测量CDMA接收机的阻塞

摘要：本应用笔记讨论影响蜂窝频段CDMA手机设计的主要因素，内容包括倒易混频及交调，并给出了Maxim V3.5 CDMA参考设计的系统测试结果。 概述 CDMA无线系统被设计成与老式的先进移动电话系统(AMPS)工作在同一个无线频段，AMPS系统在推出CDMA技术以前就工作在美国蜂窝频段。AMPS射频方案是把频率划分成很多相邻的相对窄带的FM信道，而CDMA射频方案则采用少量的宽带射频信道。结果，CDMA信道规划不得不包含现存的AMPS信道，而AMPS就会作为一个干扰使CDMA链路劣化。 在此我们讨论影响蜂窝频段CDMA手机设计和性能的两种主要机理： 倒易混频，即在点频干扰存在的情况下，本振相位噪声会阻塞接收到的射频信号。 交叉调制，结果是来自手机发射机的泄漏使接收机的低噪声放大器过载。 本文还通过测量一个真实的系统来演示该系统的优良性能。 蜂窝频段频率规划的背景 AMPS服务处于美国850MHz蜂窝频段： 824MHz到849MHz上行(手机发射机反向信道) 869MHz到894MHz下行(手机接收机前向信道) AMPS频道以30kHz为间隔，峰值频偏时每个频道约占24kHz。 CDMA服务占用同样的美国蜂窝频段，CDMA信道排列与AMPS的30kHz间隔对准(即每个信道跨越好多个30kHz)，但是每个CDMA信道占用1.23MHz频宽。为了管理这一分布，移动电话运营商分到了12.5MHz的频段，最近的AMPS信道位于离最近的CDMA信道，即频段边界285kHz远的地方(即CDMA边界离AMPS信道中心距离9个30kHz AMPS信道加上15kHz)，见图1。 图1. CDMA信道和最近的AMPS载频的关系，此AMPS载频是CDMA信道的一个干扰 当最近的AMPS信道比CDMA信号电平强很多时，它对CDMA频道来说就是一个单音干扰，干扰频率偏移如式1所示： 285kHz + 615kHz = 900kHz，这就是最近的AMPS干扰信道离指定CDMA信道中心的频差。这一干扰源的功率强度相对于被干扰CDMA信道的灵敏度(-101dBm)在3GPP2的空中接口标准中被定义为：最差情况下-30dBm。 CDMA手机的阻塞指标 阻塞是测量工作在某个信道的手机在离此信道中心频率一给定的频差的地方有窄带干扰发射机时接收CDMA信号的能力。接收机的阻塞用错帧率(FER)来衡量¹。 对CDMA系统来说，25个以上的手机可以直接同时同频工作(即在同一信道中心频率上)是它的优点。所谓码分复用(信道划分)就是每个手机的上行和下行载频使用了不同的正交扩频码。 为了实现这一目标，CDMA基站必须精确控制每个手机发射机中发射出的功率，确保对所有的用户收到同样的功率水平。相应的，手机的接收机必须有很宽的增益控制范围，当手机接收机离基站最远时，前向链路的典型信号强度只有-110dBm。 问题起源于临近的AMPS系统并不以同CDMA一样的方式管理手机的上行功率，当CDMA手机正在以它的极限灵敏度接收时，附近的AMPS基站有可能发出一个很强的干扰，这种情况在蜂窝边界特别容易发生。 很幸运的是，下行扩频码的特性使手机接收机能相对免受邻近频道的干扰。窄带AMPS干扰被手机的相关器所“平摊”，因此它的影响被处理增益(约25dB)所降低。因为干扰比较显著，3GPP2规定了一个测试来保证CDMA接收机能完全处理邻道干扰。3GPP2中CDMA2000标准规定了下列阻塞测试的条件： 对美国CDMA系统，蜂窝频段测试要求规定最小有效的同向辐射功率+23dBm。PCS频段测试要求规定最小有效的同向辐射功率+15dBm (测试1和2)，或+20dBm (测试3和4)。干扰发射机的功率规定为-30dBm (测试1和2)，或-40dBm (测试3和4)²。 当测试一个CDMA前端IC或一个零中频接收机的阻塞时，重要的是要注意由单音干扰发射机构成的干扰分量，在测试装置中要重建出那些影响。影响阻塞的两个主要因素是：倒易混频和交叉调制。 倒易混频 倒易混频发生于单音干扰发射机与接收机的本振信号(Rx LO)的混频。Rx LO有有限的相位噪声，它与单音干扰发射机混频，在中频(IF)产生了一个干扰分量，对零中频系统来说干扰就在基带(图2)。 图2. 出现阻塞时的倒易混频 接收机的阻塞规格是设定LO相噪要求的关键性能参数。对准确的阻塞测量来说，单音干扰发射机的自己的相噪也会对整个干扰电平有贡献。因此，在实验室里，你应该选用一个低相噪的射频信号源，以保证阻塞的主要来源是Rx LO中的相噪，而不是射频信号发生器。 举例来说，参照Maxim的超外差CDMA参考设计(版本3.5)，使用MAX2538前端IC和MAX2308中频解调器，在蜂窝频段它的级连噪声系数小于3dB。如果我们假定手机中的双工器的损失约3dB，我们可以得到： 如果射频信号发生器的相噪比接收机的噪声底低10dB，那么： 这里-30dBm是测试1和2种规定的单音强度(表1)。因此新接收机的噪声底是： 由此可见射频信号发生器的-148dBc/Hz相噪对接收灵敏度的影响相对较小(只有0.4dB的劣化)。 CDMA手机标准要求在900kHz频偏处的最小相噪是-144dBc/Hz。假定对远端相噪是平坦响应(在整个频带上是-144dBc/Hz)，计算的结果给出接收机的噪声底是-167dBm/Hz，比-168dB/Hz的无干扰噪声底差1dB。因此CDMA标准允许接收机灵敏度可以由于射频干扰的产生而劣化1dB。 