[论文]第三代移动通信现场测试仪研究-CDMA20001x射频模块设计与实现.doc

密级：保密 保密期限：三年 硕士研究生学位论文 题目： 第三代移动通信现场测试仪研究 CDMA2000 1x射频模块设计与实现学 号： 025316 姓 名： 刘 剑 专 业： 通信与信息系统 导 师： 张 平 邓 钢 学 院： 电信工程学院 2005年 2 月 20日北京邮电大学硕士研究生论文 独创性（或创新性）声明本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。本人签名： 日期： 关于论文使用授权的说明学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。（保密的学位论文在解密后遵守此规定）保密论文注释：本学位论文属于保密在 3 年解密后适用本授权书。本人签名： 日期： 导师签名： 日期： - v -第三代移动通信现场测试仪研究CDMA2000 1x射频模块设计与实现摘 要本文描述了作者在第三代移动通信现场测试仪研究开发项目中的工作。该项目来源于国家863引导项目，目标是研究开发第三代移动通信系统的现场测试设备，该设备具备对基于CDMA2000 1x、WCDMA和TD-SCDMA三种国际无线传输标准的移动通信基站以及网络的测试能力，并能提供与第三代移动通信系统网络规划相关的重要信息。作者在该项目中参与了现场测试仪的设计与实现流程，参与了总体结构设计以及现场测试，并负责其中CDMA2000 1x射频模块的硬件设计与实现。目前该项目已经顺利完成，现场测试仪的测试结果证明现场测试仪中CDMA2000 1x模块各项指标符合设计要求。本文的主要内容如下：一、从第三代移动通信系统的发展现状、网络规划意义方面简要介绍了第三代移动通信现场测试仪研究开发的背景。二、描述了现场测试仪的模块化结构，并从灵敏度、三阶截断点以及动态范围等重要的接收机性能指标出发，确定了射频模块的结构以及链路电平的分配。三、将射频模块划分为射频前端、中频解调以及AD采样三部分进行详细设计，着重对本振合成、电路匹配以及滤波器设计等技术要点进行理论分析以及仿真验证。四、从实现的角度完成了射频模块的PCB与电源设计。最后通过现场测试仪总体测试结果验证射频模块设计的有效性。关键词 3G 接收机 射频 噪声系数 频率合成 The 3G Field Test Equipment Research CDMA2000 1x RF Module Design and ImplementationAbstractThis thesis describes authors work in the project, the 3rd Generation communication system field test equipment development. The project is National 863 project. The goal is the implementation of 3G communication system field test equipment. This equipment possesses the capability of test the network based on CDMA20001x, WCDMA and TD-SCDMA international 3G wireless standards and also it can provide valuable information concerned about 3G wireless system network planning. In the project, the author perticipated the whole implementation process, including architecture design and took charge in CDMA2000 1x RF module hardware design and implementation. Now, the project has accomplished. The test result proved that each performance of the field test equipment fulfilled the design goal.The main content of the thesis is described as followed:First, it introduces the background of the implemetation of 