（电磁场与微波技术专业论文）cdma800m射频收发系统的设计与实现.pdf

摘要 摘要 随着人们对无线通信要求的日益增加，移动通信市场潜力巨大。本论文主 要是以c d m a 2 0 0 01 x 通信系统为例，介绍移动通信射频收发模块的设计流程，并 介绍了收发链路预算的分析方法。本系统采用了高通公司高集成度的 r f t 3 1 0 0 i f r 3 0 0 0 收发芯片为射频子系统的主芯片。系统设计应用于c d m a 8 0 0 m ， 发射机和接收机都采用了典型的超外差式结构，它具有优良的动态范围和选择性， 在给定的性能要求下具有开发周期短、风险小等特点。系统采用先进的e d a 工具 c a n d a n c e 进行设计，实现一个基带与射频共同布线的8 层射频模块，其主要性能 基本达到协议要求。 关键词：c d m a 2 0 0 01 x 超外差射频 。a b s t r a c l 。+ ”一一 a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s i n go ft h ep e o p t e sd e m a u d m c n tf o rt h ew i r e l e s sc o m m u n i c t h em a r k e to fm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o n sh a v eg r e a tp o t e n t i a l t h i st h e s i si n t r o t t h ep r o c e d u r eo fd e s i g n i n gt h er f t r a n s c e i v e rm o d u l ew h i c hi sb a s e do nc d h l x s y s t e m t h eh i g h l yi n t e g r a t e dr 兀 3 1 0 0 i f r 3 0 0 0 t r a n s c e i v e ro fq u a l c o n c o r p o r a t i o n j su s e dt or c a l i z et h em a i n c h i p o fr f s u b s y s t e m t h ed e s i g no f t h e s u b s y s t e m i sb a s e do nc d m a 8 0 0 m ，a n dt h et y p i c a ls u p e r h e t e r o d y n es t r u c t u r e i nr ft r a n s c e i v e r m i sd e s i g nr e d u c ef r e q u e n c ye r r o ra n dp h a s ee r r o r , a n dh a v e a d v a n t a g e s o f g o o dd y n a m i cr a n g ea n ds e l e c t i v i t y ，s h o r te x p l o i t a t i o nc y c l ea n d ： v e n t u r ei nt h eg i v e np e r f o r m a n c ed e m a n d ，e t c b yu s i n go ft h ea d v a n c e de d a t c a n d a n c e , w e h a v ei m p l e m e n t e da e i g h t l a y e rb o a r d o fr fh a n d s e tm o d e l “ w i t hb a s e b a n d i t sm a i nc h a r a c t e r i s t i c sm e e tt h ed e m a n d so f p r o t o c 0 1 k e y w o r d ： c d m a 2 0 0 0i x s u p e r h e t e r o d y n e r f 创新性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容外，论文中不包含其他人 已经发表或者撰写过的研究成果：也不包含为获得西安电子科技大学或者其他教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一起工作过的同志对本研究所做的任何贡献均已在 论文中作了明确地说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切责任。 本人签名：莹 盏 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即；研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权单位属于西安电子科技大学。