5.8GHzWiMAX射頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　0 引言

　　固定WiMAX 標(biāo)準(zhǔn)基于正交頻分復(fù)用( OFDM) 技術(shù)，使用256 個(gè)副載波； 該標(biāo)準(zhǔn)支持1. 75~ 28 MHz范圍內(nèi)的多個(gè)信道帶寬，同時(shí)支持多種不同的調(diào)制方案，包括BPSK、QPSK、16QAM 和64QAM。由于信號(hào)寬帶及高調(diào)制方式等多項(xiàng)技術(shù)參數(shù)導(dǎo)致射頻設(shè)計(jì)充滿挑戰(zhàn)性。

　　1 主要芯片完成功能

　　本設(shè)備采用超外差時(shí)分雙工方式來完成設(shè)計(jì),在符合WiMAX 標(biāo)準(zhǔn)的射頻套片推出之前，成功選用SIGE 公司生產(chǎn)的中頻芯片SE7051L10 和Texasinstruments 公司生產(chǎn)的射頻芯片TRF2436 來完成設(shè)計(jì)。中頻頻率固定為380 MHz，射頻頻率在5. 725~5. 850 GHz頻段內(nèi)可選。

　　1.1 SE7051L10

　　SE7051L10 主要完成功能為：

　?、僭诎l(fā)射時(shí)隙內(nèi)完成I、Q 基帶信號(hào)上變頻為380MHz 的固定中頻信號(hào)；

　　②在接收時(shí)隙內(nèi)完成接收的380 MHz 的固定中頻信號(hào)下變頻為零中頻的I、Q 基帶信號(hào)；

　?、弁瓿珊铣蒊F 和RF 所需的LO 功能； 其中中頻LO 頻率為固定的380 MHz； RF 本振頻率可選，以便系統(tǒng)工作在期望的工作信道內(nèi)；

　　④在發(fā)射和接收通道，均內(nèi)置可變?cè)鲆娣糯笃鳎瑫r(shí)Tx 通道具有18 dB 的增益控制范圍( 步進(jìn)6 dB) ，和50 dB TX 增益控制范圍( 步進(jìn)1 dB) ，Rx 通道具有50 dB 的自動(dòng)增益控制范圍。

　　1.2 TRF2436

　　TRF2436 完成功能為：

　　①在發(fā)射時(shí)隙內(nèi)完成380 MHz 的固定中頻信號(hào)上變頻到所需的RF 信道頻率；②在接收時(shí)隙內(nèi)完成接收的RF 信號(hào)放大并下變頻為380 MHz 的固定中頻信號(hào)；③片內(nèi)內(nèi)置收發(fā)開關(guān)、低噪聲放大器及開關(guān)控制的功率放大器；④ 內(nèi)置射頻本振倍頻器。

　　2 總體設(shè)計(jì)

　　由于SE7051L10 與TRF2432 非同一公司套片,需重新設(shè)計(jì)，主要從以下幾點(diǎn)考慮。

　　中頻芯片SE7051L10 產(chǎn)生射頻本振，其合成頻率范圍2 850~ 3 350MHz，若系統(tǒng)選用低本振，要求最低頻率為2 672. 5MHz，SE7051L10 無法滿足該要求，系統(tǒng)只能選用高本振，高本振要求頻率為3 052~ 3 115MHz；選用高本振將導(dǎo)致中頻及基帶頻譜鏡像，對(duì)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)系統(tǒng)而言，由于接收下變頻將發(fā)射的上變頻導(dǎo)致的頻譜鏡像翻轉(zhuǎn)，系統(tǒng)會(huì)不留痕跡進(jìn)行解調(diào)；但作為CPE 設(shè)備，無法與標(biāo)準(zhǔn)基站對(duì)聯(lián)，采用基帶I、Q 信號(hào)顛倒連接，巧妙地解決選用高本振導(dǎo)致的頻譜翻轉(zhuǎn)，與標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源對(duì)聯(lián)，系統(tǒng)工作正常。

