WCDMA之零中频接收机原理剖析大全

1、相较于2G时代的GSM技术,WCDMA在DataRat与信道容量，都大大提升1,采用了几个不同于GSM的技术。一个是CDMA技术，也就是分码多任务，用简单的比喻来比较TDMA,FDMA,CDMA不同2:在会议室内，若要保持通话时不被干扰，一种分别是选择不同时间通话(TDMA)一种是同时间通话，但分(FDMA)nu1:夕IGObjG,0-./ADD还有一种是同时间又同隔间通话，但讲不同语言(CDMA)DDDD由上图可知，CDMA不分时也不分频，但因为分码，采正交码技术，不同码之间完全没有相关，因此大大提高了安全性。另外则是展频技术，将讯号的带宽拓宽，使其带宽远大于未作展频调变之原始数据带宽以拓宽

2、，与前述的正交码有关。由于Tx端会采用一组正交码，且该送数据没有关系，故Rx端也需使用该组正交码，才能解开展频，的传送数据，因此使得讯号不易被干扰与撷取3，同时也由Shanno得知，带宽拓宽后，其信道容量也提升了，连带提高了DataRate4由上式可知，信道容量也跟SNR有关，但在CDMA中，会先以EN个位的SNR，E即每个位的能量，而N即噪声的功率频谱密度，b0式:便可算出系统的SNR,其中fb是DataRat因此若提升N，则可提升0另外，由于原始数据的ChipRate会在展频后大大提升，使得讯号会额外获得增益，进而再提高SNR,该增益称为处理增益，ProcessingGainGPRG(dB

3、)=10log(C)PRR是原始资料的ChipRateR是展频后的ChipRate由5可知，R与R分别CC为12.2Kbps与3.84Mcps,带入上式，De-spreadingRXCode77而得知b与G后，便可算出JM(JammngMargn):NP0EJM(dB)=10log(G)-10log(b)PN0当然JM值越大，则表示抗干扰能力越好3。而虽然WCDMA的ChpRate3.84Mcps，在频谱上占用3.84MHz的带宽，但为了防止相邻频道的干扰，因此上下两端再加入保护频率，所以一个Channe共占用5MHz的带宽6:Up-linkDown-liDDDD一190MHzSeparati

4、on1920MHz1980MHZ2110MHZ60MH:(这些位是!寸stMQpDDDD根据星座图及接收到的载波信号的相位来判断发送端发送的数据位4。DD至于Pulseshap方g面，则是采用RRC(RootzRasedzCO技术5)shapin，g先简单介绍一下ISI。在无线传输过程中，ISI(InterSymbolInterfer是很难隹避免的讯号假设有组101101的讯号序列，以无线方式传送出去，尚未传送时，每个Symbol都在各自归属的Tmes内t然而在传送受到外界干扰，导致Symbol的能量会泄漏到其他的Tmes影响其该现象即ISI，如下图：InterferenceIntuSymbo

5、l4fromsymbols2and3Amplitude|ntier|：erierice币抵Symbol34fromsynbots1and2Tims虚线为传送讯号，绿色为接收讯号，做一番比较，如下图:可以发现讯号明显失真很多7。引起ISI的原因有许多，其中原因之一，便是来自GroupDela由前面可知，传送的讯号，并非真正的方波，原因是真正的方波难以实现，而且会占用过多带宽，因此只好以不影响准位判读，且不会占用太多带宽的梯型来传递讯号。而由FourerTransform知，任何波型都是由众多正弦波组合而成，梯型波形也是，因此当一个梯型波形的众多正弦波，在传递过程中没有同步，该现象即GroupDe

6、layDD可以发举个简单的抵达，那便然而上图是ooO432%00950100010501100Frequency(MHz应,某些D点的rofp（；I特别严重DD而当GroupDelayd大时，便会引起ISI。另外在时域图中，蓝色如天桥状的，便是BandPassF,频域图即带宽1GHz的BPF的GroupDela频率响应，因此虽然SAWF可以滤除噪声，但也可能会造成GroupDelay进而导致ISI7-8。为了消除ISI，因此在接收端解调前，弓I入PulseShap的技术，主要功能就是将多余的讯号滤除，留下所需之讯号，方便后续的解调等工作9,而WCDMA采用的，便是RRC的滤波器。上图是RRC的

