（通信与信息系统专业论文）一种wcdma通信系统收发前端技术研究.pdf

摘要 摘要 无线传感网是将传感器接收到的各种信息如振动、温度变化等，转化为 电信号，通过无线网络进行传输，其中主要利用了当今流行的w c d m a 技术。 无线传感网可以广泛的应用在战场侦察、情报处理、保密通讯等许多军事领 域。本论文着重研究了其中的射频电路设计，该技术不仅可以应用在军事方 面，而且在手机通讯等民用领域也发挥着积极的作用。 论文首先简单介绍了c d m a 的基本概念，并和以前的通信技术进行了比较， 接着分析了当今w c d m a 射频技术所面临的设计困难。 然后，论文根据射频系统的功能将系统分为三个部分，并分别加以研究， 主要包括：射频发射电路部分：射频接收部分；包括数字和模拟频率合成器 的频率源部分。发射部分根据实际的设计要求选择了合适的芯片，采用直接 调制技术，实现了低成本高性能的发射机设计。接收部分为了实现高灵敏度、 太动态范围接收机的设计，采用了两级低噪放级联、超外差接收、自动增益 设计的方法。在频率源部分，作者根据当今流行的数字和模拟频率合成技术， 利用数字频率合成器( d o s ) 和模拟锁相环( p l l ) 组合实现了低杂散、高分辨率 输出的频综系统。 最后作者介绍了实际设计中应该注意的问题和实际获得的经验，包括电 磁兼容设计、数模混和设计、发射和接收调试的经验、数字和模拟锁相环的 设计原则和注意事项。并给出了最终的实际结果，达到了设计的要求。证明 了设计是成功的。 关键词： 无线传感网 w c d m a 收发移动台数模综合频率合成器 大动态范围接收自动增益级联控制 第l 页 垒! 虫型 a b s t r a c t w i r e l e s s 。t r a n s d u s i n gn e t w o r k t h a tu s e st h e p o p u l a rt e c h n o l o g yo fw c d m a m a yc h a n g em a n yk i n d so fi n f o r m a t i o n ( s u c ha sl i b r a t i o n ，t e m p e r a t u r e ，p r e s u r e a n ds oo n ) i n t o e l e c t r i cs i g n a l s ，a n dt h e nt r a n s m i t st h e m w i r e l e s s l y n o w a d a y s ，i ti s w i d e l ya p p l i e di nm a n ym a r t i a la s p e c t s ，i n c l u d i n gb a t t l e f i e l ds p y , i n f o r m a t i o n p r o c e s s i n ga n ds e c r e tc o m m u n i c a t i o n t h et e c h n o l o g yo ft h er a d i of r e q e n c y d i s c u s s e di n t h i sd i s s e r t a t i o ni sa l s ow i d e l yu s e di nc i v i la f f a i r ss u c h 韶m o b i l e t e l e p h o n ec o m m u n i c a t i o n i nt h et h e s i sa r e p r e s e n t e dt h ek e yt e c h n i q u e so fc d m a ，s u c ha ss p r e a d s p e c t r u m ，d e m o d u l a t i o na n d t h e nt h ec i r c u i td e s i g no f w c d m a a c c o r d i n g t oi t sf u n c t i o n ，r f c s ( r a d i o f r e q e n c yc i r c u i ts y s t e m ) i sd i v i d e d i n t o t h r e ep a r t s ：t r a n s m i t t i n gc i r c u i t , r e c e i v i n gc i r c u i ta n df r e q u e n c ys o l a c eo fd i g i t a l a n da n a l o g u ef r e q u e n c ys y n t h e s i s i no r d e rt or e a l i z et h ed e s i g no fl o wc o s ta n d