3G communication system field test equipment in brief.Second, it introduces the modularization architecture of the field test equipment, analyzes the parameters of the CDMA2000 RF module,such as sensitivity, IP3 and dynamic range and established the RF module structure and link budget.Third, it seperates RF module into three parts and design each in detail.The detail design gives more focus on frequency synthesis, impedance match and filter design. It provides not only theory analysis but also simulation results.At the end, it accomplishes the design in practice, including PCB and power system design. And the thesis validates the design with test results.KEY WORDS: 3G, receiver, RF, noise figure, frequency synthesis北京邮电大学硕士研究生论文 目 录第一章 绪论11.1 第三代移动通信技术发展11.1.1 国际第三代移动通信技术发展背景11.1.2 第三代移动通信系统在我国的现状21.2 网络规划的意义31.2.1 网络规划的含义31.2.2 CDMA网络规划特征41.3 第三代移动通信现场测试仪项目介绍51.3.1 项目背景及意义51.3.2 各种接收机的大致介绍和区别61.4 作者工作与论文结构81.4.1 作者工作81.4.2 论文结构8第二章 CDMA2000 1x射频模块概要设计92.1 现场测试仪结构92.2 CDMA2000 1x射频模块指标要求102.2.1 CDMA2000 1x空中接口概述102.2.2 现场测试仪CDMA2000 1x模块指标要求122.3 现场测试仪CDMA2000 1x射频模块概要设计142.3.1 射频模块结构和功能描述142.3.2 射频模块关键技术要点152.4 小结23第三章 CDMA2000 1x射频模块详细设计243.1 射频前端模块详细设计243.1.1 低噪声放大器设计253.1.2 本振合成电路设计263.2 中频解调模块详细设计363.2.1 中频放大器设计373.2.2 声表面滤波器匹配设计373.3 AD驱动电路详细设计433.3.1 ADC的一些主要动态指标433.3.2 AD驱动电路的选择443.4 小结46第四章 CDMA2000 1x射频模块的实现484.1 电源设计484.1.1 电源设计的基本概念484.1.2 射频模块电源要求514.2 PCB设计524.2.1 微带线设计524.2.2 PCB详细设计534.3 调试与测试554.3.1 调试554.3.2 测试结果584.4 小结62第五章 总结与展望635.1 对于设计的一些改进意见635.2 设计经验总结645.3 展望65参考文献66致 谢67北京邮电大学硕士研究生论文 第一章 绪论 第一章 绪论1.1 第三代移动通信技术发展移动通信蜂窝时代起源于二十世纪二十年代，最早的移动通信以专用网为主，直到“蜂窝”概念的出现和蜂窝移动通信网的最终建立才使商用移动通信得以蓬勃发展。从八十年代起，移动通信发生了重大的变化并得到迅速地发展。蜂窝移动通信发展至今，经历了两个阶段，目前正处于发展的第三阶段中：第一阶段是模拟的蜂窝移动通信网。相对于以前的移动通信系统，这一阶段最重要的突破是贝尔实验室在七十年代提出的蜂窝网的概念。蜂窝网，即小区制，实现了频率复用，大大提高了系统容量。这一阶段的特点是以模拟电话为主，采用FDMA制，工作频段400/800MHz。它的缺点是频谱利用率低、通信容量小、保密性差、设备复杂、成本高、不能提供非话业务，且各国设备标准不统一。第二阶段是以GSM（全球移动通信系统）、PDC(个人数字蜂窝)、IS-136（D-AMPS）以及IS-95（US CDMA系统）为代表的数字蜂窝移动通信系统。第二代移动通信系统提供了更高的频谱利用率、更好的数据业务以及比第一代系统更先进的漫游。