应用笔记 1962

TD-SCDMA参考设计V1.0


摘要 : 本篇应用笔记介绍了Maxim TD-SCDMA参考设计V1.0。TD-SCDMA是中国的第三代(3G)标准。中国政府已经为它划分了3个频段:1880MHz至1920MHz、2010MHz至2025MHz和2300MHz至2400MHz。Maxim TD-SCDMA参考设计1.0集中在2015MHz至2025MHz频段,它是分配给TD-SCDMA的第一个频段。文中还包括了方框图、测试结果、PCB布局要点和测得的性能。

更多信息:

概述

TD-SCDMA (时分双工同步码分多址)是三个3G标准之一。中国政府最近(2002-10)给这项标准分配了155MHz的带宽。TD-SCDMA标准现在拥有三个频段:1880MHz至1920MHz、2010MHz至2025MHz和2300MHz至2400MHz。Maxim目前已经生产了多款工作在这些频段内并支持这个新标准的RF IC,这里记录的性能数据就是证明。

本文给出了Maxim TD-SCDMA V1.0 (第一版)参考设计的性能,讨论了设计规范和测试结果。3GPP (第三代移动通信伙伴项目) (www.3gpp.org)在规范25.945 V5.0.0中记录了无线射频的全部性能规范。

TD-SCDMA参考设计说明

Maxim TD-SCDMA参考设计1.0版是专门支持TD-SCDMA标准的单模、单频收发信机。除了一个需要快速锁定时间的PLL外,参考设计中所有的有源IC都来自Maxim。此收发机使用2.9V 至3.6V的单电源供电,接收模式下电源电流约73mA,发射模式下,在天线端口给出+16dBm的输出功率时电源电流约373mA。本参考设计提供了完整的手机收发信机设计方案,给出了工业中可实现的最高集成度。

全部的无线收发装置的设计被制作在一块单面40mm x 65mm的PCB上。无线收发信机的方框图如图1所示。收发机的设计符合TD-SCDMA手机无线规范,3GPP TR 25.945 (5.1-5.3部分),"RF Requirements of 1.28Mcpc UTRA TDD Option"。

图1. TD-SCDMA RF收发机方框图
图1. TD-SCDMA RF收发机方框图

接口板的方框图如图2所示。这块接口板可以作为评估无线性能的方便测试工具。所有的逻辑I/O和寄存器都通过DB25 PC并口连接器、DIP开关模块和跳线进行编程控制。电位器提供可变的AGC电压,缓冲器通过SMA连接器提供单端基带I/Q信号(通过跳线的选择可以得到差分I/Q Tx)。对于没有成熟的基带处理器的无线测试,这块接口板在I/Q的输入和输出包含了可调节的基带滤波器。在接口板的左下方还提供了可以连接可编程逻辑器件的连接器,可编程逻辑器件可以使收发机全速工作,这样就可以实时地观察动态模式转换。

图2. 接口板方框图
图2. 接口板方框图

图3是安装在接口板上的无线收发装置的照片。图4标示出了无线装置的主要模块的位置和PCB的尺寸。

图3. 接口板上的TD-SCDMA装置
图3. 接口板上的TD-SCDMA装置

图4. TD-SCDMA收发机尺寸
图4. TD-SCDMA收发机尺寸

核心规范概要

PLL与频率稳定性

所有的测试数据都是在室温(约25°C)下得到的

No.
Parameter
Symbol
Test Condition
Technical Specs/Ref. Subcluse
3Gpp Spec.
We Measure
Our Target
Units
1
Frequency stability
Fsb
 
TR 25.945/5.2.3
±0.1
±0.015
±0.05
PPM
2
RF PLL phase noise
Φn
Set RF LO at 1.75GHz
   
-83 1KHz offset
-87 5KHz offset
-89 10KHz offset
-98 50KHz offset -110 100KHz offset
-80
-82
-83
-95
-110
dBc/Hz
3
Integrated phase noise of RF PLL
Θrms
Over 1kHz ~ 1MHz
   
0.5
< 1
DEG
4
RF PLL lock time
Tlock
Final frequency error < 40kHz
 
120
80*
< 120
µS
5
IF PLL phase noise
Φn
Set IF LO at 528MHz
   
-88.5 1KHz offset -93.5 5KHz offset -94.3 10KHz offset -110 50KHz offset -122 100KHz offset
-82
-87
-88
-104
-120
dBc/Hz
6
Integrated phase noise of IF PLL
Θrms
Over 1kHz ~ 1MHz
   
0.24
0.5
DEG

注释*:我们使用的最终频率误差是40kHz,但标准的要求是120µs之后频率误差应该在±7kHz之内。

接收测试与目标性能对比

所有的测试数据都是在室温(约25°C)下得到的

No.
Parameter
Symbol
Test Condition
Technical Specs/Ref. Subcluse
3Gpp Spec.
We Measure
Our Target
Units
1
RF input frequency range
Frf
 
TS 25.102/5.2
2010~2025
2010~2025
2010~2025
MHz
2
Noise Figure
NF
To meet the sensitivity level at –108dbm.1.28MHz with 2dB design margin
TR 25.945/5.3.3.3
9
9
9
dB
3
Gain control range
Gcr
With -17dBm output swing level to 50Ω load
TR 25.945/5.3.3 TR 25.945/5.3.4
80
95
95
dB
4
Front-end 3rd-order input intercept point
IIP3_8MHz
Gain is 3dB below maximum gain, main RF channel is 2010MHz, two CW interference located in 2018.2MHz and 2026.2MHz with the power level: -30dBm
TR 25.945/5.3.8
-17
-4.2 (High gain LNA)
-5
dBm
5
Front-end 2rd-order input intercept point
IIP2
Gain is 3dB below maximum gain, main RF channel is 2025MHz, one CW interference located in 1893.6MHz with the power level: -20dBm
TR 25.945/5.3.7
16
54.7
50
dBm
6
Channel 3rd-order input intercept point
IIP3_ch
-60dBm input
TR 25.945/5.3.4 (Note 1)
 