本人保证毕业离校以 后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。学校有权保留 送交论文的复印仵。允许查阅和借阅论文；学校有权公布论文鸽全部或者部分内容可 以允许影印、缩印或者其他复制手段保留全文。( 保留的论文在解密后遵守此规定。) 本学位论文属于保密在年解密后适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 同期：拗2 21 么芝： 日期：勋簪。j 毒亚一 第一章绪论 第一章绪论 在近十年来，通信技术以惊人的速度发展，而射频无线通信技术的发展显得尤 为迅猛，射频( r a d i o 疗e q u e n c y ) ，在无线电传输应用中指的是1 0 k h z 至1 0 0 g h z 的频谱范围。目前在无线通信技术领域，射频多指8 0 0 m k 至2 5 g h z 的频率范 围通信系统的应用。射频技术在当今各个领域得到广泛应用，如：高速语音、数 据、图文与图像传输、蜂窝式个人通信与基地站、低轨道卫星移动通信、无线局 域网、无线接入系统( 包括b l u e t o o t h ) 、全球卫星定位系统、卫星直播电视和多 点多址分布系统等。另一个重要的市场则是智能交通系统( 如：道路交通状况的监 测、汽车防撞雷达) 、智能化运输系统i t s ( i n t e l l i g e n tt r a n s p o r ts y s t e m s ) ( 如： 高速公路自动收费、车、船跟踪、停车场管理、高级驾驶导航) 和多媒体移动接入 通信系统m m a c ( m u l t i m e d i am o b i l ea c c e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s ) ( 如超高速 l a n 、高速w i r e l e s sa c c e s s ) 等。此外，也广泛应用于空间电子、雷达、卫星、 民航系统、电子对抗等多种尖端科技中。 1 1 射频电子技术发展回顾 1 8 6 4 年英国物理学家麦克斯韦( j c l e c km a x w e l l ) 总结了前人在电磁学方面 的工作，得出了电磁场方程，从理论上证明了电磁波的存在。1 8 8 7 年德国物理学 家赫兹( h h e r t z ) 用实验证实了电磁波的存在，麦克斯韦的理论得到了证实。从 此，许多国家的科学家开始努力研究如何用电磁波传输信息，这就是无线电通信。 1 9 0 1 年英国科学家马可尼成功的实现了无线电信号横越大西洋，可以认为从那时 起射频电子技术正式诞生。 1 9 3 6 年，波导传输线被g e o r g es o u t h w o r t h 和w 1 b a 玎o n 发现，他们通过实 验，证明了波导可以作为载带微波传输媒质，并能用于大功率的微波传送。但是 波导结构由于体积大、成本高，很快被1 9 5 0 年后发展起来的平面传输线所取代， 其中1 9 5 2 年出现的微带线，由于成本低、易于集成等优点，是平面传输线中应用 最广泛的一种结构。1 9 4 8 年肖克莱( w s h o c k l e y ) 等人发明了晶体三级管，这是 电子技术发展史上又一个重要的里程碑。 6 0 年代开始，出现了将晶体管和微带线的结合，“管”、“路”的结合促成了微 波集成电路( m i c ) 的发展。发展初期是由分立的固态有源器件与集成的无源元 件构成的混合微波集成电路( h m i c ) 。8 0 年代初开始向着同一片基片七同时集成 f i 源器件与无源元件的单片射频集成电路( r f i c ) 方向发展。 c d m a 8 0 0 m 射频收发系统的设计与实现 1 2 无线通讯半导体元件特性介绍 在数字化( d i g i t i z a t i o n ) 时代的来i | 缶，通讯产业已经成为产业发展的主角之一， 其中无线、光电通讯的蓬勃发展更带动了通讯产业的起飞。对于射频电路来说半 导体器件是其实现功能载体，所以对于目前主要器件的了解是十分必要的。 在p c 时代，半导体制程主要以硅制程为主，然而对于无线通讯所要求的高频 化，硅制程由于天生特性上的问题，已无法胜任，也使的砷化镓制程找到发挥的 空间。砷化镓是i i i v 族化合物半导体的一种，其相较于硅制程的优点有“1 ： ( 1 ) 高电子传输速度：因此可操作频率达2 - 3 0 0 g h z 。 ( 2 ) 较宽能阶( b a n d g a p ) ：故半绝缘性的基板较易获得，使的电子移动速度更 快，组件也具耐高电压、高功率的特性。 ( 3 ) 耐高温：其操作温度可达摄氏2 0 0 度，可靠度不受热影响。 ( 4 ) 高抗辐射性：不易产生讯号失真与错误的情形。 ( 5 ) 具微波组件要求的特性：拥有低噪声、低损耗、高增益、高线性度、高 效率、高电流密度、面积小等特性，适用于无线通讯产品。 缺点为工艺昂贵、且无法与大量应用于数字电路之硅芯片整合达成系统单芯 片( s o c ) 的目标。