7、时域图，是一个低通滤波器，知名美商Broadcom的商标，即RRC。而在时域上的波形，会决定其频域上所占带宽大小，可用下式做说明：W=(1+a)w0apn*i-dE2*3.84MHzW-CDMABasebandD D上述讨论的皆是两个的分析，但如果将输入讯号设为一个，且将输出输出函数简化至二次项6由上式可知，即便没有MD,输入讯号只有单一频率，一样会因2阶的非线性效应，产生DCOffs,因此，由于相较于超外差接收器，DCR的滤波多，故LNA与Mx的线性，便显得很重要16Mismatch由11可知，若IQ讯号振幅不相等，则称为IQAmpltudembalance若IQ讯号相位差不为9w度，则称为

8、IQphasembalance而多半会将这两种现象，统称为IQmbalanc或IQMsmatch前述说过，DCR的R架构，*0信号频率会与RF信号频率相同，而高频的*0,欲产生9w度正交的相位差，本就实属不易6,因此容易有IQMsmatch22另外，由12可知，差分讯号具有较佳的抗干扰能力，因此IQ讯号多半都会设计成差分形式。故差分形式的IQ讯号，其相位差如下：实际Layout而差分讯号需符合等长很难完全符合这些需求，因此也容易有IQMismatch。11 D D此外，IQMsmatCh会引起EVM。Eir时卩GerrarmtgErEcrfilarMcTirtdSign-alJ*ftri-CT

9、BG引1ymNlPha-seError(IQmmphse)若将IQAmpltudemba定义为,IQphasembal定义成0，则EVM公式如下6:rvi二加冷另外，IQMsmatth会引起UndesredSdeba其dMsmatch!度，会连带影响，SdebandSuppress的效果11:PHASEERRORDegrees)zQ_CAv3UJt:da.ntflazsuo-w由上图可知，当IQAmpltudembSfe小ceIQphasembal也越小时,其SdebandSuppress的效果就越好。而EVM除了来自IQMsmatchOleakag与*0的phaseno,s也会引起EVM18

10、。 D #DModulation当有其他用户的Tx讯号，被Rx路径接收时，便会形成Jammer28。NoisefrequeiTransmitterInterfererReceiver #D DCrossModulationJammerJammerTXLeakageDesiredSignalTXLeakageDesireeSignal上离接收讯号还有一段距离，但是这两者所产生的CrossModulat,0便会干扰接收讯号，使Senstv变差19。JammerandXMDRXBandOffset(MHz)RXBand D D而CrossModulat的n强度，可用下式表示:P=(2P+P)-2IP

11、3+CX-MODTx-LeakageJammer其中C是校正常数。由上式可知，CrossModulat的n强度，与TxLeakage以及Jammer强度有关，但TxLeakag的贡献较大，因为若其增加1dBm，则CrossModulato会增加2dBm26。因此若TxLeakag降低，便有助于CrossModulato的下降21:上图全没AITmLL一.十LJJc而加强Duplexer的Tx/Rxsolat,也有助于CrossModulat的下降：DuplEuotl?的IntionLtx,dE3由上图可知就越小，且Rx端的NoseF也越小，如下图19:而依照公式3:Sen(dBm)=-174d

12、Bm/Hz+NF+10logB+SNRNoiseF的下U降，有助于的提升。提到NoF依照公式：1M1时，.J二.亠4ZfWf/fi.-*-I-a二.r.11TJY丫丫irLNA前的NoF最为关键，因为没有Ga当分母，对整体影响很大，所以Duplx不只要注意olat也要注意Iro #D #D #D #DRx端的Iro会影响30: #D D而端的InsertionLoss会影响通话时间30 #D #D D #DFXtoantennaHigh(solution?T0C2200?3ODrMHz #D DJamming+TlleakageCROSSMODNOISE4另外由19-20可知，CrossMod

