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WiMAX射频系统设计方案
[ 通信界 / 维库 / www.cntxj.net / 2011/8/17 18:44:47 ]
 

固定WiMAX 标准基于正交频分复用( OFDM) 技术,使用256 个副载波;该标准支持1. 75~ 28 MHz范围内的多个信道带宽,同时支持多种不同的调制方案,包括BPSK、QPSK、16QAM 和64QAM。

1 主要芯片完成功能

本设备采用超外差时分双工方式来完成设计,在符合WiMAX 标准的射频套片推出之前,成功选用SIGE 公司生产的中频芯片SE7051L10 和Texasinstruments 公司生产的射频芯片TRF2436 来完成设计。中频频率固定为380 MHz,射频频率在5. 725~5. 850 GHz频段内可选。

1.1 SE7051L10

SE7051L10 主要完成功能为:

①在发射时隙内完成I、Q 基带信号上变频为380MHz 的固定中频信号;

②在接收时隙内完成接收的380 MHz 的固定中频信号下变频为零中频的I、Q 基带信号;

③完成合成IF 和RF 所需的LO 功能;其中中频LO 频率为固定的380 MHz;RF 本振频率可选,以便系统工作在期望的工作信道内;

④在发射和接收通道,均内置可变增益放大器,同时Tx 通道具有18 dB 的增益控制范围( 步进6 dB) ,和50 dB TX 增益控制范围( 步进1 dB) ,Rx 通道具有50 dB 的自动增益控制范围。

1.2 TRF2436

TRF2436 完成功能为:

①在发射时隙内完成380 MHz 的固定中频信号上变频到所需的RF 信道频率;②在接收时隙内完成接收的RF 信号放大并下变频为380 MHz 的固定中频信号;③片内内置收发开关、低噪声放大器及开关控制的功率放大器;④ 内置射频本振倍频器。

2 总体设计

由于SE7051L10 与TRF2432 非同一公司套片,需重新设计,主要从以下几点考虑。

中频芯片SE7051L10 产生射频本振,其合成频率范围2 850~ 3 350MHz,若系统选用低本振,要求最低频率为2 672. 5MHz,SE7051L10 无法满足该要求,系统只能选用高本振,高本振要求频率为3 052~ 3 115MHz;选用高本振将导致中频及基带频谱镜像,对点对点系统而言,由于接收下变频将发射的上变频导致的频谱镜像翻转,系统会不留痕迹进行解调;但作为CPE 设备,无法与标准基站对联,采用基带I、Q 信号颠倒连接,巧妙地解决选用高本振导致的频谱翻转,与标准信号源对联,系统工作正常。

SE7051L10 的收发中频为各自独立的差分输入输出,而TRF2436 收发中频为共用的差分输入输出,为解决此问题,选用2 只单端双掷开关,通过收发切换控制信号,将SE7051L10 的收发中频各自独立的差分输入输出切换至TRF2436 要求共用的中频差分输入输出,效果良好。

作为WiMAX CPE 设备,基站为适应不同用户端设备要求,其系统接收增益固定,不具备AGC 功能,为保证接收信号幅度恒定,通过动态调整不同CPE设备的发射功率;因此要求WiMAX CPE 设备发射通道具有超过50 dB 的ALC 控制范围;虽然SE7051L10内置步径1 dB 的50 dB 衰减器,但中频衰减过大,将影响中频信号的信噪比,从而影响系统性能;而TRF2436 是针对802. 11系统开发的,发射通道没有提高系统动态的数控衰减器;为增大系统发射动态,在TRF2436 的射频滤波器后增加一片步径4 dB 总衰减28 dB 数控衰减器。

重新设计SE7051L10 射频本振的环路滤波器,优化射频本振的相位噪声,从而改善发射及接收系统的信号相对矢量误差。

TRF2436 的本振要求100Ω差分输入,本振功率电平0 dBm。通过增加此频段工作的平衡- 不平衡变换的巴仑集成块来解决,巴仑集成块平衡输出阻抗为200Ω差分输出,阻抗不匹配通过四分之一波长阻抗变换器来解决;同时,通过一单片放大器将 SE7051L10 输出本振放大到0 dBm,单片放大器也有利于提高本振的输入输出隔离度。

