??? 摘? 要: TD-SCDMA射頻收發(fā)信機(jī)的開發(fā)背景和主要特性參數(shù),介紹了系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的中頻選取、芯片選擇和指標(biāo)分析等問題。闡述了用 Maxim套片設(shè)計(jì)、實(shí)施TD-SCDMA終端射頻收發(fā)信機(jī)的方案,給出了方案的整體測試結(jié)果和結(jié)論。?

??? 關(guān)鍵詞: TD-SCDMA? 射頻收發(fā)信機(jī) Maxim套片

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1 TD-SCDMA射頻收發(fā)信機(jī)的研發(fā)背景和主要特性參數(shù)?

??? 我國現(xiàn)在擁有世界上最大的高速發(fā)展的GSM移動通信網(wǎng),由第二代GSM系統(tǒng)向第三代系統(tǒng)平滑過渡將是我國邁入3G移動通信的必然選擇。TD-SCDMA(時分雙工同步碼分多址)是我國提出的具有自主知識產(chǎn)權(quán)的第三代移動通信空中接口標(biāo)準(zhǔn),在提出標(biāo)準(zhǔn)之后自主研發(fā)設(shè)計(jì)TD-SCDMA/GSM演示系統(tǒng)將具有非常重要的意義。?

??? 在TD-SCDMA/GSM終端研制中,GSM模部分已經(jīng)有非常成熟的方案和豐富的半導(dǎo)體芯片支持,而TD-SCDMA模部分則是一個全新的內(nèi)容。大唐電信中央研究院和重慶郵電學(xué)院移動通信中心聯(lián)合成立了研發(fā)組,投入了TD-SCDMA/GSM雙模終端的研究,目前已經(jīng)取得階段性成果。在這個項(xiàng)目中,TD-SCDMA射頻收發(fā)信機(jī)在整個系統(tǒng)中占有非常重要的地位,如何經(jīng)濟(jì)有效地實(shí)現(xiàn)TD-SCDMA射頻收發(fā)信機(jī)是整個終端項(xiàng)目成功的關(guān)鍵因素之一。?

??? 根據(jù)CWTS起草的TS C401標(biāo)準(zhǔn)文檔,可列出TD-SCDMA射頻收發(fā)信機(jī)的主要特性參數(shù)(見表1)。?

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2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)?

??? 在這一部分,將根據(jù)TD-SCDMA射頻收發(fā)信機(jī)要求和現(xiàn)有的半導(dǎo)體芯片水平,論述基于Maxim套片的TD-SCDMA射頻收發(fā)信機(jī)方案。?

2.1 中頻選擇?

??? TD-SCDMA模射頻收發(fā)信機(jī)采用傳統(tǒng)的超外差式結(jié)構(gòu),參考時鐘源選用GSM手機(jī)中普遍選用的13MHz VTCXO,根據(jù)TD-SCDMA系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)要求選擇頻率合成器的鑒相頻率為200kHz。在設(shè)計(jì)射頻收發(fā)信機(jī)時,中頻(IF)的選取十分重要,它在一定程度上決定著系統(tǒng)的一些性能指標(biāo),如信噪比、誤碼率等。中頻的選取原則是:各種交調(diào)產(chǎn)物不能落在RF或IF頻帶內(nèi);各種數(shù)字干擾不能落在有用信號頻帶內(nèi),這些數(shù)字干擾主要包括基帶信號傳輸高次諧波的干擾、ADC工作時鐘高次諧波的干擾、中頻本振高次諧波的干擾等。模擬中頻存在半中頻響應(yīng)。半中頻響應(yīng)的特點(diǎn)是:中頻選取得越高,半中頻產(chǎn)物對頻帶內(nèi)信號產(chǎn)生干擾的可能性就越小。從這個角度來說,中頻選得大一些比較好。然而目前中頻器件(如聲表面波濾波器)的工作頻率都不是太高,在選取中頻時應(yīng)處理好這對矛盾。?

??? 經(jīng)仔細(xì)分析權(quán)衡,我們把中頻取在264MHz。這樣,所需要的射頻本振信號就為2274～2289MHz。這里確定的頻率范圍指標(biāo)將是選取芯片時首先應(yīng)該考慮的因素。?

2.2 芯片的選取?

??? 現(xiàn)在還沒有專門為TD-SCDMA射頻收發(fā)信機(jī)設(shè)計(jì)的芯片。然而,世界各主要芯片供應(yīng)商針對IS95 CDMA和W-CDMA射頻收發(fā)信機(jī)設(shè)計(jì)了一系列芯片,例如RF公司、ADI公司、Philip公司、Maxim公司等。IS95 CDMA和W-CDMA射頻收發(fā)信機(jī)特性指標(biāo)與TD-SCDMA存在許多相似和相近之處?；谶@種情況,我們在設(shè)計(jì)TD-SCDMA收發(fā)信機(jī)時選擇芯片的總體思路是:從支持IS95 CDMA和W-CDMA的芯片中挑選能夠滿足TD-SCDMA各項(xiàng)指標(biāo)的芯片。芯片挑選所考慮的是:首先芯片工作的頻帶應(yīng)該滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求;然后是芯片的主要指標(biāo)(如輸入信號電平范圍、輸入IP3、輸入1dB壓縮點(diǎn)、動態(tài)范圍、線性度等)是否基本滿足要求;最后就是將初選的芯片接入,分別就接收通路和發(fā)射通路進(jìn)行指標(biāo)分析,確定所選芯片是否滿足要求。?

