应用笔记 3036

MAX2392满足TD-SCDMA用户设备相位噪声的指标要求


摘要 : TD-SCDMA的3GPP用户设备(UE)规范指出UE与BS之间的无调制频率误差不能超过±0.1ppm。本文将对实际系统中的这个指标要求进行阐述。注意到对UE的唯一贡献因素便是系统AWGN和Tx/Rx相位噪声,本文提供基于这两个因素叠加定理的统计分析方法以设置UE收发信机相位噪声的限制。结果表明Maxim TD-SCDMA v2.0参考设计满足相位噪声指标要求,且留有余度。

内容

根据TD-SCDMA标准,其中一个指标要求便是在一个时隙周期内UE调制载波频率与从基站(BS)接收到的载波频率误差必须在±0.1ppm范围内。本文详细讨论了影响这个指标的因素。通过仿真,可以了解到加性白噪声对这个指标的影响程度,进而推导出对手持/用户设备(UE)收发信机锁相环(PLL)相位噪声的最低要求。

TD-SCDMA用户设备标准

关于UE频率稳定性规范,3GPP TS 34.122 V4.7.0给出了以下说明:

定义和适用范围

频率稳定度为用户设备(UE)射频传输与基站(BS)射频传输之间的已调载波频率之差。UE应当使用同一个频率源产生射频频率和码片时钟。

最低要求

在一个时隙周期内,相对于从BS接收到的信号,UE频率稳定度应当在±0.1ppm范围内。

测试方法

1.28Mcps TDD可选
  1. 连接SS到UE天线连接器,如图1所示。
  2. 根据一般的通话设置步骤并使用表1中的参数设置通话。
  3. 使UE进入环路测试模式,并开始环路设置。
表1. 频率稳定度测试(1.28Mcps TDD可选)
Parameter Value/description
SS level (Ior) -108dBm/1.28MHz (reference sensitivity)
UL reference measurement channel 12.2kbps according to annex C.2.1.2
Data content real life (sufficient irregular)

步骤

  1. 根据附录B测量TS上的频率误差delta f。
  2. 重复步骤1至200个突发时隙。

测试要求

对所有测量的突发时隙,从步骤条款中可得到的频率误差不能超过±(0.1ppm + 10Hz)。

图1. 测试配置
图1. 测试配置

如何解释标准

从上面的叙述可以看到主要有两个测试条件:1) 信号功率电平为-108dBm/1.28MHz (参考灵敏度功率电平);2) 测试周期为一个时隙(TD-SCDMA为675µS)。这两个条件会影响UE基带对接收信号载波的估计。在UE无线通信中仅两个因素会影响这个指标:加性白高斯噪声(AWGN)和锁相环(PLL)相位噪声的影响。如下面的图2所示:

图2. 分析模型
图2. 分析模型

我们知道,AWGN和本振相位噪声均为随机过程,且它们是不相关的。为了方便分析起见,使用叠加定理分析,单独计算每个因素的影响,最后将这些影响叠加在一起。

AWGN的影响

AWGN会降低基带对载波频率的估计能力,导致发射信号载波频率误差。我们假设估计误差等于发射信号频率误差,且AWGN为一随机过程,估计误差服从高斯分布。

根据TR25.945的建议,接收机噪声系数取为9dB,AWGN的功率谱密度等于kB*T*NF (这儿噪声系数危线性,不是dB)。仿真的结果如下:

图3. 频率估计误差概率密度分布
图3. 频率估计误差概率密度分布

注意到上图中的红色部分为仿真结果,蓝色曲线为正态分布曲线,其中µ = 0, σ = 46.7Hz。

通过深入的仿真,得到:

等式1.

使用这个等式,可得到σ = 45.6Hz,与仿真结果非常接近。Ps等于-108dBm,Ts = 675µS。

相位噪声的影响

在这部分分析中,假设AWGN等于0。我们知道相位噪声时域微分便是瞬时频率误差,而通常的频率误差为瞬时频率误差在一定时间周期的平均值。当UE基带估计接收信号载波频率时,这个平均频率误差将等于估计的频率误差,发射机的本振会引入附加的频率误差,总频率误差为发射机和接收机平均频率误差之和。

假设相位噪声为平滑高斯过程且µ = 0,功率谱密度等于G Θ(ƒ),瞬时频率也为平滑高斯过程且µ = 0,功率谱密度等于ƒ²GΘ(ƒ),在一个时隙上平均频差的标准方差由等式2给出,概率密度分布函数为标准的正态分布:

等式2.

图4. MAX2392相位噪声
图4. MAX2392相位噪声

上面相位噪声曲线为Maxim TD-SCDMA v2.0接收机的测试结果。参考设计使用MAX2392零中频芯片,其集成了锁相环和VCO。由上面的结果,可以得到σƒTsRx = 16.5Hz。注意Ts = 675µS,积分的频率范围为100Hz至1MHz。

对于Maxim TD-SCDMA v2.0发射机,使用同样的方法可得σƒTsTx = 9.6Hz,结合发射机和接收机,可得:

等式3.

用户设备收发信机本振相位噪声的要求

从上面的分析,我们知道频率误差为一随机过程,概率密度为标准的正态分布。TD-SCDMA频段的中心频率大约为2GHz,所以0.1ppm频率误差约为200Hz。考虑设计余度,标准频率误差应低于200Hz/3。

假设加性白噪声的标准方差为σn,发射机和接收机本振相位噪声的标准方差为σƒTs,以下给出了这两个值的限制:

等式4.

考虑σn = 46.7Hz,可得到σƒTs的限制:

等式5.

比较等式3和5,可看到Maxim TD-SCDMA v2.0参考设计的相位噪声指标满足相位噪声指标要求,且留有余度。