CDMA移動(dòng)手機(jī)本機(jī)振蕩器的設(shè)計(jì)策略

本地振蕩器(LO)的設(shè)計(jì)和性能對(duì)手機(jī)能否達(dá)到或超過(guò)最初的設(shè)計(jì)目標(biāo)有很大影響，大多數(shù)為北美市場(chǎng)設(shè)計(jì)的CDMA手機(jī)也包括AMPS，以便為那些尚未安裝數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施的地區(qū)提供服務(wù)，針對(duì)這些應(yīng)用的手機(jī)可能需要8個(gè)不同的LO信號(hào)。本文討論影響CDMA手機(jī)LO的設(shè)計(jì)問(wèn)題，并利用PLL合成器來(lái)探討LO的性能、標(biāo)準(zhǔn)要求和設(shè)計(jì)方法。

目前，大多數(shù)CDMA手機(jī)采用的是圖1所示的超外差無(wú)線結(jié)構(gòu)，在典型的CDMA應(yīng)用中，接收到的無(wú)線信號(hào)由頻率范圍介于900 MHz至2.0GHz之間的高頻載波信號(hào)及經(jīng)過(guò)調(diào)制和編碼的低頻數(shù)據(jù)信號(hào)混合而成。

LO為混頻器提供輸入，對(duì)CDMA手機(jī)來(lái)說(shuō)，它通常是一個(gè)PLL(鎖相環(huán))合成器，PLL合成器可通過(guò)多種不同的途徑來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于CDMA需要多階頻率轉(zhuǎn)換，PLL合成器必須生成非常精確的信號(hào)，否則手機(jī)會(huì)與其它通信信號(hào)相互干擾或阻礙解調(diào)，從而導(dǎo)致誤碼率(BER)增大，降低語(yǔ)音和/或數(shù)據(jù)質(zhì)量(圖1)。

圖2給出了PLL合成器的方框圖。典型的PLL合成器由分立VCO(壓控振蕩器)、分立環(huán)路濾波器和合成器IC組成。合成器IC包括參考分頻器(R分頻器)、整數(shù)或分?jǐn)?shù)N分頻器以及鑒相器，但不包括VCO和環(huán)路濾波器。幾家CDMA收發(fā)器制造商已開(kāi)始在其芯片中集成可選的PLL合成器功能，以減少元件數(shù)目及簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)?？紤]到復(fù)雜性問(wèn)題，目前尚無(wú)法在這些芯片中集成RF VCO，因而現(xiàn)階段尚未開(kāi)發(fā)出完全集成這些功能的CDMA收發(fā)器芯片。

PLL合成器輸出頻率可由方程(1)確定：

中心頻率f_cen可由方程(2)計(jì)算得出，f_cen應(yīng)是LO所生成的輸出頻率頻譜的中心頻率。C和L表示振蕩所需的VCO振蕩回路。一旦f_cen確定，基帶處理器或板上DSP可通過(guò)改變N分頻器的值將輸出頻率f_out調(diào)整到特定的頻道。

確定輸出頻率

設(shè)計(jì)PLL合成器的第一步是確定手機(jī)要求，即需支持的頻帶、模式和收發(fā)器要求。在北美，有兩個(gè)頻帶分配給了商用數(shù)字蜂窩通信，如表1所示。大多數(shù)移動(dòng)電話制造商同時(shí)支持?jǐn)?shù)字和模擬(AMPS)通信，以擴(kuò)展覆蓋范圍。由于綜合數(shù)字網(wǎng)絡(luò)的成本極高，業(yè)務(wù)運(yùn)營(yíng)商更傾向于將AMPS作為未來(lái)移動(dòng)電話的一個(gè)選項(xiàng)。

