5.8GHz WiMAX寬帶無線通信射頻系統(tǒng)設(shè)計

趙小虎,潘子春,周 雨

（1.安徽四創(chuàng)電子股份有限公司,安徽 合肥 230088;2.安徽電力通信有限公司,安徽 合肥 230061）

0 引言

固定WiMAX標(biāo)準(zhǔn)基于正交頻分復(fù)用（OFDM）技術(shù),使用256個副載波;該標(biāo)準(zhǔn)支持1.75～28MHz范圍內(nèi)的多個信道帶寬,同時支持多種不同的調(diào)制方案,包括BPSK、QPSK、16QAM和64QAM。由于信號寬帶及高調(diào)制方式等多項技術(shù)參數(shù)導(dǎo)致射頻設(shè)計充滿挑戰(zhàn)性。

1 主要芯片完成功能

本設(shè)備采用超外差時分雙工方式來完成設(shè)計,在符合WiMAX標(biāo)準(zhǔn)的射頻套片推出之前,成功選用SIGE公司生產(chǎn)的中頻芯片SE7051L10和Texas instruments公司生產(chǎn)的射頻芯片TRF2436來完成設(shè)計。中頻頻率固定為380MHz,射頻頻率在5.725～5.850GHz頻段內(nèi)可選。

1.1 SE7051L10

SE7051L10主要完成功能為:

①在發(fā)射時隙內(nèi)完成I、Q基帶信號上變頻為380MHz的固定中頻信號;

②在接收時隙內(nèi)完成接收的380MHz的固定中頻信號下變頻為零中頻的I、Q基帶信號;

③完成合成IF和RF所需的LO功能;其中中頻LO頻率為固定的380MHz;RF本振頻率可選,以便系統(tǒng)工作在期望的工作信道內(nèi);

④在發(fā)射和接收通道,均內(nèi)置可變增益放大器,同時Tx通道具有18dB的增益控制范圍（步進6dB）,和50dB TX增益控制范圍（步進1dB）,Rx通道具有50dB的自動增益控制范圍。

1.2 TRF2436

TRF2436完成功能為:

①在發(fā)射時隙內(nèi)完成380MHz的固定中頻信號上變頻到所需的RF信道頻率;

②在接收時隙內(nèi)完成接收的RF信號放大并下變頻為380MHz的固定中頻信號;

③片內(nèi)內(nèi)置收發(fā)開關(guān)、低噪聲放大器及開關(guān)控制的功率放大器;

④內(nèi)置射頻本振倍頻器。

2 總體設(shè)計

由于SE7051L10與TRF2432非同一公司套片,需重新設(shè)計,主要從以下幾點考慮。

中頻芯片SE7051L10產(chǎn)生射頻本振,其合成頻率范圍2 850～3 350MHz,若系統(tǒng)選用低本振,要求最低頻率為2 672.5MHz,SE7051L10無法滿足該要求,系統(tǒng)只能選用高本振,高本振要求頻率為3 052～3 115MHz;選用高本振將導(dǎo)致中頻及基帶頻譜鏡像,對點對點系統(tǒng)而言,由于接收下變頻將發(fā)射的上變頻導(dǎo)致的頻譜鏡像翻轉(zhuǎn),系統(tǒng)會不留痕跡進行解調(diào);但作為CPE設(shè)備,無法與標(biāo)準(zhǔn)基站對聯(lián),采用基帶I、Q信號顛倒連接,巧妙地解決選用高本振導(dǎo)致的頻譜翻轉(zhuǎn),與標(biāo)準(zhǔn)信號源對聯(lián),系統(tǒng)工作正常。

SE7051L10的收發(fā)中頻為各自獨立的差分輸入輸出,而TRF2436收發(fā)中頻為共用的差分輸入輸出,為解決此問題,選用2只單端雙擲開關(guān),通過收發(fā)切換控制信號,將SE7051L10的收發(fā)中頻各自獨立的差分輸入輸出切換至TRF2436要求共用的中頻差分輸入輸出,效果良好。

作為WiMAX CPE設(shè)備,基站為適應(yīng)不同用戶端設(shè)備要求,其系統(tǒng)接收增益固定,不具備AGC功能,為保證接收信號幅度恒定,通過動態(tài)調(diào)整不同CPE設(shè)備的發(fā)射功率;因此要求WiMAX CPE設(shè)備發(fā)射通道具有超過50dB的ALC控制范圍;雖然SE7051L10內(nèi)置步徑1dB的50dB衰減器,但中頻衰減過大,將影響中頻信號的信噪比,從而影響系統(tǒng)性能;而TRF2436是針對802.11系統(tǒng)開發(fā)的,發(fā)射通道沒有提高系統(tǒng)動態(tài)的數(shù)控衰減器;為增大系統(tǒng)發(fā)射動態(tài),在TRF2436的射頻濾波器后增加一片步徑4dB總衰減28dB數(shù)控衰減器。