??? 經(jīng)過選擇,最終形成本文介紹的基于Maxim套片的方案。?

2.3 Maxim套片及其特點(diǎn)?

??? Maxim套片指Maxim公司于2000年初推出的完整的雙頻CDMA射頻收發(fā)信機(jī)芯片組MAX232x/MAX231x/MAX236x。該組芯片覆蓋了從天線到基帶的整個射頻信號通道,同時也適用于包括GSM在內(nèi)的2G標(biāo)準(zhǔn)?；贛axim套片的收發(fā)信機(jī)采用了一級中頻的超外差接收結(jié)構(gòu)。Maxim套片有如下顯著特點(diǎn):?

??? 首先,Maxim套片將復(fù)雜的射頻收發(fā)信機(jī)電路按功能模塊集成為三大部分:射頻接收前端(以MAX232x為核心)、中頻處理單元(以MAX231x為核心)和射頻發(fā)射單元(以MAX236x為核心)。這樣就大大簡化了產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計(jì)和功能驗(yàn)證測試,縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期。由于高集成度和專門針對CDMA而設(shè)計(jì),Maxim套片具有很大的動態(tài)范圍和很高的線性度指標(biāo),適合TD-SCDMA射頻收發(fā)信機(jī)的要求。?

??? 其次,Maxim套片將帶通濾波器等器件放到了片外,這樣就能適應(yīng)各種2G/3G標(biāo)準(zhǔn)要求的頻帶差別,并能靈活地選取中頻等參數(shù)。Maxim套片統(tǒng)一采用了I/Q調(diào)制和解調(diào)方式,并最大限度地滿足了各種3G標(biāo)準(zhǔn)的線性要求,適合于GMSK、QPSK、OQPSK、HPSK等不同調(diào)制方式的要求。因此,Maxim套片可用于開發(fā)各種3G樣機(jī),并能根據(jù)各種標(biāo)準(zhǔn)的要求進(jìn)一步優(yōu)化。?

??? 再者,MAX232x芯片采用了SiGe(鍺化硅)工藝,這種工藝能夠在減小供電電流的同時提高低噪聲放大器的線性并進(jìn)一步減小噪聲系數(shù)。這一特點(diǎn)對于接收機(jī)的指標(biāo)非常重要,它還意味著能夠顯著減小收發(fā)信機(jī)的守候電流,從而延長終端的待機(jī)時間。?

2.4 Maxim方案框圖?

??? Maxim套片方案采用MAX2322、MAX2312和MAX2362為主要器件實(shí)現(xiàn),其功能框圖如圖1所示。?

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2.4.1 發(fā)射通路?

??? 發(fā)射通路以MAX2362為核心,MAX2362是該方案中集成度最高的芯片,它集成了I/Q調(diào)制器、上變頻器、功放預(yù)放、中頻VCO和中頻/射頻鎖相環(huán),覆蓋了從基帶到射頻的整個發(fā)射通道?；鶐/Q輸入信號經(jīng)過正交調(diào)制到中頻并通過可變增益放大器放大,然后經(jīng)過片外中頻濾波器濾波后上變頻到射頻,并進(jìn)一步放大。中頻/射頻兩個鎖相環(huán)都以13MHz VTXO作為參考時鐘信號,基帶通過三總線(DATA、CLK、ENB)編程控制兩個鎖相環(huán)的分頻數(shù)據(jù)和寄存器數(shù)據(jù)。中頻鎖相環(huán)除了環(huán)路濾波器和調(diào)諧回路都集成到了MAX2362內(nèi)部,射頻鎖相環(huán)需要一個外部VCO。?

??? MAX2362能夠提供的中頻范圍為120～300MHz,滿足我們選擇的264MHz的要求;可適應(yīng)的射頻本振信號范圍為1400～2300MHz,滿足所需的2274～2289MHz的要求;通過中頻增益和射頻增益控制,MAX2362可提供的線性增益動態(tài)范圍為85dBm,優(yōu)于要求的80dBm發(fā)信機(jī)線性增益動態(tài)范圍;MAX2362線性輸出功率達(dá)到7dBm(ACPR=-54dBm),這樣就為末級功放輸出最大功率30dBm和ACLR≤-33dBc創(chuàng)造了條件。?

2.4.2 接收射頻通路?

