摘  要：在芯片廠商未推出針對WiMAX 標準5. 8 GHz 頻段射頻芯片的情況下，利用SIGE 公司開發(fā)的中頻芯片SE7051L10 及TI 公司開發(fā)的射頻芯片TRF2436，通過合理設計，成功地研制出5. 8 GHz 頻段CPE 和點對點射頻收發(fā)系統(tǒng)，測試指標滿足或優(yōu)于802. 16d 標準。詳細介紹了主要芯片完成功能、主要技術指標、總體設計以及具體指標實現(xiàn)。

　　本設計主要是參照802. 16d 固定無線傳輸寬帶技術標準，是針對WiMAX 寬帶無線接入產(chǎn)品而設計的射頻系統(tǒng)，它的作用是為基帶信號處理單元提供零中頻基帶信號或基帶I、Q 信號無線的收發(fā)通道。

　　0   引言

　　固定WiMAX 標準基于正交頻分復用( OFDM) 技術，使用256 個副載波； 該標準支持1. 75~ 28 MHz范圍內(nèi)的多個信道帶寬，同時支持多種不同的調制方案，包括BPSK、QPSK、16QAM 和64QAM。由于信號寬帶及高調制方式等多項技術參數(shù)導致射頻設計充滿挑戰(zhàn)性。

　　1   主要芯片完成功能

　　本設備采用超外差時分雙工方式來完成設計,在符合WiMAX 標準的射頻套片推出之前，成功選用SIGE 公司生產(chǎn)的中頻芯片SE7051L10 和Texasinstruments 公司生產(chǎn)的射頻芯片TRF2436 來完成設計。中頻頻率固定為380 MHz，射頻頻率在5. 725~5. 850 GHz頻段內(nèi)可選。

　　1.1   SE7051L10

　　SE7051L10 主要完成功能為：

　?、僭诎l(fā)射時隙內(nèi)完成I、Q 基帶信號上變頻為380MHz 的固定中頻信號；

　?、谠诮邮諘r隙內(nèi)完成接收的380 MHz 的固定中頻信號下變頻為零中頻的I、Q 基帶信號；

　?、弁瓿珊铣蒊F 和RF 所需的LO 功能； 其中中頻LO 頻率為固定的380 MHz； RF 本振頻率可選，以便系統(tǒng)工作在期望的工作信道內(nèi)；

　　④在發(fā)射和接收通道，均內(nèi)置可變增益放大器，同時Tx 通道具有18 dB 的增益控制范圍( 步進6 dB) ，和50 dB TX 增益控制范圍( 步進1 dB) ，Rx 通道具有50 dB 的自動增益控制范圍。

　　1.2   TRF2436

　　TRF2436 完成功能為：

　?、僭诎l(fā)射時隙內(nèi)完成380 MHz 的固定中頻信號上變頻到所需的RF 信道頻率；②在接收時隙內(nèi)完成接收的RF 信號放大并下變頻為380 MHz 的固定中頻信號；③片內(nèi)內(nèi)置收發(fā)開關、低噪聲放大器及開關控制的功率放大器；④ 內(nèi)置射頻本振倍頻器。

　　2   總體設計

　　由于SE7051L10 與TRF2432 非同一公司套片,需重新設計，主要從以下幾點考慮。

　　中頻芯片SE7051L10 產(chǎn)生射頻本振，其合成頻率范圍2 850~ 3 350MHz，若系統(tǒng)選用低本振，要求最低頻率為2 672. 5MHz，SE7051L10 無法滿足該要求，系統(tǒng)只能選用高本振，高本振要求頻率為3 052~ 3 115MHz； 選用高本振將導致中頻及基帶頻譜鏡像，對點對點系統(tǒng)而言，由于接收下變頻將發(fā)射的上變頻導致的頻譜鏡像翻轉，系統(tǒng)會不留痕跡進行解調； 但作為CPE 設備，無法與標準基站對聯(lián)，采用基帶I、Q 信號顛倒連接，巧妙地解決選用高本振導致的頻譜翻轉，與標準信號源對聯(lián)，系統(tǒng)工作正常。

　　SE7051L10 的收發(fā)中頻為各自獨立的差分輸入輸出，而TRF2436 收發(fā)中頻為共用的差分輸入輸出,為解決此問題，選用2 只單端雙擲開關，通過收發(fā)切換控制信號，將SE7051L10 的收發(fā)中頻各自獨立的差分輸入輸出切換至TRF2436 要求共用的中頻差分輸入輸出，效果良好。

　　作為WiMAX CPE 設備，基站為適應不同用戶端設備要求，其系統(tǒng)接收增益固定，不具備AGC 功能,為保證接收信號幅度恒定，通過動態(tài)調整不同CPE設備的發(fā)射功率； 因此要求WiMAX CPE 設備發(fā)射通道具有超過50 dB 的ALC 控制范圍； 雖然SE7051L10內(nèi)置步徑1 dB 的50 dB 衰減器，但中頻衰減過大，將影響中頻信號的信噪比，從而影響系統(tǒng)性能； 而TRF2436 是針對802. 11系統(tǒng)開發(fā)的，發(fā)射通道沒有提高系統(tǒng)動態(tài)的數(shù)控衰減器； 為增大系統(tǒng)發(fā)射動態(tài),在TRF2436 的射頻濾波器后增加一片步徑4 dB 總衰減28 dB 數(shù)控衰減器。