重新設(shè)計SE7051L10射頻本振的環(huán)路濾波器,優(yōu)化射頻本振的相位噪聲,從而改善發(fā)射及接收系統(tǒng)的信號相對矢量誤差。

TRF2436的本振要求100Ω差分輸入,本振功率電平0dBm。通過增加此頻段工作的平衡-不平衡變換的巴侖集成塊來解決,巴侖集成塊平衡輸出阻抗為200Ω差分輸出,阻抗不匹配通過四分之一波長阻抗變換器來解決;同時,通過一單片放大器將SE7051L10輸出本振放大到0dBm,單片放大器也有利于提高本振的輸入輸出隔離度。

通過收發(fā)通道的預(yù)算,合理地完成功放及低噪放設(shè)計。

3 系統(tǒng)工作流程

系統(tǒng)采用時分雙工工作方式,當(dāng)基帶控制的收發(fā)開關(guān)信號為高電平時,系統(tǒng)工作在發(fā)時隙,基帶送出的I、Q信號經(jīng)調(diào)制、上變頻、功率放大和中頻、射頻濾波后經(jīng)開關(guān)由天線發(fā)射至接收端;在接收端,基帶控制的收發(fā)開關(guān)信號此時為低高電平,系統(tǒng)工作在收時隙,接收的射頻信號經(jīng)開關(guān)、低噪放、下變頻、相應(yīng)射頻、中頻濾波,解調(diào)出I、Q基帶信號送至基帶信號處理單元。系統(tǒng)工作流程如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)工作流程圖

4 主要技術(shù)指標(biāo)的實現(xiàn)與指標(biāo)分配

4.1 發(fā)射功率的實現(xiàn)

由于系統(tǒng)的基帶采用OFDM調(diào)制技術(shù),OFDM是無線通信系統(tǒng)中的一項關(guān)鍵技術(shù),是一種多載波傳輸技術(shù)。多載波傳輸技術(shù)相對于單載波傳輸技術(shù)而言有很多優(yōu)點,例如抗多徑干擾,抗突發(fā)噪聲和有效地克服頻率選擇衰落。但OFDM技術(shù)的一個主要缺點就是具有很高的峰均功率比（PAPR）,高的峰值容易引起非線性失真;同時,由于系統(tǒng)采用較高的64QAM等調(diào)制方式,對系統(tǒng)的線性要求較高,針對以上問題,在設(shè)計及選用器件時,為保證系統(tǒng)工作在線性區(qū)域,所有器件均要求在其P1dB回退10dB工作。

功放設(shè)計的難點主要是末級功放的設(shè)計,本系統(tǒng)末級功放選用SIRENZA公司生產(chǎn)的SZA5044,其輸出P1dB為29dBm,功率回退10dB,其輸出線性功率為19dBm,功放末級有一無源收發(fā)開關(guān)、抑制諧波分量的低通濾波器及MCX插座,其插入損耗總和為1.6dB,在插座輸出口輸出的線性功率為17.4dBm,滿足設(shè)備技術(shù)指標(biāo)要求;同時,SZA5044的增益為28dB,為保證設(shè)備技術(shù)指標(biāo)16dBm功率輸出,SZA5044輸入功率要求-9dBm,功放前級的射頻開關(guān)、數(shù)控衰減器及濾波器的插入損耗總和為4.4dB,要求TRF2436的線性功率輸出-4.6dBm,TRF2436其輸出P1dB為22dBm,線性功率輸出12dBm,滿足技術(shù)指標(biāo)要求。

4.2 發(fā)射通道ALC的實現(xiàn)

由于系統(tǒng)針對點對多點設(shè)計,基站的AGC不能工作,基站的接收增益相對固定,為保證系統(tǒng)正常通信,基站端通過測試上行接收基帶I、Q的功率電平,與標(biāo)準(zhǔn)I、Q的功率電平比較,計算出功率誤差,送至用戶端,通過軟件開環(huán)控制用戶端上行的發(fā)射功率;為保證有足夠的動態(tài),以適應(yīng)衰落的影響,指標(biāo)規(guī)定用戶端的ALC控制范圍大于50dB,步徑1dB。

本系統(tǒng)的ALC由SE7051L10提供30dB ALC控制范圍,步徑1dB;同時,數(shù)控衰減器提供28dB的ALC控制范圍,步徑4dB,在實際應(yīng)用中,實際測試一ALC控制表格,按實際衰減量從小到大排列,步徑1dB,通過安捷侖公司的89601軟件實際測量發(fā)射功率電平,同時保證在50dB的動態(tài)范圍內(nèi),發(fā)射的相對矢量誤差小于-31dB。在正常工作時,基帶軟件根據(jù)當(dāng)前ALC控制信號所在控制表格的位置和基站測量的功率誤差,動態(tài)調(diào)整用戶端發(fā)射功率,保證系統(tǒng)正常工作。

4.3 發(fā)射機EVM指標(biāo)實現(xiàn)