其中的GSM、PDC和IS-136是基于TDMA（时分多址）的多址方式，IS-95是基于CDMA（码分多址）的多址方式。第三阶段就是所谓的第三代移动通信系统，它要将各种业务结合起来，用一个单一的全功能网络来实现。在未来生活中，移动化已经成为未来电信业的重要发展趋势，广泛应用3G（第三代移动通信）技术的“移动互联”将切实地改变人们的生活。1.1.1 国际第三代移动通信技术发展背景国际电信联盟(ITU)在2000年5月确定W-CDMA、CDMA2000和TD-SCDMA三大主流无线接口标准，写入3G技术指导性文件2000年国际移动通讯计划(简称IMT-2000)。WCDMA：英文名称是Wideband CDMA，中文译名为“宽带码分多址”，它可支持384Kbps到2Mbps不等的数据传输速率，支持者主要以GSM系统为主的欧洲厂商。CDMA2000：由美国高通北美公司为主导提出，摩托罗拉、Lucent和后来加入的韩国三星都有参与，韩国现在成为该标准的主导者。TD-SCDMA：该标准是由中国大陆独自制定的3G标准，由于中国庞大的市场，该标准受到各大主要电信设备厂商的重视，全球一半以上的设备厂商都宣布可以支持TD-SCDMA标准。1998年12月由ARIB、CCSA、ETSI、ATIS、TTA以及TTC等多个组织倡导的第三代移动通信合作项目（3GPP）正式成立，3GPP的最初目的就是制定全球化的第三代移动通信系统应用技术标准和报告。其制定的标准即为WCDMA。同年，3GPP的姐妹组织，3GPP2也成立。该组织由5个官方认可的标准化组织合作建立。这5个标准化组织为：ARIB、CCSA、TIA、TTA以及TTC。该组织包括四个技术标准组，分别负责接入网接口、CDMA2000、业务与系统以及核心网四个方面的技术标准与报告。CDMA2000标准以及其增进的内容将完全包含在该组织的文档中。全球移动设备供应商协会(GSA)日前表示，由于人们对更新更好的移动服务的需求日益增加，预计2005年3G服务的普及将取得重大进展。据了解，全球24个国家的55个移动网络已经提供WCDMA移动服务，其它11个网络也处于商业运营前的试运行阶段。1.1.2 第三代移动通信系统在我国的现状中国的通信市场有着其独一无二的特点：中国移动手机用户数量庞大，截止2004年10月，中国的移动手机用户数量达到3.25亿。如此巨大的用户规模是中国移动运营商得以超大规模发展的基础。拥有如此巨大规模的用户群体，为降低成本推出新技术、新业务提供了条件。中国政府早已明确了3G的发展方针：“积极跟进、先行实验、培育市场、支持发展”，虽然目前仍没有发放3G许可证，可是有关3G的论证、研究、实验一直没有停止过，有研究显示，到2010年，全球移动收入将达到3220亿美元，其中3G收入将占28%。中国在3G上拥有具有独立知识产权的TD-SCDMA，从中国开展的3G试验情况看，中国3G试验是全球规模最大、涉及厂家最多、技术种类最全的试验。目前，参与WCDMA系统测试的系统有12个，其中国内系统4个，外国系统8个；参与WCDMA手机测试的厂家6家，没有国内厂家。参与CDMA2000 1x系统测试的系统有9个，其中国内系统4个；参与CDMA2000 1x手机测试的3个厂家全部是国外厂家。试验推动了中国3G研发进程，但也暴露出国内开发能力不足的弱点。但是大唐、普天、中兴、华为等近20家国内外通信企业组成的TD-SCDMA产业联盟使得TD-SCDMA产业链正在不断完善，多厂商供货的局面已经形成。截止至2004年11月8日，在“3G在中国”峰会上已经公布了我国3G外场测试结果，测试结果显示：三大标准中的WCDMA和CDMA2000已基本通过各项测试，TD-SCDMA也在快速成熟与发展中，加上政府的大力支持，普遍的预计是到今年6月份可以提供商用。2005年在中国开展3G推广，技术因素已经不是障碍。对于中国这样一个拥有13亿人口的大国，巨大的市场潜力以及由此带来的丰厚收入是不言而喻的。因此各大运营商与厂商一直在酝酿第三代移动通信系统的建设，由此带来的网络规划与建设的市场庞大程度可见一斑。1.2 网络规划的意义1.2.1 网络规划的含义随着移动通信网技术和市场的不断发展，网络建设与运营涵盖的内容不断丰富，而且衡量用户业务服务的指标也越来越全面，从而使得移动通信网络规划的内容更加复杂也更加系统；而初期的网络设计以及随后的网络优化对于移动网络的成功运营起着至关重要的作用；因此移动通信网络的建设必须进行详细准确的移动通信网络规划。移动通信网络规划是一个复杂的系统工程，而无线网络规划是移动通信系统规划最为关键的部分。无线子系统的投资通常能占到网络总投资的2/3以上，其设计成败关系着整个移动通信网络建设的成败。