　　重新設計SE7051L10 射頻本振的環(huán)路濾波器,優(yōu)化射頻本振的相位噪聲，從而改善發(fā)射及接收系統(tǒng)的信號相對矢量誤差。

　　TRF2436 的本振要求100Ω差分輸入，本振功率電平0 dBm。通過增加此頻段工作的平衡- 不平衡變換的巴侖集成塊來解決，巴侖集成塊平衡輸出阻抗為200Ω差分輸出，阻抗不匹配通過四分之一波長阻抗變換器來解決； 同時，通過一單片放大器將SE7051L10 輸出本振放大到0 dBm，單片放大器也有利于提高本振的輸入輸出隔離度。

　　通過收發(fā)通道的預算，合理地完成功放及低噪放設計。

　　3   系統(tǒng)工作流程

　　系統(tǒng)采用時分雙工工作方式，當基帶控制的收發(fā)開關信號為高電平時，系統(tǒng)工作在發(fā)時隙，基帶送出的I、Q 信號經(jīng)調制、上變頻、功率放大和中頻、射頻濾波后經(jīng)開關由天線發(fā)射至接收端； 在接收端，基帶控制的收發(fā)開關信號此時為低高電平，系統(tǒng)工作在收時隙，接收的射頻信號經(jīng)開關、低噪放、下變頻、相應射頻、中頻濾波，解調出I、Q 基帶信號送至基帶信號處理單元。系統(tǒng)工作流程如圖1所示。

圖1   系統(tǒng)工作流程圖

　　4   主要技術指標的實現(xiàn)與指標分配

　　4.1   發(fā)射功率的實現(xiàn)

　　由于系統(tǒng)的基帶采用OFDM 調制技術，OFDM是無線通信系統(tǒng)中的一項關鍵技術，是一種多載波傳輸技術。多載波傳輸技術相對于單載波傳輸技術而言有很多優(yōu)點，例如抗多徑干擾，抗突發(fā)噪聲和有效地克服頻率選擇衰落。但OFDM 技術的一個主要缺點就是具有很高的峰均功率比( PAPR) ，高的峰值容易引起非線性失真； 同時，由于系統(tǒng)采用較高的64QAM 等調制方式，對系統(tǒng)的線性要求較高，針對以上問題，在設計及選用器件時，為保證系統(tǒng)工作在線性區(qū)域，所有器件均要求在其P1 dB 回退10 dB 工作。

　　功放設計的難點主要是末級功放的設計，本系統(tǒng)末級功放選用SIRENZA 公司生產(chǎn)的SZA5044，其輸出P1 dB 為29 dBm，功率回退10 dB，其輸出線性功率為19 dBm，功放末級有一無源收發(fā)開關、抑制諧波分量的低通濾波器及MCX 插座，其插入損耗總和為1. 6 dB，在插座輸出口輸出的線性功率為17. 4 dBm，滿足設備技術指標要求； 同時，SZA5044的增益為28 dB，為保證設備技術指標16 dBm 功率輸出，SZA5044 輸入功率要求- 9 dBm，功放前級的射頻開關、數(shù)控衰減器及濾波器的插入損耗總和為4. 4 dB，要求TRF2436 的線性功率輸出- 4. 6 dBm,TRF2436 其輸出P1 dB 為22 dBm，線性功率輸出12 dBm，滿足技術指標要求。

　　4.2   發(fā)射通道ALC的實現(xiàn)

　　由于系統(tǒng)針對點對多點設計，基站的AGC 不能工作，基站的接收增益相對固定，為保證系統(tǒng)正常通信，基站端通過測試上行接收基帶I、Q 的功率電平,與標準I、Q 的功率電平比較，計算出功率誤差，送至用戶端，通過軟件開環(huán)控制用戶端上行的發(fā)射功率；為保證有足夠的動態(tài)，以適應衰落的影響，指標規(guī)定用戶端的ALC 控制范圍大于50 dB，步徑1 dB。

　　本系統(tǒng)的ALC 由SE7051L10 提供30dB ALC 控制范圍，步徑1 dB； 同時，數(shù)控衰減器提供28 dB 的ALC 控制范圍，步徑4 dB，在實際應用中，實際測試一ALC 控制表格，按實際衰減量從小到大排列，步徑1 dB，通過安捷侖公司的89601 軟件實際測量發(fā)射功率電平，同時保證在50 dB 的動態(tài)范圍內(nèi)，發(fā)射的相對矢量誤差小于- 31 dB。在正常工作時，基帶軟件根據(jù)當前ALC 控制信號所在控制表格的位置和基站測量的功率誤差，動態(tài)調整用戶端發(fā)射功率,保證系統(tǒng)正常工作。

