基站射頻收發(fā)信機(jī)指標(biāo)分解

1、美信Maxim技術(shù)文檔基站收發(fā)信機(jī)設(shè)計，以WCDMA為例進(jìn)行講解基站收發(fā)信機(jī)射頻前端指標(biāo)分解和設(shè)計。雖然文檔以WCDMA為例進(jìn)行講解，但寬帶收發(fā)信機(jī)射頻前端原理基本一致，因此適用于LTE等其他制式的設(shè)計。以下為學(xué)習(xí)筆記和總結(jié)。1. 接收機(jī)接收機(jī)主要射頻指標(biāo)包括Reference Sensitivity Level，Adjacent Channel Selectivity（ACS），Blocking（In-Band和Out-of-Band），Receiver Inter-modulation。其中帶內(nèi)blocking指標(biāo)和ACS分析類似，考量的都是工作帶內(nèi)信道外干擾信號對接收機(jī)影響的分析，因此B

2、olcking指標(biāo)支隊Out-of-band指標(biāo)進(jìn)行了講解和說明。1.1 Reference Sensitivity Level接收機(jī)的最小可接收電平（接收機(jī)靈敏度）= -174dBm/Hz + 10logBW + NF + Eb/N01. Eb/No由基帶解調(diào)能力決定，與射頻前端無關(guān)；2. BW由無線系統(tǒng)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)定義；3. -174dBm/Hz及總的熱噪聲；因此針對某一無線系統(tǒng)設(shè)計，靈敏度指標(biāo)的分解即根據(jù)協(xié)議靈敏度指標(biāo)要求來設(shè)計接收機(jī)的噪聲系數(shù)（Noise Figure）要求，以保證滿足靈敏度指標(biāo)允許的最大輸入噪聲（總噪聲，包括輸入熱燥和引入的系統(tǒng)噪聲）上圖說明如下：Step1：系統(tǒng)要求靈敏

3、度指標(biāo)為-121dBm/3.84MHz；Step2：Eb/No = 5dB 不考慮編碼增益允許的總輸入噪聲=-121dBm 5dB = -126dBmStep3：12.2Kbps數(shù)據(jù)速率到3.84Mcps碼片速率的擴(kuò)頻增益為：10*log(3.84M/12.2K) 25dB，考慮擴(kuò)頻增益后總的輸入噪聲要求為-101dBm；Step4：3.84MHz帶內(nèi)總的熱噪聲 = -174dBm + 10log3.86MHz/1Hz = -108.1dBm所以為滿足靈敏度指標(biāo)要求，系統(tǒng)接收機(jī)連續(xù)噪聲系數(shù)需要 -101dBm+108.1dBm =7.1dB接收機(jī)的其他指標(biāo)都是基于靈敏度指標(biāo)滿足設(shè)計要求為前提。

4、因此設(shè)計首先要滿足靈敏度指標(biāo)要求，再在此基礎(chǔ)上進(jìn)行其他指標(biāo)的分解和設(shè)計。而對于接收機(jī)靈敏度指標(biāo)的射頻前端設(shè)計就是系統(tǒng)分解下來NF指標(biāo)的設(shè)計。Note：Noise FigureSNR = Ps/PiF = SNRin/SNRout (1正無窮) Noise Factor噪聲因子NF(dB) = 10logF （0正無窮）Noise Figure噪聲系數(shù)，Noise Factor的dB形式；1.2 Adjacent Channel Selectivity (ACS)ACS和帶內(nèi)阻塞指標(biāo)分析類似，考量的是接收頻帶內(nèi)存在大的干擾信號時接收機(jī)的接收能力。該指標(biāo)主要通過上行信道成型濾波器、接收通道增益線性

