5. 8GHz WiMAX宽带无线通信射频系统设计

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在芯片厂商未推出针对WiMAX 标准5. 8 GHz 频段射频芯片的情况下，利用SIGE 公司开发的中频芯片SE7051L10 及TI 公司开发的射频芯片TRF2436，通过合理设计，成功地研制出5. 8 GHz 频段CPE 和点对点射频收发系统，测试指标满足或优于802. 16d 标准。详细介绍了主要芯片完成功能、主要技术指标、总体设计以及具体指标实现。
　　本设计主要是参照802. 16d 固定无线传输宽带技术标准，是针对WiMAX 宽带无线接入产品而设计的射频系统，它的作用是为基带信号处理单元提供零中频基带信号或基带I、Q 信号无线的收发通道。
　　0 引言
　　固定WiMAX 标准基于正交频分复用( OFDM) 技术，使用256 个副载波； 该标准支持1. 75~ 28 MHz范围内的多个信道带宽，同时支持多种不同的调制方案，包括BPSK、QPSK、16QAM 和64QAM。由于信号宽带及高调制方式等多项技术参数导致射频设计充满挑战性。
　　1 主要芯片完成功能
　　本设备采用超外差时分双工方式来完成设计,在符合WiMAX 标准的射频套片推出之前，成功选用SIGE 公司生产的中频芯片SE7051L10 和Texasinstruments 公司生产的射频芯片TRF2436 来完成设计。中频频率固定为380 MHz，射频频率在5. 725~5. 850 GHz频段内可选。
　　1.1 SE7051L10
　　SE7051L10 主要完成功能为：
　　①在发射时隙内完成I、Q 基带信号上变频为380MHz 的固定中频信号；
　　②在接收时隙内完成接收的380 MHz 的固定中频信号下变频为零中频的I、Q 基带信号；
　　③完成合成IF 和RF 所需的LO 功能； 其中中频LO 频率为固定的380 MHz； RF 本振频率可选，以便系统工作在期望的工作信道内；
　　④在发射和接收通道，均内置可变增益放大器，同时Tx 通道具有18 dB 的增益控制范围( 步进6 dB) ，和50 dB TX 增益控制范围( 步进1 dB) ，Rx 通道具有50 dB 的自动增益控制范围。
　　1.2 TRF2436
　　TRF2436 完成功能为：
　　①在发射时隙内完成380 MHz 的固定中频信号上变频到所需的RF 信道频率；②在接收时隙内完成接收的RF 信号放大并下变频为380 MHz 的固定中频信号；③片内内置收发开关、低噪声放大器及开关控制的功率放大器；④ 内置射频本振倍频器。
　　2 总体设计
　　由于SE7051L10 与TRF2432 非同一公司套片,需重新设计，主要从以下几点考虑。
　　中频芯片SE7051L10 产生射频本振，其合成频率范围2 850~ 3 350MHz，若系统选用低本振，要求最低频率为2 672. 5MHz，SE7051L10 无法满足该要求，系统只能选用高本振，高本振要求频率为3 052~ 3 115MHz； 选用高本振将导致中频及基带频谱镜像，对点对点系统而言，由于接收下变频将发射的上变频导致的频谱镜像翻转，系统会不留痕迹进行解调； 但作为CPE 设备，无法与标准基站对联，采用基带I、Q 信号颠倒连接，巧妙地解决选用高本振导致的频谱翻转，与标准信号源对联，系统工作正常。
　　SE7051L10 的收发中频为各自独立的差分输入输出，而TRF2436 收发中频为共用的差分输入输出,为解决此问题，选用2 只单端双掷开关，通过收发切换控制信号，将SE7051L10 的收发中频各自独立的差分输入输出切换至TRF2436 要求共用的中频差分输入输出，效果良好。
　　作为WiMAX CPE 设备，基站为适应不同用户端设备要求，其系统接收增益固定，不具备AGC 功能,为保证接收信号幅度恒定，通过动态调整不同CPE设备的发射功率； 因此要求WiMAX CPE 设备发射通道具有超过50 dB 的ALC 控制范围； 虽然SE7051L10内置步径1 dB 的50 dB 衰减器，但中频衰减过大，将影响中频信号的信噪比，从而影响系统性能； 而TRF2436 是针对802. 11系统开发的，发射通道没有提高系统动态的数控衰减器； 为增大系统发射动态,在TRF2436 的射频滤波器后增加一片步径4 dB 总衰减28 dB 数控衰减器。
　　重新设计SE7051L10 射频本振的环路滤波器,优化射频本振的相位噪声，从而改善发射及接收系统的信号相对矢量误差。

