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測量CDMA接收機的阻塞

發布時間:2007/8/28 0:00:00 訪問次數:682

需求


CDMA無線系統與老式的AMPS工作在同一頻段。AMPS射頻方案把頻率劃分成很多相鄰的窄帶FM信道,而CDMA射頻方案則占用少量的寬帶射頻信道。這樣,CDMA信道規劃不得不包含現存的AMPS信道,而AMPS作為一個干擾源將會降低CDMA鏈路的性能指標。


在此我們討論影響蜂窩頻段CDMA手機設計和性能的兩種主要機理:


倒易混頻,即在點頻干擾存在的情況下,本振相位噪聲會阻塞接收到的射頻信號。


交叉調制,結果是來自手機發射機的泄漏使接收機低噪放過驅動。


蜂窩頻段頻率規劃的背景


AMPS服務頻段位于美國850MHz蜂窩波段:


824MHz到849MHz上行(手機中發射機反向信道)


869MHz到894MHz下行(手機中接收機前向信道)


AMPS頻道以30KHz為間隔,峰值頻偏每個頻道約占24KHz。


CDMA服務占用同樣的美國蜂窩頻段,CDMA信道排列與AMPS的30KHz間隔對準(即每個信道跨越好多個30KHz),每個CDMA信道占用1.23MHz頻寬。為了管理這一分布,移動電話運營商分配到了12.5MHz的頻段,最近的AMPS信道與最近的CDMA信道邊界相距285KHz(即CDMA邊界離AMPS信道中心距離9個30KHz AMPS信道加上15KHz),見圖1,其中AMPS載頻是CDMA信道的一個干擾源。



圖1  CDMA信道和最近的AMPS載頻的關系


當最近的AMPS信道比CDMA信號電平強很多時,它對CDMA頻道來說就是一個單音干擾,干擾頻率偏移是:


1.23MHz CDMA頻道帶寬/2=離信道邊界615KHz
285KHz+615KHz=900KHz


這是最近的AMPS干擾信道離指定CDMA信道中心的偏差。這一干擾源的功率強度相對于被干擾CDMA信道的靈敏度(-101dBm)在3GPP2的空中接口標準中定義為最差情況下(-30dBm)的測試音調。


CDMA手機的單音阻塞


單音阻塞是衡量蜂窩電話在距離指定信道中心頻率一定偏差的位置存在窄帶干擾發射機時,接收CDMA信號的能力。接收機的阻塞用幀誤碼率(FER)衡量。對CDMA系統來說,25個以上的手機可以同時同頻工作(即在同一信道中心頻率上)是它的優點。所謂碼分復用(信道劃分)就是每個手機的上行和下行載頻使用了不同的正交擴頻碼。為了達到這一目標,CDMA基站必須精確控制每個手機的發射功率,確保所有用戶收到同等的功率。相應的,手機的接收機必須有很寬的增益控制范圍,當手機離基站最遠時,前向鏈路的典型信號強度只有-101dBm。由于相鄰的AMPS系統并不以同樣方式管理手機的上行功率,當CDMA手機以它的極限靈敏度接收時,附近的AMPS基站有可能發出一個很強的干擾,這種情況在蜂窩邊界特別容易發生。


幸運的是,下行擴頻碼的特點使手機接收機能夠免受鄰近信道的干擾。窄帶AMPS產生的干擾由手機的相關器“平攤”,因此,處理增益(約25dB)降低了它的影響。由于干擾比較顯著,3GPP2規定了一個測試來保證CDMA接收機完全能夠處理鄰道干擾。3GPP2中CDMA2000標準規定了下列阻塞測試條件:


對于美國CDMA系統,蜂窩頻段測試要求最小有效同向輻射功率+23dBm。PCS頻段測試要求最小有效同向輻射功率+15dBm(測試1和2),或+20dBm(測試3和4)。干擾發射機的功率規定為-30dBm(測試1和2),或-40dBm(測試3和4)。


當測試CDMA前端IC或零中頻接收機的阻塞時,重要的是要注意由單音干擾發射機構成的干擾分量,在測試裝置中要重建這些影響。影響阻塞的兩個主要因素是:倒易混頻和交叉調制。


倒易混頻


倒易混頻源于單音干擾發射機與接收機的本振信號(Rx LO)的混頻。Rx LO存在有限的相位噪聲,它與單音干擾發射機混頻,在中頻(IF)段產生一個干擾分量,對零中頻系統來說干擾位于基帶(圖2)。



圖2  出現干擾發射機時的倒易混頻


接收機的阻塞規格是設定LO相噪要求的關鍵參數。對準確的阻塞測量來說,單音干擾發射機自身的相噪也會對整個干擾電平有影響。因此,在實驗室里,應該選用一個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,而不是射頻信號發生器。舉例來說,參照Maxim的超外差CDMA參考設計(版本3.5),使用MAX2538前端IC和MAX2308中頻解調器,在蜂窩頻段它的串聯噪聲系數小于3dB。如果我們假定手機的雙工器損失約3dB,可以得到:


接收機的噪聲基底 = -174dB/Hz(熱噪基底)+3dB(雙工器損失)+3dB(LNA輸入 - 以系統NF為參考)= -168dB/Hz


如果射頻信號發生器的相噪比接收機的噪聲基底低10dB,那么:


發生器相噪 = -168dBm - 10Db -(-30dBm) = -148dBc/Hz


其中-30dBm是測試1和2中規定的單音強度。因此,新接收機的噪聲基底是10log(10((168/10) + 10(-178/10))=-167.6dBm/Hz。由此可見射頻信號發生器

