（电磁场与微波技术专业论文）mimo移动终端射频前端发射模块的研制.pdf

摘要 m i m o 移动终端射频前端发射模块的研制 硕士生：康炜 指导老师：朱晓维教授周健义副教授 摘要 随着移动通信技术向着移动多媒体的方向发展，要求一种能够提高通信系统 的容量和频谱利用率的无线通信方案，m i m o ( m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t ) 技术就是在这种情况下被提出。它可以在传输特性恶劣的无线信道中实现高速数 据传输，具有广阔的应用前景。 本课题针对m i m o 移动终端射频前端发射模块进行了研究，讨论系统方案并 最终实现硬件电路。该发射模块采用时分双工方式，共包括收发切换电路、本地 振荡源和四路发射通道。射频通道工作于2 4 g h z ，发射机采用直接调制方案。 每路通道包括i q 正交调制、预放、自动功率控制( a p c ) 、功放和收发切换等模 块子电路，模块提供与基带处理部分接口，可以和接收通道一块构成完整的m i m o 实验通信系统。 本文就m i m o 系统对射频前端的指标要求，讨论了射频收发系统的设计方法， 确定了系统方案，进行了系统仿真。然后选择适当的芯片设计电路，并重点分析 了各子模块主要的性能指标。本文还对m i m o 移动台射频子系统的控制技术进行 了研究，提出了一种易于实现的射频子系统中的控制模块方案。最后介绍了硬件 调试方法，完成了硬件调试工作，并记录下试验结果。测得的发射机最大功率、 最小功率、三阶交调及a c p r 等符合预期的设计指标，达到了实验的目的。 关键词：m i m o ，射频前端，直接调制，控制技术 东南大学硕士学位论文 = r e s e a r c ho nt r a n s m i t t i n gm o d u l eo f r ff r o n t e n df o r m i m om o b i l et e r m i n a l m s d e g r e ec a n d i d a t e ：k a n g w e i s u p e r v i s o r ：p r o f w e ih o n g ，a s s o c i a t ep r o f z h o uj i a n y i a b s t r a c t w i t ht h eg r e a td e v e l o p m e n tf o rm o b i l em u l t i m e d i a ，t h e r ei sm o r ea n dm o r e a t t e n t i o nf o c u so nt h em i m o ( m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t ) c o m m u n i c a t i o n t e c h n i q u e ，w h i c hc a l li m p r o v et h ec a p a c i t yo ft h es y s t e ma n df r e q u e n c yu t i l i z a t i o n e f f i c i e n c y t h et e c h n i q u ec a nr e l i a b l ya c h i e v eh i g hd a t ar a t ei nal i m i t e df r e q u e n c y b a n d w i d t hw i t hc o m p a r a b l yl o wc o s t t h i sp a p e rf o c u s e so nt h er e s e a r c ho ft r a n s m i t t i n gm o d u l eo fr ff r o m e n df o r m i m om o b i l et e r m i n a l ，i n c l u d i n gt h et h e o r e t i c a la n a l y s i sa n di m p l e m e n t a t i o no ft h e c i r c u i t s t h et r a n s m i t t i n gm o d u l e ，w h i c hi st d ds c h e m e ，w o r k sa t2 4 g h za n d c o n s i s t so fat rs w i t c h al o c a lo s c i l l a t o ra n df o u rt r a n s m i t t e rc h a n n e l s t h e t r a n s m i t t e ra d o p tt h es c h e m eo fd i r e c tm o d u l a t i o n ，w h i c hc o n s i s t so fs e