5.8GHzWiMAX射頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　0 引言

　　固定WiMAX 標(biāo)準(zhǔn)基于正交頻分復(fù)用( OFDM) 技術(shù)，使用256 個副載波； 該標(biāo)準(zhǔn)支持1. 75~ 28 MHz范圍內(nèi)的多個信道帶寬，同時支持多種不同的調(diào)制方案，包括BPSK、QPSK、16QAM 和64QAM。由于信號寬帶及高調(diào)制方式等多項(xiàng)技術(shù)參數(shù)導(dǎo)致射頻設(shè)計(jì)充滿挑戰(zhàn)性。

　　1 主要芯片完成功能

　　本設(shè)備采用超外差時分雙工方式來完成設(shè)計(jì),在符合WiMAX 標(biāo)準(zhǔn)的射頻套片推出之前，成功選用SIGE 公司生產(chǎn)的中頻芯片SE7051L10 和Texasinstruments 公司生產(chǎn)的射頻芯片TRF2436 來完成設(shè)計(jì)。中頻頻率固定為380 MHz，射頻頻率在5. 725~5. 850 GHz頻段內(nèi)可選。

　　1.1 SE7051L10

　　SE7051L10 主要完成功能為：

　?、僭诎l(fā)射時隙內(nèi)完成I、Q 基帶信號上變頻為380MHz 的固定中頻信號；

　?、谠诮邮諘r隙內(nèi)完成接收的380 MHz 的固定中頻信號下變頻為零中頻的I、Q 基帶信號；

　　③完成合成IF 和RF 所需的LO 功能； 其中中頻LO 頻率為固定的380 MHz； RF 本振頻率可選，以便系統(tǒng)工作在期望的工作信道內(nèi)；

　?、茉诎l(fā)射和接收通道，均內(nèi)置可變增益放大器，同時Tx 通道具有18 dB 的增益控制范圍( 步進(jìn)6 dB) ，和50 dB TX 增益控制范圍( 步進(jìn)1 dB) ，Rx 通道具有50 dB 的自動增益控制范圍。

　　1.2 TRF2436

　　TRF2436 完成功能為：

　?、僭诎l(fā)射時隙內(nèi)完成380 MHz 的固定中頻信號上變頻到所需的RF 信道頻率；②在接收時隙內(nèi)完成接收的RF 信號放大并下變頻為380 MHz 的固定中頻信號；③片內(nèi)內(nèi)置收發(fā)開關(guān)、低噪聲放大器及開關(guān)控制的功率放大器；④ 內(nèi)置射頻本振倍頻器。

　　2 總體設(shè)計(jì)

　　由于SE7051L10 與TRF2432 非同一公司套片,需重新設(shè)計(jì)，主要從以下幾點(diǎn)考慮。

　　中頻芯片SE7051L10 產(chǎn)生射頻本振，其合成頻率范圍2 850~ 3 350MHz，若系統(tǒng)選用低本振，要求最低頻率為2 672. 5MHz，SE7051L10 無法滿足該要求，系統(tǒng)只能選用高本振，高本振要求頻率為3 052~ 3 115MHz；選用高本振將導(dǎo)致中頻及基帶頻譜鏡像，對點(diǎn)對點(diǎn)系統(tǒng)而言，由于接收下變頻將發(fā)射的上變頻導(dǎo)致的頻譜鏡像翻轉(zhuǎn)，系統(tǒng)會不留痕跡進(jìn)行解調(diào)；但作為CPE 設(shè)備，無法與標(biāo)準(zhǔn)基站對聯(lián)，采用基帶I、Q 信號顛倒連接，巧妙地解決選用高本振導(dǎo)致的頻譜翻轉(zhuǎn)，與標(biāo)準(zhǔn)信號源對聯(lián)，系統(tǒng)工作正常。

