（电路与系统专业论文）tdscdma无线收发信机射频前端技术研究.pdf

摘要 摘要 时分同步码分多址( t d s c d m a ) 以智能天线、联合检测、上行同步等多项 创新技术，获得频谱效率高、不对称数据业务、系统性价比高等优势。由于，上 下行链路共用同一个载波的技术特性，也给射频研发工程师带来不同于其它通讯 系统的设计挑战，其中尤以低噪声、高线性、突发信号自动电平控制、收发同步 切换等射频技术为难点。 本论文正是针对上述问题，以t d s c d m a 无线中继设备射频前端为研究对 象，主要研究内容为： 1 t d s c d m a 信号是突发信号，所以传统的自动电平控制电路不太适用。 本文特地设计了一种具有采样保持单元的新颖自动电平控制电路，实测验证了其 适用于突发信号的自动电平控制。 2 t d s c d m a 系统是时分双工模式，精确的收发同步切换是核心部分。本 文采用了g p s 同步解决方案，其中涉及到了同步模块和电源模块的设计和优化。 3 相位噪声会严重影响t d s c d m a 系统的矢量幅度误差指标，文中推导了 相位噪声和e v m 的关系，据此选择最佳性价比的频率合成方案。 4 本文研制了t d s c d m a 无线中继设备，根据测试结果，达到了设计的要 求，证明了设计是成功的，对于t d s c d m a 无线收发信机射频前端的设计具有一 定参考价值。 关键词：时分同步码分多址，上行同步，突发信号自动电平控制，收发同步切换 a b s t r a c t m ed i v i s i o n s y n c h r o n o u s c o d ed i v i s i o n m u l t i p l ea c c e s s ( t d - s c d m a ) a c h i e v e sh i g hs p e c t r u me f f i c i e n c y , a s y m m e t r i cd a t a n ，i c c ，h i g hp e r f o r m a n c ea n dl o w c o s tb a s e do hs e v e r a li n n o v a t i v et e c h n o l o g i e ss u c ha ss m a r ta n t e n n a ，j o i n td e t e c t i n g ， u p u n ks y n c h r o n i z a t i o ne t c d i f f e r e n t l yf r o mo t h e rc o m m u n i c a t i o ns y s t e m , i ta l s ob r i n g s m a n yc h a l l e n g e st ot h er fd e s i g n e rf o ru p l i n kc i r c u i ta n dd o w n l i n kc i r c u i tw i t ht h e i d e n t i c a lc a r r i e r , e s p e c i a l l yw i t hl o wn o i s e , h i g hl i n e a r i t y , a u t o m a t i cl e v e lc o n t r o lo f b u r s ts i g n a la n dt r a n s c e i v e rs y n c h r o n i z a t i o ns w i t c h i nt h i st h e s i s ，f o ra b o v e m e n t i o n e dp r o b l e m s ，t h er ff r o n t - e n do ft d - s c d m a w i r e l e s sr e p e a t e rh a sb e e na n a l y z e d t h em a i nc o n t e n t sa l ea sf o l l o w s ： 1 b e c a u s et d s c d m as i g n a li sab u r s ts i g n a l ，t h et r a d i t i o n a la u t o m a t i cl e v e l c o n t r o lc i r c u i ti sn o ta p p l i c a b l e i nt h i sp a p e r , t h en o v e la u t o m a t i cl e v e lc o n t r o lc i r c u i t w i t has a m p l i n ga n dh o l d i n gm o d u l ei ss p e c i a l l yd e s i g n e d ，e x p e r i m e n t sp r o v et h a ti t a p p l i c a n tf o rt h ea u t o m a t i cl e v e lc o n t r o lo