v e r a lc i r c u i t s e l e m e n t ss u c ha sa ni qq u a d r a t u r em o d u l a t o r , ap r e a m p l i f i e r , a na g cc i r c u i t ，a p o w e ra m p l i f i e r ，at rs w i t c h ，a n dap l lf r e q u e n c ys y n t h e s i z e r s ，e t c a l lt h ep a r t s o ft r a n s m i t t e ra r ei n t e g r a t e di nam o d u l e t h et r a n s m i t t e ra n dt h er e c e i v e rc a nb e c o m b i n e dw i t ht h eb a s e b a n dp r o c e s s i n gm o d u l et ob u i l du pa nm i m od e m o n s t r a t i o n c o m m u n i c a t i o ns y s t e m a c c o r d i n gt ot h ed e m a n d so ft h em i m os y s t e m t h ep a p e rd i s c u s s e st h ed e s i g n t h e o r i e so ft h er ft r a n s m i t t e ra n dp r o v i d e sap r a c t i c a ls c h e m eb a s e do ns o f t w a r e s i m u l a t i o n s ，i n t r o d u c e st h es e l e c t e di ca n di m p l e m e n t st h ec i r c u i t s t h ec o n t r o l t e c h n i q u e sf o rr ff r o n t - e n do fm i m 0m o b i l es t a t i o n sa r ed e s c r i b e d t e s t i n gr e s u l t s a l o n gw i t ht h ea n a l y s i so ft h e i rp e r f o r m a n c e ss h o wt h a tt h er ft r a n s m i t t e rf o rm i m o c o m m u n i c a t i o n s y s t e mi ss t a b l ea n ds a t i s t i e st h er e q u i r e m e n t s k e yw o r d s ：m i m o ，r ff r o m - e n d ，t r a n s m i t t e r , d i r e c tm o d u l a t i o n ，c o n t r o lt e c h n i q u e s 东南大学硕士学位论文 y 9 二3 0 0 7 0 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个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润：和致谢的地方外，论文巾不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果，也币包含为获得东南人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 志刈本研究所做的仟何贡献均已在论文巾作了叫确的说明并表示了谢意。 研究生签名：鏖聋口期： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复e | j 件和 r 乜l 子义档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内 容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被套阅和借阅，町以公斫j ( 包括刊赣) 论文的 全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南人学研究生院办理。 研究生签名：鏖竖导师签名： 阜丛日期 m i m o 移动终端射频前端发射模块研制 1 1 背景 第一章绪论 移动通信诞生以来，其发展速度令人惊叹。综观全球，信息产业技术的应 用正在全方位地向社会各个领域渗透，新的技术和产品正以几何级数的速度和规 模增长。第二代移动通信系统正在以前所未有的速度发展着；第三代数字移动通 信系统处于商用化的前夕，它将能提供语音、数据、视频等多媒体业务。