基于WiMAX技術的5.8G無線專網(wǎng)射頻系統(tǒng)設計

WiMAX作為一項無線城域網(wǎng)技術，同當前的3G以及WIFI相比，在帶寬、覆蓋范圍及數(shù)據(jù)率上具有明顯的優(yōu)勢，且具有維護成本低、架設方便、建設成本低等特點。對于這樣一種新興且富有前途的無線通信技術，國內(nèi)已經(jīng)進行研發(fā)的機構和企業(yè)總體來說卻仍然較少，市場上可以見到的基本上都是境外產(chǎn)品，價格也較高。研制開發(fā)無線局域網(wǎng)產(chǎn)品對于促進我國無線局域網(wǎng)的發(fā)展具有重要的意義。但作為一項新技術，射頻技術設計具有相當?shù)碾y度，尤其是5.8G頻段，對于功放的線性度、低噪放的噪聲指標以及頻率源的相位噪聲指標都提出了很高的要求，我們設計的基于WiMAX技術5.8G無線專網(wǎng)射頻系統(tǒng)，主要采用0402封裝器件貼裝，與基帶電路聯(lián)系便利。

1 射頻收、發(fā)系統(tǒng)工作原理

射頻收、發(fā)系統(tǒng)作用是為基帶I，Q信號提供一個無線的收發(fā)通道。在發(fā)射時隙，基帶I，Q信號通過兩次混頻，一中頻為固定的380 MHz，二中頻本振頻率可變，以使射頻工作在期望的信道內(nèi)，變頻后的射頻信號經(jīng)濾波、功率放大后，由天線發(fā)送至遠端；在接收時隙，天線接收的遠端傳來的信號，經(jīng)低噪聲放大后，通過兩次混頻，在接收AGC的控制下，等幅度地送至基帶處理板。

射頻模塊直接通過125芯的插座與基帶板相連，與基帶板連接信號通過125芯的插座傳輸，射頻信號通過MCX連接器安裝于PCB板上，并直接輸出到收發(fā)天線。

2 射頻收發(fā)模塊

2.1 高集成度芯片

選用頂級公司中頻芯片與射頻芯片作為本無線射頻系統(tǒng)集成度極高的解決方案。這些芯片由IF與RF收發(fā)器組成，支持4.9～5.9 GHz空中接口頻帶。該芯片組可通過復雜的I／Q接口支持系統(tǒng)工作在TDD模式。此款高度集成的芯片可縮小空間，不僅有助于簡化設計，而且還能節(jié)約材料清單(BOM)成本。中頻芯片具有低噪聲、高線性的特點只需要一個中頻濾波器，同時還包含兩個中頻和射頻頻率合成器，一個高速的數(shù)字可變增益放大器，其增益控制范圍達50 dB。

中頻芯片功能：在發(fā)射時隙內(nèi)完成I／Q基帶信號上變頻為380 MHz的固定中頻信號；在接收時隙內(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。

射頻芯片功能：在發(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；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。

2.2 線性功率放大器

在數(shù)字微波通信系統(tǒng)中，功放的非線性失真對信號傳輸質(zhì)量影響極大，在高階QAM調(diào)制系統(tǒng)中，臨界情況下功放的三階交調(diào)系數(shù)變壞1 dB，誤碼率將惡化80％。在本系統(tǒng)中，采用功率倒退法改善系統(tǒng)的三階交調(diào)系數(shù)，功放工作在末級功放的P1dB輸出功率以下10 dB(考慮收發(fā)開關及射頻濾波器1.6 dB的插損)，當系統(tǒng)最大發(fā)射功率要求為16 dBm時，末級功放的P1dB至少應為28 dBm。我們選用高效的線性功放，輸出功率為21.5 dBm時，EVM為3％，此指標對于發(fā)射機的發(fā)射星座誤差指標起決定性作用，整個發(fā)射系統(tǒng)的EVM指標要求見表1。

2.3 接收靈敏度及接收AGC控制

接收機靈敏度是接收系統(tǒng)的重要技術指標，對802.16d系統(tǒng)而言，其接收機靈敏度可通過以下公式來計算：

Rss=-102+SNRrx+10Log((Fs*200)／256)