f b u r s ts i g n a l 2 t d - s c d m as y s t e mi sat i m ed i v i s i o nd u p l e xm o d e ，a n dt h ea c c u r a c yo ft h e t r a n s c e i v e rs y n c h r o n i z a t i o ns w i t c hi sac o r ep a r t i nt h i sp a p e r , ag p ss y n c h r o n i z a t i o n s o l u t i o ni sa d o p t e d , w h i c hi n v o l v e sd e s i g na n do p t i m i z a t i o no ft h es y n c h r o n i z a t i o n m o d u l ea n dt h ep o w e rm o d u l e 3 p h a s en o i s ew o u l ds e r i o u s l ya f f e c tt h ee r r o rv e c t o rm a g n i t u d eo ft d s c d m a s y s t e m ，t h ep a p e rp r e s e n t st h er e l a t i o n s h i po fp h a s en o i s ea n de v m ，b a s e d o nw h i c h c h o o s et h eb e s tc o s tp e r f o r m a n c ef r e q u e n c ys y n t h e s i z e rp r o g r a m 4 i nt h i sp a p e r , t h et d s c d m aw i r e l e s sr e p e a t e ri sd e v e l o p e d , a c c o r d i n gt ot h e t e s tr e s u l t s ，i tm e e t st h ed e s i g nr e q u e s t ，a n dt e s t i f i e st h ed e s i g ni ss u c c e s s f u l t h ep a p e r h a sc e r t a i nr e f e r e n c ev a l u ef o rt h ed e s i g no f w i r e l e s st d - s c d m a t r a n s c e i v e r k e y w o r d ：t d - s c d m a , u p l i n ks y n c h r o n i z a t i o n , a u t o m a t i cl e v e lc o n t r o lo f b u r s ts i g n a l ， t r a n s c e i v e rs y n c h r o n i z a t i o ns w i t c h 缩略字表 缩略字表 t d s c d m a t 血e d i v i 8 i o 僦舞裟严d i v i 咖 时分同步码分多址 3 g p p t h et h i r dg e n e r a t i o np a r t n e rp r o j e c t第三代合作伙伴计划 w c d m aw i d eb a n dc o d ed i v i s i o nm u l t ia c c e s s宽带码分多址接入 玎u g s m p h s t d d d s p m i m o g p s e m f d d 口3 l n a l o m d s s f d r n f o v s f p a r p c d e i n t e r n a t i o n a l1 e l e c o mu n i o n g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l ec o r r a n u n i c a t i o u s p e r s o n a lh a n d yp h o n es y s t e m t i m ed i v i s i o nd u p l e x d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g m u l t i p l ei n p u t m u l t i p l eo u t p u t g l o b a lp o s i l 5 0 1 1s y s t e m e r r o rv e c t o rm a g n i t u d e f r e q u e n c yd i v i s i 0 1 1d u p l e x 1 1 1 i 】m o r d e ri n t e r c e p tp o i n t l o wn o i s e a m p l i f i e r l o