h i 曲e f f i c i e n c y , t h ed i r e c tm o d u l a t i o nt e c h n i q u ei su s e d i nr f c s b u tt or e a c hl o w n o i s ea n dw i d ed y n a m i cr a n g e ，i su s e di nt h er fc i r c u i tt h et w o c a s c a d e t e c h n o l o g y ：o n ef o rl o wn o i s ea m p l i f i e r sa n dt h eo t h e rf o rt w oa u t o m a t i cg a i n c o n t r o l s i nt h ef r e q u e n c ys o u r c e ，a r cu s e dt h ea d v a n c e dd i r e c td i g i t a l s y n t h e s i s ( d d s ) a n dp h a s e - l o c k e dl o o p ( p l l ) ，t h el o ws p u d o u sa n dh i g h - r e s o l u t i o n s y s t e m i nt h ee n do ft h et h e s i s ，f r o m p r a c t i c a le n g i n e e r i n gp i o n t o fv i e wa r e d i s s c u s s e dt h ee l e c t r o - m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y , t h em i xo ft h ed i g i t a l - - a n a l o g u ea n d t h ed e b u g g i n ga b o u tt h e t r a n s m i t t i n ga n dr e c e i v i n gc i r c u i t s t h em a i n t e s to u t p u t s a r eg i v e na n ds h o wt h ed e s i g ns u c c e s s f u l k e y w o r d s ： w i r e l e s s - t r a n s d u s i n gn e t w o r k r a d i o f r e q e n c yc i r c u i ts y s t e m d i g i t a l - a n a l o g u e 行e q u e n c ys y n t h e s i s w c d m a r e c e i v i n gw i t hh i g hd y n a m i cr a n g e a u t o m a t i cg a i nc o n t r o lc a s c a d e 第1 i 页 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：盘盔连日期：勰5 年弓月1 e t 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) 仁历趁 日期：e 鲫f - 年2 月e t 第一章前言 第一章前言 1 1 课题来源和研究意义 随着信息技术的发展，人们对移动技术的需求急剧上升，人们希望不管 何时何地都可以上网，收发电子信件，进行电子商务、传真和其它的数据交 换，从而获得更加灵活的生活方式。无线通信可以满足这个要求，因此它具 有极大的发展空间。 作为信息产业支柱之一的移动通信，在2 0 世纪9 0 年代得以飞速发展。 第一代移动通信系统( n d p s ) 采用的主要是模拟技术，随着用户的增长，模拟 系统不足之处就暴露出来。第二代移动通信系统( g s m ) 已经日趋成熟，它是在 克服模拟系统不足的基础上发展起来的，主要采用的是数字技术，但是它只 提供低速的语音服务。随着移动通信的增长和移动用户数目的增长，单靠现 有的技术、系统和频率，第一代和第二代通信系统已经适应不了移动通信的 发展规模。另外，仅仅通话的通信技术已经不能满足人们对信息交流的要求， 人们希望能够随时随地的获取除语音之外的数据、视频i 图像等多媒体业务 信息，这些都要求频谱利用率更高。寻求容量更高的移动通信系统，这就极 大地推动了第三代移动通信的研究和发展。 与前两代移动通信系统相比，第三代移动通信的主要特征是： 1 传输能力高。高速移动1 2 0 k m h ，最大可支持1 4 4 k b p s 的信息传输速率： 步行移动3 k m h ，最大可支持3 8 4 k b p s 的信息传输速率；室内静止环境，最大 可支持2 m b p s 的信息传输速率。 