本設計主要是參照802. 16d 固定無線傳輸寬帶技術(shù)標準,，是針對WiMAX 寬帶無線接入產(chǎn)品而設計的射頻系統(tǒng)，它的作用是為基帶信號處理單元提供零中頻基帶信號或基帶I、Q 信號無線的收發(fā)通道,。
0 引言
固定WiMAX 標準基于正交頻分復用( OFDM) 技術(shù)，使用256 個副載波; 該標準支持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)制方式等多項技術(shù)參數(shù)導致射頻設計充滿挑戰(zhàn)性。
1 主要芯片完成功能
本設備采用超外差時分雙工方式來完成設計,在符合WiMAX 標準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 來完成設計,。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6 dB) ,，和50 dB TX 增益控制范圍( 步進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,、低噪聲放大器及開關控制的功率放大器;④ 內(nèi)置射頻本振倍頻器。
2 總體設計
由于SE7051L10 與TRF2432 非同一公司套片,需重新設計,，主要從以下幾點考慮,。
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;選用高本振將導致中頻及基帶頻譜鏡像，對點對點系統(tǒng)而言,，由于接收下變頻將發(fā)射的上變頻導致的頻譜鏡像翻轉(zhuǎn),，系統(tǒng)會不留痕跡進行解調(diào);但作為CPE 設備，無法與標準基站對聯(lián),，采用基帶I,、Q 信號顛倒連接，巧妙地解決選用高本振導致的頻譜翻轉(zhuǎn),，與標準信號源對聯(lián),，系統(tǒng)工作正常。
SE7051L10 的收發(fā)中頻為各自獨立的差分輸入輸出,，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，通過收發(fā)切換控制信號,，將SE7051L10 的收發(fā)中頻各自獨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 設備,，基站為適應不同用戶端設備要求,，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設備的發(fā)射功率; 因此要求WiMAX CPE 設備發(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,。
重新設計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)通道的預算,，合理地完成功放及低噪放設計,。
3 系統(tǒng)工作流程
系統(tǒng)采用時分雙工工作方式，當基帶控制的收發(fā)開關信號為高電平時,，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)開關由天線發(fā)射至接收端;在接收端,，基帶控制的收發(fā)開關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,、低噪放,、下變頻、相應射頻,、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,。
4 主要技術(shù)指標的實現(xiàn)與指標分配
4.1 發(fā)射功率的實現(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)中的一項關鍵技術(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，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，在設計及選用器件時,，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。
功放設計的難點主要是末級功放的設計,，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、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，滿足設備技術(shù)指標要求;同時,，SZA5044的增益為28 dB,，為保證設備技術(shù)指標16 dBm 功率輸出，SZA5044 輸入功率要求- 9 dBm,，功放前級的射頻開關,、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)指標要求。
4.2 發(fā)射通道ALC的實現(xiàn)
由于系統(tǒng)針對點對多點設計,，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,與標準I、Q 的功率電平比較,，計算出功率誤差,，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),，以適應衰落的影響,，指標規(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,，在實際應用中,，實際測試一ALC 控制表格，按實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EVM指標實現(xiàn)
發(fā)射機相對矢量誤差是衡量發(fā)射機綜合技術(shù)指標之一，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 信號走線嚴格等長來控制;幅度平衡可通過運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,，其相對矢量誤差達到- 34. 5 dB;對本系統(tǒng)而言，功放的合理設計決定了發(fā)射機相對矢量誤差,。
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) ,，通過計算系統(tǒng)的相對矢量誤差為- 32. 5dB，滿足技術(shù)指標要求,。