CDMA移動手機本機振蕩器的設(shè)計策略

本地振蕩器(LO)的設(shè)計和性能對手機能否達到或超過最初的設(shè)計目標有很大影響，大多數(shù)為北美市場設(shè)計的CDMA手機也包括AMPS，以便為那些尚未安裝數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施的地區(qū)提供服務(wù)，針對這些應(yīng)用的手機可能需要8個不同的LO信號。本文討論影響CDMA手機LO的設(shè)計問題，并利用PLL合成器來探討LO的性能、標準要求和設(shè)計方法。

目前，大多數(shù)CDMA手機采用的是圖1所示的超外差無線結(jié)構(gòu)，在典型的CDMA應(yīng)用中，接收到的無線信號由頻率范圍介于900 MHz至2.0GHz之間的高頻載波信號及經(jīng)過調(diào)制和編碼的低頻數(shù)據(jù)信號混合而成。

LO為混頻器提供輸入，對CDMA手機來說，它通常是一個PLL(鎖相環(huán))合成器，PLL合成器可通過多種不同的途徑來實現(xiàn)。由于CDMA需要多階頻率轉(zhuǎn)換，PLL合成器必須生成非常精確的信號，否則手機會與其它通信信號相互干擾或阻礙解調(diào)，從而導致誤碼率(BER)增大，降低語音和/或數(shù)據(jù)質(zhì)量(圖1)。

圖2給出了PLL合成器的方框圖。典型的PLL合成器由分立VCO(壓控振蕩器)、分立環(huán)路濾波器和合成器IC組成。合成器IC包括參考分頻器(R分頻器)、整數(shù)或分數(shù)N分頻器以及鑒相器，但不包括VCO和環(huán)路濾波器。幾家CDMA收發(fā)器制造商已開始在其芯片中集成可選的PLL合成器功能，以減少元件數(shù)目及簡化設(shè)計?？紤]到復(fù)雜性問題，目前尚無法在這些芯片中集成RF VCO，因而現(xiàn)階段尚未開發(fā)出完全集成這些功能的CDMA收發(fā)器芯片。

PLL合成器輸出頻率可由方程(1)確定：

中心頻率f_cen可由方程(2)計算得出，f_cen應(yīng)是LO所生成的輸出頻率頻譜的中心頻率。C和L表示振蕩所需的VCO振蕩回路。一旦f_cen確定，基帶處理器或板上DSP可通過改變N分頻器的值將輸出頻率f_out調(diào)整到特定的頻道。

確定輸出頻率

設(shè)計PLL合成器的第一步是確定手機要求，即需支持的頻帶、模式和收發(fā)器要求。在北美，有兩個頻帶分配給了商用數(shù)字蜂窩通信，如表1所示。大多數(shù)移動電話制造商同時支持數(shù)字和模擬(AMPS)通信，以擴展覆蓋范圍。由于綜合數(shù)字網(wǎng)絡(luò)的成本極高，業(yè)務(wù)運營商更傾向于將AMPS作為未來移動電話的一個選項。

頻帶為確定PLL合成器的輸出提供了一個起點，精確的輸出頻率要求取決于收發(fā)器和無線頻率分配規(guī)劃，頻率分配規(guī)劃是所有無線結(jié)構(gòu)開發(fā)的中心環(huán)節(jié)。IF和RF LO所選的實際頻率必須在研究過偽混頻、諧波干擾及所選實際頻率的元件適用性之后才能確定。

大多數(shù)CDMA收發(fā)器采用超外差式結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)同時包含RF和IF上變頻和下變頻兩級。為方便混頻，必須同時以兩種頻帶在發(fā)送和接收路徑上為每個混頻器提供RF和IF LO信號。

雙頻手機通常需要兩種或更多不同的RF LO信號，這取決于發(fā)送和接收混頻器是否需要不同的頻率(視收發(fā)器和無線頻率分配規(guī)劃而定)。因此，RF LO必須具備用于雙頻工作模式的兩個或更多分離RF PLL合成器。在IF混頻級，每個頻帶要求至少兩個IF LO信號以便于雙向通信。然而，某些CDMA收發(fā)器方案在兩個頻帶上復(fù)用同一IF頻率，從而減少了設(shè)計所需的元器件數(shù)目。

