论文研究-一种用于无线通信的共时双频发射机设计与实现 .pdf

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一种用于无线通信的共时双频发射机设计与实现,高远,吴帆,本文提出了一种可以工作在TD-SCDMA的A频段和TD-LTE的D频段的共时双频发射机架构。该架构基于共时双频技术和传统的直接上变频发射机架��
国科技论文在线 http:/www.paper.edu.cn 共时双频发射机设计和器件选型 发射机架构设计 本文的共吋双频发射机架构是基于直接上变频发射机结构的基础上,针对两路IQ信号 70 进行了一定的调整,设计了一种共时双频发射机。发射机架构图如图1所示: 木地 振荡器1 2.1GHZ/2.7GHz V数滤《频放 双频天线 数 双频双频 混频器 大器衰减器放大器滤波器 本地 字 振荡器2 信 号 混频器 图1共时双频发射机架构图 基带数字信号经过数模转换器(DAC)后转换为模拟基带IQ信号,木地振荡器1和木地 振荡器2分别广生频率为2017.5MHz和2595Mz的本振信号,将两跸模拟基带IQ信号经 75过混频器直接上变频到载频。混频后的信号经过双频滤波器滤波后,通过功率放人器和衰减 器进行对调制信号的功率放大和输岀信号功率动态范围的控制。最后由双频滤波器滤除掉功 率放大器可能产生的非线性干扰信号后由天线输出。 由于该架构是基于直接上变频结构进行设计,因此该发射机避免了超外差发射机的镜像 干扰带来的问题。并且发射机架构比较简单,且可以完成对基带信号的混频调制以及功率的 80 放大功能,使输出信号满足无线传输的要求。 器件选型和链路预算 发射机器件选型 发射杋所实现的主要功能是将输入的基带IQ信号进行上变频,调制和放大。其中上变 频和调制功能主要通过本地振荡器和调制器来实现,信号功率放大的功能通过功率放大器来 实现,在本文中采用了级功率放大结构对输入信号的功率进行放大。在器件选型的过程中, 要考虑每个元器件的工作频率,线性工作区,信号转换增益和噪声系数等参数。以保证输出 信号的功率和输出信号的质量。 本地振荡器用于产生发射杋中所需要的本振信号,其主要的性能指标有本振信号频率、 本振信号功率、相位噪声、相位裕度和幅度裕度等。本文中本地振荡器选用的是ADI公司 的ADF4350,该芯片可以产生频率范围1375MHz至4400MHz的本振信号,本振信号功率 范围-4dBm至5dBm,相位噪声在偏移量为10KHz时可以达到-89dB[9],木文中发射杋的 载频中心频率为20175MHz和2595MHz,均在ADF4350的输出信号频率沱围内。且 ADF4350的相位噪声性能优越,因此系统噪声能够满足要求。 国科技论文在线 http:/www.paper.edu.cn 调制器用于将基带IQ信号进行调制,同吋上变频后用于无线传输。调制器的输入信号 是基带IQ信号和本地振荡器的输出信号,输出信号是调制后的载频信号。因此调制器不仅 要可以与本地振荡器的输出信号相配合,还要产生满足条件的输出信号。本文中的混频器选 型为ADI公司的ADL5372和ADL5375ADL5372的工作频率为1500MHz到2500MHz,用 于处理 TD-SCDMA的A频段的信号。ADL5375的工作频率为230MHz到3000MHz,用于 处理 TD-LTE的D频段的信号[0]。并且这两款混频器要求本振信号的输入功率为-6dBm到 +6dBm,恰好可以与本地振荡器ADF4350配合使用,产生调制后的射频信号。 功率放大器用于将调制后的信号进行功率放大,以满足输出信号的传输要求。本文中选 择AD公司的ADL5610和 AVago公司的ALM32220进行两级放大。其中ADL5610线性 工作区的输入功率较低,对信号的功率增益大,因此作为第一级功放。ALM32220的线性工 作区输入功率较高,当输入功率较人时仍然可以避免产生非线性噪声产物,因此作为第二级 105 功放。 发射机链路预算 为了使发射机系统可以达到发射信号功率的要求,且各个器件都能工作在线性区,需要 对系统进行链路预算。当数模转换器对数字信号进行处理后,产生功率为-10dB的基带模拟 信号并经过发射机中的模拟器件后输岀。经过器件选型后,器件的功率增益可以在芯片的 datasheet中得到。而芯片的非线性则由芯片的ldB压缩点和三阶交截点米衡量。基于线性 系统的常识,一般射频器件的线性工作区要小于器件的1dB压缩点减去10dB。基于以上理 论我们可以得到系统中各个器件的输岀功率和对应的最大允许输出功率,发射机的链路预算 如图2所示。 混频器 带通 级预放氵衰减器 级放衰减器 功放 带通 AIL5372滤波器;ADL5610氵HMC273AAM32220:HC273A:ALM3220滤波器 Mt 35 输出功率 ,,一 37.5dBm 最大允许输出功率 最大输出功率 最小输出功率 115 图2发射机链路预算 从链路预算的结果中,我们叮以看岀该发射机的最大输出功率为22.5dBm,要好丁指标 中提出的20dBm。动态范围达到了60dB。另外,对于发射机中的非线性器件混频器和功率 放大器来说,每个器件的输出功率都小于其最大允许输出功率,因此可以保证他们在线性区 4 山国利技论文在线 http:/www.paper.edu.cn 工作,从而减少诣波干扰。因此该发射机结构的输出信号质量可以得到保证。 