表1. CDMA手机中阻塞的最低要求3 Parameter Units Tests 1 and 3 Tests 2 and 4 Tone offset from carrier SR1 kHz +900 (BC 0, 2, 3, 5, 7 and 9) +1250 (BC 1, 4 and 8) -900 (BC 0, 2, 3, 5, 7 and 9) -1250 (BC 1, 4 and 8) SR3 kHz +2500 -2500 Tone power dBm -30 (Tests 1 and 2) -40 (Tests 3 and 4) dBm/1.23MHz -101 dB -7 dB -15.6 (SR1) -20.6 (SR3) 交叉调制干扰 当一个很强的发射机泄漏信号出现在接收机的低噪放输入端时就会发生交叉调制。这一被调干扰和900kHz处的AMPS信号在低噪放中发生交叉调制产生三阶非线性产物，结果是在接收机中的给定射频信道中的噪声功率上升。即使接收机IP3主要是混频器的IP3，大多数的交叉调制还是发生在低噪放中，这是由于在低噪放和混频器之间有带通滤波器，发射机的泄漏到达混频器的输入端非常小4。 为了在接收机测试装置中包含这一影响，必须在接收机中注入CDMA反向信道调制信号。对蜂窝频段而言，发射功率注入到LNA输入的功率由式5表示： 假定双工器发送与接收之间的隔离度为52dB，天线到双工器发射端口的损失是2dB。 采用CNR方法的测试实例 图3是测试蜂窝频段CDMA接收机的阻塞的完整装置。同样的装置可用于PCS频段测试，但是干扰发射机的频偏和功率电平以及发射信号的功率电平必须按表1来相应设定。在这个测试装置中，我们使用CNR (载频噪声比)方法来测量阻塞。 图3. 蜂窝频段单音阻塞测试装置 灵敏度定义为在95%的时间内误帧率(FER) ≤ 0.5%时的最小接收功率。在CNR测量中，我们注意到，在3GPP2标准的射频配置1中，业务信道的Ec/Ior 是-15.6dB，相对于9600bps的数据速率，业务信道的Eb/Nt = 4.5dB，处理增益是10log (1.2288Mcps/9600bps) = 21.072dB，由此可得式6： 因此，在1.23MHz信道宽度上要求能够解调CDMA信号的CNR是-1dB。在我们的测试装置中，我们使用3kHz的RBW，通过比较点频测试信号功率(250kHz处)和整个615kHz I通道带宽上总共的噪声功率来测试。因为给定的接收信号功率是-101dBm，而总共允许的噪声功率是-100dBm，我们可以看到为了满足系统灵敏度要求，CNR是-1dB。 为了说明这个方法，参照Maxim的N-CDMA V4.1参考设计的测量，它使用一个内带VCO的零中频单片接收IC (MAX2585) (图4)。绿线表示在没有阻塞和发射信号时的给定信号(对给定信号，我们用一个偏移信道频率250kHz，-101dBm的单音来充当CDMA前向信道的调制信号)。蓝线代表阻塞和CDMA发信号同时打开时噪声的上升。下列步骤概括了测试装置： 图4. 由单音阻塞和CDMA发射信号造成的噪声上升 调整系统增益，接收相对于3dB衰减器的输入端的-101dBm信号，3dB衰减器用来模拟双工器的损失。对MAX2585接收IC，设定增益使其名义输出信号电平为8.5mVRMS (50Ω负载-28.5dBm)。 打开-24dBm的CDMA的发射信号(比3dB衰减器处接收信道频率低45MHz)。 打开相对于3dB衰减器输入的-30dBm的点频阻塞信号，观察到噪声底上升。 调整点频干扰发射机的电平使噪声底上升到从0到615kHz的总噪声功率比给定的信号电平高1dB。在这个例子中，我们从25kHz到615kHz积分噪声，以避免频谱分析仪的直流泄漏。 记录在-1dB CNR时的干扰发射机的电平，计算阻塞的裕度。 在这个例子中，从25kHz到615kHz的总噪声功率是-27.5dBm，在输出端收到的点频信号是-28.5dBm，它满足-1dB CNR的要求。单音干扰发射机的电平在-1dB CNR时是-27dBm，表示MAX2585在被测频率上满足阻塞的要求，有3dB的裕度。 结论 本文按3GPP2标准讨论了阻塞，讨论了阻塞的主要来源，给出了在CDMA接收机中测量阻塞的实用方法。有关Maxim超外差和直接转换IC的进一步资料，请访问Maxim网站：无线、射频(RF)与电缆。 类似文章发表于电子产品世界2005年，第10期。 参考文献 "Recommended Minimum-Performance Standards for cdma2000 Spread Spectrum Mobile Stations," 3GPP2 C.S0011-A, 2001, page 3-21 (pg.85 in the pdf version of the document). "Recommended Minimum-Performance Standards for cdma2000 Spread Spectrum Mobile Stations," page 3-23 (pg.87 in the pdf version of the document). "Recommended Minimum-Performance Standards for cdma2000 Spread Spectrum Mobile Stations," page 3-23 (pg.87 in the pdf version of the document). Walid Y. Ali-Ahmad, "RF system issues related to CDMA receiver specifications," RF Design, September 1999, pp.22-32.