基于高性能TD-SCDMA接收機(jī)的設(shè)計(jì)

下一代無線系統(tǒng)正在采納諸如接收分集和多載波架構(gòu)等技術(shù)來應(yīng)對(duì)這種日益增長的數(shù)據(jù)需求。在中國，時(shí)分同步碼分多址(TD-SCDMA) 作為寬帶CDMA(WCDMA)的替代標(biāo)準(zhǔn)，正試圖在各種環(huán)境下提供比WCDMA更好的覆蓋率。WCDMA是專門針對(duì)對(duì)稱業(yè)務(wù)和宏單元站點(diǎn)優(yōu)化了的一種標(biāo)準(zhǔn)。為了支持TD-SCDMA技術(shù)，業(yè)界已經(jīng)成功開發(fā)出帶數(shù)字中頻(IF)級(jí)電路和多個(gè)有源天線模塊的緊湊型多通道TD-SCDMA接收機(jī)。這種靈巧的設(shè)計(jì)支持多載波、分集接收機(jī)系統(tǒng)中的各種應(yīng)用。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這種緊湊型接收機(jī)具有杰出的線性度和相位-噪聲性能。

2000年5月，由中國電信科學(xué)技術(shù)研究院(CATT)推薦的TD-SCDMA技術(shù)被國際電信聯(lián)盟(ITU)采納并批準(zhǔn)為第三代(3G)移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)之一。TD-SCDMA擁有許多先進(jìn)的訪問技術(shù)，它們有效整合了時(shí)分多址(TDMA)、頻分多址(FDMA)、碼分多址(CDMA)和空分多址(SDMA)方法。TD-SCDMA系統(tǒng)中的上行鏈路和下行鏈路業(yè)務(wù)共享相同的頻帶但不同的時(shí)隙。因此，TD-SCDMA非常適合不對(duì)稱數(shù)據(jù)服務(wù)，并能提供很高的頻譜效率。TD-SCDMA系統(tǒng)中采用的關(guān)鍵技術(shù)包括復(fù)用、智能天線和聯(lián)合檢測技術(shù)。

為實(shí)現(xiàn)簡單靈活，TD-SCDMA接收機(jī)的中頻部分采用數(shù)字電路進(jìn)行設(shè)計(jì)。與標(biāo)準(zhǔn)超外差式接收機(jī)相比，它的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)模塊被轉(zhuǎn)移到了中頻輸出端口。通過用數(shù)字器件替代模擬器件，數(shù)字中頻接收機(jī)能夠更加靈活地處理寬帶頻率范圍和多種無線通信標(biāo)準(zhǔn)。

接收機(jī)分集技術(shù)常用來減小影響無線通信性能的多徑和瑞利衰落效應(yīng)。主要的分集技術(shù)有頻率分集、時(shí)間分集、天線分集、角度分集和極化分集。

TD-SCDMA接收機(jī)應(yīng)用天線接收分集技術(shù)可提高鏈路增益。接收機(jī)利用這種方法收集多路不相關(guān)的射頻信號(hào)，然后進(jìn)行合并，并在合并過程中減小甚至消除衰落和多徑效應(yīng)產(chǎn)生的影響。典型的線性分集合并方法有選擇性合并(SC)、最大比例合并(MRC)和等增益合并(EGC)，這些方法各有優(yōu)缺點(diǎn)。

TD-SCDMA中采用的多載波技術(shù)可提高這種格式的數(shù)據(jù)容量和傳輸速率，以支持高數(shù)據(jù)速率的無線服務(wù)。多載波TD-SCDMA系統(tǒng)中的每個(gè)特定蜂窩采用三種不同的頻率作為載波頻率，其中一個(gè)頻率被稱為主頻，另外兩個(gè)被稱為輔頻。主頻和輔頻之間的區(qū)別在于它是否承載導(dǎo)頻和廣播信道(BCH)信息。主頻要處理導(dǎo)頻和BCH信息，輔頻不需要。尋呼指示信道(PICH)和輔助公共控制物理信道(S*CH)只能在主頻中配置。

圖1：TD-SCDMA通信系統(tǒng)的典型信道結(jié)構(gòu)采用了主載波和副載波。

圖1顯示了一個(gè)典型的TD-SCDMA射頻信道。這個(gè)信道包含三個(gè)載波，這些載波使用相對(duì)1.6MHz的載波帶寬來說較低的1.28Mchip/s芯片速率。TD-SCDMA有助于提高頻譜利用和網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的靈活性，特別是在人口密集的地區(qū)。另外，在5ms時(shí)間內(nèi)每個(gè)TDMA幀被分成7個(gè)時(shí)隙，這些時(shí)隙可以靈活地分配給多個(gè)用戶，或分配給需要多個(gè)時(shí)隙的單個(gè)用戶。

