基站射频收发信机指标分解

美信 Maxim 技术文档 基站收发信机设计 以 WCDMA 为例进行讲解基站收发信机射频 前端指标分解和设计 虽然文档以 WCDMA 为例进行讲解 但宽带收发信机射频前端原理 基本一致 因此适用于 LTE 等其他制式的设计 以下为学习笔记和总结 1 接收机接收机 接收机主要射频指标包括 Reference Sensitivity Level Adjacent Channel Selectivity ACS Blocking In Band 和 Out of Band Receiver Inter modulation 其中带内 blocking 指标和 ACS 分析类似 考量的都是工作带内信道外干扰信号对接收机影响的分析 因此 Bolcking 指标支队 Out of band 指标进行了讲解和说明 1 1Reference Sensitivity Level 接收机的最小可接收电平 接收机灵敏度 174dBm Hz 10logBW NF Eb N0 1 Eb No 由基带解调能力决定 与射频前端无关 2 BW 由无线系统协议标准定义 3 174dBm Hz 及总的热噪声 因此针对某一无线系统设计 灵敏度指标的分解即根据协议灵敏度指标要求来设计接 收机的噪声系数 Noise Figure 要求 以保证满足灵敏度指标允许的最大输入噪声 总噪声 包括输入热燥和引入的系统噪声 上图说明如下 Step1 系统要求灵敏度指标为 121dBm 3 84MHz Step2 Eb No 5dB 不考虑编码增益允许的总输入噪声 121dBm 5dB 126dBm Step3 12 2Kbps 数据速率到 3 84Mcps 码片速率的扩频增益为 10 log 3 84M 12 2K 25dB 考虑扩频增益后总的输入噪声要求为 101dBm Step4 3 84MHz 带内总的热噪声 174dBm 10log3 86MHz 1Hz 108 1dBm 所以为满足灵敏度指标要求 系统接收机连续噪声系数需要 101dBm 108 1dBm 7 1dB 接收机的其他指标都是基于灵敏度指标满足设计要求为前提 因此设计首先要满足灵 敏度指标要求 再在此基础上进行其他指标的分解和设计 而对于接收机灵敏度指标 的射频前端设计就是系统分解下来 NF 指标的设计 Note Noise Figure SNR Ps Pi F SNRin SNRout 1 正无穷 Noise Factor 噪声因子 NF dB 10logF 0 正无穷 Noise Figure 噪声系数 Noise Factor 的 dB 形式 1 2Adjacent Channel Selectivity ACS ACS 和带内阻塞指标分析类似 考量的是接收频带内存在大的干扰信号时接收机的接 收能力 该指标主要通过上行信道成型滤波器 接收通道增益线性范围以及 AGC 功 能来保证 这里以 ACS 为例进行指标分解进行说明 Step1 协议要求允许领导干扰恶化灵敏度 6dB 即邻道干扰需要满足 115dBm 有用信 号下得 BER 要求 Step2 基带解调门限 Eb N0 5dB 120dBm Step3 25dB 扩频增益 95dBm Step4 扣除灵敏度指标下信道内输入总噪声 101dBm 95dBm 3 16E 13W 101dBm 7 94E 14W 2 36795E 13W 96 2563dBm 即扣除系统噪声外允许引入的其他噪声功率 Step5 6 协议要求的最大邻道干扰电平 52dBm 52dBm 96 3dBm 44 3dB 即 邻道最小抑制比 以上分析没有考虑大的干扰信号下 接收通道非线性失真的影响 实际设计中需要针 对系统要求的接收信道要求的信号接收功率动态范围 混频器 ADC 等器件的指标考 虑链路增益设计 AGC 以及增益变化对接收链路 NF 的影响 1 3Out of Band Blocking 带外阻塞抑制和 ACS In band blocking 指标分析方法一样 只是带外阻塞指标要求干 扰电平更高 对于基站接收机来说 带外干扰信号在进入接收机后首先经过了腔体滤 波器 双工器对带外干扰进行了一次抑制 系统设计需要根据讲带外抑制指标分解给 滤波器设计规格 对于 co location 指标 也是带外的阻塞干扰信号的一种更严格的应用场景 是较常规 阻塞更严格的一种情况 1 4Receiver Inter modulation 接收机互调是考量天线口存在两个干扰信号时 其互调产物如果落在信道内时会烦扰 接收机接收有用信号 Step1 4 同 1 2 Step5 干扰信道电平 48dBm