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WCDMA BTS的低成本直接上变频方案具有低噪声、最佳ACPR特性

作者:德州仪器,Heinz-Peter Beckemeyer

直接上变频是实现发射机架构的最经济高效的解决方案,也是基站设计中最重要的规范。I/Q 调制器的载噪比是 WCDMA 技术中最关键的参数。TRF3702 I/Q 调制器在保持优异的 ACPR 性能的情况下,提供带有容限的载噪性能。本文将详细介绍单载波及多载波 WCDMA BTS 中,对模拟正交调制器载噪比的相关技术要求。

发射机系统中采用直接上变频架构,通常被视为降低系统成本的方法,因为它可以降低系统复杂程度与组件数。图1为WCDMA直接上变频架构的结构图。与双变频发射机不同,直接上变频无需中频信号发生器、中频合成器 (PLL/VCO)、中频-射频混频器以及 SAW 滤波器。

WCDMA 技术中对 I/Q 调制器的主要性能要求是对载波偏移 50 MHz 及 60 MHz 下的 ACPR(邻信道功率比)及噪声性能的要求,其中对噪声性能的要求最为严格。该噪声性能需求由杂散发射的限制决定(不能超过此限制,请参见 6.6.3.1.2 [1] 章节)。

杂散发射限值

杂散发射限值决定了载波的最大偏移量。最重要的相关参数是偏移量为 50 MHz (-25 dBm) 及 60 MHz (-30 dBm) 时的杂散发射。此时的测量带宽为 1 MHz。表 2 是偏移量为 60 MHZ 的实例。在此偏移量为 60 MHz 的例子中,单载波工作于最差的状况(载波位于上限频率 2167.5 MHz 或下限频率 2112.5 MHz)。在此例中,偏移 60 MHz 的频率(即 2172.5 MHz 及 2107.5 MHz)恰好处于 Tx 频带之外,此时,双工滤波器不会产生任何衰减。

由于工作带宽为 60 MHZ(2110 MHz到2170 MHz),所以直接上变频架构也不考虑采用信道滤波器来减少载波中的噪声底。I/Q 调制器本身需要提供足够的噪声性能。

-30 dBm 表示绝对噪声电平 (absolute noise level),它决定了 I/Q 调制器的载噪比性能。表 1 中的计算结果为所需的载噪比性能。

此分析中的输出功率为 43 dBm。这是单 WCDMA 载波的 rms 功率(测量带宽为 3.84 MHz)。杂散发射为 -30 dBm 时测量带宽为 1 MHz。这相当于测量带宽为 3.84 MHz 时,功率为 -24.16 dBm。考虑到噪声底的系统容限为 6 dB,所以 PA 输出端的噪声底为 -30.16 dBm。这相当于载噪比为 -73.16 dBc/3.84 MHz 或 -139 dBc/Hz。这意味着,输出功率为 -10 dBm 的I/Q 调制器输出端的噪声底不应超过 -149 dBm/Hz。

在多载波设计中,此噪声性能不一定很难达到,原因是 60 MHz 的偏移量会迫使频率在某个范围内进行调节,双工滤波器已经衰减了一定量的噪声。而对偏移量为 50 MHz 下杂散发射的要求则严格很多,最大值为 -25 dBm(带宽为 1 MHz)。对于偏移量为 60 MHz 时的杂散发射,可以宽松出 5 dB。在带宽为 15 MHZ 的系统中,偏移量为 50 MHZ 的参数尤为重要,与单载波的情况一样,偏移 50 MHZ 的频率恰好是 2107.5 MHz 或 2172.5 MHz,此时双工滤波器起不到降噪作用。

ACPR 要求

对于 WCDMA 中的 I/Q 调制器来说,ACPR 要求的重要性仅次于载噪参数。ACPR(邻信道功率比)在 UMTS 标准中称为 ACLR(相邻信道泄露比),它是主信道与上下相邻信道(5 MHz 偏移)以及相间信道(10 MHz 偏移)的功率比。UMTS 标准对于相间信道及相邻信道的 ACLR 的要求分别是 45 dBc 和 50 dB。这些值取决于功率放大器的输出,为避免降低 PA 性能,信号链中单独的组件对这些值要求更高。对 I/Q 调制器来说,一般的性能要求是低于 60 dBc。

与 DAC5686 组合后的 TRF3702 的性能

TRF3702 [2] 与 DAC5686 [3](16 位、500 MSPS 双 DAC) 组合后进行了测试,组合中使用被动端口,以说明其在 ACPR 与噪声方面的性能。图 3 中显示了被动端口。为简洁起见,省略了 DAC 的滤波部分。

DAC5686 的输出的误差允许范围是 AVDD - 0.5V 到 AVDD + 0.5V,很容易与 TRF3702 的普通模式输入电压 (3.7V) 建立连接。在偏移量为 50 MHz 与 60 MHz 的情况下,噪声性能低于 -144 dBc/Hz,非常符合计算出的需要(包括 6 dB 的余量)(参见表 1)。TRF3702 I/Q 调制器的输出功率在此配置中为 -8 dBm。在此条件下,ACPR 的性能在 64 dBc 的范围内。

图中显示了偏移量为 60 MHz 时,噪声与 TRF3702 输出端信道功率的关系。当输出功率在 -15 dBm 的范围内,计算出的载噪比指标可以维持在较低水平,从而可拥有更佳的 ACPR。

当输出功率较低时,TRF3702 的 ACPR 可超过 71 dBc。图 1 为单载波 WCDMA 信号在某个输出功率下的 ACPR 工作特性图(ACPR 为 71.2 dBc,且载噪比仍处于限值范围内)。

结论

以上对 WCDMA 基站中直接上变频模拟调制器的最大噪声底的分析,表明 TRF3702 可以满足噪声要求,并带有足够的容限。噪声底不应超过 -139 dBc/Hz(包括 6 dB 的容限)。TRF3702 通过被动端口与 DAC5686 连接后测量出的噪声性能在 -143 dBc/Hz 范围内。在输出功率为较高的 -8 dBm 时,ACPR 为 64 dBc(满足要求)。当输出功率为较低的 -14 dBm 时,ACPR 可高达 71 dBc,仍满足载噪比的要求 。

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