　　SE7051L10 的收發(fā)中頻為各自獨(dú)立的差分輸入輸出，而TRF2436 收發(fā)中頻為共用的差分輸入輸出,為解決此問題，選用2 只單端雙擲開關(guān)，通過收發(fā)切換控制信號，將SE7051L10 的收發(fā)中頻各自獨(dú)立的差分輸入輸出切換至TRF2436 要求共用的中頻差分輸入輸出，效果良好。

　　作為WiMAX CPE 設(shè)備，基站為適應(yīng)不同用戶端設(shè)備要求，其系統(tǒng)接收增益固定，不具備AGC 功能,為保證接收信號幅度恒定，通過動態(tài)調(diào)整不同CPE設(shè)備的發(fā)射功率； 因此要求WiMAX CPE 設(shè)備發(fā)射通道具有超過50 dB 的ALC 控制范圍； 雖然SE7051L10內(nèi)置步徑1 dB 的50 dB 衰減器，但中頻衰減過大，將影響中頻信號的信噪比，從而影響系統(tǒng)性能； 而TRF2436 是針對802. 11系統(tǒng)開發(fā)的，發(fā)射通道沒有提高系統(tǒng)動態(tài)的數(shù)控衰減器； 為增大系統(tǒng)發(fā)射動態(tài),在TRF2436 的射頻濾波器后增加一片步徑4 dB 總衰減28 dB 數(shù)控衰減器。
重新設(shè)計(jì)SE7051L10 射頻本振的環(huán)路濾波器,優(yōu)化射頻本振的相位噪聲，從而改善發(fā)射及接收系統(tǒng)的信號相對矢量誤差。

　　TRF2436 的本振要求100Ω差分輸入，本振功率電平0 dBm。通過增加此頻段工作的平衡- 不平衡變換的巴侖集成塊來解決，巴侖集成塊平衡輸出阻抗為200Ω差分輸出，阻抗不匹配通過四分之一波長阻抗變換器來解決；同時，通過一單片放大器將SE7051L10 輸出本振放大到0 dBm，單片放大器也有利于提高本振的輸入輸出隔離度。

　　通過收發(fā)通道的預(yù)算，合理地完成功放及低噪放設(shè)計(jì)。

　　3 系統(tǒng)工作流程

　　系統(tǒng)采用時分雙工工作方式，當(dāng)基帶控制的收發(fā)開關(guān)信號為高電平時，系統(tǒng)工作在發(fā)時隙，基帶送出的I、Q 信號經(jīng)調(diào)制、上變頻、功率放大和中頻、射頻濾波后經(jīng)開關(guān)由天線發(fā)射至接收端；在接收端，基帶控制的收發(fā)開關(guān)信號此時為低高電平，系統(tǒng)工作在收時隙，接收的射頻信號經(jīng)開關(guān)、低噪放、下變頻、相應(yīng)射頻、中頻濾波，解調(diào)出I、Q 基帶信號送至基帶信號處理單元。系統(tǒng)工作流程如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)工作流程圖
4 主要技術(shù)指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)與指標(biāo)分配

　　4.1 發(fā)射功率的實(shí)現(xiàn)

　　由于系統(tǒng)的基帶采用OFDM 調(diào)制技術(shù)，OFDM是無線通信系統(tǒng)中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，是一種多載波傳輸技術(shù)。多載波傳輸技術(shù)相對于單載波傳輸技術(shù)而言有很多優(yōu)點(diǎn)，例如抗多徑干擾，抗突發(fā)噪聲和有效地克服頻率選擇衰落。但OFDM 技術(shù)的一個主要缺點(diǎn)就是具有很高的峰均功率比( PAPR) ，高的峰值容易引起非線性失真； 同時，由于系統(tǒng)采用較高的64QAM 等調(diào)制方式，對系統(tǒng)的線性要求較高，針對以上問題，在設(shè)計(jì)及選用器件時，為保證系統(tǒng)工作在線性區(qū)域，所有器件均要求在其P1 dB 回退10 dB 工作。