??? 接收射頻通路以MAX2322為核心,MAX2322集成了低噪聲放大器(LNA)和混頻器(Mixer)。從天線接收的射頻信號經(jīng)過帶通濾波、放大、混頻后轉(zhuǎn)化為中頻信號。隨著第三代移動通信速率和帶寬的提高,對LNA和下變頻器的動態(tài)特性提出了更高的要求。MAX2322采用了SiGe工藝,在減小噪聲系數(shù)、提高增益、提高輸入三階交調(diào)截上點(diǎn)(IIP3)的同時減小了電流消耗,非常適合TD-SCDMA的接收要求,是一款技術(shù)含量很高的芯片。?

??? MAX2322能夠適應(yīng)的射頻本振信號頻率范圍為1600～2300MHz,滿足所需要的2274～2289MHz的要求;在所選用的高增益高線性模式下,LNA噪聲系數(shù)為1.7dB,屬于我們所評估的芯片中指標(biāo)最好的,優(yōu)于系統(tǒng)要求;最值得稱道的是,LNA和Mixer輸入三階交調(diào)截止點(diǎn)(IIP3)分別為7dBm和4dBm,這樣的線性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于我們的系統(tǒng)要求。?

2.4.3 接收中頻通路?

??? 接收中頻通路以MAX2312為核心,從MAX2322出來的中頻信號經(jīng)過帶通濾波以后進(jìn)入MAX2312,MAX2312將接收到的信號進(jìn)行放大,并進(jìn)行I/Q解調(diào)下變頻到基帶。和MAX2362類似,MAX2312也帶有一個有中頻VCO的鎖相環(huán),在我們的設(shè)計(jì)中將其旁路掉,而采用了收發(fā)共用MAX2362的中頻鎖相環(huán)的思想。這樣,一方面簡化了設(shè)計(jì);另一方面由于減少了一個VCO,也就減小了射頻電路信號間的相互干擾。?

??? MAX2312能夠適應(yīng)67MHz～300MHz的輸入信號,滿足我們的頻率要求;線性增益動態(tài)范圍為大于110dBm,優(yōu)于我們要求的80dBm線性增益動態(tài)范圍;在其它方面,如MAX2312的I/Q信號平衡度指標(biāo)優(yōu)于我們評估的其它芯片。?

2.5 方案各級指標(biāo)的分析?

??? 標(biāo)準(zhǔn)給出的是收發(fā)信機(jī)的整體指標(biāo),而器件商給出的是特定條件下的器件指標(biāo),二者的側(cè)重點(diǎn)不同。在設(shè)計(jì)射頻收發(fā)信機(jī)時,往往需要結(jié)合當(dāng)前器件和標(biāo)準(zhǔn)要求對各項(xiàng)射頻指標(biāo)進(jìn)行分析,以此確定芯片適用與否,并進(jìn)一步確定射頻收發(fā)信機(jī)的各級相關(guān)參數(shù)。這步工作不僅是選取芯片的重要步驟,而且對射頻收發(fā)信機(jī)的設(shè)計(jì)、調(diào)試都有一定的指導(dǎo)意義。射頻收信機(jī)的指標(biāo)分析包括:電平及接收動態(tài)范圍特性分析、鄰道選擇性(ACS)分析、抗阻塞特性分析和互調(diào)響應(yīng)特性分析;射頻發(fā)信機(jī)的指標(biāo)分析包括:電平及輸出功率動態(tài)分析和射頻發(fā)信機(jī)線性分析。分析結(jié)果用指標(biāo)分析曲線圖表示。限于篇幅,這里不再對此詳細(xì)介紹。?

??? 對Maxim套片方案的各項(xiàng)指標(biāo)分析結(jié)果表明,Maxim套片方案各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到或超過系統(tǒng)要求。?

3 整體測試結(jié)果及結(jié)論?

??? 表2是我們對Maxim套片方案TD-SCDMA主要特性參數(shù)指標(biāo)的測試結(jié)果。?

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??? 與表1相對照可以看出,Maxim套片方案主要性能指標(biāo)均優(yōu)于系統(tǒng)要求。?

??? Maxim套片TD-SCDMA射頻收發(fā)信機(jī)解決方案體現(xiàn)了射頻前端收發(fā)信機(jī)的集成化趨勢,與分立元件解決方案相比,大大簡化了設(shè)計(jì),縮短了產(chǎn)品研發(fā)周期。在今后的改進(jìn)方案中,我們將利用Maxim套片其它系列的雙模特性開發(fā)出自己的TD-SCDMA/GSM雙模終端射頻收發(fā)信機(jī),進(jìn)一步簡化設(shè)計(jì)和終端體積。?

參考文獻(xiàn)?

1 CWTS:C401 Radio Transmission and Reception,V3.20.http://www.cwts.org ?

2 3GPP: TR 25.945 RF Requirements for 1.28Mcps?UTRA TDD Option,V2.00. http://www.3GPP.org?

3 3GPP: TR 25.942 RF System Scenarios,V2.2.1.http://www.3GPP.org?

4 王險峰. WCDMA手機(jī)關(guān)鍵射頻指標(biāo)分析.上海:第三屆中國無線電技術(shù)研討會及展覽會,2000.8