（电磁场与微波技术专业论文）新颖紧凑的wcdmaegsmdcs双模三频移动台射频前端的研制.pdf

新颖紧凑的w c d m a j e - g s m d c s 双模三频移动台射频前端的研制 摘要 中国已建成世界上最大规模的g s m 网络，并且涵盖9 0 0 m h z 和1 8 0 0 m h z 频段。w c d m a 与g s m 网络具有相同的核心网，能够平滑过渡，并具有良好的 网络兼容性，因此在中国的3 g 标准之争中呼声最高。对用户来讲，既希望获 得功能强大的3 g 多媒体服务，又希望获得相对廉价的g s m 语音服务，未来几 年支持多种频段多种不同模式的手机将会在手机市场中扮演重要的角色。 本文选用最新推出的、高集成度的射频芯片，设计了用于w c d m a 、e g s m 和d c s 的双模三频移动台射频前端，并制作了实物样机。 首先介绍了各种通信模式的空中接口，然后结合g s m 协议和3 g p p ，分析 接口信号的物理特性，确定射频模块要实现的功能和达到的指标。 随后采用a d s 软件分别对射频前端的w c d m a 和e g s m d c s 模式进行 了仿真，结合相关射频指标的物理意义对仿真结果进行分析。 最后在硬件设计中，特别注重模块化设计的思想，把射频前端分为几个主 要的功能单元，分别对它们的接口和各自功能进行了描述，介绍了各单元的设 计要点。最终将这些功能单元集成在一块6 c m x 4 4 c m 的四层p c b 板上，完成了 本文的射频前端设计并制作了样机。为了测试它的性能制作了测试电路，并 用v c + + 编写了控制程序。测试结果表明，射频前端的主要参数均达到了g s m 协议和3 g p p 相关指标的要求。 关键词：w c d m a ，e ，g s m ，d c s ，移动台，射频前端，模块化 东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t c h i n ah a sb u i l tt h el a r g e s tg s mn e t w o r ki nt h ew o r l dw h i c hc o v e r sb o t h 9 0 0 m h z ，a n d1 8 0 0 m h zf r e q u e n c yb a n d w c d m au s e sas i m i l a rn e t w o r kp r o t o c o l s t r u c t u r e ( s i g n a l i n g ) a sg s m a n dt h e r e f o r ew i l lb ea b l et ou s et h ee x i s t i n gg s m n e t w o r ka st h ec o r en e t w o r ki n f r a s t r u c t u r e ，s oi tg e t sm u c hs t r o n g e rs u p p o r tt h a nt h e o t h e rt w o3 gs t a n d a r d s t h eu s e r sw a n tb o t hp o w e r f u lm u l t i m e d i as e r v i c e so f3 g a n ds i m p l ev o i c es e r v i c e so fg s mw h i c ha r em o r ec o s t l y s oi nt h ec o m i n gs e v e r a l y e a r s ，t h em o b i l ep h o n e sw i t hm u l t im o d ew h i c hc a nw o r ko nm u l t ib a n dw i l lp l a y a ni m p o r t a n tr o l ei nt h em a r k e t i nt h i sp a p e r , ar ff r o n d e n df o rw c d m aa n de - g s m d c sd u a lm o d ea n d t r i p l eb a n dm o b i l es t a t i o ni sd e s i g n e db yu s i n gn e w a n dh i g hi n t e g r a t i o nr fc h i p s e t s t h ep r o t o t y p e & t h em o d u l ew a sf i n i s h e da n dt e s t e d f i r s t l y , w ei n t r o d u c e da i ri n t e r f a c e so ft h et w oc o m m u n i c a t i o nm o d e s ，a n a l y z e d t h ep h y s i c a lc h a r a