无线网络规划指的是根据网络建设的整体要求，设计无线覆盖目标，以及为实现该目标所进行的基站位置和配置的设计。它包括设计目标、设计方案以及设计内容三部分。1设计目标无线设计目标包含覆盖目标、容量目标、成本目标三方面内容。用于描述覆盖目标的指标主要有业务质量、通信概率和软切换率。话音业务的质量可从接续和传输两个方面来衡量。接续质量表征了用户通话被接续的速度和难易程度，接续时延和阻塞率是用来衡量接续质量的两个指标。传输质量反映了用户接收到的话音信号的清晰逼真程度，这里可以只用业务信道的误帧率来衡量。对于数据业务，目前通常采用吞吐量和时延来衡量业务质量。通信概率描述了小区内（包括小区边缘）覆盖到的面积占总面积的百分比，它又可以分为区内通信概率和边缘通信概率，其中区内通信概率的典型值为90%95%，边缘通信概率的典型值为75%80%。容量目标描述的是在系统建成后所能满足的话音用户数和数据用户数。该指标主要结合网络规模预测所提出的网络建设要求做出。在保证满足覆盖和容量目标的基础上，降低建设成本，节约开支是网络建设的重要目标之一。2设计方案设计方案应包含的内容有：基站布局方案和基站设备配置方案。基站的配置方案需要确定选用的每个基站类型以及每个基站的参数信息，这些参数包括：扇区数目、信道板数目、载频参数、功率参数、天线参数、导频参数、软切换参数、馈线和连接器损耗、接收机噪声系数等。3设计内容从网络建设的阶段来分，规划可以分为新建网络规划和网络扩容规划两种。然而，无论是新建网络的规划还是扩容的规划，无线网络规划的最终目的都是得到新增基站站址和基站配置的设计方案。围绕着站址的选择和配置参数的确定，必须对各个参数进行仔细的分析和合理的设计，并通过对上述方面的综合考虑得到无线网络的设计方案。1.2.2 CDMA网络规划特征CDMA技术是第三代移动通信系统所采用的典型技术，采用CDMA技术的无线通信系统，相对于GSM技术具有众多优势，尤其表现在容量方面，若配给相同的频率资源，前者容量常常可以达到后者的35倍。然而新的技术也带来了一系列新的问题，尽管采用CDMA技术，各个蜂窝小区可以使用相同的频率，无需像GSM网络一样进行复杂的频率规划，但是容量与覆盖之间特殊的相关性、软切换对系统性能的影响及导频偏置的选择都给无线网络规划增添了新的研究课题。1变化的网络负载与规划CDMA是一个干扰受限系统，系统干扰水平直接影响系统容量，影响系统提供服务的质量。研究表明，若要保持系统性能稳定，负载约在60%80%之间。当负载超过这个值时，用户信号的干扰将急剧增大，服务质量下降很快，小区覆盖范围收缩，从而产生覆盖的盲点；这种小区覆盖范围随着容量负载的变化而变化的情况，称为“呼吸效应”。因此，如何合理的布置基站，选择基站参数，使得用户需求在各个基站之间适当分配，成为CDMA无线规划需要解决的重要问题。2软切换与规划软切换是CDMA系统的独到之处，采用软切换技术能保证小区边缘用户的服务质量。在CDMA蜂窝系统中,通过采用软切换,不仅提高了切换的可靠性，而且改善了系统的性能。计算表明：软切换可以扩大基站的覆盖范围（约为硬切换的22.5倍），减少基站数目；同时，与功率控制相配合，软切换还能够显著增加系统反向的容量（约为硬切换的2倍）。然而，处于软切换的用户比普通用户多占用系统资源，过高的软切换比例会带来系统资源的浪费，使得网络中可得到服务的总用户数下降。3导频与规划导频对于CDMA系统至关重要。移动台使用导频区分基站，如果同相位导频的复用距离不恰当，或者相邻导频的距离不恰当，移动台可能把来自不同基站的导频信号误认为同一基站的导频信号；如果导频搜索窗口的大小设置不合理，一方面移动台可能将不同的导频误认为相同的导频，另一方面处于小区边缘的移动台也可能搜索不到可用的导频信号；此外，对于前向链路，导频干扰比基本上决定了其覆盖范围，导频的功率大小直接影响着小区负载大小和软切换比例。如果导频发射功率偏小，会使下行覆盖出现盲点；若偏大，则又会出现多个基站覆盖同一地区，产生导频污染。因此，合理的导频偏置规划，是构筑精品CDMA网络的关键。综上所述，网络规划在移动通信系统建设与运营中起着至关重要的作用，而其中详细精确的规划与各项指标的设计都离不开测试；基于CDMA技术的第三代移动通信系统的网络规划有着与传统移动通信系统不同的网络特征与参数；因此能够提供第三代移动通信系统必须的参数测量的新型现场测试设备在初期的网络规划与设计以及中后期的网络优化工作中将发挥很大的作用。1.3 第三代移动通信现场测试仪项目介绍1.3.1 项目背景及意义随着移动通信产业迅猛发展，移动通信市场不断扩大，不论是网络运营商还是设备制造商，都需要移动通信测试设备来改善网络环境，提高设备性能，因此移动通信测试设备的市场具有很大的潜力。移动通信测试设备一般可分为射频信号源、频谱仪、功率计、信令分析仪等几大类。