對3.5 MHz帶寬而言，這里的Fs=3.5*8／7

SNRrx為系統(tǒng)解調(diào)歸一化信噪比要求，對64QAM-3／4而言，其歸一化信噪比要求為24.4 dB。

通過計算Rss=-72.6 dBm。

接收機靈敏度與噪聲系數(shù)之間滿足關系式：

Rss=-174 dBm+101g BW+NF

因此要滿足上述的接收靈敏度要求，在帶寬確定的條件下必須使接收機的NF足夠小。我們選用的LNA噪聲系數(shù)優(yōu)于1.7dB，完全滿足指標要求。

SS的接收靈敏度要求如表2所示(BER≤10-6)。

在通信系統(tǒng)中，接收機都要用到自動增益控制(AGC)電路來提高接收機的動態(tài)控制范圍，使強輸入信號不至于使接收機飽和而產(chǎn)生很大失真，小信號不至于使接收機解調(diào)器檢測不到而完全丟失，即為系統(tǒng)提供適當?shù)脑鲆婧途€性度而滿足接收靈敏度的要求。

在本系統(tǒng)中，最大正常接收電平不小于-30 dBm，同時應保證接收系統(tǒng)在0 dBm的輸入信號時，系統(tǒng)不至于損壞；最小接收電平(即調(diào)制方式為BPSK時的接收機靈敏度)-91 dBm，AGC控制范圍91 dB。接收增益控制采用三級增益控制方案：第一級在LNA處，兩級LNA均具有旁路開關功能，可以將電流設置到0，并實現(xiàn)最小的插入損耗。當接收到大信號時，旁路模式可調(diào)整動態(tài)的接收增益范圍達26 dB以上；第二級在5.8 GHz的射頻信號處，射頻芯片中含有15 dB的增益控制范圍；第三級在380 MHz中頻信號處，中頻芯片中帶有高速的數(shù)字VGA控制，其范圍達50 dB。

2.4 頻率源

由于射頻本振不是完美的連續(xù)波單頻率源，而是存在相位噪聲的，在射頻轉換級的輸出端他會使輸入信號發(fā)生變化。由于數(shù)字信號的相位里攜帶信息，所以引入的相位變化使誤碼率增加，調(diào)制的高階程度影響誤碼率的增加程度。對64QAM調(diào)制方式來講，要求在RF輸出頻率，偏置1 kHz，相位噪聲要求-88 dBc／Hz。同時射頻本振頻率漂移(即頻率穩(wěn)定度)使解調(diào)過程中產(chǎn)生相位誤差，致使有效信號幅度下降，誤碼率增加；頻率穩(wěn)定度的技術指標取決系統(tǒng)采用的調(diào)制方式及用戶對通信質(zhì)量的要求。本系統(tǒng)采用64QAM調(diào)制方式，要求頻率穩(wěn)定度±1.5×10-6。頻率源的頻率穩(wěn)定度及相位噪聲是系統(tǒng)的又一關鍵技術指標，我們擬采用環(huán)路鎖相技術進行頻率合成，基準源采用高穩(wěn)定晶體產(chǎn)生。

3 測試結果

測試按照基于802.16的固定寬帶無線接入點對點射頻技術要求測試各項指標，采用AGILENT儀表E4438C作為信號源，E4440C作為矢量信號分析儀進行測試。該系統(tǒng)最大輸出功率為18 dBm，最小功率低于-50 dBm。信道帶寬選用3.5 MHz，發(fā)射EVM優(yōu)于-31 dB。具體指標見圖3。接收信號電平-30～-91 dBm，最小接收信號電平低于-91 dBm(BPSK調(diào)制方式)。

4 結 語

將5.8 GHz無線專網(wǎng)射頻系統(tǒng)設備，配合基帶處理設備安裝整架于兩地，跳距約10 km，經(jīng)歷大雨、大霧等各種惡劣天氣，兩地之間有部分遮擋，設備工作穩(wěn)定可靠，各系統(tǒng)誤碼率優(yōu)于10-7?？梢噪p向傳輸10～50 Mb／s以太網(wǎng)數(shù)據(jù)，并且傳輸電影圖像畫面、聲音，效果都很好。