摘  要: TD-SCDMA射频收发信机的开发背景和主要特性参数,介绍了系统设计中的中频选取、芯片选择和指标分析等问题。阐述了用 Maxim套片设计、实施TD-SCDMA终端射频收发信机的方案,给出了方案的整体测试结果和结论。 

    关键词: TD-SCDMA  射频收发信机 Maxim套片

1 TD-SCDMA射频收发信机的研发背景和主要特性参数 

    我国现在拥有世界上最大的高速发展的GSM移动通信网,由第二代GSM系统向第三代系统平滑过渡将是我国迈入3G移动通信的必然选择。TD-SCDMA(时分双工同步码分多址)是我国提出的具有自主知识产权的第三代移动通信空中接口标准,在提出标准之后自主研发设计TD-SCDMA/GSM演示系统将具有非常重要的意义。 

    在TD-SCDMA/GSM终端研制中,GSM模部分已经有非常成熟的方案和丰富的半导体芯片支持,而TD-SCDMA模部分则是一个全新的内容。大唐电信中央研究院和重庆邮电学院移动通信中心联合成立了研发组,投入了TD-SCDMA/GSM双模终端的研究,目前已经取得阶段性成果。在这个项目中,TD-SCDMA射频收发信机在整个系统中占有非常重要的地位,如何经济有效地实现TD-SCDMA射频收发信机是整个终端项目成功的关键因素之一。 

    根据CWTS起草的TS C401标准文档,可列出TD-SCDMA射频收发信机的主要特性参数(见表1)。 

2 系统设计 

    在这一部分,将根据TD-SCDMA射频收发信机要求和现有的半导体芯片水平,论述基于Maxim套片的TD-SCDMA射频收发信机方案。 

2.1 中频选择 

    TD-SCDMA模射频收发信机采用传统的超外差式结构,参考时钟源选用GSM手机中普遍选用的13MHz VTCXO,根据TD-SCDMA系统标准要求选择频率合成器的鉴相频率为200kHz。在设计射频收发信机时,中频(IF)的选取十分重要,它在一定程度上决定着系统的一些性能指标,如信噪比、误码率等。中频的选取原则是:各种交调产物不能落在RF或IF频带内;各种数字干扰不能落在有用信号频带内,这些数字干扰主要包括基带信号传输高次谐波的干扰、ADC工作时钟高次谐波的干扰、中频本振高次谐波的干扰等。模拟中频存在半中频响应。半中频响应的特点是:中频选取得越高,半中频产物对频带内信号产生干扰的可能性就越小。从这个角度来说,中频选得大一些比较好。然而目前中频器件(如声表面波滤波器)的工作频率都不是太高,在选取中频时应处理好这对矛盾。 

    经仔细分析权衡,我们把中频取在264MHz。这样,所需要的射频本振信号就为2274～2289MHz。这里确定的频率范围指标将是选取芯片时首先应该考虑的因素。 

2.2 芯片的选取 

    现在还没有专门为TD-SCDMA射频收发信机设计的芯片。然而,世界各主要芯片供应商针对IS95 CDMA和W-CDMA射频收发信机设计了一系列芯片,例如RF公司、ADI公司、Philip公司、Maxim公司等。IS95 CDMA和W-CDMA射频收发信机特性指标与TD-SCDMA存在许多相似和相近之处。基于这种情况,我们在设计TD-SCDMA收发信机时选择芯片的总体思路是:从支持IS95 CDMA和W-CDMA的芯片中挑选能够满足TD-SCDMA各项指标的芯片。芯片挑选所考虑的是:首先芯片工作的频带应该满足标准的要求;然后是芯片的主要指标(如输入信号电平范围、输入IP3、输入1dB压缩点、动态范围、线性度等)是否基本满足要求;最后就是将初选的芯片接入,分别就接收通路和发射通路进行指标分析,确定所选芯片是否满足要求。 

    经过选择,最终形成本文介绍的基于Maxim套片的方案。 

2.3 Maxim套片及其特点 

    Maxim套片指Maxim公司于2000年初推出的完整的双频CDMA射频收发信机芯片组MAX232x/MAX231x/MAX236x。该组芯片覆盖了从天线到基带的整个射频信号通道,同时也适用于包括GSM在内的2G标准。基于Maxim套片的收发信机采用了一级中频的超外差接收结构。Maxim套片有如下显著特点: 

    首先,Maxim套片将复杂的射频收发信机电路按功能模块集成为三大部分:射频接收前端(以MAX232x为核心)、中频处理单元(以MAX231x为核心)和射频发射单元(以MAX236x为核心)。这样就大大简化了产品研发设计和功能验证测试,缩短了产品开发周期。由于高集成度和专门针对CDMA而设计,Maxim套片具有很大的动态范围和很高的线性度指标,适合TD-SCDMA射频收发信机的要求。 

    其次,Maxim套片将带通滤波器等器件放到了片外,这样就能适应各种2G/3G标准要求的频带差别,并能灵活地选取中频等参数。Maxim套片统一采用了I/Q调制和解调方式,并最大限度地满足了各种3G标准的线性要求,适合于GMSK、QPSK、OQPSK、HPSK等不同调制方式的要求。因此,Maxim套片可用于开发各种3G样机,并能根据各种标准的要求进一步优化。 

