《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于OFDM的WiMAX RF系統(tǒng)設(shè)計
摘要: 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1.75~28MHz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,。
關(guān)鍵詞: OFDM WiMAX RF系統(tǒng)
Abstract:
Key words :

  固定WiMAX" title="WiMAX">WiMAX標(biāo)準(zhǔn)基于正交頻分復(fù)用(OFDM" title="OFDM">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,。

  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,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,。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;

  ②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;

 ?、弁瓿珊铣蒊F 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);

  ④在發(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:

  ①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;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

  由于SE7051L10 與TRF2432 非同一公司套片,需重新設(shè)計,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。

  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。

  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)計的難點(diǎn)主要是末級功放的設(shè)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(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,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)計決定了發(fā)射機(jī)相對矢量誤差。

  5小結(jié)

  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(biāo)要求,。

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