c t e r so ft h ei n t e r f a c e s ，a n dm a d ec l e a rf u n c t i o n sa n dp e r f o r m a n c e r e q u i r e m e n t so f t h er ff r o n d e n d t h e nt h es y s t e ma n dc i r c u i ts i m u l a t i o no nb o t hw c d m aa n de g s m d c s m o d e si sc o m p l e t e db yu s i n ga d ss o f t w a r e ，t h es i m u l a t i o nr e s u l t sa r ea n a l y z e d c o m b i n e dp h y s i c a lc h a r a c t e r so fr fs p e c i f i c a t i o n f i n a l l y ，h e h a r d w a r eo fr ff r o n d e n dh a db e e nd e s i g n e da c c o r d i n gt h e m o d u l a r i z a t i o na p p r o a c h r ff r o n d e n di sd i v i d e di n t os e v e r a lf u n c t i o n a lu n i t s w h i c hi n t e r f a c e sa n df u n c t i o n sa r ed e s c r i b e d ，a n dd e s i g no u t l i n eo fe a c hu n i ti s i n t r o d u c e d i nt h ee n d ，t h e s ef u n c t i o n a lu n i t sa r ei n t e g r a t e di n t oap c bo ft h es i z e 6 c m x 4 c m f o rt e s t i n gi t sr fp e r f o r m a n c e ，t h et e s tc i r c u i ta n dc o n t r o l l i n gp r o g r a m c o d e db yv c + + w e r e d e v e l o p e di nt h ep a p e r t h et e s tr e s u l t ss h o wt h a tt h em a i n p a r a m e t e r so ft h er ff r o n d e n dr e a c h e dt h es p e c i f i c a t i o n so fg s mp r o t o c o la n d 3 g p p k e yw o r d s ：w c d m a ，e - g s m ，d c s ，m o b i l es t a t i o n r ff r o n t e n d 、m o d u l a r i z a t i o n 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，也不包含为获得东南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了谢意。 关于学位论文使用授权的说明 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 论文的复印件和电子文档，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 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 签名： 新颖紧凑的w c d m a e - g s m d c s 双模三频移动台射频前端的研制 第一章绪论 1 1 移动通信的发展 1 1 1 信息和通信 维纳在控制论中写道：“信息就是信息，既不是物质，也不是能量”。 信息和物质、能量同等重要，它们是构成世界的三个基本元素。人类对相互沟通 和信息传递的无限需求不断推动通信技术的发展，通信技术简单地说就是使信息 流通的技术。通信技术按照信息的传输介质可阻分为有线通信和无线通信。无线 通信不等于移动通信，移动通信必须解决由于通信设备位置的变化而引起的一系 列技术问题，是无线通信中最常见也是技术难点最多的一部分。 1 1 2 无线通信的发端i i l 最早的无线通信可以追溯到公元前两百多年的中国。当时守候在烽火台的士 兵发现敌军来攻，马上点燃烽火，经过一段时间，信息传到了下一个烽火台，再 点燃烽火，继续传送信息。信息传输的速度大约为风速，每几分钟甚至几十分钟 才能传1 比特。