         TRF2436 的本振要求100Ω差分输入，本振功率电平0 dBm。通过增加此频段工作的平衡- 不平衡变换的巴仑集成块来解决，巴仑集成块平衡输出阻抗为200Ω差分输出，阻抗不匹配通过四分之一波长阻抗变换器来解决； 同时，通过一单片放大器将SE7051L10 输出本振放大到0 dBm，单片放大器也有利于提高本振的输入输出隔离度。

　　通过收发通道的预算，合理地完成功放及低噪放设计。
　　3 系统工作流程
　　系统采用时分双工工作方式，当基带控制的收发开关信号为高电平时，系统工作在发时隙，基带送出的I、Q 信号经调制、上变频、功率放大和中频、射频滤波后经开关由天线发射至接收端； 在接收端，基带控制的收发开关信号此时为低高电平，系统工作在收时隙，接收的射频信号经开关、低噪放、下变频、相应射频、中频滤波，解调出I、Q 基带信号送至基带信号处理单元。系统工作流程如图1所示。

图1 系统工作流程图
　　4 主要技术指标的实现与指标分配
　　4.1 发射功率的实现
　　由于系统的基带采用OFDM 调制技术，OFDM是无线通信系统中的一项关键技术，是一种多载波传输技术。多载波传输技术相对于单载波传输技术而言有很多优点，例如抗多径干扰，抗突发噪声和有效地克服频率选择衰落。但OFDM 技术的一个主要缺点就是具有很高的峰均功率比( PAPR) ，高的峰值容易引起非线性失真； 同时，由于系统采用较高的64QAM 等调制方式，对系统的线性要求较高，针对以上问题，在设计及选用器件时，为保证系统工作在线性区域，所有器件均要求在其P1 dB 回退10 dB 工作。
　　功放设计的难点主要是末级功放的设计，本系统末级功放选用SIRENZA 公司生产的SZA5044，其输出P1 dB 为29 dBm，功率回退10 dB，其输出线性功率为19 dBm，功放末级有一无源收发开关、抑制谐波分量的低通滤波器及MCX 插座，其插入损耗总和为1. 6 dB，在插座输出口输出的线性功率为17. 4 dBm，满足设备技术指标要求； 同时，SZA5044的增益为28 dB，为保证设备技术指标16 dBm 功率输出，SZA5044 输入功率要求- 9 dBm，功放前级的射频开关、数控衰减器及滤波器的插入损耗总和为4. 4 dB，要求TRF2436 的线性功率输出- 4. 6 dBm,TRF2436 其输出P1 dB 为22 dBm，线性功率输出12 dBm，满足技术指标要求。
　　4.2 发射通道ALC的实现
　　由于系统针对点对多点设计，基站的AGC 不能工作，基站的接收增益相对固定，为保证系统正常通信，基站端通过测试上行接收基带I、Q 的功率电平,与标准I、Q 的功率电平比较，计算出功率误差，送至用户端，通过软件开环控制用户端上行的发射功率；为保证有足够的动态，以适应衰落的影响，指标规定用户端的ALC 控制范围大于50 dB，步径1 dB。
　　本系统的ALC 由SE7051L10 提供30dB ALC 控制范围，步径1 dB； 同时，数控衰减器提供28 dB 的ALC 控制范围，步径4 dB，在实际应用中，实际测试一ALC 控制表格，按实际衰减量从小到大排列，步径1 dB，通过安捷仑公司的89601 软件实际测量发射功率电平，同时保证在50 dB 的动态范围内，发射的相对矢量误差小于- 31 dB。在正常工作时，基带软件根据当前ALC 控制信号所在控制表格的位置和基站测量的功率误差，动态调整用户端发射功率,保证系统正常工作。
　　4.3 发射机EVM指标实现
　　发射机相对矢量误差是衡量发射机综合技术指标之一，由基带I、Q 的正交误差、幅度平衡，本振的相位噪声，混频器和功放( PA) 线性技术指标和系统频偏等决定。针对本射频系统而言，I、Q 的正交误差主要通过PCB 板I、Q 信号走线严格等长来控制；幅度平衡可通过运算放大器的增益控制电阻来调整； 由于本射频系统选用TRF2436 作为二次混频的主芯片，混频器集成在芯片内部，无法控制； 发射EVM 主要由本地振荡器的相位噪声决定，通过合理选用VCTCXO，优化环路滤波器等措施，保证射频本地振荡器的相位噪声指标满足- 88 dBc@ 1 kHz、- 90 dBc@10 kHz，从而保证TRF2436 输出最终功率0 dBm时，其相对矢量误差达到- 34. 5 dB； 对本系统而言，功放的合理设计决定了发射机相对矢量误差。
　　如前所述，本系统选用的末级功放，在输出功率为16 dBm 时，其相对矢量误差为2% ( - 34 dB) ，通过计算系统的相对矢量误差为- 32. 5dB，满足技术指标要求。