5、范圍以及AGC功能來保證。這里以ACS為例進(jìn)行指標(biāo)分解進(jìn)行說明。Step1：協(xié)議要求允許領(lǐng)導(dǎo)干擾惡化靈敏度6dB，即鄰道干擾需要滿足-115dBm有用信號下得BER要求；Step2：基帶解調(diào)門限Eb/N0 （5dB） -120dBm；Step3：25dB擴(kuò)頻增益 -95dBm；Step4：扣除靈敏度指標(biāo)下信道內(nèi)輸入總噪聲-101dBm -95dBm（3.16E-13W）- -101dBm（7.94E-14W）= 2.36795E-13W（-96.2563dBm），即扣除系統(tǒng)噪聲外允許引入的其他噪聲功率 Step5/6：協(xié)議要求的最大鄰道干擾電平-52dBm-52dBm 96.3dBm = 44

6、.3dB，即，鄰道最小抑制比。 以上分析沒有考慮大的干擾信號下，接收通道非線性失真的影響。實(shí)際設(shè)計中需要針對系統(tǒng)要求的接收信道要求的信號接收功率動態(tài)范圍（混頻器，ADC等器件的指標(biāo)考慮鏈路增益設(shè)計-AGC，以及增益變化對接收鏈路NF的影響）1.3 Out-of-Band Blocking帶外阻塞抑制和ACS/In-band blocking指標(biāo)分析方法一樣。只是帶外阻塞指標(biāo)要求干擾電平更高。對于基站接收機(jī)來說，帶外干擾信號在進(jìn)入接收機(jī)后首先經(jīng)過了腔體濾波器/雙工器對帶外干擾進(jìn)行了一次抑制。系統(tǒng)設(shè)計需要根據(jù)講帶外抑制指標(biāo)分解給濾波器設(shè)計規(guī)格。對于co-location指標(biāo)，也是帶外的阻塞干擾信號

7、的一種更嚴(yán)格的應(yīng)用場景，是較常規(guī)阻塞更嚴(yán)格的一種情況。1.4 Receiver Inter-modulation接收機(jī)互調(diào)是考量天線口存在兩個干擾信號時，其互調(diào)產(chǎn)物如果落在信道內(nèi)時會煩擾接收機(jī)接收有用信號。Step14：同1.2；Step5：干擾信道電平-48dBm；Step6：IM3產(chǎn)物不能大于-96.3Bm，即IM3相對-48dBm干擾信號電平為：48.3dB；Step7：天線IIP3 = IM3/2 + P_干擾信號 = 48.3dB/2 48dBm = -23.9dBm針對接收機(jī)互調(diào)指標(biāo)，協(xié)議對干擾信號的類型和干擾信號相對載波位置進(jìn)行了明確的定義，以保證測試可考量性。1.5 Recei

8、ver設(shè)計架構(gòu)1.5.1 接收機(jī)設(shè)計架構(gòu)介紹當(dāng)前基站接收機(jī)一般采用ZIF設(shè)計結(jié)構(gòu)或一次下變頻中頻欠采樣架構(gòu)（數(shù)字與在將中頻下變頻到基頻）目前基于RFIC的LTE基站接收機(jī)基本采用ZIF方案。優(yōu)點(diǎn)：ZIF大大簡化了接收機(jī)射頻鏈路設(shè)計，節(jié)省了產(chǎn)品體積。ADC工作低頻，可以提供更有的性能。頻率規(guī)劃簡單，無需鏡像抑制。缺點(diǎn)：基帶直流失調(diào)降低了系統(tǒng)的總體動態(tài)范圍；對鏡頻抑制的需求，使得多載波應(yīng)用中所能容許的I/Q失配非常??；偶次諧波失真降低了靈敏度；低輻射對LO泄漏指標(biāo)的要求更加苛刻；動態(tài)范圍低于其它結(jié)構(gòu)。該架構(gòu)的接收機(jī)設(shè)計，是在模擬域通過混頻器先將射頻信號下變頻到中頻，在中頻對接收信號進(jìn)行采樣和數(shù)字化