1 8 9 9 年，马可尼在英吉利海峡两岸成功地利用无线电进行了通 信，通信介质是能以光速传播的电磁波，后人把这次通信作为现代意义上的第一 次无线通信。 早期的无线系统使用的是功率很强的间歇放电发射器，它仅使用于无线电 报。1 9 0 6 年真空三极管的发明使得连续波信号的调制成为可能，语音传输在当 年的晚些时候得以实现了。第二次世界大战中，- 9 十被称为“w a l k i e - t a l k i e s ” 的双工系统采用了频率调制技术，可以说是今天蜂窝电话的远祖。 1 1 3 移动通信的发展1 2 , 3 1 2 0 世纪8 0 年代初，模拟蜂窝技术迈出了移动通信的第一步，被称为第一代 移动通信技术。2 0 世纪9 0 年代，数字移动通信系统迅速发展，并完全取代模拟 技术，称为第二代移动通信系统。g s m 系统是欧洲在2 0 世纪8 0 年代设计、1 9 9 2 年丌通的数字移动通信系统。语音通信是第二代移动通信系统的主要业务，同时 短消息、数据网接入等业务也迅速增长。但足，随着移动通信对经济、社会和只 常生活的渗透，人们已经不仅仅满足于这些简单的服务，转而期待丰富多彩的多 媒体通信，这种潜在的市场需求大大推动了第三代移动通信技术( 3 g ) 的研制。 目前3 g 的三大主流标准为：北美提出的基于i s 一9 5c d m a 系统的c d m a 2 0 0 0 技 术：只本和欧洲一些厂家提出的与g s m 系统兼容的w c d m a 技术和我国提出的 具有自主知识产权的t d s c d m a 系统。 在标准化论坛中，w c d m a 技术已经成为了被广泛采纳的第三代空中接口， 其舰范已在3 g p p 中制定。在3 g p p 中，w c d m a 被称作u t r a ( u n i 、e r s a l t e r r e s t r i a l r a d i o a c c e s s ) f d d ( f r o q u e n c yd i v i s i o nd u p l e x ) 和u t r at d d ( t i m ed i v i s i o n 东南大学硕士学位论丈 d u p l e x ) ，w c d m a 这个名字涵盖了f d d 和t d d 两种双工模式。 1 1g s m ，g p r s ，w c d m a 的主要技术特点 1 1 1g s m 、d c s 和e g s m d j s l g s m 数字蜂窝移动通信系统是依照欧洲通信标准化委员会( e t s i ) 制定的 g s m 规范研制而成，任何g s m 数字蜂窝移动通信系统都必须符合g s m 技术规 范。g s m 系统是一种典型的开放式结构，具有以下主要特点： 由几个分系统组成，各分系统有标准化接口方案，使得不同厂商生产的设 备可以互连。同时，g s m 系统与各种公用网之间也定义了标准接口规范， 能实现互连互通。 支持的业务种类较多。除基本的语：爵业务外，还可以开放各种承载业务、 数据业务、短消息业务和补充业务。 采用f d m t d m a 及跳频的复用方式，频率重复利用率高。 具有较强的鉴权和加密功能，能确保用户和网络的安全需求。 g s m 投入使用后逐渐发展成g s m 9 0 0 、d c s l 8 0 0 ( 也叫做p c n ) 和p c s l 9 0 0 ( 美国) 。d c s 开始于英国，“m e r c u r yo n e t o o n e ”和 h u t c h i n s o n ( o r a n g e ) ”提供 了最早的两个使用d c s l 8 0 0 的网络，此后它开始向世界上其他地区发展。 d c s l 8 0 0 是与g s m 9 0 0 相配合的版本，它以1 8 g h z 为频率中心并具有更宽的频 带，这使它可以应对更高的用户密度。g s mp h a s e 2 规范给g s m 9 0 0 分配了额外 的带宽和信道，成为现在称作扩展频带g s m ( e g s m ) 的系统。 1 2 2g p r s 的主要特点1 4 l g p r s ( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ) 作为第二代移动通信技术g s m 向第三 代移动通信技术( 3 g ) 的过渡技术，是由英国b tc e l l e n t 公司在1 9 9 3 年提出的， 是g s mp h a s e 2 + 规范实现的内容之一。它能提供比现有g s m 网9 6 k b i t s 更高 的数据率。值得关心的是，g p r s 与g s m 采用相同的频段、信号具有相同的频 带宽度、相同的调制原理、调频规则以及相同的t d m a 帧结构。 g p r s 在现有的g s m 网络基础上叠加了一个新的网络，通过软件和硬件的 升级，形成一个新的网络逻辑实体，提供端到端的广域的无线m 连接。它以分 组交换技术为基础，使用户在移动的状态下能使用各种高速数据业务。 1 2 3w c d m a 的主要技术特点 w c d m a 采用t u r b o 信道编解码，提供较高的数据传输速率。