2 业务性能强。可变速率传输业务；支持持续在线。 3 网络能力好。支持终端的全球漫游和虚拟本地环境。 4 具有保密能力。可以在低功率下工作。 随着c d m a 技术的不断成熟，它将不仅仅用在民用上，还将大量的应用在 当今的军事项目中，比如卫星通讯、战场侦察、电子干扰与抗干扰等方面。 本课题就是中科院上海微系统研究所自主开发的项目一- - w c d m a 无线传感网 的实现。无线传感网主要是将传感器收集到的各种信息，_ 包括温度变化、振 动、声音等信息转换为电信号，然后利用w c d m a 技术进行无线传播。 该系统的任务要求就是设计以w c d m a 技术为基础的无线传感网络，主要 第l 页 一苎二兰垫亘 应用在战场侦察，数据融合、保密通讯等方面。主要包括三个部分：控制部 分，实现网络的组织；基带部分，实现信号的处理；射频部分，实现信号的 无线收发。 在本课题中，我们主要设计了该系统中的前端一一w c d m a 射频部分，包括 射频的发射电路；接收电路；数字频率合成器( d d s ) 和模拟锁相环( p l l ) 的组 合实现在设计中不仅给出了理论上的研究，并且还利用各种芯片完成了实 际的设计工作，达到了设计要求。 1 2 本论文的主要工作 本论文主要完成w c d m a 移动台射频子系统设计与实现，用在w c d m a 无线 传感网系统中。设计的主要任务是通过合理的设计射频系统，有效地改善移 动台的无线性能指标，使移动台可以在各种环境中良好的通讯。 为了实现上述的射频子系统，使之与基带共同构成移动台的硬件系统， 并在软件控制下协调工作，确保性能指标达到1 9 c d 姒的协议标准，本文进行 了以下的几个阶段的工作： 1 了解w c d m a 的通信协议，并且结合研究所设计的要求，设计射频子系统 的方案及其细化各功能模块，计算各部分的指标，合理选择器件。 2 模块分析和外围匹配，仔细分析和设计各个模块的参数；按照各个芯片 的参数设计合理匹配电路，使之能正常工作。 3 系统调试与测试，将各个模块连接成系统，调整模块间的连接部件，经 过一系列的调试、校准和测试，使系统达到w c d m a 韵设计要求，并能够与基 站通信向指挥中心准确无误的汇报数据。 1 3 本论文的特色和创新之处 1 设计上采用了先进的w c d m a 射频设计方案，实现了宽带的通信，满足了 军事上保密、准确、抗干扰的要求， 2 在器件的选择上，考虑到要求系统的稳定性好、集成度高、体积小的特 点，采用了许多国内外知名企业的芯片，如a d 公司的a d 6 1 2 2 ，其集成了调制 器，中频放大器，摆脱了分离器件的烦恼。还有a d 公司的d d s 数字频率合成 器芯片，其具有较低的杂散、怠好的相位噪声。 3 系统设计上，发射采用一次变频，具有结构简单、性能好的特点；接收 第2 页 第一章前言 采用超外差方案，并设计了环路自动增益控制电路，使之具有良好的动态范 围、较高的灵敏度和良好的抗干扰性能，在给定的要求下具有开发周期短、 风险小的特点；频率源部分主要分析了d d s 的各种性能指标，并利用d d s 和 p l l 组合设计，实现了低杂散，高分辨率的频率输出，克服了d d s 和p l l 的缺 点。 4 本文不仅给出了理论上的设计，而且根据实际中遇到的困难，提出了很 多的解决方案，都是实际工作中应当注意和加强解决的地方。 1 3 本论文的安排 本论文是设计w c d m a 移动台接收发系统的研究总结，在设计理论上对收 发系统进行了深入的研究。根据实际的指标要求采用高性能的芯片实现，并 着重研究了其中d d s 和p l l 的组合设计，提出了关键的问题，最后实现了系 统设计，达到设计要求。 第一章：介绍课题的来源和发展状况以及本论文的特色。 第二章：简单介绍了c d m a 的基本原理、关键技术和射频设计中的关键问 题，阐述了论文的结构。 第三章：介绍了w c d m a 移动台射频发射电路采用的一般设计和本论文的 设计方法，选用了合适的芯片实现了发射电路，最后给出了整个发射电路的 仿真结果。 第四章：介绍了w c d m a 移动台接收电路采用的一般设计方法，然后根据 要求采用了超外差和自动增益控制，实现了高动态、低噪声的接收机，达到 设计要求。 第五张：介绍了d d s 和p l l 的一般原理和设计方法。着重分析了d d s 的 设计原理和注意事项。利用了d d s + p l l 的电路实现了低杂散、高分辨率的频 率输出。 第六章：综合设计的经验和调试的注意方面，给出最终的实际结果。 最后是致谢、个人资料、附录和参考文献。 第3 页 第二章w c d m a 移动通信概述 第二章w c d b a 移动通信概述 1 9 9 7 年以来，第三代移动通信技术逐渐成为国内外移动通信领域的研究 热点。同基带技术一样，相应的射频技术也是通信领域的研究热点。