开关电源纹波对射频收发系统性能影响

王赛赛，卜 刚，方 芳

(南京航空航天大学 电子信息工程学院，江苏 南京 211100)

开关电源纹波对射频收发系统性能影响

王赛赛，卜 刚，方 芳

(南京航空航天大学 电子信息工程学院，江苏 南京 211100)

研究了使用开关电源为射频系统供电时，射频系统对于电源纹波的容忍度。从电源纹波泄漏到基带信号、电源纹波与射频信号混频两方面研究了电源纹波对系统的影响，并根据协议规范，确定出电源纹波值。在IEEE 802.11g协议下，通过仿真得出电源纹波应控制在15 mV以下。

开关电源；电源纹波；射频收发机

在射频通信系统中，耗电主要集中于射频功率放大器上，高效率的射频功放对于电子系统降低功耗具有较大帮助。尤其是随着通讯技术的发展，各种复杂调制技术的应用，使得系统所要发射的信号功率变化范围很大，如OFDM技术等。此时，射频功率放大器为保证信号的线性度，通常采用功率回退技术。然而传统的功率回退技术对功放输出能力浪费并造成了严重的功率消耗。为避免这一问题，采用包络消除与恢复技术能够有效提升功率放大器在放大复杂包络信号时的效率。

包络消除与恢复技术是一种动态电源调制技术。对于包络消除与恢复功率放大器，其中的重要组成部件包络幅度调制器，一般采用开关电源或线性放大器与开关电源混合的结构组成。然而开关电源在输出上却存在较大纹波，这一纹波被称为开关电源纹波[1]。同时这些纹波对于通信系统中的射频收发模块具有直接影响，因此在使用该结构时，需讨论射频系统对其所引入的开关电源纹波的容忍度。

1 系统建模

1.1 包络消除与恢复功率放大器结构

如图1所示，为包络消除与恢复功率放大器拓扑结构图，其原理为从携带有包络信息与相频信息的射频信号中提取出包络信号，然后对包络信号和携带相频信息的射频信号分别放大，此时由于射频信号的幅度一致可采用效率较高的开关类放大器，对于包络信号，一般采用开关电源或线性放大器与开关电源混合结构组成的包络幅度调制器进行放大，然后利用电源调制方式恢复到射频信号中[2-4]。

图1 包络消除与恢复功率放大器结构

该种结构能够有效的提升功率放大器在放大复杂包络信号时的效率，但同时结构中所引入的电源纹波也是不可忽略的。

1.2 收发系统及放大器结构建模

为研究射频收发系统对于该结构所带来的电源纹波的容忍度，本文在ADS仿真环境下，基于IEEE 802.11g通信协议标准，建立射频收发模块，同时添加包络消除与恢复功率放大器结构模型[5-8]。

该发射机模型基于IEEE 802.11g规范的2.4 GHz ISM频段，采用超外差式发射机，数字调制使用OFMD调制方式，54 Mbit·s-1的数据速率，中频为380 MHz，信道间隔20 MHz。基带信号先通过中频调制，然后与载波信号混频，由放大器(包络消除与恢复功率放大器)放大后被接收机接收，最后使用误码率检测模块进行检测和频谱仪进行频谱分析。

2 电源纹波的影响及限定因素

2.1 电源纹波泄漏到基带

电源纹波在电路中会泄露到基带中，随同基带信号上变频通过收发系统被当做有用信号处理。这部分噪声将会对发射机的发射频谱MASK以及最大连续波发射功率产生影响。其中，IEEE 802.11g在ISM频段规定的发射机发射频谱MASK如图2所示，并且根据FCC的规定，在ISM频段，对于最大连续波输出功率的限制，当发射信号功率达到1 W时，最大连续波输出功率应该低于8 dBm。计算可得当发射功率为24 dBm时，最大连续波输出功率应约为2 dBm[9-11]。

图2 20 MHz信道发射频谱MASK限定

2.2 电源纹波与射频信号混频

电源纹波作用在射频信号上，对射频信号进行调幅，在频域上表现为对原频谱搬移，然后在叠加到原频谱上，此部分产生噪声类似于背景噪声。该种调制会对信号的信噪比产生影响，从而恶化误码率BER和误包率PER。为研究这部分对于电源纹波的限定，从误包率PER方面考虑。在ISM频段，IEEE 802.11g中规定，PER应低于10%[11-12]。

3 添加电源纹波测试与分析

3.1 电源纹波泄漏到基带的测试

在射频收发系统的基带信号处理模块中，添加噪声模块模拟电源纹波，设定电源纹波不同纹波值，观测发射机输出端频谱，确定该部分对电源纹波容忍度。测试结果如图3和图4所示。

图3 开关电源纹波为对频谱MASK影响

图4 开关电源纹波为对最大连续波功率影响

从测试结果可得，电源纹波在泄漏到基带时，为保证射频发射机的发射频谱MASK和最大连续波输出要求，电源纹波值应控制在约15 mV。

3.2 电源纹波与射频信号混频的测试

电源纹波作用在射频信号上，对其进行调制，频谱发生搬移，得到信号与原信号叠加，额外产生噪声，对误码率BER和误包率PER产生影响。同时，在收发系统中，接收机也会产生各种噪声以及空间带来的热噪声，在通信系统中，分析工程应考虑接收机的非理想特性。对于实际的接收机，噪声系数可作为这一部分的衡量指标。接收机噪声系数公式

(1)

其中，SNRin和SNRout为输入输出信噪比；Si为接收机接收功率；So为接收机输出功率；Ni为接收机输入噪声功率；No为接收机输出端噪声功率。输出噪声可以等效到接收机输入端，由式(1)推导可得等效输入噪声