有效地利用了 频率选择性分集和空间的接收和发射分集，可以解决多径和衰落问题。相比第二 代的移动通信制式，w c d m a 具有更大的系统容量、更优的话音质量、更高的 频谱效率、更快的数据速率、更强的抗衰落能力、更好的抗多径性，能够应用于 高达5 0 0 k m h 的移动终端。w c d m a 包括射频、中频数字化处理，r a k e 接收 2 新颖紧凑的w c d m a e g s m d c s 双模三频移动台射频前端的研制 机、信道编解码、功率控制等关键技术和多用户检测、智能天线等增强技术。 1 3 支持多种频段多种模式的手机 为使g s m 系统顺利发展和演进到第三代移动通信系统，以欧洲为主的一些 公司进行技术融合后提出了w c d m a 技术，成为第三代标准中唯一的直扩( d s ) c d m a 标准。w c d m a 基于g s m 核心网，能够平滑过渡，并具有良好的网络兼 容性。由于g s m 系统拥有全球最多的用户和最大的移动通信市场，在中国就有 超过一亿的用户，因此可以预见w c d m a 技术未来将在包括中国在内的全球市 场中占据重要地位。 对用户来讲，既希望获得功能强大的3 g 多媒体服务，又希望获得相对廉价 的g s m 语音服务，而已经在软硬件上升级过的能处理高速数据业务的g p r s 系 统也是一种不错的选择。于是未来几年支持多种频段多种模式的手机将会在手机 市场中扮演重要的角色。 从射频技术的角度来讲，将要面对多种混频要求，多种调制方式，多种功率 控制等难题。射频器件的增加会产生相互干扰，导致性能下降，这对电路板的设 计是一个考验。器件增多还会导致体积变大，功耗增加，而对移动台来讲，体积 和功耗都是不能回避的问题。近年来已经有一些研究人员做过了关于多频多模移 动台射频前端的研究工作1 5 6 j ，本文选取高集成度的射频芯片，经过理论分析、 e d a 仿真，采用一种新颖的模块化设计方案，力求结构紧凑，以满足移动台体 积小、功耗低的内在要求，设计出了支持w c d m a e g s m d c s 移动台的射频前 端。 1 4 本文的主要内容 在接下来的第二章，本文将进行一些相关的理论分析。本文的设计采用的是 模块化的思路，要了解模块的功能，先要看它的接口。在这一章罩，将分别分析 g s m 和w c d m a 的基带接口和空中接口信号的物理特性，从而总结出射频模块 的功能。明确设计要求。 第三章介绍本课题的仿真和指标分析。分别对e g s m 、d c s 、w c d m a 的 接收和发射性能做了简单的仿真，并结合各指标的物理意义，对仿真时发现的一 些现象作了讨论和分析。 第四章介绍本文的具体设计工作，首先给出设计框图，分为几个主要的功能 模块，然后讨论这些模块的接口、功能和实现方法。最后还介绍了本文为测试射 频前端的性能而设计的测试电路和用v c + + 编写的控制程序。 第五章给出了测试平台、测试方案和测试结果。 最后，对本课题的工作进行了总结。 3 东南大学硕士学位论文 第二章w c d m a e - g s m d c s 信号的物理特性 2 1 模块化设计和接口 无论是软件工程还是硬件开发，都强调模块化的思想，尤其是工程比较大的 情况下，分成一些功能模块，不仅便于分工协作，也便于日后维护升级。接口有 很多种定义方法，不同的定义方法体现了设计人员对模块不同侧面的关注。如果 把w c d m a e g s m d c s 射频前端看成是通信系统的一个模块，该模块的处理对 象是信号的频率设罱、频谱宽度和频谱功率，简单地说，射频模块就是一个频域 的模拟处理器，它只关心信号的物理特性，不管这个信号代表的是控制还是数据， 是0 还是1 。它的接口如图2 1 所示。本章接下来的几节将对这些接口信号的相 关物理特性进行阐述。 图2 1w c d m e g s m d c s 信号物理接口 2 2e g s m d c s 基带信号 e g s m 和d c s 系统的基带信号特性其实是一样的，都是采用g m s k 调制 方式，具有2 0 0 k h z 的带宽。 2 2 1g m s k 调制1 7 , 1 1 , 1 2 , 1 5 1 使用两个频率表示1 和o 的调制技术称为f s k ( 频移键控) ，f s k 是一种 常见的数字调制方式。在g s m 中，1 和0 由载波频率加上或者减去6 7 7 0 8 k h z 来表示，数据速率选为2 7 0 8 3 3 k b i t s e c ，f 好是载波频率偏移量的4 倍。 比特率正好是载波频率偏移量4 倍的f s k 调制称作m s k ( 最小频移键控) ， 换句话说m s k 是种特殊的2 f s k ，因为它也是依靠两个不同的频率来分别表 示基带信息中的0 和1 ，但是由于这两个频率和数据数率之间的特殊关系，使得 这两种频率的信号在一个码元周期内所积累的相位差严格等于刀，从而保证在码 元转换时刻己调信号的相位是连续的。这样做可以降低调制频谱从而提高信道效 率。 4 新颖紧凑的w c d m a e g s m d c s 双模三频移动台射频前端的研制 雕号 图2 2m s k 信号调制框图 在移动通信应用中发现，m s k 信号虽然频谱特性和误码性能较好。