-33
-35
dBm
-50dBm input
 
-25
-25
-25dBm input
-7
 
0
7
Adjacent channel selectivity
ACS
ACS at +1.6MHz
TR 25.945/5.3.5
33
28 (Note 2)
33
dBc
8
Spurious Response
Spr
LO 1747.8MHz Interference: 2044.76MHz, -44dBm Test I/Q noise floor increment
TR 25.945/5.3.7
<3
1.55
<3
dB
9
Spurious Emission
Spe
9K~1MHz
Res:100KHz
TR 25.945/5.3.9
-57
-94
-80
dBm
1G~2.01GHz Res:1MHz
-47
-85
-80
2.01G~2.17G Res:1MHz
-64
-91.8
-80
2.17G~12.75G Res:1MHz
-47
-86.7
-80
10
Block 1dB compression point
PB1dB
Gain is 3dB below maximum gain, main RF channel is 2017.2MHz, one CW interference located in 2013.8MHz
TR 25.945/5.3.6.1
> -55
-40.2
> -45
dBm
11
In-band Blocking
Pbin
@ -3.2M offset
TR 25.945/5.3.6.1
-61
-61
-61
dB
@ +3.2M offset
-61
-61
-61
@ -4.8M offset
-49
-49
-49
@ +4.8M offset
-49
-49
-49
12
Out-of-band Blocking
Pbout
Fw 2010M, Fuw 2005.2M
TR 25.945/5.3.6.1
-44
-44
-44
dB
Fw 2025M, Fuw 2029.8M
-44
-44
-44
Fw 2025M, Fuw 2095M
-30
-30 (Note 3)
-30

注释1:TR 25.945/5.3.4规范要求最大输入功率为-25dBm,我们认为输入3阶截点应当高于该功率值18dB,因此输入3阶截点应当为-7dBm。
注释2:本设计中的SAW滤波器并不合适,我们以后将用一个改进的SAW滤波器对其进行替换,以满足规范要求。
注释3:由于RF带通滤波器较差的信号抑制能力,因而无法满足2095MHz时的带外阻塞指标。将其替换成2095MHz时抑制至少为10dB的滤波器可以解决该问题。


发射测试与目标性能对比

所有的测试数据都是在室温(约25°C)下得到的

No.
Parameter
Symbol
Test Condition
Technical Specs/Ref. Subcluse
3Gpp Spec.
We Measure
Our Target
Units
1
RF frequency range
Frfout
 
TS 25.102/5.2
2010~2025
2010~2025
2010~2025
MHz
2
Maximum output power
Pout_max
Measured with RRC filter response with a roll off α = 0.22, BW = 1.28M
TR 25.945/5.2.2
+24 for Class 2
+21 for Class 3
+25.3
+24
dBm
3
Minimum output power
Pout_min
Measured with RRC filter response with a roll off α = 0.22, BW = 1.28M
TR 25.945/5.2.4.3
-49
-64
-55
dBm
4
Transmit OFF power
Pout_off
Measured with RRC filter response with a roll off α = 0.22, BW = 1.28M
TR 25.945/5.2.5.1
-65
< -78 (Note 1)
-96
dBm
5
Turn on time
Ton
Use a Function waveform generator to control TxON pin
TR 25.945/5.2.5.2
10
3.3
< 5
µS
6
Occupied bandwidth
BWout
The bandwidth containing 99% of the total integrated power.
TR 25.945/5.2.6.1
1.6
1.37
1.5
MHz
7
Spectrum Mask
Sp_mask
Pout = 25dBm, Res: 30K. While the standard only request 21dBm, so we have a big margin
TR 25.945/5.2.6.2.1
-18.7, 0.8M offset
-21.9
-20
dBc
-32.7, 1.8M offset
-42.4
-33
-47.9, 2.4M offset
-49.2
-48
-47.9, 4M offset
-58.2
-50
8
Adjacent channel leakage power ratio
ACLR
Measured with RRC filter response with a roll off α = 0.22, BW = 1.28M, here Pout = 25dBm Valid: Pach >-55dBm
TR 25.945/5.2.6.2.2
ACP: 33
Acpl: -40.7
ACP: 36
dBc
Acpu: -38.5
ALT: 43
Altl: -52.3
ALT: 46
Altu: -57.3
9
General Spurious Emissions
Spur
9K~150K Res:1K
TR 25.945/5.2.6.3
-36
-67
-50
dBm
150K~30M Res:10K
-36
-81
-50
30M~1G Res:100K
-30
-74
-50
1G~2.013G Res:1M
-30
-39.3
-35
10
Transmit intermodulation
 
The interference signal: CW, -40dB below output power
TR 25.945/5.2.7.1
P = 21dBm, offset 1.6M, -31
Offset 1.6, -41
-34
dBc
P = 21dBm, offset 3.2M, -41
P = 23.8dBm, offset -3.2M, -55
-44

注释1:在我们的测试中,-78dBm/1.28MHz是Agilent 8560E的噪声基底,不是真正的输出功率。为测试该指标,我们需要一个增益大于30dB的性能良好的LNA。我们估计如果关闭时输出功率大于-96dBm将影响接收机性能,因此目标值为-96dBm。

