基站射频收发信机指标分解讲课稿

美信Maxim技术文档基站收发信机设计，以WCDMA为例进行讲解基站收发信机射频前 端指标分解和设计。虽然文档以WCDMA为例进行讲解，但宽带收发信机射频前端原理基本 一致，因此适用于LTE等其他制式的设计。以下为学习笔记和总结。1.接收机接收机主要射频指标包括 Reference Sensitivity Level， Adjacent Channel Selectivity(ACS)， Blocking(In-Band 和 Out-of-Band)，Receiver Inter-modulation。其中带内 blocking 指标和 ACS 分析类似，考量的都是工作带内信道外干扰信号对接收机影响的分析，因此Bolcking指标支 队Out-of-band指标进行了讲解和说明。1.1 ReferenceSensitivityLevel在3.04 Mcps条件下-考虐到处理Step 3Step 4-108 J dBmStep 1StePz -126dBm 增益后，满足汶敏度辈求所允许的 总噪声。这个总噪声包括输入热噪绑为允许系统引声KTB祁宗统引入的噪声NF,入的啧声NF=max kTB rf输入热噪声处理增帝放宽对噪声的要求=10 xlog (3.84Mcps i 12 2Kbps) = 25dB灵敏度要求所对疵的输入信号刃J率Eb/lW = &dB(12,2Kbps 数据速率)1 不考虑煽妈姓理蜻益.根据灵敏度斐求和比特能嗥比推骨允许的量大 噪出功率注：卜为匹配条件下粮M带宽内的随舞其申*为波.氛薮受冷数,T为绝对温刃,琼为射叛输#显&心为比特能坚与嗓声的比:与票统溟码要求却调麹疔案百关。武处我畋时A洲威接收机的最小可接收电平(接收机灵敏度)=-174dBm/Hz + 10logBW + NF + Eb/N01. Eb/No由基带解调能力决定，与射频前端无关；2. BW由无线系统协议标准定义；3. -174dBm/Hz及总的热噪声；因此针对某一无线系统设计，灵敏度指标的分解即根据协议灵敏度指标要求来设计接 收机的噪声系数(Noise Figure)要求，以保证满足灵敏度指标允许的最大输入噪声(总 噪声，包括输入热燥和引入的系统噪声)上图说明如下：Step1：系统要求灵敏度指标为-121dBm/3.84MHz；Step2： Eb/No = 5dB 不考虑编码增益允许的总输入噪声=-121dBm- 5dB = -126dBmStep3： 12.2Kbps数据速率到3.84Mcps码片速率的扩频增益为：10*log(3.84M/12.2K) 25dB，考虑扩频增益后总的输入噪声要求为-101dBm；Step4： 3.84MHz 带内总的热噪声=-174dBm + 10log3.86MHz/1Hz = -108.1dBm所以为满足灵敏度指标要求，系统接收机连续噪声系数需要W-101dBm+108.1dBm=7.1dB接收机的其他指标都是基于灵敏度指标满足设计要求为前提。因此设计首先要满足灵 敏度指标要求，再在此基础上进行其他指标的分解和设计。而对于接收机灵敏度指标 的射频前端设计就是系统分解下来NF指标的设计。Note： Noise FigureSNR = Ps/PiF = SNRin/SNRout (1 正无穷)Noise Factor 噪声因子NF(dB) = 10logF (0正无穷)Noise Figure 噪声系数，Noise Factor 的 dB 形式；1.2 AdjacentChannelSelectivity(ACS)相邻信道选择性Step 5 -5ZdBm标？(I要成亩莹的M依援犒号平均玷率日W)差赦为焉要俱的堆忡部陪*抑制由号酩姓埋增益后可挂兵的噪声+好干扰点昉率曲MHzI邛除-101 dBm KTB*系维喉声NF总令后(虬第5页)，剃下的件为尤弃的干扰UJ率轻理堵立弦室村喽户的室末Eb/No = 5dB=10 X log 3一明 Mcps i 12.2Kbps = 25dB不考您躬吗灶理堵益，肱据乂量谶奥族和 比莎推噪tt推讨北许的眼人喋肉岛本ACS和带内阻塞指标分析类似，考量的是接收频带内存在大的干扰信号时接收机的接 收能力。该指标主要通过上行信道成型滤波器、接收通道增益线性范围以及AGC功能 来保证。这里以ACS为例进行指标分解进行说明。