下一代 移动通信系统( b e y o n d3 g ) 的研究工作也正在展开。目前许多著名通信公司已经 投入巨资研究下一代移动通信系统。日本n t td o c o m o 公司早在1 9 9 7 年就已经启 动下一代移动通信系统的开发研究工作，并于2 0 0 1 年6 月向国际电联提交了有 关建议；西门子正积极与国内外颇具实力的高校进行下一代移动通信系统的合作 研究；爱立信也己宣布进行第四代手机的研发。 下一代移动通信系统主要有以下性能特点： ( 1 )传输速率在低速移动和固定情况下达2 0 m b p s ，在高速移动情况下达 2 m b p s ； ( 2 ) 容量达到3 g 系统的5 1 0 倍，传输质量相当于或优于3 g 系统； ( 3 )小区覆盖范围等于或大于3 g 系统； ( 4 ) 在不同速率间能够自动切换，以保证通信质量； ( 5 )网络的比特成本低于3 g 系统。 下一代移动通信系统的关键技术是从2 g 和3 g 的关键技术演进而来的。因此 改进后的3 g 关键技术也是下一代移动通信系统的核心技术。新- - 代移动通信 ( b e y o n d3 6 4 g ) 将可以提供的数据传输速率高达1 0 0 m b i t , s ，甚至更高，支持 的业务从语音到多媒体业务，包括实时的流媒体业务。数据传输速率司以根据这 些业务所需的速率不同进行动念调整。新- 4 - k ：移动通信的另一个特点是低成本。 这样在有限的频谱资源上实现高速率和大容量，需要频谱效率极高的技术。下丽 简要介绍一下目前；_ i l 现的b e y o n d3 ( ；新的技术。 1 智能天线 智能天线是一个由多组独立天线组成的天线阵列系统，该阵列的输出与收发 信机的多个输入相结合，可提供一个综合的时空信号。与单个天线不同的是，天 线阵列系统能够动态地调整波束的方向，以使每个用户都获得最大的主瓣，并减 东南人学f i | i ：学位论义 m i m o 移动终端射频前端发射模块研制 小了旁瓣干扰。这样不仅改善了s i n r ( s i g n a l t o i n t e r f e r e n c ea n dn o i s er a t i o ， 信号干扰比) ，还提高了系统的容量，扩大了小区的最大覆盖范围，减小了移动 台的发射功率。 2 软件无线电 软件无线电是指研制出一个完全可编程的硬件平台，所有的应用都通过该平 台上的软件编程实现。换言之，不同系统的基站和移动终端都可以由建立在相同 硬件基础上的不同软件实现。该技术将能保证各种移动台、各种移动通信设备之 间的无缝集成，并大大降低了建设成本。软件无线电在移动通信中的应用，将根 本改变移动通信的网络结构，实现有线网与无线网融合并能容纳各种标准、协议。 提供更为开放的接口，最终大大增加网络的灵活性。 3 o f d m 正交频分复用技术( o f d m ) 其实是m c m ( m u l t i - c a r r i e rm o d u l a t i o n ，多载波 调制) 的一种。其主要思想是：将信道分成许多正交子信道，在每个子信道上进 行窄带调制和传输，这样减少了子信道之间的相互干扰。每个子信道上的信号带 宽小于信道的相关带宽，因此每个子信道上的频率选择性衰落是平坦的，大大消 除了符号问干扰。与相同传输速率的单载波系统相比，o f d m 的每个子信道码元 宽度是前者码元宽度的n 倍，且其宽度远远大于信道的时延扩展。因此，o f d m 的每个子载波均具有极强的抗码间干扰的能力。 4 m i m o 多入多出( m i m o ) 技术是下一代无线移动通信领域的重大突破。m i m o 能在不 增加带宽的情况下成倍地提高通信系统的容量和频谱利用率。它充分丌发空间资 源，利用多个天线实现多发多收，在不需要增加频谱资源和天线发送功率的情况 下，可以成倍地提高信道容量。普遍认为，多入多出将是新一代移动通信系统必 须采用的关键技术。由于o f d m 技术的多载波之间相互正交，吲以高效地利用频 谱资源，而且o i - d m 将总j 特宽分割为若干个窄j 轷予载波可以有效地抵抗频率选择 性衰落。因此可以充分刀：发o f d m 和m i m o 这两种技术的潜力，将二：暂结合起来使 之成为新一代移动通信核心技术的解决方案。 多入多出技术早在7 0 年代就有人提出将多入多出技术用于通信系统，但是 对无线移动通信系统多入多出技术产生巨大推动的奠基工作则是9 0 年代由a t & t b e l l 实验室学者完成的。1 9 9 5 年t e l a d a r 给出了在衰落情况下的m i m o 容量；1 9 9 6 年f o s h i n i a 给出了一种多入多出处理算法对角一贝尔实验室分层空时 ( d - b l a s t ) 算法；1 9 9 8 年t a r o k h 等讨论了用于多入多出的空时码；l9 9 8 年 w o n i a n s k y 等人采用垂直一贝尔实验室分层空时( v b l a s t ) 算法建立了一个m i m o 实验系统，在室内试验中达到了2 0b j t s i l z 以上的频谱利用率，这一频谱利用 率在普通系统中极难实现。