由于无线通讯市场的蓬勃发展，i b m 等硅半导体大厂积极投入 研发硅锗( s i g e ) 技术，即利用在硅晶圆( s i ) 表面覆盖薄薄的锗( g e ) 单晶层的方式 来克服高频的难题，拥有砷化镓制程在射频集成电路制作上的大部分优异特性， 并保有传统硅技术的成本优势与高度整合效益，以期达成系统单芯片的理想。近 几年来的技术实践和市场竞争，r f 前端实现的工艺选择逐渐明朗化一方面，基于 g a a s 工艺的射频和微波技术正朝着减少成本、提高产率、与常规s i 基点路进行 集成的方向发展另一方面，由于c m o s 工艺一直是适宜于制作基带数字电路的工 艺，是一种低功耗工艺技术，因此在以下方面具有传统优势：一，c m o s 工艺容易获 得国内有中芯，华虹，先进等半导体工艺厂商可以提供加工服务：美国m o s i s 向 全世界提供多项目晶元的服务二、c m o s 流片成本比其他工艺低三、c m o s 电 路消耗小，集成度高随着亚微米、深亚微米c m o s 工艺的成熟特征尺寸减小，也即 是m o s f e t 栅长不断减小，深亚微米c m o s 器件的特征频率不断提高目前对于 0 3 5 u m 的工艺的特征频率可以做到5 0 g h z ，对于0 2 5 u m 、0 1 8 u m 、0 1 3 u m 、的 c m o s 工艺，特征频率可以更高，甚至超过1 0 0 g h z ，制备高于2 g h z c m o s 器件早 己成为现实因此，利用这一技术研制r f 前端称为移动通信终端设计中最为活跃 的课题“因为若能在这一j ：艺上实现r f 前端，则下一步就有可能实现整个移动 通信终端的单片集成，即促成6 t 卜“蜂窝电话机”成为现实 然而，c m o s 工艺相对l 双极工艺和i i i v 簇器件，在射频功放的设计上行 在明显差距具有较高效率的牝性功放( 如e 类、f 类) ，已经能由c m o s 工艺戈 第一章绪论 现，但目前广泛应用于射频终端系统如c d m a 中的具有高效率的线性功放( 如a 类、a b 类) ，仍然是c m o s 工艺没有解决的一个难题而线性功放的设计对于o a a s 工艺，已经是非常成功的例子“1 另外对于b i c m o s 工艺，它综合了双极性硅的高 速和c m o s 的集成度高这两方面的优点。 1 3c d 姒概述 1 3 ，1c d m a 蜂窝系统 蜂窝移动通信是当今通信领域内最为活跃和发展最为迅速的领域之一。8 0 年 代初，第一代移动电话模拟蜂窝系统投入运营，如美国的a m p s 系统、英国的 t a c s 系统、日本的h c l m t s 系统等。随着移动通信技术的发展和用户对通信要 求的提高，9 0 年代出现了第二代移动电话一数字蜂窝系统，最有代表性的是欧洲提 出的g s m 系统和美国提出的窄带c d m a ( n c d m a ) 系统，其中，n c d m a 蜂窝系 统以其单位容量大、系统抗干扰能力强以及便于向第三代移动通信系统升级等特 点，引起人们越来越多的关注。 窄带c d m a ( 码分多址) 遵循的标准为i s 一9 5 a b ，它已经在全球获得了广泛的 应用，目前在全球用户超过1 2 7 亿用户，世界上第一个商用c d m a 网是由和记通信 有限公司于1 9 9 5 年9 月在香港推出的。该网初期只有一千用户，9 6 年底就突破1 0 万用户。国际上，韩国、日本、新加坡、菲律宾、泰国、美国、德国、等都已开通 c d m a 网络，并形成了一定的商用规模。中国从1 9 9 6 年开始引入i s - 9 5 系统，目前 由联通成立的新时空移动通信有限公司，获得了c d m a 网络的全国独家建设经营 权 图1 ic d m a 系统简图 c d m a 蜂窝系统是建立在正交编码、相关接收的理论基础上，运用扩频通信 技术解决移动通信的选址问题。其基本原理如图1 1 ，系统采用直接序列扩频的方 式，在发送端，窄带低速率有用信号被高速率的p n 码序列扩展成宽带信号( 图i 2 ) 经载波调制后发送出去众多的通话用户使用各自不同的p n 码，可以在同频嚣 八堠憎。懈滔v 一蕊_ ，一 一璀一一浮扩一，_一寸一 一遵样一 一盼一 一。”。(_ 一j _团卤 一解 一 ，、一蹴讽一收 一辅 一似玖 叫i 孓 翮j甚一渡趔一u叫 一载 一4 囝璇 u，j，j f ) _ 一“1 一 一靛籀一，l删一一述扩l_隆一 圈卤 n出引斟引驯 c d m a s 0 0 m 射频收发系统的设计与实现 内同时传输。在接收端，接收信号经载波解调后，利用p n 码的相关性，有用信号频 谱被恢复为窄带谱，我们可以用个窄带滤波器排除带外的干扰电平，从而使窄带 有用的信号的信噪比得到显著提高 s ( n l 小信口 ；一 双，) 扩频前的懿；扩颁孵的俄 解扩频 ； f 的俯号羰翳解扩额后的俯譬频辩 图1 2c d m a 系统发送一接收频谱图 与g s m 等其它蜂窝系统相比，c d m a 系统采用扩频信号扩展了信号的频谱， 这使它具有一系列不同于其它蜂窝系统的性能：( 1 ) 多址能力：( 2 ) 抗多径干扰的能 力：( 3 ) 具有隐私性能：( 4 ) 抗人为干扰的能力：( 5 ) 具有低载获概率的性能：( 6 ) 具有 抗窄带干扰的能力 c d m a 蜂窝系统还采用了许多独特的技术，如功率控制技术，软切换技术，语音 激活技术，分集技术等，使得c d m a 蜂窝系统具有话音品质好，系统容量大，手机功 耗小，网络规划简单等诸多优点 1 ，3 。