TD-LTE發(fā)射機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析
概述
具有中國自主知識產(chǎn)權(quán)的TD-LTE由于其頻譜利用率高(下行:5bit/S/Hz;上行:2.5bit/S/Hz);高速率(下行:100Mbps;上行:50Mbps);低延時(100ms控制面,10ms用戶面),以及靈活的頻譜使用(可變帶寬,1.4MHz;3MHz;5MHz,10MHz,15MHz,20MHz)正越來越受到各個運(yùn)營商的青睞,到2011年2月,由中國移動主導(dǎo)聯(lián)合7家運(yùn)營商發(fā)起成立TD-LTE全球發(fā)展倡議(GTI),已發(fā)展至48家運(yùn)營商成員,27家廠商合作伙伴;目前已經(jīng)有38個運(yùn)營商計(jì)劃部署或正在進(jìn)行試驗(yàn)。
本文將對TD-LTE的不同架構(gòu)的發(fā)射機(jī)系統(tǒng)(包括發(fā)射和反饋)的挑戰(zhàn)進(jìn)行分析,最終根據(jù)TD-LTE的空口指標(biāo)要求進(jìn)行系統(tǒng)指標(biāo)分解,提供了TD-LTE發(fā)射機(jī)設(shè)計(jì)的思路及依據(jù),同時結(jié)合TI的方案分析了發(fā)射機(jī)鏈路關(guān)鍵器件的指標(biāo)要求。
1、TD-LTE 發(fā)射機(jī)架構(gòu)概要
為了更加深入理解基站發(fā)射機(jī)系統(tǒng)的系統(tǒng)指標(biāo),本節(jié)將首先介紹目前在基站系統(tǒng)中常用的幾種架構(gòu)及各自的優(yōu)缺點(diǎn),從而根據(jù)不同的要求選擇不同的發(fā)射機(jī)架構(gòu)。
總的來說,對 TD-LTE 而言,目前最大的挑戰(zhàn)是帶寬, 中國目前有 190MHz(2500-2690)連續(xù)帶寬分配給TD-LTE,同時還有很多多頻段的要求(比如 F+A;1880-1920MHz,2010-2015MHz)頻段,等都對發(fā)射機(jī),尤其是反饋通道的要求非常高;嚴(yán)格的帶外雜散要求,尤其是 F 頻段,對發(fā)射機(jī)系統(tǒng)而言也是非常大的一個挑戰(zhàn),另外,高 EVM,低噪底的需求同樣對系統(tǒng)設(shè)計(jì)是一個挑戰(zhàn)。
1.1 零中頻發(fā)射,零中頻反饋
圖 1 為零中頻發(fā)射及零中頻反饋的架構(gòu)圖,其中調(diào)制器(modulator)的輸入頻點(diǎn)為零,解調(diào)制(demodulator)的輸出頻點(diǎn)為零,就稱為零中頻發(fā)射和反饋。
該架構(gòu)在技術(shù)上具有非常大的優(yōu)勢:
1) 發(fā)射和反饋可以采用同一個本振信號,節(jié)約簡化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)和成本;
2) 降低了 ADC 及 DAC 的采樣率要求,尤其是對于寬帶的 TD-LTE 系統(tǒng),由于 ADC 有出口管制,采用該種架構(gòu)后,相對于實(shí)中頻架構(gòu),對 ADC 的采樣率要求降低了一半;
3) 由于調(diào)制器和解調(diào)制的輸入/輸出頻點(diǎn)為零,所以系統(tǒng)沒有和中頻有關(guān)的各種雜散信號,大大減少各種濾波器的需求;
4) 對 ADC 和 DAC 而言,其輸入/輸出頻點(diǎn)低,本身的性能也大大提高,從而有利于系統(tǒng)設(shè)計(jì);
5) 采用零中頻后,可以保證 DPD 信號帶內(nèi)平坦度高,從而利于 DPD 的處理。
目前,越來越多的基站發(fā)射機(jī)系統(tǒng)已經(jīng)開始采用這種架構(gòu)了,但是該架構(gòu)同樣有其弱點(diǎn):