c a lo s c i l l a t o r m i n i n l u n ld e t e c t a b l es i g n a l s p u rf r e ed y n a m i cr a n g e n o i f i g u r e o r t h o g o n a lv a r i a b l es p r e a d i n gf a c t o r p e a ka v e r a g er a t i o p e a kc o d ed o m a i ne r r o r 国际电信联盟 全球移动通信 个人电话系统 时分双工 数字信号处理 多输入多输出 全球定位系统 矢量幅度误差 频分双工 三阶交调截止点 低嗓声放大器 本振 最小可检测信号 无杂散动态范围 噪声系数 正交可变扩频因子 峰均比 峰值码域误差 p l l p h a s el o c k e dl o o p 锁相环 o p s kq u a d r a t ep h a s es h i f tk e y i n g正交相移键控 s a w s u r f a c ea c o u s t i cw a v e 声表面波 a c p r a d j a c e n tc h a n n e lp o w e rr a t i o 邻信道功率比 p p s p u l s ep e rs e c o n d秒脉冲 v i 独创性声明 本人声明所呈交的学位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。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，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 为获得电子科技大学或其它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 确的说明并表示谢意。 签名：盈塑：丝日期：3 7 年歹月i 汨 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，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 i 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：盔立：丝导师签名： 日期：文0 4 墨矗 6 年歹月f 阳 第一章绪论 1 1t d - s c d m a 标准 1 1 1 研究t d - s c d m a 的意义 第一章绪论 2 0 0 0 年5 月，这是一个通信发展史上重要的时刻，代表中国的大唐电信科技 产业集团提出的时分同步码分多址t d s c d m a ( t u n ed i v i s i o ns y n c h r o n o u sc o d e d i v i s i o n m u l t i p l e a c c e s s ) 标准，成功通过了国际电联( i t u ) 的认可。t d s c d m a 成为第三代移动通信三大标准之一，这意味着世界第三代移动通信的发展，必须 要聆听来自中国的声音【l 】。 我们都知道，在前两代通信技术的竞逐上，中国是彻底失败了。中国的通信 设备商，凡是采用c d m a 技术的产品，都要向美国高通缴纳8 左右的专利使用 费。可是现代技术的发展越来越取决于市场，而不是技术，只有占据了市场优势 的适用技术才具有主流地位。中国1 3 亿人口的消费市场，扶起了2 g 时代的g s m ， c d m a 以及p h s 三种技术标准；造就了摩托罗拉、爱立信、诺基亚等移动通信产 业跨国巨头。但就是这样一个庞大市场，却没有给我们留下自主技术标准，没有 带来中国通信巨头。这是很让人痛心疾首的。 归根结底，要改变中国通信产业落后面貌，就必须鼓励发展自主通信技术。 现今，机会来了。1 1 3 s c d m a 是我们具有自主知识产权的标准，因此，无论是政 府还是民众，对它的关注都超过了一项技术的范畴。更多的是寄托了对民族兴旺， 科技强国的愿望1 2 】。 当然，推动t d s c d m a 发展的意义不仅是有利于我国通信行业的发展，从技 术角度来说，大力支持t d s c d m a 也是无可厚非的。它是同步c d m a 技术和先 进的t d m a t d d 系统两项技术的完美结合，正是由于t d s c d m a 自身的技术特 点，因此t d s c d m a 系统具有其他3 g 标准所没有的先天性优势。不需要使用对 称频带，从而大大提高了频谱的使用效率；同时由于其采用的非对称传输方式， 更是移动数据业务的理想选择。t d s c d m a 作为第三代移动通信三大标准之一， 具有系统容量大、频谱利用率高、抗干扰能力强和设备成本低的突出优点。 t d 。s c d m a 作为3 g 标准之一，不仅是国家标准，更是国际标准。不仅要在 电子科技大学硕士学位论文 中国使用，更要走向世界。