2c d m a 标准 近年来，全球行动通讯市场蓬勃发展，如欧洲的g s m 系统、日本的p h s 系统 以及美国的i s 一9 5c d m a ( c o d e d i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s ) 都具有相当的占有率，其 中i s 9 5c d m a 由于具有高容量、长距离传送能力、抵抗多重路径损耗以及高通 讯音质等多项优点，并且与第三代行动通讯w c d m a 兼容，i s - 9 5c d m a 相对于 t d m a 数字通讯系统在理论上有两至：i 倍的通话容量，这使所需的基地台数目为 t d m a 系统的1 2 至l 3 倍，大幅减少建殴硬管理成本。 往北荧自从1 9 9 2 年数字式行动 l f i 式采用后，数字通讯系统便接连有一连 第一章绪论 串发展，其发展系统规格如表1 1 所示。i s 一9 5 是从公元1 9 8 9 年第一个以t d m a 为多重存取技术之北美数字式行动电话系统i s 一5 4 诞生后，由位于美国圣地亚哥 市q u a l c o m m 公司在1 9 9 0 年提出以c d m a 为多重存取技术并在1 9 9 3 年正式 成为第二套北美数字式行动电话系统标准，并与i s 一5 4 同样具有双模态操作可与 第一代a m p s 模拟式行动电话系统兼容。i s 一5 4 系统数字式部份是在旧有a m p s 系统每个f d 姒信道上增加三个时槽因而扩增三倍容量。1 ，但仍远低于i s 一9 5 基于直 接序列展频技术将a m p s 系统容量一举扩增至十几倍i s 一9 5 系统在1 9 9 6 年正式 提供商业服务，其市场由北美与韩国开始逐渐蔓延至全球，基于l s 一2 c 1 0 0 标准的 c d m a 2 0 0 0 蜂窝移动通信系统正是为了满足这些需求而发展起来的第三代( 3 g ) 数字蜂窝移动通讯技术。 表1 1c d m a j 匝讯标准规格表 i s 5 4i s 9 5 ai s 9 5 bc d m a 2 0 0 0c d m a 2 0 0 0 p h a s elp h a s e2 操作频带 c e l l u l a rc e l l u l a r c e l l u l a rc e l h t l a rc e l l u l a r p c sp c sp c sp c s 多工方式 t d m a ，c d m a ，c d m a c d m & c d m 。a f d m af d m a f d m af d m af d m a 傅输黉料率 8k 9 k ，a ! 4 ，则根据三阶交调的定义，可得到干扰项与信号项之间 的关系为 2 0 1 。g a f p 3 ：( 2 0 1 。g a 。i 。2 2 0 l o g a 3 ) + 2 0 l o g a 。 ( 2 1 7 ) 其中a ，尸，表示三阶交凋点，a 。，表示输出三阶交调项功率，a 。：表示双音信号输 出功率，a 。则为输入功率。重新整理该式，使其以d b 表示对应的输出三阶交调 点可得 o z g ( a b 小学 ( 2 1 8 ) 其中。以为输出三阶交调点，o 圪。为双音测试下主信号的输出功率，o p t u ，则为 双音测试下三阶交调输出功率，且o t g 与k ，、k ，的关系在5 0 q 负载下可表示为 毗州- l 0 1 0 9 篙+ 1 1 2 5 ( 2 19 ) 同样，利用上式可推导出n 阶交调点，其结果可整理为下式 o p = ，1 只i 一( ，z 1 ) o t p 。 ( 2 2 0 ) 实际_ ：l = 作巾总结出两级级联放大器级联后的i m d 3 计算经验公式 i m d 3 = 1 0 l o g ( 1 0 “。+ 1 0 。2 ) = d ! + 1 0 l o g 1 + 1 0 。一。! o j( 2 2 1 ) 假设两级放人器的= 阶交渊系数之差的绝对值为a ，即a = i d 。d 二i ，则驱动级 的i m d 3 埘末级的i m d 3 的影响值b ( 末级交凋恶化值) 町用卜面的式来表示： b = 1 0 1 0 9 1 + 1 ( ) ”i但2 2 ) c d m a 8 0 ( ) m 射频收发系统的醍计与实现 根据式2 2 2 的计算，当级联放大器前级的 m d 3 商出后级8 d b 时，后级的i m d 3 值恶化0 6 4 d b ，在选择级联放大器的放大管时，应尽量选择前级的i m d 3 高出后 级8 d b ，才能够满足末级i m d 3 指标不过差的要求。 2 4 4 相邻信道功率比( a c p r ) 邻道功率( a c p r ) 定义为当主信道加一信号时，紧邻主信道的两个信道内 的功率大小。邻道功率的产生主要来自两个方面，一是由于器件的非线性作用产 生，它的载波会产生相近的频谱成分，这些成份的交互调制会在中央载波频率旁 产生肩峰频谱信号，而发射器的非线性特性则会将这些频谱成份散布到相邻的信 道中，从而信道问会产生干扰。 