TD-SCDMA终端直接变频收发信机的设计

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TD-SCDMA终端直接变频收发信机的设计

摘要：介绍了直接变频收发信机的系统结构，给出了基于Maxim套片的TD-SCDMA终端直接变频收发信机设计方案，分析了影响直接变频接收机（DCR）性能的关键因素，并针对实现DCR的技术难点提出了具体的解决办法和改善措施，最后介绍了采用MAX2392实现的TD-SCDMA终端DCR的研制实例及其测试结果。    关键词：时分双工同步码分多址 直接变频 收发信机
TD-SCDMA（时分双工同步码分多址）是我国提出的具有自主知识产权的第三代移动通信空中接口标准，具有频谱利用率高、支持多种通信接口、与传统系统兼容性好、系统设备成本低和系统稳定性好等特点。然而，TD-SCDMA终端一直是TD-SCDMA产业化的薄弱环节，严重影响了TD-SCDMA的商业化进程。
本文介绍一种基于Maxim芯片组的TD-SCDMA终端直接变频收发信机设计方案。直接变频技术（Direct Conversion）是在基带和频带信号之间直接实现频率变换，不需要收发信机中的中频部分，或其中频频率等于零，因此也常被称为零中频。在采用直接变频技术的收发信机中，由于没有中频放大、滤波、变频及中频频综等电路，电路结构异常简洁，可极大地降低收发信机的功耗、体积和成本。此外，还介绍实现直接变频收发信机的技术难点，提出改善和克服各种技术难点的具体措施。最后，给出基于直接变频技术的TD-SCDMA终端DCR的研制实例及期测试结果。


图1

1 DCT和DCR的系统结构[1-2]
DCT和DCR的系统结构分别如图1（a）和（b）所示。
DCT是把基带信号直接上变频到所需的射频载波上，并利用射频AGC信号控制射频可变增益放大器的增益，把已调RF信号放大到所需的功率进行输出。目前，实现DCT的主要技术难点有：I信号和Q信号的相位和幅度的不平衡性、带内噪声电平、VCO牵引、动态范围、功耗等问题。DCT的动态范围是通过基带（数字和模拟）和射频部分共同承担的，其增益分配和系统性能之间存在矛盾，通常需要进行权衡。例如，若可变增益设在基带数了部分，需要更高精度的DAC；若可变增益设在基带模拟部分，将引起混频器的本振泄漏的增加；若可变增益设在身频，则导致RF部分功耗的增加。所以，在实现时要综合考虑各种因素，进行优化设计，使DCT的总体性能达到更优。
DCR是把天线接收的频带信号送入低噪声放大器（LNA）进行放大，然后直接被下变频为基带I/O信号。信道化由基带部分的低通滤波器实现，而增益控制则由LNA、混频器和基带AGC放大器共同完成。由于DCR的中频为零，不存在镜频分量，所以在LNA和混频器之间不需要接入镜频抑制滤波器。但在收发双工通信的射频部分，为了抑制发射信号进入接收通道，在DCR的LNA前需要加入频带信号预选滤波器。此外，由于DCRF中信道滤波是在基带部分实现的，所以可以采用片上灵活的可调滤波器，实现多波段、多模式接收机。例如，实现TD-SCDMA和GSM等多模式兼容的接收机。


图2

2 TD-SCDMA终端直接变频收发信机结构
TD-SCDMA终端直接变频收发信机结构如图2所示，它是基于Maxim公司新近推出的完整的射频收发信机芯片组MAX19700/MAX2507/MAX2392实现的。该芯片组覆盖了从天线到基带的整个射频信号通道。收发信机结构按照功能模块划分可分为三大部分：模拟前端单元（以MAX19700为核心）、射频发射单元（以MAX2507为核心）、射频接收单元（以MAX2392为核心）。
模拟前端单元MAX19700主要完成两个功能：基带数据的A/D变换和D/A变换；发射接收时的链路自动增益控制（AGC）和压控恒温晶振的自动频率控制（AFC）。在信号发射时，MAX19700通过10bit数据总线接收来自信号处理器（DSP MODEM）的数字基带信号，经过D/A变换、低通滤波后将模拟基带I/O信号送至射频发射单元，完成基带I/O信号到频带信号的变换。AGC功能和AFC功能是通过DSP串行控制线（DSP CTRL）实现的。

    射频发射单元MAX2507是第一款集成了功率放大器，并能满足TD-SCDMA指标要求的直接变换发送器。它集成了I/Q调制器、锁相式频率合成器（PLL）、VCO、AGC放大器和功率放大器。模拟基带I/Q信号经过正交调制后完成基带信号到频带信号的直接变换，并通过AGC放大器进行放大，放大后的频带信号经过片外带通滤波器滤除带外的无用信号分量后再经过功率放大器、双工器并最终通过天线辐射出去。片外带通滤波器的采用可以大大降低发射机对相邻信道的干扰，提高发射机的ACRP指示。
射频接收单元MAX2392作为首款TD-SCDMA直接变换接收器，集成了LNA、I/Q解调器、VCO、锁相式频率合成器（PLL）、基带低通滤波器和AGC放大器。从天线接收的信号经过双工器后先通过频带选择滤波器选择有用的频带信号，微弱的信号经过LNA放大后通过I/Q解调器变成模拟基带I/Q信号，模拟基带I/Q信号经过信道滤波的低通滤波器和ACG放大器后，送至模拟前端单元，完成对基事I/Q信号的数字化。