其中现场测试设备是为网络优化、规划工作而专门生产的软、硬件设备，它是综合了频谱仪和功率计的部分功能并加入了部分辅助分析功能的一种移动通信测试设备，广泛应用于移动通信网络优化、移动通信运营维护、移动通信设备开发等领域。在网络规划和优化过程中有效地使用现场测试设备，深入分析测试信息，将对发现网络隐患具有显著的作用。现场测试设备既可作为基本的数据采集平台，也可通过模块化配置，扩展为针对多种应用场合的多功能测试平台，提供了从用户业务质量角度出发，采集无线网络质量信息，客观公正地分析评价网络的手段，其重要性得到了越来越多的重视。由以上分析可以看出，随着第三代移动通信在中国的不断发展和应用，第三代现场测试设备有着广阔的市场前景，在该领域进行自主开发具有很深远的现实意义。作者在硕士期间参与了“第三代移动通信现场测试仪研究开发”的项目，该项目为国家863引导项目，其研究内容定位于第三代移动通信系统的现场测试设备，具备对基于CDMA2000、WCDMA和TD-SCDMA三种国际无线传输标准的移动通信基站以及网络的测试能力，用户可以通过现场测试设备对基站的空中接口参数进行准确测量，并且能够通过测试设备的测试结果获得第三代移动通信系统网络规划的相关重要信息。根据前面的分析，第三代移动通信系统在网络规划上具有其自身特色，因此现场测试仪的实现对于填补市场上相应的测试设备空白有重要的意义。该项目预计开发的产品为第三代移动通信现场测试仪，该仪表基于无线接收机的设计思路，通过前端射频单元接收无线信号并解调，然后将数字基带信号送基带处理机完成相应的基带处理，并通过显示单元将基带处理后的数据清晰地显示出来。该仪表能够通过空中无线接口测试射频信号的频谱特性，分析CDMA信号的码域功率，同时具备显示时延扩展谱、导频搜索功能，为第三代移动通信系统网络规划和优化提供必要的测试测量结果。1.3.2 各种接收机的大致介绍和区别现场测试仪是具备更强接收能力以及集成了功率计、频谱仪等多种设备功能的接收机。因此现场测试仪的射频模块是基于接收机实现的。下面通过各种接收机的大致介绍来分析第三代移动通信现场测试仪射频模块采用的接收机类型和设计方式。接收机的任务是有选择地放大空中的微弱电磁信号，放大到一定程度后从载波中恢复信息，而且尽可能提高输出基带信号的信噪比，以保证信息质量。接收机按用途分类可以分为雷达接收机、通信接收机、移动接收机以及固定点接收机等；按实现方式分可以分为超外差式（super heterodyne）接收机和零中频接收机等，目前市场上应用最多的就是超外差式接收机和零中频接收机，接下来将对这两种类型的接收机进行比较。1超外差式接收机超外差式接收机采用本地可调谐的本振信号与输入信号混频，形成频率为输入信号与本振信号频率差的中频信号，使得信号在频率更低的中频进行解调。超外差式接收机的一般框图如图1-1所示。图 1-1 超外差式接收机的一般框图【1】由图1-1可以看到，超外差式接收机包含射频带通滤波器、低噪声放大器（LNA）、镜像滤波器、混频器、中频放大器等多个部分。该种结构的优势在于在射频滤出整个接收频带，真正的选频和放大往往只发生在某个固定的频段（中频），而不需要可调谐的高Q值带通滤波器，实现比较简单。而且该种结构更容易实现模块化的结构，因为真正解调的中频部分不需要做太多改动，只需要对本振信号进行调谐即可以实现对不同通信频段的接收。但是该种结构也有不足的地方：首先，超外差式接收机结构采用的元器件多，结构比较复杂，特别是较多的中频滤波器增大了接收机的尺寸，不利于集成；同时一般带通滤波器采用声表面滤波器（SAW），不但尺寸大，而且价格昂贵，相应增大了接收机成本。其次，由于采用二次或多次变频方式，使得系统中频率成分复杂，容易对其他频段产生不必要的影响。该种接收机结构也必须注意混频器中镜像信号滤除问题。2零中频接收机零中频接收机，又称为直接转换型接收机，顾名思义就是不需要任何中频的直接解调的接收机。该类型接收机中，本振信号与射频信号频率一致，实际上可以理解为特殊的超外差式接收机，它的选频和放大发生在直流（零中频）。零中频接收机结构如图1-2所示。图 1-2 零中频接收机结构【1】由图1-2可看到，零中频接收机结构简单，设备数量少，特别是省去了体积庞大、价格昂贵的中频滤波器，只需要片上的电容就可以实现滤波，并且在直流处只需要较低功耗就可以实现原来中高频处的增益。零中频接收机更易于集成，此外滤波放在基带处还可以在不增大电路板面积情况下实现多频带滤波，在今后的多模块设计中非常关键。但是零中频结构也有其缺陷，最重要的就是本振泄漏的问题。本振泄漏使得本振信号容易造成基带信号的直流偏移，从而降低接收机的接收动态范围。