　　4.3   發(fā)射機EVM指標實現(xiàn)

　　發(fā)射機相對矢量誤差是衡量發(fā)射機綜合技術指標之一，由基帶I、Q 的正交誤差、幅度平衡，本振的相位噪聲，混頻器和功放( PA) 線性技術指標和系統(tǒng)頻偏等決定。針對本射頻系統(tǒng)而言，I、Q 的正交誤差主要通過PCB 板I、Q 信號走線嚴格等長來控制；幅度平衡可通過運算放大器的增益控制電阻來調整； 由于本射頻系統(tǒng)選用TRF2436 作為二次混頻的主芯片，混頻器集成在芯片內(nèi)部，無法控制； 發(fā)射EVM 主要由本地振蕩器的相位噪聲決定，通過合理選用VCTCXO，優(yōu)化環(huán)路濾波器等措施，保證射頻本地振蕩器的相位噪聲指標滿足- 88 dBc@ 1 kHz、- 90 dBc@10 kHz，從而保證TRF2436 輸出最終功率0 dBm時，其相對矢量誤差達到- 34. 5 dB； 對本系統(tǒng)而言，功放的合理設計決定了發(fā)射機相對矢量誤差。

　　如前所述，本系統(tǒng)選用的末級功放，在輸出功率為16 dBm 時，其相對矢量誤差為2% ( - 34 dB) ，通過計算系統(tǒng)的相對矢量誤差為- 32. 5dB，滿足技術指標要求。

　　4.4   接收靈敏度及接收AGC設計

　　接收機靈敏度是反應接收系統(tǒng)主要技術指標之一，對802. 16d 系統(tǒng)而言，接收機的靈敏度在系統(tǒng)誤碼率不小于10- 6情況下，應按如下公式計算( 假定有5 dB 的余量和7 dB 的噪聲系數(shù)NF) ，R ss =- 10+ SNRrx + 10Log ( ( Fs * 200 ) / 256) 。采用3. 5 MHz帶寬，這里的Fs = 3. 5* 8/ 7，SNRrx 為系統(tǒng)解調歸一化信噪比，對64QAM- 3/ 4 而言，其歸一化信噪比要求為24. 4 dB。通過計算，其接收機靈敏度為- 72. 6 dBm。從以上公式可以看出，合理設計低噪聲放大器，減低系統(tǒng)的噪聲系數(shù)，可以提高系統(tǒng)的接收機靈敏度指標； 本射頻系統(tǒng)的低噪聲放大器選用安捷侖公司生產(chǎn)的MGA71543 和MGA72543 來完成低噪聲放大器設計，增益50 dB，考慮接插件、開關及濾波器的插入損耗，系統(tǒng)噪聲系數(shù)4 dB，比公式7 dB噪聲系數(shù)改善3 dB，相應提高接收機靈敏度3 dB，優(yōu)于該標準規(guī)定的要求。

　　整個系統(tǒng)提供的接收機AGC 控制范圍為90 dB，其中中頻增益控制范圍為50 dB ，TRF2436 增益控制范圍為16 dB，數(shù)控衰減器28 dB，總計94 dB。

　　5   設備特點

　　該設備具有如下特點:

　?、俚统杀尽Ｓ捎谶x用的是高集成，大批量的通信集成塊完成設計，大批量生產(chǎn)時，整機成本幾十美元；② 高性能。點對點測試時，信道帶寬3. 5 MHz接收機靈敏度- 75 dBm ( 64QAM - 3/ 4 ) ，優(yōu)于802. 16d協(xié)議標準2 dB；③結構簡單。由于系統(tǒng)選用TDD 模式工作，無須過分考慮收發(fā)隔離，整機收發(fā)在同一塊PCB 板上完成，收發(fā)之間不需要增加屏蔽盒； 也不須增加改善收發(fā)隔離的雙工器； ④ 調試、安裝、維修方便。由于選用的器件均為內(nèi)匹配的器件，一致性好，只要器件安裝正確，工藝不出差錯，幾乎為免調試產(chǎn)品。整機重量輕，安裝方便； 維修時能迅速定位故障點。

　　6   結束語

　　該設計于2007 年8 月向國家知識產(chǎn)權局申請發(fā)明專利，已審通過，專利號200710023309. 2。由該設備組成的系統(tǒng)，在安徽省電力通信公司、合肥供電局傳輸變壓器工作狀態(tài)數(shù)據(jù)和KP 所工作狀態(tài)數(shù)據(jù)； 系統(tǒng)采用點對點測試，兩點之間在部分遮擋通信距離5 km 情況下，進行上下行鏈路數(shù)據(jù)傳輸，其流量及Ping 包測試均符合WiMAX 標準要求； 同時雙向傳輸電影圖像無失真、聲音清晰，系統(tǒng)工作穩(wěn)定。