測量CDMA接收機(jī)的阻塞
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概述
本文引用地址：http://m.butianyuan.cn/article/21487.htm
cdma無線系統(tǒng)被設(shè)計(jì)成與老式的先進(jìn)移動(dòng)電話系統(tǒng)(amps)工作在同一個(gè)無線頻段，amps系統(tǒng)在推出cdma技術(shù)以前就工作在美國蜂窩頻段。amps射頻方案是把頻率劃分成很多相鄰的相對窄帶的fm信道，而cdma射頻方案則采用少量的寬帶射頻信道。結(jié)果，cdma信道規(guī)劃不得不包含現(xiàn)存的amps信道，而amps就會(huì)作為一個(gè)干擾使cdma鏈路劣化。
在此我們討論影響蜂窩頻段cdma手機(jī)設(shè)計(jì)和性能的兩種主要機(jī)理：
倒易混頻，即在點(diǎn)頻干擾存在的情況下，本振相位噪聲會(huì)阻塞接收到的射頻信號。
交叉調(diào)制，結(jié)果是來自手機(jī)發(fā)射機(jī)的泄漏使接收機(jī)的低噪聲放大器過載。
本文還通過測量一個(gè)真實(shí)的系統(tǒng)來演示該系統(tǒng)的優(yōu)良性能。
蜂窩頻段頻率規(guī)劃的背景
amps服務(wù)處于美國850mhz蜂窩頻段:
824mhz到849mhz上行(手機(jī)發(fā)射機(jī)反向信道)
869mhz到894mhz下行(手機(jī)接收機(jī)前向信道)
amps頻道以30khz為間隔，峰值頻偏時(shí)每個(gè)頻道約占24khz。
cdma服務(wù)占用同樣的美國蜂窩頻段，cdma信道排列與amps的30khz間隔對準(zhǔn)(即每個(gè)信道跨越好多個(gè)30khz)，但是每個(gè)cdma信道占用1.23mhz頻寬。為了管理這一分布，移動(dòng)電話運(yùn)營商分到了12.5mhz的頻段，最近的amps信道位于離最近的cdma信道，即頻段邊界285khz遠(yuǎn)的地方(即cdma邊界離amps信道中心距離9個(gè)30khz amps信道加上15khz)，見圖1。
圖1. cdma信道和最近的amps載頻的關(guān)系，此amps載頻是cdma信道的一個(gè)干擾 當(dāng)最近的amps信道比cdma信號電平強(qiáng)很多時(shí)，它對cdma頻道來說就是一個(gè)單音干擾，干擾頻率偏移如式1所示：
285khz + 615khz = 900khz,這就是最近的amps干擾信道離指定cdma信道中心的頻差。這一干擾源的功率強(qiáng)度相對于被干擾cdma信道的靈敏度(-101dbm)在3gpp2的空中接口標(biāo)準(zhǔn)中被定義為：最差情況下-30dbm。
cdma手機(jī)的阻塞指標(biāo)
阻塞是測量工作在某個(gè)信道的手機(jī)在離此信道中心頻率一給定的頻差的地方有窄帶干擾發(fā)射機(jī)時(shí)接收cdma信號的能力。接收機(jī)的阻塞用錯(cuò)幀率(fer)來衡量1。
對cdma系統(tǒng)來說，25個(gè)以上的手機(jī)可以直接同時(shí)同頻工作(即在同一信道中心頻率上)是它的優(yōu)點(diǎn)。所謂碼分復(fù)用(信道劃分)就是每個(gè)手機(jī)的上行和下行載頻使用了不同的正交擴(kuò)頻碼。
為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，cdma基站必須精確控制每個(gè)手機(jī)發(fā)射機(jī)中發(fā)射出的功率，確保對所有的用戶收到同樣的功率水平。相應(yīng)的，手機(jī)的接收機(jī)必須有很寬的增益控制范圍，當(dāng)手機(jī)接收機(jī)離基站最遠(yuǎn)時(shí)，前向鏈路的典型信號強(qiáng)度只有-110dbm。