13、ulat与nLNA的线性度，有很大的关系，尤其是IIP3:Pcrossmod-6+2(Ptxin-P由于有些LNA为了降低耗电流，因此会牺牲一点线性度，这使得IIP3下降，连带使得CrossModulat变大，因此若提高LNA的线性度，可有助于CrossModulato的下降2w #D #D #D #D另外，REDUCEINCREASELNAIP3andDUPLEXERISOLATIOI #D #D #D #D接下来将探讨天线模块开关I的线I工度。 D #DLinearityConsideration由17可知，非恒包络的讯号，对于线性度的要求较高，不能直接经过非线性放大器，而WCDMA的接收

14、讯号，采用QPSK调变，属于非恒包络，如下图28。 #D #D #D Don这便是为何前述提到，*NA的线性度，对于Rx性能有重大的影响，若IIP2不够大，则会有IMD2与DCO的问题。而IIP3不够大，则会有CrossModulat的问题26。甚至P1dB，也要尽可能大，因为由25得知，*NA端的Tx*eaage最大可能会有-24dBm若*NA的P1dB不够，则会有非线性失真，因此Rx测项，有一项为Maxmumnput,便是在测Rx端的最大承受输入功率（且BER不得大于0.1%）27。另夕卜，由5可矢口，WCDMA的Sensitivity,理论上最小可以到-117dBm,因此*NA的职责，便

15、是在处理如-117dBm这么微弱的讯号时，不会增加额外的噪声，而处理-24dBm这么大的讯号时，也不会有额外的非线性失真26然而由14可知，不只*NA要考虑线性度，ASM(AntennaSwitchMo也要e)考虑线性度。GSM上图是、用前述影响很大1dBm，直接一口 D #DWCDMA #D D另外由14可知,IMD3之所以受到关注，是因为其频率刚好落在Rx接收范围,以DCS180与WCDMAIM为例，若发射给基地台的WCDMA频率(1.95GHz)与其他手机发射的DCS180频率(1.y6GHZ)在ASM中产生IMD3，则将会影响WCDMAIM的接收性能(2*1.951.y6=2.14)至

16、于BTSGSM1800ANTaLNAGSMandWCDWMobilePhoneWGDM；RXWCDM/5TXPn=前dBm/3.84MHzPs=-15dBmFrx=20dBm/3.84MHz而:即外P3i高）theSwitchG=OdBII也的问题)P=85dBm/7.68MHz1生DCffset2.14GHz #D #D #D #D如下图: D #D另外，其Harmonc也很重要，若产生的Harmonc太高，则有可能会干扰其他人的Rx讯号，成为别人的Jammer,例如LTEB1的3倍谐波，就会影响LTEB4的接收性能14:DeFtx-B173，dHarmonic故其Harmoncs也是ASM

17、线性度的重要指针。734M746M2110M704M716MB17RxB17Tx #D Dnois又称1/f噪声，其功率密度与频率成反比，属于低频噪声，发生原因的表面特性不同，或不同金属接触界面所引起，因此半导体组件，Dode.等，皆有FcereNoNse虽然fcer是低频噪声，但对DCR影响很大，因为当RF讯号BB(BaseBan讯号后，会再经过BB放大器与BB主动滤波器，而当与BB主动滤波器之组件材料表面特性不同，加上此时频率极低，FcerNO能量，使SNR下降。而由NoseF公Ur式:可知后级电路的NoeseFFgu会受到前级电路的Ga而抑制下来Ga越大,则后级页献的NoseF就越小，因