但是所 占带宽仍然较大，而且频谱的带外衰减仍不够快，邻道干扰特性不能令人满意。 人们于是设法对m s k 的调制方式进行改进，使其在保持自身优点的基础上，尽 可能加速带外频谱的衰减。在g s m 中，先使用带宽与比特率之比为0 3 的高斯 预调制滤波器柬对原始数据进行过滤，减小调制频谱，再进行m s k 调制。这使 得在码元转换时刻不仅相位是连续的，相位的变化也是连续的。图2 3 所示为 g m s k 的高斯滤波器输出的基带信号波形。用这种方法在2 5 k h z 的信道间隔中 传输1 6 k b s 的数字信号时，邻道辐射功率低于一6 0 d b ，并保持较好的误码性能。 这可能就是g s m 系统采用g m s k 调制的主要原因。 一魇。 、“! 一 器带劳勰、o 二 图2 f 3g m s k 基带滤波器输出 2 2 2e g s m ，d c s 基带信号频谱 望 毒 趸 ，x、 ，、 v l o ， ， 、i ff - 8 0 0 一b o o一4 0 02 0 002 4 0 06 0 08 0 0 f r e q u o n o ymk h z 图2 4g m s k 凋制信号频谱示意图 5 东南大学硕士学位论文 2 3e g s m d c s 射频接口1 8 , 2 l 2 3 1 频带 在g s m0 5 0 5 中定义了工作频段： 标准g s m9 0 0 频带，p g s m ： 8 9 0 9 1 5m h z ，2 5 m h z 带宽：移动台发，基站收 9 3 5 9 6 0m h z ，2 5 m h z 带宽， ：基站发，移动台收 扩展的g s m9 0 0 频带，e - g s m ( 包括标准g s m9 0 0 频带) ： 8 8 0 9 1 5m h z ，3 5 m h z 带宽：移动台发，基站收 9 2 5 9 6 0m h z ，3 5 m h z 带宽： 基站发，移动台收 d c s l 8 0 0 频带 1 7 1 0 1 7 8 5m h z ，7 5 m h z 带宽：移动台发，基站收 1 8 0 5 1 8 8 0m h z ，7 5 m h z 带宽：基站发，移动台收 需要指出的是，e g s m 和d c s 只是g s m 模式下的两种工作频段，有时候 把p - g s m 和e g s m 简称为g s m 或g s m 9 0 0 ，有时甚至把这三个都笼统地称为 g s m ，但是从射频的角度看，由于工作频段的巨大差异。再加上协议所要求的 射频指标也不相同，可以看成完全不同的射频系统。因此本文为了严谨，在相应 的地方有区别地称为e ，g s m 和d c s ，其实相对于w c d m a 来讲，它们还是一 种模式，即g s m 模式。 2 3 2 频道 无论是上行还是下行，都分为若干频道，每个频道占用2 0 0 k h z 带宽，或者 说相邻载波频点的间隔为2 0 0 k h z 。射频载波的频率由绝对频点号来决定，绝对 频点号和载波频率值的关系见下表： 表2 1g s m0 5 0 5 频道配置 i p - e s m9 0 0f i n n ：= 8 9 0 + c2 “n ，2 4 f u n ) = f l ( n ；+ 4 5 陋g s m 9 0 0 f k n l = 8 9 0 + e2 no sts1 2 4 f u ( n ) = f l ( n + 4 5 i f k n ) = 8 0 一o 2 。n 一1 g 2 4 ) 9 7 5 en 1 0 2 3 i d c s1 8 c 0f l n ) = 1 7 1 02 + 0 2 ( 卅5 t 2 j5 1 2 sne8 8 5 l f u ( n ) = f k n ) + 9 5 其中：f l ( n ) 为上行链路的载波频率值，n 为绝对频点号( a r f c n ) p g s m 上行链路有1 2 4 个间隔为2 0 0 k h z 的载波，上行或下行频带的带宽 为2 5 m h z ，图2 5 直观地给出了频道和频带的关系。 。”2 ”0 ( ：g ”。 撼t 。i 一三2 l ：荽：孑 。， 二立j f 。l o o 嚣，m t a fr f ：i l - 图2 5p g s m 频道和频带示意图 6 新颖紧凑的w c d m a e - g s m e k ：s 双模三频移动台射频前端的研制 发射信号的频谱不能对其他频道造成过大的干扰，g s m0 5 0 5 中给出了邻 道抑制的要求。对c ! a s s 4e g s m 移动台和c l a s s ld c s 移动台，偏离中一t l , 频率 2 0 0 k h z 要求有3 0 d b 抑制，偏离中心频率2 5 0 k h z 要求有3 3 d b 抑制，偏离中心 频率4 0 0 k h z 要求6 0 d b 的抑制。图2 6 是发射频谱抑制特性示意图，图中纵向 一格为1 0 d b ，横向一个为2 0 0 k h z ，可以粗略地看出带外抑制特性。 