　　功放設(shè)計(jì)的難點(diǎn)主要是末級功放的設(shè)計(jì)，本系統(tǒng)末級功放選用SIRENZA 公司生產(chǎn)的SZA5044，其輸出P1 dB 為29 dBm，功率回退10 dB，其輸出線性功率為19 dBm，功放末級有一無源收發(fā)開關(guān)、抑制諧波分量的低通濾波器及MCX 插座，其插入損耗總和為1. 6 dB，在插座輸出口輸出的線性功率為17. 4 dBm，滿足設(shè)備技術(shù)指標(biāo)要求；同時，SZA5044的增益為28 dB，為保證設(shè)備技術(shù)指標(biāo)16 dBm 功率輸出，SZA5044 輸入功率要求- 9 dBm，功放前級的射頻開關(guān)、數(shù)控衰減器及濾波器的插入損耗總和為4. 4 dB，要求TRF2436 的線性功率輸出- 4. 6 dBm,TRF2436 其輸出P1 dB 為22 dBm，線性功率輸出12 dBm，滿足技術(shù)指標(biāo)要求。

　　4.2 發(fā)射通道ALC的實(shí)現(xiàn)

　　由于系統(tǒng)針對點(diǎn)對多點(diǎn)設(shè)計(jì)，基站的AGC 不能工作，基站的接收增益相對固定，為保證系統(tǒng)正常通信，基站端通過測試上行接收基帶I、Q 的功率電平,與標(biāo)準(zhǔn)I、Q 的功率電平比較，計(jì)算出功率誤差，送至用戶端，通過軟件開環(huán)控制用戶端上行的發(fā)射功率；為保證有足夠的動態(tài)，以適應(yīng)衰落的影響，指標(biāo)規(guī)定用戶端的ALC 控制范圍大于50 dB，步徑1 dB。

　　本系統(tǒng)的ALC 由SE7051L10 提供30dB ALC 控制范圍，步徑1 dB； 同時，數(shù)控衰減器提供28 dB 的ALC 控制范圍，步徑4 dB，在實(shí)際應(yīng)用中，實(shí)際測試一ALC 控制表格，按實(shí)際衰減量從小到大排列，步徑1 dB，通過安捷侖公司的89601 軟件實(shí)際測量發(fā)射功率電平，同時保證在50 dB 的動態(tài)范圍內(nèi)，發(fā)射的相對矢量誤差小于- 31 dB。在正常工作時，基帶軟件根據(jù)當(dāng)前ALC 控制信號所在控制表格的位置和基站測量的功率誤差，動態(tài)調(diào)整用戶端發(fā)射功率,保證系統(tǒng)正常工作。

　　4.3 發(fā)射機(jī)EVM指標(biāo)實(shí)現(xiàn)

　　發(fā)射機(jī)相對矢量誤差是衡量發(fā)射機(jī)綜合技術(shù)指標(biāo)之一，由基帶I、Q 的正交誤差、幅度平衡，本振的相位噪聲，混頻器和功放( PA) 線性技術(shù)指標(biāo)和系統(tǒng)頻偏等決定。針對本射頻系統(tǒng)而言，I、Q 的正交誤差主要通過PCB 板I、Q 信號走線嚴(yán)格等長來控制；幅度平衡可通過運(yùn)算放大器的增益控制電阻來調(diào)整； 由于本射頻系統(tǒng)選用TRF2436 作為二次混頻的主芯片，混頻器集成在芯片內(nèi)部，無法控制； 發(fā)射EVM 主要由本地振蕩器的相位噪聲決定，通過合理選用VCTCXO，優(yōu)化環(huán)路濾波器等措施，保證射頻本地振蕩器的相位噪聲指標(biāo)滿足- 88 dBc@ 1 kHz、- 90 dBc@10 kHz，從而保證TRF2436 輸出最終功率0 dBm時，其相對矢量誤差達(dá)到- 34. 5 dB；對本系統(tǒng)而言，功放的合理設(shè)計(jì)決定了發(fā)射機(jī)相對矢量誤差。