18、此要加大Mx龈使讯号在混波后，还能保持较高的SNRI。另外，虽然Fcers是低频噪声，但也会出现在RF频段，例如荡器，其Fcer会藉由其晶体管的非线性特性，而移频至2G成了Phaseno,s接下来我们讨论Phaseno对eRx端的影响。noi前述提到，在1932年，法国贝里塞斯(deBellesc改善L?的频率稳定度，大幅改良了DCR接收质量。他比较L?讯号和RF讯号的频率差，修正L?讯号的频率，让L?讯号锁定RF频率。这个电路是当今锁相回路的起源，依此可知，PLL(phaseLocked已成为DCR不可或缺的电路，以下我们先简介一下PLL。顾名思义，PLL是将输出讯号的相位，锁住，跟输入讯号

19、一样，如果不锁住会有相位差。Examoleoflockedchase1u11LI11111%)1I1I111I11Exampleofunlockedphase也厂III厂IT%，i111rilpnnnnnat #D DPLL是一个Feedback系统，当输出讯号与输入讯号有相位差A9时，则PD(PhaseDetector)会透过Feedback机制，侦测到A9，接着CO(oltageControlOscllator)会去调整A9，进而修正输出讯号的相位24。至于CO则K即上图斜率。VCO(0血=+KgOControlVControl D #DLPF而DCR的L090 #D #DLPFnose一

20、个理想的率周围，产工裙带状口丁噪声（理想丄是要无此裙带状频谱丿，此即称之为phasenose而phaseno可由下式估算3：L(f)(dBcHz)=N(fmat1HzBW)-10log(RBW)mHzC #D #D #D #D D DC为LO中心频率的功率,N为与f0相距fm处，且带宽为1H之噪声功率，L(f)00mm即为该处phaseno,SBW则是频谱分析仪之解析带宽(ResolutonBanddth)RBW表示两不同频率信号能够被清楚分辨出来之最小带宽差异，当两不同频率信号带宽低于RBW时，此时两讯号将重迭，难以分辨，故RBW越低，表示越能分辨两不同频率信号。至于VBW(VdeoBand

21、贝dth表示单一信号显示在屏幕所需最低带宽，前面可知LOLeaage会导致SelfMx，然而phasenos会导致rec,procalmx，如上图所示，其输出讯号会被LO的phasenos所调变，而输出讯号的phaseno成份，不仅和LO之phaseno大小有关，也和载波本身的振幅有关，所以可以看到三个载波G、C2、C3)与LO之phasenos产生recprocalmx后g其C2输出讯号的phaseno最严重，同时也可看出C3输出讯号几乎被C2的phasenos所淹没，因此倘若LO的phasenos很大，且有一个振幅颇大的讯号在频谱上相当靠近欲接收讯号，如此便会导致SNR值变小，也会使整体R

22、X的Senstv变差。Leakage由于WCDMA，是FDD(FrequencyDvson,D此1TX)端与Rx端会同时运作，故需要Duplexer，将Tx与Rx的讯号路径作隔离，VDOWNLINKFrequencyUPLINKDuplexerMobileStationBaseStation一；而GSM，因为是TDD(TimeDivisionDupleXJx端与Rx端并不会同时运作,故不需要Duplexer将Tx与Rx的讯号路径作隔离5,15:GSMD-68D-68尤其是现今在手机体积要求轻薄短小情况下，Duplexer越来越小，导致isolation变差20。因此便产生如前述的SelfMix

23、ing导致DCOffset或是与邻近的Jammer，产生CrossModulationTxTxBandRxBandDuplexingOffsetBPF-nBPFrx上图是Duplexer的方块图26，由15可知，当头或手靠近时，会改变天线端的阻抗，连带Rx端也会受到影响，因此isolation值并非固定不变，而是会因头或手靠近，而有些微变动:-58BULULbandmeaiDLband,UL D #DWeakRxStrongTxG述Wpowe打到最大，但由于离基地口极远，所以接收到的Rx讯号很微弱，此时便形成TxLeakag很大，但Rx讯号很小的情况。如前述，TxLeakag最大可以到-24d

