高性能TD-SCDMA接收機設計方案

在中國，時分同步碼分多址(TD-SCDMA) 作為寬帶CDMA(WCDMA)的替代標準，正試圖在各種環境下提供比WCDMA更好的覆蓋率。WCDMA是專門針對對稱業務和宏單元站點優化了的一種標準。為了支持TD-SCDMA技術，業界已經成功開發出帶數字中頻(IF)級電路和多個有源天線模塊的緊湊型多通道TD-SCDMA接收機。這種靈巧的設計支持多載波、分集接收機系統中的各種應用。仿真和實驗結果表明，這種緊湊型接收機具有杰出的線性度和相位-噪聲性能。

　　2000年5月，由中國電信科學技術研究院(CATT)推薦的TD-SCDMA技術被國際電信聯盟(ITU)采納并批準為第三代(3G)移動通信標準之一。TD-SCDMA擁有許多先進的訪問技術，它們有效整合了時分多址(TDMA)、頻分多址(FDMA)、碼分多址(CDMA)和空分多址(SDMA)方法。TD-SCDMA系統中的上行鏈路和下行鏈路業務共享相同的頻帶但不同的時隙。因此，TD-SCDMA非常適合不對稱數據服務，并能提供很高的頻譜效率。TD-SCDMA系統中采用的關鍵技術包括復用、智能天線和聯合檢測技術。

　　為實現簡單靈活，TD-SCDMA接收機的中頻部分采用數字電路進行設計。與標準超外差式接收機相比，它的模數轉換器(ADC)模塊被轉移到了中頻輸出端口。通過用數字器件替代模擬器件，數字中頻接收機能夠更加靈活地處理寬帶頻率范圍和多種無線通信標準。

　　接收機分集技術常用來減小影響無線通信性能的多徑和瑞利衰落效應。主要的分集技術有頻率分集、時間分集、天線分集、角度分集和極化分集。

　　TD-SCDMA接收機應用天線接收分集技術可提高鏈路增益。接收機利用這種方法收集多路不相關的射頻信號，然后進行合并，并在合并過程中減小甚至消除衰落和多徑效應產生的影響。典型的線性分集合并方法有選擇性合并(SC)、最大比例合并(MRC)和等增益合并(EGC)，這些方法各有優缺點。

　　TD-SCDMA中采用的多載波技術可提高這種格式的數據容量和傳輸速率，以支持高數據速率的無線服務。多載波TD-SCDMA系統中的每個特定蜂窩采用三種不同的頻率作為載波頻率，其中一個頻率被稱為主頻，另外兩個被稱為輔頻。主頻和輔頻之間的區別在于它是否承載導頻和廣播信道(BCH)信息。主頻要處理導頻和BCH信息，輔頻不需要。尋呼指示信道(PICH)和輔助公共控制物理信道(S*CH)只能在主頻中配置。

　　圖1：TD-SCDMA通信系統的典型信道結構采用了主載波和副載波。

　　圖1顯示了一個典型的TD-SCDMA射頻信道。這個信道包含三個載波，這些載波使用相對1.6MHz的載波帶寬來說較低的1.28Mchip/s芯片速率。TD-SCDMA有助于提高頻譜利用和網絡設計的靈活性，特別是在人口密集的地區。另外，在5ms時間內每個TDMA幀被分成7個時隙，這些時隙可以靈活地分配給多個用戶，或分配給需要多個時隙的單個用戶。

　　圖2給出了帶數字中頻電路和多個有源天線模塊的多通道TD-SCDMA射頻接收機的系統架構。該系統包含三個有源天線模塊和一個射頻接收機模塊，而后者又由三個獨立的射頻接收通道組成。有源天線模塊包含一個6dBi增益的全向天線、一個射頻帶通濾波器和一個低噪聲放大器(LNA)。每個通道則包含射頻放大器、下變頻器、本地振蕩器(LO)、中頻聲表面波(SAW)濾波器、受基帶處理單元控制的可變增益放大器(VGA)和中頻放大器。

　　圖2：帶數字IF級和多個有源天線模塊的TD-SCDMA RF接收機結構框圖。

　　這種接收機支持多種連接機制。在第一種機制中，只有一個有源天線模塊連接到接收機的全部三個通道，這時的接收機用作多載波TD-SCDMA接收機。在第二種機制中，三個有源天線模塊分別連接到接收機的三個通道，用作接收分集TD-SCDMA接收機(如圖2中的虛箭頭線所示)。在這種情況下，有源天線模塊之間的距離必須足夠遠，以正確接收到接收信號的不同傳播延時。通常兩個天線之間至少間隔5倍波長的距離，才能使接收到的信號具有顯著不同的衰落特性。在第三種連接方案中，三個有源天線模塊連接到三個多通道射頻接收機模塊，用作分集接收機和多載波TD-SCDMA射頻接收機。