1) 由于采用零中頻架構(gòu),其本振泄露和邊帶信號都在信號帶內(nèi),沒有辦法通過濾波器來對本振信號和邊帶進(jìn)行抑制,完全靠算法來進(jìn)行校準(zhǔn),所以對算法的要求比較高;
2) DAC 的低次諧波(二次,三次)都會在帶內(nèi),同樣沒有辦法通過濾波器來抑制,所以需要DAC 本身有比較好的二次及三次諧波性能,同時也需要算法對低次諧波進(jìn)行校準(zhǔn),會導(dǎo)致算法復(fù)雜化;
3) 由于發(fā)射通道和反饋通道都是采用零中頻架構(gòu),在做本振泄露和邊帶抑制時,需要區(qū)分發(fā)射通道的和反饋通道的本振泄露信號,所以在反饋通道中需要增加移相器來區(qū)別發(fā)射和反饋信號的本振泄露信號。
考慮到目前的算法還不能非常好的校準(zhǔn)本振泄露,邊帶信號,各種低次諧波信號,對 MCGSM系統(tǒng),目前還沒有采用該種架構(gòu)。
1.2 零中頻發(fā)射,實(shí)中頻反饋
和圖 1 的架構(gòu)不同,當(dāng)反饋通道采用混頻器替代解調(diào)器后,就叫實(shí)中頻反饋。
該方案是目前最通用的架構(gòu),相較架構(gòu)一,最大的區(qū)別就是在反饋通道,所以其最大的優(yōu)點(diǎn):
1) 由于只是發(fā)射通道采用零中頻,系統(tǒng)的本振泄露和邊帶校準(zhǔn)相對算法比較容易;
2) 對反饋通道而言,由于采用數(shù)字高中頻的方式,其本振泄露和鏡像信號都可以通過簡單的濾波器濾除,無需做任何校準(zhǔn);
3) 由于采用實(shí)中頻方案,只需要一路反饋 ADC;
4) 降低了 DAC 的采樣率,簡化了 DAC 和調(diào)制器間抗混疊濾波器設(shè)計(jì)(只需要采用低通濾波器)。
該架構(gòu)的缺點(diǎn)在于:
1) 對反饋通道的 ADC 采樣率要求非常高,尤其是對 TD-LTE 190MHz 帶寬需求;
2) 反饋通道的濾波器會引入 DPD 信號不平坦性問題;
3) 需要兩個本振信號目前大多數(shù)的基站都采用這種架構(gòu)。
1.3 復(fù)中頻發(fā)射,復(fù)中頻反饋
相較圖 1 的的方案,區(qū)別是 DAC 的輸出信號為高中頻信號,ADC 的輸入信號為高中頻信號,其優(yōu)點(diǎn)如下:
1) 發(fā)射和反饋可以采用同一個本振信號,簡化節(jié)約了系統(tǒng)設(shè)計(jì)和成本;
2) 本振泄露和邊帶抑制可以通過濾波器來抑制,對算法要求大大降低;
3) 低次諧波信號在帶外,可以通過濾波器來進(jìn)行抑制,降低了對算法的要求;
4) 由于采用復(fù)中頻架構(gòu),反饋通道的 ADC 的采用率要求降低一半,尤其對寬帶 TD-LTE 系統(tǒng)尤為重要。
其缺點(diǎn):
1) 由于 DAC 和 ADC 的信號都是高頻信號,對其性能影響比較大;
2) 解調(diào)器的線性指標(biāo)會下降;
3) 發(fā)射和反饋通道的平坦度性能會比較差,對 DPD 的性能會有比較大的影響由于不需要做直流及邊帶校準(zhǔn),而且可以比較容易支持寬帶信號,在 TD-LTE 上有比較大的潛力。
2、TD-LTE 發(fā)射機(jī)指標(biāo)分析
本節(jié)將介紹 TD-LTE 的空口指標(biāo)要求以及對應(yīng)的系統(tǒng)指標(biāo)分配,根據(jù) 3GPP TS 36.104 要求,TDLTE 的發(fā)射空口指標(biāo)要求包括:基站輸出功率,基站輸出功率動態(tài)范圍;發(fā)射機(jī)開/關(guān)功率;發(fā)射機(jī)信號質(zhì)量;unwanted emission;發(fā)射互調(diào)及其他,下面將針對重要的指標(biāo)進(jìn)行分析,分解。
2.1 基站輸出功率
