??? 摘? 要: TD-SCDMA射頻收發信機的開發背景和主要特性參數,介紹了系統設計中的中頻選取、芯片選擇和指標分析等問題。闡述了用 Maxim套片設計、實施TD-SCDMA終端射頻收發信機的方案,給出了方案的整體測試結果和結論。?
??? 關鍵詞: TD-SCDMA? 射頻收發信機 Maxim套片
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1 TD-SCDMA射頻收發信機的研發背景和主要特性參數?
??? 我國現在擁有世界上最大的高速發展的GSM移動通信網,由第二代GSM系統向第三代系統平滑過渡將是我國邁入3G移動通信的必然選擇。TD-SCDMA(時分雙工同步碼分多址)是我國提出的具有自主知識產權的第三代移動通信空中接口標準,在提出標準之后自主研發設計TD-SCDMA/GSM演示系統將具有非常重要的意義。?
??? 在TD-SCDMA/GSM終端研制中,GSM模部分已經有非常成熟的方案和豐富的半導體芯片支持,而TD-SCDMA模部分則是一個全新的內容。大唐電信中央研究院和重慶郵電學院移動通信中心聯合成立了研發組,投入了TD-SCDMA/GSM雙模終端的研究,目前已經取得階段性成果。在這個項目中,TD-SCDMA射頻收發信機在整個系統中占有非常重要的地位,如何經濟有效地實現TD-SCDMA射頻收發信機是整個終端項目成功的關鍵因素之一。?
??? 根據CWTS起草的TS C401標準文檔,可列出TD-SCDMA射頻收發信機的主要特性參數(見表1)。?
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2 系統設計?
??? 在這一部分,將根據TD-SCDMA射頻收發信機要求和現有的半導體芯片水平,論述基于Maxim套片的TD-SCDMA射頻收發信機方案。?
2.1 中頻選擇?
??? TD-SCDMA模射頻收發信機采用傳統的超外差式結構,參考時鐘源選用GSM手機中普遍選用的13MHz VTCXO,根據TD-SCDMA系統標準要求選擇頻率合成器的鑒相頻率為200kHz。在設計射頻收發信機時,中頻(IF)的選取十分重要,它在一定程度上決定著系統的一些性能指標,如信噪比、誤碼率等。中頻的選取原則是:各種交調產物不能落在RF或IF頻帶內;各種數字干擾不能落在有用信號頻帶內,這些數字干擾主要包括基帶信號傳輸高次諧波的干擾、ADC工作時鐘高次諧波的干擾、中頻本振高次諧波的干擾等。模擬中頻存在半中頻響應。半中頻響應的特點是:中頻選取得越高,半中頻產物對頻帶內信號產生干擾的可能性就越小。從這個角度來說,中頻選得大一些比較好。然而目前中頻器件(如聲表面波濾波器)的工作頻率都不是太高,在選取中頻時應處理好這對矛盾。?
??? 經仔細分析權衡,我們把中頻取在264MHz。這樣,所需要的射頻本振信號就為2274～2289MHz。這里確定的頻率范圍指標將是選取芯片時首先應該考慮的因素。?
2.2 芯片的選取?
??? 現在還沒有專門為TD-SCDMA射頻收發信機設計的芯片。然而,世界各主要芯片供應商針對IS95 CDMA和W-CDMA射頻收發信機設計了一系列芯片,例如RF公司、ADI公司、Philip公司、Maxim公司等。IS95 CDMA和W-CDMA射頻收發信機特性指標與TD-SCDMA存在許多相似和相近之處。基于這種情況,我們在設計TD-SCDMA收發信機時選擇芯片的總體思路是:從支持IS95 CDMA和W-CDMA的芯片中挑選能夠滿足TD-SCDMA各項指標的芯片。芯片挑選所考慮的是:首先芯片工作的頻帶應該滿足標準的要求;然后是芯片的主要指標(如輸入信號電平范圍、輸入IP3、輸入1dB壓縮點、動態范圍、線性度等)是否基本滿足要求;最后就是將初選的芯片接入,分別就接收通路和發射通路進行指標分析,確定所選芯片是否滿足要求。?
??? 經過選擇,最終形成本文介紹的基于Maxim套片的方案。?
2.3 Maxim套片及其特點?
??? Maxim套片指Maxim公司于2000年初推出的完整的雙頻CDMA射頻收發信機芯片組MAX232x/MAX231x/MAX236x。該組芯片覆蓋了從天線到基帶的整個射頻信號通道,同時也適用于包括GSM在內的2G標準。基于Maxim套片的收發信機采用了一級中頻的超外差接收結構。Maxim套片有如下顯著特點:?
??? 首先,Maxim套片將復雜的射頻收發信機電路按功能模塊集成為三大部分:射頻接收前端(以MAX232x為核心)、中頻處理單元(以MAX231x為核心)和射頻發射單元(以MAX236x為核心)。這樣就大大簡化了產品研發設計和功能驗證測試,縮短了產品開發周期。由于高集成度和專門針對CDMA而設計,Maxim套片具有很大的動態范圍和很高的線性度指標,適合TD-SCDMA射頻收發信機的要求。?
??? 其次,Maxim套片將帶通濾波器等器件放到了片外,這樣就能適應各種2G/3G標準要求的頻帶差別,并能靈活地選取中頻等參數。Maxim套片統一采用了I/Q調制和解調方式,并最大限度地滿足了各種3G標準的線性要求,適合于GMSK、QPSK、OQPSK、HPSK等不同調制方式的要求。因此,Maxim套片可用于開發各種3G樣機,并能根據各種標準的要求進一步優化。?