參考頻率

f_in由可用的收發(fā)器和基帶方案予以標準化，由此規(guī)定了手機的頻率分配規(guī)劃。典型的參考頻率如表2所示。

方程(1)中，注意到fin和R分頻器的混合決定了鑒相器的刷新率(update rate)及信道或信道柵(channel raster)的間距。表2還包括相應(yīng)的R分頻器值，為AMPS生成適當?shù)男诺罇砰g距，以及為CDMA生成適當?shù)臇砰g距。對于蜂窩基帶，30 kHz的刷新率可為AMPS提供30 kHz的信道間距，并為CDMA提供30 kHz的信道柵。PCS基帶需要50 kHz的信道柵。

目前已提出了LO物理約束的基本框架，下面將重點討論為滿足正式和非正式標準要求，設(shè)計必須達到的性能規(guī)范，如相位噪聲和穩(wěn)定時間等。

相位噪聲

CDMA標準并未直接闡述用于RF下變頻的CDMA PLL合成器的精確相位噪聲性能，只是間接定義了單音信號去敏(Single Tone Desensitization)的要求。單音信號去敏規(guī)范可保證在1.25MHz CDMA信道帶寬上接收到高功率窄帶干擾信號時，CDMA接收器仍能繼續(xù)工作。

該標準規(guī)定，95％置信區(qū)間內(nèi)的最小誤幀率(FER)為0.01。由于較大的干擾帶有-30dBm的功率電平，偏移量為1.25MHz時，系統(tǒng)的相位噪聲約為-136dBc/Hz。注意到該相位噪聲規(guī)范適用于整個RF系統(tǒng)，而PLL合成器只是其中一部分。如果在規(guī)范中留有-4dBc/Hz的裕度，在偏移量為1.25 MHz的條件下，PCS基帶的PLL合成器大約應(yīng)為-140dBc/Hz。具體實現(xiàn)將根據(jù)收發(fā)器性能和無線設(shè)備的其他特性而定。通常，減小PLL合成器引發(fā)的相位噪聲有利于系統(tǒng)其他部件獲得更大的相位噪聲裕度。

也許雙模手機最大的挑戰(zhàn)在于必須達到AMPS標準規(guī)定的相位噪聲水平。在AMPS中，由于語音數(shù)據(jù)不能像在CDMA中一樣較廣的帶寬上以數(shù)字形式發(fā)送，AMPS相位噪聲的性能就顯得尤為重要。另外，與載波信號僅相差60kHz的信道干擾將使得接近中心的噪聲性能更加突出。為滿足AMPS要求，PLL合成器在60kHz偏移量的條件下，所生成的相位噪聲不得超過-120 dBc/Hz。

穩(wěn)定時間或死鎖時間

穩(wěn)定時間或死鎖時間是指在規(guī)定的頻率或相位精度條件下，PLL合成器輸出達到穩(wěn)定所需的時間。大多數(shù)通信系統(tǒng)規(guī)定LO需要在功率放大器接通之前，在傳送通路中設(shè)定0.1ppm的頻率誤差。這樣可防止手機在所期望信道以外進行信號傳送并與其他手機相互干擾。在某些通信系統(tǒng)中，接收端的穩(wěn)定時間是以相位誤差的均方根形式進行描述，該相位誤差給出了所接收的數(shù)據(jù)組群被解調(diào)的位置。

與相位噪聲一樣，CDMA規(guī)范并未規(guī)定確切的PLL合成器穩(wěn)定時間。然而，該標準規(guī)定了最終限制穩(wěn)定性能并影響PLL合成器設(shè)計的系統(tǒng)性能參數(shù)。總之，由于CDMA采用直接序列擴頻方案，PLL合成器的穩(wěn)定時間與多接入方法關(guān)系不大。在GSM或跳頻系統(tǒng)等其它通信系統(tǒng)中，LO必須不斷改變頻率，這對PLL合成器穩(wěn)定時間要求而言，無疑增添了更多的麻煩。