Step1：协议要求允许领导干扰恶化灵敏度6dB，即邻道干扰需要满足-115dBm有用信 号下得BER要求；Step2：基带解调门限 Eb/N0 (5dB)-120dBm；Step3： 25dB 扩频增益-95dBm；Step4 :扣除灵敏度指标下信道内输入总噪声-101dBm -95dBm(3.16E-13W)- -101dBm(7.94E-14W)= 2.36795E-13W(-96.2563dBm) ，即扣除系统噪声外允许引入的其他噪声功率Step5/6：协议要求的最大邻道干扰电平-52dBm52dBm - 96.3dBm = 44.3dB，艮股邻道最小抑制比。以上分析没有考虑大的干扰信号下，接收通道非线性失真的影响。实际设计中需要针对系统要求的接收信道要求的信号接收功率动态范围（混频器，ADC等器件的指标考 虑链路增益设计-AGC，以及增益变化对接收链路NF的影响）1.3 Out-of-BandBlocking15dBm带外阻塞标用要求承受的帝外连祓艘干执们号平均助率.Step5-15dBffl是值为需踊IE的带外阻塞抑制=&1.3dB姓理弟鲨靠宽d哗山的要苣-115dBm-IJOdSm声虐姓理增益后可接受的，残金干扰总功率（3.84MHz苻蜜） 411降-1。1。引11目和系魏喋由KJF.恩台后（见.第5项】.刺下的作为忙许的1妆妁率i 12.2Kbps N 25dB规定的测试轴入信号助事俏.冰bps数据速率）不若适编携处理增蔬.根据威敏童要圭用 ：t君能晚比推ST允阡的最大噪声助等-95dGm-96.3dBm* 10 Ji log (3.54 LfcpsEt/hJD=5dBStop 3Step 45tep1带外阻塞抑制和ACS/In-band blocking指标分析方法一样。只是带外阻塞指标要求干扰 电平更高。对于基站接收机来说，带外干扰信号在进入接收机后首先经过了腔体滤波 器/双工器对带外干扰进行了一次抑制。系统设计需要根据讲带外抑制指标分解给滤波 器设计规格。对于co-location指标，也是带外的阻塞干扰信号的一种更严格的应用场景，是较常规 阻塞更严格的一种情况。1.4 ReceiverInter-modulationSteps -4SdBmIMV2 十 P规范中短定的两个干扰蓿弓垃个的RMSJj率 分别呈一个CW和个WCDMA干耽/ 12.2Kbps ） = 25dB善虑处理增耄后可接受的理声邙ii加干Ik恩M率。.B4UHZ EW） 打骤-1Q1dBm kTBfl】系或哩声NF总告臼 E-RFRF ampRF Bmp RE 滤波隔IFSAMDDC?DSP抗祖无 ADC IF IF 雄侦 澹涯略irf-nr 驱动器 SAV2 DVGA 毋FdockVCO1抗屈虚 AD# IF IF IF淀波翠 疝哺r %动矗 SAME DVGA SA助 *浦器件可以是蛔近或础道该架构的接收机设计，是在模拟域通过混频器先将射频信号下变频到中频，在中频对 接收信号进行采样和数字化，然后在数字域再通过DDC(Digital Down Conversion)模 块将中频信号变换到基带频率。该设计架构较ZIF的频点规划少复杂一些，需要考虑 半中频、镜像等信号的影响合理的选在本振模式和中频频点，而且对ADC的性能要求 更高，但是相对ZIF架构有更高的动态范围。1.5.2 ZIF镜像抑制介绍ZIF结构的镜频抑制3魂波ZIF的最小案频抑制=57 dB 没考虑余量） 2粒波由. 盛的阳率犯评高法-珞间新即从而测逾谑的中心Bet!蔼我 的其它枚波阁I戒的明率允许岛送火UJE.耳孙酱户买剑在实莎回咐 中仲*供差疝台如此封株-俚姓亭前说有正也卖件规定些小域些受职 在*M圈HTF+ TO曲mfi尊信近的球由HV 丁遴如 丽时Hff懂，右 raffi -品的十携段卢恩甘半f 泗广最5能盘g 口次&的代财 的的最大容怦放.W就波隼中薮亶换掩周的未担LClfl!庭剧闵个拿致的寺何- K它础的 我波.燎I屈中的稍或波-廿魅H切洼波电路去*L山丁相鄂找波的 网率主催制加HIM.比网暮的鼬将大UdU .