WCDMA 射频信号收发系统设计
2014-06-27苏建志泉州师范学院物理与信息工程学院福建泉州362000
苏建志 (泉州师范学院物理与信息工程学院,福建 泉州 362000)
WCDMA 射频信号收发系统设计
苏建志 (泉州师范学院物理与信息工程学院,福建 泉州 362000)
随着3G的迅猛发展,3G中的WCDMA技术得到广泛应用,其中WCDMA射频信号收发系统在WCDMA技术中起着十分重要的作用。阐述了WCDMA射频信号收发系统的主要性能指标,对WCDMA射频信号接收和发送子系统以及收发系统的电路进行了设计。测试结果表明,该系统的接收灵敏度高、相邻信道选择性检测结果符合要求。同时该系统的电路简单可靠,硬件成本低,具有较强的实用性。
移动通信;WCDMA;射频系统
随着3G(第三代移动通信技术)的迅猛发展,许多学者对宽带码分多址(WCDMA)技术进行了研究,有的侧重于射频混频器的研究[1-5],有的侧重于射频电路的研究[6-9],上述研究中的电路设计十分复杂,成本昂贵。通过射频接收系统,智能手机可以接收来自基站发送的信号,经过射频前端电路处理后再经过高通、低通滤波以及增益放大,最后送到DSP(数字信号处理器)。下面,笔者根据3GPP协议,对WCDMA射频信号收发系统进行了设计。
1 WCDMA射频信号接收子系统的主要性能指标与设计
1.1 主要性能指标
1)接受灵敏度 根据3GPP协议的规定,WCDMA智能手机的接收灵敏度为-121d Bm,考虑到比特能量与噪声的比率为5dBm,则WCDMA的接受灵敏度为-126dBm。3GPP协议中信号数据传输率为12.2Kbps和码片率为3.84Mcps,可以计算出编码增益为10log(3.84 Mcps/12.2Kbps)= 25dBm,则接收灵敏度应为(-126+25)dBm=-101dBm。此外,还存在射频系统匹配时输入带宽内的热噪声以及系统引入的噪声(一般为7dBm左右)。综合考虑,WCDMA射频信号系统的接收灵敏度为-108dBm。
2)相邻信道选择性 根据3GPP协议的规定,WCDMA智能手机的相邻信道选择性所需的信号平均功率为-115dBm。考虑到比特能量与噪声的比率为5dBm,那么WCDMA智能手机的信号平均功率为-120dBm。由于3GPP协议中编码增益为25d Bm,则相邻信道选择性所需信号平均功率为(-120 +25)dBm=-95dBm。此外,3GPP协议要求承受的最低干扰信号平均功率为-52dBm。综合考虑,相邻信道选择性所需要的信号平均功率为(-52-(-95))dBm=43d Bm。
3)阻塞特性 根据3GPP协议的规定,WCDMA智能手机接收的阻塞特性所需要的信号平均功率为-115dBm。考虑到比特能量与噪声的比率为5d Bm,则WCDMA智能手机的信号平均功率就为-120dBm。由于3GPP协议中编码增益为25dBm,此时为(-120+25)dBm=-95dBm,则-40dBm的带内阻塞抑制为(-40-(-95))dBm=55d Bm。考虑到噪声的影响,最终规定带内阻塞抑制为57dBm。同理可以得出-15dBm处的带外阻塞抑制为82dBm。
1.2 射频信号接收子系统的设计
WCDMA射频的接收方式多种多样,考虑到硬件电路的复杂性和实现的难易程度,采用ZIF(零中频)设计WCDMA射频信号接收子系统。该子系统采用直接变频,通过高通滤波器(HPF)和低通滤波器(LPF)、两级可变增益调整器(VGA)直接把信号送给DSP进行处理,其优点是电路结构简单可靠,且硬件电路成本低,模数转换器(ADC)只需工作在较低的采样频率即可获得较好的系统性能,同时频率规划比较简单,无需RF镜频抑制滤波器进行滤波。射频信号接收子系统电路原理图如图1所示。