120 系统硬件测试结果 发射机硬件制作 根据器件选型部分所选择的射频芯片以及每个芯片对应的外围电路设计,本文将发射机 系统的PCB板图进行了设计和制作,最终使用的发射札PCB板图如图3所示: Ca CAFSEC2350P3)O =清m CQ 需,需 ∴ 125 图3共时双频发射机PCB板图 从图3可以看岀,板子的输入信号为两路基带IQ信号,经过巴伦处理后进入调制器 调制器的木振信号由板子背面的木地振荡器ADF4350提供,木振频率分别设置为 2017.5MHz和2595MHz。对两路信号分别进行上变频调制后由合路器进行合路,调制后的 信号通过功率放大器和衰减器进行功率调整后输出。其中本地振荡器的本振信号频率和衰减 130 尜的功率衰减值需要进行FPGA控制,在本发射机中采用一个单片机对输入信号进行编程, 并通过排针将控制信号输入到发射机中。 发射机板性能测试 完成发射机的PCB板设计与制作后,利用信号发生器和矢量信号分析器对发射机的工 作过程进行了实测。测试方案使用 Keysight公司的信号发生器N5182A和E8267D分别产生 两路基带lQ信号输入到发射机板中,基带信号经过发射机的调制和放大后,输出的双频信 号由矢量信号分析器N9030A进行分析。其中输出信号的EVM通过将矢量信号分析器中的 输出信号与电脑中的软件ⅴSA89600配合测量得到,完整测试平台的小意图如图4所小。 山国利技论文在线 http:/www.paper.edu.cn 电脑 信号发生器 待测发射机板 信号发生器 矢量信号分析器 图4测试平台搭建图 140 将测试平台搭建好后,使用信号发生器N5182A和信号发生器F8267D分别产生输入信 号1和输入信号2。输入信号1的中心频率为70MHz,符号速率12.3Msps,调制方式为16QAM, 滚降系数α=0.22,带宽15MHz,输入功率-10dBm。输入信号2的中心频率为160MHz,符 号速率4 IMsps,调制方式为16QAM,滚降系数α=0.22,带宽50MHz,输入功率-10dBm。调 节发射机的哀减器,使得系统增益为10dBm,此时可以测试当输出信号功率为OdBm时发 145 射机输岀信号的性能指标。经过发射机上变频和放大后得到的输出信号由矢量信号分析器 N903OA进行接收和分析,发射机输出信号的频谱如图5所示 Agilent Spectrum Analyzer- Swept SA cG匚T 0FJar:32019 Marker12595000000000GHz Avg Type: Log-Pw elect Marker PNO: Fast Trig: Free Run AYg Hold: >100F10Q IFGain: LOw Atten: 2 B Mkr1.595 cHz Marker 1 10 dB/dlv Ref 10.00 dBm -14.084dBm Marker 2 Marker 3 Marker 4 Marker 5 Marker 6 More start 1.800D GH Stop 2.8000 GHZ 1 of2 Res 13.0MH VBN. MH swep1.000ms〔1001pts NSG T5sTATUS Aign Now, All required 山国利技论文在线 http:/www.paper.edu.cn 图5发射机输出信号频谱图 图5的结果可以看出,发射机的输出信号是一个双频输出信号,中心频率分别为 150 2017.5MHz和2595MHz。说明发射机板可以进行共时双频信号发射,使用矢量信号分析器 N9030A可以对双频输出信号的带宽和输出功率进行测试。测试结耒如图6和图7所小 ilent Spectrum Analyzer- Occupied Bw SENCE: IVT □AAF07C02P29l9 Center Freq 2.017500000 GHz Center Freq: 2.017500D0D GH: Radio std: None Export Data Trig: Fre FIFGain: Low ten: 26 Ext Gail: -1.50 dB Radio Device: BTS Amplitude Correction 10 dB/div Ref 20.00 dBm Meas Resuits p邮 huHH Center 2018 GHz Span 100 MH Res Bw 910 kHz VBW MHZ weep Occupied Bandwidth Total power 0.35 dBm 13.682MHz Transmit Freg error 3.786kHz oBW Power 9900% x dB Bandwidth 15.73MHz x de 600dB Save As Measr 0009 csv> saved U5 STATUS Aign Now, All required 图62010MHz-2025MHz频段信号带宽和输出功率 silent Spectrum Analyzer- occupied Bw 小 MLIGNCFF0622:05P Preamp Gain -1.50 dB HIF im: Lum 4) Center Fre: 2. 