图2 6g s m d c s 发射频谱 2 3 2 信道 前面提到了g s m 系统一个频带内，载波频率间隔为2 0 0 k h z 。每个载波采 用t d m a 的多址方式，有8 个基本物理信道( 全速率) 。在g s m 中信道可分为 物理信道和逻辑信道。一个载波是一个t d m a 帧，一个物理信道就是一个时隙。 每一个时隙用户必须只在允许的时间内打开发射机，并及时地关闭发射机以避免 干扰相邻时隙的用户，因此g s m 射频前端必须有能迅速关闭发射机的控制接口。 图2 7 信道和频道关系示意图 通过前面介绍的频带、频道和信道的关系，可以简单地总结出： 对e g s m 系统，有上行和下行2 个频带，两个频带的间隔为4 5 m h z ，每个 频带带宽为3 5 m h z ；每个频带有1 7 5 个频道，相邻频道的频率间隔为2 0 0 k h z ； 每个频道又分为8 个信道即8 个时隙，每个时隙的长度为o 5 7 7 m s ，每个时隙包 含1 5 6 2 5 b i t ，1 5 6 2 5 b i t 0 5 7 7 m s = 2 7 0 8 3 3 k b i “s ，这j f 是本章2 2 节提到的g s m 所 采用的g m s k 调制的调制速率。 7 东南大学硕士学位论文 2 3 3 功率 当移动台在小区内移动时，其发射机的功率是需要变化的。当它靠近基站时， 将发射功率设置得较低以减少对其他用户的干扰。当移动台远离基站时，应提高 功率以克服增加的路径损耗。所有g s m 移动台都能够在基站命令的指挥下以 2 d b 为步进控制自身功率。 表2 2g s m0 5 0 5 移动台最大发射功率等级 c i a s s。蠹葛篇。：m a 怒黧翟乙。 1 b 轴瑚0 椰日 f o rc o f , , d k 0 0 w e rd o 皓r 11 w 3 0d e n ：= 2= 2 5 28w t 3 9 d b m )0 2 5 w t 2 4 d b m )兰2= 2s 3 s w ( 3 7d 8 m )4 w ( 3 6d b m ， = 2=25 42 w ( 3 3d 8 m = 2= 2s 5 o 考w ( 2 9 d b m = 2= 2 s ”。e ；窖警嚣嚣嚣尹蒙篙。：譬。；要蕊毒：，善占湍n g 3 ”9 0 0 “3b 本文设计的e g s m 功率等级为4 ， 等级为1 ，即最大发射功率为3 0 d b m 。 脚的电压来改变功率大小。 2 4w c d m a 基带信号，1 0 ，1 2 ，1 6 l 即最大发射功率为3 3 d b m ，d c s 功率 提供了功率控制引脚，通过改变该控制 2 4 1 扩频和调制 在w c d m a 系统中，使用了扩频技术。扩频技术比较精确的定义是：通过 注入一个更高频率的信号将基带信号扩展到一个更宽的频带内，即发射信号的能 量被扩展到一个更宽的频带内使其看起来如同噪声一样。扩展带宽与信号带宽之 比称为扩频处理增益( d b ) ，典型的扩频处理增益可以从2 0 d b 到6 0 d b ，所以扩 频系统一般具有更好的抗干扰能力和更低的灵敏度。 与规则的窄带技术相比，扩频通信是一种宽带技术。w c d m a 和u m t s 都 运用了这种宽带技术。虽然扩频占用更宽的频带，看上去浪费频率资源，但实际 上所占用的频带可以通过多用户共享同一扩大了的频带而得到补偿，如图2 8 所 示。 图2 8 扩频技术在w c d m a 中的应用 由于扩频信号扩展了信号的频谱，它具有一系列不同于窄带信号的性能，如 多址能力、抗多径干扰的能力、保密性能、抗人为干扰的能力和抗窄带干扰的能 力等。 8 新颖紧凑的w c d m a e - g s m d c s 双模三频移动台射频前端的研制 w c d m a 上行链路中，d p c c h 和d p d c h 都采用b p s k 调制。下行d p c h 信道数据调制方式为q p s k ，每2 b i t 先进行串并转换，并相应地映射到i 、q 支 路，然后再用3 8 4 m o p s 的信道码c c h 进行扩频，最后加入扰码g 。r a m b c o m p l e x - v e l u e d c f l 淞s e q u c e f r o ms p l e d d i n g 0 p e 憎i i o n s 图2 9 w c d m a 下行d p c h 扩频 s n 图2 1 0 q p s k 调制 2 4 2 脉冲成形滤波器 矩形脉冲经过限带信道后，脉冲在时间上扩展，造成严重的符号间串扰( i s d ， 脉冲成形可以减d q s i * ：l 调制信号的带宽。移动通信中的常用的两种脉冲成形技 术是升余弦滚降滤波器和高斯脉冲成形滤波器。 w c d m a 采用o e = o 2 2 的平方根升余弦滚降滤波器来成形 尺( 。o ) = 2 高忑“0 2 6 0 4 2 坤 升余弦成形滤波器的频域和时域响应如图2 1 1 所示： 一* 田 ， 一 i ? ， ? ! + ，? 