　　為*估TD-SCDMA接收機性能，必須更深入地了解它的基準靈敏度和快速自動增益控制(AGC)電路的功能。基準靈敏度是接收機的最重要指標。一般來說，它指的是系統在達到要求誤碼率(BER)條件下天線端口的最小輸入功率電平。該指標還受到以下一些因素的影響：接收機的噪聲系數、發射機的本底噪聲、同相/正交(I/Q)增益不平衡、I/Q正交相位不平衡、本振(LO)相位噪聲、電源電壓噪聲、線性相位失真和線性幅度失真。

　　接收機的噪聲系數和發射機的本底噪聲展示了附加白高斯噪聲(AWGN)帶來的影響，而結合噪聲系數可以用來描述這兩種情況。在時分-雙工操作中，當接收機打開時，發射機應該是關閉的，因此發射機的本底噪聲對TD-SCDMA接收機來說不是問題。使用數字中頻技術后，主要由模擬解調器造成的I/Q增益和相位不平衡可以在數字域中得到校正，因此不會影響上述靈敏度指標。當本振和電源性能足夠高時，相位噪聲和電壓噪聲的影響可以忽略。線性相位失真和線性幅度失真可以用基帶處理器補償。基于這些分析可以看出，噪聲系數是影響TD-SCDMA接收機基準靈敏度的主要原因。

　　在傳統的接收機-天線裝置中，由連接天線和射頻接收機的射頻電纜引起的損耗會增加系統的噪聲系數。在TD-SCDMA射頻接收機系統中，系統在有源天線模塊處被分割開來，由該模塊直接連接天線和低噪聲放大器。因此由射頻電纜造成的損耗可以得到有效補償，從而提高了接收機分集性能。

　　當接收機由多個塊組成時，每個塊都有自己的插入增益(Gi)和噪聲因數(Fi)。每個塊都會增加噪聲到信號中，但當信號在前級電路中被放大時，后續塊對總噪聲因數的影響會減弱。接收機的噪聲系數可以用式1計算。式1中的值必須用增益和噪聲因數(F)的數值計算，而不能作為對數式噪聲系數值(單位dB)。這個簡單級聯的噪聲系數公式的含義在系統設計中是很重要的。

　　根據式1，且考慮到5米長同軸電纜的3dB損耗，帶通濾波器的1dB損耗，低噪聲放大器的1dB噪聲系數和20dB增益，其它部件維持不變，那么噪聲系數可以從5.1dB(式2)降低到2.14dB(式3)，而且TD-SCDMA接收機基準靈敏度有顯著提高。接收機中使用的AGC電路可以向ADC提供恒定電平的信號。在WiMAX和3G蜂窩系統等許多寬帶系統應用中經常用到基于PIN二極管的AGC衰減器。TD-SCDMA接收機則常采用數字AGC方法，不用模擬電路，以提供靈活和一致的性能。PIN二極管衰減器用于每個射頻通道中的模擬衰耗，并受數字基帶電路的控制。

　　圖3(a)是一種典型的π型電阻衰減器，其衰耗由式4決定，其中參數K被定義為輸入到輸出電壓比，Z0代表系統特征阻抗。

　　對于常見衰耗值，電阻值為50Ω。根據π電阻衰減器框圖，在圖3(b)所示電路中使用了4個PIN二極管。在開關電路中，PIN二極管的最大和最小值點的電阻特性是被充分利用的。然而在衰減器中使用的是PIN二極管電阻的有限值。這種電路的好處是其對稱性，允許使用比較簡單的偏置網絡，并且由于在這種背靠背連接的串連二極管電路中的諧波信號可以相互抵消而使失真減小。雖然還有其它方法可提供AGC功能，比如改變射頻晶體管放大器增益，但PIN二極管方法通常具有低功耗、寬帶恒定阻抗、寬動態范圍、低頻率牽引和高線性度等特性。

　　圖3：(a)典型的π型電阻衰減器；(b)采用PIN二極管的衰減器。

　　圖4：用安捷倫的ADS軟件對由4個PIN二極管組成的衰減器進行仿真。

　　利用安捷倫科技公司提供的高級設計系統(ADS)軟件工具套件對上述AGC電路中使用的PIN二極管衰減器進行了計算機仿真。仿真得到的動態范圍結果見圖4。根據這些仿真得到的動態范圍可達120dB。雖然衰耗曲線不是線性的，但AGC控制電壓通過基帶算法校正可以達到有效的線性響應。與傳統環路型AGC電路相比，這種數字AGC技術速度更快，更加適合TDD系統。

　　圖5(a)和5(b)分別是有源天線模塊和多通道射頻接收機模塊。這種多通道射頻接收機模塊被集成在尺寸為150x200x20mm的四層電路板上。圖6給出了用安捷倫科技公司的N8975A噪聲系數分析儀測得的總體接收機噪聲系數和同樣是安捷倫科技公司的E4438C信號發生器和89600軟件測得的調制性能。如圖6所示，接收機噪聲系數小于2dB，而系統測得的基準靈敏度為-115dBm。圖7給出了誤差向量幅度(EVM)性能。