9、，然后在數(shù)字域再通過DDC（Digital Down Conversion）模塊將中頻信號變換到基帶頻率。該設(shè)計架構(gòu)較ZIF的頻點(diǎn)規(guī)劃少復(fù)雜一些，需要考慮半中頻、鏡像等信號的影響合理的選在本振模式和中頻頻點(diǎn)，而且對ADC的性能要求更高，但是相對ZIF架構(gòu)有更高的動態(tài)范圍。1.5.2 ZIF鏡像抑制介紹負(fù)頻率概念？負(fù)頻率信號的物理意義和采樣？1.6 ADC指標(biāo)分析1.6.1 RF前端增益確定1. 確定系統(tǒng)噪聲系數(shù)如1.1分析，WCDMA系統(tǒng)NF7.1dB即可滿足協(xié)議要求的靈敏度指標(biāo)要求。為了保證更優(yōu)的指標(biāo)和設(shè)計余量，NF設(shè)計指標(biāo)定位4dB（NFsys），假設(shè)ADC對系統(tǒng)噪聲系數(shù)影響為0.5dB，

10、模擬電路總的噪聲系數(shù)為3.5dB（RF前端NF1）。ADC的參數(shù)如下：基于以上ADC參數(shù)，其等效噪聲系數(shù)NF2如下：如下圖示，確定RF前端的增益PG1和ADC的等效噪聲系數(shù)NF2（27.2dB，ADC自身底噪相對于熱噪聲）。2. RF前端增益PG1確定增益計算公式如下：1.6.2 無阻塞條件下天線口和ADC口功率對應(yīng)關(guān)1.6.3 ADC阻塞信號電平對RF前端增益要求ADC輸入端的最高阻塞信號電平（工作頻帶內(nèi)和工作頻帶外）；阻塞電平分析時需要考慮余量（ADC滿量程電平和ADC最大輸入端電平差），通常我們不希望阻塞信號的峰值電平高于ADC滿量程電平。假設(shè)預(yù)留7dB余量，天線口阻塞電平為-30dBm

11、，計算從天線口到ADC輸入口的增益PG1：= FS 7dB 阻塞信號電平 FS為ADC滿量程輸入電平Full-scale= +4dBm 7dB (-30dBm) = 27dB, 或從33dB標(biāo)稱增益降低6dB如果接收機(jī)鏈路（包括ADC）的動態(tài)不能滿足設(shè)計要求時，需要通過AGC功能實(shí)現(xiàn)大小信號下接收機(jī)性能。從在阻塞時電路噪聲和失真會惡化系統(tǒng)噪聲系數(shù)：2. 發(fā)射機(jī)發(fā)射機(jī)主要性能要求：1. 信號質(zhì)量（EVM）2. 雜散輻射產(chǎn)物（ACLR，SEM）2.1 Transmitter設(shè)計架構(gòu)介紹2.2 可能出現(xiàn)的問題 噪聲底 交調(diào)/ 鄰道泄漏抑制 LO 泄漏 鏡像邊帶2.3 IMD和ACLR1. 對寬帶無線

12、系統(tǒng)，IMD不僅影響ACLR，還影響EVM。對ACLR的影響更大。OIP3是關(guān)鍵參數(shù)，Third Order Intercept Point(IP3). OIP3 = IM/2 + Po2. 降低輸出功率可以改善ACLR，但最終收底噪限制；3. 利用3階交調(diào)OIP3簡單估算ACLRPt = 包括所有載波的總輸出功率，利用兩個單頻載波在每載波輸出功率為(Pt - 3dB) 狀態(tài)下推算的IM3值可以估算： 單載波ACLR = | IM3 | -3 dB 雙載波ACLR = | IM3 | - 9 dB4載波及以上ACLR = | IM3 | - 12dB估算中未計及噪聲底2.4 LO Leakage修正辦法改變基帶I，Q信號中的DC偏移 需要較高的DAC分辨率有源對消電路反饋環(huán) 此部分是數(shù)字預(yù)失真控制環(huán)路的一部分2.5 Image suppression修正辦法調(diào)節(jié)I/Q輸入的幅度和相位偏 需要較高的DAC分辨率設(shè)置一個固定的偏移量作一