基于RF功率檢測器控制CDMA移動臺和接入終端功率

每個移動臺對于同一蜂窩內(nèi)和相鄰蜂窩的用戶來說都是一個干擾信號源，因此良好的發(fā)射功率控制對于提高CDMA系統(tǒng)通信性能和容量來說都十分重要。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臺功率，文章還介紹了高精度RF功率檢測器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年開始商業(yè)化以來，已證明CDMA技術(shù)是推進(jìn)蜂窩式個人通訊產(chǎn)業(yè)發(fā)展的最佳無線技術(shù)。據(jù)CDMA發(fā)展組織（CDG）報告稱，2004年前六個月CDMA用戶增長2，400萬，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?。┫啾龋獙?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。

功率控制在CDMA反向鏈路中的重要性

由于任何移動臺都可以看作是對同一基站覆蓋區(qū)域中其他用戶以及鄰近蜂窩手機(jī)用戶的干擾源，因此移動臺的發(fā)射功率控制對于CDMA運(yùn)行性能和系統(tǒng)容量來說十分重要。因此，處于運(yùn)行狀態(tài)中的移動臺越多，系統(tǒng)內(nèi)的干擾就越大；移動臺發(fā)射能量越低，總的干擾也就越低。也就是說，在射頻載波帶寬BRF內(nèi)的SNR越高，系統(tǒng)容量Csh就越大。

功率控制方案主要是將移動臺的發(fā)射能量設(shè)置到最低水平，這樣基站就可以從各移動臺接收到相近功率電平的信號。在該條件下，基站輸入端的信噪比為：SNR=1/（M-1），M是該基站的用戶總數(shù)。

綜合上述，在CDMA系統(tǒng)中實(shí)行功率控制的主要好處有：

1.增加系統(tǒng)容量

2.最小化Near-Fare效應(yīng)

3.降低移動臺的功耗

移動臺或接入終端的IS-95和CDMA2000功率控制

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

在CDMA IS-95和CDMA2000 1X中，基站決定功率控制；而在CDMA2000EV-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，即開環(huán)控制和閉環(huán)控制。

1.開環(huán)功率控制

開環(huán)方法是利用移動臺接收器的功率水平PRX來估計(jì)前向鏈路損耗，然后指定移動臺的初始發(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常量，即PTXPRX為常數(shù)。PRX通過Eb/Io計(jì)算得到，它由移動臺的數(shù)字信號處理器（DSP）測量。

得到了初始的PTX之后，移動臺和基站均開始閉環(huán)控制。根據(jù)所執(zhí)行的CDMA標(biāo)準(zhǔn)，基站給移動臺發(fā)送一個誤差信號，指示移動臺增加或減少一個單位的能量。

2.閉環(huán)功率控制

閉環(huán)功率控制包含兩個步驟：外環(huán)（僅基站進(jìn)行）和內(nèi)環(huán)（移動臺和基站同時進(jìn)行），在IS-95和CDMA1X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)基站的測量結(jié)果，最小化信號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)兩個閉環(huán)功率控制過程，可以在20毫秒的幀間間隔中做到20～35dB的衰減補(bǔ)償，動態(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幀規(guī)定一個目標(biāo)Eb/Io（從移動臺到基站）。出現(xiàn)幀誤差時，該Eb/Io值自動按0.2~0.3為單位逐步減少，或增加到3～5dB.

整個外環(huán)閉環(huán)控制步驟只與基站有關(guān)，而與移動臺無關(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，然后指示移動臺降低或增大發(fā)射功率，這樣就可以達(dá)到目標(biāo)Eb/Io.對于CDMA2000，功率變化幅度單位在±0.25dB～±0.5dB之間，而對于CDMAIS-95，功率變化幅度為±1.0dB.其修正的速率為800bps.

CDMA移動臺中功率控制的硬件實(shí)現(xiàn)

總之，CDMAIS-95需要移動臺每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固定的增益上，然后該輸出功率水平必須通過增益控制線性驅(qū)動放大器進(jìn)行調(diào)整，該放大器在CDMA移動臺中通常稱為自動增益控制（AGC）放大器。

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，由于使用了隔離器（如MurataCE04和CES30）和高精度射頻功率檢測器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近乎完美的50歐姆負(fù)載，而LMV225能夠檢測精確的發(fā)射功率水平。然后，移動臺的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，使用了一個電阻器將主信號信道的射頻信號轉(zhuǎn)移到LMV225的輸入端。此外，還需要一個約100pF的電容器來進(jìn)行隔直，防止使能控制信號進(jìn)入主信號通道。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，這個隔直電容器十分必要。由于已經(jīng)有了一個隔離器，因此大部分被轉(zhuǎn)移的射頻能量都是來自發(fā)射功率放大器。來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/（R150）」來估算。

實(shí)際的測試結(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，對于IS-95、W-CDMA、CDMA2000和TD-SCDMA空中接口，LMV225和一個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移動臺或接入終端有必要采用LMV225作為發(fā)射功率檢測器。

移動臺發(fā)射信號通道

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是一個為CDMA20001X或EV-DO單波段手持設(shè)備發(fā)射功率檢測而推薦的LMV225應(yīng)用簡圖。在這種發(fā)射器結(jié)構(gòu)中，輸出到天線的功率為：

RFout=PRFT-LSAWGPA-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。