    再者,MAX232x芯片采用了SiGe(锗化硅)工艺,这种工艺能够在减小供电电流的同时提高低噪声放大器的线性并进一步减小噪声系数。这一特点对于接收机的指标非常重要,它还意味着能够显著减小收发信机的守候电流,从而延长终端的待机时间。 

2.4 Maxim方案框图 

    Maxim套片方案采用MAX2322、MAX2312和MAX2362为主要器件实现,其功能框图如图1所示。 

2.4.1 发射通路 

    发射通路以MAX2362为核心,MAX2362是该方案中集成度最高的芯片,它集成了I/Q调制器、上变频器、功放预放、中频VCO和中频/射频锁相环,覆盖了从基带到射频的整个发射通道。基带I/Q输入信号经过正交调制到中频并通过可变增益放大器放大,然后经过片外中频滤波器滤波后上变频到射频,并进一步放大。中频/射频两个锁相环都以13MHz VTXO作为参考时钟信号,基带通过三总线(DATA、CLK、ENB)编程控制两个锁相环的分频数据和寄存器数据。中频锁相环除了环路滤波器和调谐回路都集成到了MAX2362内部,射频锁相环需要一个外部VCO。 

    MAX2362能够提供的中频范围为120～300MHz,满足我们选择的264MHz的要求;可适应的射频本振信号范围为1400～2300MHz,满足所需的2274～2289MHz的要求;通过中频增益和射频增益控制,MAX2362可提供的线性增益动态范围为85dBm,优于要求的80dBm发信机线性增益动态范围;MAX2362线性输出功率达到7dBm(ACPR=-54dBm),这样就为末级功放输出最大功率30dBm和ACLR≤-33dBc创造了条件。 

2.4.2 接收射频通路 

    接收射频通路以MAX2322为核心,MAX2322集成了低噪声放大器(LNA)和混频器(Mixer)。从天线接收的射频信号经过带通滤波、放大、混频后转化为中频信号。随着第三代移动通信速率和带宽的提高,对LNA和下变频器的动态特性提出了更高的要求。MAX2322采用了SiGe工艺,在减小噪声系数、提高增益、提高输入三阶交调截上点(IIP3)的同时减小了电流消耗,非常适合TD-SCDMA的接收要求,是一款技术含量很高的芯片。 

    MAX2322能够适应的射频本振信号频率范围为1600～2300MHz,满足所需要的2274～2289MHz的要求;在所选用的高增益高线性模式下,LNA噪声系数为1.7dB,属于我们所评估的芯片中指标最好的,优于系统要求;最值得称道的是,LNA和Mixer输入三阶交调截止点(IIP3)分别为7dBm和4dBm,这样的线性远远高于我们的系统要求。 

2.4.3 接收中频通路 

    接收中频通路以MAX2312为核心,从MAX2322出来的中频信号经过带通滤波以后进入MAX2312,MAX2312将接收到的信号进行放大,并进行I/Q解调下变频到基带。和MAX2362类似,MAX2312也带有一个有中频VCO的锁相环,在我们的设计中将其旁路掉,而采用了收发共用MAX2362的中频锁相环的思想。这样,一方面简化了设计;另一方面由于减少了一个VCO,也就减小了射频电路信号间的相互干扰。 

    MAX2312能够适应67MHz～300MHz的输入信号,满足我们的频率要求;线性增益动态范围为大于110dBm,优于我们要求的80dBm线性增益动态范围;在其它方面,如MAX2312的I/Q信号平衡度指标优于我们评估的其它芯片。 

2.5 方案各级指标的分析 

    标准给出的是收发信机的整体指标,而器件商给出的是特定条件下的器件指标,二者的侧重点不同。在设计射频收发信机时,往往需要结合当前器件和标准要求对各项射频指标进行分析,以此确定芯片适用与否,并进一步确定射频收发信机的各级相关参数。这步工作不仅是选取芯片的重要步骤,而且对射频收发信机的设计、调试都有一定的指导意义。射频收信机的指标分析包括:电平及接收动态范围特性分析、邻道选择性(ACS)分析、抗阻塞特性分析和互调响应特性分析;射频发信机的指标分析包括:电平及输出功率动态分析和射频发信机线性分析。分析结果用指标分析曲线图表示。限于篇幅,这里不再对此详细介绍。 

    对Maxim套片方案的各项指标分析结果表明,Maxim套片方案各项指标均达到或超过系统要求。 

3 整体测试结果及结论 

    表2是我们对Maxim套片方案TD-SCDMA主要特性参数指标的测试结果。 

    与表1相对照可以看出,Maxim套片方案主要性能指标均优于系统要求。 

    Maxim套片TD-SCDMA射频收发信机解决方案体现了射频前端收发信机的集成化趋势,与分立元件解决方案相比,大大简化了设计,缩短了产品研发周期。在今后的改进方案中,我们将利用Maxim套片其它系列的双模特性开发出自己的TD-SCDMA/GSM双模终端射频收发信机,进一步简化设计和终端体积。 

参考文献 

1 CWTS:C401 Radio Transmission and Reception,V3.20.http://www.cwts.org  

2 3GPP: TR 25.945 RF Requirements for 1.28Mcps UTRA TDD Option,V2.00. http://www.3GPP.org 

3 3GPP: TR 25.942 RF System Scenarios,V2.2.1.http://www.3GPP.org 

4 王险峰. WCDMA手机关键射频指标分析.上海:第三届中国无线电技术研讨会及展览会,2000.8