　　SE7051L10 的收發(fā)中頻為各自獨(dú)立的差分輸入輸出，而TRF2436 收發(fā)中頻為共用的差分輸入輸出,為解決此問題，選用2 只單端雙擲開關(guān)，通過收發(fā)切換控制信號(hào)，將SE7051L10 的收發(fā)中頻各自獨(dú)立的差分輸入輸出切換至TRF2436 要求共用的中頻差分輸入輸出，效果良好。

　　作為WiMAX CPE 設(shè)備，基站為適應(yīng)不同用戶端設(shè)備要求，其系統(tǒng)接收增益固定，不具備AGC 功能,為保證接收信號(hào)幅度恒定，通過動(dòng)態(tài)調(diào)整不同CPE設(shè)備的發(fā)射功率； 因此要求WiMAX CPE 設(shè)備發(fā)射通道具有超過50 dB 的ALC 控制范圍； 雖然SE7051L10內(nèi)置步徑1 dB 的50 dB 衰減器，但中頻衰減過大，將影響中頻信號(hào)的信噪比，從而影響系統(tǒng)性能； 而TRF2436 是針對(duì)802. 11系統(tǒng)開發(fā)的，發(fā)射通道沒有提高系統(tǒng)動(dòng)態(tài)的數(shù)控衰減器； 為增大系統(tǒng)發(fā)射動(dòng)態(tài),在TRF2436 的射頻濾波器后增加一片步徑4 dB 總衰減28 dB 數(shù)控衰減器。
重新設(shè)計(jì)SE7051L10 射頻本振的環(huán)路濾波器,優(yōu)化射頻本振的相位噪聲，從而改善發(fā)射及接收系統(tǒng)的信號(hào)相對(duì)矢量誤差。

　　TRF2436 的本振要求100Ω差分輸入，本振功率電平0 dBm。通過增加此頻段工作的平衡- 不平衡變換的巴侖集成塊來解決，巴侖集成塊平衡輸出阻抗為200Ω差分輸出，阻抗不匹配通過四分之一波長(zhǎng)阻抗變換器來解決；同時(shí)，通過一單片放大器將SE7051L10 輸出本振放大到0 dBm，單片放大器也有利于提高本振的輸入輸出隔離度。

　　通過收發(fā)通道的預(yù)算，合理地完成功放及低噪放設(shè)計(jì)。

　　3 系統(tǒng)工作流程

　　系統(tǒng)采用時(shí)分雙工工作方式，當(dāng)基帶控制的收發(fā)開關(guān)信號(hào)為高電平時(shí)，系統(tǒng)工作在發(fā)時(shí)隙，基帶送出的I、Q 信號(hào)經(jīng)調(diào)制、上變頻、功率放大和中頻、射頻濾波后經(jīng)開關(guān)由天線發(fā)射至接收端；在接收端，基帶控制的收發(fā)開關(guān)信號(hào)此時(shí)為低高電平，系統(tǒng)工作在收時(shí)隙，接收的射頻信號(hào)經(jīng)開關(guān)、低噪放、下變頻、相應(yīng)射頻、中頻濾波，解調(diào)出I、Q 基帶信號(hào)送至基帶信號(hào)處理單元。系統(tǒng)工作流程如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)工作流程圖
4 主要技術(shù)指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)與指標(biāo)分配

　　4.1 發(fā)射功率的實(shí)現(xiàn)

　　由于系統(tǒng)的基帶采用OFDM 調(diào)制技術(shù)，OFDM是無線通信系統(tǒng)中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，是一種多載波傳輸技術(shù)。多載波傳輸技術(shù)相對(duì)于單載波傳輸技術(shù)而言有很多優(yōu)點(diǎn)，例如抗多徑干擾，抗突發(fā)噪聲和有效地克服頻率選擇衰落。但OFDM 技術(shù)的一個(gè)主要缺點(diǎn)就是具有很高的峰均功率比( PAPR) ，高的峰值容易引起非線性失真； 同時(shí)，由于系統(tǒng)采用較高的64QAM 等調(diào)制方式，對(duì)系統(tǒng)的線性要求較高，針對(duì)以上問題，在設(shè)計(jì)及選用器件時(shí)，為保證系統(tǒng)工作在線性區(qū)域，所有器件均要求在其P1 dB 回退10 dB 工作。