这些二 作受到各国学者的极大注意，并使得多入多出 东南人学f 研i 学位论义 m i m o 移动终端射频前端发射模块研制 的研究工作得到了迅速发展。 目前m i m o 技术的应用领域还主要是在固定无线接入，这方面领先的是美国 的r a z e 和i o s p a n 公司。但由于m i m o 在提高无线链路的传输速率和可靠性的巨 大潜力，世界各国和各大电信厂商目前都已经开展了这方面的研究。m i m o 技术 已经成为目前b e y o n d3 ( ；研究的热点。 1 2e l e o 无线通信系统简介 在采用多天线发送和多天线接收的无线通信系统中，如果不同发射天线间的 距离足够远且不同接收天线问的距离也足够远，使得各个发射天线到各个接收天 线之间的传播信号可认为是互相独立的，则称这样的多天线信号传输信道为 m i m o 信道，而具有m i m o 信道的一个通信系统被称为m i m o 系统。采用m i m o 多天 线发送和接收结构，可以充分利用空间分集的手段在空问域上获得更大的信道容 量增益，从而满足高传输速率、高传输性能和高系统业务容量的要求。 瓯上。 v t x 。一8 2r 2 lv t x m 一8 mr n 幽1 1m i m 0 系统原理 m i m o ( m u l t i p l ei n p u tm u t i p l eo u t p u t ) 是一种能够有效提高衰落信道容 量的新技术。m i m o 在发送方和接收方都有多付天线，因此可以看成是双天线分 集的扩展。但不同之处在于m i m o 中有效使用了编码重用( c o d er e u s e ) 技术， 用相同的信道编码和扰码调制多个不同的数据流。如图卜1 所示：若基站使用m 付天线、n 个扩频码，则一个数据流可以被分成m n 个子数据流，每个扩频码 对m 个子数据流进行扩频，然后这些数据将被加上相互正交的导频并被同一扰码 加扰，最后分别被送入m 付天线。这样，发送端发送的各路子数据流所使用的扩 频码、发射天线不会完全相同，减少了干扰。接收端也使用了多付天线且天线数 m 满足m m 。在接收端使用不同扩频码的子数据流可以利用扩频码的f 交性 分离出来，对于采用相同扩频码的子数据流，需要利用不同天线的非相关性来区 m i m o 移动终端射频前端发射模块研制 分。为了保证相同扩频码的各个子数据流能够有效分离，各个天线之间必须保持 较大的距离，以防止信号的相关干扰。 m i m o 系统可以大大提高数据传输速率( 达到1 4 4 m b p s 至2 1 6 m b p s ) ，同时 也能提高系统容量。然而，m i m o 天线会造成移动台和基站的复杂度增加。研究 表明，配有4 付天线的移动台的复杂度是单天线的2 倍。 为了充分利用m i m o 的信道空间，人们提出了不同的空时处理方案，其中最 引人注目的就是b l a s t ( b e l ll a b o r a t o r i e sl a y e r e ds p a c e t i m e ) 。采用b l a s t 技术可以利用在传统传输中不可避免的有害的多径提供的空间并行性来极大地 提高比特率。在采用b l a s t 的系统中，多径越多越好，这是与传统思想显著不同 的一点。但是，b l a s t 系统一般只适用于信道极窄的情况。如果接收端采用 m i m o d f e ( m u l t i p l e i n p u tm u l t i p l e o u t p u td e c i s i o n f e e d b a c ke q u a l i z e r ) 技术，则b l a s t 也可以适用于频率选择性信道等更般的情况。 b l a s t 又分为d - b a l s t ( d i a g o n a lb l a s t ) 和v b l a s t ( v e r t ic a lb l a s t ) 等几种。d - b l a s t 是- 7 中基于空时的技术，它提出了一种在固定带宽和固定发 射功率的情况下，容量随n 增长而线性增长的系统，这为在有限的频率资源下充 分提高频谱利用效率提供了广阔的应用前景。在d - b l a s t 中，如果接收天线数目 增加将有助于信道间干扰的减少，但是其运算极其复杂，因此贝尔实验室又进一 步提出了v - b l a s t 算法。v - b l a s t 中同样基于m i m o 技术，且假设发送端不知道 信道特性。在接收端，高速信号处理器同时检查所有接收天线的信号流，首先分 离出最强的信号流，然后将该信号流视为干扰并消除，再进行次强信号流的检测， 直到把所有的信号流都检测完毕。 具体到本课题的m i m o 系统研究，主要任务是面向未来的移动通信系统频 段，研制适用于终端或基站的分布式或多天线结构及相应的射频前端，以支持未 来的多输入多输出( m i m o ) 系统应用。