接收机测试

所有实验数据均在室温下测得,我们测量了许多与系统相关的指标,如:灵敏度、互调、阻塞、Tx和Rx辐射、杂散响应以及频谱屏蔽等。以下测试结果表明Maxim TD-SCDMA参考设计V1.0是功能完备的TD-SCDMA无线收发装置。

参考灵敏度和级联噪声系数

3GPP TR 25.945要求如下的灵敏度指标,接收器测试中将该指标称为REFSENS。该指标假设输入为单一编码专用物理信道(DPCH),就好比基站只对被测手机发射功率。此外还假设所有接收的能量都来自于DPCH,而不是导频通道或其它信号。REFSENS指标下,BER (误码率)降至0.001。

Parameter
Level
Unit
ΣDPCH_Ec/Ior
0
dB
-108
dBm/1.28MHz

由TR 25.945规范得知,如果裕量为2dB,则接收通道的最大噪声系数不能大于9dB,因此我们采用NF (噪声系数)来计算参考灵敏度。

通常采用噪声系数分析仪来测量噪声系数,但对于级联噪声系数,我们则测量从天线输入到I/Q输出的整个RF电路板的噪声系数。由于I/Q输出的频率极低,无法用噪声系数分析仪测量,我们采用了“直接噪声测量”方法,来测量级联噪声系数。
噪声基底 = -17dBm + NF + G + 3
测量出噪声基底和G值后,可以很容易地推出噪声系数。参见图5

图5. 级联噪声系数测试
图5. 级联噪声系数测试

测试结果:

PRFin = -96.1dBm并且PIQout = -0.37dBm,因此G = 95.7dB

噪声基底 = -66.3dBm/Hz,因此NF = 174+ (-66.3) -95.7-3 = 9dB。

注释:

增益(95.7dB)设置完毕后,无输入信号时RxQ约为1.1VP-P

测试仪器:

Agilent 8648C信号发生器
Agilent E4405B频谱分析仪

增益控制范围

接收机增益控制范围由固定接收机基带输出电压的摆幅确定。测试中,我们使用-17.5dBm的输出功率和50Ω负载。TD-SCDMA规范TR25.945/5.3.3&4中,要求的接收增益控制范围为80dB。本参考设计的接收机有两个地方控制级联增益:一个是LNA的增益步长控制(MAX2538内部),另一个是IF VGA的连续增益控制(MAX2309内部)。
  • LNA的增益步长:20.4dB
  • 级联增益随AGC电压的变化而变化
图6. 级联接收增益与AGC (LNA处于增益模式)的对应关系
图6. 级联接收增益与AGC (LNA处于增益模式)的对应关系

注释:

从上述曲线可以看出,增益的动态范围约为100dB。VGC在2V至0.9V变化时,增益线性变化。需要注意的是如果考虑了LNA的增益步长,则总增益范围约为120dB。

测试仪器:

Agilent 8648C信号发生器
Agilent E4405B频谱分析仪

前端IIP3测试

前端IIP3 (输入3阶截点)包括LNA和混频器。从下面的测试流程可以看出,输入CW信号和RFLO的频率之差大于IF。在此情况下,IF SAW滤波器会对这些混频信号产生较大的抑制,从而使后端电路对前端的非线性程度不会产生影响。

使用天线的信号合成器输入2018.2MHz和2026.2MHz的两个CW信号。由于 LNA和RF混频器的非线性,会产生带内三阶互调产物(RFLO = 1747MHz, IFLO = 526MHz)。用频谱分析仪在200kHz观察它的情况。此项测试应该在特定的VGC (增益控制电压)和增益设置下进行。

参考下面的计算过程:
IM3(dBc) = Pout - Pout_IM3

IIP3 = Pin + IM3 / 2
测试装置请参考图7

图7. IIP3测试装置
图7. IIP3测试装置

测试结果:

A:LNA在高增益模式下

测试条件:VGC = 1.5V、增益 = 55dB、LO = 1747MHz

PRF1 = -30dBm @ 2018.2MHz, PRF2 = -30dBm @ 2026.2MHz

计算:Pout_IM3 = -48dBm @ 200kHz

IM3 = (-20 + 34) - (-48) = 62dBc
IIP3 = -20 + IM3/2 = +11dBm

B:LNA在低增益模式下

测试条件:VGC = 1.5V、增益 = 34dB、LO = 1747MHz

PRF1 = 20dBm @ 2018.2MHz, PRF2 = -20dBm @ 2026.2MHz

计算:Pout_IM3 = -48dBm @ 200kHz

IM3 = (-20 + 34) - (-48) = 62dBc
IIP3 = -20 + IM3 / 2 = +11dBm

测试仪器:

Agilent E4405B频谱分析仪
Agilent 8648c信号发生器
Agilent E4432B信号发生器

前端IIP2 (半中频偏移响应)

在天线端口加上1893.6MHz的RF CW信号。由于LNA和RF混频器的非线性,会有二阶互调信号落入接收频带内。用频谱分析仪在200kHz观察此信号的情况。测得的IM2通常叫做半中频偏移干扰。所以输入的RF信号频率为(1762 + 263/2 + 0.1 = 1893.6MHz)。测试装置见图8

请参考下面的计算过程:
IM2(dBc) = Pout - Pout_IM2

IIP2 = Pin + IM2
图8. IIP2测试
图8. IIP2测试

IIP2测试:

测试条件:AGC = 1.5V、增益 = 55dB、LO = 1762MHz

PRFin = -20dBm @ 1893.6MHz

计算:Pout_IM2 = -39.7dBm @ 200kHz

IM2 = (-20 + 55) - (-39.7) = +74.7dBc
IIP2 = -20 + 74.7 = +54.7dBm

注释:

基于上面的测试结果,我们可以计算半中频响应是否能够满足杂散响应的要求:

PRFin = -44dBm
IIP2 = 54.7dBm

Pin_IM2 = PRFin - (IIP2 - PRFin) = -142.7dBm,此值远远小于室温下信道的白噪声功率,所以完全可以满足这项规范。

半中频偏移响应测试:

在此我们直接测试半中频偏移响应以证明它是否能够满足标准的要求。我们认为半中频响应是一个特殊的响应频率点,根据3GPP标准我们知道,如果Rx Q或Rx I的信道噪声功率变化不大于3dB就是可以接受的。

测试条件:

LO = 1762MHz、RF功率 = -44dBm、RF频率 = 1893.6MHz、AGC = 1.96V
图9. 没有RF输入
图9. 没有RF输入

图10. 有RF输入
图10. 有RF输入

注释:

从上面的两张照片我们发现BB噪声Δ仅有0.11dB,所以半中频偏移响应特性完全满足要求。

测试仪器:

Agilent E4405B频谱分析仪
Agilent E4432B信号发生器

信道IIP3测试与最大输入水平

信道IIP3测试:

我们想知道整个接收通道的非线性特性。我们在天线端口加上两个带内CW信号,从I或Q的输出端口测试互调结果。在本参考设计中,我们使用MAX2309作为IF VGA和I/Q解调器。根据MAX2309的数据资料,MAX2309的IIP3随着增益的变化而变化,如图11所示,所以我们知道信道的IIP3将随输入信号的水平变化。下面我们将给出输入信号值不同而输出的I信号和Q信号水平保持恒定时的两个测试结果。同时还给出预算结果。
图11. MAX2309的IIP3随其增益的变化而变化
图11. MAX2309的IIP3随其增益的变化而变化

测试方法:

在天线端口加上2010.3MHz和2010.4MHz的两个RF信号。观察I/Q输出端口。应该在200kHz和500kHz存在两个互调制信号。选择两个三阶互调信号最大的幅度值和两个输出主信号的最小幅度值计算IM3。测试装置的细节请参考图7。

测试结果:

测试条件1:

LO = 1747MHz, IFLO = 526MHz

PRF1 = -50dBm @ 2010.3MHz, PRF2 = -50dBm @ 2010.4MHz

AGC = 1.381V、增益 = 37.9dB

结果:

IIP3 = -12.3 + (-12.3 - (-63) ) / 2 – 增益 ≈ -25dBm
图12. 信道IIP3测试,输入信号为-50dBm
图12. 信道IIP3测试,输入信号为-50dBm

测试条件2:

LO = 1747MHz, IFLO = 526MHz

PRF1 = -60dBm @ 2010.3MHz, PRF2 = -60dBm @ 2010.4MHz

AGC = 1.47V、增益 = 49.5dB

结果:

IIP3 = -10.6 + (-10.6 - (-64.2) ) / 2 - 49.5 ≈ -33dBm
图13. 级联IIP3测试,输入信号为-60dBm
图13. 级联IIP3测试,输入信号为-60dBm

预算的计算结果如图14所示:

图14. 级联IIP3随输入信号强度变化的关系
图14. 级联IIP3随输入信号强度变化的关系

从上面的曲线(图14)可以看出,测试结果非常接近计算结果。图14显示了一条计算结果曲线,我们在-40dBm和-45dBm的地方设置了两个转换点。随着输入信号强度的增加,等于-40dBm时MAX2538被设置为低增益模式。随着输入信号幅度的衰减,在-45dBm时MAX2538被设置为高增益模式。这一增益转换的方法导致了5dB的滞后现象。

测试仪器:

Agilent E4405B频谱分析仪
Agilent 8648c信号发生器
Agilent E4432B信号发生器

最大输入水平:

它的定义为在不降低规定的BER性能的条件下,UE (用户设备)天线端口的最大接收机输入功率。下面是TR 25.945规定的最小要求:
Parameter
Level
Unit
ΣDPCH_Ec/Ior
-7
dB
-25
dBm/1.28MHz

注释:

从RF预算的计算(参见图14)可以看出,当输入功率为-25dBm时输入的级联IIP3约为-5dBm,这可以为合适地处理最大信号提供足够的线性度。

邻信道选择性(ACS)

相邻信道选择性是存在邻信道信号的条件下接收机在指定信道频率检测有用信号的能力的度量。ACS是接收滤波器对指定信道频率的衰减与对相邻信道频率的衰减之比。基带滤波器还会对无用的信号进行更多的抑制。

在本测试中,有用信号是-91dBm的调制测试信号,干扰信号是-53dBm (+38dBc)的向上相邻信道(+1.6MHz偏移)的调制信号。测试是在没有基带I/Q滤波器提供附加抑制的条件下进行的。

图15a图15b所示分别为不带和带有附加邻信道抑制的输出信号频谱。使用基带滤波器时,ACS提高4至5dB。由于总功率不是用频谱分析仪得到的,我们对总的综合信道功率做了估计。

图15a. ACS测试中基带输出频谱(无基带滤波器)
图15a. ACS测试中基带输出频谱(无基带滤波器)

有用信号总的综合功率约为+1dBm,干扰信号总的综合功率约为+8dBm。ACS就是两者之差(+7),再考虑两者最初+38dBc的差异,所以ACS约为28dB。

图15b. ACS测试的基带输出频谱(使用基带滤波器)。注意邻信道信号被更多地抑制了4至5dB
图15b. ACS测试的基带输出频谱(使用基带滤波器)。注意邻信道信号被更多地抑制了4至5dB