二是由于主信道信号本身频谱较信道宽。a c p r 的值即为频道外信号对频道 内信号在等宽频带内的功率比，定义如下； a c p r ：生( 2 2 3 ) 弓 a c p r 值越低表示对邻近信道的干扰越小，系统容量可以提升。一般而言， 习惯将a c p r 取对数后乘以1 0 ，而以d b c 为单位。在多数情况下a c p r 是衡量 c d m a 、w l a n 等系统的一个关键指标，它与器件( 放大器、混频器) 线性、信 号的调制等因素有关。 n p u t 图2 1 1 邻道功率( a c p ) 定义 o u t p u t 图2 ，1 2 器件非线性产生的邻道功率 级联放大器a c p r 的计算，一般通过功率进行估算。例如两级放大器，前级 的增益和a c p r 分别为g i ( d b ) 和a l ( d b c ) ，末级的增益和a c p r 分别为g 2 ( d b ) 和a 2 ( d b c ) ，输入功率为p ( d b m ) ，则整个放大器的a c p r 为： 第三章r r 于系统的醴计与实脱 a c 脉- 1 0 - g 坐竺筹尝等 ：。， 2 5 锁相环( p l l ) “2 2 5 i 锁相环的组成 锁相环路( p l l ) 是一个自动相位控制系统( a p c ) ，它能使受控振荡器的频率 和相位均与输入信号保持确定的关系。目前，锁相环路在许多技术领域获得了j “ 泛的应用，在模拟与数字通信系统中，己成为不可缺少的基本部件，它应用丁i 滤 波、频率综合、调制与解调。信号监测等多个方面。 基本锁相环路是由鉴相器( p d ) 、环路滤波器( l p f ) 、压控振荡器( v c o ) ，三 部分组成，如图2 1 3 ： 稚八 u 图2 1 3 锁相环组成图 图中，q ( f ) 表示环路输入信号电压，u ，( f ) 表示环路的输出电压，应当注意 此时的电压信号只能看作是测量相位的一种表现形式。在环路中，鉴相器相当于 比较装置，比较环路的输入和输出相位，输出误差信号。o ) 。环路滤波器是一 个控制信号发生器，它对误差信号进行处理，输出控制信号u ，( r ) ，然后加到压控 振荡器上调节输出信号的相位。下面介绍组成锁相环路的各个部件： 2 5 1 i 餮相器 鉴相器是一个相位比较装置，对q 0 ) 和u ，( f ) 的相位进行比较，产生输出电压， 这个电压的大小直接反应两个信号相位差的大小。即鉴相器的作用是完成相位差 一电压的变换作用。鉴相器的电路有很多，有模拟电路和数字电路，较为舆型的 鉴相器是模拟相乘器，经过模拟相乘器的输出为： u 。( r ) = $ v ( f ) u ，0 ) ， ( 2 2 5 ) 式中 是相乘因子。 由j ：在相乘结果中_ 次谤波比环路滤波器的截至频率高的多，因此，该项州破 环路滤波器滤掉，在环路中不起作用。敞起作用的鉴桕器的输出电压为： u m ( f ) = d * s i n _ 5 0 0 ( t ) ( 2 2 6 ) c d m a s 0 0 m 射频收发系统的| 殳计与覆观 式中。是鉴帛 器的传输系数，它与两榻乘电压振幅的渠察 成正比：寸) 为两栩桑 电压的瞬时相位差。由此可见，鉴相器的作f j 是将误差相位转化为误差电压输出。 当鉴相器的两个输入信号问无相位差，则鉴相器的输出电压为零；当鉴相器的两 个输入信号问有相位差，则鉴相器按其特性曲线输出相应的电压。 2 5 1 2 环路滤波器 环路滤波器是低通滤波器，用来滤出误差电压u p d ( r ) 中的高频分量和噪声产 物的。此外，由于环路滤波器的传递函数对环路性能有相当大的影响，因而可以 调整环路滤波器的参数来获得环路所需的性能。环路滤波器的输入和输出的关系 可表示为： u ， f ) = f ( p ) u ( f ) t ( 2 2 7 ) 式中f ( p ) 为传递函数。常见的有r c 低通滤波器，无源和有源比例积分滤波 器等。 2 5 1 3 压控振荡器 压控振荡器是指振荡角频率受控制电压控制的振荡器。任何一一种振荡器，如 l c 振荡器，r c 振荡器，多谐振荡器的均可构成v c o 。 在锁招环中，压控振荡器受环路滤波器输出的控制电压u 。( f ) 的控制，其振荡 角频率彤。o ) 随u ，( ) 而变化，实际上起电压一频率变换的作用。在压控振荡器特 性曲线的线性范围内，可以用1 f 列方程表示： 。o ) = 咿。+ k ，+ u 。( f ) ， ( 2 2 8 ) 式中峨( f ) 是压控振荡器的瞬时角频率；脚。( f ) 是压控振荡器的固有角频率：女、是 压控振荡器的控制灵敏度或增益系数，单位为r a d s 。在对其瞬时角频率积分后， 可得瞬时相位的变化。由此可见，压控振荡器具有把电压变化转化为相位变化的 力j 能 2 5 l4 锁相频率合成器中的l p f 的铡箕 锁相频率合成是指建立在锁相环的基础上，在压控振荡器输出到鉴相器的反 蹦支路中插入一个n 分频器， 此构成的合成器称为锁桐频率合成器。以卜介绍 此结构频率合成器。：一i 阶无源环路滤波器的设计。