利用RF功率檢測(cè)器控制CDMA接入終端的功率

　　每個(gè)移動(dòng)臺(tái)對(duì)于同一蜂窩內(nèi)和相鄰蜂窩的用戶來(lái)說(shuō)都是一個(gè)干擾信號(hào)源，因此良好的發(fā)射功率控制對(duì)于提高CDMA系統(tǒng)通信性能和容量來(lái)說(shuō)都十分重要。本文介紹的CDMA系統(tǒng)中的閉環(huán)功率控制方法能有效控制移動(dòng)臺(tái)功率，文章還介紹了高精度RF功率檢測(cè)器LMV225實(shí)現(xiàn)功率控制的實(shí)際應(yīng)用。

　　CDMAIS-95蜂窩網(wǎng)絡(luò)自從1996年開(kāi)始商業(yè)化以來(lái)，已證明CDMA技術(shù)是推進(jìn)蜂窩式個(gè)人通訊產(chǎn)業(yè)發(fā)展的最佳無(wú)線技術(shù)。據(jù)CDMA發(fā)展組織(CDG)報(bào)告稱，2004年前六個(gè)月CDMA用戶增長(zhǎng)2,400萬(wàn)，全世界的總用戶數(shù)達(dá)到2.125億。所有主流的第3代標(biāo)準(zhǔn)，如CDMA2000、W-CDMA和TD-SCDMA都以CDMA作為接入方法。CDMA基于擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)，而擴(kuò)頻原理又建立在香農(nóng)信息理論基礎(chǔ)之上。香農(nóng)容量定律規(guī)定，在加性白高斯噪聲中信道容量為：

　　其中：Csh為信道傳輸容量，單位是bps；BRF為信道帶寬，單位是Hz；SNR為信噪比。

　　與窄帶系統(tǒng)(即BRF較小)相比，要實(shí)現(xiàn)相同容量的Csh，寬帶系統(tǒng)(即BRF較大)需要的信噪比SNR較小。從另一方面來(lái)講，在給定帶寬BRF的信道中，較高的SNR有更大的傳輸容量。這意味著，如果所有用戶都傳輸相同量的數(shù)據(jù)，同一信道可以擁有更多的用戶。

　　移動(dòng)臺(tái)或接入終端的IS-95和CDMA2000功率控制

　　功率控制的特征是通過(guò)估計(jì)最佳發(fā)射能量水平, 并對(duì)網(wǎng)絡(luò)或基站發(fā)送的功率控制指示作出響應(yīng), 來(lái)控制反向鏈路中干擾信號(hào)電平。

　　在CDMA IS-95和CDMA2000 1X中，基站決定功率控制；而在CDMA2000 EV-DO中，接入終端執(zhí)行功率控制。兩種標(biāo)準(zhǔn)的功率控制方案是相似的，它采用兩種功率控制方法，即開(kāi)環(huán)控制和閉環(huán)控制。

　　1. 開(kāi)環(huán)功率控制

　　開(kāi)環(huán)方法是利用移動(dòng)臺(tái)接收器的功率水平PRX來(lái)估計(jì)前向鏈路損耗，然后指定移動(dòng)臺(tái)的初始發(fā)射功率PTX，這樣基于不同用戶終端選擇(如蜂窩、PCS或是3G)，前向和反向鏈路的功率之和保持為一個(gè)常量，即PTX+PRX為常數(shù)。PRX通過(guò)Eb/Io計(jì)算得到，它由移動(dòng)臺(tái)的數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)測(cè)量。

　　得到了初始的PTX之后，移動(dòng)臺(tái)和基站均開(kāi)始閉環(huán)控制。根據(jù)所執(zhí)行的CDMA標(biāo)準(zhǔn)，基站給移動(dòng)臺(tái)發(fā)送一個(gè)誤差信號(hào)，指示移動(dòng)臺(tái)增加或減少一個(gè)單位的能量。

　　閉環(huán)功率控制

　　閉環(huán)功率控制包含兩個(gè)步驟：外環(huán)(僅基站進(jìn)行)和內(nèi)環(huán)(移動(dòng)臺(tái)和基站同時(shí)進(jìn)行)，在IS-95和CDMA 1X中閉環(huán)控制可以達(dá)到800Hz的功率控制速率。

　　閉環(huán)功率控制的主要目的是為了根據(jù)基站的測(cè)量結(jié)果，最小化信號(hào)多徑傳播損耗所造成的快速衰減效應(yīng)。結(jié)合使用外環(huán)和內(nèi)環(huán)兩個(gè)閉環(huán)功率控制過(guò)程，可以在20毫秒的幀間間隔中做到20～35dB的衰減補(bǔ)償，動(dòng)態(tài)范圍可達(dá)80dB。

　　a. 外環(huán)閉環(huán)功率控制

　　在外環(huán)中，基站每20毫秒為接收器的每一個(gè)幀規(guī)定一個(gè)目標(biāo)Eb/Io(從移動(dòng)臺(tái)到基站)。出現(xiàn)幀誤差時(shí)，該Eb/Io值自動(dòng)按0.2~0.3為單位逐步減少，或增加到3～5dB。

