TD-SCDMA終端直接變頻收發(fā)信機(jī)的設(shè)計(jì)

　　摘要：介紹了直接變頻收發(fā)信機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，給出了基于Maxim套片的TD-SCDMA終端直接變頻收發(fā)信機(jī)設(shè)計(jì)方案，分析了影響直接變頻接收機(jī)（DCR）性能的關(guān)鍵因素，并針對(duì)實(shí)現(xiàn)DCR的技術(shù)難點(diǎn)提出了具體的解決辦法和改善措施，最后介紹了采用MAX2392實(shí)現(xiàn)的TD-SCDMA終端DCR的研制實(shí)例及其測(cè)試結(jié)果。

　　關(guān)鍵詞：時(shí)分雙工同步碼分多址 直接變頻 收發(fā)信機(jī)


　　TD-SCDMA（時(shí)分雙工同步碼分多址）是我國(guó)提出的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的第三代移動(dòng)通信空中接口標(biāo)準(zhǔn)，具有頻譜利用率高、支持多種通信接口、與傳統(tǒng)系統(tǒng)兼容性好、系統(tǒng)設(shè)備成本低和系統(tǒng)穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。然而，TD-SCDMA終端一直是TD-SCDMA產(chǎn)業(yè)化的薄弱環(huán)節(jié)，嚴(yán)重影響了TD-SCDMA的商業(yè)化進(jìn)程。

　　本文介紹一種基于Maxim芯片組的TD-SCDMA終端直接變頻收發(fā)信機(jī)設(shè)計(jì)方案。直接變頻技術(shù)（Direct Conversion）是在基帶和頻帶信號(hào)之間直接實(shí)現(xiàn)頻率變換，不需要收發(fā)信機(jī)中的中頻部分，或其中頻頻率等于零，因此也常被稱為零中頻。在采用直接變頻技術(shù)的收發(fā)信機(jī)中，由于沒(méi)有中頻放大、濾波、變頻及中頻頻綜等電路，電路結(jié)構(gòu)異常簡(jiǎn)潔，可極大地降低收發(fā)信機(jī)的功耗、體積和成本。此外，還介紹實(shí)現(xiàn)直接變頻收發(fā)信機(jī)的技術(shù)難點(diǎn)，提出改善和克服各種技術(shù)難點(diǎn)的具體措施。最后，給出基于直接變頻技術(shù)的TD-SCDMA終端DCR的研制實(shí)例及期測(cè)試結(jié)果。



　　1 DCT和DCR的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[1-2]

　　DCT和DCR的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分別如圖1（a）和（b）所示。

　　DCT是把基帶信號(hào)直接上變頻到所需的射頻載波上，并利用射頻AGC信號(hào)控制射頻可變?cè)鲆娣糯笃鞯脑鲆�，把已調(diào)RF信號(hào)放大到所需的功率進(jìn)行輸出。目前，實(shí)現(xiàn)DCT的主要技術(shù)難點(diǎn)有：I信號(hào)和Q信號(hào)的相位和幅度的不平衡性、帶內(nèi)噪聲電平、VCO牽引、動(dòng)態(tài)范圍、功耗等問(wèn)題。DCT的動(dòng)態(tài)范圍是通過(guò)基帶（數(shù)字和模擬）和射頻部分共同承擔(dān)的，其增益分配和系統(tǒng)性能之間存在矛盾，通常需要進(jìn)行權(quán)衡。例如，若可變?cè)鲆嬖O(shè)在基帶數(shù)了部分，需要更高精度的DAC；若可變?cè)鲆嬖O(shè)在基帶模擬部分，將引起混頻器的本振泄漏的增加；若可變?cè)鲆嬖O(shè)在身頻，則導(dǎo)致RF部分功耗的增加。所以，在實(shí)現(xiàn)時(shí)要綜合考慮各種因素，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使DCT的總體性能達(dá)到更優(yōu)。