3小结通过以上的比较可以发现两种结构的接收机各有优点，超外差式接收机目前应用更广泛，其模块化的结构以及优越的性能多应用于大型接收设备；而零中频接收机更易集成，更多应用于中小型接收设备，特别是终端，随着技术发展，在最新的无线通信应用中也越来越广泛。目前还存在一种折衷两种接收机类型的方案，即低中频超外差接收机，该类型接收机采用接近于零中频的超低中频，使得中频滤波更简单，因而兼具超外差接收机和零中频接收机的优点。本次设计中采用超外差形式的接收机设计。1.4 作者工作与论文结构1.4.1 作者工作作者整个研究生阶段大部分时间都投入在第三代移动通信现场测试仪项目，在该项目中主要从事了以下工作：1从事第三代移动通信现场测试仪中CDMA2000射频模块的设计与实现工作。从灵敏度、干扰、动态范围等接收机的根本指标出发，完成射频模块的原理设计；参与了从芯片选型和订货、PCB设计、射频模块各部分的调试，直至最后现场测试仪整体硬件联调的全套流程；并且参与了现场测试仪CDMA2000部分的现场测试。在整个项目工作中，作者不但提高了自己的独立钻研能力，熟悉无线接收机射频部分研发的全套流程，而且在加深了自身专业知识同时也为项目顺利完成做出很大贡献。2在实现CDMA2000射频模块同时，参与了现场测试仪通用硬件处理平台的部分硬件设计工作，协调制定射频模块与现场测试仪的数据、控制接口，并参与通用硬件处理平台PCB设计以及硬件调试。在调试过程中，对现场测试仪中各硬件模块之间干扰问题的解决、数字频率合成（DDS）以及整板电源模块做出了很大贡献，并在该方面积累了不少实际调试经验。1.4.2 论文结构本论文描述了第三代移动通信现场测试仪中CDMA2000 1x模块中射频模块的设计与实现，涵盖了从概要设计、详细设计到最后实现的全部流程。论文主要内容安排如下：第一章 绪论，本章对第三代移动通信系统现状以及该项目的项目背景进行大致介绍。第二章 CDMA2000 1x射频模块概要设计，本章列出了CDMA2000 1x现场测试仪的指标要求，并描述了射频模块的概要设计，同时对设计中的关键技术难点，比如变频方式选择、噪声系数、动态范围确定等进行了阐述。第三章 CDMA2000 1x射频模块详细设计，本章将整个射频模块划分为射频前端、中频解调、AD采样三部分，从设计原理、仿真结果等各方面对每部分电路进行了详细的描述，使得射频模块的设计具体可行。第四章 CDMA2000 1x射频模块的实现，本章从具体实现的角度出发，对实现过程中电源及PCB设计进行描述，并通过最后的调试经验与测试结果验证了设计的有效性。第五章 成果与展望，本章描述了项目最后取得的成果以及设计中的缺乏与不足，提出部分改进意见。并对自己在项目过程中积累的一些认识进行总结和展望。- 69 -北京邮电大学硕士研究生论文 第二章 CDMA2000 1x射频模块概要设计第二章 CDMA2000 1x射频模块概要设计本章首先介绍了第三代移动通信系统现场测试仪的结构，然后对CDMA2000 1x系统800MHz频段射频模块的指标、整体结构以及关键技术要点进行分析。其中关键技术要点分析部分将从系统设计者关心的主要问题出发，如：变频方式、噪声系数级联、三阶互调以及AD采样精度等，对系统指标进行详细的阐述。2.1 现场测试仪结构第三代移动通信现场测试仪采用模块化的设计方法，通过射频模块实现对空中信号的采集和解调，并将信号通过通用硬件处理平台进行相应处理，最后由PC侧应用软件在PC显示各项测试数据。该测试仪通过更换不同的射频模块以及配套的软件模块实现对WCDMA、CDMA2000 1x以及TD-SCDMA不同标准的第三代移动通信系统的测试。该现场测试仪设计框图如下：图 2-1 第三代移动通信系统现场测试仪框图本论文描述的正是现场测试仪中的模拟部分中CDMA2000 1x测试模块。由于射频的性能直接影响现场测试仪的测量结果，因此要求射频模块必须能够对每一种标准规定的频率范围进行有效接收，在测量过程中能设置不同的扫频步进以满足对单载波或多个载波的测量，必须提高扫频速度以保证测量效率，必须减小整个接收机的噪声系数以提高接收灵敏度和动态范围。因此在技术实现过程中必须先确定详细的设计参数以明确设计目标，从而满足总体设计的要求。2.2 CDMA2000 1x射频模块指标要求本节首先从CDMA2000 1x标准出发，对其中关于物理层以及空中接口的规定进行分析，得出CDMA2000 1x射频模块的指标要求。2.2.1 CDMA2000 1x空中接口概述根据协议给出的对CDMA2000接收机推荐的最小性能要求，接收机性能的规定包括频率覆盖需求、接收机灵敏度与动态范围、互调杂散响应等与射频参数相关的方面。