ACS要求与测试结果(无基带滤波器的抑制)

Specification
Requirement
Test Result
ACS at +1.6MHz
33dB
28dB

测试仪器:

R/S FSEA30

互调测试

两个干扰RF信号的三阶与更高阶的混频会在指定的目标信道频带内产生干扰信号。互调响应抑制是在存在两个或更多个与有用信号具有特定频率关系的干扰信号的条件下,接收机在指定信道频率内接收有用信号的能力的度量。

通过测量基带噪声基底的增加量以确定无线装置是否通过此项测试。

接收AGC电压设置为最小的灵敏度水平。系统总增益为95.8dB。

下面的步骤描述了进行互调测试的方法:

  1. 没有RF输入时,测量基带噪声基底(在1.28MHz带宽内)。图16为测试结果。
  2. (测试高端互调产物)输入一个2020.2MHz的CW信号和一个2023.4MHz的调制信号。每一个信号都是-46dBm。计算基带噪声基底升高的值。见图17
  3. (测试低端互调产物)输入一个2013.8MHz的CW信号和一个2010.6MHz的调制信号。每一个信号都是-46dBm。计算基带噪声基底升高的值。见图18
注释:RF LO = 1754MHz,所以RF的主信道在2017MHz。

图16. 没有RF输入时的基带噪声基底
图16. 没有RF输入时的基带噪声基底

图17. 高端互调测试
图17. 高端互调测试

图18. 低端互调测试
图18. 低端互调测试

互调、IIP3的要求与测试结果
fmain_channel
(MHz)
funwanted1
(CW, MHz)
funwanted2
(dBm/1.28MHz)
Interferer Power (each)
(dBm)
BB Noise Floor
(dBm/MHz)
BB Noise Δ
(dB)
2017
2020.2
2023.4
-46
-5.00
+1.40
2017
2013.8
2010.6
-46
-5.08
+1.32

没有RF输入时,基带噪声基底是-6.40dBm/1.28MHz。

注释:

互调测试通过。

测试仪器:

Agilent E4405B频谱分析仪
Agilent 8648C信号发生器
Agilent E4432B信号发生器

阻塞

需要进行两种阻塞测试:
  • 阻塞1dB压缩点
  • 基于TD-SCDMA标准的一般阻塞测试

阻塞1dB压缩点:

接收机在存在强干扰信号的环境中检测非常弱的信号时,会出现两种性能下降的现象:噪声基底升高和增益的压缩。

为了测试阻塞1dB压缩点的值,使用2017.2MHz的CW信号为有用信号,PRF1 = -106dBm。还要通过合成器加入2013.8MHz的一个干扰CW信号PRF2。调节干扰信号的功率,并记录有用信号被压缩1dB时干扰信号的功率。注意此处的RFLO为1754MHz, IFLO为526MHz。测试装置如图7所示。

测试结果:

PRXQ = -11.1dBm @ 200kHz

当PRF2 = -40.2dBm时,PRXQ被压缩1dB 。

测试仪器:

Agilent E4405B频谱分析仪
Agilent 8648c信号发生器
Agilent E4432B信号发生器

一般阻塞规范测试:

阻塞特性是指接收机在存在干扰信号,但此信号又没有导致接收机性能下降至超过规定的限度时检测指定的信道频率内有用信号的能力的度量。3GPP TR 25.945规定的性能下降的最大限度是BER = 0.001。阻塞特性应用在除了发生杂散响应的所有频率上。在这些具有杂散响应的频率上应用的是不严格的阻塞规范。

由于REFSENS规范是在没有阻塞时定义的,当基带噪声基底的升高小于有用信号所允许的升高值(+3dB)的时候就可以满足阻塞和杂散的规范。由于不能测量BER,当受到阻塞时阻塞和杂散的性能在基带噪声基底升高小于3dB时满足规范限制。

下面的步骤描述了测试带内和带外阻塞的方法:
  1. 没有输入信号,测量基带噪声基底。
  2. (带内阻塞)输入一个如下规定功率和频率偏移的调制信号。如果噪声基底的升高小于3dB就满足规范要求。
  3. (带外阻塞)调谐无线装置并输入如下表所列的CW信号。如果噪声基底的升高小于3dB就满足规范要求。
图19. 使用REFSENS+3dB信道内调制信号的基带频谱, 无阻塞
图19. 使用REFSENS+3dB信道内调制信号的基带频谱, 无阻塞

带内阻塞要求与测试结果
Frequency Offset
(MHz)
Interferer Power
(dBm/1.28MHz)
BB Noise Floor
(dBm/1.28MHz)
BB Noise Δ
(dB)
-
(no interferer)
-6.51
0
-3.2
-61
-6.07
+0.44
+3.2
-61
-6.40
+0.11
-4.8
-49
-6.26
+0.25
+4.8
-49
-6.26
+0.25

带外阻塞要求与测试结果
funwanted
(MHz)
fwanted
(MHz)
Interferer Power
(dBm/1.28MHz)
BB Noise Floor
(dBm/1.28MHz)
BB Noise Δ
(dB)
2005.2
2010.0
-44
-4.45
+2.06
2029.8
2025.0
-44
-4.51
+2.00
2095.0
2025.0
-30
+3.96
+10.47

无线装置通过了所有的带内阻塞测试。由于RF带通滤波器糟糕的抑制性能(参见图20),带外阻塞在2095MHz不能满足要求。使用一个改进的、在2095MHz能提供至少10dB抑制的滤波器就可以满足此项规范。