由就也M篷理印制的荽 求抑帝赦竟*鼻负频率概念?1.6 ADC指标分析-Ki dBm-35 dBm -M.2S dBn-1D1 de m -H6dfim-120 dBm灿小桩秘如4二部2W弓曲更理埴盗后时漆受的味产巾吐帑十 找超用率I3 64UH2个盅P可佚15弟读映干我的业相于推电平.E|：-9fid&in和除保割绐察就甘理务的-ICHdem-个番尾迎废羿孝的座耕光许的ax kTB利航遂哓出NF总吁见饥5何姓坦增益 二仲寮lg曰一84郊12.2KfcDS =骞tfB握击的甜试的及信目玷奉1 1快阳四歌擀通率EUNfi 二海V不:始喜眼叫理脚冶,祀据赴制用皿求暮比林径嗤比推保ft FT即址大啜声的1.6.1 RF前端增益确定1.确定系统噪声系数如 1.1分析，WCDMA系统NF 利用G1 =(F2-1)/(Fsys-F1); PG1 = 10 x log (G1)根据分配给ADC对系统噪声系数的影响0.56B,按系统无阻塞情况的噪声系数要求，计算得PG1 =33dB.1.6.2无阻塞条件下天线口和ADC 口功率对应关无阻塞状态信号功率水平相互关系图解等效到等效到大线入11jSt泾无阻塞模振前端增益.总嗤声，包括ADCH祇，flim.1C4.1JBmpF土射脱而用皿唉M. _T3.前端的4声底MF.倒IB.mbL.tTHlOS. IdBmi ADC左SWIM|匀的咪声.别蛆L4dEmADC AJ I g ADC输入翊功擎木1!1,例如削ppfr用在20啾姆*也阳上h. ACiC州村于南量柞劫主计灯的小/信驯S 声比SSHF. Milir-75cEFS三凡口0在Nyqiisl元内附哓声，此b.蓿4帮内咪声招样带内喘声F 0 log 3 E4M/M4M = - IddEa蓿母荷内噤声，此例中-01 dBm. 成矶W关般.E华声带度讪卑币内噪* 10*LcgF2J-75 8dB 带宽了E.WMhLZd. ADC 哓自密.座=-l45_BdEirTVHz1 f ADC的事或嗤声代二27.2JB-e.热啜声跑度kTF和dBWHw轮明，此国1于说明养点的叫率水平美案，并不是为了推导某个鼠值.擎同 的钗姑.喝白打句儿!HIT隹胃成比是川年封闭的。1.6.3 ADC阻塞信号电平对RF前端增益要求ADC输入端的最高阻塞信号电平(工作频带内和工作频带外)；阻塞电平分析时需要考虑余量(ADC满量程电平和ADC最大输入端电平差)，通常我们不希 望阻塞信号的峰值电平高于ADC满量程电平。假设预留7dB余量，天线口阻塞电平为-30dBm，计算从天线口到ADC输入口的增益PG1：=FS - 7dB -阻塞信号电平 FS为ADC满量程输入电平Full-scale=+4dBm - 7dB - (-30dBm)=27dB,或从33dB标称增益降低6dB存在阻塞时的功率增益Jlll- -.3： !1| PG1 = 27 dB助率亦平嗯心；期妃WOO胜娜丝演电侃j 1的 r - 2Vp-p + 4 d0ni,金垦=建FS - 7dB = -3 dBm存在B1塞时：增益=27dE如果接收机链路（包括ADC）的动态不能满足设计要求时，需要通过AGC功能实现大小信 号下接收机性能。从在阻塞时电路噪声和失真会恶化系统噪声系数:ADC造成NF &失真的劣化存在阻塞1时瞽效NF（N + D） = 7dB. 甜应:MKdSm有剧信号4DC府葬觥总牛N + D）防影用堵SdBFG1 =2?dBNF1 -4dBNF已哇声+龙乩？存在阻塞时，电路噪声和失真使得.系统NF从4d日增至7dB模拟电路的（NF +失真）从3.56B增至4dB ADC的（NF +失真）使系统的总体（NF +失真）提高3dB计算ADC （噪声+失真）的影响存在叫塞肘 NF（N + Dl = 7dB.对向于信号ADC甘系统其体（N +曰）曲影响是3dBPG1 = 27d0 NF2,唉走+ 瓷直NF1 =4dB=31dB 利用 F2 = (Fsys-F1)xG1 + 1； NF2 = 10 x log (F2)计算ADC等效NF (包括失真)=31dB计算ADC SNR和SFDR功率电平迎.K践输入9. GAIN=27d0功率电、:ADCSi A, 200欧媛捋病电阻7.满量牝 2Vfp = f 44lBm7d&余世fl.FS-7dG-3dBffifi.虽商朋塞电平=-3Od0mBLOCKER PRESENTGAIN = 27dB11.SFDR = 77.1dSccr M .1dBFS席弓囱星声-林比 67.1dBe ?4.1dBFE5 ADC N, D eacti = *10-7.1dBrn t KTB3.