5950000c0 G+2 External Gain 150dBRD∈vise:BTS ExtPreamp -1.60cB Ref 0.00 dBm WM+THN-TTtrwrY nter 2.595 GHZ span 100 NIHZ Res吕W910kHz vBm 8 MHz Sweep 1 ms Occupied Bandwidth Total Power 0.21 dBm 4.526MHz Transmit Frog Error 38.715 kHz OBW Pow 9900% x dB Bandwidth 49,76MHz xdB 2600dB I5eTATuE Align New, All required 155 图72570MHz2620MHz频段信号带宽和输出功率 测量结果表明,输出信号1的中心频率为20l8GIlz,信号带宽为13.682MIL,输出功率为 0.35dBm输出信号2的中心频率为2595GHz,信号带宽为44.526MHz,输出功率为0.21dBm。 7 国科技论文在线 http:/www.paper.edu.cn 测量结果与理论计算结果基本·致。 发射机输出信号的质量可以通过邻信道功率比(ACPR)和误差向量幅度(EVM来进行衡 160 量,其中ACPR反映了输岀信号与相邻信道中产生干扰信号的功率的比值用于衡量带外干 扰,EVM通过测量被测信号与其参老位置的偏移量用于衡量信号的带内畸变。为∫保证信 弓的无线传输质量,指标中要求信号的ACPR小于-50dBc,EVM小于8%。测试平台对发 射机ACPR和EWM的测量结果分别如图8,图9和图10所示 s746牌Mxm1a19 Mech Atten 26 dB Center Freq: 2 017600000 GHz AHenveton Trig: Free Ran woOld10〃10 IFG a InA L Ext Gain:n50 db Radio DevIceBT5 Mech Aten 1o dBiciy Ref 0,00 dBm 0.1dn Adust Aacn for Min Clip center 2,013 GH2 Span 100 MHZ fRes Bw 100 kHz VEN 10 kHz Sweep 24B.] ms Total Carier Powe 0051dBm1150 ACP-IBW Iset Freq Integ Ew Mech Atten step 0.051dm1150MOFF 00M15cM2-55105504549054850=2c5 10c日 cosTATus Align Now, Al required 165 图82010ⅥHz2025MHz频段ACPR测试结果 3: 47 PM Jan 13 Preamp Gain -1.50 dB Extenal Gain BAtten: 20 dB Ext Gain: -1.50 db Radio Device: BTS Ext Preamp 150 Ref 10,00 dI center 2.595 GH Span 150 MH Tatal Carrier Power -0 116 d3m/38.40 MHz ACP-BW Lower Uppe Pc 1-0.116dEm/3840 MHz OF D00H3840Mz-583 95-540454.18 Ib ETATUS X Align Now, Al required 图92570MHz-2620MHz频段ACPR泱试结果 山国利技论文在线 http:/www.paper.edu.cn 170 B: Ci 2 dErn a13653331290812343 图10双频信号EⅤM测试结果 测量结果表明,2010MI1z-2025MIl频段信号的左右邻道的ACPR值分别为-55ldBc和 549dBC,EVM值为3.1631%而2570MHz2620MHz频段信号的左右令道的ACPR值分别 175 为-538dBc和-540dBc,EVM值为39289%。测试结果表明输出信号的ACPR和EVM值都 满足无线信号传输的要求。 国科技论文在线 http:/www.paper.edu.cn 结论 本文设计了一种可以用于对基带信号共时双频发射的发射机。这种发射机架构基于直接 上变颎发射杋架枃进行改计,只有架枃复杂梐度低,混频过程中会产生镜像干扰的优势。 180 文章首先介绍了传统的发射机系统架构和发射机的性能指标要求,之后提出了本文中的单通 道共时双频发射机架构的设计方案,并根据3GPP协议中的发射机输出信号性能标准进行了 器件选型和链路预算,并洊链路预算的结果通过系统仿真软件ADS进行仿真。得到预想的 仿真结果后,用进行PCB板的设计制作,并对该收发系统的性能进行∫实测,证明∫发射 机架构的可行性。本文设计的发射机系统的双频频段分别为2010MHz-2025MHz和 2570MH2620MHz,分别对应了 TD-SCDMA协议的A频段和 TD-LTE协议的D频段。这 两个频段分别对应了移动3G和移动4G的使用频段,因此具有一定的实用价值。本文的发 射机系统可以实现两个频段的信号进行共时发射,与传统的发射机结构相比,可以将数据传 输的速度加倍。并且经过实际测试表明,发射机的输出信号的输出功率,功率的动态范围 邻信道功率比(ACPR)和误差向量幅度(FVM)均符合无线通信传输的要求,因此该发射机系 190 统在通信领或具有一定的实用性和研究价值。 参考文献 [1 W. 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