FDD-LTE移动终端接收机灵敏度分析

陈 强, 陈 鄞

(1.高通企业管理 上海有限公司，上海 201203；2.哈尔滨工业大学 软件学院，黑龙江 哈尔滨 150001)

FDD-LTE移动终端接收机灵敏度分析

陈 强1, 陈 鄞2

(1.高通企业管理 上海有限公司，上海 201203；2.哈尔滨工业大学 软件学院，黑龙江 哈尔滨 150001)

文中讨论了发射机/接收机隔离度对FDD-LTE终端接收机灵敏度的影响。利用Agilent ADS仿真了发射机对接收机的干扰，并据此计算得出满足设计要求灵敏度时所需的隔离度，仿真和计算结果与实际系统中的测试结果一致。

FDD-LTE；零中频架构；接收机；灵敏度

在LTE移动终端的射频设计中，一般采用直接变频的零中频架构，以简化设计并降低成本。对于FDD模式的移动终端而言，由于发射机和接收机同时连续工作， 发射机的信号和噪声会耦合到接收机输入端，从而干扰接收机，造成接收灵敏度下降。FDD-LTE移动终端的射频设计对收发隔离以及接收机的非线性指标提出了较高的要求。

1 FDD系统收发隔离

FDD系统中发射机和接收机工作与不同的状态。发射机工作与大信号状态，LTE系统的功率放大器输出的功率可达28 dBm；而接收机工作与小信号状态，LTE系统接收信号的最小强度一般约为-100 dBm[1-3]。因此，发射机的泄漏可能发射机的泄漏仍可干扰接收机工作，造成接收灵敏度下降。

图1 FDD模式下发射机对接收机干扰

FDD系统发射机泄漏主要包括发射机信号泄漏和发射机噪声泄漏两个方面[4-6]。如图1所示，一方面，实际接收机的传输特性一般是非理想线性，二阶互调截止点(IP2)不是无限高。当较强的发射机信号泄漏到接收机输入端时，发射信号的包络会被转移到基带，从而降低基带信号的信噪比(SNR)，影响接收机灵敏度。另一方面，发射机在接收频段的噪声也会通过双工器耦合到接收机，对接收机造成干扰。为避免发射机泄漏对接收机的干扰，需要尽量提高发射机和接收机之间的隔离。

2 接收机二阶非线性

实际接收机的传输特性不是理想线性的。在接收机设计中经常考虑的非线性指标是二阶互调交截点(IP2)和三阶互调交截点(IP3)。在FDD系统中，由于接收机有限的IP2，当发射机信号泄漏到接收机输入端时，发射信号的包络会经平方律整流至基带，从而降低基带信号的信噪比(SNR)，影响接收机灵敏度[7-8]。

2.1 二阶非线性分析

对射频接收机传输特性非线性分析时，一般采用如式(1)所示的简化公式，其中x为输入信号，y为输出信号[9-10]

y=a0+a1x1+a2x2+a3x3+…

(1)

当输入信号为调制信号时，信号的包络随时间变化，可用式(2)表示。

x=A(t)cos(ωt)

(2)

将式(2)带入式(1)，并忽略高次项，得到

y=a0+a1A(t)cos(ωt)+a2A2(t)cos2(ωt)+

a3A3(t)cos3(ωt)

(3)

(4)

(5)

由式(5)可见，当较强的调制信号输入接收机时，调制信号的包络经平方律检波，产生低频干扰，影响基带信号解调[11-13]。

2.2 二阶非线性仿真

为定量分析接收机二阶非线性的影响，利用安捷伦公司的射频系统仿真软件对FDD-LTE系统接收机进行二阶非线性仿真，如图2所示。

图2 FDD-LTE接收机二阶非线性仿真模型

FDD-LTE 系统参数如下：发射机信号泄漏功率为-20 dBm；接收机输入二阶互调交截点(IIP2)为55 dBm。仿真结果如图3所示。由于发射机信号泄漏而在接收机产生的基带干扰的功率可由式(6)计算。其中TxL为泄漏到接收机的发射信号功率

IM2-BB=2TxL-IIP2-3.237

(6)

图3所示的信号频谱包含很强的直流分量。在实际的FDD-LTE移动终端中，该直流分量是被消除的[11-12]。这是因从成本和功耗考虑，宽带移动终端一般采用零中频接收架构。而零中频架构的接收机自带直流消除电路，用来消除由于本振自混频产生的直流[6]。消除直流后的仿真结果如图4所示，式(6)修正为式(7)

IM2-BB=2TxL-IIP2-7.968

(7)

图3 FDD-LTE接收机二阶非线性仿真结果(含直流)

图4 FDD-LTE接收机二阶非线性仿真结果(消除直流)