3 实现RCR的关键技术分析[3]
影响DCR性能的主要因素有1/f噪声、本振泄漏、直流偏移以及I/Q信号的相位和幅度不平衡性。
3.1 1/f噪声
1/f噪声就是半导体器件内的闪烁噪声，如图3所示。1/f噪声因噪声大小与频率成反比例关系而得名。1/?噪声的主要参数是拐点频率fa，该点的1/f噪声功率等于热噪声功率。半导体器件内的1/f噪声的分布特性取决于其工艺。一般情况下，BiCMOS器件的fa大约为4～8kHz；而MOSFET器件的fa大约在1MHz。对于CDMA信号，低频分量相对很少，电路中可采用高通滤波的办法对1/?噪声给予较好的滤除。
3.2 本振泄漏和自混频
在DCR中，由于本振信号和系统所接收的频带信号的载频相等，加之本振信号很强，LNA和混频器的隔离不可能做到无限好，所以本振信号会通过混频器和LNA反向传输到天线，辐射到空间，形成对邻道的干扰；同时泄漏的本振信号被天线接收下来，或直接辐射到LNA的输入端，与所接收的信号一同进入混频器与本振信号进行混频，这一现象就是本振泄漏和自混频，如图4所示。
由于DCR中不可避免地存在着本振泄漏和自混频问题，所以在混频器输出端将出现由本振信号与其发射和辐射的信号进行混频的产物--直流偏移，导致DCR的基带放大器可能进入饱和工作状态，使接收机的误码率激增，甚至无法正确接收信号。
图5（a）～(d)对窄带有直流偏移和没有直流偏移以及宽带有直流偏移和没有直流偏移的情况分别作了图示说明。由各图比较可知，直流偏移对窄带信号的影响非常大，而对宽带信号（扩频信号）的影响相对要小很多。

    对DCR中的直流偏移问题的解决办法如下：
（1）基于混频器后处理的办法，即采用高通滤波器滤除直流分量；
（2）基于系统的消除办法，主要有采用特殊编码或扩频的办法、时分办法、通信协议法。
本振泄漏的消除办法：采用RF载波信号频率两倍的本振信号源，然后利用分频的办法得到载波信号。
3.3 I/Q信号的相位和幅度不平衡性
I/Q解调器在I/Q两个支路产生幅度和相位的不平衡，将使解调后基带信号星座图产生失真，如图6所示。I/Q信号的相位和幅度的不平衡性可以通过匹配或模拟和数字（DSP）的校准方法得到解决。

4 TD-SCDMA终端DCR电路设计
DCR电路结构如图7所示，它由LNA单元、I/Q解调单元，本振部分和三线串行控制总线等构成[4]。
4.1 LNA单元
通过交流耦合接收的微弱信号通过匹配网络送至LNA输入端，LNA输出通过片上电路匹配到50Ω。LAN具有高增益和低增益两种工作模式，分别对应G_LNA=1和G_LNA=0。
4.2 I/Q解调单元
LNA_OUT输出信号通过声表面波滤波器实现不平衡变换信号，以差分形式送至输入端口RF+和RF-。经过混频器解调后的模拟I/Q信号再经过信道选择滤波器和AGC放大器后以差分形式送至基带DSP。声表面波滤波器输出端并联电感用以抵消声表面波滤波器和IC封装所引入的寄生电容；混频器具有高增益和低增益两种工作模式，分别对应G_MXR=1和G_MXR=0；信道选择滤波器提供40dB的邻道选择抑制；AGC放大器是电压控制（AGC管脚）的可变增益放大器，控制信号来自基带DSP或片外DAC MAX5383（控制数据来自三线串行控制总线）。


图7

    4.3本振部分
片上集成了锁相式频率合成器，包括VCO、鉴相器、主/预分频器、电荷泵（CP）等。工作时只需外接环路滤波器和恒温晶振（TCXO）即可。环路滤波器带宽为200kHz，以保证在频率跳变为60MHz时，环路锁定时间在200μs以内，LD管脚用于指示环路的锁定状态。
4.4 三线串行控制总线
三线串行控制总线通过SCLK和/CS下载控制字到片上控制寄存器，以配置DCR的工作模式和设置本振频率。下载时序图见图8，当/CS=0时，控制字在SCLK时候上升沿逐位锁存到片上移位寄存器；当/CS=1时，移位寄存器内的控制字锁存到片上控制寄存器此外，还可设置/SHDN管脚使DCR进入休眠模式。
针对影响DCR性能的主要因素，本电路采取了如下措施：
·对于TD-SCDMA信号，电路中采用高通滤波的办法对1/?噪声给予较好的滤除；此外，混频器对有用信号的放大也相对地弱化了1/f噪声；


图8

    ·I/Q解调单元采用了差分信号输入方式和二分频法产生本振信号，以此降低DCR的LNA输入端口的本振泄漏；
·片上集成了直流偏移校正电路即高通滤波器，使由于自混频所带来的I/Q输出信号的直流偏移最小；
·芯片内部集成工艺保证了I/Q通路的良好匹配，以减小I/Q信号的相位和幅度不平衡性；此外，还在基带通过DSP算法对I/Q信号的相位和幅度不平衡进行校正。
T可见，DCR的技术指标符合TD-SCDMA终端无线规范3GPP TR 25.945的要求[5]。
本文介绍了DCR和DCT的系统结构，进一步给出了基于Maxim套片的TD-SCDMA终端直接变频收发信机设计方案，并且利用MAX2392设计了TD-SCDMA终端DCR,技术指标满足要求。在TD-SCDMA终端中，射频前端的直接变频结构与传统的超外差结构相比，具有体积小、成本低、多波段多模式兼容等特点，因此有着很广泛的应用前景。