24、Bm而Senstv最小可以到-11dBn若有正常通讯质量，便会将TX处于上述的极端情况，则两者差了将近100dBm29。因此几乎绝大部分的Rx讯号失真，都是来自TxLeakage除了前述的DC?ffse与CrossModulat,on另外还有Desense,Blockng,%MD这便是在此再将TxLeakage做进一步探讨之故。 #D D如前述，若LNA的P1dB不够大，则会有非线性失真，我们以下图解释： #D #D #D #DIdBCPactualmall-signalgainndB20logAin20logAoutGaindBidealblockerlevelactualblockerle

25、velIdealsmall-signalgain #D #D D #D当TxLeaa很大时，则会使LNA饱和，若此时Rx讯号又极微弱，则Rx讯号的Ga不再固定，而是会变小，该现象称之为Desense，若Rx讯号的Ga降为零，即Rx讯号经过LNA时，完全不会被放大，则有可能被noseflo淹没,此时称该Rx讯号被阻塞(Bloced)28DesiredSignalNoiseLevel1ReducedTDesiredSignalfpx而若端的L0,其phaseno过大，同样也会干扰R讯号30或是Leak与eR端LO的Phaseno,s产生recprocalM,也会干扰R讯号31:InNoiseflo

26、orReceivedsign由-117dBmThermalnoise3.84MHzTXleakagePTX=-30dBmTXleakagePTX=-30dBm D D另外，Leak会跟R讯号，产生带宽为R讯号两倍的IMD2,干扰R讯号32:3|TXleakagePTX=-27dBmReceivedsignal-117dBmNoisefloorzTX2ncInterrr4MHzOffset&IMD2Suppression如前述，DCOffse与IMD2是DCR架构必然出现的议题10,13,22,然而一些文献，提出了抑制的方式，例如LO频率提咼两倍，除2,如此可将Phasenos与I/QMsmat

27、JCh低1,31,LOIdividedivideby2VCO2嗨或是采用差动架构的LO跟Mxer25,28,因为由12可知，差动架构可抑制共模噪声。而有些DCR会在LNA与Mxe间，额外加入一个BPF,来滤除噪声，这样便可降低Rx端线性度的要求1,例如高通的RTR285A便是采这种设计：7UMTSReceiverANTSAWDuplexerASMReceiver:LNAMixerSAWDuplexer D D但是，额外的AW除了会增加面积与成本，同时会因增加了Insertion*oss,而增加NF,导致灵敏度下降28。另外，由11可知，DCO会引起CarrierFeedthrough会劣化接收

28、机性能,故必须加以抑制，而抑制效果，称为Carriersuppression:Crrifi-QlTsetil-5ncOffsetImbalancedBufi匕理论上，若无DCOfs则tCarriersuppressio的效果会无限大，即完全没有CarrierFeedthrough虽然很难完全避免CarrierFeedthroug的存在，但至少能将其抑制到系统性能可接受的程度。DCO与eMD2之所以成为DCR架构的难题，在于它们会座落在频谱上为零之处，或其附近，很难滤除26，因此若要抑制，只能靠后端的DSP5。然而由11可知，可透过校准算法，在后端DI单位，将DCO与eMD2有效抑制下来。左图是

29、完全没做DCOffse与IMD2校正的波形。而右图是做了DCOffse校正的波形，可以看到位准明显下降，但还是有Burst。若再加上IMD2的校正：OF1O1-O-0.2100200300400sample可以看到位准在零之处，且无Burst。 #D D而以频谱上来看，校正完后，其IMD2确实下降28。 #D #D #D #DIQkHr/-3Ou05dEru11-fellLOGkE-F:MWI*vay1PerDdBxnArc3DdB5WTI-17-1-S3-100 #D #D(bjAftercalibre(a)lieforecalibrationIIP2vs.slaticDCoffset D

30、#D1o-100-50050SlaticDCoffsetmV100150mlooflgoBO70oL5O16-巨mp一圧一一 D D因此若是高通平台，如6285A对于WCDMA，则会特别做MD2勺校准。但对于GSM，并不会特别做MD2勺校准。下式是MD的表示式：P=2P-IIP2+CIMD2input其中C是校正常数。理论上，输入讯号指的是x讯号，但因为WCDMA会有xLeakage，且比x讯号大得多，因此其MD2的大小，主要是由x*eaka主宰。另外如前述，x*eakag最大为-24dBm比GSM的x输入讯号大得多，这表示WCDMA的IMD2会远比GSM的IMD2来的大，亦即WCDMA对于%