相比较于w c d m a 和c d m a 2 0 0 0 ，t d s c d m a 的成 本比其他两种技术低3 0 ；并且在单纯技术原理成本完全相同的条件下，中国厂 商生产的产品成本又比欧美公司低5 0 以上，这还是在核心专利和芯片技术掌握 在其他国家手里的条件下实现的；在t d s c d m a 时代，中国厂商将全面掌握核心 技术专利、核心标准、核心芯片等，这其中所降低的成本又会有至少5 0 以上。 因此，t d s c d m a 将使全球运营商部署3 g 的成本仅仅是其他两种3 g 技术的五分 之一甚至更低。如果不采用t d 。s c d m a 标准，欧美厂商将会占据3 g 设备市场主 流地位；如果采用t d s c d m a 标准，将会使中国厂商占据世界3 g 市场主流供货 商地位。一旦t d s c d m a 开始在中国成功，全世界的3 g 运营商都会非常清楚应 该如何选择例。 因此，t d s c d m a 无论是在国内还是国外都是一片晴朗的天空。也正是在这 样的情况下，政府的支持大大超过了以往其它技术的发展。无论在资金上、技术 上还是政策上，政府都给予了t d 最大的支持。 然而，t d s c d m a 的推广，最终还是需要整个t d s c d m a 产业链的共同努 力。无论是终端生产商还是主设备供应商，都要积极推进。采用具有中国自主知 识产权的第三代移动通讯标准t d s c d m a 的全套产品最近首次跨出国门，在罗马 尼亚投入商业运用【4 】。经过数月的谈判，罗马尼亚运营商决定由中国的中兴通讯公 司提供从系统到终端的全套t d s c d m a 产品。这是中国自有的3 g 通讯产品首次 在海外建立商用网，这将是t d s c d m a 标准从中国走向世界的起点。 t d s c d m a 无线收发信机射频前端作为通讯系统的重要部分，其研制意义是 不言而喻的。无论是终端还是中继设备，抑或是基站和测试仪器等系统，都涉及 到收发信机的射频处理技术。可见，整个系统架构都是以t d - s c d m a 无线收发信 机射频前端作为基础的。研制出高性能的收发信机射频前端，对于t d - s c d m a 通 信系统的发展是具有积极促进作用的。 目前，t d s c d m a 还存在一些困难，但是我国仍将力挺t d s c d m a ，因为 这是我国提出的世界标准，对我们的意义至关重大。 1 1 2t d - s c d m a 的发展历程 至今，在国家政府部门的大力支持以及各界人士的共同努力下，t d s c d m a 不断取得重大进展。作为中国第一次提出的3 g 标准，t d - s c d m a 得到了政府和 运营界的关注和支持。我国已经颁布了3 g 频谱规划，为t d d 技术规划了总共 2 第一章绪论 1 5 5 m 的频谱资源，为t d - s c d m a 在未来的发展提供了广阔的空间。同时，国内 多家电信运营商提供有t d s c d m a 试验网，并对t d s c d m a 的未来充满信心。 从无到有，t d $ c d m a 的发展经历了风风雨雨，留下了很多故事，让我们再一次 回顾曾经的辉煌时刻翻，如表1 1 所示： 时间重大事件 大唐电信集团的前身电信科学技术研究 1 9 9 8 年6 月3 0 日院，代表中国提出的t d s c d m a 标准 提交给国际电联。 大唐集团代表中国政府提交的 t d - s c d m a 技术，被国际电联批准为第 2 0 0 0 年5 月 三代移动通信国际标准( 3 g ) ，这是百年来 中国电信发展史上的重大突破。 大唐移动通信设备有限公司挂牌成立，拉 2 0 0 2 年3 月 开中国t d s c d m a 技术全面产业化的序 幕。 2 0 0 2 年1 0 月3 0 日t d s c d m a 产业联盟成立。 t d s c d m a 第二阶段测试启动，9 月完 2 0 0 4 年3 月 成测试和总结。 信产部颁布3 g 三大国际标准之一的“中 国标准 t d s c d m a 为我国通信行业标 2 0 0 6 年1 月2 0 日 准，这意味着这一标准技术方案已经成 熟，能够指导企业进行制造生产。 2 0 0 6 年2 月t d 启动室外测试。 t d 在青岛、厦门、保定三大城市对友好 2 0 0 6 年1 1 月中旬 用户进行放号，放号规模约为2 万户。 中移动将在北京、上海、天津、沈阳、 秦皇岛、广州、深圳、厦门等8 城市建 2 0 0 7 年1 0 月前设的t d 网络室外基站8 6 0 2 个，室内分 布系统3 7 7 2 套，新增的8 个城市要实现 全城覆盖，网络覆盖率超过9 5 。 1 2t d - s c d m a 技术简介 3 电子科技大学硕士学位论文 1 2 1 t d - s c d m a 技术特点 t d s c d m a 综合了t d d 和c d m a 的所有技术优势，具有灵活的空中接口， 并采用了智能天线，联合检测等先进技术，在三个主流标准中，具有最高的频谱 利用率，在系统容量和抗干扰能力等方面也有突出优势。更适合在人口密集的大 中城市传输对称与非对称业务，尤其适合移动国际互联网i n t c r n c t 业务，而网络业 务将是第三代移动通信的主要业务。