        4.4 接收灵敏度及接收AGC设计

　　接收机灵敏度是反应接收系统主要技术指标之一，对802. 16d 系统而言，接收机的灵敏度在系统误码率不小于10- 6情况下，应按如下公式计算( 假定有5 dB 的余量和7 dB 的噪声系数NF) ，R ss =- 10+ SNRrx + 10Log ( ( Fs * 200 ) / 256) 。采用3. 5 MHz带宽，这里的Fs = 3. 5* 8/ 7，SNRrx 为系统解调归一化信噪比，对64QAM- 3/ 4 而言，其归一化信噪比要求为24. 4 dB。通过计算，其接收机灵敏度为- 72. 6 dBm。从以上公式可以看出，合理设计低噪声放大器，减低系统的噪声系数，可以提高系统的接收机灵敏度指标； 本射频系统的低噪声放大器选用安捷仑公司生产的MGA71543 和MGA72543 来完成低噪声放大器设计，增益50 dB，考虑接插件、开关及滤波器的插入损耗，系统噪声系数4 dB，比公式7 dB噪声系数改善3 dB，相应提高接收机灵敏度3 dB，优于该标准规定的要求。
　　整个系统提供的接收机AGC 控制范围为90 dB，其中中频增益控制范围为50 dB ，TRF2436 增益控制范围为16 dB，数控衰减器28 dB，总计94 dB。
　　5 设备特点
　　该设备具有如下特点:
　　①低成本。由于选用的是高集成，大批量的通信集成块完成设计，大批量生产时，整机成本几十美元；② 高性能。点对点测试时，信道带宽3. 5 MHz接收机灵敏度- 75 dBm ( 64QAM - 3/ 4 ) ，优于802. 16d协议标准2 dB；③结构简单。由于系统选用TDD 模式工作，无须过分考虑收发隔离，整机收发在同一块PCB 板上完成，收发之间不需要增加屏蔽盒； 也不须增加改善收发隔离的双工器； ④ 调试、安装、维修方便。由于选用的器件均为内匹配的器件，一致性好，只要器件安装正确，工艺不出差错，几乎为免调试产品。整机重量轻，安装方便； 维修时能迅速定位故障点。
　　6 结束语
　　该设计于2007 年8 月向国家知识产权局申请发明专利，已审通过，专利号200710023309. 2。由该设备组成的系统，在安徽省电力通信公司、合肥供电局传输变压器工作状态数据和KP 所工作状态数据； 系统采用点对点测试，两点之间在部分遮挡通信距离5 km 情况下，进行上下行链路数据传输，其流量及Ping 包测试均符合WiMAX 标准要求； 同时双向传输电影图像无失真、声音清晰，系统工作稳定。