問題起源于臨近的amps系統(tǒng)并不以同cdma一樣的方式管理手機(jī)的上行功率，當(dāng)cdma手機(jī)正在以它的極限靈敏度接收時(shí)，附近的amps基站有可能發(fā)出一個(gè)很強(qiáng)的干擾，這種情況在蜂窩邊界特別容易發(fā)生。
很幸運(yùn)的是，下行擴(kuò)頻碼的特性使手機(jī)接收機(jī)能相對免受鄰近頻道的干擾。窄帶amps干擾被手機(jī)的相關(guān)器所“平攤”，因此它的影響被處理增益(約25db)所降低。因?yàn)楦蓴_比較顯著，3gpp2規(guī)定了一個(gè)測試來保證cdma接收機(jī)能完全處理鄰道干擾。3gpp2中cdma2000標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了下列阻塞測試的條件：
對美國cdma系統(tǒng)，蜂窩頻段測試要求規(guī)定最小有效的同向輻射功率+23dbm。pcs頻段測試要求規(guī)定最小有效的同向輻射功率+15dbm
(測試1和2)，或+20dbm (測試3和4)。干擾發(fā)射機(jī)的功率規(guī)定為-30dbm (測試1和2)，或-40dbm (測試3和4)2。
當(dāng)測試一個(gè)cdma前端ic或一個(gè)零中頻接收機(jī)的阻塞時(shí)，重要的是要注意由單音干擾發(fā)射機(jī)構(gòu)成的干擾分量，在測試裝置中要重建出那些影響。影響阻塞的兩個(gè)主要因素是：倒易混頻和交叉調(diào)制。
倒易混頻
倒易混頻發(fā)生于單音干擾發(fā)射機(jī)與接收機(jī)的本振信號(rx lo)的混頻。rx lo有有限的相位噪聲，它與單音干擾發(fā)射機(jī)混頻，在中頻(if)產(chǎn)生了一個(gè)干擾分量，對零中頻系統(tǒng)來說干擾就在基帶(圖2)。
接收機(jī)的阻塞規(guī)格是設(shè)定lo相噪要求的關(guān)鍵性能參數(shù)。對準(zhǔn)確的阻塞測量來說，單音干擾發(fā)射機(jī)的自己的相噪也會(huì)對整個(gè)干擾電平有貢獻(xiàn)。因此，在實(shí)驗(yàn)室里，你應(yīng)該選用一個(gè)低相噪的射頻信號源，以保證阻塞的主要來源是rx
lo中的相噪，而不是射頻信號發(fā)生器。
舉例來說，參照maxim的超外差cdma參考設(shè)計(jì)(版本3.5)，使用max2538前端ic和max2308中頻解調(diào)器，在蜂窩頻段它的級連噪聲系數(shù)小于3db。如果我們假定手機(jī)中的雙工器的損失約3db，我們可以得到：
如果射頻信號發(fā)生器的相噪比接收機(jī)的噪聲底低10db，那么:
這里-30dbm是測試1和2種規(guī)定的單音強(qiáng)度(表1)。因此新接收機(jī)的噪聲底是:
由此可見射頻信號發(fā)生器的-148dbc/hz相噪對接收靈敏度的影響相對較小(只有0.4db的劣化)。
cdma手機(jī)標(biāo)準(zhǔn)要求在900khz頻偏處的最小相噪是-144dbc/hz。假定對遠(yuǎn)端相噪是平坦響應(yīng)(在整個(gè)頻帶上是-144dbc/hz)，計(jì)算的結(jié)果給出接收機(jī)的噪聲底是-167dbm/hz，比-168db/hz的無干擾噪聲底差1db。因此cdma標(biāo)準(zhǔn)允許接收機(jī)靈敏度可以由于射頻干擾的產(chǎn)生而劣化1db。
交叉調(diào)制干擾當(dāng)一個(gè)很強(qiáng)的發(fā)射機(jī)泄漏信號出現(xiàn)在接收機(jī)的低噪放輸入端時(shí)就會(huì)發(fā)生交叉調(diào)制。這一被調(diào)干擾和900khz處的amps信號在低噪放中發(fā)生交叉調(diào)制產(chǎn)生三階非線性產(chǎn)物，結(jié)果是在接收機(jī)中的給定射頻信道中的噪聲功率上升。即使接收機(jī)ip3主要是混頻器的ip3，大多數(shù)的交叉調(diào)制還是發(fā)生在低噪放中，這是由于在低噪放和混頻器之間有帶通濾波器，發(fā)射機(jī)的泄漏到達(dá)混頻器的輸入端非常小4。 為了在接收機(jī)測試裝置中包含這一影響，必須在接收機(jī)中注入cdma反向信道調(diào)制信號。對蜂窩頻段而言，發(fā)射功率注入到lna輸入的功率由式5表示：