此外，t d s c d m a 具有我国自主的知识产 权，在网络规划，系统设计，工程建设上成本更低，在技术支持和技术服务方面 也更方便，可大大节省系统建设投资和运营成本嘲 - r j 8 。 1 2 1 1 时分双工模式 接收和发送是在同一频率信道即载波的不同时隙，用保护时间来隔开接收与 发送通道。具有以下优势： 1 频谱灵活性：不需要成对频谱，结合t d s c d m a 低码速率特点，能够有 效灵活地利用现有的频率资源。 2 更高的频谱利用率：可在1 6 m h z 的单载波上提供高达2 m b s 的数据业务 和4 8 路话音通信。 3 支持不对称数据业务：可以根据上下行业务量来自适应调整上下行时隙个 数，提高频谱利用率。 4 有利于采用新技术：上下行链路使用相同的频率，其传播特性相同，功率 控制要求降低，利于采用智能天线，r a k e 等新技术。 5 成本低：无收发隔离的要求，可用单片i c 来实现r f 收发信机。 1 2 1 2 低码片速率 t d s c d m a 系统的码片速率为1 2 8 m c p s ，仅为w c d m a 的码片速率3 8 4 m c p s 的1 3 。使得接收机接收信号采样后的数字信号处理量大大降低，从而降低了系统 设备成本，适合采用软件无线电技术，还可以在目前d s p 的处理能力允许和成本 可接受的条件下采用智能天线、多用户检测、m i m o 等新技术来降低干扰，提高 容量。另外，低码片速率也提高了频谱的利用率。 1 2 1 3 上行同步 所谓上行同步就是上行链路各终端的信号在基站解调器完全同步。这是通过 软件和帧结构设计来实现严格的上行同步。通过上行同步，可以让使用正交扩频 4 第一章绪论 码的各个码道在解扩时完全正交，相互之间不会产生多址干扰，克服了异步c d m a 多址技术中由于每个移动终端发射的码道信号到达基站的时间不同而造成码道非 正交带来的干扰，从而大大提高了c d m a 系统容量和频谱利用率，还可以简化硬 件，降低成本。 1 2 1 4 接力切换 利用智能天线定位用户的方位和距离实现接力切换。两个相邻小区的基站接 收到来自同一个手机的信号。两个基站都对此手机定位，并将结果报告给基站控 制器。基站控制器根据用户的方位和距离来判断手机用户是否移动到应该切换到 另一个基站的临近区域，并告知手机其周围同频基站信息。如果进入切换区，基 站控制器将通知另一基站做好切换准备，通过一个信令交换过程，手机就由一个 小区切换到另一个小区，如同交接力棒一样。这个切换过程具有软切换不丢失信 息的特点，又克服了软切换同时占用临近基站通道资源和服务基站下行通道，形 成资源浪费的缺点，简化了用户终端的设计。同时接力切换还具有较高的准确度 和较短的切换时间，从而提高了切换成功率。 1 2 1 5 智能天线 为提高移动通信系统的复用率，基站覆盖面积，并克服共用通道，多径衰落 等日益严重的问题，智能天线的概念被提出。智能天线有很多优点。它采用空分 复用的概念，利用在信号入射方向上的差别，将同频率，同时隙，同码道的信号 区分开来，所以可以成倍地扩展通信容量，并和其它复用技术相结合，最大限度 的利用有限的频谱资源。同时智能天线具备定位和跟踪用户终端的能力，从而可 以自适应调整系统参数以满足业务要求。根据业务需求变化，为每个小区分配一 定数量的信道，即实现信道的动态分配。此外，智能天线采用波束成型算法增大 了天线增益，提高了接收灵敏度，克服了多径传播引起的系统性能恶化，并大大 降低了多用户干扰和小区间干扰问题。利用智能天线还可以实现接力切换。 1 2 1 6 软件无线电技术 就是在通用芯片上利用软件实现专用芯片的功能。有如下优势： 1 可以克服微电子技术的不足，通过软件方式，灵活完成硬件功能。在同一 硬件平台上利用软件处理基带信号，通过加载不同的软件，实现不同的业务性能。 2 系统增加功能通过软件升级来实现，具有良好的灵活性和可编程性，对环 境的适应好，不会老化。 5 电子科技大学硕士学位论文 3 可代替昂贵的硬件电路，实现复杂的功能，减少用户设备费用支出。 1 2 2t d - s c d m a 的缺点 t d - s c d m a 系统采用时分双工模式( t d d ) ，获得了诸多便利，但也带来一 些问题。首先，t d d 方式对定时和同步要求很严格，规定要达到1 8 码片周期， 上下行切换之间还要设置保护时隙间隔；同时t d d 采用多时隙的不连续传输，对 抗快衰落、多普勒效应能力方面比连续传输的f d d 模式差。目前r r u 对t d d 系 统移动速度的要求是达到1 2 0k m h ；而对f d d 系统则要求达到5 0 0k m h 。另外， t d d 的平均功率和峰值功率的比值随时隙数增加而增加，考虑到耗电和成本因素， 用户终端发射功率不可能太大，故小区半径较小；同时t d d 信号为脉冲突发形式， 采用不连续发射，带外辐射较大，对r f 功能实现提出了较高要求。还有对于t d d 系统来说，为减少基站间的干扰，基站间同步是必须的。这可以采用全球定位系 统g p s ，通过用额外的电缆分布公共时钟来实现，但这也同时增加了基础设施的 费用。总的来说，t d - s c d m a 通信系统还是利大于弊【9 1 。 