应用笔记 3961

符合Rx阻塞模板和灵敏度要求的TD-SCDMA RD V2.1设计


摘要 : 本应用笔记介绍Maxim的第二代TD-SCDMA射频收发器芯片组及其V2.1参考设计。并对一些关键系统问题进行了讨论,例如灵敏度和阻塞信号测试等,以帮助您经过认真考虑,建立最佳TD-SCDMA RF设计。

Maxim TD-SCDMA RF收发器芯片组

Maxim的TD-SCDMA移动电话RF芯片组由MAX2507 (Tx)和MAX2392 (Rx)组成。两种RF IC均采用了Maxim的室内高频工艺技术进行制造。MAX2507是全集成发送器芯片,包括从模拟I/Q输入到功率放大器输出的电路。其主要功能模块有I/Q正交调制器、上变频器、增益可调放大器(VGA)、RF压控振荡器(VCO)和锁相环(PLL)、IF本地振荡器以及RF功率放大器(PA)。该器件采用了7mm x 7mm表面栅格阵列(LGA)封装。MAX2392是对应的零IF接收器,包括从低噪声放大器(LNA)到模拟I/Q输出的电路。其主要功能模块有LNA、RF I/Q解调器、RF VCO和PLL电路、基带通道选择滤波器、直流失调校准电路,以及自动增益控制(AGC)基带放大器。MAX2392采用5mm x 5mm QFN封装。利用OEM射频RF板的完整参考设计表明,实际的PCB总面积为6.6cm²。参考设计的功能结构如图1所示,图2为参考板的照片。

TD-SCDMA标准对Rx的要求

TD-SCDMA标准对Rx的主要要求如表1所示。必须满足的最小灵敏度是-108dBm,而阻塞规范要求是谷形,带有频率失调。

图1. TD-SCDMA参考设计功能结构图
图1. TD-SCDMA参考设计功能结构图

图2. TD-SCDMA参考设计板
图2. TD-SCDMA参考设计板

表1. TD-SCDMA Rx要求
General Requirements
Description Spec Note
Frequency Band 2010MHz to 2025MHz
BER < 0.001
Eb/Nt 5.2dB
  • Estimation/simulation
  • Subject to change
  • Rx Sensitivity -108dBm 12.2kbps data rate
    Maximum Input Level -25dBm/1.28MHz DPCH_Ec/Ior is 7dB
    Adjacent Channel Selectivity (ACS) 33dB ±1.6MHz frequency offset
    Receiver System NF < 6.8dB Customer proposed
    I and Q Output Power 1VP-P with 2kΩ loading Customer proposed
    I and Q LPF Requirements -40dBc at 5.12MHz,
    -3dBc at 800kHz,
    Bessel response with 3°
    phase delay and 0.2dB amp
    ripple below 640kHz
  • Customer proposed
  • Design with MAX4134 op amp

  • Blocking Requirements
    In-Band Blocking Case 1 Case 2
    Blocking Offset ±3.2MHz ±4.8MHz
    Desired Signal Level -105dBm/1.28MHz -105dBm/1.28MHz
    Undesired Signal Level (Modulated) -61dBm/1.28MHz -49dBm/1.28MHz

    Out-of-Band Blocking
    Parameter Band 1 Band 2 Band 3 Unit
    Desired Signal Level -105 -105 -105 dBm/1.28MHz
    Undesired Signal Level (CW) -44 -30 -15 dBm
    Frequency Band 1840 < f < 1885
    1935 < f < 1995
    2040 < f < 2095
    1815 < f < 1840
    2095 < f < 2120
    1 < f < 1815
    2120 < f < 12750
    MHz

    灵敏度和阻塞要求分析及测量结果

    接收器灵敏度是系统规范指标,受RF通道信号质量以及DSP调制解调器基带处理能力的影响很大。在最小输入信号电平条件下,RF通道质量主要受限于接收器的噪声贡献,由噪声指数(NF)确定。注意,在这些信号条件下,没有考虑接收器相位噪声,因为其电平要远远小于热噪声。因此,接收器相位噪声对输入SNR劣化的影响最小。在3GPP TR 25.945标准[3]中,接收器灵敏度规定为-108dBm。根据典型的基带处理增益和调制后的BER,接收器灵敏度对应于9dB最大接收器NF。如图1所示,TD-SCDMA参考设计接收器通道测得的NF大约为5.7dB。因此,相应实测灵敏度为-111dBm,比标准规范有3dB的余量。

    带内阻塞信号对接收器性能的影响主要表现为三种现象:交叉调制、二阶互调制产物以及互混频,下面分三节对其进行讨论。

    交叉调制

    图3. 交叉调制产物
    图3. 交叉调制产物

    图3所示为交叉调制现象,它出现在放大器和混频器等非线性元件中。图中,f1信号是具有一定带宽的调制阻塞信号,f2的CW信号是所需的信号。在放大器输出端,需要的信号频谱附近出现了中心在f2的三角形互调产物。这一交叉调制产物通常与元件的三阶非线性有关,既三阶截止点。当阻塞信号具有高斯白噪声正态分布特性时,可以按以下公式来估算交叉调制产物的功率:

