WCDMA 射頻信號收發(fā)系統(tǒng)設(shè)計

蘇建志 (泉州師范學院物理與信息工程學院,福建 泉州 362000)

WCDMA 射頻信號收發(fā)系統(tǒng)設(shè)計

蘇建志 (泉州師范學院物理與信息工程學院,福建 泉州 362000)

隨著3G的迅猛發(fā)展,3G中的WCDMA技術(shù)得到廣泛應用,其中WCDMA射頻信號收發(fā)系統(tǒng)在WCDMA技術(shù)中起著十分重要的作用。闡述了WCDMA射頻信號收發(fā)系統(tǒng)的主要性能指標,對WCDMA射頻信號接收和發(fā)送子系統(tǒng)以及收發(fā)系統(tǒng)的電路進行了設(shè)計。測試結(jié)果表明,該系統(tǒng)的接收靈敏度高、相鄰信道選擇性檢測結(jié)果符合要求。同時該系統(tǒng)的電路簡單可靠,硬件成本低,具有較強的實用性。

移動通信;WCDMA;射頻系統(tǒng)

隨著3G(第三代移動通信技術(shù))的迅猛發(fā)展,許多學者對寬帶碼分多址(WCDMA)技術(shù)進行了研究,有的側(cè)重于射頻混頻器的研究[1-5],有的側(cè)重于射頻電路的研究[6-9],上述研究中的電路設(shè)計十分復雜,成本昂貴。通過射頻接收系統(tǒng),智能手機可以接收來自基站發(fā)送的信號,經(jīng)過射頻前端電路處理后再經(jīng)過高通、低通濾波以及增益放大,最后送到DSP(數(shù)字信號處理器)。下面,筆者根據(jù)3GPP協(xié)議,對WCDMA射頻信號收發(fā)系統(tǒng)進行了設(shè)計。

1 WCDMA射頻信號接收子系統(tǒng)的主要性能指標與設(shè)計

1.1 主要性能指標

1)接受靈敏度 根據(jù)3GPP協(xié)議的規(guī)定,WCDMA智能手機的接收靈敏度為-121d Bm,考慮到比特能量與噪聲的比率為5dBm,則WCDMA的接受靈敏度為-126dBm。3GPP協(xié)議中信號數(shù)據(jù)傳輸率為12.2Kbps和碼片率為3.84Mcps,可以計算出編碼增益為10log(3.84 Mcps/12.2Kbps)= 25dBm,則接收靈敏度應為(-126+25)dBm=-101dBm。此外,還存在射頻系統(tǒng)匹配時輸入帶寬內(nèi)的熱噪聲以及系統(tǒng)引入的噪聲(一般為7dBm左右)。綜合考慮,WCDMA射頻信號系統(tǒng)的接收靈敏度為-108dBm。

2)相鄰信道選擇性 根據(jù)3GPP協(xié)議的規(guī)定,WCDMA智能手機的相鄰信道選擇性所需的信號平均功率為-115dBm。考慮到比特能量與噪聲的比率為5dBm,那么WCDMA智能手機的信號平均功率為-120dBm。由于3GPP協(xié)議中編碼增益為25d Bm,則相鄰信道選擇性所需信號平均功率為(-120 +25)dBm=-95dBm。此外,3GPP協(xié)議要求承受的最低干擾信號平均功率為-52dBm。綜合考慮,相鄰信道選擇性所需要的信號平均功率為(-52-(-95))dBm=43d Bm。

3)阻塞特性 根據(jù)3GPP協(xié)議的規(guī)定,WCDMA智能手機接收的阻塞特性所需要的信號平均功率為-115dBm。考慮到比特能量與噪聲的比率為5d Bm,則WCDMA智能手機的信號平均功率就為-120dBm。由于3GPP協(xié)議中編碼增益為25dBm,此時為(-120+25)dBm=-95dBm,則-40dBm的帶內(nèi)阻塞抑制為(-40-(-95))dBm=55d Bm。考慮到噪聲的影響,最終規(guī)定帶內(nèi)阻塞抑制為57dBm。同理可以得出-15dBm處的帶外阻塞抑制為82dBm。

1.2 射頻信號接收子系統(tǒng)的設(shè)計

WCDMA射頻的接收方式多種多樣,考慮到硬件電路的復雜性和實現(xiàn)的難易程度,采用ZIF(零中頻)設(shè)計WCDMA射頻信號接收子系統(tǒng)。該子系統(tǒng)采用直接變頻,通過高通濾波器(HPF)和低通濾波器(LPF)、兩級可變增益調(diào)整器(VGA)直接把信號送給DSP進行處理,其優(yōu)點是電路結(jié)構(gòu)簡單可靠,且硬件電路成本低,模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)只需工作在較低的采樣頻率即可獲得較好的系統(tǒng)性能,同時頻率規(guī)劃比較簡單,無需RF鏡頻抑制濾波器進行濾波。射頻信號接收子系統(tǒng)電路原理圖如圖1所示。