基站輸出功率是指的天線口的每載波的均值功率,這個指標(biāo)要求通常是由運(yùn)營商提出來的,目前TD-LTE 通常要求支持 8 天線 20W(43dBm)的最大功率輸出,3GPP 要求其精度為+/-2dB, 極端條件下保證精度為+/-2.5dB, 但是為了簡化功放設(shè)計(jì),以及良好的熱設(shè)計(jì),通常要求鏈路保證的功率波動為+/-1dB, 在寬帶信號,尤其是中國的 TD-LTE 190MHz 帶寬,怎樣保證鏈路的功率波動在+/-1dB 以內(nèi)呢。
在選擇鏈路器件時,需要保證在 190MHz 帶內(nèi)的功率波動盡量小,通常分配給 DAC 和調(diào)制的功率波動在+/-0.5dB 以內(nèi),目前 TI 的 DAC34H8X+TRF3705 能夠保證+/-0.5dB 的帶內(nèi)波動要求。
除了鏈路器件的選擇要保證比較好波動外,閉環(huán)功率校準(zhǔn)也是必須的,下表是對閉環(huán)校準(zhǔn)的要求樣例。
2.2 發(fā)射機(jī)開/關(guān)功率
發(fā)射機(jī)開關(guān)是專門針對 TD-LTE 的一個指標(biāo)要求,由于 TD-LTE 采用同頻接收/發(fā)射,在發(fā)射機(jī)關(guān)斷后要求其噪底對接收機(jī)的影響有控制在一定范圍之內(nèi),3GPP 要求其在關(guān)斷后功率低于-85dBm/MHz, 歸一化后: -85dBm/MHz=-(85+10*lg10^6)=-145dBm/Hz,考慮到增益,分配到 DAC機(jī)調(diào)制器的噪底要保證-155dBm/Hz 左右。
2.3 發(fā)射機(jī)信號質(zhì)量
發(fā)射機(jī)的信號質(zhì)量包括:頻率誤差;EVM(矢量幅度誤差);多天線之間的時延同步。
2.3.1 頻率誤差
3GPP 要求, 調(diào)制載波頻率在一個子幀周期 (1ms) 內(nèi)觀察到的頻率偏差不得超過+/-0.05ppm在 TD-LTE 發(fā)射機(jī)系統(tǒng)中,由于基帶系統(tǒng)是完全同步的,沒有長期頻率誤差,所以其頻率誤差主要來之于時鐘和頻綜的貢獻(xiàn)。
2.3.2 EVM(矢量幅度誤差)
3GPP 要求對各種調(diào)制信號的要求如下表,通常對設(shè)計(jì)者而言,需要保留 2-3%的余量。
EVM的貢獻(xiàn)對整個發(fā)射兩路而言,主要來自于幾部分: 數(shù)字處理和鏈路部分。
1:CFR (削峰處理), 為了提高 PA 的效率,削峰是目前結(jié)合 DPD 最重要的技術(shù),它對系統(tǒng)的 EVM 有著非常重要的影響,不同的削峰技術(shù)性能不同,通常的硬削峰會比較簡單,但是對系統(tǒng)的影響,尤其是對EVM 的影響會比較大,目前常用的方法峰值對消法,雖然要求的資源比較多,但是對整個系統(tǒng)性能是最優(yōu)的,此處不詳細(xì)述具體的 CFR 對 EVM 的影響,但是需要清楚 CFR 對 EVM 有非常重要的影響。
2:鏈路部分,如下式發(fā)射鏈路的通用示意圖,我們可以列出 7 個影響 EVM的因素,本文不做詳細(xì)推導(dǎo),直接應(yīng)用結(jié)論(2)。
A: I/Q 之路不平衡,設(shè)增益差為 δ dB
如果
則可以得到如下 EVM 和增益誤差的關(guān)系
B: 正交調(diào)制器本振移相誤差對β對 EVM 的影響
C: 本振泄露? 對 EVM 的影響
D: 本振相位噪聲 ? 對 EVM 的影響,設(shè) G? 為相位噪聲的功率譜密度,則
除以上主要影響,通道濾波器的幅頻特性失真,通道濾波器的非線性相位失真,鏈路的非線性失真都會影響發(fā)射機(jī)的 EVM, 式(5)給出了鏈路總 EVM 的計(jì)算式
2.3.3 多天線同步時延誤差