從系統(tǒng)角度看，CDMA規(guī)范中至少存在兩個限制手機響應(yīng)時間的因素：其一為硬切換(Hard Handoff)條件，此時移動手機必須在小區(qū)之間進行不連續(xù)的轉(zhuǎn)換；另一因素與采用異步消息接收方式將手機配置在分時段尋呼模式有關(guān)。下面將根據(jù)對PLL合成器設(shè)計的影響，詳細闡述這些條件。

硬切換

在CDMA中，需要兩種切換：硬切換和軟切換。軟切換是首選的小區(qū)切換方法，因為其“中斷之前即切換”的工作方式可減少潛在的錯誤，并將對用戶的影響降至最低。然而，CDMA移動手機應(yīng)當在“中斷之前即切換”工作方式 (參見表3)下也支持硬切換。當基站引導移動手機在兩個不相鄰網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、不同頻率分配、不同幀偏移量或不同基帶類型的條件下進行切換時，將啟動CDMA至CDMA的硬切換。而當基站命令移動手機變換到蜂窩基帶模擬語音信道(移動手機必須支持AMPS)時，將啟動CDMA至AMPS的硬切換。在任何一種情況下，PLL合成器都必須迅速更換頻率并在新頻率下達到穩(wěn)定，以滿足系統(tǒng)的時序要求。

當需要在手機和新業(yè)務(wù)小區(qū)或區(qū)段間更換頻率時，必須啟動硬切換。由不同小區(qū)中的不同頻率進行硬切換后，移動手機重接入小區(qū)的過程包括調(diào)整新頻率和搜索新導頻信道。CDMA規(guī)范要求所有事務(wù)必須在60毫秒(msec)內(nèi)完成。

為了在蜂窩電話網(wǎng)絡(luò)內(nèi)均勻分配負載，業(yè)務(wù)信道幀將作為系統(tǒng)時間的偏移量，“幀偏移量”以1.25毫秒的增量予以劃分。為了支持軟切換，目標小區(qū)必須使用與當前業(yè)務(wù)小區(qū)相同的幀偏移量。如果不能滿足這一條件，則必須進行硬切換，這類硬切換必須在20毫秒內(nèi)完成。

PLL合成器的穩(wěn)定時間是硬切換完成時間的一部分。如果不能滿足這些硬切換持續(xù)時間的限制要求，那么語音質(zhì)量將受到影響，甚至導致通話中斷。移動手機必須調(diào)整到新的頻率，查詢新導頻信道，接入新信道，然后再發(fā)送切換完成消息。對上述提及的任何情形，硬切換的界限在幀偏移量條件下為20毫秒，而在其他硬切換條件下為60毫秒。這段時間中，PLL合成器必須只消耗總時間的很少一部分，因為功率放大器等部件將在驟開驟關(guān)中消耗大量的時間。如果PLL合成器可迅速穩(wěn)定，那么更多的時間可用于為其他功能塊執(zhí)行切換任務(wù)。在硬切換情況下，設(shè)計人員通常分配大約1至2毫秒的切換時間。

分時段尋呼模式

移動手機開啟后，即開始搜索導頻信號、接入導頻信號和同步信道的初始化進程，然后進入空閑狀態(tài)。空閑狀態(tài)下，手機監(jiān)視尋呼信道，以確定該終端是否設(shè)置了呼叫。CDMA規(guī)范規(guī)定了兩種不同的監(jiān)視尋呼信道方法：分時段和非分時段尋呼模式。在非分時段模式中，手機監(jiān)視尋呼信道的每個時段。該監(jiān)視模式雖然很有效，但由于手機的RF部分必須時刻保持通電，電池會很快耗盡。