頻帶為確定PLL合成器的輸出提供了一個(gè)起點(diǎn)，精確的輸出頻率要求取決于收發(fā)器和無(wú)線頻率分配規(guī)劃，頻率分配規(guī)劃是所有無(wú)線結(jié)構(gòu)開(kāi)發(fā)的中心環(huán)節(jié)。IF和RF LO所選的實(shí)際頻率必須在研究過(guò)偽混頻、諧波干擾及所選實(shí)際頻率的元件適用性之后才能確定。

大多數(shù)CDMA收發(fā)器采用超外差式結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)同時(shí)包含RF和IF上變頻和下變頻兩級(jí)。為方便混頻，必須同時(shí)以兩種頻帶在發(fā)送和接收路徑上為每個(gè)混頻器提供RF和IF LO信號(hào)。

雙頻手機(jī)通常需要兩種或更多不同的RF LO信號(hào)，這取決于發(fā)送和接收混頻器是否需要不同的頻率(視收發(fā)器和無(wú)線頻率分配規(guī)劃而定)。因此，RF LO必須具備用于雙頻工作模式的兩個(gè)或更多分離RF PLL合成器。在IF混頻級(jí)，每個(gè)頻帶要求至少兩個(gè)IF LO信號(hào)以便于雙向通信。然而，某些CDMA收發(fā)器方案在兩個(gè)頻帶上復(fù)用同一IF頻率，從而減少了設(shè)計(jì)所需的元器件數(shù)目。

參考頻率

f_in由可用的收發(fā)器和基帶方案予以標(biāo)準(zhǔn)化，由此規(guī)定了手機(jī)的頻率分配規(guī)劃。典型的參考頻率如表2所示。

方程(1)中，注意到fin和R分頻器的混合決定了鑒相器的刷新率(update rate)及信道或信道柵(channel raster)的間距。表2還包括相應(yīng)的R分頻器值，為AMPS生成適當(dāng)?shù)男诺罇砰g距，以及為CDMA生成適當(dāng)?shù)臇砰g距。對(duì)于蜂窩基帶，30 kHz的刷新率可為AMPS提供30 kHz的信道間距，并為CDMA提供30 kHz的信道柵。PCS基帶需要50 kHz的信道柵。

目前已提出了LO物理約束的基本框架，下面將重點(diǎn)討論為滿足正式和非正式標(biāo)準(zhǔn)要求，設(shè)計(jì)必須達(dá)到的性能規(guī)范，如相位噪聲和穩(wěn)定時(shí)間等。

相位噪聲

CDMA標(biāo)準(zhǔn)并未直接闡述用于RF下變頻的CDMA PLL合成器的精確相位噪聲性能，只是間接定義了單音信號(hào)去敏(Single Tone Desensitization)的要求。單音信號(hào)去敏規(guī)范可保證在1.25MHz CDMA信道帶寬上接收到高功率窄帶干擾信號(hào)時(shí)，CDMA接收器仍能繼續(xù)工作。

該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，95％置信區(qū)間內(nèi)的最小誤幀率(FER)為0.01。由于較大的干擾帶有-30dBm的功率電平，偏移量為1.25MHz時(shí)，系統(tǒng)的相位噪聲約為-136dBc/Hz。注意到該相位噪聲規(guī)范適用于整個(gè)RF系統(tǒng)，而PLL合成器只是其中一部分。如果在規(guī)范中留有-4dBc/Hz的裕度，在偏移量為1.25 MHz的條件下，PCS基帶的PLL合成器大約應(yīng)為-140dBc/Hz。具體實(shí)現(xiàn)將根據(jù)收發(fā)器性能和無(wú)線設(shè)備的其他特性而定。通常，減小PLL合成器引發(fā)的相位噪聲有利于系統(tǒng)其他部件獲得更大的相位噪聲裕度。