TD-LTE 除了智能天線要求的多天線之間的相位要求之外,3GPP 對多天線之間的相位誤差也要求不得大于 65ns, 通常分配到發(fā)射機(jī)信號鏈路的延遲不得大于 30ns, 所以對發(fā)射鏈路通常要求調(diào)制器共本振,DAC 共時鐘,而且由于 DAC 里面集成了 FIFO,通常還要求 DAC 能夠同步,同時如果多天線之間的相位延遲是固定的,通常需要進(jìn)行補(bǔ)償,如果多天線之間的相位延遲存在不確定性,需要保證不確定性盡量小。
2.4 Un-wanted emissions(雜散輻射要求)
Un-wanted emissions 包括帶外輻射和雜散輻射兩部分,帶外輻射是是指發(fā)射機(jī)工作帶寬的下限頻點(diǎn)到10MHz 距離以內(nèi)的范圍內(nèi)的輻射要求,以及上限頻率以上 10MHz 以內(nèi)范圍的輻射要求,以 UMTS 為列,發(fā)射機(jī)工作帶寬為 2110-2170MH 在,所以帶外雜散就是指 2100-2110MHz 以及 2170-2180MHz 范圍內(nèi)的雜散要求;除去帶外輻射要求的頻率范圍內(nèi)的信號,其他區(qū)域的雜散都?xì)w于雜散輻射指標(biāo)的要求。
2.4.1 Operating band unwanted emissions
Operating band unwanted emissions 是 Un-wanted emission 中的一種,其近端的貢獻(xiàn)主要來至于 DPD后功放的殘余非線性產(chǎn)物以及本振信號的相位噪聲,而遠(yuǎn)端的貢獻(xiàn)主要來之于發(fā)射鏈路的噪底,以及DPD 后功放的殘余非線性產(chǎn)物,發(fā)射鏈路落在帶內(nèi)的雜散對遠(yuǎn)端輻射也有比較大的影響。
如上所示為帶內(nèi)雜散模板,其中藍(lán)色是 FCC 的要求,在偏移 1MHz 時,需要滿足 22dBm/MHz, 而中國移動只需要滿足 3GPP cat A 的需求,在偏移 1MHz 時,需要滿足-11dBm/MHz 的要求,但是為了支持beam forming,需要增加 9dB 的要求,即在偏移 1MHz 時,需要滿足-20dBm/MHz 要求,設(shè)功放輸出功率為 20W(43dBm),對 20MHz 的 TD-LTE 信號而言,為了滿足 3GPP 要求。
0-1MHz: 43dBm-10*log (18MHz)-(-11dBm/MHz) =40.5dBc
1MHz-10MHz: 43dBm-10*log (18MHz)-(-13dBm/MHz) =42.5dBc
10MHz: 43dBm-10*log (18MHz)-(--15dBm/MHz) =44.5dBc
根據(jù)如上的結(jié)果,可以分配到 DUC,CFR,調(diào)制器,功放等每一級,保證級聯(lián)結(jié)果不得低于如上的值。
2.4.2 ACLR(鄰道泄露功率抑制比)
ACLR 是指主信號的均值功率和領(lǐng)道信號功率的比值,通常 3GPP cat A 要求其可以取滿足于-45dB 的相對比值,或者取-13dBm/MHz 作為絕對的值的領(lǐng)道功率,可以兩者取其輕; cat B 是可以在相對 45dB或者絕對-15dBm/MHz 中取其輕,相對帶內(nèi)雜散要求來說,ACPR 要求更低,通常是用來評估發(fā)射機(jī)系統(tǒng)的非線性指標(biāo)的,在系統(tǒng)中,PA driver, 調(diào)制的非線性,本振信號的相位噪聲,以及 DAC 的非線性指標(biāo)都會影響系統(tǒng)的 ACLR。
ACLR 是一個系統(tǒng)指標(biāo),對應(yīng)的 PA driver, 調(diào)制器的非線性指標(biāo)為 OIP3, 粗約的轉(zhuǎn)化可以表示為:
1 載波 ACPR=IIM3I-3dB
2 載波 ACPR=IIM3I-9dB
4 載波 ACPR=IIM3I-12dB
所以可以根據(jù) IM3 算出 OIP3,從而根據(jù) OIP3 的級聯(lián)公式可以算出對每一級器件的 OIP3 要求。
