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WiMAX射頻系統設計方案
[ 通信界 / 維庫 / www.6611o.com / 2011/8/17 18:44:47 ]
 

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~ 28 MHz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。

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Texasinstruments 公司生產的射頻芯片TRF2436 來完成設計。中頻頻率固定為380 MHz,射頻頻率在5. 725~5. 850 GHz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380 MHz 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380 MHz;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18 dB 的增益控制范圍( 步進6 dB) ,和50 dB TX 增益控制范圍( 步進1 dB) ,Rx 通道具有50 dB 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380 MHz 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380 MHz 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50 dB 的ALC 控制范圍;雖然SE7051L10內置步徑1 dB 的50 dB 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4 dB 總衰減28 dB 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0 dBm。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0 dBm,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。

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P1 dB 回退10 dB 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P1 dB 為29 dBm,功率回退10 dB,其輸出線性功率為19 dBm,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. 6 dB,在插座輸出口輸出的線性功率為17. 4 dBm,滿足設備技術指標要求;同時,SZA5044的增益為28 dB,為保證設備技術指標16 dBm 功率輸出,SZA5044 輸入功率要求- 9 dBm,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. 4 dB,要求TRF2436 的線性功率輸出- 4. 6 dBm,TRF2436 其輸出P1 dB 為22 dBm,線性功率輸出12 dBm,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50 dB,步徑1 dB。

本系統的ALC 由SE7051L10 提供30dB ALC 控制范圍,步徑1 dB;同時,數控衰減器提供28 dB 的ALC 控制范圍,步徑4 dB,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1 dB,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50 dB 的動態范圍內,發射的相對矢量誤差小于- 31 dB。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- 88 dBc@ 1 kHz、- 90 dBc@10 kHz,從而保證TRF2436 輸出最終功率0 dBm時,其相對矢量誤差達到- 34. 5 dB;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。

5小結

如前所述,本系統選用的末級功放,在輸出功率為16 dBm 時,其相對矢量誤差為2% ( - 34 dB) ,通過計算系統的相對矢量誤差為- 32. 5dB,滿足技術指標要求。

 

作者:維庫 合作媒體:維庫 編輯:顧北

 

 

 
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