Step6 IM3 产物不能大于 96 3Bm 即 IM3 相对 48dBm 干扰信号电平为 48 3dB Step7 天线 IIP3 IM3 2 P 干扰信号 48 3dB 2 48dBm 23 9dBm 针对接收机互调指标 协议对干扰信号的类型和干扰信号相对载波位置进行了明确的 定义 以保证测试可考量性 1 5Receiver 设计架构设计架构 1 5 1 接收机设计架构介绍接收机设计架构介绍 当前基站接收机一般采用 ZIF 设计结构或一次下变频中频欠采样架构 数字与在将中 频下变频到基频 目前基于 RFIC 的 LTE 基站接收机基本采用 ZIF 方案 优点 优点 ZIF 大大简化了接收机射频链路设计 节省了产品体积 ADC 工作低频 可以 提供更有的性能 频率规划简单 无需镜像抑制 缺点 缺点 基带直流失调降低了系统的总体动态范围 对镜频抑制的需求 使得多载波应 用中所能容许的 I Q 失配非常小 偶次谐波失真降低了灵敏度 低辐射对 LO 泄漏指 标的要求更加苛刻 动态范围低于其它结构 该架构的接收机设计 是在模拟域通过混频器先将射频信号下变频到中频 在中频对 接收信号进行采样和数字化 然后在数字域再通过 DDC Digital Down Conversion 模 块将中频信号变换到基带频率 该设计架构较 ZIF 的频点规划少复杂一些 需要考虑 半中频 镜像等信号的影响合理的选在本振模式和中频频点 而且对 ADC 的性能要 求更高 但是相对 ZIF 架构有更高的动态范围 Comment l1 负频率信号的物理意 义和采样 1 5 2 ZIF 镜像抑制介绍镜像抑制介绍 负频率概念 1 6ADC 指标分析指标分析 1 6 1 RF 前端增益确定前端增益确定 1 确定系统噪声系数 如 1 1 分析 WCDMA 系统 NF 7 1dB 即可满足协议要求的灵敏度指标要求 为 了保证更优的指标和设计余量 NF 设计指标定位 4dB NFsys 假设 ADC 对系统 噪声系数影响为 0 5dB 模拟电路总的噪声系数为 3 5dB RF 前端 NF1 ADC 的参数如下 基于以上 ADC 参数 其等效噪声系数 NF2 如下 如下图示 确定 RF 前端的增益 PG1 和 ADC 的等效噪声系数 NF2 27 2dB ADC 自身底噪相对于热噪声 2 RF 前端增益 PG1 确定 增益计算公式如下 1 6 2 无阻塞条件下天线口和无阻塞条件下天线口和 ADC 口功率对应关口功率对应关 1 6 3 ADC 阻塞信号电平对阻塞信号电平对 RF 前端增益要求前端增益要求 ADC 输入端的最高阻塞信号电平 工作频带内和工作频带外 阻塞电平分析时需要考虑余量 ADC 满量程电平和 ADC 最大输入端电平差 通常我们不 希望阻塞信号的峰值电平高于 ADC 满量程电平 假设预留 7dB 余量 天线口阻塞电平为 30dBm 计算从天线口到 ADC 输入口的增益 PG1 FS 7dB 阻塞信号电平 FS 为 ADC 满量程输入电平 Full scale 4dBm 7dB 30dBm 27dB 或从 33dB 标称增益降低 6dB 如果接收机链路 包括 ADC 的动态不能满足设计要求时 需要通过 AGC 功能实现大小信 号下接收机性能 从在阻塞时电路噪声和失真会恶化系统噪声系数 2 发射机发射机 发射机主要性能要求 1 信号质量 EVM 2 杂散辐射产物 ACLR SEM 2 1Transmitter 设计架构介绍设计架构介绍 2 2可能出现的问题可能出现的问题 噪声底 交调 邻道泄漏抑制 LO 泄漏 镜像边带 2 3IMD 和和 ACLR 1 对宽带无线系统 IMD 不仅影响 ACLR 还影响 EVM 对 ACLR 的影响更大 OIP3 是关键参数 Third Order Intercept Point IP3 OIP3 IM 2 Po 2 降低输出功率可以改善 ACLR 但最终收底噪限制 3 利用 3 阶交调 OIP3 简单估算 ACLR Pt 包括所有载波的总输出功率 利用两个单频载波在每载波输出功率为 Pt 3dB 状态 下推算的 IM3 值可以估算 单载波 ACLR IM3 3 dB 双载波 ACLR IM3 9 dB 4 载波及以上 ACLR IM3 12dB 估算中未计及噪声底 2 4LO Leakage 修正办法 改变基带 I Q 信号中的 DC 偏移 需要较高的 DAC 分辨率 有源对消电路反馈环 此部分是数字预失真控制环路的一部分 2 5Image suppression 修正办法 调节 I Q 输入的幅度和相位偏 需要较高的 DAC 分辨率 设置一个固定的偏移量作一阶 利用反馈环作有源修