这种多通道的射频模块的研究包括低噪 声大动态范围接收机研制、高线性大动态范围发射机研制、射频模块小型化研究 及高稳定度低相噪的频率合成器研制等。 1 3 课题内容及论文安排 本课题研制了m i m o 移动台射频前端的发射模块，并能与基带部分构成一个试 验的数据通信系统。 首先，根据m i m o 系统指标确定系统方案，然后利用e d a 软件对系统进行分析 和仿真。根据仿真结果选定芯片。然后对各个芯片进行测试，以了解其性能，确 定其最优化工作状态。然后画出电路板搭建系统，对电路进行调试，对各级电路 进行匹配，优化其工作性能，以达到预定技术- 丁日i 。孙- - 。最后记录测试结果。 m i m o 移动终端射频前端发射模块研制 本论文共分为六章： 第一章为绪论，介绍本课题提出的背景，然后简要介绍m i m o 通信系统的组 成及技术难题。 第二章为射频前端系统方案设计。描述了系统方案的构成，给出射频部分的 主要技术指标，并描述了移动台射频前端实际的结构和与基带部分的接口定义。 第三章为射频发射通道的设计。介绍了系统方案，针对系统对发射通道的技 术要求，对主要指标进行分析，进行了系统仿真。 第四章为发射模块主要单元电路的设计。首先描述发射通道的各个部分组 成，然后对主要芯片进行测试，进行结果分析。另外本章还介绍了射频前端关键 部分之一的本地振荡源的设计。描述了锁相式频率合成器的原理，及本地振荡源 模块的组成。最后给出了应用于m i m o 移动终端射频子系统控制板的实现，介绍 了控制板的硬件实现和软件实现。 第五章为发射通道测试过程及结果。首先介绍系统的测试仪器及测试方法， 然后给出测试结果，并对其进行分析。 第六章为本课题的总结工作。 m i m o 移动终端射频前端发射模块研制 第二章m i m o 移动终端射频前端介绍 2 1 射频前端系统方案 射频前端子系统作为移动通信系统的关键组成部分，为通信系统提供信息传 输的无线空中信道。射频电路对整个系统的构造和性能是至关重要的，一直是系 统研究和开发的难点和重点之一。例如在移动终端上，不仅要求体积小、重量轻、 电路结构紧凑，而且要求低工作电压、低功耗，这都需要特殊设计手段和专门的 调试经验。未来无线通信系统的分布式接入和宽带等特征更对射频系统和电路的 设计提出了更高的要求，实现射频子系统的某些指标要求更严，如系统的信噪比、 滤波器的群时延、带内信号的平坦性等。 在本课题m i m o 系统研究中，射频技术的研究将面向未来的移动通信系统频 段，研制适用于移动台的分布式或多天线结构及相应的射频前端，以支持未来的 多输入多输出( m i m o ) 系统应用。包括低噪声大动态范围接收机研制、高线性大 动态范围发射机研制、射频模块小型化研究、高稳定度低相噪的频率合成器研制 等。 接收机是要从众多的电波中选出有用信号，并放大到解调器所要求的电平值 后再由解调器解调，将频带信号变为基带信号。由于传输路径上的损耗和多径效 应，接收机接收的信号是微弱且又变化的，并伴随着许多干扰，这些干扰信号强 度往往远大于有用信号，因此接收机的主要指标是灵敏度和选择性。 灵敏度的定义是接收机接收微弱信号的能力，它取决于接收机前端的噪声底 数。由于所接收的信号强弱的变化和可能伴随强干扰信号，导致恶化输出信噪比， 因此要求有较大的线性动态范围。研究和开发高性能的腔体滤波器、低噪声放大 器和高线性的后端接收器件是提高系统的接收灵敏度和动态范围的关键。对于移 动台的接收模块设计，由于体积和功耗受限，为了提高系统的接收灵敏度，必须 通过可靠的系统仿真合理地选用器件，通过精心的布线来获得好的噪声性能。而 在接入点中，由于体积和功耗的限制相对减弱，可以通过对一些关键模块如腔体 滤波器、低噪声放大器进行重点分析和设计，来提高系统的接收灵敏度和动态范 围。 接收机还必须有较好的选择性。因为接收机要从众多电波中选出有用信号而 抑制二f 扰。这个问题的难度在于要在位于极高频率( 2 4 g h z ) 处从i 、白j 隔只有2 0 m l - t z 的各信道中选出有用信道。由_ - j 二相剥带宽小，要求中频滤波器q 值极高。 m i m o 移动终端射频前端发射模块研制 发射机射频部分的任务是完成基带信号对载波的调制，将其变为通带信号并 搬移到所需的频带上且有足够的功率发射。发射机发射的信号是处于某一信道内 的高频大功率信号，应尽量减少它对其他相邻信道的干扰，发射机主要的指标是 功率和效率。 m i m o 通信系统对于射频发射模块的线性和效率要求很高。其中，功率放大 器是产生非线性失真和影响效率的主要射频部件。为了改善功率放大器的线性特 性，人们通常采用大功率放大器回退使用，预失真和前馈等方法。 未来无线通信系统的分布式接入的特点不仅对移动台的体积、重量功耗等提 出了要求，而且对系统接入点的射频前端也提出了要求。因此必须进行射频模块 小型化研究，其中射频电路的集成化和印制电路板( p c b ：p r i n t e dc i r c u i tb o a r d ) 的多层布线是关键技术。 