本章对 移动通信，尤其是第三代移动通信系统及其射频技术进行了简要的论述。 2 1 多址接入技术及c d m a 基本的原理“1 2 1 1 多址接入技术简介 在当今的移动通信系统中，为实现多用户之间共享传输媒介，主要采用 了三种传输方案，即频分多址( f d m a ) ，时分多址( t d m a ) 和码分多址( c d m a ) 。 这三种多址方式也可以混用，如频分和时分合并( f d t d m a ) ，频分和码分合并 ( f d c d b f a ) 等等。 在f d m a 系统中，时间一频率平面被分割成m 个离散的频率信道，在频率 轴上相邻分布，在任意时间内，用户1 0 0 的占用某个频率信道传递信号。 在t d b i & 系统中，时间一频率平面被分割成m 个离散的时隙，在时间轴上 相邻分布，在任意的时间内，用其中的一个时隙传递信号。 在c d m a 系统中，信号的能量连续分布在整个时间一频率平面内，每个用 户都具有宽带编码信号波形。 在理想的情况下，三种多址方式的容量是相同的，假设每种多址方式系 统的带宽是，并且每个用户未编码的比特率都是r 。= 1 ，瓦，瓦代表一个比 特的时间周期，假设每种多址系统均使用正交信号波形，则容量m 为： 膨审去= ( 2 1 ) 现在假设每个用户接收到的能量为s ，则总的能量为只： p r = ms ， ( 2 2 ) 再假设所需的信噪比( s q r ) 或瓦。( 单位比特能量与噪声谱密度比) 与 实际值相等，即： ( b n o ) 。皆2 篙 ( 2 3 ) 由此可得： 第4 页 第二章w c d m a 移动通信概述 m = 揣r 亿a ， 。( 瓦心) 、。 因此，在理想情况下用于移动通信系统的多址技术具有相同的容量。 然而在实际的情况下，用于移动通信的多址技术并不具有相同的容量， 在f d m a 系统中，由于一个蜂窝区域使用的频率只能在远到使载干比大于1 8 d b 的距离才能使用。考虑到这种载干比的要求和无线通信环境下载波功率的衰 减与发射机到接收机距离的四次方成正比，模拟蜂窝采用七小区簇，这样在 每个蜂窝一次呼叫就要占用7 3 0 k h z 的频带。f d m a 系统容量要比理想的小的 多。t d m a 系统要比f d m a 系统容量提高约3 倍。 c d m a 系统的容量则要比f d m a 系统和t d m a 系统的容量高的多。c d m a 系统 的容量大的原因，不仅在于每一路信号的正交，还在于系统利用了人的语言 间歇性，再加上采用三扇区天线，从而进一步增加了系统容量。 2 1 2c d m a 的基本概念2 3 1 c d m a 给每一个移动台分配一个唯一的码序列( 扩频码 ，并用它对所承载 信息的信号进行编码。知道该码序列的移动台对收到的信号进行解码，就可 以恢复出原始数据，这是函为该扩频码序列与其它扩频码序列的互相关是很 小的。由于码序列的带宽远大于所承载信息的信号的带宽，编码过程扩展了 信号的频谱，所以也称为扩频调制，其所产生的信号也称为扩频信号。c d m a 通常也用扩频多址( s s m a ) 来表征。对所传信号频谱的扩展给予c d m a 以多址能 力。因此，对扩频信号的产生及其性能的了解就十分重要。扩频调制技术必 须满足两条基本的条件要求： 1 所传信号的带宽必须大于信息的带宽。 2 所产生的射频信号的带宽与所传的信息无关。 所传信号的带宽b t 与信息带宽b i 之比成为扩频系统的处理增益6 ： g p = b t b i ( 2 5 ) 2 2c d m a 关键技术及其射频技术简介 2 。2 。lc d m a 关键技术简介 2 2 1 1 数字调制、解调的基本原理、功能和分类 调制、解调是c d m a 移动通信重要组成部分，其重要的功能与要求有： 第5 页 第二章w c d m a 移动通信概述 1 频谱搬移 为了使传送信息的基带信号搬移到相应的信道上传输，使信源与客观信 道特性相匹配。它是调制、解调的最基本的功能。 2 抗干扰 它希望已调信号具有较小的功率谱占有率，即要求已调信号功率谱主瓣 占有尽可能多的信号能量，且旁瓣窄，具有快速的滚降特性：另外要求带外 衰减大，旁瓣小，这样对其它的通路干扰小。 3 提高系统的有效性 它希望提高频带的利用率，即单位频带内传送尽可能的信息。 目前移动通信系统中采用的数字调制和解调技术通常有两大类：第一类 是以g s i d 为代表的，采用非线性的连续相位调制中的最小频移键控( g d s k ) ， 它避开了线性的要求，可以使用高效的c 类功率放大器，大大降低了功率放 大器的成本，但是实现复杂了。另一类属于移相( p s k ) 键控，它包括b p s k 、 o q p s k 、平衡四相扩频调制。这类调制在码元转换的时候产生相位的突变，并 带来频谱的扩展，当频带受限后会出现幅度上的波动，这类调制对线性度要 求较高，功率放大器只能采用a 类放大器，但是实现简单。在w c d i d a 系统中， 主要用到的是移相键控的调制技术，所以本文进行重点讨论。 