、l = = i 毳一t ； 、z 7 7 - 7 岁弋少丫 图2 1 l 升余弦滤波器频域和时域响应 9 俨 生小唑甜 盥 东南大学硕士学位论文 2 5 w c d m a 射频接口 2 5 1 频带和频道 w c d m a 支持两种基本的运行模式：频分双工( f d d ) 和时分双工( t d d ) 。 在f d d 模式下，上行链路和下行链路分别使用两个独立的5 m h z 的载波，收发 可以同时工作，利用双工器来隔离，而t d d 模式上行链路和下行链路分时共享 一个5 m h z 的载波，一般用射频开关来切换。 本文所设计的射频前端支持f d d 模式，根据3 g p p ，w c d m af d d 模式的 上行和下行工作频带为 1 9 2 0 1 9 8 0 m h z ：上行( 移动台发，基站收) 2 1 1 0 2 1 7 0 m h z ：下行( 基站发，移动台收) 3 8 4 m c p s 的码片速率占用大概5 m h z 的载波带宽，但不能超过5 m h z 。网络 运营商可以遵照其运营执照，使用多个这样的5 m h z 载波来增加容量，有可能是 以分层小区的形式。实际的载波间距要根据载波间的干扰情况以2 0 0 k h z 为单位 在4 4 m h z 到5 m h z 之间选择。 如图2 1 2 所示，图中假设某运营商拥有1 5 m h z 带宽的使用权，不同运营商的载 波间隔从5 m h z 到5 4 m h z ，也是以2 0 0 k h z 为单位进行选择。 腻骨，l | 鬲 图2 1 2w c d m a 调制信号频谱间隔 2 5 2w c d m a 信道 本文后面的仿真或测试中部牵涉到信道的概念，3 g p p 对一些射频指标的要 求也是以跟信道相关形式给出的。 在w c d m a 系统的无线接口中，从不同协议层次上讲，承载用户各种业务 的信道分为三类，即逻辑信道、传输信道和物理信道。其中，w c d m a 的逻辑 信道可分为控制信道和专业信道。传输信道根据空中接口数据的特性分为专用信 道和公共信道。w c d m a 的物理信道包括上行链路物理信道和下行链路物理信 道。上行链路物理信道由两个公共物理信道和两个专用信道构成。专用物理数据 信道( d p d c h ) 上传输数据，专用物理控制信道( d p c c h ) 上传输控制信息， 在移动台发射时，i 、q 支路分别传输这两个信道的信息。公共物理信道包括一 个随机接入信道和公共分组信道。 l o 新颖紧凑的w c d m a e - g s m d c s 双模三频移动台射频前端的研制 下行链路也分为下行专用物理信道( d p c h ) 和下行公共物理信道，公共物 理信道包括公共控制物理信道( 主c c p c h ) 、辅助公共控制物理信道( 辅助 c c p c h ) 、物理下行共享信道( p d s c h ) 、捕获指示信道( a i c h ) 、公共导频信道 ( c p i c h ) 、寻呼指示信道( p i c h ) 和同步信道( s c h ) 。主c c p c h 和辅助c c p c h 用于承载下行链路公共控制逻辑业务，s c h 用于提供时间信息，在移动台进行 切换时使用。 r 十轴t h l 蕈j” l m m r a c f t 一c h“ w m 。：= w * i * m 一0 。 目l f j i t m d p q 一t f l m 十m s r h # c h 口t h 一 * h 一j p “ 图2 1 3w c d m a 信道分类 2 5 3w c d m a 帧和时隙 w c d m a 帧的长度是l o r e s ，在每个1 0 m s 期间用户数据速率是恒定的，但 是从这一帧到另一帧，用户的数据容量是可变的。每一帧又分为1 5 个时隙，由 于w c d m a 的码片速率为3 8 4 m e p s ，所以每个时隙有2 5 6 0 个码元。w c d m a 扩频因子最小为4 ，上行链路最大扩频因子2 5 6 ，下行链路最大扩频因子5 1 2 ， 相应地，调制符号速率最大3 8 4 m c p s 4 = 9 6 0 k s y m b o l s s ，上行最小速率 1 5 k s y m b o l s s ，下行最小速率7 5 k s y m b o l s s 。 2 5 4 信号功率 发射机功率过大会对其他用户造成干扰，w c d m a 移动台定义了4 类最大 发射功率，本文设计的射频前端满足c l a s s4 的要求。 表2 3w c d m a 移动台最大发射功率 p o w e rc l a s sm a x i m u mo u t p u tp o w e rt c l e r a n c e l+ 3 3d b l l l + l 3d b 2 + 2 7d b m + 1 3d b 3+ 2 4d b n l + 1 3 d b 4+ 2 ld b l l l 士2d b 对于工作在同一频率的两个移动台m s l 和m s 2 ，基站只能依靠各自的扩频 码来区分它们。