測量CDMA接收機(jī)的阻塞

概述

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)。

圖2. 出現(xiàn)阻塞時(shí)的倒易混頻

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。

表1. CDMA手機(jī)中阻塞的最低要求3

ParameterUnitsTests 1 and 3Tests 2 and 4Tone offset from carrierSR1kHz+900 (BC 0, 2, 3, 5, 7 and 9)
+1250 (BC 1, 4 and 8)-900 (BC 0, 2, 3, 5, 7 and 9)
-1250 (BC 1, 4 and 8)SR3kHz+2500-2500Tone powerdBm-30 (Tests 1 and 2)
-40 (Tests 3 and 4)dBm/1.23MHz-101dB-7dB-15.6 (SR1)
-20.6 (SR3)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(50Ω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。