通过收发通道的预算,合理地完成功放及低噪放设计。

3 系统工作流程

系统采用时分双工工作方式,当基带控制的收发开关信号为高电平时,系统工作在发时隙,基带送出的I、Q 信号经调制、上变频、功率放大和中频、射频滤波后经开关由天线发射至接收端;在接收端,基带控制的收发开关信号此时为低高电平,系统工作在收时隙,接收的射频信号经开关、低噪放、下变频、相应射频、中频滤波,解调出I、Q 基带信号送至基带信号处理单元。

4 主要技术指标的实现与指标分配

4.1 发射功率的实现

由于系统的基带采用OFDM 调制技术,OFDM是无线通信系统中的一项关键技术,是一种多载波传输技术。多载波传输技术相对于单载波传输技术而言有很多优点,例如抗多径干扰,抗突发噪声和有效地克服频率选择衰落。但OFDM 技术的一个主要缺点就是具有很高的峰均功率比( PAPR) ,高的峰值容易引起非线性失真;同时,由于系统采用较高的64QAM 等调制方式,对系统的线性要求较高,针对以上问题,在设计及选用器件时,为保证系统工作在线性区域,所有器件均要求在其P1 dB 回退10 dB 工作。

功放设计的难点主要是末级功放的设计,本系统末级功放选用SIRENZA 公司生产的SZA5044,其输出P1 dB 为29 dBm,功率回退10 dB,其输出线性功率为19 dBm,功放末级有一无源收发开关、抑制谐波分量的低通滤波器及MCX 插座,其插入损耗总和为1. 6 dB,在插座输出口输出的线性功率为17. 4 dBm,满足设备技术指标要求;同时,SZA5044的增益为28 dB,为保证设备技术指标16 dBm 功率输出,SZA5044 输入功率要求- 9 dBm,功放前级的射频开关、数控衰减器及滤波器的插入损耗总和为4. 4 dB,要求TRF2436 的线性功率输出- 4. 6 dBm,TRF2436 其输出P1 dB 为22 dBm,线性功率输出12 dBm,满足技术指标要求。

4.2 发射通道ALC的实现

由于系统针对点对多点设计,基站的AGC 不能工作,基站的接收增益相对固定,为保证系统正常通信,基站端通过测试上行接收基带I、Q 的功率电平,与标准I、Q 的功率电平比较,计算出功率误差,送至用户端,通过软件开环控制用户端上行的发射功率;为保证有足够的动态,以适应衰落的影响,指标规定用户端的ALC 控制范围大于50 dB,步径1 dB。

本系统的ALC 由SE7051L10 提供30dB ALC 控制范围,步径1 dB;同时,数控衰减器提供28 dB 的ALC 控制范围,步径4 dB,在实际应用中,实际测试一ALC 控制表格,按实际衰减量从小到大排列,步径1 dB,通过安捷仑公司的89601 软件实际测量发射功率电平,同时保证在50 dB 的动态范围内,发射的相对矢量误差小于- 31 dB。在正常工作时,基带软件根据当前ALC 控制信号所在控制表格的位置和基站测量的功率误差,动态调整用户端发射功率,保证系统正常工作。

4.3 发射机EVM指标实现

发射机相对矢量误差是衡量发射机综合技术指标之一,由基带I、Q 的正交误差、幅度平衡,本振的相位噪声,混频器和功放( PA) 线性技术指标和系统频偏等决定。针对本射频系统而言,I、Q 的正交误差主要通过PCB 板I、Q 信号走线严格等长来控制;幅度平衡可通过运算放大器的增益控制电阻来调整;由于本射频系统选用TRF2436 作为二次混频的主芯片,混频器集成在芯片内部,无法控制;发射EVM 主要由本地振荡器的相位噪声决定,通过合理选用VCTCXO,优化环路滤波器等措施,保证射频本地振荡器的相位噪声指标满足- 88 dBc@ 1 kHz、- 90 dBc@10 kHz,从而保证TRF2436 输出最终功率0 dBm时,其相对矢量误差达到- 34. 5 dB;对本系统而言,功放的合理设计决定了发射机相对矢量误差。

5小结

如前所述,本系统选用的末级功放,在输出功率为16 dBm 时,其相对矢量误差为2% ( - 34 dB) ,通过计算系统的相对矢量误差为- 32. 5dB,满足技术指标要求。

 

作者:维库 合作媒体:维库 编辑:顾北

 

 

 
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