58GWiMAX無線網(wǎng)射頻系統(tǒng)設(shè)計

5.8GWiMAX 無線網(wǎng)射頻系統(tǒng)設(shè)計 WiMAX作為一項無線城域網(wǎng)技術(shù)，同當(dāng)前的3G以及WIFI相比，在帶寬、覆蓋范圍及數(shù)據(jù) 率上具有明顯的優(yōu)勢，且具有維護成本低、架設(shè)方便、建設(shè)成本低等特點。對于這樣一種新 興且富有前途的無線通信技術(shù)，國內(nèi)已經(jīng)進行研發(fā)的機構(gòu)和企業(yè)總體來說卻仍然較少，市場 上可以見到的基本上都是境外產(chǎn)品，價格也較高。研制開發(fā)無線局域網(wǎng)產(chǎn)品對于促進我國無 線局域網(wǎng)的發(fā)展具有重要的意義。但作為一項新技術(shù)，射頻技術(shù)設(shè)計具有相當(dāng)?shù)碾y度，尤其 是 5.8G 頻段，對于功放的線性度、低噪放的噪聲指標(biāo)以及頻率源的相位噪聲指標(biāo)都提出了 很高的要求，我們設(shè)計的基于WiMAX技術(shù)5.8G無線專網(wǎng)射頻系統(tǒng)，主要采用0402封裝器 件貼裝，與基帶電路聯(lián)系便利。 1 射頻收、發(fā)系統(tǒng)工作原理 射頻收、發(fā)系統(tǒng)作用是為基帶 I， Q 信號提供一個無線的收發(fā)通道。在發(fā)射時隙，基帶 I，Q信號通過兩次混頻，一中頻為固定的380 MHz,二中頻本振頻率可變，以使射頻工作 在期望的信道內(nèi)，變頻后的射頻信號經(jīng)濾波、功率放大后，由天線發(fā)送至遠端;在接收時隙 天線接收的遠端傳來的信號，經(jīng)低噪聲放大后，通過兩次混頻，在接收AGC的控制下，等 幅度地送至基帶處理板。 射頻模塊直接通過125芯的插座與基帶板相連，與基帶板連接信號通過125芯的插座 傳輸，射頻信號通過MCX連接器安裝于PCB板上，并直接輸出到收發(fā)天線。 2 射頻收發(fā)模塊 2.1 高集成度芯片 選用頂級公司中頻芯片與射頻芯片作為本無線射頻系統(tǒng)集成度極高的解決方案。這些芯 片由IF與RF收發(fā)器組成，支持4.9?5.9 GHz空中接口頻帶。該芯片組可通過復(fù)雜的I/Q 接口支持系統(tǒng)工作在TDD模式。此款高度集成的芯片可縮小空間，不僅有助于簡化設(shè)計， 而且還能節(jié)約材料清單（BOM）成本。中頻芯片具有低噪聲、高線性的特點只需要一個中 頻濾波器，同時還包含兩個中頻和射頻頻率合成器，一個高速的數(shù)字可變增益放大器，其增 益控制范圍達 50 dB。 中頻芯片功能：在發(fā)射時隙內(nèi)完成I/Q基帶信號上變頻為380 MHz的固定中頻信號;在 接收時隙內(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。 射頻芯片功能：在發(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;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。 2.2 線性功率放大器 在數(shù)字微波通信系統(tǒng)中，功放的非線性失真對信號傳輸質(zhì)量影響極大，在高階QAM調(diào) 制系統(tǒng)中，臨界情況下功放的三階交調(diào)系數(shù)變壞1 dB,誤碼率將惡化80%。在本系統(tǒng)中， 采用功率倒退法改善系統(tǒng)的三階交調(diào)系數(shù)，功放工作在末級功放的P1dB輸出功率以下10 dB （考慮收發(fā)開關(guān)及射頻濾波器1.6 dB的插損），當(dāng)系統(tǒng)最大發(fā)射功率要求為16 dBm時, 末級功放的P1dB至少應(yīng)為28 dBm。我們選用高效的線性功放，輸出功率為21.5 dBm時, EVM 為 3%，此指標(biāo)對于發(fā)射機的發(fā)射星座誤差指標(biāo)起決定性作用，整個發(fā)射系統(tǒng)的 EVM 指標(biāo)要求見表 1。 * 1捷軸毎統(tǒng)鼻求 梵盤迄星曲棟/JB BPSK - 1/2 13 QP5K - 1/2 QPSK-抽 £一也各 1SQAM - 1/2 ^-31. S 1&QAM - 3/4 ^-25 16QAM-2/3 5 16QAM -3/4 <-31 2.3 接收靈敏度及接收 AGC 控制 接收機靈敏度是接收系統(tǒng)的重要技術(shù)指標(biāo)，對 802.16d 系統(tǒng)而言，其接收機靈敏度可 通過以下公式來計算： Rss=-102+SNRrx+10Log（（Fs*200）/256） 對 3.5 MHz 帶寬而言，這里的 Fs=3.5*8/7 SNRrx為系統(tǒng)解調(diào)歸一化信噪比要求，對64QAM-3/4而言，其歸一化信噪比要求為24.4 dB。 