WCDMA 基站中频接收机的设计研究.doc
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1、WCDMA 基站中频接收机的设计研究黄秋元,付雷 武汉理工大学信息工程学院,湖北武汉(430070) E-mail:shiren119摘要:分析 WCDMA 基站中频接收机的原理以及接收机射频前端的设计方法,给出了完 成设计所需要的具体参数。并结合 XILINX 公司的 FPGA 分析了数字中频部分的设计。关键词:WCDMA;中频接收机;FPGA-5-1. 引言通信技术进步带动着基站设备的发展。 特别是 3G 技术的发展,使基站接收机的集 成度越来越高,也越来越偏向于数字化。基 站接收机设计方法也随之产生了变化。由于运行环境的特殊性,基站接收机需 要具备宽带和大动态范围的特性,而且对互 调、噪
2、声系数等其他各项指标的要求都很 高。这些指标决定了基站接收机与其他接收 机结构的不同。按照接收机的种类,主要有 双 IF 接收机(超外差接收机)、零中频接收机、单 IF 中频接收机。双中频结构是早期基站接收机使用较为广泛的结构,但成本高,体积大。而零中频接收机由于目前技术 的局限性,难以满足大动态范围和高灵敏度 的要求,目前还没有应用于基站接收机的设 计中。所以,单中频接收机以其简化的结构、 较低的成本和技术的可实现性成为目前使 用最为广泛的基站接收机结构。下图是单中 频接收机的结构框图1:从图中可以看出,单中频接收机的元件 数和复杂度都比双中频接收机要少得多。设 计起来更为简单。本文基于使用
3、这种单中频 结构介绍 WCDMA 基站接收机的设计方法。图 1 基站单中频接收机结构图2. 接收机模拟前端分析与设计接收机模拟前端部分包括射频信号处 理和中频信号处理。由于WCDMA接收机需 要满足3GPP协议的有关规定,所以必须以 协议所规定的参数来设计整个系统。2.1 接收机指标要求3GPP 对WCDMA 基站射频收信机的 主要技术指标要求如下2:参考灵敏度:-121dBm12.2kbps; 动态范围:-91dBm(-73dBm12.2kbpsinterference);邻道选择性:-115dBm(-52dBm12.2kbps interference); 阻塞特性(干扰信号最小频偏10M
4、Hz):-40dBm(-115dBm12.2kbps interference); 阻塞特性(带外):-15dBm(-115dBm12.2kbps interference); 从这些指标中可以看出,基站接收集的灵敏 度和动态范围的要求非常高,与终端产品, 如与手机相比的差别很大,其参数要求更严 格。由协议可计算接收机各部分参数要求。2.2模拟前端参数分析接收机模拟前端最为关心的参数包括 系统的噪声系数、增益、动态范围、IMD3 等。通过对协议的分析,可以计算接收机各 部分的参数需求3。(1) 接收机输入噪声功率 SNin: 在自然条件下的随机噪声可由下式得到:SNin=10lg(KTB)=-
5、174+10lgB(dBm)(1) WCDMA 的信道带宽为 5MHz,则 SNin=-107 dBm。此处并不包括其他外加干扰。 (2)接收机的噪声系数 NF噪声系数是输入信噪比和输出信噪比 的比值,以 dB 为单位时表示为输入信噪比 与输出信噪比的差值。NF=Ssens-SNin-C/I(2) 其中 Ssens 为接收 灵敏 度, 根据 协议, Ssens=-121dBm,C/I 为系统解调门限电平, C/I=-20dB 。所 以, NF=-121-(-107)-(-20)=6dB。为了给系统留有一定余量,大部分厂 家都将基站接收系统的 NF 设置为 4dB。 (3)增益 G接收机射频前端
6、增益 G 由最大干扰信 号电平和 ADC 峰值输入功率决定。目前 ADC 的输入电压一般为 2Vpp,使用差分输 入阻抗为 200 欧姆,则满量程输入功率为4dB。干扰信号最大功率电平为-52dBm,考 虑系统 7dB 余量,则其射频前端增益为: G=4-7-(-52)=49dB。(4)接收机动态范围 D:接收机动态范围是 AD 芯片满量程输入 电平和输入 AD 芯片的噪声电平与最小有用 信号功率中最低值的差值,即DSAD-min(Smin,SNAD)(3) 其中 Smin 是最小信号输入电平,Smin=Ssens+ G=-121+49=-72dBm,SNAD 是输入噪声电平, SNAD=SN
7、in+G+NF=-107+49+4 -54dBm, 动 态范围 D=(4-7)-(-72)+3=72dB。接收机的动态范围主要由 AD 芯片的动 态范围来决定,若 AD 芯片无法满足系统动 态范围要求,必须采取其他方法来改善系统 动态范围,如在电路中加入 AGC 环路。这种方法已经广泛使用在各种接收系统中了。(5)采样频率和中频频率的选择由于 WCDMA 信号工作在射频段,所 以只能使用带通采样实现信号数字化。根据 带通采样定律,设对采样如下频带的信号:fH=nB+kB,0k1(4) 其中 fH 为中频通带的最高频率,B 为带宽。 要想无混叠的采样,其必须满足如下关系: 最小采样率为:fs1=
8、2B+2(fH-nB)/n (5) 最大采样率为:fs2=2B-2B-2(fH-nB)/n(6) 为了使设计抗叠滤波器时的频带对称,取此 频段的中间值可得:Fs=(fs1+fs2)/2=(fH-2B)n=4fc/n(7) 当 n 为奇数信号处于它的奈圭斯特区时不会 倒置。即:Fs=4fc/(2n-1),n=1,2,3(8) 其中 fc 为所要采样信号的中心频率。n 越大 则采样频率越低,对 AD 的要求就越低,但 同时失真也越大。当对 WCDMA 信号采样时,采样时钟 应为是 3.84 的整 数倍 , 取 3.8424=92.16MHz。当 n=3 时,可计算得中频频率 为 69.12MHz,
9、实际可取 70MHz 为工作频率。3. 接收机 AD 芯片参数分析ADC 是接收机射频前端中最重要的芯 片之一。根据系统对 AD 采集的要求,可以 按照图 2 所示的方法确定 AD 芯片的参数1。图2 ADC芯片选型步骤设系统NF=4dBm,射频前端的噪声系 数NF1=3.5dB,则只允许ADC给系统带来0.5dB的影响。以大多数ADC可以满足的指标为参考,设SSNF为-75dBFs。在ADC的满量程输入电平为4dBm(2Vp-p 200),则:(1)AD芯片的等效噪声系数:NF2-lgKTNFSSNF-10lg(fs/2)(9) 取fs92.16MHz时,可得系统对AD芯片的 等效噪声系数要
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