　　DCR是把天線接收的頻帶信號(hào)送入低噪聲放大器（LNA）進(jìn)行放大，然后直接被下變頻為基帶I/O信號(hào)。信道化由基帶部分的低通濾波器實(shí)現(xiàn)，而增益控制則由LNA、混頻器和基帶AGC放大器共同完成。由于DCR的中頻為零，不存在鏡頻分量，所以在LNA和混頻器之間不需要接入鏡頻抑制濾波器。但在收發(fā)雙工通信的射頻部分，為了抑制發(fā)射信號(hào)進(jìn)入接收通道，在DCR的LNA前需要加入頻帶信號(hào)預(yù)選濾波器。此外，由于DCRF中信道濾波是在基帶部分實(shí)現(xiàn)的，所以可以采用片上靈活的可調(diào)濾波器，實(shí)現(xiàn)多波段、多模式接收機(jī)。例如，實(shí)現(xiàn)TD-SCDMA和GSM等多模式兼容的接收機(jī)。



　　2 TD-SCDMA終端直接變頻收發(fā)信機(jī)結(jié)構(gòu)

　　TD-SCDMA終端直接變頻收發(fā)信機(jī)結(jié)構(gòu)如圖2所示，它是基于Maxim公司新近推出的完整的射頻收發(fā)信機(jī)芯片組MAX19700/MAX2507/MAX2392實(shí)現(xiàn)的。該芯片組覆蓋了從天線到基帶的整個(gè)射頻信號(hào)通道。收發(fā)信機(jī)結(jié)構(gòu)按照功能模塊劃分可分為三大部分：模擬前端單元（以MAX19700為核心）、射頻發(fā)射單元（以MAX2507為核心）、射頻接收單元（以MAX2392為核心）。

　　模擬前端單元MAX19700主要完成兩個(gè)功能：基帶數(shù)據(jù)的A/D變換和D/A變換；發(fā)射接收時(shí)的鏈路自動(dòng)增益控制（AGC）和壓控恒溫晶振的自動(dòng)頻率控制（AFC）。在信號(hào)發(fā)射時(shí)，MAX19700通過(guò)10bit數(shù)據(jù)總線接收來(lái)自信號(hào)處理器（DSP MODEM）的數(shù)字基帶信號(hào)，經(jīng)過(guò)D/A變換、低通濾波后將模擬基帶I/O信號(hào)送至射頻發(fā)射單元，完成基帶I/O信號(hào)到頻帶信號(hào)的變換。AGC功能和AFC功能是通過(guò)DSP串行控制線（DSP CTRL）實(shí)現(xiàn)的。



　　射頻發(fā)射單元MAX2507是第一款集成了功率放大器，并能滿足TD-SCDMA指標(biāo)要求的直接變換發(fā)送器。它集成了I/Q調(diào)制器、鎖相式頻率合成器（PLL）、VCO、AGC放大器和功率放大器。模擬基帶I/Q信號(hào)經(jīng)過(guò)正交調(diào)制后完成基帶信號(hào)到頻帶信號(hào)的直接變換，并通過(guò)AGC放大器進(jìn)行放大，放大后的頻帶信號(hào)經(jīng)過(guò)片外帶通濾波器濾除帶外的無(wú)用信號(hào)分量后再經(jīng)過(guò)功率放大器、雙工器并最終通過(guò)天線輻射出去。片外帶通濾波器的采用可以大大降低發(fā)射機(jī)對(duì)相鄰信道的干擾，提高發(fā)射機(jī)的ACRP指示。

　　射頻接收單元MAX2392作為首款TD-SCDMA直接變換接收器，集成了LNA、I/Q解調(diào)器、VCO、鎖相式頻率合成器（PLL）、基帶低通濾波器和AGC放大器。從天線接收的信號(hào)經(jīng)過(guò)雙工器后先通過(guò)頻帶選擇濾波器選擇有用的頻帶信號(hào)，微弱的信號(hào)經(jīng)過(guò)LNA放大后通過(guò)I/Q解調(diào)器變成模擬基帶I/Q信號(hào)，模擬基帶I/Q信號(hào)經(jīng)過(guò)信道濾波的低通濾波器和ACG放大器后，送至模擬前端單元，完成對(duì)基事I/Q信號(hào)的數(shù)字化。