　　如前所述，本系統(tǒng)選用的末級功放，在輸出功率為16 dBm 時，其相對矢量誤差為2% ( - 34 dB) ，通過計(jì)算系統(tǒng)的相對矢量誤差為- 32. 5dB，滿足技術(shù)指標(biāo)要求。

　　4.4 接收靈敏度及接收AGC設(shè)計(jì)

　　接收機(jī)靈敏度是反應(yīng)接收系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)之一，對802. 16d 系統(tǒng)而言，接收機(jī)的靈敏度在系統(tǒng)誤碼率不小于10- 6情況下，應(yīng)按如下公式計(jì)算( 假定有5 dB 的余量和7 dB 的噪聲系數(shù)NF) ，R ss =- 10+ SNRrx + 10Log ( ( Fs * 200 ) / 256) 。采用3. 5 MHz帶寬，這里的Fs = 3. 5* 8/ 7，SNRrx 為系統(tǒng)解調(diào)歸一化信噪比，對64QAM- 3/ 4 而言，其歸一化信噪比要求為24. 4 dB。通過計(jì)算，其接收機(jī)靈敏度為- 72. 6 dBm。從以上公式可以看出，合理設(shè)計(jì)低噪聲放大器，減低系統(tǒng)的噪聲系數(shù)，可以提高系統(tǒng)的接收機(jī)靈敏度指標(biāo)；本射頻系統(tǒng)的低噪聲放大器選用安捷侖公司生產(chǎn)的MGA71543 和MGA72543 來完成低噪聲放大器設(shè)計(jì)，增益50 dB，考慮接插件、開關(guān)及濾波器的插入損耗，系統(tǒng)噪聲系數(shù)4 dB，比公式7 dB噪聲系數(shù)改善3 dB，相應(yīng)提高接收機(jī)靈敏度3 dB，優(yōu)于該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的要求。

　　整個系統(tǒng)提供的接收機(jī)AGC 控制范圍為90 dB，其中中頻增益控制范圍為50 dB ，TRF2436 增益控制范圍為16 dB，數(shù)控衰減器28 dB，總計(jì)94 dB。

　　5 設(shè)備特點(diǎn)

　　該設(shè)備具有如下特點(diǎn):

　?、俚统杀?。由于選用的是高集成，大批量的通信集成塊完成設(shè)計(jì)，大批量生產(chǎn)時，整機(jī)成本幾十美元；② 高性能。點(diǎn)對點(diǎn)測試時，信道帶寬3. 5 MHz接收機(jī)靈敏度- 75 dBm ( 64QAM - 3/ 4 ) ，優(yōu)于802. 16d協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)2 dB；③結(jié)構(gòu)簡單。由于系統(tǒng)選用TDD 模式工作，無須過分考慮收發(fā)隔離，整機(jī)收發(fā)在同一塊PCB 板上完成，收發(fā)之間不需要增加屏蔽盒；也不須增加改善收發(fā)隔離的雙工器； ④ 調(diào)試、安裝、維修方便。由于選用的器件均為內(nèi)匹配的器件，一致性好，只要器件安裝正確，工藝不出差錯，幾乎為免調(diào)試產(chǎn)品。整機(jī)重量輕，安裝方便；維修時能迅速定位故障點(diǎn)。

　　6 結(jié)束語

　　該設(shè)計(jì)于2007 年8 月向國家知識產(chǎn)權(quán)局申請發(fā)明專利，已審?fù)ㄟ^，專利號200710023309. 2。由該設(shè)備組成的系統(tǒng)，在安徽省電力通信公司、合肥供電局傳輸變壓器工作狀態(tài)數(shù)據(jù)和KP 所工作狀態(tài)數(shù)據(jù)；系統(tǒng)采用點(diǎn)對點(diǎn)測試，兩點(diǎn)之間在部分遮擋通信距離5 km 情況下，進(jìn)行上下行鏈路數(shù)據(jù)傳輸，其流量及Ping 包測試均符合WiMAX 標(biāo)準(zhǔn)要求； 同時雙向傳輸電影圖像無失真、聲音清晰，系統(tǒng)工作穩(wěn)定。