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基站收發(fā)器系統(tǒng)(BTS)的關(guān)鍵性能部件(天線、無線電收發(fā)器,信號處理子系統(tǒng),以及支持、控制硬件和軟件)影響B(tài)TS的成本。BTS配置的一個實例示于圖1。BTS采用主分支模塊和分集分支模塊。在2G系統(tǒng)中,分集接吸器系統(tǒng)是通用的,而3G規(guī)范也定義了發(fā)射器分集的選項。如圖1所示,發(fā)送接收模塊(TRM)包含雙工發(fā)送和接收部分。對于廣域蜂窩站,接收器一般通過雙工器模塊(DM)和塔頂部件(TTA)連接到天線。TTA由低噪聲放大器(LNA)組成,LNA對于補(bǔ)償天線到TRM之間纜線損耗是必須的。TTA可以用旁路開關(guān)(用于低噪聲放大器保護(hù))和前置選擇器濾波器配置。在發(fā)送端,TRM中的驅(qū)動功率放大器(PA)在連通雙工器和天線前饋連高功率放大器(HPA)。
本文關(guān)注點是接收器和發(fā)送器模塊(通常每組每個TRM有4個模塊),并討論不損害系統(tǒng)性能和降低成本的方法。本文集中在直接變頻接收器(DCR)和直接變頻發(fā)送器(DCT)結(jié)構(gòu),因為這種結(jié)構(gòu)在不犧牲性能的情況下,具有顯著的成本和尺寸優(yōu)勢。
第3代系統(tǒng)可以用EDGE(GSM發(fā)展用增強(qiáng)數(shù)據(jù))、CDMA2000(第3代碼分多址)或WDCMA(寬帶碼分多址)調(diào)制標(biāo)準(zhǔn)。
表1 WCDMA直接變頻發(fā)送器的ACLR1預(yù)算實例
3G直接變頻接收器
在需要多頻帶靈活工作而大小、功率和成本受限制的應(yīng)用中,正在日益采用DCR。DCR也能滿足這些嚴(yán)格的要求,因為它需要較少的元件(混頻器、濾波器、放大器),使得功率、成本和尺寸都較小。DCR直接變頻RF信號為基帶,不需要各種混頻器,反射抑制濾波器和放大器。圖2示出DCR的一個可適用于3G基站的DCR實例。接收器鏈路的第1個元件是LNA。LNA主要功能是使整個接收器噪聲指數(shù)最小。建議用1個開關(guān)LNA來處理大輸入信號動態(tài)范圍。在接收器鏈路LNA之后,是一個RF帶通濾波器(BPF)。BPF對帶外干擾信號和接收器產(chǎn)生的寄生信號進(jìn)行衰減。用可變增益放大器(VGA)或可變衰減器和放大器組合對濾波的輸入信號進(jìn)行電平控制。然后,信號送到解調(diào)器RF集成電路(RFIC),RFIC把信號解調(diào)為同相[I]和90°相位差(Q)基帶信號。解調(diào)信號線路以差分對形式出現(xiàn),這樣可提供更高的抗噪聲度。來自解調(diào)器的I和Q信號然后到低通濾波器(LPF)并由低頻自動增益(AGC)放大器放大。低頻AGC對于保持I和Q信號電平在A/D轉(zhuǎn)換器(ADC)的輸入范圍內(nèi)是關(guān)鍵性的。接收器(圖2)用少量元件提供一個相當(dāng)簡單的結(jié)構(gòu)。但是對于任何DCR必須考慮的主要設(shè)計問題是直流(dc)偏移。
圖1 分集接收和發(fā)送通路的基站結(jié)構(gòu)
圖2 直接變頻接收器結(jié)構(gòu)
圖3 3G直接變頻接收器的RF性能預(yù)算實例
本振(LO)信號與輸入RF信號的混頻或泄漏耦合到RF輸入,這可能在接收器中產(chǎn)生顯著的dc 電壓電平。對LO和RF之間進(jìn)行最大隔離和通過諧波器,可使d c 偏移最小。在解調(diào)器I-Q通路中很好地匹配混頻器和放大器的振幅和相位響應(yīng)是關(guān)鍵性的。Si-BiCMOS解調(diào)器SKY73009的振幅和相位平衡可分別達(dá)到0~3dB和1U庵紙獾髕饕簿哂?0dB的LO和RF間隔離,這對于在接收器中保持低dc偏移信號是必不可少的。采用低性能解調(diào)器的系統(tǒng)將需要復(fù)雜和昂貴的dc定標(biāo)技術(shù)。
采用開關(guān)LNA(前端接收器RFIC的一部分)和Si-BiCMOS解調(diào)器的DCR示于圖3。采用這些關(guān)鍵性的器件,RF分析表明所得到的級聯(lián)噪聲指數(shù)為3.2dB ,級聯(lián)增益為70dB。對于大多數(shù)3G基站實現(xiàn)(依賴于TTA噪聲指數(shù)和纜線損耗)小于6dB的級聯(lián)噪聲指數(shù)是可接受的。所以,上面所建議的接收器結(jié)構(gòu),可提供1.9dB額外的系統(tǒng)余量。
3G直接變頻發(fā)送器