1 3t d - s c d m a 发展现状 t d - s c d m a 作为中国提出的世界三大3 g 标准之一，尽管得到了v 的承认， 但是其发展却受到国外行业相关利益集团的敌视。只要t d s c d m a 能够在中国成 功的独立组网，那么，必将凭借其高频谱效率和超高性价比的突出优势从而无可 质疑地占据全球最主流3 g 技术标准的地位 为了更快地推进t d s c d m a 的产业化进程，早日形成完整的产业链和多厂家 供货环境，并把企业平稳顺利地领进第三代移动通信市场，于2 0 0 2 年1 0 月3 0 日， 电信科学技术研究院( 大唐电信科技产业集团) 、广州南方高科有限公司、华立集团 有限公司、华为技术有限公司、联想( 北京) 有限公司、深圳市中兴通讯股份有限公 司、中国电子信息产业集团公司、中国普天信息产业集团公司等8 家企业自愿联 合发起成立t d s c d m a 产业联盟【1 0 1 。 t d - s c d m a 产业联盟内部遁过密切的沟通，合理的分工，推动t d - s 。c d m a 产业快速健康发展。目前，各个环节都有多家厂商形成竞争。在手机基带芯片方 面，展讯、a d i 、天暮科技、凯明信息和重邮信科都推出了商用系列芯片【l l 】，其中 尤以展讯表现最为突出，展讯s c 8 8 0 0 型t d s c d m a 手机核心芯片平台已实现 可视电话( v i d e op h o n e ) 功能。 6 第一章绪论 在射频芯片方面，锐迪科推出的产品包括r d a 8 2 1 2 功放和r d a 8 2 0 5 收发器 单芯片收发器( r d a 8 2 0 5 ) - i - 作在1 8 8 0 到1 9 2 0m h z 和2 0 1 0 到2 0 2 5m h z 双频段， 以及9 0 0 m h z 和1 8 0 0 m h z 的g s m 频段。在t d - s c d m a 模式，接收通道采用零 中频架构，它由r f 前端( 低噪声功放和混频器) 、模拟信道滤波器、模拟可编程增 益放大器和一个a d 转换器组成一个数字处理单元处理数字滤波、数字可编程 增益放大( p g a ) 和直流偏移消除。发射通道采用直接上变频架构，它集成了一个低 通基带滤波器、高线性i ，q 调制器、一个大动态范围的r f 可变增益放大器及一个 驱动外部功放的驱动器。 广晟微电子有限公司也成功推出了用于中国3 g 标准t d s c d m a 通信系统射 频收发芯片r s l 0 1 2 r s l 0 1 2 射频收发芯片与外接的功率放大器、射频滤波器和 天线开关即可构成无线通信t d s c d m a 标准手机的射频前端模块，无需中频s a 滤波器和中频锁相环电路。r s l 0 1 2 可在1 8 8 0 1 9 2 0 m h z 或2 0 1 0 - 2 0 2 5 m h z 双频段 工作。芯片内接收机通道集成了低噪声放大器，下变频混频器，自动增益放大器， 低通滤波器，小数分频锁相环，二倍频压控振荡器，直流偏移自动校准电路， r c 自动校准电路及i q 不平衡自动校准电路。发射机通道集成了具有直流偏移校 准功能的低通滤波器，上变频混频器和可变增益放大器。具有集成度高、功能强 大、功耗低和性价比高的特点 鼎芯通讯( 上海) 有限公司开发出c m o s 射频收发器( c i a 0 2 0 ) 和模拟基带 ( c l 4 5 2 0 ) 芯片组，是截至目前能支持展讯、凯明、t 3 g 和重邮等所有基带厂商 数字和模拟两种接口的唯一中国本土射频芯片方案。m a x i m 公司采用独特的零中 频无线方案，推出了m a x 2 3 9 2 接收器，m a x 2 0 5 7 发送器和m a x l 9 7 0 0 基带转换 器。 a d i 公司推出了基于b l a c k f m 处理器的s o r f o n c - l c r 芯片组，能提供制造 t d s c d m a 手机所需要的全部关键功能，包括基带信号处理和控制、模拟接口功 能和射频收发器 目前，手机厂商已经超过2 0 家。其中与t 3 g 合作的手机厂商主要为三星和 u t 斯达康；与展讯合作的手机厂商则是大唐、海信、夏新、英华达、迪比特、联 想、海尔；与凯明合作的则是波导、联想、迪比特、l g ；与a d i 合作的主要有华 立、t c l 、中兴、英华达、海尔、l g 1 2 】。 t d s c d m a 主要设备厂商分别是华为、大唐、中兴和普天【1 3 】，其中华为， 中兴、诺基亚、爱立信和阿尔卡特参与了核心网投标，大唐、普天、中兴、鼎桥、 新邮通信参与无线接入系统招标。生产t d - s c d m a 中继设备的厂家有：京信、汉 7 电子科技大学硕士学位论文 铭、武汉虹信、福建邮科、上海大唐、嘉载等。 测试仪表是t d s c d m a 发展过程中至关重要的一个环节。目前，安捷伦， r & s 、泰克等测试仪表领域的巨臂己经加大了对t d s c d m a 标准的支持力度 1 4 1 ， 我国的众友科技、中创信测等测试仪表企业也在2 0 0 5 年4 月加入了联盟，各种相 应的测试仪器将会陆续出现。 t d s c d m a 产业联盟为t d - s c d m a 的发展壮大创造了机会，但是各方面的 问题也很多，尤其是射频前端技术中的收发同步精确切换和突发信号的自动电平 控制等射频难点。