHz的固定中頻信號下變頻為零中頻的I、Q基帶信號;

③完成合成IF和RF所需的LO功能;其中中頻LO頻率為固定的380MHz;RF本振頻率可選,以便系統工作在期望的工作信道內;

④在發射和接收通道,均內置可變增益放大器,同時Tx通道具有18dB的增益控制范圍（步進6dB）,和50dB TX增益控制范圍（步進1dB）,Rx通道具有50dB的自動增益控制范圍。

1.2 TRF2436

TRF2436完成功能為:

①在發射時隙內完成380MHz的固定中頻信號上變頻到所需的RF信道頻率;

②在接收時隙內完成接收的RF信號放大并下變頻為380MHz的固定中頻信號;

③片內內置收發開關、低噪聲放大器及開關控制的功率放大器;

④內置射頻本振倍頻器。

2 總體設計

由于SE7051L10與TRF2432非同一公司套片,需重新設計,主要從以下幾點考慮。

中頻芯片SE7051L10產生射頻本振,其合成頻率范圍2 850～3 350MHz,若系統選用低本振,要求最低頻率為2 672.5MHz,SE7051L10無法滿足該要求,系統只能選用高本振,高本振要求頻率為3 052～3 115MHz;選用高本振將導致中頻及基帶頻譜鏡像,對點對點系統而言,由于接收下變頻將發射的上變頻導致的頻譜鏡像翻轉,系統會不留痕跡進行解調;但作為CPE設備,無法與標準基站對聯,采用基帶I、Q信號顛倒連接,巧妙地解決選用高本振導致的頻譜翻轉,與標準信號源對聯,系統工作正常。

SE7051L10的收發中頻為各自獨立的差分輸入輸出,而TRF2436收發中頻為共用的差分輸入輸出,為解決此問題,選用2只單端雙擲開關,通過收發切換控制信號,將SE7051L10的收發中頻各自獨立的差分輸入輸出切換至TRF2436要求共用的中頻差分輸入輸出,效果良好。

作為WiMAX CPE設備,基站為適應不同用戶端設備要求,其系統接收增益固定,不具備AGC功能,為保證接收信號幅度恒定,通過動態調整不同CPE設備的發射功率;因此要求WiMAX CPE設備發射通道具有超過50dB的ALC控制范圍;雖然SE7051L10內置步徑1dB的50dB衰減器,但中頻衰減過大,將影響中頻信號的信噪比,從而影響系統性能;而TRF2436是針對802.11系統開發的,發射通道沒有提高系統動態的數控衰減器;為增大系統發射動態,在TRF2436的射頻濾波器后增加一片步徑4dB總衰減28dB數控衰減器。

重新設計SE7051L10射頻本振的環路濾波器,優化射頻本振的相位噪聲,從而改善發射及接收系統的信號相對矢量誤差。

TRF2436的本振要求100Ω差分輸入,本振功率電平0dBm。通過增加此頻段工作的平衡-不平衡變換的巴侖集成塊來解決,巴侖集成塊平衡輸出阻抗為200Ω差分輸出,阻抗不匹配通過四分之一波長阻抗變換器來解決;同時,通過一單片放大器將SE7051L10輸出本振放大到0dBm,單片放大器也有利于提高本振的輸入輸出隔離度。

通過收發通道的預算,合理地完成功放及低噪放設計。

3 系統工作流程

系統采用時分雙工工作方式,當基帶控制的收發開關信號為高電平時,系統工作在發時隙,基帶送出的I、Q信號經調制、上變頻、功率放大和中頻、射頻濾波后經開關由天線發射至接收端;在接收端,基帶控制的收發開關信號此時為低高電平,系統工作在收時隙,接收的射頻信號經開關、低噪放、下變頻、相應射頻、中頻濾波,解調出I、Q基帶信號送至基帶信號處理單元。系統工作流程如圖1所示。

圖1 系統工作流程圖

4 主要技術指標的實現與指標分配

4.1 發射功率的實現

由于系統的基帶采用OFDM調制技術,OFDM是無線通信系統中的一項關鍵技術,是一種多載波傳輸技術。多載波傳輸技術相對于單載波傳輸技術而言有很多優點,例如抗多徑干擾,抗突發噪聲和有效地克服頻率選擇衰落。但OFDM技術的一個主要缺點就是具有很高的峰均功率比（PAPR）,高的峰值容易引起非線性失真;同時,由于系統采用較高的64QAM等調制方式,對系統的線性要求較高,針對以上問題,在設計及選用器件時,為保證系統工作在線性區域,所有器件均要求在其P1dB回退10dB工作。

功放設計的難點主要是末級功放的設計,本系統末級功放選用SIRENZA公司生產的SZA5044,其輸出P1dB為29dBm,功率回退10dB,其輸出線性功率為19dBm,功放末級有一無源收發開關、抑制諧波分量的低通濾波器及MCX插座,其插入損耗總和為1.6dB,在插座輸出口輸出的線性功率為17.4dBm,滿足設備技術指標要求;同時,SZA5044的增益為28dB,為保證設備技術指標16dBm功率輸出,SZA5044輸入功率要求-9dBm,功放前級的射頻開關、數控衰減器及濾波器的插入損耗總和為4.4dB,要求TRF2436的線性功率輸出-4.6dBm,TRF2436其輸出P1dB為22dBm,線性功率輸出12dBm,滿足技術指標要求。