会计 KTB (N*D) = -101.idem4. KTB (N*D 与ADC相K )坦理眉益二 10tog= 10dB13. ADC在土全新特观岩内牺哦声=-7D.1dBm2.发射机发射机主要性能要求：1. 信号质量（EVM）2. 杂散辐射产物（ACLR, SEM）2.1 Transmitter设计架构介绍单中频上变换混频：IF DAC IF Gain SAW IF 2 IF Gain Mix 1 RF Gsairii RF RF-VGATkOutputVIF FiltersMixer Image零中频（四象限）直接上变换混频:RF-VGA5?Tx OulputLO 12.2可能出现的问题 噪声底 交调/邻道泄漏抑制 LO泄漏 镜像边带CarriersACLR EVM ACLR2.3 IMD 和 ACLRACLRACLR1. 对宽带无线系统，IMD不仅影响ACLR，还影响EVM。对ACLR的影响更大。IP3是 关键参数，Third Order Intercept Point(IP3). OIP3 = IM/2 + Po2. 降低输出功率可以改善ACLR，但最终收底噪限制；3. 利用3阶交调OIP3简单估算ACLR-Pt =包括所有载波的总输出功率，利用两个单频载波在每载波输出功率为(Pt- 3dB)状态 下推算的IM3值可以估算：- 单载波 ACLR = | IM3 | -3 dB-双载波 ACLR = | IM3 | - 9 dB-4 载波及以上 ACLR = | IM3 | - 12dB-估算中未计及噪声底2.4 LOLeakageA单载波-表现为EVM不良-泄漏要调整到-35dBcA多载波-表现为杂散产物不度-泄漏要调整到-20dBc（相对功率最低-路薮波的功率）修正办法-改变基带I, Q信号中的DC偏移-需要较高的DAC分辨率-有源对消电路反馈环-此部分是数字预失真控制环路的一部分L0本振泄漏修正算法欠采样ADC数字下变频至I/Q数字低通滤波A改变I. Q输入直流偏移量，用尝试法做泄漏调零2.5 Imagesuppression单载波应用-表现为EVM不良 MAX2022的边带 抑制40dB ,不 做修正即可实现 功率回退较低功率=较低的交调=较高邻道泄漏抑制ACLR直接影响效率；对WCDMA应用，效率 开环射频预失真X 闭环射频预失真X 前馈X数字预失真Centers 心 n优点-焉性能可得到出色的修正效果-宽带适合多载波-效率可达15%-门适应产品化生产时容忍较大参数偏差-成本适中A弱点-DSP算法开发投入大-要求高性能的侦测接收通道低功率一微蜂窝和智能天线应用-适合功率回退和开环射频预失真A中等功率-微蜂窝-开环或闭环射频预失真：数字预失真大功率宏蜂窝-数字预失真3.2数字预失真审视数字预失真:Adaptive Control Loop LUT - non-Real Time一 4 载波 WCDMA载波布宽 BW = 4 * (5 MHz) = 20 MHz 5阶谐波修正带宽BW =5 *(20 MHz) = 100 MHz审视数字预失真:ACLR 65 dBBW = 1.5-3.5* Carrier BWRF4hiDdulatDrDigitalDownConversion反馈侦测通道必须干净：这个通道内的失真无法消除，如果失真严重无法侦测到发射信号的 实际失真情况，会引入反的修正修过。数字预失真IMD交调修正:CarrierCarrierLC LskageACLR EVM ACLR消除零中频发送信道的本振泄漏-基本“免费”利用简单的算法对I/Q的DC偏移量调 整；可将本振泄漏调整至书。dBc-利用数字下变频DDC提取泄漏本振信号幅度-DSP执行简单调零算法，交替调节LQ的偏移使本振 泄漏降低Un-CorrectedIMD ProductsDPD CorrectedIMD ProductsACLRACLRACLR 可改善25dBA效率可提升到15%-可节约花在大功率器件上的费用数字预失真的附带修正功能数字预失真的附带修正功能| ACLR EVM | ACLR | EVM | EVM |aCLR |A修正零中频发送信道的镜像抑制-简单算法即可针对每个载波修正I/Q增益和相位偏移; 镜像可调至v.60dBc-利用数字下变频DDC提取镜像的幅度- DSP执行简单调零算法，交替调节l,Q的增益和相位 偏移、使镜像部分下降。