假定雙工器發(fā)送與接收之間的隔離度為52db，天線到雙工器發(fā)射端口的損失是2db。
采用cnr方法的測試實(shí)例
圖3是測試蜂窩頻段cdma接收機(jī)的阻塞的完整裝置。同樣的裝置可用于pcs頻段測試，但是干擾發(fā)射機(jī)的頻偏和功率電平以及發(fā)射信號的功率電平必須按表1來相應(yīng)設(shè)定。在這個(gè)測試裝置中，我們使用cnr
(載頻噪聲比)方法來測量阻塞。
圖3. 蜂窩頻段單音阻塞測試裝置 靈敏度定義為在95%的時(shí)間內(nèi)誤幀率(fer) < 0.5%時(shí)的最小接收功率。在cnr測量中，我們注意到，在3gpp2標(biāo)準(zhǔn)的射頻配置1中，業(yè)務(wù)信道的ec/ior 是-15.6db，相對于9600bps的數(shù)據(jù)速率，業(yè)務(wù)信道的eb/nt = 4.5db，處理增益是10log (1.2288mcps/9600bps) = 21.072db，由此可得式6：
因此，在1.23mhz信道寬度上要求能夠解調(diào)cdma信號的cnr是-1db。在我們的測試裝置中，我們使用3khz的rbw，通過比較點(diǎn)頻測試信號功率(250khz處)和整個(gè)615khz i通道帶寬上總共的噪聲功率來測試。因?yàn)榻o定的接收信號功率是-101dbm，而總共允許的噪聲功率是-100dbm，我們可以看到為了滿足系統(tǒng)靈敏度要求，cnr是-1db。
為了說明這個(gè)方法，參照maxim的n-cdma v4.1參考設(shè)計(jì)的測量，它使用一個(gè)內(nèi)帶vco的零中頻單片接收ic (max2585) (圖4)。綠線表示在沒有阻塞和發(fā)射信號時(shí)的給定信號(對給定信號，我們用一個(gè)偏移信道頻率250khz，-101dbm的單音來充當(dāng)cdma前向信道的調(diào)制信號)。藍(lán)線代表阻塞和cdma發(fā)信號同時(shí)打開時(shí)噪聲的上升。下列步驟概括了測試裝置：
圖4. 由單音阻塞和cdma發(fā)射信號造成的噪聲上升 調(diào)整系統(tǒng)增益，接收相對于3db衰減器的輸入端的-101dbm信號，3db衰減器用來模擬雙工器的損失。對max2585接收ic，設(shè)定增益使其名義輸出信號電平為8.5mvrms (50負(fù)載-28.5dbm)。
打開-24dbm的cdma的發(fā)射信號(比3db衰減器處接收信道頻率低45mhz)。
打開相對于3db衰減器輸入的-30dbm的點(diǎn)頻阻塞信號，觀察到噪聲底上升。
調(diào)整點(diǎn)頻干擾發(fā)射機(jī)的電平使噪聲底上升到從0到615khz的總噪聲功率比給定的信號電平高1db。在這個(gè)例子中，我們從25khz到615khz積分噪聲，以避免頻譜分析儀的直流泄漏。
記錄在-1db cnr時(shí)的干擾發(fā)射機(jī)的電平，計(jì)算阻塞的裕度。
在這個(gè)例子中，從25khz到615khz的總噪聲功率是-27.5dbm，在輸出端收到的點(diǎn)頻信號是-28.5dbm，它滿足-1db cnr的要求。單音干擾發(fā)射機(jī)的電平在-1db cnr時(shí)是-27dbm，表示max2585在被測頻率上滿足阻塞的要求，有3db的裕度。
結(jié)論
本文按3gpp2標(biāo)準(zhǔn)討論了阻塞，討論了阻塞的主要來源，給出了在cdma接收機(jī)中測量阻塞的實(shí)用方法。有關(guān)maxim超外差和直接轉(zhuǎn)換ic的進(jìn)一步資料，請?jiān)L問maxim網(wǎng)站：無線、射頻(rf)與電纜。
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