其电路组成图如卜： 第三章r f 子系统的设计与实现 f r o ml ，b 尺3 r 0v 图2 1 4 环路滤波器电路图 p l l 环路滤波器设计常量： v c o 调谐增益因子k 。( m h z v o l t ) ，即为输出频率与调谐电压比：鉴相常量k 。 ( r e a l 2 r a d ) ，为输出电流与输入相位差之比；v c o 的输出频率。，p l l 鉴相器 的输入参考频f r e f ；主分频比n ，n = k 。f r e f ；锁相环转换时问t ，自然频率加 = 2 5 g ，p = 0 9 有 旷z 彬六：愿 2 9 ， 由( 2 3 0 ) 式可推出c 2 r 3 2 r 2 c 3 r 2 c 2 2 0 + 凡3 c l 在c 2 的1 l o 和1 1 5 之间。 至此，可算出环路滤波器中各参数值。 j 。4 k p + c 2 f 2 3 0 ) c d m a b 0 0 m 射频收发系统的设计与实现 第三章r f 子系统的设计与实现 3 1 系统设计 本章主要的目的是介绍移动端射频传收机模块的设计，并实际设计一个基于 c d m a 2 0 0 01 x 标准的射频收发模块。 3 1 1 基本的设计流程 在无线通讯的环境下，发射机的发射信号对其他使用者可能是一种干扰：同样 的，接收机也会受到其它人为或自然信号源的干扰，即使是所要接收的信号，也 会由于信号的多重路径( m u l t i p a t h ) 传播、建筑物的遮蔽( s h a d o w i n g ) 效应，以及 组件的非线性特性产生的信号失真与量化噪声，造成解调的困难。而现今系统都 数字化发展，对信号品质都有一定要求，任何一个小的设计失误都可能会影响到 整个无线通信系统的品质。因此在整体射频模块的整合过程中，除了掌握整体性 能与各组件的适合性外，还要克服电路间彼此干扰及匹配的问题：电路布局适当与 否也是影响成败的关键，既要避免信号间耦合，又希望尽量缩小电路面积，任何 一个环节都是彼此相连且环环相扣，所以设计过程可以说是相当繁琐。因此在此 提出一套有效的设计流程如图3 1 ，用于模块电路设计参考。最后，当整体模块电 路有某些性能不合规格时，不得已的情况下需要对关键性组件的重新选取，在此 提供一些思路供组件选取时参考，如表3 1 。由表中的整理可以看出一个趋势，即 越靠近天线端( 即所谓前端f r o n te n d ) 的组件，对整体电路的性能影响力越大，地 位也越关键。 表3 1 元件选取与性能的关系 相邻信道功率比( a c p r )选择系线性度高的功率放大器 1 选择低插入损耗的滤波器 2 选择噪声指数较低的低噪声放大 灵敏度 器 3 选择增益较大的低噪声放大器 1 选择输出三次交叉点较高的低噪 声放大器与混频器 双频解调 2 选择增益较小的低噪声放大器组 件 单音抗扰选择隔离度高的混频器件 第三章r f 子系统的设计与实现 i 收集系统运作流皲! 资料与锚笑规范 l 匦亟匦巫巫圃 i 柱州i ：绒器种 ；! 科卜4 找- 蠕j t a l ，规格 蚓3 1c d m a 射频模块设计流释 c d m a g o o m 射频收发系统的设计与实现 3 1 2 系统设计方案 一 典型的r f 子系统包括四个功能块：前端、发射机、频率合成器和接收机。前 端通常包括天线和双工器或天线开关，共用的天线服务于射频段的接收和发射部 分。而双工器或天线开关则用于分离各自频段中发射和接i i 芟，从而满足不问频率 选择的要求；c d m a 发射部分目前主要选用的是：超外差上变频方案；g s m 系统主 要选用的是o f f s e tp l l 方案。频率合成的方式有直接合成和间接合成，间接合 成包括混频和p l l 合成等。一般接收机有两种基本结构：超外差式结构和直接转 换结构。超外差式结构具有优良的动态范围和选择性，在给定的性能要求下开发 周期较短、风险较小。而直接转换结构是零中频接收直接将接收信号变频到基带 信号，省略了中间i f 级。它的优势在干降低成本。p c b 面积和功耗。 本论文r f 子系统的设计是基于c d 雌2 0 0 01 x 系统，工作频率是8 2 4 - 8 9 4 m h z 采用高通的m s m 5 1 0 5 的套片组，发射和接收分别采用的是r f t 3 1 0 0 和i f r 3 0 0 0 。 发射部分采用的是超外差上变频，主要包括r f t 3 1 0 0 ，功率放大器及控制电路和 滤波器；频率合成部分采用p l l 数字频率合成器，主要包括产生系统所需要的各 级频率源，包括系统主时钟源、接收和发射频率源、接收和发射中频等；接收部 分是采用超外差式，二次变频结构，即指接收的r f 信号要经过和两次变频到 基带信号。 3 1 2 1 发射机的设计 发射机的设计是在高通公司5 1 0 5 平台上采用r f t 3 1 0 0 芯片。外加高功率放大 器( p a ) ，功放控制电路和声表面滤波器。它采用了超外差上变频方案这种方案有 利于减少频率误差和相位误差。其过程是将来自基带的i q 信号，经过正交调制 器调制上变频到中频1 3 0 3 8 删z 中频信号经过滤波后与来自频综源的本振信号 进行二次混频，输出的载波信号就是我们所需要的c d m a 信号，在通过声表面滤波 器的滤波。