3 接收机灵敏度分析

这部分利用上面的仿真结果，对FDD-LTE系统接收灵敏度进行分析，得到FDD-LTE系统需要的收发隔离度。

FDD系统参数：发射机功率放大器输出功率28 dBm；发射机功率放大器输出接收频段噪声功率谱密度-125 dBm/Hz；接收机射频集成电路输入端噪声系数NF=2.3 dB；热噪声谱密度-174 dBm/Hz；接收机射频集成电路IIP2为55 dBm；信号带宽BW=10 MHz。

假定设计目标为：发射机泄漏对接收机灵敏度影响<0.4 dB。为满足设计目标，需要总干扰功率比热噪声功率小10 dB。假定由于发射机信号泄漏和发射机噪声泄漏产生的干扰功率相同，则两种不同机制下干扰功率都要比热噪声功率小13 dB[16]，如式(8)和式(9)所示

IM2BB=-174+NF+10logBW-13=-114.7

(8)

TxN=-174+NF-13=-184.7

(9)

将式(9)带入式(8)，得到满足设计要求的发射机信号泄漏功率为

(10)

由此得出满足设计要求的FDD-LTE系统收发隔离度为

IsoTxL=28-(-25.866)=53.866

(11)

IsoTxL=-125-(-184.7)=59.7

(12)

4 实际系统验证结果

在高通公司骁龙400平台上对上述分析结果进行验证。验证频段为B8，双工器为Murata公司的SAYEY897MBG0FT0。实测结果如表1所示。收发隔离在发射频段和接收频段分别>53.866 dB和59.7 dB，在发射机发射最大功率时，发射机泄漏对接收机灵敏度的影响<0.4 dB。

表1 FDD-LTE B8 接收灵敏度测试结果

5 结束语

本文提出的针对FDD-LTE系统接收灵敏度的分析方法经过实际验证是合理的。另外该分析方法经适当修正，适用于所有采用零中频架构的FDD系统。

[1] 3GPP Organization.TS 36.521-1 V13.0.1.valbonne-france[M].Paris: 3GPP Organization,2016.

[2] Walid Y Ali-Ahmad.Improving the receiver intercept point using selectivity[J].RF Design,1997(12):22-30.

[3] Vizmuller P.RF design guide : systems, circuits, and equations / P. Vizmuller[M].MA,USA:Artech House,1995.

[4] Walid Y Ali-Ahmad.Effective IM2 estimation fortwo-tone and WCDMA modulated blockers in zero-IF[J].RF Design,2004(4):32-40.

[5] Razavi B.Design considerations for direct-conversion receivers[J].IEEE Transactions on Circuits and Systems-II:Analog and Digital Signal Processing,1997,44(6):428-435.

[6] Minnis B J.Estmating the IP2 requirement for a zero-IF UMTS receiver[J].Microwave Engineering,2002(7):31-36.

[7] Gu Qizheng.RF system design of transceiver for wireless communications[M].United States:Springer,2005.

[8] Loke A,Ali F.Direct conversion radio for digital mobile phones-design issues, status and trends[J].IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques,2002,50(11):2422-2435.

[9] Manstretta D,Svelto F.Analysis and optimization of IIP2 in CMOS direct down-converters[C]. Orlando, FL:IEEE Custom Integrated Circuits Conference,2002.

[10] Giannini V,Craninckx J, Baschirotto A.Baseband analog circuits for software defined radio[M].Dordrecht,Netherlands:Springer-Verlag,2008.

[11] Maas S.Microwave mixers[M].Norwood,MA:Artech House,1993.

[12] Luo F L.Digital front-end in wireless communications and broadcasting[M].Cambridge:Cambridge University Press,2011.

[13] Harris F.Multirate signal processing for communication systems[M].New Jersey:Prentice-Hall,2008.

[14] Razavi B.Challenges in portable RF transceiver design[J].IEEE Circuits and Devices Magazine,1996(9):12-25.

[15] Mak P I,Pu S,Martins R P.Transceiver architecture selection:review,state-of-the-art survey and case study[J].IEEE Circuits and Systems Magazine,2007(7):6-25.

[16] Svitek R,Raman S.DC offsets in direct conversion receivers: characterization and implications[J].IEEE Microwave Magazine,2012,6(3):76-86.

Analysis on the Sensitivity of FDD-LTE Mobile Terminal Receiver

CHEN Qiang1，CHEN Yin2

(1. Qualcomm Enterprise Management Shanghai Co., Ltd., Shanghai 201203,China;2. School of Software,Harbin Institute of Technology,Harbin 150001,China)

This article focuses on the transmitter/receiver isolation effect on FDD-LTE terminal receiver sensitivity. Interference to receiver caused by transmitter is simulated by Agilent ADS, and the isolations that are necessary to meet the design requirements of sensitivity are derived from the simulation results. The formulation derived from simulation is validated in real systems.

FDD-LTE; ZIF architecture; receiver; sensitivity

2016- 04- 04

陈强(1976-)，男，高级工程师。研究方向：射频技术。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.03.005

TN929.5

A

1007-7820(2017)03-014-03