WiMAX射頻系統(tǒng)設(shè)計方案

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~ 28 MHz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。

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Texasinstruments 公司生產(chǎn)的射頻芯片TRF2436 來完成設(shè)計。中頻頻率固定為380 MHz，射頻頻率在5. 725~5. 850 GHz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380 MHz 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380 MHz；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18 dB 的增益控制范圍( 步進6 dB) ，和50 dB TX 增益控制范圍( 步進1 dB) ，Rx 通道具有50 dB 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380 MHz 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380 MHz 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50 dB 的ALC 控制范圍；雖然SE7051L10內(nèi)置步徑1 dB 的50 dB 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4 dB 總衰減28 dB 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0 dBm。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0 dBm，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。

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P1 dB 回退10 dB 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P1 dB 為29 dBm，功率回退10 dB，其輸出線性功率為19 dBm，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. 6 dB，在插座輸出口輸出的線性功率為17. 4 dBm，滿足設(shè)備技術(shù)指標(biāo)要求；同時，SZA5044的增益為28 dB，為保證設(shè)備技術(shù)指標(biāo)16 dBm 功率輸出，SZA5044 輸入功率要求- 9 dBm，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. 4 dB，要求TRF2436 的線性功率輸出- 4. 6 dBm，TRF2436 其輸出P1 dB 為22 dBm，線性功率輸出12 dBm，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50 dB，步徑1 dB。

本系統(tǒng)的ALC 由SE7051L10 提供30dB ALC 控制范圍，步徑1 dB；同時，數(shù)控衰減器提供28 dB 的ALC 控制范圍，步徑4 dB，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1 dB，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50 dB 的動態(tài)范圍內(nèi)，發(fā)射的相對矢量誤差小于- 31 dB。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(yán)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- 88 dBc@ 1 kHz、- 90 dBc@10 kHz，從而保證TRF2436 輸出最終功率0 dBm時，其相對矢量誤差達(dá)到- 34. 5 dB；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。

5小結(jié)

如前所述，本系統(tǒng)選用的末級功放，在輸出功率為16 dBm 時，其相對矢量誤差為2% ( - 34 dB) ，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。