3GPP規(guī)范允許基端發(fā)送分集。用適當(dāng)?shù)慕y(tǒng)調(diào)(降低交叉耦合和增益加分路隔離)和定時同步,發(fā)送器分集可改善系統(tǒng)信噪比(SNR)和減輕多通路、信號衰減效應(yīng)。然而,分集將增加系統(tǒng)實現(xiàn)成本、尺寸和功耗。采用低成本RFIC器件和直接變頻結(jié)構(gòu),將有助于減輕這種負(fù)面效應(yīng)對分集發(fā)送器的影響。
直接上變頻發(fā)送器結(jié)構(gòu)示于圖4,這種結(jié)構(gòu)正在成為更普遍的形式,這是因為這種結(jié)構(gòu)具有元件數(shù)少,功耗低的特點。
采用直接變頻結(jié)構(gòu),DAC提供I-Q信號。來自DAC的I-Q信號可以是低通濾波的,這樣可去除由DAC引起的混淆、諧波和寄生信號。然后,用直接正交調(diào)制器對濾波的I-Q信號進(jìn)行直接調(diào)制和上變頻到RF頻率。調(diào)制器在I-Q分路之間必須具有適當(dāng)?shù)姆群拖辔黄ヅ?以使調(diào)制信號信息或誤差向量幅度(EVM)的不純最小。采用正交相移鍵控(QPSK)調(diào)制信號,WCDMA基站發(fā)送器所允許總的EVM是17.5%。系統(tǒng)工程師將分配大部分EVM系統(tǒng)預(yù)算給HPA(為了改善功率效率)。因此,希望來自調(diào)制器的EVM貢獻(xiàn)要小或沒有。所用的直接正交調(diào)制器的振幅和相位失調(diào)分別小于0.3dB和3o,而對EVM預(yù)算的貢獻(xiàn)小于5%。
圖4 直接變頻發(fā)送器結(jié)構(gòu)
圖5 3G直接變頻發(fā)送器的RF性能預(yù)算實例
從LO到RF端口的信號泄漏應(yīng)最小,這是因為大部分直接變頻系統(tǒng)中LO和RF輸入信號是在相同的頻率,而且,調(diào)制器之后的RF濾波,對于抑制任何的LO-RF泄漏將是無效的�，F(xiàn)在,可以得到大于50dBc LO-RF隔離、大于60dBm 2階輸入截聽點(IIP2)、小于-153dBm/Hz NF電平的直接正交調(diào)制器FRIC。這些RF性能值保證調(diào)制器對整個發(fā)送器鏈路的寄生發(fā)射不會有重大的影響。
可以電平控制上變頻信號來補(bǔ)償部件到部件、分集到主分路和溫度增量變化。需要可變衰減來處理-10dBm~+10dBm(調(diào)制器的典型輸出電平)輸入功率電平,而不影響系統(tǒng)非線性。AA102-80可變衰減工作在大多數(shù)通用無線頻帶(0.5GHz~2.5GHz),它具有大于+45dBm輸入3階分量截聽點(IP3)�？芍玫乃p范圍大于30dBm(1dB步長)。
在電平控制之后,發(fā)送信號在饋入最后高功率放大器之前由線性驅(qū)動器放大。驅(qū)動器需要具有足夠高的增益(一般20dBm~35dBm)和線性度以滿足整個系統(tǒng)要求。用較高增益的驅(qū)放大器,可以減少高功率放大器所需的級數(shù),使得成本降低和效率提高�？梢缘玫酱笥�25dBm RF增益和大于+40dBm輸出3階截聽點(OIP3)的高性能線性驅(qū)動器。
WCDMA發(fā)送器的關(guān)鍵要求是鄰信道泄漏功率比(ACLR)。3G規(guī)范要求ACLR1(1個信道或5MHz頻率偏移)小于-45dBc,ACLR2(兩個信道或10MHz頻率偏移)小于-50dBc。ACLR測量通常在限定的測試模式1(包括64個專用物理信道DPCH信號和128擴(kuò)展因數(shù))。64個DPCH信號的功率電平和定時隨機(jī)分布來仿真實際的信號環(huán)境。3G規(guī)范文件中規(guī)定測試信號功率電平定時。必須仔細(xì)分配發(fā)送器鏈路不同非線性部分的ACLR預(yù)算。表1示出ACLR預(yù)算在主要發(fā)送器部分的分配實例。
3G發(fā)送信號在0.01%累積互補(bǔ)分布(CCD)點測量時,其峰值平均值比(PAR)超過10 dB。3G信號的高PAR值對功率放大器的線性度提出嚴(yán)格的要求。對于表1所列ACLR預(yù)算實例,例1、例2和例3中線性驅(qū)動器可分別提供22dBm、20.5dBm和11dBm輸出功率。例3是最可取的配置,因為它對基帶元件、調(diào)制器和驅(qū)動器PA配置嚴(yán)格的要求,并會降低來自這些部分的可用輸出功率,進(jìn)而對HPA提出更高的增益要求。圖6示出發(fā)送器鏈路框圖和電平實例,用它可使總ACLR1達(dá)到大于標(biāo)準(zhǔn)-45dBc性能指標(biāo),其線性輸出功率為+41dBm。發(fā)送器ACLR1預(yù)算緊密地反映表1中例2的分配。