而分時段尋呼模式可讓手機只在特定時段監(jiān)視尋呼信道，16幀組成一個時段，而每幀的長度為80毫秒，總周期為1.28秒(見圖4)。

在分時段尋呼模式下，當不監(jiān)視指定時段時，CDMA無線部分將斷電。到了監(jiān)視時段時間，PLL合成器必須被“喚醒”以接入尋呼信道，“喚醒”時間包含在圖4所示的重接入過程中。當基帶軟件為RF部分通電時，同樣也使PLL合成器通電。但在重接入過程開始之前，PLL合成器的輸出必須穩(wěn)定。基帶處理器等待接入尋呼信道的時間越長，就越節(jié)省電能。不同于硬切換情景，一旦用戶停止通話，手機就可進入分時段尋呼模式，這可能占用手機開啟狀態(tài)的大部分時間。因此，由PLL合成器穩(wěn)定時間節(jié)省的任何時間都有助于延長電池的壽命。典型的PLL合成器方案約需1毫秒時間達到穩(wěn)定。

降低整機功耗

降低整機功耗是一個重要的目標，因為功耗直接影響電池的使用壽命。為降低手機功耗，低電壓和低于3V電壓工作將成為發(fā)展趨勢，因而對PLL合成器設(shè)計將產(chǎn)生多重影響。PLL合成器的功耗有助于降低噪聲電平，因此有利于改進性能。然而，低電壓也使得VCO更難調(diào)諧，除非同時增加環(huán)路帶寬和VCO增益(Kv)。方程(3)粗略地表達了這一關(guān)系，增益增加將增加噪聲和系統(tǒng)對VCO及充電泵非線性的敏感度，由此增加相位噪聲。快速穩(wěn)定時間是另一個期望的特性，通常要求增加反饋和充電泵速率，這在低電壓下更難實現(xiàn)。

調(diào)諧范圍=輸入電壓* Kv (3)

結(jié)構(gòu)上的折衷

鑒于上述原因，必須在分立、部分分立和單片IC三種實現(xiàn)方案之間進行結(jié)構(gòu)上的折衷。盡管完全分立方案具有更大的靈活性，但也增添了更多的設(shè)計任務(wù)，因為PLL合成器的每個功能塊必須從頭開始設(shè)計。分立方案還需要較多的部件，這會影響元器件的采購，對庫存的要求也較大，元件的穩(wěn)定性較低，還要占用額外的板空間。由于這些因素會影響產(chǎn)品成本和面市時間，CDMA手機開發(fā)通常不采用完全分立的設(shè)計方案。

部分分立方案利用商業(yè)化的合成器IC和VCO，減少了元器件數(shù)目，也簡化了設(shè)計。實際上，許多商用CDMA收發(fā)器集成了PLL的各種部件--從設(shè)計的角度看，這些部件包括外部VCO和/或振蕩回路，以及回路濾波器。對于雙頻應(yīng)用，要在指定的頻帶上更換適當?shù)腜LL回路濾波器，必須使用切換電路。該方法的缺陷在于如果性能參數(shù)不能滿足系統(tǒng)規(guī)范或目標，PLL合成器設(shè)計人員幾乎沒有替代方法。

對于PLL合成器功能全部在單片IC上的全集成PLL合成器方案，其優(yōu)點在于將外部元件數(shù)目、設(shè)計工作量和產(chǎn)品尺寸降至最少，而且其相位噪聲和穩(wěn)定時間性能在許多情況下均優(yōu)于其他方法。此外，在雙頻帶應(yīng)用中，為簡化開發(fā)而改變環(huán)路濾波器時，該方法不需要切換。該方法的缺陷在于目前市場上只有很少產(chǎn)品能在單片IC上集成完整的PLL合成器。

總結(jié)

為CDMA移動手機設(shè)計LO時，必須考慮許多因素，本文討論了現(xiàn)今CDMA手機開發(fā)人員面臨的一些問題。成功設(shè)計PLL合成器的關(guān)鍵在于清晰了解開發(fā)標準和系統(tǒng)目標，并掌握相應(yīng)的技術(shù)知識。