2 WCDMA射频信号发送子系统的主要性能指标与设计
2.1 主要性能指标
1)调制矢量误差(EVM) EVM定义为信号星座图上测量信号与理想信号之间的误差,是反映调制频率、相位和幅度误差的综合指标,同时也是衡量一个RF系统整体质量指标。3GPP的协议规定WCDMA的EVM小于17.5%。
2)相邻信道泄漏比(ACLR) ACLR表示发射功率泄漏至第一或第二相邻信道载波功率的数值和发射功率之比。3GPP协议规定终端第一相邻信道(±5MHz)的ACLR不小于33dB。
图1 射频信号接收子系统电路原理图
2.2 射频信号发送子系统设计
设计射频信号发送子系统应满足如下要求:性能指标良好;能够适合多频段、多载波、多种调制方式以及灵活的输出功率;复杂性低,成本低,灵活性高。采用零中频四象限上变换混频时,系统不经过混频器和射频滤波器,配置基带DAC(数模转换器)以及相对应的滤波器,再经过混频器杂散需要的软件修正算法即可达到上述要求,同时该子系统硬件成本低廉,电路简单,灵活性高。射频信号发送子系统图如图2所示。
图2 零中频四象限上变换射频信号发送子系统电路原理图
3 WCDMA射频信号收发系统电路
图3 WCDMA射频收发系统电路原理图
利用所设计的的射频信号发送和接收子系统,并根据3GPP协议中的频段要求配置匹配器、双工器和功率耦合器。WCDMA射频收发系统电路原理图如图3所示。
4 测试效果
安捷伦8960综合测试仪是一台专门用来测试3G射频性能指标的仪器,因而选用该仪器测试WCDMA射频收发系统的接收灵敏度以及相邻信道选择性。
4.1 接收灵敏度
测试频段为W2100,同时设定小区功率为-106.7dBm。接收灵敏度测试结果图如图4所示。从图4可以看出,误码率为0,表明该系统的接收灵敏度非常高。
图4 接收灵敏度测试结果图
4.2 相邻信道选择性
通过8960综合测试仪设置小区功率为50dBm,然后设置相应的信道类型。相邻信道选择性测试结果图如图5所示。由图5可知,ACLR在5MHz为-41.35,在10MHz为-53.08(均在标准线下),因而测试结果符号要求。
5 结语
根据3GPP协议,设计了WCDMA射频信号收发系统及其相应电路,从接收灵敏度以及相邻信道选择性测试结果来看,该系统的性能良好,电路简单可靠,硬件成本低,具有较强的实用性。
图5 相邻信道选择性测试结果图
[1]褚蒙.应用于3G的射频CMOS混频器设计[D].西安:西安理工大学,2005.
[2]鄢凯.WCDMA射频光模块的设计[D].武汉:武汉理工大学,2007.
[3]刘媛媛.射频预失真功率放大系统设计与实现[D].北京:北京邮电大学,2008.
[4]张玉兴.射频模拟电路[M].北京:电子工业出版社,2003.
[5]刘桓.射频功率放大器的自适应数字预失真技术研究[D].武汉:武汉理工大学,2008.
[6]高剑平.GSM_GPRS手机射频电路设计[D].成都:电子科技大学,2003.
[7]张旭冰.WCDMA终端射频电路设计[D].济南:山东大学,2007.
[8]周燕,刘韬.第三代移动通信技术[M].北京:中国铁道出版社,2013.
[9]王晓东.WCDMA射频前端集成电路设计[D].郑州:郑州大学,2007.
[编辑]李启栋
TP911.3
A
1673-1409(2014)25-0051-03
2014-04-15
苏建志(1980-),男,硕士,助教,现主要从事无线系统射频技术方面的教学与研究工作。