　　功放設(shè)計(jì)的難點(diǎn)主要是末級(jí)功放的設(shè)計(jì)，本系統(tǒng)末級(jí)功放選用SIRENZA 公司生產(chǎn)的SZA5044，其輸出P1 dB 為29 dBm，功率回退10 dB，其輸出線性功率為19 dBm，功放末級(jí)有一無源收發(fā)開關(guān)、抑制諧波分量的低通濾波器及MCX 插座，其插入損耗總和為1. 6 dB，在插座輸出口輸出的線性功率為17. 4 dBm，滿足設(shè)備技術(shù)指標(biāo)要求；同時(shí)，SZA5044的增益為28 dB，為保證設(shè)備技術(shù)指標(biāo)16 dBm 功率輸出，SZA5044 輸入功率要求- 9 dBm，功放前級(jí)的射頻開關(guān)、數(shù)控衰減器及濾波器的插入損耗總和為4. 4 dB，要求TRF2436 的線性功率輸出- 4. 6 dBm,TRF2436 其輸出P1 dB 為22 dBm，線性功率輸出12 dBm，滿足技術(shù)指標(biāo)要求。

　　4.2 發(fā)射通道ALC的實(shí)現(xiàn)

　　由于系統(tǒng)針對(duì)點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)設(shè)計(jì)，基站的AGC 不能工作，基站的接收增益相對(duì)固定，為保證系統(tǒng)正常通信，基站端通過測(cè)試上行接收基帶I、Q 的功率電平,與標(biāo)準(zhǔn)I、Q 的功率電平比較，計(jì)算出功率誤差，送至用戶端，通過軟件開環(huán)控制用戶端上行的發(fā)射功率；為保證有足夠的動(dòng)態(tài)，以適應(yīng)衰落的影響，指標(biāo)規(guī)定用戶端的ALC 控制范圍大于50 dB，步徑1 dB。

　　本系統(tǒng)的ALC 由SE7051L10 提供30dB ALC 控制范圍，步徑1 dB； 同時(shí)，數(shù)控衰減器提供28 dB 的ALC 控制范圍，步徑4 dB，在實(shí)際應(yīng)用中，實(shí)際測(cè)試一ALC 控制表格，按實(shí)際衰減量從小到大排列，步徑1 dB，通過安捷侖公司的89601 軟件實(shí)際測(cè)量發(fā)射功率電平，同時(shí)保證在50 dB 的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)，發(fā)射的相對(duì)矢量誤差小于- 31 dB。在正常工作時(shí)，基帶軟件根據(jù)當(dāng)前ALC 控制信號(hào)所在控制表格的位置和基站測(cè)量的功率誤差，動(dòng)態(tài)調(diào)整用戶端發(fā)射功率,保證系統(tǒng)正常工作。

　　4.3 發(fā)射機(jī)EVM指標(biāo)實(shí)現(xiàn)

　　發(fā)射機(jī)相對(duì)矢量誤差是衡量發(fā)射機(jī)綜合技術(shù)指標(biāo)之一，由基帶I、Q 的正交誤差、幅度平衡，本振的相位噪聲，混頻器和功放( PA) 線性技術(shù)指標(biāo)和系統(tǒng)頻偏等決定。針對(duì)本射頻系統(tǒng)而言，I、Q 的正交誤差主要通過PCB 板I、Q 信號(hào)走線嚴(yán)格等長(zhǎng)來控制；幅度平衡可通過運(yùn)算放大器的增益控制電阻來調(diào)整； 由于本射頻系統(tǒng)選用TRF2436 作為二次混頻的主芯片，混頻器集成在芯片內(nèi)部，無法控制； 發(fā)射EVM 主要由本地振蕩器的相位噪聲決定，通過合理選用VCTCXO，優(yōu)化環(huán)路濾波器等措施，保證射頻本地振蕩器的相位噪聲指標(biāo)滿足- 88 dBc@ 1 kHz、- 90 dBc@10 kHz，從而保證TRF2436 輸出最終功率0 dBm時(shí)，其相對(duì)矢量誤差達(dá)到- 34. 5 dB；對(duì)本系統(tǒng)而言，功放的合理設(shè)計(jì)決定了發(fā)射機(jī)相對(duì)矢量誤差。

