TD-LTE 發(fā)射機(jī)系統(tǒng)設(shè)計分析

摘要

隨著數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需求的加速，4G 技術(shù)將取代 3G 成為未來幾年的主流無線通信技術(shù)，而其中具有中國自主知識產(chǎn)權(quán)的 TD-LTE 將成為其中的重要部分，本文將介紹目前常用的發(fā)射機(jī)架構(gòu)，以及對TD-LTE 發(fā)射機(jī)的系統(tǒng)指標(biāo)進(jìn)行分析，并且結(jié)合 TI 的芯片方案，全面介紹支持 TD-LTE 的系統(tǒng)解決方案。

術(shù)語:DPD(數(shù)字預(yù)失真)

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)營商計劃部署或正在進(jìn)行試驗。

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，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）的輸入頻點為零，解調(diào)制(demodulator)的輸出頻點為零，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/輸出頻點低，本身的性能也大大提高，從而有利于系統(tǒng)設(shè)計；
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：

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：
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(只需要采用低通濾波器)。
該架構(gòu)的缺點在于：
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:
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，以及良好的熱設(shè)計，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。

圖 8 DAC34SH84+TRF3705 平坦度

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

圖 9 DAC34SH84+TRF3705 SFDR

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)。

4、參考資料
1：3GPP TS 36.104 V82.0 (2008-05)
2: WCDMA 終端 EVM 指標(biāo)分析——王險峰