TD-SCDMA手机射频前端设计

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时间：2009-07-23
来源：网络
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美信今年一季度开发出商用的TD-SCDMA手机射频套片，为TD-SCDMA的商用化进程立下战功。本文在该公司基于此套片的参考设计基础上，详细探讨了在TD-SCDMA手机射频前端设计中应考虑的一些关键技术问题。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/166924.htm

TD-SCDMA与另外两种第三代移动通信标准相比有四大技术特点：双向智能天线技术、反向链路同步技术、反向联合检测技术、动态信道分配技术，其中双向智能天线技术得益于它收发同频。除四大技术特点外，TD-SCDMA还有终端费用低、运营成本低的优势，终端费用低得益于TDD工作模式；运营成本低得益于收发同频，不需要成对频点。

图1：TD-SCDMA手机射频
单元参考设计功能框图

美信公司新推出的商用TD-SCDMA手机射频套片共有两颗：MAX2507和MAX2392。MAX2507是发射芯片，集成了自模拟I/Q至功放输出的所有电路，主要功能模块有：I/Q正交调制器、混频器、可变增益放大器、功率放大器、射频本振VCO、射频锁相环、中频本振电路、射频功率检波器。MAX2392 是零中频接收芯片，集成了自低噪声放大器至模拟I/Q输出的所有电路，主要功能模块有：低噪声放大器、I/Q正交解调器、可变增益放大器、信道选择滤波器、DC-Offset自动去除电路、I/Q幅度自动校准电路、VCO、锁相环。为方便用户设计，MAXIM还提供有完整的参考设计方案(图1)，该参考设计的有效射频PCB面积为6.6平方厘米，工作在3-3.6V，可直接由单节锂电池供电。

3GPP针对TD-SCDMA终端规定了很多技术指标，这些指标根据其制定的目的可以分作三大类：一是为满足系统自身的需要而设定的指标，如发射机输出功率等级、功率控制精度、最小可控发射功率、发射信号调制精度EVM、接收机灵敏度、最大可接收信号幅度、频率稳准度等；二是为反映系统鲁棒性而设定的指标，如接收机杂散响应指标、抗单音双音干扰指标、接收机邻道选择性指标ACS等；三是为防止该系统对系统自身或其它系统造成干扰而设定的指标，如收发信机杂散辐射指标、发射机邻道功率泄漏ACLR、发射信号频域模板、发射机互调指标等。对于这些指标的详细论述，请参考3GPP相关标准。本文以MAXIM参考设计为例，仅就一些具有挑战性的指标加以讨论。

ACLR指标

ACLR指标是为防止发信机对邻近频点信道造成干扰而设定的指标，它也是衡量发射机非线性失真程度的一个重要指标。TD-SCDMA信号属于非恒包络调制，它的成型滤波器是根升余弦滤波器，滚降系数为0.22，因此当通道存在非线性幅度压缩时，在TD-SCDMA信号频谱两侧会产生新的频谱成份，ACLR指标是指落入邻近信道的信号与主信道信号功率之比。TD-SCDMA标准规定相邻信道ACLR指标应不大于-33dBc，隔一信道该指标应不大于-43dBc，但当泄漏到邻近信道的信号功率小于-55dBm时，可不考虑ACLR指标。MAXIM参考设计在最大发射功率时，邻信道与隔一信道ACLR指标都有较大余量。

MAX2507还有一个特点就是它在小信号发射时，ACLR指标并不是变得非常好，看来是一个缺点，实际上这恰恰是MAXIM工程师在设计MAX2507时的独具匠心之处。MAX2507保证ACLR指标在所有发射功率电平下均能满足标准要求，且有一定余量的同时，根据发射功率大小自适应地调整功放偏置电流，这使得该芯片在实际应用中非常省电。

发射信号频谱模板

发射信号频谱模板与ACLR同是为防止发信机对邻近频点信道造成干扰而设定的指标，同是由通道的非线性幅度压缩而引起的，较ACLR指标相比，该指标更严格一些。ACLR指标只是粗略地规定了再生频谱分量与主信道频谱分量功率之比，而频谱模板则详细规定了再生频谱分量在偏离载波0.8MHz至4MHz范围内的相对大小。如果你测试过一些线性功放，你就会发现有时ACLR指标很好，但却不能满足频谱模板的要求，原因是再生的频谱分量上下两个边带不对称，且边带的形状并不是想象中的3阶、5阶频谱的叠加形状，其形状之所以较理想非线性产物频谱有较大差异，是因为它和非线性器件输入输出匹配有关。虽然MAX2507已设计成50欧姆输入输出阻抗以方便客户使用，但实际应用中MAX2507功放前后的电路并不总是很理想，这样就造成了再生频谱分量的不对称和某些频点处有凸包出现，以至于不能满足频谱模板的要求。为对付该问题，MAXIM在MAX2507内部设计了一个巧妙的电路，通过更改寄存器数值来补偿外部电路的非理想性，从而可以轻松解决该问题。

图2：交叉调制现象举例

发射信号调制精度EVM

EVM是衡量发射机发射信号调制精度的一个重要指标，需注意的是该指标不是简单定义射频信号的调制精度，而是先将射频信号映射到I/Q平面，然后经过匹配滤波器， 再抽样得到离散的I/Q数值，EVM衡量的是该离散I/Q数值的精度。它与射频信号的精度是不一样的，原因是在求离散I/Q数据点时采用了成型滤波器，在频域上看该滤波器可以将带外噪声抑制掉一些，从而提高了调制精度指标。3GPP标准中还指出在测量时，应尽可能地调整解调过程中本振的频率和相位，以及采取所有可能的措施使最终误差最小，这也就是说射频调制信号中有些失真与干扰将不计入EVM值，这些包括射频通道的线性失真、载波泄漏、I/Q正交调制器的移相偏差、正交分量与同相分量幅度的不平衡，这样算下来，影响EVM指标的还有两大因素：相位噪声与非线性产物。方程1是一个简化公式用来估算EVM值。