以下将列出部分主要规定：1频率覆盖需求对于移动台接收机而言，目前我国适用的CDMA2000系统800MHz频段（频段0）信道号以及频率分配如表2-1所示：表 2-1 800MHz频段信道分配CDMA信道号CDMA信道频率分配（MHz）移动台接收、基站发射1N7990.030N+870.000991N10230.030(N-1023)+870.000对于支持表2-1所示频段的CDMA2000 1x设备必须支持表2-2中的信道分配：表 22 CDMA2000 1x在频段0的信道号以及对应频率分配子频段系统指定CDMA信道有效性CDMA信道号占用频段（MHz）移动台接收、基站发射0A(1MHz)无效有效991-10121013-1023869.040-869.670869.700-870.000A(10MHz)有效无效1-311312-333870.030-879.330879.360-879.990B(10MHz)无效有效无效334-355356-644645-666880.020-880.650880.680-889.320889.350-889.980A(1.5MHz)无效有效无效667-688689-694695-716890.010-890.640890.670-890.820890.850-891.480B(2.5MHz)无效有效无效717-738739-777778-799891.510-892.140892.170-893.310893.340-893.9701A(1MHz)无效有效991-10121013-1023869.040-869.670869.700-870.000A(10MHz)有效无效1-311312-333870.030-879.330879.360-879.990B(10MHz)无效有效无效334-355356-644645-666880.020-880.650880.680-889.320889.350-889.980A(1.5MHz)无效有效667-688689-716890.010-890.640890.670-891.480A(2.5MHz)有效无效717-779780-799891.510-893.370893.400-893.9702接收机灵敏度与动态范围接收机灵敏度是指在保证一定误帧率情况下，在接收机天线端口测得的最小接收功率。而接收机动态范围是指在保证一定误帧率情况下，在接收机天线端口测得的输入功率范围。协议中对灵敏度与动态范围的测试要求如下表所示：表 23 接收机灵敏度以及动态范围测试参数参数单位测试目标1测试目标2dBm/1.23MHz-104-25dB-7在表中所示的测试参数下，误帧率不超过5%。3互调杂散响应互调杂散响应是指在存在一定的两个连续波（CW）干扰信号的情况下，接收机接收指定信道的CDMA信号的能力。由于接收机的非线性，干扰信号的三阶互调产物将落入指定信道内形成干扰，接收机性能将用误帧率进行衡量。互调杂散响应的测试条件如表2-4所示。表 2-4 互调杂散响应测试条件参数单位第I类移动台第II、III类移动台测试1测试2测试1测试2单音干扰信号1与载波的偏移kHz+900-900+900-900单音干扰信号1功率dBm-40-43单音干扰信号2与载波的偏移kHz+1700-1700+1700-1700单音干扰信号2功率dBm-40-43dBm/1.23MHz-101-101dB-7-7在该测试条件下，误帧率不超过1%。协议中针对移动台以及基站的发射和接收有相当详细的规定，在这里就不多加赘述，关于接收机的详细指标可以参照3GPP2中的CS0011-A。2.2.2 现场测试仪CDMA2000 1x模块指标要求现场测试仪要求实现频谱分析以及码域功能测试等功能，根据前面的介绍，CDMA2000 1x模块指标分为频谱分析指标以及码域分析指标，具体如下所示：1频谱分析指标要求频谱分析部分能够完成对CDMA单载波以及CDMA全频带频谱特性的测量。频谱分析指标如表2-5所示。表 2-5 频谱分析指标频率测量范围下行869MHz894MHz能够对CDMA基站发射频段进行准确测试Span范围宽带模式5MHzSPAN25MHz窄带模式100KHzSPAN5MHz中频带宽宽带模式5MHz窄带模式200KHz分辨率带宽宽带模式5KHz窄带模式400Hz频谱仪噪声底限宽带模式/100MHz Span-123dBm（均值）-117dBm（峰值）宽带模式/25MHz Span-128dBm（均值）-119dBm（峰值）窄带模式/10MHz Span-132dBm（均值）-129dBm（峰值）窄带模式/5MHz Span-139dBm（均值）-131dBm（峰值）本振扫描步进宽带模式500KHz5MHzSPAN25MHz窄带模式100KHz100KHzSPAN5MHz扫频速度50MHz/s（最大）本振时钟源信号参数10MHz