　　整個(gè)外環(huán)閉環(huán)控制步驟只與基站有關(guān)，而與移動(dòng)臺(tái)無(wú)關(guān)。

　　b. 內(nèi)環(huán)閉環(huán)功率控制

　　在內(nèi)環(huán)，基站每1.25毫秒比較一次反向信道的Eb/Io和目標(biāo)Eb/Io，然后指示移動(dòng)臺(tái)降低或增大發(fā)射功率，這樣就可以達(dá)到目標(biāo)Eb/Io。對(duì)于CDMA2000，功率變化幅度單位在±0.25dB～±0.5dB之間，而對(duì)于CDMA IS-95，功率變化幅度為±1.0dB。其修正的速率為800bps。

　　CDMA移動(dòng)臺(tái)中功率控制的硬件實(shí)現(xiàn)

　　總之，CDMA IS-95需要移動(dòng)臺(tái)每1.25毫秒以±1.0dB的幅度調(diào)整一次發(fā)射功率，而CDMA2000可以是±0.25dB～±0.5dB。圖1所示為手持設(shè)備的線性功率放大器信號(hào)鏈的一般輸出功率控制。由于CDMA需要很高的線性度，輸出功率放大器通常被偏置在一個(gè)固定的增益上，然后該輸出功率水平必須通過(guò)增益控制線性驅(qū)動(dòng)放大器進(jìn)行調(diào)整, 該放大器在CDMA移動(dòng)臺(tái)中通常稱為自動(dòng)增益控制(AGC)放大器。

　　實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，由于使用了隔離器(如Murata CE04和CES30)和高精度射頻功率檢測(cè)器LMV225，圖2中的射頻發(fā)射結(jié)構(gòu)能夠減少功率放大器的直流功耗。隔離器為功率放大器的輸出提供了一個(gè)近乎完美的50歐姆負(fù)載，而LMV225能夠檢測(cè)精確的發(fā)射功率水平。然后，移動(dòng)臺(tái)的DSP將輸出功率設(shè)置到基站所需要的水平。在這一應(yīng)用電路中，使用了一個(gè)電阻器將主信號(hào)信道的射頻信號(hào)轉(zhuǎn)移到LMV225的輸入端。此外，還需要一個(gè)約100pF的電容器來(lái)進(jìn)行隔直，防止使能控制信號(hào)進(jìn)入主信號(hào)通道。由于不希望直流電壓進(jìn)入功率放大器的輸出端或隔離器，這個(gè)隔直電容器十分必要。由于已經(jīng)有了一個(gè)隔離器，因此大部分被轉(zhuǎn)移的射頻能量都是來(lái)自發(fā)射功率放大器。來(lái)自天線的反射能量將轉(zhuǎn)移到隔離器的內(nèi)建50歐姆負(fù)載上，很少能夠到達(dá)電源放大器的輸出或LMV225。因此，被耦合到LMV225的功率可以用20log[R1/(R1+50)]來(lái)估算。

　　實(shí)際的測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，電源電流為500mA、鄰信道功率抑制(ACPR)為-40dBc的功率放大器失真性能可以改善到電源電流為450mA、鄰道功率抑制為-50dBc。在該情形下電流下降了10%，失真改善了約10dB。

　　現(xiàn)在我們已經(jīng)證明，對(duì)于IS-95、W-CDMA、CDMA2000和TD-SCDMA空中接口，LMV225和一個(gè)CES30隔離器能夠在線性CDMA功率放大器的應(yīng)用中，在功耗和射頻失真方面表現(xiàn)出較好的性能。事實(shí)上，由于在發(fā)射信號(hào)通道中器件的不確定性和變化(像AGC、功率放大器的增益以及無(wú)源器件的損耗等)，為了實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格的內(nèi)環(huán)閉環(huán)功率控制，CDMA2000移動(dòng)臺(tái)或接入終端有必要采用LMV225作為發(fā)射功率檢測(cè)器。

　　移動(dòng)臺(tái)發(fā)射信號(hào)通道

　　圖2中的射頻發(fā)射電路架構(gòu)可以用于很多種不同的CDMA芯片組。圖3是一個(gè)為CDMA2000 1X或EV-DO單波段手持設(shè)備發(fā)射功率檢測(cè)而推薦的LMV225應(yīng)用簡(jiǎn)圖。

　　在這種發(fā)射器結(jié)構(gòu)中，輸出到天線的功率為：

　　RFout=PRFT-LSAW+GPA-LISOLATOR-LDUPLEXER

　　其中：RFout為到天線的射頻功率(假定已實(shí)現(xiàn)50(阻抗負(fù)載)；PRFT為射頻發(fā)射器芯片的輸出功率；LSAW為聲表面波濾波器的插入損耗；GPA為CDMA功率放大器的固定增益；LISOLATOR為隔離器的插入損耗；LDUPLEXER為雙工器的插入損耗。