测试仪器:

Agilent E4405B频谱分析仪
Agilent E4432B信号发生器
图20. RF BPF的S11与 S21。注意对2095MHz阻塞2dB到3dB的抑制。
图20. RF BPF的S11与 S21。注意对2095MHz阻塞2dB到3dB的抑制。

杂散响应

杂散响应是在由于任何其它的可以得到响应的频率(例如,在阻塞的限制没有得到满足的频率)的干扰CW信号的存在导致的性能降低不超过一定程度的条件下,接收机检测指定信道频率有用信号的能力的度量。杂散响应由下面的式子定义:
fIF = mfRF + nfLO (其中m和n可以小于或者大于零)
测量基带噪声基底上升的值以决定无线系统是否通过杂散响应测试(参见阻塞部分)。

杂散响应要求与测试结果

无RF输入,基带噪声基底为-6.02dBm/1.28MHz

fLO
(MHz)
funwanted
(CW, MHz)
Interferer Power
(dBm)
m
n
BB Noise Floor
(dBm/MHz)
BB Noise Δ
(dB)
1747.8
2035.1
-44
7
-8
-4.24
1.78
1747.8
2119.1
-44
-4
5
-5.44
0.58
1747.8
2044.76
-44
-5
6
-4.47
1.55

无RF输入,基带噪声基底为-5.07dBm/1.28MHz

fLO
(MHz)
funwanted
(CW, MHz)
Interferer Power
(dBm)
m
n
BB Noise Floor
(dBm/MHz)
BB Noise Δ
(dB)
1747.8
2083
-44
6
-7
-3.49
1.78
1747.8
1995.2
-44
-6
7
-4.97
0.1

注释:

杂散响应测试通过。

测试仪器:

Agilent E4405B频谱分析仪
Agilent E4432B信号发生器

杂散辐射

杂散辐射功率是出现在接收机天线连接器处的辐射功率。

杂散辐射要求与测试结果

测试条件:LO = 1754MHz

Band
Spurious Emissions Measured
Spurious Emissions Allowed
9kHz - 1000MHz
<-94dBm/100KHz
-57dBm/100KHz
1000MHz - 2010MHz
<-85dBm/1MHz
-47dBm/1MHz
2010MHz - 2170MHz
<-91.8dBm/1MHz
-64dBm/1MHz
2170MHz - 12.75GHz
<-86.72dBm/MHz
-47dBm/1MHz
RF LO Leakage
<-88dBm
 

注释:

杂散测试通过。

测试仪器:

Agilent E4405B频谱分析仪

I/Q增益/相位失衡

Maxim TD-SCDMA参考设计共由两块印刷电路板组成。一块是RF收发机电路板,另一块是接口板。接口板上带有接收机基带有源滤波器,I/Q增益和相位失衡的规范就是在这些滤波器的前、后规定的。

测试方法:

在天线端口加上RF CW信号并测量上面讨论的两个地方的I信号和Q信号,用示波器比较信号电压和相位的变化。RF信号发生器被调节为产生300kHz和500kHz的基带频率信号。
图21. LPF之后的相位失衡测试,300kHz。
图21. LPF之后的相位失衡测试,300kHz。

图22. LPF之前的相位失衡测试,300kHz。
图22. LPF之前的相位失衡测试,300kHz。

图23. LPF之前的相位失衡测试,500kHz。
图23. LPF之前的相位失衡测试,500kHz。

从上面的图21, 图22图23得到:

 
RxI Amp.
(mVpp)
RxQ Amp.
(mVpp)
Amp. Imbalance
(mv)
Phase Imbalance
After LPF@300kHz
680
670
10
5.5°
Before LPF@300kHz
563
575
12
1.8°
Before LPF@500kHz
625
625
0
3.9°

测试仪器:

Agilent 8648C信号发生器
Agilent 54622D示波器

发射机测试

包括如下TX测试:
  • 输出功率动态范围
  • 发射机关闭功率
  • 开启时间测试
  • 输出RF频谱辐射
  • 发射互调

输出功率动态范围

对于手机来说,2类手机在天线端的最大输出功率应该是+24dBm,3类手机是+21dBm,最小输出功率应该小于-49dBm。在Maxim TD-SCDMA参考设计中,MAX2363是满足上述要求的关键器件。这款TX IC可以提供大约90dB的动态范围。在此我们使用两种方法设置MAX2363的增益。既要调节AGC电压,还要使用MAX2363内部的控制寄存器来调整中频的增益。测试装置如图24所示。

图24. 输出功率测试装置
图24. 输出功率测试装置

测试仪器:

Agilent E4405B频谱分析仪
Agilent E4432B信号发生器

测试条件:

I/Q输入信号 = 70mVrms (12%)
Vbat = 3.4V
MAX2363的工作控制寄存器 = 9FEFH
MAX2363的配置寄存器 = 143FH
MAX2363的电流控制寄存器 = 2C74H

测试结果:

Pout (dBm)
AGC (V)
IFG
Zero_bias
I_mult
Itotal (mA)
Includes interface board
25.3
2.6
111
0
0100
785
24
2.44
111
0
0100
735
19.5
2.3
111
0
0100
521
16.3
2.25
111
0
0100
437
13.2
2.2
111
0
0100
384
9.2
2.15
111
0
0100
351
5.1
2..1
111
0
0100
333
1.6
2.05
111
0
0100
327
-1.47
2
111
0
0100
325
-3.5
2
111
0
0000
320
-6.7
1.95
111
0
0000
319
-9.5
1.9
111
0
0000
318
-12.6
1.85
111
0
0000
317
-16
1.8
111
0
0000
316
-19.7
1.75
111
0
0000
315
-20.4
2.1
111
1
0000
316
-26.6
2
111
1
0000
313
-32.6
1.9
111
1
0000
311
-39.4
1.8
111
1
0000
310
-46.6
1.7
111
1
0000
309
-50.8
1.65
111
1
0000
309
-55.4
1.6
111
1
0000
309
-59.5
1.55
111
1
0000
309
-63.9
1.5
111
1
0000
309