2.4.3 Transmitter spurious emissions(發(fā)射雜散)
發(fā)射雜散是指 9KHz 到 12.5GHz 頻段,除去帶內(nèi)雜散以外的所有頻率范圍內(nèi)的雜散要求,這是一個強(qiáng)制的要求,如下總結(jié)了通用的雜散指標(biāo),發(fā)射通道對接收通道的雜散要求,共存雜散指標(biāo),共站址等雜散指標(biāo)要求,對共存,共站址沒有列出所有的頻率范圍,僅僅列出了一些代表部分,具體的設(shè)計(jì)需要對照3GPP 里面列出的所有頻率范圍的雜散指標(biāo)要求。
尤其是對接收機(jī)的信號干擾,需要保證-96dBm-10*log(100KHz/Hz)=-146dBm/Hz,這是沒有濾波器抑制的,需要保證在發(fā)射機(jī)關(guān)斷后,其輸出的功率極低;對于共站址的-98dBm 雜散要求,需要在設(shè)計(jì)雙工器的時候針對對應(yīng)的共站址頻率進(jìn)行相應(yīng)的抑制。
同時要考慮各種可能的交調(diào)產(chǎn)物落在對應(yīng)的頻率范圍內(nèi)(有很多計(jì)算交調(diào)的工具),需要考慮到各種可能的信號,如時鐘頻率及諧波,PLL 頻率及諧波,以及其相互之間的交調(diào)產(chǎn)物。
2.4.4 發(fā)射互調(diào)
發(fā)射互調(diào)要求是用來測試發(fā)射機(jī)抑制自身非線性的能力,測試的干擾信號為 5MHz E-UTRA,均值功率為 43dBm-30dB=13dBm 的信號,其位置分別位于離主信號+/-12.5MHz,+/-7.5MH 在,+/-2.5MHz 處,其交調(diào)產(chǎn)物要滿足圖 6 所以的雜散輻射模板。
3、TI TD-LTE 發(fā)射關(guān)鍵器件要求
第二節(jié)詳細(xì)解析了發(fā)射機(jī)的指標(biāo)要求,本節(jié)將依據(jù)其指標(biāo)要求,結(jié)合 TI 的方案介紹重點(diǎn)器件的需求(DAC+調(diào)制器,時鐘,頻綜)。
3.1 DAC+調(diào)制器
高帶寬:支持 190MHz BW,需要的 DPD 帶寬至少 600MHz,DAC 數(shù)據(jù)速率 750MHz。
(750*0.8=600MHz) DAC 采樣率 750*2=1.5Gpbs, DAC34SH84 采樣率 1.5GHz, 支持最大 600MHz 信號帶寬。
低噪聲:考慮遠(yuǎn)端噪聲模板要求,保留 13dB 余量,DAC+調(diào)制的噪聲要求應(yīng)該低于:-22dBm/MHz-13dB-(-43dBm-(-14dBm))-10lg1MHz=-152dBm/Hz,DAC34SH84 噪底為-156dBm/Hz, TRF3705 噪底 -157dBm/Hz,所以總噪聲為大概為-153dBm/Hz。
平坦度:圖 8 為 DAC34SH84+TRF3705 的平坦圖,結(jié)合頻率校準(zhǔn),能夠滿足平坦度要求。
SFDR:考慮單載波信號,帶寬 20MHz, 對帶內(nèi)雜散指標(biāo)要求,假設(shè) 10%貢獻(xiàn)來自于DAC34SH84+TRF3705,SFDR 需要好于: [43dBm-10lg (18MHz)]-[(-22dBm)-(10lg1MHz)]-10lg0.1=63dB
總結(jié)
本文詳細(xì)介紹了發(fā)射機(jī)的系統(tǒng)指標(biāo)要求及分解,各種指標(biāo)對系統(tǒng)的要求,以及關(guān)鍵器件的選擇,結(jié)合 TI 的方案 DAC34SH84+TRF3705,為 TD-LTE 提供了一套發(fā)射機(jī)系統(tǒng)方案分析的思路及器件選擇的依據(jù)。
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