送入功率放大器( p a ) ，经过隔离器，双工器，由天线发射， t x a g c - a d j 幽3 2 发射机系统 由图3 2 可以看出，由p a ( ) n 控制功率管的发射与否， p a r o ，p ar l ，t x g c a d j 控制发射通道f f j 总增益，r f t 3 1 0 0 实现模拟信j 的渊 第三章r f 于系统的设计与实现 制，混频，驱动放大和模式控制，滤波器完成频谱约束，功放把信号放大成最终 所需的输出频率。 3 1 2 1 1 发射设计中的主要指标介绍 ( 1 ) 频率安排“” 本文主要研究的是c d m a 8 0 0 m 频段，频段的类别0 。下表是发送信道和频率 的对应表。 表3 2 频段类别0 的c d m a 信道号和频率 发射书二c d 姒僻道qc d 嫩估道的l 心翱，聿- ( 蜊z ) l l降功卉 l 挣7 9 90 0 3 0 n + 8 2 5 c o o j 【l 9 9 1 n 1 0 2 30 0 3 0 ( n - 1 0 2 3 ) + 8 7 0 、0 0 0 l l接站i l x 7 9 90 0 3 0 n + 8 7 0 0 0 0 i l 9 9 1 n 1 0 2 3仉0 3 0 ( k 1 1 0 2 3 ) + 8 7 0 0 0 0l ( 2 ) 射频的输出功率 每个移动台的精确功率控制对于c d m a 系统至关重要，移动台负责精确估计 用于解调的1 2 2 8 8 _ 1 z 信道带宽内的功率镨密度。本文中功率镨密度测量称 为平均发射功率估计或者接收功率强度指示( r s s i ) ，由于需要r s s i 确定平 均发射功率，移动台需要估计平均接收功率。反向业务信道的平均发射功率 按下面的公式计算： 平均发射功率( d b m ) 一平均接收输入功率( d b m ) + 偏置功率( 一7 3f o r c e l l e r ：- 7 6f o rp c s ) + 上一次接入的干扰校正 + n o m p w r 一1 6 x n o m p w r e x t + i n i t - p 职+ 所有的接 入试探校正+ 所有的闭环功率控制校正+ i s 一2 0 0 0 指定参数 上一次接入干扰校正值为m i n ( m a x ( - 7 - e c i o ，0 ) ，7 ) ) ，e c i o 是最近的接入试探 前5 0 0 m s 内激活组e c i o 值；n o m _ p w r ，n o m _ p w re x t ，i n i t p w r 和单个接入试探校 正p w k s t e p 由系统接入参数信息指定。功率控制校正由基站通过功率控制子信道 传递给移动台的功率控制比特确定。 c d m ar xa g c 模块是为了测量平均接收输入功率( r s s i ) ，以便t xa g c 模块 使用：而且通过r s s i 信息控制r f 和i f 电路的增益。为了使解调器正确解调信号 整个接收链路功率通过r xa g c 模块自动调节。r f 和i f 电路的相关增益也自动调 节以降低互调失真( i m d ) 。 c d m at xa g c 模块采用上面的公式控制移动台的平均发射功率。t xa g c 模块 所参考的平均输入功率是r xa g c 模块滤波后的结果值。偏置功率由线性定标过程 给出，并由软件设置：n o m p w r 一1 6 x n o m p w re x t ，i n i t p w r ，干扰矫正和所有的试 探矫正之和的值等参数都山软件设置：闭环功率控制教正由t xa g c 模块求和。 t xa g c 模块还拧制功放电路的多状态工作点。c d m at xa g c 模块通过l 叮编 c d m a s 0 0 m 射频收发系统的设计与实现 程状况和暂态滞后支持最多四个工作点。 ( 3 ) 开环时间晌应 开环时间响应是指平均输入功率每变化一步移动台的平均输出功率也将由于 开环功率控制而发生变化本测试测量开环功率控制相对于平均输入功率每步变 化的响应时间。 出 功毫 生化 旧 7 ， ，一 一 0 t 0加3 04 05 0鞠7 08 09 01 0 0 t l 柚l 图3 。3o p i n = 2 0 d i l 时的开环功率控制步长响应的上下限 ( 4 ) a d j a c e n tc h a n n e lp o w e rr a t i o ( a c p r ) 领近信道功率比是指信号由于非线性而产生的对领近信道的干扰功率与 主信道功率之比，具体是指发射载波信道带宽内的发射频率和以邻近信道载波 为中心频率的信道带宽内的辐射功率的比值。， 表3 3 a c p r 的指标 im sc h a n n e la c p rl i m i t l l f i r s ta d j a c e n tc h a n n e l4 2 d b c 3 0 k h zl l s e c o n da d j a c e n tc h a n n e l一5 4 d b c 3 0 k h z i 3 1 2 1 2 发射机组 发射支路上的主要芯片包括：高通公司的r f t 3 1 0 0 ，射频发射滤波器，和 功率放大器芯片，功率检测电路以及收发双工器等。