也許雙模手機(jī)最大的挑戰(zhàn)在于必須達(dá)到AMPS標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的相位噪聲水平。在AMPS中，由于語(yǔ)音數(shù)據(jù)不能像在CDMA中一樣較廣的帶寬上以數(shù)字形式發(fā)送，AMPS相位噪聲的性能就顯得尤為重要。另外，與載波信號(hào)僅相差60kHz的信道干擾將使得接近中心的噪聲性能更加突出。為滿足AMPS要求，PLL合成器在60kHz偏移量的條件下，所生成的相位噪聲不得超過(guò)-120 dBc/Hz。

穩(wěn)定時(shí)間或死鎖時(shí)間

穩(wěn)定時(shí)間或死鎖時(shí)間是指在規(guī)定的頻率或相位精度條件下，PLL合成器輸出達(dá)到穩(wěn)定所需的時(shí)間。大多數(shù)通信系統(tǒng)規(guī)定LO需要在功率放大器接通之前，在傳送通路中設(shè)定0.1ppm的頻率誤差。這樣可防止手機(jī)在所期望信道以外進(jìn)行信號(hào)傳送并與其他手機(jī)相互干擾。在某些通信系統(tǒng)中，接收端的穩(wěn)定時(shí)間是以相位誤差的均方根形式進(jìn)行描述，該相位誤差給出了所接收的數(shù)據(jù)組群被解調(diào)的位置。

與相位噪聲一樣，CDMA規(guī)范并未規(guī)定確切的PLL合成器穩(wěn)定時(shí)間。然而，該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了最終限制穩(wěn)定性能并影響PLL合成器設(shè)計(jì)的系統(tǒng)性能參數(shù)?？傊?，由于CDMA采用直接序列擴(kuò)頻方案，PLL合成器的穩(wěn)定時(shí)間與多接入方法關(guān)系不大。在GSM或跳頻系統(tǒng)等其它通信系統(tǒng)中，LO必須不斷改變頻率，這對(duì)PLL合成器穩(wěn)定時(shí)間要求而言，無(wú)疑增添了更多的麻煩。

從系統(tǒng)角度看，CDMA規(guī)范中至少存在兩個(gè)限制手機(jī)響應(yīng)時(shí)間的因素：其一為硬切換(Hard Handoff)條件，此時(shí)移動(dòng)手機(jī)必須在小區(qū)之間進(jìn)行不連續(xù)的轉(zhuǎn)換；另一因素與采用異步消息接收方式將手機(jī)配置在分時(shí)段尋呼模式有關(guān)。下面將根據(jù)對(duì)PLL合成器設(shè)計(jì)的影響，詳細(xì)闡述這些條件。

硬切換

在CDMA中，需要兩種切換：硬切換和軟切換。軟切換是首選的小區(qū)切換方法，因?yàn)槠洹爸袛嘀凹辞袚Q”的工作方式可減少潛在的錯(cuò)誤，并將對(duì)用戶的影響降至最低。然而，CDMA移動(dòng)手機(jī)應(yīng)當(dāng)在“中斷之前即切換”工作方式 (參見(jiàn)表3)下也支持硬切換。當(dāng)基站引導(dǎo)移動(dòng)手機(jī)在兩個(gè)不相鄰網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、不同頻率分配、不同幀偏移量或不同基帶類型的條件下進(jìn)行切換時(shí)，將啟動(dòng)CDMA至CDMA的硬切換。而當(dāng)基站命令移動(dòng)手機(jī)變換到蜂窩基帶模擬語(yǔ)音信道(移動(dòng)手機(jī)必須支持AMPS)時(shí)，將啟動(dòng)CDMA至AMPS的硬切換。在任何一種情況下，PLL合成器都必須迅速更換頻率并在新頻率下達(dá)到穩(wěn)定，以滿足系統(tǒng)的時(shí)序要求。

當(dāng)需要在手機(jī)和新業(yè)務(wù)小區(qū)或區(qū)段間更換頻率時(shí)，必須啟動(dòng)硬切換。由不同小區(qū)中的不同頻率進(jìn)行硬切換后，移動(dòng)手機(jī)重接入小區(qū)的過(guò)程包括調(diào)整新頻率和搜索新導(dǎo)頻信道。CDMA規(guī)范要求所有事務(wù)必須在60毫秒(msec)內(nèi)完成。