OCXO 频率准确度：110e(-9)频率稳定度110e(-9)工作温度范围-30+55老化率110e(-8)相位噪声-115dBc/100Hz-125dBc/1kHz-135dBc/10kHz-145dBc/100kHz测试动态范围最大输入信号电平-35dBm最小输入信号电平-105dBm动态范围70dB前端参数单级LNA噪声系数小于1.7dB放大器增益级联增益大于40dB接收机噪声系数NF=5.41dB（输入信号为-105dBm）NF=5.81dB（输入信号为-35dBm）中频部分参数中频可变增益范围大于60dB中频放大器增益大于85dB2码域分析指标要求码域分析部分完成对某个CDMA载波上各码道的功率测量，同时具备PNScanner的功能，能够监测出本小区和相邻小区的PN码，提供小区覆盖信息和导频污染情况报告。该部分的主要技术指标如下：表 2-6 码域分析指标要求测量频率范围868MHz - 894MHz中频带宽1.2MHz（数字滤波器实现）最小Ec/Io-20dB（测量精度1dB）相关长度1024chip最小导频功率监测-20dB接收机噪声系数小于6dB接收信号灵敏度-127dBm（按照扩频增益为21dB计算）基站扫描速度小于1秒2.3 现场测试仪CDMA2000 1x射频模块概要设计2.3.1 射频模块结构和功能描述为了满足模块化设计的要求，现场测试仪采用超外差式接收机的结构。整个现场测试仪的射频模块分为射频前端、中频解调以及AD采样三部分；其中中频解调及以后的硬件部分都基本不变，硬件上仅需要修改射频前端模块就可以实现对不同制式的第三代移动通信系统的接收与分析。CDMA2000 1x射频模块负责对CDMA800MHz频段空中下行信号进行接收，其结构如图2-2所示。图 2-2 CDMA2000 1x射频模块结构图从图2-2可以看到整个射频模块采用二次变频的超外差接收机结构，接收机根据功能分为射频前端模块、中频解调模块以及AD采样模块三部分，各部分功能的具体描述如下：1射频前端模块该模块首先通过第一级声表面滤波器实现对CDMA2000前向空中信号869-894MHz信号的接收；然后由两级级联的低噪声放大器（LNA）实现对空中信号的放大，同时保证了链路较低的噪声系数。经放大后的信号通过镜像滤波器进入混频器进行第一次下变频；混频器将放大后的信号混至中频190MHz信号输出；输出信号由中频解调模块进行进一步解调。第一次变频采用低本振的方式，根据以上分析可知，本振扫频范围在679-704MHz；该模块中本振信号采用锁相环（PLL）电路合成，由通用处理平台通过三总线对锁相环进行控制，实现本振扫频功能。2中频解调模块射频前端模块输出的中频信号在该模块中实现解调，首先中频信号经过中频放大器进一步放大。接下来，通用处理平台可以通过控制射频开关来选择宽带（5MHz）或者窄带滤波（200kHz）方式。滤波后的信号将经过可控增益部分，该部分实际上由两级级联的数控衰减器组成，其可控衰减范围可达63dB，保证了接收机的动态范围。信号经过该部分后将形成功率稳定的中频信号进入中频解调器，中频解调器将对190MHz中频信号进行I、Q解调形成基带信号，基带信号通过低通滤波器（LPF）提供给AD采样模块进行采样。中频解调器采用的第二级本振信号采用直接数字频率合成器（DDS）生成，频率为380MHz。3AD采样模块该模块将对中频解调出来的I、Q两路基带信号进行采样，提供给通用处理硬件平台进行进一步的基带处理及计算。在AD采样电路芯片之前，采用了AD驱动放大电路对信号进行放大以及提供AD采样所需的驱动能力。2.3.2 射频模块关键技术要点1关于变频方式的一些讨论目前，接收机普遍采用一次变频和二次变频两种方式。这两种方式的简单比较如下：一次变频结构简单，将射频带通信号直接变换为基带信号，避免了高阶镜像问题。但由于本振频率与信号频率相同，如果变频器的本振与射频端口之间的隔离性能不好，本振信号就容易从变频器的射频端口反向输出，通过天线辐射到空间，形成对其它信道的干扰。二次变频结构复杂，先将射频带通信号变换为中频带通信号，然后再变换为基带信号。该方式成本高，高阶镜像问题严重，因为接收机中的任一混频都将产生一镜像频率，这对中频的选择和混频器前滤波器的要求更为严格。但二次变频方式由于本振频率和信号频率相差很大，本振频率都落在滤波器的频带以外，因此能够避免本振泄漏的影响。另外变频的方式与中频的选择也有密切关系，对于中频很低的接收机，镜像通道频率的位置与输入信号频率非常接近，很难对镜像通道频率进行良好的抑制，因此对低中频的接收机采用多次下变频结构；而对于中频很高的接收机，由于频率越高放大器的设计也越复杂，成本也越高，难以简单对很高的中频进行足够的放大，因此也经常采用多次下变频结构