圖2給出了帶數(shù)字中頻電路和多個(gè)有源天線模塊的多通道TD-SCDMA射頻接收機(jī)的系統(tǒng)架構(gòu)。該系統(tǒng)包含三個(gè)有源天線模塊和一個(gè)射頻接收機(jī)模塊，而后者又由三個(gè)獨(dú)立的射頻接收通道組成。有源天線模塊包含一個(gè)6dBi增益的全向天線、一個(gè)射頻帶通濾波器和一個(gè)低噪聲放大器(LNA)。每個(gè)通道則包含射頻放大器、下變頻器、本地振蕩器(LO)、中頻聲表面波(SAW)濾波器、受基帶處理單元控制的可變?cè)鲆娣糯笃?VGA)和中頻放大器。

圖2：帶數(shù)字IF級(jí)和多個(gè)有源天線模塊的TD-SCDMA RF接收機(jī)結(jié)構(gòu)框圖。

這種接收機(jī)支持多種連接機(jī)制。在第一種機(jī)制中，只有一個(gè)有源天線模塊連接到接收機(jī)的全部三個(gè)通道，這時(shí)的接收機(jī)用作多載波TD-SCDMA接收機(jī)。在第二種機(jī)制中，三個(gè)有源天線模塊分別連接到接收機(jī)的三個(gè)通道，用作接收分集TD-SCDMA接收機(jī)(如圖2中的虛箭頭線所示)。在這種情況下，有源天線模塊之間的距離必須足夠遠(yuǎn)，以正確接收到接收信號(hào)的不同傳播延時(shí)。通常兩個(gè)天線之間至少間隔5倍波長的距離，才能使接收到的信號(hào)具有顯著不同的衰落特性。在第三種連接方案中，三個(gè)有源天線模塊連接到三個(gè)多通道射頻接收機(jī)模塊，用作分集接收機(jī)和多載波TD-SCDMA射頻接收機(jī)。

為*估TD-SCDMA接收機(jī)性能，必須更深入地了解它的基準(zhǔn)靈敏度和快速自動(dòng)增益控制(AGC)電路的功能。基準(zhǔn)靈敏度是接收機(jī)的最重要指標(biāo)。一般來說，它指的是系統(tǒng)在達(dá)到要求誤碼率(BER)條件下天線端口的最小輸入功率電平。該指標(biāo)還受到以下一些因素的影響：接收機(jī)的噪聲系數(shù)、發(fā)射機(jī)的本底噪聲、同相/正交(I/Q)增益不平衡、I/Q正交相位不平衡、本振(LO)相位噪聲、電源電壓噪聲、線性相位失真和線性幅度失真。

接收機(jī)的噪聲系數(shù)和發(fā)射機(jī)的本底噪聲展示了附加白高斯噪聲(AWGN)帶來的影響，而結(jié)合噪聲系數(shù)可以用來描述這兩種情況。在時(shí)分-雙工操作中，當(dāng)接收機(jī)打開時(shí)，發(fā)射機(jī)應(yīng)該是關(guān)閉的，因此發(fā)射機(jī)的本底噪聲對(duì)TD-SCDMA接收機(jī)來說不是問題。使用數(shù)字中頻技術(shù)后，主要由模擬解調(diào)器造成的I/Q增益和相位不平衡可以在數(shù)字域中得到校正，因此不會(huì)影響上述靈敏度指標(biāo)。當(dāng)本振和電源性能足夠高時(shí)，相位噪聲和電壓噪聲的影響可以忽略。線性相位失真和線性幅度失真可以用基帶處理器補(bǔ)償。基于這些分析可以看出，噪聲系數(shù)是影響TD-SCDMA接收機(jī)基準(zhǔn)靈敏度的主要原因。

在傳統(tǒng)的接收機(jī)-天線裝置中，由連接天線和射頻接收機(jī)的射頻電纜引起的損耗會(huì)增加系統(tǒng)的噪聲系數(shù)。在TD-SCDMA射頻接收機(jī)系統(tǒng)中，系統(tǒng)在有源天線模塊處被分割開來，由該模塊直接連接天線和低噪聲放大器。因此由射頻電纜造成的損耗可以得到有效補(bǔ)償，從而提高了接收機(jī)分集性能。