31、P2的要求，远比GSM来的高，因此虽然同样DC架构，同样都会有MD2的问题，但WCDMA须额外靠校准来提升线性度。&Selectivity由16可知，相较于超外差接收器，有多级的SAW,可以过滤MD2跟IMD3DCR对于线性度的要求更高，因为没有多级的SAW过滤MD2跟IMD3因此IIP与IIP要够高，才能抑制IMD2与IMD3而由5,16,32得知，Bloc便是在测Rx端的IIP与IIP3:rTXSignal(+28dBmatpeak)-15dBmIOut-of-bandblockers-30dBm/-44dBm-30dBm-44dBm #D #D #D D的%pReceivedSignal

32、223OUtbHz2025MHzt2095MHzl2185MHzt2255MHz7尤其是t2050MHz至于Selectv,t测怕勺是Rx端能从强烈的邻近干扰讯号中，侦测到所需微弱讯号的能力6，主要也是在测LNA的线性度18。机制前面提到，后级电路的NoseF,g会受到前级电路的Ga而抑制下来，前级电路的Ga越大，则后级页献的NoseF就越小，因此要加大Mxe跟LNA的Ga，使讯号在混波后，还能保持较高的SNR。然而以线性度而言，前级电路的Ga若过大，容易导致非线性失真，如前述，若LNA的Ga过大，则紧接在后的Mxer就必须要有更良好的线性度，否则会使后端电路饱和，导致线性度下降。因此LNA的

33、Ga必须适中，才能使整体电路的NF与线性度优化。但是，消费者在使用手机时，会因为处于移动状态，导致与基地台间的Pathloss一直更动，即手机所接收的讯号强弱不一。也就是LNA的输入讯号强度，会有很大范围的变动。以WCDMA的cellpow为例，其范围为-19dBm-117将近hidBm而由下式：P()UT(dBm)-(dBm)+Gain(dBm)可知当LNA的输入讯号不固定时，若Ga为单一固定值，则输出讯号也会不固定。很可能当输入讯号过大时(例如-19dBm)，后端电路饱和，线性度下降。或输入讯号过小时(例如-117dBm)后端电路SNR下降，NF上升。因此要有AGC(Automatcgan

34、魏机制l,如此即便输入讯号的动态范围过大，也能尽可能缩减输出讯号的动态范围，使整体电路的NF与线性度优化，如下图：VV既然我们希望彳既然我们希望彳的ADC呢？kIPb(dBm)Lowgain0-40-60-80-120ReceivesignalpowerReceiverdynamicrange一0*0,-0.一20一100VGAVGAVGAOutputdvnamicfrangeReceivergainGADC及大:ADCADC；勾。；勾。 D #DWCDMAPowerBudget #D D；3010b-ij.rl_-_ii,iiil-L-irajiJ1亠dj430eo。户诬f-Fin=-117

35、7Pin=19cPin-66c11001号都落在-19dBm,2/3以便推动ADC,并且确保每级子电路,其输出 #D #D #D #D讯号都小于OP1dB，才不会有非线性失真6。随着接收讯号功率不同时，接收机中的可VGA也会随着己改变Ga1以满足ADC所需要的电压位准，即Rx端的P1dB也会跟着改变。因此在计算Rx端整体的P1dB时，计算情况也分为小信号的HghGan,MO信号的*owGanMode以及适中信号的NormalGanModeDD200080(mp)teo6020inputPower=-117dl20F卜100-80-60-40-20RFInputPower(dBm) D D1A2.5dBNFDirectConversionReceiverfor3GWCDMA2CDM原理简介3RFparameterntroc百度文尿4BrefIntrodctontoDgtaMo