需求


CDMA無線系統與老式的AMPS工作在同一頻段。AMPS射頻方案把頻率劃分成很多相鄰的窄帶FM信道,而CDMA射頻方案則占用少量的寬帶射頻信道。這樣,CDMA信道規劃不得不包含現存的AMPS信道,而AMPS作為一個干擾源將會降低CDMA鏈路的性能指標。


在此我們討論影響蜂窩頻段CDMA手機設計和性能的兩種主要機理:


倒易混頻,即在點頻干擾存在的情況下,本振相位噪聲會阻塞接收到的射頻信號。


交叉調制,結果是來自手機發射機的泄漏使接收機低噪放過驅動。


蜂窩頻段頻率規劃的背景


AMPS服務頻段位于美國850MHz蜂窩波段:


824MHz到849MHz上行(手機中發射機反向信道)


869MHz到894MHz下行(手機中接收機前向信道)


AMPS頻道以30KHz為間隔,峰值頻偏每個頻道約占24KHz。


CDMA服務占用同樣的美國蜂窩頻段,CDMA信道排列與AMPS的30KHz間隔對準(即每個信道跨越好多個30KHz),每個CDMA信道占用1.23MHz頻寬。為了管理這一分布,移動電話運營商分配到了12.5MHz的頻段,最近的AMPS信道與最近的CDMA信道邊界相距285KHz(即CDMA邊界離AMPS信道中心距離9個30KHz AMPS信道加上15KHz),見圖1,其中AMPS載頻是CDMA信道的一個干擾源。



圖1  CDMA信道和最近的AMPS載頻的關系


當最近的AMPS信道比CDMA信號電平強很多時,它對CDMA頻道來說就是一個單音干擾,干擾頻率偏移是:


1.23MHz CDMA頻道帶寬/2=離信道邊界615KHz
285KHz+615KHz=900KHz


這是最近的AMPS干擾信道離指定CDMA信道中心的偏差。這一干擾源的功率強度相對于被干擾CDMA信道的靈敏度(-101dBm)在3GPP2的空中接口標準中定義為最差情況下(-30dBm)的測試音調。


CDMA手機的單音阻塞


單音阻塞是衡量蜂窩電話在距離指定信道中心頻率一定偏差的位置存在窄帶干擾發射機時,接收CDMA信號的能力。接收機的阻塞用幀誤碼率(FER)衡量。對CDMA系統來說,25個以上的手機可以同時同頻工作(即在同一信道中心頻率上)是它的優點。所謂碼分復用(信道劃分)就是每個手機的上行和下行載頻使用了不同的正交擴頻碼。為了達到這一目標,CDMA基站必須精確控制每個手機的發射功率,確保所有用戶收到同等的功率。相應的,手機的接收機必須有很寬的增益控制范圍,當手機離基站最遠時,前向鏈路的典型信號強度只有-101dBm。由于相鄰的AMPS系統并不以同樣方式管理手機的上行功率,當CDMA手機以它的極限靈敏度接收時,附近的AMPS基站有可能發出一個很強的干擾,這種情況在蜂窩邊界特別容易發生。


幸運的是,下行擴頻碼的特點使手機接收機能夠免受鄰近信道的干擾。窄帶AMPS產生的干擾由手機的相關器“平攤”,因此,處理增益(約25dB)降低了它的影響。由于干擾比較顯著,3GPP2規定了一個測試來保證CDMA接收機完全能夠處理鄰道干擾。3GPP2中CDMA2000標準規定了下列阻塞測試條件:


對于美國CDMA系統,蜂窩頻段測試要求最小有效同向輻射功率+23dBm。PCS頻段測試要求最小有效同向輻射功率+15dBm(測試1和2),或+20dBm(測試3和4)。干擾發射機的功率規定為-30dBm(測試1和2),或-40dBm(測試3和4)。


當測試CDMA前端IC或零中頻接收機的阻塞時,重要的是要注意由單音干擾發射機構成的干擾分量,在測試裝置中要重建這些影響。影響阻塞的兩個主要因素是:倒易混頻和交叉調制。


倒易混頻


倒易混頻源于單音干擾發射機與接收機的本振信號(Rx LO)的混頻。Rx LO存在有限的相位噪聲,它與單音干擾發射機混頻,在中頻(IF)段產生一個干擾分量,對零中頻系統來說干擾位于基帶(圖2)。



圖2  出現干擾發射機時的倒易混頻


接收機的阻塞規格是設定LO相噪要求的關鍵參數。對準確的阻塞測量來說,單音干擾發射機自身的相噪也會對整個干擾電平有影響。因此,在實驗室里,應該選用一個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,而不是射頻信號發生器。舉例來說,參照Maxim的超外差CDMA參考設計(版本3.5),使用MAX2538前端IC和MAX2308中頻解調器,在蜂窩頻段它的串聯噪聲系數小于3dB。如果我們假定手機的雙工器損失約3dB,可以得到:


接收機的噪聲基底 = -174dB/Hz(熱噪基底)+3dB(雙工器損失)+3dB(LNA輸入 - 以系統NF為參考)= -168dB/Hz


如果射頻信號發生器的相噪比接收機的噪聲基底低10dB,那么:


發生器相噪 = -168dBm - 10Db -(-30dBm) = -148dBc/Hz


其中-30dBm是測試1和2中規定的單音強度。因此,新接收機的噪聲基底是10log(10((168/10) + 10(-178/10))=-167.6dBm/Hz。由此可見射頻信號發生器

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