當(dāng)接收機(jī)由多個(gè)塊組成時(shí)，每個(gè)塊都有自己的插入增益(Gi)和噪聲因數(shù)(Fi)。每個(gè)塊都會(huì)增加噪聲到信號(hào)中，但當(dāng)信號(hào)在前級(jí)電路中被放大時(shí)，后續(xù)塊對(duì)總噪聲因數(shù)的影響會(huì)減弱。接收機(jī)的噪聲系數(shù)可以用式1計(jì)算。式1中的值必須用增益和噪聲因數(shù)(F)的數(shù)值計(jì)算，而不能作為對(duì)數(shù)式噪聲系數(shù)值(單位dB)。這個(gè)簡單級(jí)聯(lián)的噪聲系數(shù)公式的含義在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中是很重要的。

根據(jù)式1，且考慮到5米長同軸電纜的3dB損耗，帶通濾波器的1dB損耗，低噪聲放大器的1dB噪聲系數(shù)和20dB增益，其它部件維持不變，那么噪聲系數(shù)可以從5.1dB(式2)降低到2.14dB(式3)，而且TD-SCDMA接收機(jī)基準(zhǔn)靈敏度有顯著提高。接收機(jī)中使用的AGC電路可以向ADC提供恒定電平的信號(hào)。在WiMAX和3G蜂窩系統(tǒng)等許多寬帶系統(tǒng)應(yīng)用中經(jīng)常用到基于PIN二極管的AGC衰減器。TD-SCDMA接收機(jī)則常采用數(shù)字AGC方法，不用模擬電路，以提供靈活和一致的性能。PIN二極管衰減器用于每個(gè)射頻通道中的模擬衰耗，并受數(shù)字基帶電路的控制。

圖3(a)是一種典型的π型電阻衰減器，其衰耗由式4決定，其中參數(shù)K被定義為輸入到輸出電壓比，Z0代表系統(tǒng)特征阻抗。

對(duì)于常見衰耗值，電阻值為50Ω。根據(jù)π電阻衰減器框圖，在圖3(b)所示電路中使用了4個(gè)PIN二極管。在開關(guān)電路中，PIN二極管的最大和最小值點(diǎn)的電阻特性是被充分利用的。然而在衰減器中使用的是PIN二極管電阻的有限值。這種電路的好處是其對(duì)稱性，允許使用比較簡單的偏置網(wǎng)絡(luò)，并且由于在這種背靠背連接的串連二極管電路中的諧波信號(hào)可以相互抵消而使失真減小。雖然還有其它方法可提供AGC功能，比如改變射頻晶體管放大器增益，但PIN二極管方法通常具有低功耗、寬帶恒定阻抗、寬動(dòng)態(tài)范圍、低頻率牽引和高線性度等特性。

圖3：(a)典型的π型電阻衰減器；(b)采用PIN二極管的衰減器。

圖4：用安捷倫的ADS軟件對(duì)由4個(gè)PIN二極管組成的衰減器進(jìn)行仿真。

利用安捷倫科技公司提供的高級(jí)設(shè)計(jì)系統(tǒng)(ADS)軟件工具套件對(duì)上述AGC電路中使用的PIN二極管衰減器進(jìn)行了計(jì)算機(jī)仿真。仿真得到的動(dòng)態(tài)范圍結(jié)果見圖4。根據(jù)這些仿真得到的動(dòng)態(tài)范圍可達(dá)120dB。雖然衰耗曲線不是線性的，但AGC控制電壓通過基帶算法校正可以達(dá)到有效的線性響應(yīng)。與傳統(tǒng)環(huán)路型AGC電路相比，這種數(shù)字AGC技術(shù)速度更快，更加適合TDD系統(tǒng)。

圖5(a)和5(b)分別是有源天線模塊和多通道射頻接收機(jī)模塊。這種多通道射頻接收機(jī)模塊被集成在尺寸為150x200x20mm的四層電路板上。圖6給出了用安捷倫科技公司的N8975A噪聲系數(shù)分析儀測得的總體接收機(jī)噪聲系數(shù)和同樣是安捷倫科技公司的E4438C信號(hào)發(fā)生器和89600軟件測得的調(diào)制性能。如圖6所示，接收機(jī)噪聲系數(shù)小于2dB，而系統(tǒng)測得的基準(zhǔn)靈敏度為-115dBm。圖7給出了誤差向量幅度(EVM)性能。