m i m o 系统移动台部分包括四个接收通道、四个发射通道、本振部分和控制 部分。四路接收和发射通道大致相同。每一路的系统框图如图2 一l 所示： 基 带 电 路 模 块 1 嚣“h 预放h 燃h 契装 蒜pll卜开关h 鬈篓振荡源li “li 滤波 1 锉雾“h 中放h s a wh 下变频h 滤波h 。m 图2 1m i m o 移动台射频前端的系统框图 发射部分采用近年来国际上通行的直接调制方式，信号直接从基带转换成射 频信号。直接调制发射机相对传统的发射机省去了一级上变频，同时减少了滤波 器的数量，而且直调方案只要一个p l l 振荡源，结构简单，缩小尺寸，简化设计。 基带信号经过d a c 之后，将i q 两路基带模拟信号交由i q 正交调制器直接调制 为2 4 6 h z 射频信号，经过两级放大和一级衰减器进行预放和增益控制，再至射 频滤波器滤除镜像频率和杂散混频积，然后通过功率放大器为发射信号提供足够 的输出功率。最后经收发开关使收发端隔离。丌关之后用一射频滤波器进行初略 滤波，再将信号送至发射天线。 接收机通常有零外差接收方案和超外差接收方案。零外差方案又叫直接变换 方案。是一种直接将射频信号转换成基带信号的拓扑方案。射频信号和本振( l 0 ) 输出进行混频，使信带的中心频率直接变为零频。该方案结构简单，省去了高损 m i m o 移动终端射频前端发射模块研制 耗、体积大且较为昂贵的中频声表滤波器。但是它有三个不可克服的问题：d c 泄露，i q 不匹配和本振泄露。而传统的超外差式结构是最为普遍的且能够实现 良好信道选择特性的接收机结构。它可以很好的避免上面三个问题。所以本系统 接收方案采用超外差式结构。接收的r f 信号首先经过射频滤波器和切换开关后， 进行低噪声放大，再通过衰减器、镜频抑制滤波器和下变频器转换为频率为 7 0 m h z 的中频信号。接收中频信号送至中频声表面滤波实现信道选择后经中频 a g c 放大器实现增益控制。中频信号经过i q 解调器输出i q 两路基带信号后进 行放大、低通滤波后输出给基带。 m i m o 系统的射频部分工作频率为2 4 g h z ，接收部分的中频定为7 0 m h z ，因 而需要三个本地振荡源。三个本振环共用一个晶振，分别提供发射部分的调制部 分2 4 g h z 、接收部分混频部分2 4 7 g h z 以及正交调制部分所要求的中频本振的 二倍频1 4 0 m h z 。该部分的频率合成器提供了锁相环路、压控振荡器和环路滤波 器。本振部分包括两个双环锁相式频率合成器、两个射频分频器、一个中频分频 器和每路的放大器。 在移动台射频子系统中，为了使收发信道协同工作，并和基带信号处理电路 进行交互，需要引入控制电路。控制板主要任务是控制四路收发通道的工作状态， 包括频率合成器的设置，发射功率控制，接收增益控制及监测收发通道的工作状 态等；通过串口与基带系统和计算机数据通信。 2 2主要技术指标 1 系统指标 工作频带：2 4 0 0 - - 2 4 8 0 m h z 载波频率：2 4 0 0 + n 5 m h z ，n = 2 ，6 ，1 0 ，1 4 射频信道问隔：2 0 m h z 双工方式：t d d 2 发信机指标 平均输出功率：2 5 d b m ( 2 2 d b mf o rm t ) 最大输出功率：2 8 d b m 发信机开启时间： 1 0 0 u s 发射功率控制范围：3 0 d b 1 d bs t e p 发射功率控制设置时间： 毒：。 罾呕p 莎 + 厌卜一 5 w 2 i 驾3 4 两次变频发射机 这种方案本振频率和发射的频率不同，功放和本振之问有良好的隔离度，可 以减弱直接变换法的缺点。而且i q 调制在中频上进行，可以实现较好的相位平 衡和幅度平衡特性。但是该方案需要较多的器件，系统比较复杂，成本较高。而 且在第二次上变频后必须采用滤波器滤除另一个不要的边带，为了达到发射机的 性能指标，对这个滤波器要求比较高。 3 数字中频方案 随着数字技术的发展，中频调制器也可以用数字可编程逻辑电路实现，这就 是最近较为流行的数字中频方案。在数字中频方案中，i q 调制是在转换成模拟 信号以数字符方式进行的，因此可以获得良好的幅度和相位平衡性，改善e v m 丁e j - i 。仲c - 。图3 5 和图3 - 6 分别给出了数字中频方案单载波和多载波的发射机功能框 m i m o 移动终端射频前端发射模块研制 图。在多载波中，数字中频方案更体现了它的优越性，它在数字域实现多载波 q p s k 调制，然后采用宽带中频技术和高线性度功放，极大的节约了成本。 基带q 基带i 图3 5 单载波的数字中频方案 图3 - 6 多载波的数字中频方桑 结合本课题的技术指标，综合考虑，在本设计中采用结构较为简单的直接 调制方案，四路发射系统结构相同，每_ 路具体结构如图3 7 所示。将i q 两路 基带模拟信号交由i q 正交调制器直接调制为2 4 g h z 射频信号，经过两级放大 和一级衰减器进行预放和增益控制、再至射频滤波器滤除镜像频率和杂散混频 积，后通过功率放大器为发射信号提供足够的输出功率。