2 2 1 2b p s k 扩频调制 l - 直接序列扩频调制系统中，b p s k 调制器如图所示： r 1f ( t ) m ( t ) 飞卜卜。“)y ( t ) 旷一il p f 卜审一r ( t ) lil l s ( o c o s w o tc o m e t s ( o 图2 - 1b p s k 调制和解调原理图 它是采用二次调制来实现的，第一次是用扩频码s ( t ) 进行扩频，第二次是 用载波进行通常的载波调制。同样，解调是用二次解调来实现的，第一次 是载波解调：第二次是扩频码解调。 b p s k 的性能分析： 设调制器输入的基带信号是m ( f ) ，其功率为 p 。= 争j ：m2 ( t ) d t ( 2 6 ) 第6 页 第二章w c d m a 移动通信概述 兵中t 为基带信号周期。 扩频码信号波形为s ，其功率为： 只= 争r 川触 其中s ( t ) 的速率为手。 由调制器框图可得，归一化的信号功率的信道输入是： x ( t ) = m ( t ) s ( t ) e o s w o t 接收的信号为： y ( f ) = x ( f ) + 打o ) = m ( t ) s ( t ) c o s w o t + n ( ，) 经过低通滤波器，输出为： ，。) = j 1m o 弘( f ) + 圭玎( f ) 其中噪声的方差： 跏，= 孥 解调器输出为： r 。) = 昙b m o ) + ( f ) = r ( ，) + h ( f ) 其噪声功率为： 掣】= 等 输出的信噪比为： ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) 黜麟：尝：甓娑：象：鲁亿 b p s k 的误码： 只= g 【夏丽i 】 其中q ( r ) = 去f e 一孚出为互补误差函数。 第7 页 ( 2 1 5 ) 第二章w c d m a 移动通信概述 2 2 1 3 平衡四相扩频调制( b q m ) t 直接序列扩频系统中平衡四相调制和解调 b q m 调制器的原理框图是： 图2 - 2b q m 调制和解调原理 2 b q m 调制和解调的性能分析 由调制器框图可以求得归一化信号功率的信道输入为： x ( f ) ：宰所( f ) 【墨( ，) x c o s w o t + s q ( f ) xs i n w o t 】 ( 2 1 6 ) y ( f ) = x ( f ) + ( f ) ：宰m ( r ) 【墨( f ) x c o s w o t + s o ( r ) x s i n w o t + ( r ) ( 2 1 7 ) 五( f ) = 丽1 坍( f ) q o ) + 1 2 n ，( f ) ( 2 1 8 ) f q ( t ) = 丽1 堋( f ) + 三口( f ) ( 2 1 9 ) 。 n t 】= d 口】= 鲁 ( 2 ，2 0 ) 解调积分器输出的信号为： r ( ，) ： 兰p j ，”( f ) + ；( f ) + ；( f ) ( 2 2 1 ) 州】。冽2 等 ( 2 - 2 2 ) 于是b q m 的输出信噪比为： 册删：镳舞百t p o 跚 c z 。， 第二章w c d m a 移动通信概述 b q m 的误码率为； 其中q ( f ) = 去r e _ 譬出为互补误差函数。 2 2 2w o d m a 通信中的射频技术简介 w c d m a 技术将信息扩展成3 8 4 m h z 的带宽，然后在5 m h z 的带宽内进行传 输- w c d l l a 有两种模式，f d d 和t d d ，分别运行在对成的频带和非对称的带宽 内。f d d 和t d d 分别适用于不同的应用，f d d 适合大面积的室外快速运动，t i ) d 适合室内慢速移动。 其中射频系统是移动通信中重要的组成部分，在w c d m a 系统中，射频部 分必须适合传输宽带低功率频谱密度信号。与第二代移动通信系统相比， w d c m a 系统中的高动态范围、低噪声、多码传输、线性调制等特性向射频系统 设计提供了挑战。 2 2 2 1 发射机 第三代移动通信对移动台的发射提出了许多的困难，如线性和效率要求。 线性的要求是由于有更严格的输出频谱要求，更高的信号包络变化( 线性调 制 。功率放大器的工作点常常需要选择在压缩点附近以达到足够的效率。此 外，当采用多码传输时，为了改善线性度，功率放大器需要更多的补偿，这 将导致效率的损耗。对移动台来说，a c p r 需要优于一3 3 d b c ，甚至达到- - 4 5 d b c 。 从天线发射出来的频谱可以发现，有一部分能量发射到了邻近的信道上 和相间的信道上。因为信号泄漏到了相邻信道上，相当于增加了干扰，因此 网络的容量相应的减少了。发射的输出频谱主要决定于调制方式、发射滤波 和射频系统的非线性。