如果m s l 离基站比较远，而m s 2 离基站很近，那么m s l 的路 东南大学硕士学位论文 径损耗会比m s 2 的高很多，m s 2 的发射信号就会盖过m s l 的信号，而且阻塞小 区的一大片区域。这就是c d m a 中的“远近效应”问题。为了解决这个问题， 必须采取有效的功率控制措施来调整移动台的发射信号功率。w c d m a 采用快 速闭环功率控制和开环功率控制技术。 对于上行链路，基站频繁地估计接收信干比( s i r ) 的值，并把它同目标值相比 较，如果测得的s i r 高于目标s t r ，基站就命令移动台降低发射功率，反之就 增加发射功率。每个时隙进行一次调整，由于1 0 m s 的帧内有1 5 个时隙，可 以算出功率调整的速率是1 5 0 0 次秒。下行链路由于是一对多的形式，不存在远 近效应，移动台根据接收信号强弱和基带接口电平的要求来调整可变增益放大器 ( v g a ) ，不需要基站的功率控制指令。 1 2 新颖紧凑的w c d m a e g s m d c s 双模三频移动台射频前端的研制 第三章a d s 仿真与指标分析 3 1 电路设计中软件仿真的作用 随着计算机硬件的不断提速，一批优秀的电路设计辅助软件应运而生，计算 机总在试图模拟物理世界的相关现象，建立它能识别的模型，然后利用强大的数 据处理能力对这些现象作出反应。 a d s ( a d v a n c e dd e s i g ns y s t e m ) 是射频电路设计中常用的一种软件。提到 a d s 许多人就想到仿真和方案论证。对基于芯片的射频电路设计，由于芯片厂 商出于技术保密的考虑，或者其他技术上的原因，往往无法给出芯片内部所有模 块的参数，一般他只会给出整个芯片的技术参数，如果一个芯片就是一个功能模 块，比如l n a 、m i x e r 、v g a 等，这个时候是可以通过仿真来观察这些芯片级 联起来作为一个系统时的性能，从而论证方案是否可行。但是如果芯片的集成度 很高，比如本身就是一个子系统，系统参数都给出了，能不能使用是一目了然的， 再加上具体模块参数又可能不全，这时候用软件仿真来做方案论证就没多大意义 了。 事实上，仿真本身就是研究和设计的一部分。在研究的过程中，可以直接通 过软件仿真来观察物理现象，发现一些规律，并到实验中去验证这些规律，再从 理论上寻找答案。所以仿真是现代科学研究的方法之一。当然，仿真的结果有多 大的可信度，这取决于软件本身的算法是否足够精确和建立的模型是否足够准 确。在设计过程中，由于通过软件修改参数要比在硬件上调换器件容易得多，所 以经常用它来指导设计。比如要设计一个五阶l c 带通滤波器，给出设计指标， 可以用软件直接优化出所有l 和c 的值，本文前期工作曾经对此做过试验，在 频率为几十兆赫兹时，软件优化出的值基本准确。还可以观察哪些值的改变对指 标的影响较大，哪些较小，这样就可以分别选择器件的精度，既降低成本又保证 性能。 本章下面部分给出的仿真原理图不完全和最终设计的电路结构一样，目的不 单纯是为了论证方案，更重要的是去观察一些基本的现象，找出现象之间的联系， 力求发现规律。 3 2g s m 模式接收性能仿真 在第二章已经说明了，e g s m 和d c s 基带信号物理特征都一样，仅仅是工 作的射频频段不同，所以仿真原理图结构基本一样。图3 1 个给出了就是g s m 零中频接收机的原理图。射频信号经过声表面滤波器( s a w ) 、低噪声放大器 ( l n a ) 、然后直接变频到基带，经过滤波和放大，然后在频谱仪上观察接收信 号的频谱。 1 3 东南大学硕士学位论文 图3 1g s m 模式接收性能a d s 仿真原理图 3 2g s m 接收射频信号 图3 3g s m 接收基带信号 图3 2 是g s m 接收模块从天线进来的射频信号，中心频率9 4 0 m h z ，幅度 一9 0 d b m 左右，经过接收系统的变频和功率调节，输出基带信号幅度在- 2 0 d b m 左 右，信号在1 0 0 k h z 的处丌始快速衰减，到2 0 0 k h z 已经衰减了3 0 d b 以上。因 为基带滤波器( 图3 1 中的l p f ) 的带宽是1 0 0 k h z 。 3 3g s m 模式发射性能仿真“ 图3 4g s m 模式发射性能a d s 仿真原理图 1 4 新颗紧凑的w c d m a e - g s m d c s 双模三频移动台射频前端的研制 图3 4 是a d s 仿真g s m 发射性能时的原理图。这是一个直接变换结构的发 射机，标准g s m 基带信号经过上变频，射频滤波，功率放大，最后用频谱仪观 察发射信号的频谱，考察相应指标。 g s m 标准定义了一个无线通信系统，只有当系统中每一个组成部分都在精 确的限度内工作时整个系统才能够良好地工作。本质上说，移动台和基站必须发 射足够的功率、具有充分保真度的信号以维持一个具有可接受质量的通话，而且 不能向分配给其他用户的频道和时隙辐射过量的功率。 需要指出的是，g s m 系统使用动态功率控制确保每一个链路具有足够并且 是最小的功率。上面的原理图没有画出来，实际电路中是肯定要有的。使用动态 功率控制可以使整个系统的干扰保持最小。对于移动台来说，