為了在蜂窩電話網(wǎng)絡(luò)內(nèi)均勻分配負(fù)載，業(yè)務(wù)信道幀將作為系統(tǒng)時(shí)間的偏移量，“幀偏移量”以1.25毫秒的增量予以劃分。為了支持軟切換，目標(biāo)小區(qū)必須使用與當(dāng)前業(yè)務(wù)小區(qū)相同的幀偏移量。如果不能滿足這一條件，則必須進(jìn)行硬切換，這類硬切換必須在20毫秒內(nèi)完成。

PLL合成器的穩(wěn)定時(shí)間是硬切換完成時(shí)間的一部分。如果不能滿足這些硬切換持續(xù)時(shí)間的限制要求，那么語(yǔ)音質(zhì)量將受到影響，甚至導(dǎo)致通話中斷。移動(dòng)手機(jī)必須調(diào)整到新的頻率，查詢新導(dǎo)頻信道，接入新信道，然后再發(fā)送切換完成消息。對(duì)上述提及的任何情形，硬切換的界限在幀偏移量條件下為20毫秒，而在其他硬切換條件下為60毫秒。這段時(shí)間中，PLL合成器必須只消耗總時(shí)間的很少一部分，因?yàn)楣β史糯笃鞯炔考⒃隗E開(kāi)驟關(guān)中消耗大量的時(shí)間。如果PLL合成器可迅速穩(wěn)定，那么更多的時(shí)間可用于為其他功能塊執(zhí)行切換任務(wù)。在硬切換情況下，設(shè)計(jì)人員通常分配大約1至2毫秒的切換時(shí)間。

分時(shí)段尋呼模式

移動(dòng)手機(jī)開(kāi)啟后，即開(kāi)始搜索導(dǎo)頻信號(hào)、接入導(dǎo)頻信號(hào)和同步信道的初始化進(jìn)程，然后進(jìn)入空閑狀態(tài)?？臻e狀態(tài)下，手機(jī)監(jiān)視尋呼信道，以確定該終端是否設(shè)置了呼叫。CDMA規(guī)范規(guī)定了兩種不同的監(jiān)視尋呼信道方法：分時(shí)段和非分時(shí)段尋呼模式。在非分時(shí)段模式中，手機(jī)監(jiān)視尋呼信道的每個(gè)時(shí)段。該監(jiān)視模式雖然很有效，但由于手機(jī)的RF部分必須時(shí)刻保持通電，電池會(huì)很快耗盡。

而分時(shí)段尋呼模式可讓手機(jī)只在特定時(shí)段監(jiān)視尋呼信道，16幀組成一個(gè)時(shí)段，而每幀的長(zhǎng)度為80毫秒，總周期為1.28秒(見(jiàn)圖4)。

在分時(shí)段尋呼模式下，當(dāng)不監(jiān)視指定時(shí)段時(shí)，CDMA無(wú)線部分將斷電。到了監(jiān)視時(shí)段時(shí)間，PLL合成器必須被“喚醒”以接入尋呼信道，“喚醒”時(shí)間包含在圖4所示的重接入過(guò)程中。當(dāng)基帶軟件為RF部分通電時(shí)，同樣也使PLL合成器通電。但在重接入過(guò)程開(kāi)始之前，PLL合成器的輸出必須穩(wěn)定。基帶處理器等待接入尋呼信道的時(shí)間越長(zhǎng)，就越節(jié)省電能。不同于硬切換情景，一旦用戶停止通話，手機(jī)就可進(jìn)入分時(shí)段尋呼模式，這可能占用手機(jī)開(kāi)啟狀態(tài)的大部分時(shí)間。因此，由PLL合成器穩(wěn)定時(shí)間節(jié)省的任何時(shí)間都有助于延長(zhǎng)電池的壽命。典型的PLL合成器方案約需1毫秒時(shí)間達(dá)到穩(wěn)定。