在射频系统中，功率放大器是引起失真的最大原因， 功率放大器的线性取决于工作类型，可以通过采用不同的偏置来选择。a 类放大器线性好但是效率低，因为它们的功耗与输入信号的电平无关。而c 类放大器的功率效率高，但引入了较高的非线性特性。功放线性度可以用输 入幅度与输出幅度和输入幅度( a m a m ) 与输出相位( a m p m ) 之间的关系定义。 通过采用更高的偏置( a a b ) 、增加输入信号的补偿或线性化技术，可以 改善功率放大器的线性度。线性化技术是在放大器效率可以接收的情况下， 第9 页 第二章w c d m a 移动通信概述 解决严格的频率要求的主要方案。线性化技术可以划分四个主要的类别：前 馈：反馈：包络消除和恢复；预失真。 2 2 2 2 接收机 接收机最重要的要求是低噪声指标( n f ) 、高动态范围和高选择性。噪声 系数指标表明接收机使输入恶化了多少。随着更多的先进技术和部件的出现， 接收机的整体接收噪声系数指标可以做的相当低。良好的接收机的噪声系数 可以优化5 7 d b ，为了防止相邻信道相间信道能量进入a d c 的输入并降低接 收机的动态范围，接收机要求具有高信道选择性。 在采用线性、多级调制方案下，接收机的信号链路要求具有良好的线性 特性。如果接收机工作在功率密度较高的地方，接收机的互调产物可能会使 接收信号失真，甚至堵塞信号。因此，接收同样面临着高线性的要求。 由于种种原因，接收信号的强度会发生变化，在信号快速上升的地方， 接收机必须保证供给a d c 的信号不会饱和，反之在信号快速下降的时候，接 收机必须保证给a d c 的信号质量不会下降到不可接受的情况。快速和高动态 范围的a g c 负责调整接收机的可变增益放大器和衰减器，以使输入到a d c 的 信号电平尽可能的最佳。 第三代移动通信射频接收机通常有超外差接收方案和直接变换方案。 第1 0 页 第三章w c d m a 移动台发射系统研究 第三章w c d m a 移动台发射系统研究 3 1 w c d m a 移动台射频发射信号描述 w c d m a 移动台，可以分为基带和射频部分。基带部分主要是将要传送的声 音和图像通过采样、量化、编码、扩频等方法变为适合射频系统传送的电信 号。在w c d m a 射频部分中，调制是最重要的部分，在，w c d m a 移动台系统中主 要采用q p s k 调制方案。 q p s k 是正交幅度调制，即是一种二维调制，它的基函数为c o s f 和s i n w , t ， 并且又是一种多元调制，即在一个符号的时间间隔内传输多个比特，o p s k 就 是在每个符号时间间隔内传输2 个比特。 q p s k 信号可以写为： x o 删= 6 ，a 。c o s w c t + 6 州cs i n w d 0 邻近信道功率比( a c p r ) ：a c p r 度量了干扰或者说是相邻频率信道功率 的大小。通常定义为相邻频道( 或偏移) 内平均功率与发射信号频道内的 平均功率之比，a c p r 描述了由于发射机硬件非线性造成的失真大小。 a c p r 对于w c d m a 发射机来说是至关重要的，因为c o m a 调制在调制载波 中产生紧密相邻的频谱成分。这些成分的互调制导致中心载波两侧频谱 螅再生，发射机的非线性将使这些频谱再生成分进入相邻信道。指标要 求是：3 3 d b 5 m h zo f f s e t ；4 3 d b 1 0 m h zo f f s e t 误差向量幅度( e ) ：误差向量( 包括幅度和相位的失量) 是在一个给定 时刻理想无误差基准信号与实际发射信号的向量差。e v m 对于w c d m a 发 射机性能也是十分重要的，因为它表示了发射信号的调制质量。大于 第1 4 页 第三章w c d m a 移动台发射系统研究 e v m 值将导致糟糕的检测精度，从而降低收发机的性能。要求： 2 5 。 频率误差：规定的载波频率和实际载波频率之差。由于引起邻信道干扰 和低质量检测精度，大的频率误差降低了收发机的性能。要求：3 0 0 h z 。 占用带宽： r l 的l 网络匹配 图注3 r s 宽带范围3 3 0 4 0 0 m h z ；工作在线性区。 5 输入和输出的阻抗为5 0 q 。 此芯片通过试验，当输入信号5 0 m w ，控制电压2 5 v ，供电7 2 v 时，芯 片输出3 瓦，并且a c p r 适当，适合系统的指标。 设计的匹配电路如下： 图3 8 发射功放匹配原理圈 在设计中，c i 为隔直电容，不能太大，防止衰减过多的信号。在输入( p j n ) 和输出端( o u t ) 需要用微带线匹配到5 0 q 。增益控制端( v d d ) 是用来控制芯片 增益输出的在设计中，设置为2 5 v ；电源端( v c c ) 需要供电7 2 v 。这端都需要 射频扼流圈，防止信号通过电源线对其它部分的信号干扰。同时并且要并联 电容，进行电源滤波。为了最远距离传播，所以没有采用功率控制，直接将 信号放大到所需的最大功率。 