　　3 實(shí)現(xiàn)RCR的關(guān)鍵技術(shù)分析[3]

　　影響DCR性能的主要因素有1/f噪聲、本振泄漏、直流偏移以及I/Q信號(hào)的相位和幅度不平衡性。

　　3.1 1/f噪聲

　　1/f噪聲就是半導(dǎo)體器件內(nèi)的閃爍噪聲，如圖3所示。1/f噪聲因噪聲大小與頻率成反比例關(guān)系而得名。1/?噪聲的主要參數(shù)是拐點(diǎn)頻率fa，該點(diǎn)的1/f噪聲功率等于熱噪聲功率。半導(dǎo)體器件內(nèi)的1/f噪聲的分布特性取決于其工藝。一般情況下，BiCMOS器件的fa大約為4～8kHz；而MOSFET器件的fa大約在1MHz。對(duì)于CDMA信號(hào)，低頻分量相對(duì)很少，電路中可采用高通濾波的辦法對(duì)1/?噪聲給予較好的濾除。

　　3.2 本振泄漏和自混頻

　　在DCR中，由于本振信號(hào)和系統(tǒng)所接收的頻帶信號(hào)的載頻相等，加之本振信號(hào)很強(qiáng)，LNA和混頻器的隔離不可能做到無(wú)限好，所以本振信號(hào)會(huì)通過(guò)混頻器和LNA反向傳輸?shù)教炀�，輻射到空間，形成對(duì)鄰道的干擾；同時(shí)泄漏的本振信號(hào)被天線接收下來(lái)，或直接輻射到LNA的輸入端，與所接收的信號(hào)一同進(jìn)入混頻器與本振信號(hào)進(jìn)行混頻，這一現(xiàn)象就是本振泄漏和自混頻，如圖4所示。



　　由于DCR中不可避免地存在著本振泄漏和自混頻問(wèn)題，所以在混頻器輸出端將出現(xiàn)由本振信號(hào)與其發(fā)射和輻射的信號(hào)進(jìn)行混頻的產(chǎn)物--直流偏移，導(dǎo)致DCR的基帶放大器可能進(jìn)入飽和工作狀態(tài)，使接收機(jī)的誤碼率激增，甚至無(wú)法正確接收信號(hào)。



　　圖5（a）～(d)對(duì)窄帶有直流偏移和沒(méi)有直流偏移以及寬帶有直流偏移和沒(méi)有直流偏移的情況分別作了圖示說(shuō)明。由各圖比較可知，直流偏移對(duì)窄帶信號(hào)的影響非常大，而對(duì)寬帶信號(hào)（擴(kuò)頻信號(hào)）的影響相對(duì)要小很多。

　　對(duì)DCR中的直流偏移問(wèn)題的解決辦法如下：

　�。�1）基于混頻器后處理的辦法，即采用高通濾波器濾除直流分量；

　　（2）基于系統(tǒng)的消除辦法，主要有采用特殊編碼或擴(kuò)頻的辦法、時(shí)分辦法、通信協(xié)議法。

　　本振泄漏的消除辦法：采用RF載波信號(hào)頻率兩倍的本振信號(hào)源，然后利用分頻的辦法得到載波信號(hào)。

　　3.3 I/Q信號(hào)的相位和幅度不平衡性

　　I/Q解調(diào)器在I/Q兩個(gè)支路產(chǎn)生幅度和相位的不平衡，將使解調(diào)后基帶信號(hào)星座圖產(chǎn)生失真，如圖6所示。I/Q信號(hào)的相位和幅度的不平衡性可以通過(guò)匹配或模擬和數(shù)字（DSP）的校準(zhǔn)方法得到解決。



　　4 TD-SCDMA終端DCR電路設(shè)計(jì)

　　DCR電路結(jié)構(gòu)如圖7所示，它由LNA單元、I/Q解調(diào)單元，本振部分和三線串行控制總線等構(gòu)成[4]。

　　4.1 LNA單元

　　通過(guò)交流耦合接收的微弱信號(hào)通過(guò)匹配網(wǎng)絡(luò)送至LNA輸入端，LNA輸出通過(guò)片上電路匹配到50Ω。LAN具有高增益和低增益兩種工作模式，分別對(duì)應(yīng)G_LNA=1和G_LNA=0。