这些技术难点限制了很多小厂商的投资热情，导致了t d - s c d m a 终端生产厂家的数量和范围均有限，可见研制t d s c d m a 无线收发信机射频前端 是非常具有现实意义的，不仅可以抢占市场制高点，对于民族产业的发展都是具 有推动作用的。 目前包括终端以及测试仪器仪表等方面仍存在发展滞后的问题，但由于 t d s c d m a 的诱人市场，各大厂商纷纷加大投资力度，这些问题已经逐步得到缓 解。总之，t d s c d m a 产业一定有个美好的未来。 1 4 论文的主要工作和内容安排 本课题来源于微波系统工程实验室，项目内容是设计应用于t d s c d m a 通信 系统中的无线中继设备。本人主要参与设计了无线中继设备中的射频前端部分包 括接收单元和发射单元，以及同步模块部分。主要工作如下： 1 根据具体指标要求，设计出系统射频单元的方案，细分为5 大模块，计算 出各部分指标。 2 分析各个模块的参数，按照器件的特性设计合理匹配电路，达到最优化的 系统工作效果。具体包括低噪声放大电路和功率放大器电路的设计。 3 采用了超外差方案，一次下变频，经过中频滤波，一次上变频，具有结构 合理、选择性好的优点。 4 系统调试与测试，从时域和频域两个角度，分析测试系统的各项指标，使 之达到t d s c d m a 的设计要求。 本文结构安排如下： 第一章：概述t d s c d m a 标准意义和发展历程，介绍了其技术特点以及发展 现状。 第二章：详细介绍系统设计中涉及到的重要基本原理，分为两个部分：一部 第一章绪论 分介绍射频原理；另一部分讲述t d - s c d m a 信号特点。 第三章：首先介绍了收发信机射频前端技术的重要指标，接着论证指标的合 理性。最后详细阐述系统的设计方案及工作原理，并结合基本原理和仿真工具， 论证方案的可行性。 第四章：重点涉及收发信机具体单元电路的设计，按照系统的功能，主要划 分为五个模块：接收模块、本振模块、发射模块、同步模块和电源模块。其中每 个模块都介绍了设计原理以及器件选择和注意事项，特地介绍了突发时隙的自动 电平控制技术，本振相位噪声对e v m 的影响以及上下行链路切换同步时刻的产 生 第五章：主要介绍t d s c d m a 系统的测试方法，总结了一些设计经验；最后 给出了测试结果，引出结论。 第六章：对全文内容进行了总结，指出了今后的主要研究工作和研究方向， 对关键技术的发展做了一些展望。 最后是致谢、附录、参考文献和研究成果。 研究t d s c d m a 通信系统是比较新颖的课题，关于时分双工方式的无线收发 信机方面的资料很少，因此研制过程中遇到的困难比较多。而t d s c d m a 无线收 发信机射频前端作为通讯系统的核心部分，重要性是很明显的。本文研制的 t d s c d m a 无线中继设备也包含了收发信机射频前端处理技术，也遇到了一些技 术挑战。本文针对收发同步切换技术，本振相位噪声对t d s c d m a 信号矢量幅度 误差( e 订) 的影响，以及突发信号自动电平控制技术都做出了探索性的研究 本课题经过一年多时间的研究，最终形成了一系列的成果，并且通过了微波系统 联合实验室的项目验收，证明了设计是成功的 9 电子科技大学硕士学位论文 第二章系统设计的基本原理 2 1 射频设计基本原理 2 1 1 接收机的架构 接收机最经典的拓扑结构有两种：超外差结构( s u p e rh e t e r o d y n er e c e i v e r a r c h i t e c t u r e ) 和零中频结构( z e r o - i fr e c e i v e ra r c h i t e c t u r e ) ，每种都有其优点和缺 点【1 5 1 。 超外差体系结构的最大优点是具有极佳的选择性，即在强干扰信号下小信号 的处理和选择能力强，而且由于有多个变频级，直流( d c ) 补偿和本振( l o ) 泄 漏问题基本不存在。但超外差结构存在严重的镜像频率( i m a g ef r e q u e n c y ) 干扰 问题，通常它是以较大的硬件成本来获得较好的性能，实现镜像干扰抑制，这需 要高q 值的镜频抑制带通滤波器，其价格昂贵，尺寸较大。超外差体系结构被认 为是最稳定、可靠的接收机拓扑结构，因为通过适当地选择中频滤波器可以获得 极佳的选择性和灵敏度。 零中频接收机解决了镜像干扰问题；同时在节约成本、减小面积和功耗方面 零中频接收机体系结构是极佳的，对于射频前端要求高集成度的接收机来说很具 吸引力。但是，零中频结构存在直流偏置、本振泄露和干扰等难题。 对于t d s c d m a 无线收发信机射频前端采用何种架构来说，如果是应用于终 端设备，为了节省成本和体积，通常选取零中频结构；如果是应用于无线中继设 备，为了抑制带外干扰，提高选择性，超外差结构是合理的选择。 2 1 2 噪声系数 噪声系数是定量描述一个元件或系统所产生噪声程度的指数【1 6 1 ，噪声系数定 义为系统输入信噪功率比与输出信噪功率比的比值： f ：型坠：旦堕1 ( 2 - 1 ) s n r o 。