第1 9 页 第三章w c d m a 咎动台发射系统研究 3 4 系统仿真结果 可以得到输出信号的频谱为3 - 9 图： 图3 - 9 系统频谱仿真结果 从仿真可以看出，射频本振泄漏和镜像泄漏是主要的杂散分量。所以在系 统中要选用合适的中频滤波器很重要。 第2 0 页 第四章w c d m a 移动台接收系统研究 第四章 w c d m a 移动台接收系统研究 接收机是射频系统最重要的部分，它要从众多的电波中选出有用的信号， 并放大到解调器所要求的电平值后再由解调器解调。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变化快的，并伴随着许多干扰，这 些信号强度往往大于有用的信号，因此接收机的主要指标是灵敏度和选择性。 由于种种的原因，接收机信号的强度会发生变化。在信号快速上升时， 接收机必须保证送给a d c 的信号不会饱和，反之，在信号信号快速下降时， 接收机送给a d c 的信号质量不会下降到不可接受的情况。快速和高动态范围 的a g c 负责调整接收机的可变增益放大器和衰减器，以便使输入到a d c 的信 号电平尽可能最佳。 4 1 w c d m a 移动台射频接收系统一般方案 4 。1 1 超外差接收机 超外差结构最为普遍且能够实现良好的信道选择性。射频信号通过滤波 器后放大，接着转换为中频信号，在中频频率上实现信道滤波。中频的频率 是恒定的。其结构如图： 耀刚疆匿茎魏骚 v l o z c o s _ l o f fv o s w l 0 2 t 图4 - 1 超外差接收机射频部分结构框图 设w c d m a 输入的信号形式为： a = b ，s i n ( 0 + b q c o s ( w j ) ( 4 1 ) 经过频带选择器、低噪声放大器和镜象抑制滤波器后，其频率不变，只 是相位和幅度有变化： b = 昱is i n ( w j + 纯) + b 2c o s ( w , t + 妒1 ) ( 4 2 ) 其中b l = 目+ g l ；b 2 = b q + g 。：g 1 为频带选择器、低噪声放大器和镜象抑 制滤波器的总增益，以为它们对输入信号的的相位响应。 变频器l 输出为 c = b + 叱o ie o s ( w _ l 0 1 f ) ( 4 3 ) 第2 l 页 第四章w c d m a 移动台接收系统研究 经过信道选择器后为： 。= 互1b ，奉g l + s i n 眦一w m ) + 葫】+ 1 2r q g l + c 。s 也一心。i ) + 破】 ( 4 4 ) 变频器2 输出为： e = d v oc o s ( w l 0 2 r ) ( 4 5 ) 经过信道选择器后为 经过中频放大器后输出为 1 g = 毋+ g l + g 2 + v l o i + v 0 2 + s i n ( w , 一w l o l w l 0 2 ) + 唬+ 妒2 】 ( 4 7 ) 1 + 奉g l + g 2 + v i 0 1 + v 0 2 + c o s e ( w , 一w l 0 1 一w l 0 2 ) + 办+ 庐2 】 其中g ：为中频放大器的增益，戎为中频放大器对输入信号相位的响应。 信号g 就是接收输出的理想信号。 采用超外差结构主要有三方面的考虑。首先，中频比信号频率低的多， 在中频段实现对有用信号的选择比在载频段选择对滤波器q 值的要求低的多。 超外差接收方案的第二个出发点是，接收机从天线上接收的信号电平一 般为一1 2 0 一1 0 0 d b m 。如此小的信号要放大到解调器可以解调或者a d 。变换 器可以工作的电平，议案需要放大1 0 0 d b 左右。为了放大器的稳定和避免振 荡，在一个频率内的放大器，器增益一般不超过5 0 6 0 d b 采用超外差接收机， 将接收机的总增益分散到了高频、中频和基带三个频段上。而且，载频降为 中频后，在较低的固定频率上作窄带的高增益放大器要比在载波频段止作高 增益的放大器容易和稳定的多。 其三，在较低的固定中频上解调或者a d 变换也相对容易蠢 超外差式接收机的最大缺点是组合干扰的频率太多。这是因为变频器并 不是一个理想的乘法器，而是一个能完成相乘功能的非线性器件，它将进入 的有用信号m k 和本振信号w o ，以及混入的干扰信号( 如频率为sw l 和w 2 的 干扰信号) 通过变频器非线性特性中的某一个高次方项组合产生组合频率， 如lp w l d - t - q w 。i 或者l d w o ( mw l nw 2 ) 1 ，若他们落在中频的频带内，就 会形成对有用信号的干扰。通常把这些组合频率引起的干扰称为寄生干扰。 第2 2 页 钔 一 嘞 帆 盼 岫 詈 。 彬 渺 即扣驴 肛 。卜4 第四章w c d m a 移动台接收系统研究 在寄生干扰中，一种称为“镜像干扰”现象最为严重。