如图3 4 r f t 3 1 0 0 芯片功能先进，完成模拟基带信号至射频信号变换功能的集成电 路，包括模拟基带的i 、q 信号的调制、增益控制、上变频以及驱动放大等功能， i 、o 信号经过r f f 3 1 0 0 的处理后直接输出给功率放大器，从而完成射频发射通 路的所有工作。酋先，r f t 3 1 0 0 采用了单边带上变频的设计，省却了镜相抑制滤 波器，可以简化整机设计，降低整机成本。第二，r f t 3 1 0 0 内部的增益控制放大 电路支持高达8 5 d b 的增益控制动态范围。使得发射电路不再需要附加增益控制 放大电路部分。同时，为配合产生中频频率源r f t 3 1 0 0 内部还集成了部分锁相 坏电路的部分功能，和外部的锁相环电路起，。7 三所需要的发射中频本振源。另 外，r f l 3 1 0 0 采用了s b i 总线方式和t ，hm s m 5 1 0 5 进行连接，由m s m 5 1 0 5 弛巧 习恬 佃i o 第三章阡子系统的设计与实现 进行控制，完成各种状态的逻辑控制功能。功率放大器芯片主要完成信号功率放 大功能。收发双工器完成接收和发射支路信号的共天线接收与发射，为了满足接 收机通路的指标要求，系统对于双工器的隔离指标要求比较高。我们采用体积小指 标优良的声表面滤波器。 3 4 发射链路 相关管脚描述o ”： i d l e _ n ：发射电路电源状态控制脚，状态为高时发射电路激活并发射。为低时话 音不被传送，发射电路关断。 p a o n ：功放p a 电源状态控制脚。p 一o n 状态通过程序设置的时间值先于功率控 制群体变高，滞后于功率控制群体变低。如果s y n t h _ l o c k 或者i d l e _ n 为低状态， 则p a 一酗状态为低。e d i a 和f m 模式时 d s m 5 1 0 5 软件控制p a o n 的高状态。 p a o n z ：双频受机应用时第二个功放控制脚。p ao n 2 的状态控制和p a o n 相同 g p i oi n t ：频应用时p c s 和c e l l e r 射频电路选择脚。 s y n t h l o c k ：发射频综状态指示脚。状态为高时，发射频综处于锁定状态，如果 发射频综失锁，s y n t h l o c k 将被置低以关断功敖。l o c k q 酐是一个o p e nd r a i n 输 出脚，因此如果u h f 频综源的锁定信号也是o p e nd r a i n 可以将u h f 频综源锁定 信号、s y n t h l o c k 和l o c k j e t 直接联结。同时也要将一个电阻从s y n t h _ l o c e 联 结到m s m 5 1 0 5 的负信号提供脚，这相当于一个“与”门功能，也就是只有也仅当 其他两个信号高时，s y n t h l o c k 为高。 t x a g c a d o ：控制t xa g c 功放衰减的帅m 输出脚，该信号用于c d m a 和f m 发射 增益调整。 c d m a 8 0 0 m 射频收发系绩的致计与实现 p a r 1 ：0 ：功放电路工作点设置脚 r f t 3 1 0 0 是发射链路的主要器件下面给出它的电路图 ! 电源j r f 输出! 一一 3 ，5r f t 3 1 0 0 应用原理图 说明：t x l o 一射频本振信号输入瑞，颡翠9 5 4 3 9 眦z 9 7 8 7 5 埘z ，电平一3 d b 左右。 锁定检测p l l 环路锁定时，输出一个稳定电压，用于观察环路工作状态。 i ，q 输入该信号来自i s m 5 1 0 5 ，是两个相互正交的差分模拟基带信号。 i f 滤波器发信中频镜象滤波器 该电路振荡频率是2 6 0 7 6 m h z 从p a o u t 来的相位误差控制电压信号经c 6 0 c 6 1 ，r i o 组成的低通滤波器滤除杂波信号。形成直流信号，该直流信号经电阻r l l ， r 1 2 加到变容管上，使其结电容容量发生变化，由此可变的电容与电感l 1 2 以及 电容c 7 0 ，c 7 2 ，c 6 6 组成外部振荡电路，r 1 6 ，r 1 7 ，c 7 3 ，c 7 4 电路平衡的 将信号输入到r f t 3 1 0 0 的内部电路，v c o 信号从t x v c o t i ，t x v c o t 2 输入，一路经 2 分频输出到t x i f ，作为发信中频本振源信号。另一路输入到内部n 分频计数器， 分频数由p l l n i ，p l l n o 经s b i 来的m s m 信号确定，然后输出相位检测器所需的一 路信号，相位检测器所需的另一路参考信号来自温补压控晶体，经内部r 分频计 数器分频所得的信号，两个信号经鉴相器鉴相，由p d o u t 端输出一个误差电压， 此电压的应用见前面叙述。从而形成一个电压控制的振荡环路， 3 1 2 2 接收机的设计 本接收机的设计采用的是商通公司5 1 0 5 平台上的套片方案，包括的芯片有1 氐 噪声放大器( l n a ) ，混频器，声