　　4.2 I/Q解調(diào)單元

　　LNA_OUT輸出信號(hào)通過(guò)聲表面波濾波器實(shí)現(xiàn)不平衡變換信號(hào)，以差分形式送至輸入端口RF+和RF-。經(jīng)過(guò)混頻器解調(diào)后的模擬I/Q信號(hào)再經(jīng)過(guò)信道選擇濾波器和AGC放大器后以差分形式送至基帶DSP。聲表面波濾波器輸出端并聯(lián)電感用以抵消聲表面波濾波器和IC封裝所引入的寄生電容；混頻器具有高增益和低增益兩種工作模式，分別對(duì)應(yīng)G_MXR=1和G_MXR=0；信道選擇濾波器提供40dB的鄰道選擇抑制；AGC放大器是電壓控制（AGC管腳）的可變?cè)鲆娣糯笃�，控制信�?hào)來(lái)自基帶DSP或片外DAC MAX5383（控制數(shù)據(jù)來(lái)自三線串行控制總線）。



　　4.3本振部分

　　片上集成了鎖相式頻率合成器，包括VCO、鑒相器、主/預(yù)分頻器、電荷泵（CP）等。工作時(shí)只需外接環(huán)路濾波器和恒溫晶振（TCXO）即可。環(huán)路濾波器帶寬為200kHz，以保證在頻率跳變?yōu)?0MHz時(shí)，環(huán)路鎖定時(shí)間在200μs以內(nèi)，LD管腳用于指示環(huán)路的鎖定狀態(tài)。

　　4.4 三線串行控制總線

　　三線串行控制總線通過(guò)SCLK和/CS下載控制字到片上控制寄存器，以配置DCR的工作模式和設(shè)置本振頻率。下載時(shí)序圖見圖8，當(dāng)/CS=0時(shí)，控制字在SCLK時(shí)候上升沿逐位鎖存到片上移位寄存器；當(dāng)/CS=1時(shí)，移位寄存器內(nèi)的控制字鎖存到片上控制寄存器此外，還可設(shè)置/SHDN管腳使DCR進(jìn)入休眠模式。
　
　　針對(duì)影響DCR性能的主要因素，本電路采取了如下措施：

　　·對(duì)于TD-SCDMA信號(hào)，電路中采用高通濾波的辦法對(duì)1/?噪聲給予較好的濾除；此外，混頻器對(duì)有用信號(hào)的放大也相對(duì)地弱化了1/f噪聲；



　　·I/Q解調(diào)單元采用了差分信號(hào)輸入方式和二分頻法產(chǎn)生本振信號(hào)，以此降低DCR的LNA輸入端口的本振泄漏；

　　·片上集成了直流偏移校正電路即高通濾波器，使由于自混頻所帶來(lái)的I/Q輸出信號(hào)的直流偏移最��；

　　·芯片內(nèi)部集成工藝保證了I/Q通路的良好匹配，以減小I/Q信號(hào)的相位和幅度不平衡性；此外，還在基帶通過(guò)DSP算法對(duì)I/Q信號(hào)的相位和幅度不平衡進(jìn)行校正。

　　T可見，DCR的技術(shù)指標(biāo)符合TD-SCDMA終端無(wú)線規(guī)范3GPP TR 25.945的要求[5]。

　　本文介紹了DCR和DCT的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步給出了基于Maxim套片的TD-SCDMA終端直接變頻收發(fā)信機(jī)設(shè)計(jì)方案，并且利用MAX2392設(shè)計(jì)了TD-SCDMA終端DCR,技術(shù)指標(biāo)滿足要求。在TD-SCDMA終端中，射頻前端的直接變頻結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的超外差結(jié)構(gòu)相比，具有體積小、成本低、多波段多模式兼容等特點(diǎn)，因此有著很廣泛的應(yīng)用前景。