    公式1

    在输入信号也是调制信号的情况下,输出产物的波形是三角波和信号功率频谱密度函数的卷积。由于阻塞信号的特性偏离高斯噪声正态分布,交叉调制产物会减小。当干扰信号是调制后的包络恒定阻塞信号时,交叉调制产物为零。

    3GPP TDD标准规定,±4.8MHz失调时,灵敏度3dB劣化允许-49dBm的调制干扰信号。如果我们认为灵敏度劣化结果仅仅来自交叉调制产物,只要交叉调制产物的功率在灵敏度电平上相对小于接收器带内热噪声功率,就能够达到这一性能指标。假设接收器的噪声指数小于标准规定的9dB,便可以从方程2推出交叉调制产生的接收器三阶截止点。

    公式2

    二阶互调产物(IM2)

    图4. 二阶互调产物
    图4. 二阶互调产物

    由调制阻塞信号产生的二阶互调产物包括三部分,如图4所示:直流失调、0Hz附近的低频产物,以及2f1附近的产物。当阻塞信号的统计特性符合高斯噪声正态分布时,这三部分在功率上相等,可以使用图4中的公式进行估算。当阻塞信号的统计特性接近包络恒定的信号时,低频产物的功率会降到最低。当干扰信号是包络恒定的阻塞信号时,输出端没有低频IM2产物。在零IF接收器的I/Q输出端,这些低频和直流IM2分量落在需要的下变频信号带宽内,导致接收器性能劣化。在MAX2392接收器电路中,消除了片内直流失调,因此,计算接收器干扰预算时,只需要考虑低频IM2产物。

    3GPP TDD标准规定,±4.8MHz失调时,灵敏度3dB劣化允许-49dBm的调制干扰信号。与交叉调制的情况相似,如果我们认为灵敏度劣化结果只来自低频IM2产物,接收器的NF小于标准规定的9dB,可以估算出需要的接收器二阶截止点IIP2,RX,如方程3所示。假设在后混合基带通道选择滤波器中消除了下变频带内阻塞信号,接收器二阶截止点仅由零IF下变频器阻塞信号决定。

    公式3

    注:“-3”和调制系数有关。

    MAX2392有四种工作模式。在出现较大阻塞信号时,接收弱信号建议使用高增益高线性(HGHL)和高增益中等线性(HGML)模式。对于参考设计的接收器,这两种模式都会测得IIP2,RX ≥ +15dBm,符合要求,并且至少有12dB的余量。

    相位噪声和相互混频

    3GPP TD-SCDMA标准并没有明确规定VCO的相位噪声;而是取自其他相关的规范。如前所述,发送器EVM是受发送器VCO+PLL相位噪声影响的参数之一,它对射频设备的相位噪声没有严格要求。接收器灵敏度也和LO相位噪声有关,但即使是在16QAM调制的情况下,对射频设备也没有严格的相位噪声要求。对LO相位噪声有严格要求的两种规范是阻塞和双频互调特性最小要求。这些规范对干扰信号相互混频或者LO边带噪声调制等现象有要求,如图5所示。

    图5. 干扰信号LO相位噪声相互混频
    图5. 干扰信号LO相位噪声相互混频

    正如所讨论的阻塞和双频互调要求,在这些测试情况下,允许接收器灵敏度劣化3dB。我们假设所有的劣化都来自相位噪声相互混频,接收器噪声指数小于规范规定的9dB。我们可以利用下面的公式推算出所需要的LO相位噪声:

    公式4

    阻塞和双频互调测试中的最大干扰功率是从信号中心频率偏移±3.2MHz时的-46dBm。将该值带入上面的公式,在偏移载波3.2MHz时,得到接收器LO相位噪声小于-119dBc/Hz。MAX2392 VCO测得的相位噪声是-129dBc/Hz,符合要求,并且有10dB的余量。

    对于四路带外阻塞,LNA之前的SAW滤波器抑制所有的带外干扰,降低其电平以避免出现LNA压缩。由于LNA输出端的阻塞信号电平与混频器IP2和IP3相比已经非常低了,因此不需要在LNA和混频器之间使用SAW滤波器。级间滤波器提供所需的平衡变换器功能,因此,不增加成本就可以获得更多的滤波功能。例如,在±85MHz失调时,规定的阻塞信号是-15dBm。如果SAW提供30dB衰减,LNA的阻塞信号电平是-46dBm (T/R开关有1dB损耗),接近带内阻塞信号电平,可以采用上面的方法针对IM2和IM3进行分析。测量结果表明,测试每一阻塞信号时,3GPP要求至少有3dB的余量。

    结论

    Maxim的TD-SCDMA参考设计V2.1完全符合3GPP标准要求,在所有关键的接收器指标上,至少有3dB的余量。