EQ1

其中，ACLR是指相邻信道的ACLR测量值，Qrms是累积相位误差，9.5是针对TD-SCDMA标准的一个修正值。

为验证方程1是否正确，我们先利用ESG信号源产生简单的QPSK I/Q信号，这里码片速率为 1.28M，成型滤波器为0.22滚降系数的根升余弦滤波器，将该信号加到图1所示参考设计的输入端，调整参考设计配置使其输出功率为21dBm，这时利用FSIQ测得EVM约等于3.5%，邻信道ACLR为-38.5dBc；接下来我们移开ESG信号源，将参考设计的TxI+短接到地，从而在天线端口得到一个正弦波信号，用FSIQ测量该正弦波的相位噪声，最后计算出1kHz-1MHz范围内累积相位噪声约为1.5度。我们将上面测试结果代入方程1式得:

EQ2

比较EVM测量值和计算值，其误差不到一个百分点，可见方程1作为EVM的估算公式还是很有效的。3GPP标准要求EVM指标不大于17.5%，由上面测试结果可以看到图1所示参考设计有很大余量。

接收机灵敏度与NF

接收机灵敏度是一个系统指标，不仅接收机射频通道的性能影响该指标，基带单元的解调算法也会影响该指标，用此指标来直接衡量射频接收机的性能好坏显然不合适。接收机射频通道对小信号的恶化主要是加性白噪声的影响，它反应接收机的噪声系数指标。相位噪声也会影响信号接收质量，但在小信号时相对加性白噪声的影响则微乎其微，故在此不考虑相位噪声的影响。因此当接收机基带单元确定的情况下，接收机灵敏度信号电平则与整机噪声系数有着直接对应关系。3GPP TR 25.945标准指出只要接收机噪声系数不大于9dB，整机就应该满足灵敏度指标(灵敏度电平为-108dBm)要求，这里也暗示了如还有问题，则应该是基带解调的问题，与射频接收机无关。图1所示的参考设计整机噪声系数约为5.7dB，相对9dB的最低要求有3.3dB余量，因此采用该射频套片的手机其整机灵敏度应能达到-111dBm。

接收机非线性指标要求

3GPP TD-SCDMA标准众多指标中有很多与接收机非线性有关，这些指标归纳起来有两类：一类是为防止小信号时强干扰造成性能下降而设定的指标，如阻塞、杂散响应、双音互调；另一类指信号自身幅度太强，这里仅有一个指标就是最大输入信号电平指标。为灵活应对这些指标要求，同时考虑手机的节电要求，MAXIM为接收芯片MAX2392设计了多种工作模式。MAX2392的低噪声放大器有高低两种增益模式，混频器也有两种增益模式，同时混频器的线性度也有两档，这样组合起来MAX2392有四种区别比较明显的模式：HGML、HGHL、MG、LG。HGML指高增益中等线性度模式，这时低噪声放大器处于高增益状态，混频器处于高增益低线性度状态。HGHL指高增益高线性度模式，这时低噪声放大器处于高增益状态，混频器处于高增益高线性度状态。MG指中等增益模式，这时低噪声放大器处于高增益状态，混频器处于低增益状态，与混频器的线性度无关。LG指低增益模式，这时低噪声放大器与混频器都处于低增益状态，与混频器的线性度无关。下面分别就一些具体的非线性指标要求做详细讨论。

a)接收机最大输入信号电平指标。该指标涉及到接收机的两个问题：接收机通道增益控制范围，因为该指标规定了天线端口最大输入信号电平，而灵敏指标规定了最小输入信号电平，我们总希望基带接口处电平恒定，这就要求通道增益控制范围至少大于这两个指标规定的电平之差；该指标牵扯到的另一个射频通道技术指标就是要求通道在如此大的信号电平下不能发生明显的限幅。针对该指标要求，MAXIM建议将MAX2392置为低增益模式。图1所示参考设计在低增益模式下测到输入1dB压缩点为-11.6dBm，而最大输入信号电平为-25dBm，显然可以满足要求。

b)杂散响应与阻塞指标。杂散响应主要是针对超外差接收机提的指标，杂散响应点也称为寄生频道，它是射频本振与中频的组合频率。与一般阻塞相比，当干扰落在这些寄生频道上时，它会对系统造成更大的危害。MAX2392是零中频接收机，所以该问题不明显。阻塞指标又分为频段内阻塞指标与频段外阻塞指标，频段外阻塞指标对系统的影响部分地可由前端射频滤波器解决。阻塞信号对系统的影响有四个方面：倒易混频影响、交叉调制影响、阻塞信号二次项成份的影响、阻塞信号直接透过信道滤波器加到基带单元输入端口造成的影响。倒易混频影响是指干扰信号与本振边带噪声混频产物对系统的影响，它与本振相位噪声指标有关，与通道非线性指标无关，后文再作详细讨论。阻塞信号直接透过信道滤波器造成的影响与信道滤波器的带外抑制特性有关，与通道非线性指标无关，我们也把这个影响放到后面去讨论。

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关键词： 设计 前端 射频 手机 TD-SCDMA 射频
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