Ne=Na+Ni=NF×Ni

(2)

根据接收机接收灵敏度的计算公式，得到噪声系数

NF=Smin=174-101g BW-SNRmin

(3)

其中，SNRmin表示接收机允许最小信噪比；NF为噪声系数；BW为信号带宽。

在通信系统中，接收机的解码器对信号的信噪比有最低的要求，存在接收门限，即为保证正常通信，接收机对于其接收信号存在最小的信噪比。同SNR存在关系

(4)

其中，R为码率。通过仿真扫描Eb/No与PER的关系，在保证IEEE802.11g所要求的PER<10%的条件下，Eb/No应在20 dB以上。协议标准要求信号带宽BW=20 MHz，码率R=54 Mbit·s-1，则根据式(4)得，SNR应在24 dB以上。由式(3)，在Smin=-70 dBm时，得到NF应约为7 dB, 保留一定裕度取NF=5 dB[10]。 则接收机的输入信噪比为31 dB。

同时电源纹波所带来的噪声由电源纹波与射频信号在射频开关放大器电源调制端调幅产生，电源纹波在电源调制端的功率可由如下公式得到

Prip=Psig-SNR

(5)

其中，Prip为电源纹波功率；Psig为射频信号功率；SNR为发射机端信噪比，对于OFDM调制方式，其PAR(峰值平均功率比)为10 dB，则在供电电源为5 V时，射频功率放大器包络信号平均功率为14 dBm。当发射机端信噪比为37 dB时，由式(5)得，电源纹波在电源调制端的功率Pripple=-23 dBm，等效电源纹波为22 mV(其中功率在50 Ω等效阻抗得到)[13-15]。

在考虑到接收机的非理想特性后，电源纹波与射频信号混频后产生影响测试结果如表1所示。其中引入噪声为发射机输出端测试所得，而BER和PER是在发射机输出信号衰减至-70 dBm后在接收机输出端测得。

表1 电源纹波与射频信号混频的影响

通过测试结果可得，电源纹波值应控制在约15 mV，与之前理论值22 mV基本吻合。综合之前分析，系统整体对于电源纹波容忍度应约在15 mV。

4 结束语

在使用开关电源为射频系统供电时，需考虑电源纹波对于射频收发系统性能的影响，本文分别研究了电源纹波泄漏到基带信号中和电源纹波与射频信号发生混频产生额外噪声时的影响。通过系统建模与仿真，分别研究电源纹波在两种情况下的影响，综合分析后得到射频收发系统对于电源纹波的容忍度。此分析过程不局限于某一通信协议下，对于不同通信标准，可根据特定协议规范，制定出相应指标，再以此为规范标准对电源纹波值进行确定。该分析对于开关电源在射频供电中的应用做出了实证性研究。

[1] 张兵,白雪.抑制开关电源纹波的研究[J]. 宜宾科技,2011(1):25-27.

[2] Elliott M R.A polar modulator transmitter for GSM/EDGE[J].IEEE Journal of Solid-State Circuits,2004,39(12): 2190-2199.

[3] Kwak T W.A 2W COMS hybrid switching amplitude modulator for edge polar transmitters[J].IEEE Journal of Solid-State Circuits,2007,42(12):89-97.

[4] Raab F H,Rupp D.High-efficiency single-sideband HF/transmitters[J].IEEE Transactions on Microwave Theory Technology,1996,44(12):2273-2285.

[5] 严继进,芮金城.S波段高可靠固态发射机设计[J].电子科技,2016,29(6):143-147.

[6] 李蓓.雷达接收机的电磁兼容性分析[J]. 电子科技,2014,27(11):128-131.

[7] 李明.ADS2008射频电路设计与仿真实例[M].北京:电子工业出版社,2009.

[8] 王文斌.2.4GHz无线发射机射频前端的研制[D].重庆:重庆大学,2010.

[9] 陈丽.2.4GHz收发系统射频前端的ADS设计与仿真[J].现代电子技术,2009(19):23-26.

[10] 黄立峰,曹伟,刘岩.基于ADS的引信发射机建模与仿真分析[J].电子测量技术,2007(10):15-17.

[11] 孟红娟,张林让.引信系统的建模与仿真[J].计算机仿真,2004,21(8):23-26.

[12] 孙合敏,谭贤四,武文.电源纹波对常规相参雷达改善因子的影响[J].火控雷达技术,2000(8):66-70.

[13] 樊昌信,曹丽娜.通信原理[M].6版.北京:国防工业出版社,2008.

[14] 吕亚博.高效率包络跟踪功率放大器设计[D].成都:电子科技大学,2013.

[15] 丁一.宽带高效率包络跟踪功率放大器设计[D].成都:电子科技大学,2010.

The Study of Switching Mode Power Supply Induced Ripple’s Influence on RF Transceiver System

WANG Saisai，BU Gang，FANG Fang

(School of Electronic and Information Engineering,Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,Nanjing 211100,China)

This paper studies the tolerance of RF transceiver system to power supply induced ripple when the system is supplied by a switching mode dc-dc converter. The model of a IEEE802.11g RF transceiver system was built using ADS, then the effects of the leakage of power supply induced ripple to the baseband signal and the mixing of the ripple voltage with the RF signal have been studied. Then the maximum supply induced ripple voltage has been derived to be 15 mV according to the IEEE802.11g standard of communication protocol.

switching mode power supply; power ripple;RF transceiver

2016- 11- 25

王赛赛(1992-)，男，硕士研究生。研究方向：模拟集成电路，射频电路设计。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.09.001

TN86

A

1007-7820(2017)09-005-04