降低整機(jī)功耗

降低整機(jī)功耗是一個(gè)重要的目標(biāo)，因?yàn)楣闹苯佑绊戨姵氐氖褂脡勖?。為降低手機(jī)功耗，低電壓和低于3V電壓工作將成為發(fā)展趨勢(shì)，因而對(duì)PLL合成器設(shè)計(jì)將產(chǎn)生多重影響。PLL合成器的功耗有助于降低噪聲電平，因此有利于改進(jìn)性能。然而，低電壓也使得VCO更難調(diào)諧，除非同時(shí)增加環(huán)路帶寬和VCO增益(Kv)。方程(3)粗略地表達(dá)了這一關(guān)系，增益增加將增加噪聲和系統(tǒng)對(duì)VCO及充電泵非線性的敏感度，由此增加相位噪聲?？焖俜€(wěn)定時(shí)間是另一個(gè)期望的特性，通常要求增加反饋和充電泵速率，這在低電壓下更難實(shí)現(xiàn)。

調(diào)諧范圍=輸入電壓* Kv (3)

結(jié)構(gòu)上的折衷

鑒于上述原因，必須在分立、部分分立和單片IC三種實(shí)現(xiàn)方案之間進(jìn)行結(jié)構(gòu)上的折衷。盡管完全分立方案具有更大的靈活性，但也增添了更多的設(shè)計(jì)任務(wù)，因?yàn)镻LL合成器的每個(gè)功能塊必須從頭開(kāi)始設(shè)計(jì)。分立方案還需要較多的部件，這會(huì)影響元器件的采購(gòu)，對(duì)庫(kù)存的要求也較大，元件的穩(wěn)定性較低，還要占用額外的板空間。由于這些因素會(huì)影響產(chǎn)品成本和面市時(shí)間，CDMA手機(jī)開(kāi)發(fā)通常不采用完全分立的設(shè)計(jì)方案。

部分分立方案利用商業(yè)化的合成器IC和VCO，減少了元器件數(shù)目，也簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)。實(shí)際上，許多商用CDMA收發(fā)器集成了PLL的各種部件--從設(shè)計(jì)的角度看，這些部件包括外部VCO和/或振蕩回路，以及回路濾波器。對(duì)于雙頻應(yīng)用，要在指定的頻帶上更換適當(dāng)?shù)腜LL回路濾波器，必須使用切換電路。該方法的缺陷在于如果性能參數(shù)不能滿足系統(tǒng)規(guī)范或目標(biāo)，PLL合成器設(shè)計(jì)人員幾乎沒(méi)有替代方法。

對(duì)于PLL合成器功能全部在單片IC上的全集成PLL合成器方案，其優(yōu)點(diǎn)在于將外部元件數(shù)目、設(shè)計(jì)工作量和產(chǎn)品尺寸降至最少，而且其相位噪聲和穩(wěn)定時(shí)間性能在許多情況下均優(yōu)于其他方法。此外，在雙頻帶應(yīng)用中，為簡(jiǎn)化開(kāi)發(fā)而改變環(huán)路濾波器時(shí)，該方法不需要切換。該方法的缺陷在于目前市場(chǎng)上只有很少產(chǎn)品能在單片IC上集成完整的PLL合成器。

總結(jié)

為CDMA移動(dòng)手機(jī)設(shè)計(jì)LO時(shí)，必須考慮許多因素，本文討論了現(xiàn)今CDMA手機(jī)開(kāi)發(fā)人員面臨的一些問(wèn)題。成功設(shè)計(jì)PLL合成器的關(guān)鍵在于清晰了解開(kāi)發(fā)標(biāo)準(zhǔn)和系統(tǒng)目標(biāo)，并掌握相應(yīng)的技術(shù)知識(shí)。