s o | n ， 对于图2 1 所示的二端口网络，其增益为g ，附加噪声功率为n a ，有： 1 0 第二章系统设计的基本原理 s o = g s , n o = g n | + n 。 ( 2 - 2 ) ( 2 3 ) 图2 1 具有增益g 和附加噪声功率n a 的二端n 网络 联合将式( 2 - 2 ) ，( 2 3 ) 代入( 2 1 ) 得： f ：墨! 丝：堕( 2 - 4 ) g s i | n og n l 因此： o = 州 ( 2 - 5 ) 两边取对数，且通常用分贝值来定义噪声系数，则上式为： n o ( d s ) = n f + g ( d b ) + m ( d s ) ( 2 - 6 ) 式( 2 6 ) 表明，以分贝值计算，通过二端口网络后，输出噪声功率是输 入噪声功率加上噪声系数和增益。因为元件或系统的噪声系数( n f ) 与输入 噪声无关，是其本身固有的特性，故噪声系数( n f ) 的定义是基于在室温下， 带宽为b 的标准输入噪声源n i 而言的。n i 由下式给出： m=kbt(2-7) 即带宽为b 的热噪声功率。则： 乙= n o g k b t = ( f i ) g k b t ( 2 _ 8 ) f：l(2-9) g k b t 对于n 个二端口网络的级联，总的噪声系数为： 足唧等+ 嚣 墨二! ( 2 - 1 0 ) g 1 g 2 q 4 上式用来计算多级级联网络噪声系数，可以看到：要使系统总的噪声系数低， 电子科技大学硕士学位论文 第一级的增益和噪声系数至关重要，若系统第一级具有高的增益，则系统总的噪 声系数基本等于第一级噪声系数，因此要降低接收机的总噪声系数，系统第一级 不但要具有低噪声系数，还要有高增益。注意，在使用式( 2 1 0 ) 时，所有的f 和g 都是倍数而不是d b 。 需说明的是，对于滤波器、混频器等损耗性电路，其损耗就是噪声系数，且 增益是损耗的倒数，即：若一个损耗为l 的网络，其增益为l l ，噪声系数为l 。 2 1 3 接收机灵敏度 接收机灵敏度定义是在给定接收机解调器前要求的输出信噪比的条件下，接 收机的所能检测的最低输入信号电平。可以看出，灵敏度与所要求的输出信号质 量即输出信噪比有关，还与接收机本身的噪声系数大小有关。下式为接收机灵敏 度与这些参数之间的简单近似关系式： s = - 1 7 4 d b m + n f + 1 0 1 0 9 b + k s n + k m ( 2 1 1 ) 其中：s = 接收机灵敏度，单位d b m ； n f = 接收机噪声系数，单位d b ； b = 检波前的中频带宽，单位h z ； k 瞰= 信号检波所需的( s + n ) n ，单位d b ； k m = 调制特性的函数，与信号调制类型有关，单位d b 。 k s n 和k m 是两个与接收信号特性相关联的系数，它们表明了接收机的灵敏度 与信号的调制类型以及信号的用途有关。可见，若要提高灵敏度，只有降低接收 机噪声系数和减小中频带宽。本文研制的t d s c d m a 无线中继设备，针对的传输 信号是三载波信号，带宽近似为5 m h z ，所以要想提高灵敏度，只有降低接收机噪 声系数。 2 1 4 接收机的线性度 衡量射频系统的一个很重要的参数是线性度。在工程应用中，一般用1 - d b 压 缩点( 1 d bc o m p r e s s i o np o i n t ) 和三阶交调点( t l l i 司o r d e ri n t 盯c e p i ) 来描述系统的非线 性。l d b 压缩点就是实际输出响应与它线性响应的延长线在输出功率差l d b 时的 输入功率，称为输入l d b 压缩点，用p j n ，l f l b 表示输入l d b 压缩点电平，p 毗1 曲表 示输出l d b 压缩点电平，可知： 第二章系统设计的基本原理 1 胡= 圪1 + g + l d b ( 2 1 2 ) l d b 压缩点定量描述了网络在大信号输入时的失真特性。我们总是希望系统工 作在线性范围内的，所以输入功率一般以l d b 压缩点为上限。 三阶互调截断点是描述线性系统中器件非线性特性即三阶互调失真的重要指 标h 7 1 。通常将有用信号功率的延长线与三阶互调失真功率的延长线的交点称为三 阶互调截断点。系统的三阶截断点不能直接测量，但是可以根据下式计算得到： i p 3 = r s + 民 ( 2 一1 3 ) 其中：i p 3 是输入三阶截断点，单位d b m ： r s 是基波分量对三阶互调量的相对抑制度，单位d b ； 是在测量r s 时的等幅双音信号功率，单位d b m 。 上式中相对抑制度r s 单位为d b ，是在某一特定功率等幅双音信号输入时， 在系统输出端测量到的基本分量对三阶互调量的抑制度。 级联系统的总输入三阶互调量计算公式： z = ( 亩+ 爱+ 等+ + 等 协 三阶截断点值越大，则带内强信号互调产生的杂散响应对系统的影响就越小。 然而高三阶截断点与低噪声系数是一对矛盾，因此，在对接收机线性度和噪声系 数均有要求时，接收机设计必须在这两个指标间折中考虑。 2 1 5 接收机的动态范围 接收机能够处理的信号是有个范围的，这个信号的下限和上限就是动态范围， 它决定了一个系统处理各种功率水平的信号的能力。 动态范围