??? 再者,MAX232x芯片采用了SiGe(鍺化硅)工藝,這種工藝能夠在減小供電電流的同時提高低噪聲放大器的線性并進一步減小噪聲系數。這一特點對于接收機的指標非常重要,它還意味著能夠顯著減小收發信機的守候電流,從而延長終端的待機時間。?
2.4 Maxim方案框圖?
??? Maxim套片方案采用MAX2322、MAX2312和MAX2362為主要器件實現,其功能框圖如圖1所示。?
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2.4.1 發射通路?
??? 發射通路以MAX2362為核心,MAX2362是該方案中集成度最高的芯片,它集成了I/Q調制器、上變頻器、功放預放、中頻VCO和中頻/射頻鎖相環,覆蓋了從基帶到射頻的整個發射通道。基帶I/Q輸入信號經過正交調制到中頻并通過可變增益放大器放大,然后經過片外中頻濾波器濾波后上變頻到射頻,并進一步放大。中頻/射頻兩個鎖相環都以13MHz VTXO作為參考時鐘信號,基帶通過三總線(DATA、CLK、ENB)編程控制兩個鎖相環的分頻數據和寄存器數據。中頻鎖相環除了環路濾波器和調諧回路都集成到了MAX2362內部,射頻鎖相環需要一個外部VCO。?
??? MAX2362能夠提供的中頻范圍為120～300MHz,滿足我們選擇的264MHz的要求;可適應的射頻本振信號范圍為1400～2300MHz,滿足所需的2274～2289MHz的要求;通過中頻增益和射頻增益控制,MAX2362可提供的線性增益動態范圍為85dBm,優于要求的80dBm發信機線性增益動態范圍;MAX2362線性輸出功率達到7dBm(ACPR=-54dBm),這樣就為末級功放輸出最大功率30dBm和ACLR≤-33dBc創造了條件。?
2.4.2 接收射頻通路?
??? 接收射頻通路以MAX2322為核心,MAX2322集成了低噪聲放大器(LNA)和混頻器(Mixer)。從天線接收的射頻信號經過帶通濾波、放大、混頻后轉化為中頻信號。隨著第三代移動通信速率和帶寬的提高,對LNA和下變頻器的動態特性提出了更高的要求。MAX2322采用了SiGe工藝,在減小噪聲系數、提高增益、提高輸入三階交調截上點(IIP3)的同時減小了電流消耗,非常適合TD-SCDMA的接收要求,是一款技術含量很高的芯片。?
??? MAX2322能夠適應的射頻本振信號頻率范圍為1600～2300MHz,滿足所需要的2274～2289MHz的要求;在所選用的高增益高線性模式下,LNA噪聲系數為1.7dB,屬于我們所評估的芯片中指標最好的,優于系統要求;最值得稱道的是,LNA和Mixer輸入三階交調截止點(IIP3)分別為7dBm和4dBm,這樣的線性遠遠高于我們的系統要求。?
2.4.3 接收中頻通路?
??? 接收中頻通路以MAX2312為核心,從MAX2322出來的中頻信號經過帶通濾波以后進入MAX2312,MAX2312將接收到的信號進行放大,并進行I/Q解調下變頻到基帶。和MAX2362類似,MAX2312也帶有一個有中頻VCO的鎖相環,在我們的設計中將其旁路掉,而采用了收發共用MAX2362的中頻鎖相環的思想。這樣,一方面簡化了設計;另一方面由于減少了一個VCO,也就減小了射頻電路信號間的相互干擾。?
??? MAX2312能夠適應67MHz～300MHz的輸入信號,滿足我們的頻率要求;線性增益動態范圍為大于110dBm,優于我們要求的80dBm線性增益動態范圍;在其它方面,如MAX2312的I/Q信號平衡度指標優于我們評估的其它芯片。?
2.5 方案各級指標的分析?
??? 標準給出的是收發信機的整體指標,而器件商給出的是特定條件下的器件指標,二者的側重點不同。在設計射頻收發信機時,往往需要結合當前器件和標準要求對各項射頻指標進行分析,以此確定芯片適用與否,并進一步確定射頻收發信機的各級相關參數。這步工作不僅是選取芯片的重要步驟,而且對射頻收發信機的設計、調試都有一定的指導意義。射頻收信機的指標分析包括:電平及接收動態范圍特性分析、鄰道選擇性(ACS)分析、抗阻塞特性分析和互調響應特性分析;射頻發信機的指標分析包括:電平及輸出功率動態分析和射頻發信機線性分析。分析結果用指標分析曲線圖表示。限于篇幅,這里不再對此詳細介紹。?
??? 對Maxim套片方案的各項指標分析結果表明,Maxim套片方案各項指標均達到或超過系統要求。?
3 整體測試結果及結論?
??? 表2是我們對Maxim套片方案TD-SCDMA主要特性參數指標的測試結果。?
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??? 與表1相對照可以看出,Maxim套片方案主要性能指標均優于系統要求。?
??? Maxim套片TD-SCDMA射頻收發信機解決方案體現了射頻前端收發信機的集成化趨勢,與分立元件解決方案相比,大大簡化了設計,縮短了產品研發周期。在今后的改進方案中,我們將利用Maxim套片其它系列的雙模特性開發出自己的TD-SCDMA/GSM雙模終端射頻收發信機,進一步簡化設計和終端體積。?
參考文獻?
1 CWTS:C401 Radio Transmission and Reception,V3.20.http://www.cwts.org ?
2 3GPP: TR 25.945 RF Requirements for 1.28Mcps?UTRA TDD Option,V2.00. http://www.3GPP.org?
3 3GPP: TR 25.942 RF System Scenarios,V2.2.1.http://www.3GPP.org?
4 王險峰. WCDMA手機關鍵射頻指標分析.上海:第三屆中國無線電技術研討會及展覽會,2000.8