从上面的表格可以看出:
- 最大输出功率为25dBm,满足第二类(在天线端24dBm)和第三类(在天线端21dBm)手机标准。
- 最小输出功率为-64dBm。标准规定的最小输出功率为-49dBm。
- 输出动态范围约为90dB。


发射机关闭功率

发射关闭功率状态是UE没有发射时的状态。这一参数定义为当发射机关闭时信道带宽内最大的输出发射功率。发射关闭功率的要求是使用滚降因子为α = 0.22的升余弦(RRC)响应滤波器并且带宽等于码片速率时测量的功率小于-65dBm。

为了测试这项规范,我们将Agilent 8560E频谱分析仪连接到天线连接器进行直接测试。测试结果为大约-78dBm/1.28MHz。这远小于要求的-65dBm,所以完全满足此项规范。我们知道如果关闭功率为-78dBm,它将影响接收机。假设T/R转换开关对Tx到Rx的隔离为20dB,估计关闭功率会低于-96dBm,这种情况就十分理想。在本测试装置中,-78dBm/1.28MHz是Agilent 8560E的噪声基底,并非真正的输出功率。为了测试这项规范,我们需要一个具有超过30dB增益的很好的LNA (低噪声放大器)。

开启时间测试

以下是测试发射机开启时间的装置:

图25. 发射机开启时间测试
图25. 发射机开启时间测试

测试仪器:

Agilent 8560E频谱分析仪
Agilent E4432B信号发生器
Agilent 33120A函数/任意波形发生器

测试结果:

发射机的开启时间 = 3.25µs,如图26所示。标准规定最大为5µs。请参考下面的照片:
图26. 发射机开启时间测试显示屏
图26. 发射机开启时间测试显示屏

输出RF频谱辐射

这部分包括以下测试:
  • 占用带宽
  • 频谱辐射
  • 邻信道泄漏功率比(ACLR)
  • 杂散辐射

占用带宽

占用带宽是包含99%的总发射频谱综合功率的带宽的度量,它以指定信道频率为中心。根据TD-SCDMA标准,基于1.28Mcps码片速率的占用带宽大约为1.6MHz。使用Agilent E4405B测试占用带宽。测试装置如图24所示。

测试仪器:

Agilent E4405B频谱分析仪
Agilent E4432B信号发生器

测试条件:

I/Q输入信号 = 12% (70mVrms)
Vbat = 3.4V, AGC = 2.6V, Pout = 25dBm
MAX2363的工作控制寄存器 = 9FEFH
MAX2363的配置寄存器 = 143FH
MAX2363的电流控制寄存器 = 2C74H

测试结果:

占用带宽 = 1.367MHz,满足标准要求。标准的要求是1.6MHz。请参考下面的照片:
图27. 占用带宽测试
图27. 占用带宽测试

频谱辐射

带外辐射是除去杂散辐射以外的,由调制过程和发射机的非线性导致的在信道外边并且紧邻指定信道的有害辐射。频谱辐射应用在离开载波0.8MHz至4MHz之间的频率上。使用频谱分析仪测试这项规范。测试装置请参见图24。

测试仪器:

Agilent E4405B频谱分析仪
Agilent E4432B信号发生器

测试条件:

I/Q输入信号 = 12% (70mVrms)
Vbat = 3.4V, AGC = 2.6V, Pout = 25dBm (标准要求21dBm,所以我们留出比较大的裕量)
MAX2363的工作控制寄存器 = 9FEFH
MAX2363的配置寄存器 = 143FH
MAX2363的电流控制寄存器 = 2C74H

测试结果:

图36得到:
Offset
Suppression
Standard Requirement
Note
0.8MHz
-21.9dBc
-18.7dBc
The resolution used here is 30KHz, and the ratio is external 30KHz power over in-band 30KHz power.
1.8MHz
-42.4dBc
-32.7dBc
2.4MHz
-49.2dBc
-47.9dBc
4MHz
-58.2dBc
-47.9dBc

图28. 频谱辐射屏蔽测试
图28. 频谱辐射屏蔽测试

图29. 频谱辐射屏蔽测试结果
图29. 频谱辐射屏蔽测试结果

注释:
  1. 蓝线是标准的要求。
  2. 四个红色的点是测试结果,它们都低于蓝线,所以此项规范完全通过。
  3. 此处的信道功率是+25dBm;具有超过标准要求4dB的裕量。标准的要求是+21dBm。

邻信道泄漏功率比(ACLR)

邻信道泄漏功率比(ACLR)是主信道的发射功率与测得的相邻信道功率之比。主信道的发射功率和邻信道功率都是通过具有滚降因子为α = 0.22的升余弦(RRC)响应的滤波器测量的,并且带宽等于码片速率。

使用Agilent E4405B频谱分析仪测试此项规范。将POUT设置到最大以得到最坏情况的ACLR。测试装置请参考图24。

测试仪器:

Agilent E4405B频谱分析仪
Agilent E4432B信号发生器

测试条件:

I/Q输入信号 = 12% (70mVrms)
Vbat = 3.4V, AGC = 2.6V, Pout = 25dBm
MAX2363的工作控制寄存器 = 9FEFH
MAX2363的配置寄存器 = 143FH
MAX2363电流控制寄存器 = 2C74H

测试结果:

图30. 相邻信道ACLR测试
图30. 相邻信道ACLR测试

图31. ALT信道ACLR测试
图31. ALT信道ACLR测试

图30图31得到:

POUT
ACPlow
ACPup
ALTlow
ALTup
Standard Requirement
ACP
ALT
25.2dBm
-40.7dBc
-38.5dBc
-52.3dBc
-57.3dBc
-33dBc
-43dBc

杂散辐射

杂散辐射是由于发射机的不期望的效应导致的辐射,比如谐波辐射、寄生辐射、互调产物和频率变换产物等等,但是不包括带外辐射。它作用在离开RF载波中心频率4MHz频率的地方。

根据规范,在频谱分析仪的帮助下测量具有不同RBW的不同频段的峰值功率。测试装置请参考图24。

测试仪器:

Agilent E4405B频谱分析仪
Agilent E4432B信号发生器

测试条件:

I/Q输入信号 = 12% (70mVrms)
Vbat = 3.4V, AGC = 2.6V, Pout = 25dBm, RF频率 = 2017MHz
MAX2363的工作控制寄存器 = 9FEFH
MAX2363的配置寄存器 = 143FH
MAX2363的电流控制寄存器 = 2C74H

测试结果:

Frequency Bandwidth (Hz)
Spec. Requirement (dBm)
Measured (dBm)
RBW
9K~150K
-36
-67
1k
150K~30M
-36
-81
10k
30M~1G
-30
-74
100k
1G~2.013G
-30
-39.3
1M
2.050G~3G
-30
-31
1M
Other freq. bandwidth
According to the Spec., the spurious emission at 3GHz~12.5GHz should also be tested, but it can't be completed due to the ESA4405B's limitation of frequency.

注释:由于仪器的限制,我们不能测量3GPP标准要求的DCS和GSM频段的杂散辐射。

发射互调

发射互调性能是发射机抑制由于存在有用信号和通过天线到达发射机的干扰信号而使其内部非线性元件产生互调信号的能力的度量。

为了测试发射机互调,需要使用一个循环器。根据TD-SCDMA标准,发射信号应该是一个调制信号,但是区分互调产物是困难的,所以我们使用具有此特性的两种信号。一个是CW信号,另一个是调制信号。具体的测试装置请参考图32

测试仪器:

Agilent E4405B频谱分析仪
Agilent E4432B信号发生器
Agilent 8648C信号发生器
图32. 发射机互调测试
图32. 发射机互调测试

测试条件:

I/Q输入信号 = 12% (70mVrms)
Vbat = 3.4V, RF频率 = 2017MHz
MAX2363的工作控制寄存器 = 9FEFH
MAX2363的配置寄存器 = 143FH
MAX2363的电流控制寄存器 = 2C74H

测试结果:

Pwant
Signal Type
Puw (CW)*
Offset
Test Result
Standard
Refer
24dBm
CW
-40dBc
1.6MHz
-62.5dBc
 
Figure 33
21dBm
CW
-40dBc
1.6MHz
-65.6dBc
 
Figure 34
21.8dBm
CW
-30dBc
1.6MHz
-53.3dBc
 
Figure 35
21.3dBm
Modulated
-40dBc
1.6MHz
-40.9dBc
-31dBc
Figure 36
23.5dBm
Modulated
-40dBc
-1.6MHz
-39.5dBc
-31dBc
Figure 37
23.8dBm
Modulated
-40dBc
-3.2MHz
-55.0dBc
-41dBc
Figure 38

*注意Puw (干扰功率)值是在TD-SCDMA参考设计的天线端口测量的。通过测试结果可以看出TD-SCDMA参考设计可以满足标准的要求。

图33. 发射机互调测试1
图33. 发射机互调测试1

图34. 发射机互调测试3
图34. 发射机互调测试3

图35. 发射机互调测试4
图35. 发射机互调测试4

图36. 发射机互调测试2
图36. 发射机互调测试2

图37. 发射机互调测试5
图37. 发射机互调测试5

图38. 发射机互调测试6
图38. 发射机互调测试6

DC消耗测试

测试方法:

使用数字万用表测试在Tx、Rx、闲置、睡眠和关闭状态下的DC消耗。

测试结果:

测试条件:Vcc = 3.45V
Sub Circuit
Test Results
Tx
Rx
Idle
Sleep
Shutdown
PLL Part
16mA
   
Receiver
57mA
 
     
Interface Board
64mA
         
Transmitter (25dBm)
707mA
       
Transmitter (24dBm)
657mA
       
Transmitter (16dBm)
357mA
       

Working Mode
Tx Mode
Rx Mode
Idle
Sleep
Shutdown
25dBm
24dBm
16dBm
Total IDC
723mA
673mA
373mA
73mA
16mA
0mA
0mA

注释:不包括接口板电流。

PCB层压板

在本设计中,我们使用6层的PCB压板。图4给出了更多的细节信息:

图39. PCB层压板使用FR-4电介质
图39. PCB层压板使用FR-4电介质

制造工艺附注:
  • 除了100针的连接器以外,所有的表面安装元件都在顶层。
  • 所有的过孔都是穿透孔。
  • 最小的过孔具有18mil的直径和8mil孔径。
  • 最小间距:
    • 焊盘-焊盘:8mil
    • 焊盘-导线:8mil
    • 导线-导线:8mil
    • 过孔-过孔:8mil
  • 最终电路板的厚度约为54mil。
下一步
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