最后经收发开关使收发 端隔离。开关之后用一射频滤波器进行初略滤波，再将信号送至发射天线。 图：3 7m i m o 移动台发射机方案 东南人学顺1 j 学位论义 q + q 一 3 2 移动台射频发射模块主要技术指标介绍 在设计发射机之前，首先必须对无线电收发系统的技术指标作全面的分析。 ( 1 ) 载波频率，基带占的频带宽度。 ( 2 ) 发射功率大小，发射机中心频率。 ( 3 ) 发射机频谱纯度要求，杂散及谐波要求。 ( 4 ) 发射机频带宽度，带内功率波动。 ( 5 ) 是否需要a l c ( 自动电平控制) 。 ( 6 ) 其它要求。 发射机线性度要求，双音输入三阶互调指标，信号的动态范围等。 对发射机的要求是多方面的，功率、频率是最基本的。现代通信体制对发射 机提的要求侧重于高纯频谱及线性度。 具体来说，移动台发射通道的主要技术指标可以分为信道内指标、信道外指 标和信带外指标。理解这些性能指标的含义，可以有助于我们选择合适的元器件， 分析电路和设计电路。 3 2 1 载波频率 发射机的频率选择涉及的因素很多。首先是要遵循无线电管理委员会的法 规，申请使用频谱的权利。然后要考虑到发射信息的特点。发射机频率选择还与 带宽有关，宽带信号中心频率宜选的高些。 在信道传输过程中，频率误差会导致发射机对相邻信道产生干扰，同时会给 同时工作的接收机带来影响。在设计的过程中必须确保发射机工作在正确的频段 上，而且无论采取那种调制方式，载波频率必须位于频谱的中央，在实际的测试 中可以通过测量3 d b 带宽的中心来确定载波频率。 3 2 2 发射功率 功率是一切无线通信系统最基本的参数。发射机功率选择涉及很多因素，主 要取决于调制方式，信噪比要求，传输距离，电磁传播环境，天线的形式、架高、 频带等因素。在无线系统中就是要保证正常的通信功能下用尽可能小的功率。发 射功率必须有一定的限制，如果功率太小，经过无线信道的各种衰落后就有可能 达不到接收机正常接收的最低功率值，无法完成丁f 常的通信功能或影响移动通信 系统工作的质量。如果功率太大，又会对临近其它的通信系统产生干扰，因而发 射功率必须受到严格的控制。本系统发射功率预定为3 0 d b m 左右，选择好各级器 件后，发射通道的功率预算和增益分配如表3 1 所示： 东南人学坝f j 学位论义 1 4 m i m o 移动终端射频前端发射模块研制 芯片输入功率输出功率增益( d b ) ( d b m )( d b m ) 调制器r f 2 4 8 4 1 v p p 2 0 放大器 $ g a 5 4 8 6- 2 06 51 3 5 衰减器 h m c 2 7 36 59 5- 3 一 放大器 s g a 6 4 8 69 5b1 4 5 射频滤波器 l f s n 2 5 n16 c 2 4 5 0 b523 开关 s p m 3 2 1 4 2 11 功放 a m 5 2 - 0 0 2 4 1 3 0 2 9 开关 s p m 3 2 1 43 02 9一l 射频滤波器 l f s n 2 5 n16 c 2 4 5 0 b2 92 6- 3 表3 1 发射通道功率预算和增益分配表 3 2 3 占用带宽 占用带宽的概念和信道功率密切相关。它指示的是在占已调信号总共功率一 定百分比( 一般为9 9 ) 的信号功率覆盖频谱有多宽。任何谐波和交调产生的 干扰都应该在占用带宽之外。 3 2 4 峰均功率比和c c d f 曲线 峰均功率比和c c d f 曲线是在时域上进行的统计测试。峰均功率比定义为信 号的峰值功率和平均功率之比。c c d f ( c o m p l e m e n t a r yc u m u l a t i v ed i s t r i b u t i o n f u n c t i o n ) 指示的是信号的功率统计量。它的横坐标表示峰值功率超出平均功率 的值，纵坐标表示大于该峰值的概率。峰均比越高，概率越小。影响峰值系数的 因素主要是所采用的调制方法。信号的这些统计数据决定了我们选择放大器和其 它元器件的余量。对于发射机上的各种器件，由于要通过具有不同峰均比的信号， 所以会产生不同程度的干扰。在设计发射机的每一段时，都要考虑到信号不同峰 均比对系统产生的影响。在实际测试的过程中，也可以通过测量c c d f 曲线与预 期曲线进行对比，比较系统优劣。 在数字调制系统中，峰均功率比和c c d f 这两个指标显的尤为重要，因为他 们会随时变换。比如在c d m a 系统中信号的统计数据会随着码域信道的不同而改 变。发射的码域信道越多，峰均比到达一定指匕_ a 孙a i 的可能性越大。对于采用常包络 调制方式的通信系统，如果系统的器件( 比如功放) 必须通过多载波信号时，信 号的峰均比是相关的。在目前，采用多载波功放是数字通信系统设计的一个趋势。 3 2 5 调制质量 3 2 5 1 矢量误差幅度 在数字通信系统中，最常用的描述调制质量的指标是矢量误差幅度( e v m ) 。 