2 WCDMA射頻信號發(fā)送子系統(tǒng)的主要性能指標與設(shè)計

2.1 主要性能指標

1)調(diào)制矢量誤差(EVM) EVM定義為信號星座圖上測量信號與理想信號之間的誤差,是反映調(diào)制頻率、相位和幅度誤差的綜合指標,同時也是衡量一個RF系統(tǒng)整體質(zhì)量指標。3GPP的協(xié)議規(guī)定WCDMA的EVM小于17.5%。

2)相鄰信道泄漏比(ACLR) ACLR表示發(fā)射功率泄漏至第一或第二相鄰信道載波功率的數(shù)值和發(fā)射功率之比。3GPP協(xié)議規(guī)定終端第一相鄰信道(±5MHz)的ACLR不小于33dB。

圖1 射頻信號接收子系統(tǒng)電路原理圖

2.2 射頻信號發(fā)送子系統(tǒng)設(shè)計

設(shè)計射頻信號發(fā)送子系統(tǒng)應滿足如下要求:性能指標良好;能夠適合多頻段、多載波、多種調(diào)制方式以及靈活的輸出功率;復雜性低,成本低,靈活性高。采用零中頻四象限上變換混頻時,系統(tǒng)不經(jīng)過混頻器和射頻濾波器,配置基帶DAC(數(shù)模轉(zhuǎn)換器)以及相對應的濾波器,再經(jīng)過混頻器雜散需要的軟件修正算法即可達到上述要求,同時該子系統(tǒng)硬件成本低廉,電路簡單,靈活性高。射頻信號發(fā)送子系統(tǒng)圖如圖2所示。

圖2 零中頻四象限上變換射頻信號發(fā)送子系統(tǒng)電路原理圖

3 WCDMA射頻信號收發(fā)系統(tǒng)電路

圖3 WCDMA射頻收發(fā)系統(tǒng)電路原理圖

利用所設(shè)計的的射頻信號發(fā)送和接收子系統(tǒng),并根據(jù)3GPP協(xié)議中的頻段要求配置匹配器、雙工器和功率耦合器。WCDMA射頻收發(fā)系統(tǒng)電路原理圖如圖3所示。

4 測試效果

安捷倫8960綜合測試儀是一臺專門用來測試3G射頻性能指標的儀器,因而選用該儀器測試WCDMA射頻收發(fā)系統(tǒng)的接收靈敏度以及相鄰信道選擇性。

4.1 接收靈敏度

測試頻段為W2100,同時設(shè)定小區(qū)功率為-106.7dBm。接收靈敏度測試結(jié)果圖如圖4所示。從圖4可以看出,誤碼率為0,表明該系統(tǒng)的接收靈敏度非常高。

圖4 接收靈敏度測試結(jié)果圖

4.2 相鄰信道選擇性

通過8960綜合測試儀設(shè)置小區(qū)功率為50dBm,然后設(shè)置相應的信道類型。相鄰信道選擇性測試結(jié)果圖如圖5所示。由圖5可知,ACLR在5MHz為-41.35,在10MHz為-53.08(均在標準線下),因而測試結(jié)果符號要求。

5 結(jié)語

根據(jù)3GPP協(xié)議,設(shè)計了WCDMA射頻信號收發(fā)系統(tǒng)及其相應電路,從接收靈敏度以及相鄰信道選擇性測試結(jié)果來看,該系統(tǒng)的性能良好,電路簡單可靠,硬件成本低,具有較強的實用性。

圖5 相鄰信道選擇性測試結(jié)果圖

[1]褚蒙.應用于3G的射頻CMOS混頻器設(shè)計[D].西安:西安理工大學,2005.

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[3]劉媛媛.射頻預失真功率放大系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[D].北京:北京郵電大學,2008.

[4]張玉興.射頻模擬電路[M].北京:電子工業(yè)出版社,2003.

[5]劉桓.射頻功率放大器的自適應數(shù)字預失真技術(shù)研究[D].武漢:武漢理工大學,2008.

[6]高劍平.GSM_GPRS手機射頻電路設(shè)計[D].成都:電子科技大學,2003.

[7]張旭冰.WCDMA終端射頻電路設(shè)計[D].濟南:山東大學,2007.

[8]周燕,劉韜.第三代移動通信技術(shù)[M].北京:中國鐵道出版社,2013.

[9]王曉東.WCDMA射頻前端集成電路設(shè)計[D].鄭州:鄭州大學,2007.

[編輯]李啟棟

TP911.3

A

1673-1409(2014)25-0051-03

2014-04-15

蘇建志(1980-),男,碩士,助教,現(xiàn)主要從事無線系統(tǒng)射頻技術(shù)方面的教學與研究工作。