通過計算 Rss=-72.6 dBm。 接收機靈敏度與噪聲系數(shù)之間滿足關(guān)系式： Rss=-174 dBm+101g BW+NF 因此要滿足上述的接收靈敏度要求，在帶寬確定的條件下必須使接收機的 NF 足夠小。 我們選用的LNA噪聲系數(shù)優(yōu)于1.7dB，完全滿足指標(biāo)要求。 SS的接收靈敏度要求如表2所示（BER<10-6）。 *1礙的接收規(guī)隸度塞章 BPSK QPSK 皿AM m 1/2 S/4 1/2 3/4 MA 1. 75 MHs -'93. 7 -SO. 7 一昭9 —BX t —81+ 9 -神“ -?5. 7 3.5 MHi n -87.7 一飆9 -BC.7 亠訊炊 --九4 -72.2 7rO -04.6 -幌& -77.6 -75, fl —7L 3 —iG9. 6 10. 0 MUb 一豳 -83, 1 -81, 3 — 76,1 -■7< 3 -w, a -6B. J 2也 0 MHz — 80, 0 —?8. 2 -?3.0 一舁」 7 -65.0 Rx SNI? /dB 6-4 軋4 IE. 2 22,7 24, 4 在通信系統(tǒng)中，接收機都要用到自動增益控制（AGC）電路來提高接收機的動態(tài)控制范 圍，使強輸入信號不至于使接收機飽和而產(chǎn)生很大失真，小信號不至于使接收機解調(diào)器檢測 不到而完全丟失，即為系統(tǒng)提供適當(dāng)?shù)脑鲆婧途€性度而滿足接收靈敏度的要求。 在本系統(tǒng)中，最大正常接收電平不小于-30 dBm，同時應(yīng)保證接收系統(tǒng)在0 dBm的輸 入信號時，系統(tǒng)不至于損壞;最小接收電平（即調(diào)制方式為 BPSK 時的接收機靈敏度） -91 dBm，AGC控制范圍91 dB。接收增益控制采用三級增益控制方案：第一級在LNA處，兩 級LNA均具有旁路開關(guān)功能，可以將電流設(shè)置到0,并實現(xiàn)最小的插入損耗。當(dāng)接收到大 信號時，旁路模式可調(diào)整動態(tài)的接收增益范圍達26 dB以上;第二級在5.8 GHz的射頻信號 處，射頻芯片中含有15dB的增益控制范圍;第三級在380 MHz中頻信號處，中頻芯片中帶 有高速的數(shù)字VGA控制，其范圍達50 dB。 2.4 頻率源 由于射頻本振不是完美的連續(xù)波單頻率源，而是存在相位噪聲的，在射頻轉(zhuǎn)換級的輸出 端他會使輸入信號發(fā)生變化。由于數(shù)字信號的相位里攜帶信息，所以引入的相位變化使誤碼 率增加，調(diào)制的高階程度影響誤碼率的增加程度。對64QAM調(diào)制方式來講，要求在RF輸 出頻率，偏置1 kHz,相位噪聲要求-88 dBc/Hz。同時射頻本振頻率漂移（即頻率穩(wěn)定度） 使解調(diào)過程中產(chǎn)生相位誤差，致使有效信號幅度下降，誤碼率增加;頻率穩(wěn)定度的技術(shù)指標(biāo) 取決系統(tǒng)采用的調(diào)制方式及用戶對通信質(zhì)量的要求。本系統(tǒng)采用64QAM調(diào)制方式，要求頻 率穩(wěn)定度士 1.5x10-6。頻率源的頻率穩(wěn)定度及相位噪聲是系統(tǒng)的又一關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，我們擬 采用環(huán)路鎖相技術(shù)進行頻率合成，基準(zhǔn)源采用高穩(wěn)定晶體產(chǎn)生。 3 測試結(jié)果 測試按照基于802.16的固定寬帶無線接入點對點射頻技術(shù)要求測試各項指標(biāo)，采用 AGILENT儀表E4438C作為信號源，E4440C作為矢量信號分析儀進行測試。該系統(tǒng)最大輸 出功率為18 dBm，最小功率低于-50 dBm。信道帶寬選用3.5 MHz,發(fā)射EVM優(yōu)于-31 dB。 具體指標(biāo)見圖3。接收信號電平-30?-91 dBm，最小接收信號電平低于-91 dBm （BPSK調(diào) 制方式）。 4結(jié)語 將5.8 GHz無線專網(wǎng)射頻系統(tǒng)設(shè)備，配合基帶處理設(shè)備安裝整架于兩地，跳距約10 km, 經(jīng)歷大雨、大霧等各種惡劣天氣，兩地之間有部分遮擋，設(shè)備工作穩(wěn)定可靠，各系統(tǒng)誤碼率 優(yōu)于10-7。可以雙向傳輸10?50 Mb/s以太網(wǎng)數(shù)據(jù)，并且傳輸電影圖像畫面、聲音，效果 都很好。