一个与有用信号 相对于本振信号w l 0 的另一侧与本振之差也为中频w ，的信号，即为w = + w l f ，称为镜像频率信号。如果它没有被变频器的前端电路滤除而进入了变 频器，即使变频器是一个理想的乘法器，镜频信号与本振信号混频后也为中 频，由于中频滤波器没有办法将其滤除，它与有用信号混合降低了中频输出 的信噪比。要消除镜频干扰的唯一办法是不让它进入变频器，这要靠交频器 前面的滤波器滤除，但是如果有用信号和镜像频率相隔较近，要求的滤波器 的带外衰减较大，对于很多滤波器难以做到。所以要有效的衰减镜像频率， 必须增加中频频率，对于超外差式的接收机一个重要的问题是选择中频频率。 4 1 2 直接下变频方案 让本振频率等于载频，即取中频为w ，= o ，就不存在镜像频率，也就不 会有镜像频率干扰。把载频直接下变频为基带的方案叫零中频方案。 由于零中频信号就是基带信号，基带信号往往都是分成同相和正交两路， 所以如图4 - 2 两个正交的本振信号，下变频直接变为i 0 两路正交基带信号。 厂9 e 徊一o _ f 翌 耐申。 一【豳 。i l 也6 母6 罾 图4 2 直接f 变频方案原理图 设输入信号为： a = b | s i n ( w d ) + b q c o s ( w , t 1 通道1 和2 输出的基带信号分别为： 口= 喝s i n ( w , t ) + 吃c , o s f ) 】4 吨oc o s ( w d ) = ；骂【s i n 眦卅；岛 c 。s 眈f ) + 1 】 c = 【b ts i n ( t ) + b oc o s ( w d ) y l os i n ( w d ) = 丢b q v l o s i n ( 2 峨卅互1 b ，v 。【1 - - c o s ( 2 比f ) 】 b 和c 信号进过滤波器后分别为d 和e 信号： 第2 3 页 ( 4 8 ) ( 4 9 ) ( 4 1 0 ) 第四章w c d m a 移动台接收系统研究 d = 印。e = 委昱q v 。 ( 4 1 1 ) 所以d 和e 信号就是基带信号。 除了没有镜像频率干扰外，直接下变频方案还有以下优点：接收机的射 频部分只包含了高频噪声放大器和混频器，增益不高，易于满足线性动态范 围的要求，且由于没有抑制镜频滤波器，也就不必考虑放大器和它的匹配问 题。但是与夕 差式接收机相比，零中频方案有一些难以解决的问题。 4 1 2 1 本振泄漏 零中频方案的本振和信号频率相同，如果变频器的本振口与射频口之间 的隔离性不好，本振信号就很容易从射频口输出，在通过高频放大器辐射到 空中，形成对邻道的干扰。这在外差式接收机就不容易发生，因为外差式接 收机的本振和信号频率相差很大，一般本振频率都落在前级滤波器频带以外。 4 1 2 2l n a 偶次谐波失真干扰 两个频率相近的干扰信号进入l n a ，由于l n a 的伏安特性非线性的偶次项 引起的差频，在直接变频方案中就可能会因为混频器的不理想( r f 和i f 口隔 离不好) 而直接进入基带信号，造成干扰。 4 1 2 。3 直流偏差 直流偏差是零中频方案特有的一种干扰，由自混频引起的。如上所述， 如果由于本振泄漏到的本振信号又从天线回到高频放大器，进入下变频器的 射频口，它和本振口进入的本振信号经混频，差拍为零频率，即为直流。这 些直流在超外差接收机是不可能干扰有用信号的，因为那是中频不等于零。 4 2w c d m a 移动台射频接收系统的指标分析 4 2 1 接收机噪声系数和灵敏度“” 衡量噪声对信号的影响程度，通常用信号功率与噪声功率之比，即信噪比 来说明。信噪比越大，信号所受的噪声干扰越小，信号质量越好。衡量线性 网络的噪声对信号质量的影响程度，通常用“噪声系数噪声功率”来表征。 接收机的灵敏度是表示接收机接收微弱信号的能力。，能接收的信号越小， 其灵敏度越好。灵敏度的定义是保持接收机的输出端的信号噪声比为某一定 第2 4 页 一 蔓婴兰竖! ! 竺整垫鱼董些墨笪堡壅 值，接收天线所必须的最小可辨信号的感应电动势，或者额定功率，接收机 的噪声系数越小，带宽越窄，灵敏度越高。本课题中设计的要求是一1 0 0 d b m 。 在考察系统的灵敏度时，收信机链路上的所有噪声都将作出贡献，所以 应该将所有的噪声考虑进去。假设级联系统如图： 臣口匡 日“ 图4 - 3 级联噪声系统 根据级联噪声系数计算公式： f ：e + 羔掣( 4 1 2 ) 。2n q 很容易得到包括损耗器件的级联系统噪声系数计算公式： f = f m = m 。( e + ! l 等+ 垦兰j 二兰鳗? 答；产+ 坚：鱼墅= ! ! ：互螋2 ：鱼婴! +、 ( 4 1 3 ) g l 。g + g 3 ”7 其中e 为各级有源器件的噪声系数，g 。为各级有源器件的的增益鼻。 为各级无缘器件的噪声系数 也就是说，公式中的c 包含了接收机级联系统中的第n 级中所有器件贡 献的噪声系数，包含有源和无源器件；而g 。中则包含了接收机级联系统中的 第n 级中所有器件贡献的增益，包括无源器件