發(fā)射機相對矢量誤差是衡量發(fā)射機綜合技術(shù)指標(biāo)之一,由基帶I、Q的正交誤差、幅度平衡,本振的相位噪聲,混頻器和功放（PA）線性技術(shù)指標(biāo)和系統(tǒng)頻偏等決定。針對本射頻系統(tǒng)而言,I、Q的正交誤差主要通過PCB板I、Q信號走線嚴格等長來控制;幅度平衡可通過運算放大器的增益控制電阻來調(diào)整;由于本射頻系統(tǒng)選用TRF2436作為二次混頻的主芯片,混頻器集成在芯片內(nèi)部,無法控制;發(fā)射EVM主要由本地振蕩器的相位噪聲決定,通過合理選用VCTCXO,優(yōu)化環(huán)路濾波器等措施,保證射頻本地振蕩器的相位噪聲指標(biāo)滿足-88dBc@1kHz、-90dBc@10kHz,從而保證TRF2436輸出最終功率0dBm時,其相對矢量誤差達到-34.5dB;對本系統(tǒng)而言,功放的合理設(shè)計決定了發(fā)射機相對矢量誤差。如前所述,本系統(tǒng)選用的末級功放,在輸出功率為16dBm時,其相對矢量誤差為2%（-34dB）,通過計算系統(tǒng)的相對矢量誤差為-32.5dB,滿足技術(shù)指標(biāo)要求。

4.4 接收靈敏度及接收AGC設(shè)計

接收機靈敏度是反應(yīng)接收系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)之一,對802.16d系統(tǒng)而言,接收機的靈敏度在系統(tǒng)誤碼率不小于10-6情況下,應(yīng)按如下公式計算（假定有5dB的余量和7dB的噪聲系數(shù)NF）,Rss=-10+SNRrx+10Log（（Fs*200）/256）。采用3.5MHz帶寬,這里的Fs=3.5*8/7,SNRrx為系統(tǒng)解調(diào)歸一化信噪比,對64QAM-3/4而言,其歸一化信噪比要求為24.4dB。通過計算,其接收機靈敏度為-72.6dBm。從以上公式可以看出,合理設(shè)計低噪聲放大器,減低系統(tǒng)的噪聲系數(shù),可以提高系統(tǒng)的接收機靈敏度指標(biāo);本射頻系統(tǒng)的低噪聲放大器選用安捷侖公司生產(chǎn)的MGA71543和MGA72543來完成低噪聲放大器設(shè)計,增益50dB,考慮接插件、開關(guān)及濾波器的插入損耗,系統(tǒng)噪聲系數(shù)4dB,比公式7dB噪聲系數(shù)改善3dB,相應(yīng)提高接收機靈敏度3dB,優(yōu)于該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的要求。

整個系統(tǒng)提供的接收機AGC控制范圍為90dB,其中中頻增益控制范圍為50dB,TRF2436增益控制范圍為16dB,數(shù)控衰減器28dB,總計94dB。

5 設(shè)備特點

該設(shè)備具有如下特點:

①低成本。由于選用的是高集成,大批量的通信集成塊完成設(shè)計,大批量生產(chǎn)時,整機成本幾十美元;②高性能。點對點測試時,信道帶寬3.5MHz接收機靈敏度-75dBm（64QAM-3/4）,優(yōu)于802.16d協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)2dB;③結(jié)構(gòu)簡單。由于系統(tǒng)選用TDD模式工作,無須過分考慮收發(fā)隔離,整機收發(fā)在同一塊PCB板上完成,收發(fā)之間不需要增加屏蔽盒;也不須增加改善收發(fā)隔離的雙工器;④調(diào)試、安裝、維修方便。由于選用的器件均為內(nèi)匹配的器件,一致性好,只要器件安裝正確,工藝不出差錯,幾乎為免調(diào)試產(chǎn)品。整機重量輕,安裝方便;維修時能迅速定位故障點。

6 結(jié)束語

該設(shè)計于2007年8月向國家知識產(chǎn)權(quán)局申請發(fā)明專利,已審?fù)ㄟ^,專利號200710023309.2。由該設(shè)備組成的系統(tǒng),在安徽省電力通信公司、合肥供電局傳輸變壓器工作狀態(tài)數(shù)據(jù)和KP所工作狀態(tài)數(shù)據(jù);系統(tǒng)采用點對點測試,兩點之間在部分遮擋通信距離5km情況下,進行上下行鏈路數(shù)據(jù)傳輸,其流量及Ping包測試均符合WiMAX標(biāo)準(zhǔn)要求;同時雙向傳輸電影圖像無失真、聲音清晰,系統(tǒng)工作穩(wěn)定。

[1]王文博,鄭侃編著.寬帶無線通信OFDM技術(shù)[M].北京:人民郵電出版社,2003.

[2]IEEE Std 802.16TM-2004 IEEE Standard for Local and metropolitan area networks[S].