东南人学坝i ：学位论义 m i m o 移动终端射频前端发射模块研制 它的定义是平均误差向量功率与平均参考功率比值的均方根，一般以百分数表 示。公式如下： e v m =x 1 0 0 被测信号与参考位置的偏移量即误差向量。因此误差向量是被测与参考向量 之问的向量差。参考位置由一个参考信号决定，这个参考信号是通过解调接收信 号的数据比特，然后重新完美的调制这些比特来组合的。图3 8 给出了误差向量 被测向量与参考向量之间的关系。还要注意幅度误差和误差向量的幅度、相位 误差和误差向量的相位是两对不同的概念。 发射机的信噪比和非线性都可能造成e v m 的变化，而且这些因素对e v m 的影 向并不能做简单的线性叠加。 图3 8 误差向量和相关参数 3 2 5 2i q 偏移 信号i 端或q 端的直流偏移会引起i q 偏移现象。如图39 所示。i q 偏移 会导致载波泄露。通过选择合适的器件可以避免这种现象的发生。 m i m o 移动终端射频前端发射模块研制 jl n ji q u i qo f f s e t 一 - j声 一1 工工 宅f 赦自 拿 理想星座 1r 1 r 图3 9i q 偏移 3 2 6 邻近信道功率比( a c p r ) 在设计发射机时，经常要考虑到的一个问题是不要对相邻信道产生干扰。 a c p r 就是考察发射机信号对相邻信道的干扰。它的定义是相邻信道内一定频偏 的平均功率与发射信道平均功率之比。 存实际测量讨稗中，常用两种方法计算a c p r 的倌。篦一种导采用功率比的 方法：即在一定频偏的一定信道宽度中功率与整个通带内信号功率之比。第二种 是功率密度的方法。指一定频偏的一定信道宽度中功率与信号通带内相同宽度的 功率密度之比。这两种方法实质上是一致的。 3 2 7 交调失真 在射频系统中分析交调失真，一般考虑双音信号的情况。设输入的双音信号 的频率为和鸱，则由于系统中非线性的影响产生许多交调分量 聊+ 0 9 2 ( m ，7 = o ，1 ，2 ) ，按照谐波次数( 川+ 甩) ，各分量称为( m + ，z ) 阶交调分量， 其中三阶交调分量2 鸭一q 和2 q 一哆会落在基频q 和唑附近而且幅度较大，通 常会落在信带内，成为干扰信号。三阶互调分量对系统的影向通常用三阶交叉点 ( i p 3 ) 来衡量。i p 3 定义为信号线性输出功率与三阶互调信号功率的交点，此 时对应的输入功率为输入i p 3 ( i i p 3 ) ，输出功率为输出i p 3 ( o i p 3 ) 其中i p 3 的计 算公式为： i p 3 ：p i 。+ 毕 其中只。为输入信号电平，i n ，为三阶互调分量电平。 东南人学顺i + 学位论义 m i m o 移动终端射频前端发射模块研制 3 3 系统仿真 利用现成的e d a 软件- - a g i l e n t 公司的a d s 对以上m i m o 系统2 4 g h z 射频前 端发射通道进行系统仿真。 图3 1 0m i m o 发射通道仿真的系统框图 发射通道仿真的系统框图如图3 1 0 所示。输入基带信号，经滤波、直接正 交调制后通过功放输出。仿真得到发射机的邻近信道功率比( a c p r ) 如图3 一1 1 所示。 一 o o n 】 i 纠3 1 1 发射机仿真频谱 东南人学f 呗j 学位论义 m i m o 移动终端射频前端发射模块研制 第四章发射模块主要单元电路设计 本章主要介绍发射模块主要单元电路的具体实现。发射模块由四路发射通 道、本地振荡源及相应的控制电路组成。四路发射通道具体电路完全相同。每一 路发射通道由三个部分组成：i q 正交调制模块、自动增益控制模块和功放模块 另外还有和接收通道共用的收发切换开关和射频滤波器部分。下面分别对这些电 路模块进行介绍。 4 1 正交调制器模块 在设计发射机的过程中，首要的问题就是把基带信号搬移到射频上。按照频 谱搬移的方式来区分，可以将调制分为频谱的线性搬移和非线性搬移两大类，因 此调制和解调电路也可按此分成两类。模拟调制中的a m 、d s b 、s s b 和数字调制 中的a s k 以及p s k 均为频谱的线性搬移，即已调信号v ( t ) 的频谱是将基带信号 d ( t ) 频谱搬移到载频w 。处，而对应的解调是调制的逆过程，它将已调波的旁频 搬回基带。实现频谱线性搬移的基本方法在时域是将基带信号与载波相乘，如图 4 1 所示就是典型的q p s k 调制电路方框图。图中，核心电路是乘法器。除乘法 器外，q p s k 调制的关键电路还有载波提取和正交信号形成电路。 图4 - 1q p s k 调制的基本方框图 v ( o 本系统正交调制器选用r f m d 公司的r f 2 4 8 4 芯片。该芯片具有良好的线性度 和载波抑制，以及较低的噪声水平( n o i s ef l o o r ) 。图4 2 是该芯片的功能原理 图，从图4 一l 和图4 2 的内部电路中我们可以看到调制器的核心电路是乘法器 和f 交信号形成电路，下面简要介绍一下这两部分电路的原理。 m i m o 移动终端射频前端发射模块研制 图4 2r f 2 4 8 4