4.2 發射通道ALC的實現

由于系統針對點對多點設計,基站的AGC不能工作,基站的接收增益相對固定,為保證系統正常通信,基站端通過測試上行接收基帶I、Q的功率電平,與標準I、Q的功率電平比較,計算出功率誤差,送至用戶端,通過軟件開環控制用戶端上行的發射功率;為保證有足夠的動態,以適應衰落的影響,指標規定用戶端的ALC控制范圍大于50dB,步徑1dB。

本系統的ALC由SE7051L10提供30dB ALC控制范圍,步徑1dB;同時,數控衰減器提供28dB的ALC控制范圍,步徑4dB,在實際應用中,實際測試一ALC控制表格,按實際衰減量從小到大排列,步徑1dB,通過安捷侖公司的89601軟件實際測量發射功率電平,同時保證在50dB的動態范圍內,發射的相對矢量誤差小于-31dB。在正常工作時,基帶軟件根據當前ALC控制信號所在控制表格的位置和基站測量的功率誤差,動態調整用戶端發射功率,保證系統正常工作。

4.3 發射機EVM指標實現

發射機相對矢量誤差是衡量發射機綜合技術指標之一,由基帶I、Q的正交誤差、幅度平衡,本振的相位噪聲,混頻器和功放（PA）線性技術指標和系統頻偏等決定。針對本射頻系統而言,I、Q的正交誤差主要通過PCB板I、Q信號走線嚴格等長來控制;幅度平衡可通過運算放大器的增益控制電阻來調整;由于本射頻系統選用TRF2436作為二次混頻的主芯片,混頻器集成在芯片內部,無法控制;發射EVM主要由本地振蕩器的相位噪聲決定,通過合理選用VCTCXO,優化環路濾波器等措施,保證射頻本地振蕩器的相位噪聲指標滿足-88dBc@1kHz、-90dBc@10kHz,從而保證TRF2436輸出最終功率0dBm時,其相對矢量誤差達到-34.5dB;對本系統而言,功放的合理設計決定了發射機相對矢量誤差。如前所述,本系統選用的末級功放,在輸出功率為16dBm時,其相對矢量誤差為2%（-34dB）,通過計算系統的相對矢量誤差為-32.5dB,滿足技術指標要求。

4.4 接收靈敏度及接收AGC設計

接收機靈敏度是反應接收系統主要技術指標之一,對802.16d系統而言,接收機的靈敏度在系統誤碼率不小于10-6情況下,應按如下公式計算（假定有5dB的余量和7dB的噪聲系數NF）,Rss=-10+SNRrx+10Log（（Fs*200）/256）。采用3.5MHz帶寬,這里的Fs=3.5*8/7,SNRrx為系統解調歸一化信噪比,對64QAM-3/4而言,其歸一化信噪比要求為24.4dB。通過計算,其接收機靈敏度為-72.6dBm。從以上公式可以看出,合理設計低噪聲放大器,減低系統的噪聲系數,可以提高系統的接收機靈敏度指標;本射頻系統的低噪聲放大器選用安捷侖公司生產的MGA71543和MGA72543來完成低噪聲放大器設計,增益50dB,考慮接插件、開關及濾波器的插入損耗,系統噪聲系數4dB,比公式7dB噪聲系數改善3dB,相應提高接收機靈敏度3dB,優于該標準規定的要求。

整個系統提供的接收機AGC控制范圍為90dB,其中中頻增益控制范圍為50dB,TRF2436增益控制范圍為16dB,數控衰減器28dB,總計94dB。

5 設備特點

該設備具有如下特點:

①低成本。由于選用的是高集成,大批量的通信集成塊完成設計,大批量生產時,整機成本幾十美元;②高性能。點對點測試時,信道帶寬3.5MHz接收機靈敏度-75dBm（64QAM-3/4）,優于802.16d協議標準2dB;③結構簡單。由于系統選用TDD模式工作,無須過分考慮收發隔離,整機收發在同一塊PCB板上完成,收發之間不需要增加屏蔽盒;也不須增加改善收發隔離的雙工器;④調試、安裝、維修方便。由于選用的器件均為內匹配的器件,一致性好,只要器件安裝正確,工藝不出差錯,幾乎為免調試產品。整機重量輕,安裝方便;維修時能迅速定位故障點。

6 結束語

該設計于2007年8月向國家知識產權局申請發明專利,已審通過,專利號200710023309.2。由該設備組成的系統,在安徽省電力通信公司、合肥供電局傳輸變壓器工作狀態數據和KP所工作狀態數據;系統采用點對點測試,兩點之間在部分遮擋通信距離5km情況下,進行上下行鏈路數據傳輸,其流量及Ping包測試均符合WiMAX標準要求;同時雙向傳輸電影圖像無失真、聲音清晰,系統工作穩定。

[1]王文博,鄭侃編著.寬帶無線通信OFDM技術[M].北京:人民郵電出版社,2003.

[2]IEEE Std 802.16TM-2004 IEEE Standard for Local and metropolitan area networks[S].