　　如前所述，本系統(tǒng)選用的末級(jí)功放，在輸出功率為16 dBm 時(shí)，其相對(duì)矢量誤差為2% ( - 34 dB) ，通過計(jì)算系統(tǒng)的相對(duì)矢量誤差為- 32. 5dB，滿足技術(shù)指標(biāo)要求。

　　4.4 接收靈敏度及接收AGC設(shè)計(jì)

　　接收機(jī)靈敏度是反應(yīng)接收系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)之一，對(duì)802. 16d 系統(tǒng)而言，接收機(jī)的靈敏度在系統(tǒng)誤碼率不小于10- 6情況下，應(yīng)按如下公式計(jì)算( 假定有5 dB 的余量和7 dB 的噪聲系數(shù)NF) ，R ss =- 10+ SNRrx + 10Log ( ( Fs * 200 ) / 256) 。采用3. 5 MHz帶寬，這里的Fs = 3. 5* 8/ 7，SNRrx 為系統(tǒng)解調(diào)歸一化信噪比，對(duì)64QAM- 3/ 4 而言，其歸一化信噪比要求為24. 4 dB。通過計(jì)算，其接收機(jī)靈敏度為- 72. 6 dBm。從以上公式可以看出，合理設(shè)計(jì)低噪聲放大器，減低系統(tǒng)的噪聲系數(shù)，可以提高系統(tǒng)的接收機(jī)靈敏度指標(biāo)；本射頻系統(tǒng)的低噪聲放大器選用安捷侖公司生產(chǎn)的MGA71543 和MGA72543 來完成低噪聲放大器設(shè)計(jì)，增益50 dB，考慮接插件、開關(guān)及濾波器的插入損耗，系統(tǒng)噪聲系數(shù)4 dB，比公式7 dB噪聲系數(shù)改善3 dB，相應(yīng)提高接收機(jī)靈敏度3 dB，優(yōu)于該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的要求。

　　整個(gè)系統(tǒng)提供的接收機(jī)AGC 控制范圍為90 dB，其中中頻增益控制范圍為50 dB ，TRF2436 增益控制范圍為16 dB，數(shù)控衰減器28 dB，總計(jì)94 dB。

　　5 設(shè)備特點(diǎn)

　　該設(shè)備具有如下特點(diǎn):

　?、俚统杀尽Ｓ捎谶x用的是高集成，大批量的通信集成塊完成設(shè)計(jì)，大批量生產(chǎn)時(shí)，整機(jī)成本幾十美元；② 高性能。點(diǎn)對(duì)點(diǎn)測(cè)試時(shí)，信道帶寬3. 5 MHz接收機(jī)靈敏度- 75 dBm ( 64QAM - 3/ 4 ) ，優(yōu)于802. 16d協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)2 dB；③結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。由于系統(tǒng)選用TDD 模式工作，無須過分考慮收發(fā)隔離，整機(jī)收發(fā)在同一塊PCB 板上完成，收發(fā)之間不需要增加屏蔽盒；也不須增加改善收發(fā)隔離的雙工器； ④ 調(diào)試、安裝、維修方便。由于選用的器件均為內(nèi)匹配的器件，一致性好，只要器件安裝正確，工藝不出差錯(cuò)，幾乎為免調(diào)試產(chǎn)品。整機(jī)重量輕，安裝方便；維修時(shí)能迅速定位故障點(diǎn)。

　　6 結(jié)束語

　　該設(shè)計(jì)于2007 年8 月向國家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局申請(qǐng)發(fā)明專利，已審?fù)ㄟ^，專利號(hào)200710023309. 2。由該設(shè)備組成的系統(tǒng)，在安徽省電力通信公司、合肥供電局傳輸變壓器工作狀態(tài)數(shù)據(jù)和KP 所工作狀態(tài)數(shù)據(jù)；系統(tǒng)采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)測(cè)試，兩點(diǎn)之間在部分遮擋通信距離5 km 情況下，進(jìn)行上下行鏈路數(shù)據(jù)傳輸，其流量及Ping 包測(cè)試均符合WiMAX 標(biāo)準(zhǔn)要求； 同時(shí)雙向傳輸電影圖像無失真、聲音清晰，系統(tǒng)工作穩(wěn)定。