　　由于R1和LMV225已經(jīng)為信號(hào)通道構(gòu)成了一個(gè)高阻抗的并聯(lián)負(fù)載，這里R1和LMV225構(gòu)成的電阻功率分配器的插入損耗可以忽略不計(jì)。在室溫下，可以將LSAW、GPA、LISOLATOR和LDUPLEXER看成不變的。那么，至天線的射頻功率RFout就可以通過(guò)PRFT調(diào)節(jié)，而PRFT受發(fā)射芯片中的AGC控制。實(shí)際上，AGC放大器通常支持IS-95或CDMA2000所要求的80dB動(dòng)態(tài)范圍。我們還發(fā)現(xiàn)，CDMA移動(dòng)臺(tái)大部分工作時(shí)間的輸出功率為中等大小，因此從中等輸出功率到高輸出功率的變化過(guò)程中，功率控制的精確度十分重要。不當(dāng)?shù)母吖β孰娖綍?huì)減少移動(dòng)臺(tái)的通話時(shí)間，并對(duì)其他網(wǎng)絡(luò)用戶產(chǎn)生更多的干擾。

　　LMV225的優(yōu)點(diǎn)

　　為在CDMA手持設(shè)備中提供最佳的功率檢測(cè)范圍，LMV225的設(shè)計(jì)進(jìn)行了優(yōu)化。如上所述，從中功率到高功率精確的功率控制尤為重要，采用耦合電阻R1使LMV225能知道射頻信號(hào)出現(xiàn)的關(guān)鍵范圍。假設(shè)將AGC設(shè)置在高/最高增益上以實(shí)現(xiàn)CDMA功率放大器的最大輸出，比如28dBm。如果此時(shí)射頻發(fā)送信號(hào)的振幅因數(shù)為3dB，那么CDMA功率放大器的瞬時(shí)峰值功率將為28+3=31dBm。如果我們選擇它作為L(zhǎng)MV225應(yīng)該能檢測(cè)到的最大參考點(diǎn)，即當(dāng)功率放大器的瞬時(shí)輸出功率為31dBm時(shí)，輸入到MV225的RFin/使能引腳為0dBm, 應(yīng)該采用一個(gè)31dBm的耦合因子。我們發(fā)現(xiàn)用一個(gè)1.8K(的R1能夠在本電路中產(chǎn)生一個(gè)31dBm的耦合因子。

　　LMV225的線性特征

　　LMV225有30dB的線性檢測(cè)范圍，這一特征減少了生產(chǎn)校準(zhǔn)過(guò)程的復(fù)雜度。校準(zhǔn)過(guò)程是CDMA 移動(dòng)臺(tái)生產(chǎn)過(guò)程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。使用自動(dòng)測(cè)試設(shè)備來(lái)收集控制碼/信號(hào)從弱到強(qiáng)過(guò)程中的移動(dòng)臺(tái)輸出功率信息，將該信息保存在移動(dòng)臺(tái)的存儲(chǔ)器中以供現(xiàn)場(chǎng)使用?；菊?qǐng)求輸出功率時(shí)，移動(dòng)臺(tái)的DSP從存儲(chǔ)器中找出實(shí)現(xiàn)請(qǐng)求輸出功率水平應(yīng)采用的控制碼/信號(hào)。

　　市場(chǎng)上的一些AGC在控制信號(hào)和輸出增益之間可能存在指數(shù)特性，如果和LMV225一起使用的是這種AGC，與其它檢測(cè)方法(如二極管檢測(cè))相比，以dB為單位的線性特征不會(huì)使原始控制曲線比原始AGC特征曲線更復(fù)雜。然而，如果AGC有一個(gè)線性控制范圍，以dB為單位的線性特征將把校準(zhǔn)點(diǎn)從20多個(gè)減少到2個(gè)左右。兩點(diǎn)校準(zhǔn)過(guò)程基于下面的原理：在一個(gè)二維平面內(nèi)，只需要兩個(gè)不同的點(diǎn)就可以表示一個(gè)一階線性方程。如果方程為y=mx+b，用兩個(gè)測(cè)試坐標(biāo)(x1，y1)和(x2，y2)就可以計(jì)算出斜率m和截距b。

　　雙波段CDMA2000移動(dòng)站中的LMV225

　　圖4為用于CDMA2000手持設(shè)備的推薦框圖。雖然電阻R1和R1''可能并不相同，用戶還是可以對(duì)兩個(gè)波段的性能進(jìn)行優(yōu)化使R1和R1''的值相同。另一方面，由于在實(shí)際應(yīng)用只有一個(gè)功率放大器處于工作狀態(tài)，且電阻R1或R1''通常提供30+dB的隔離，低波段和高波段之間的隔離應(yīng)該處于可以接受的范圍內(nèi)。

　　作者：Barry Yuen

　　射頻系統(tǒng)工程師

　　美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司