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1、把WCDMA规格转化为接收机要求By Gary LevySilic on Laboratories Inc.随着视讯、多媒体、游戏和宽带广域行动需求持续成长，透过新一代行动通讯网路提供高 速数据服务已成为不可避免的趋势。全球现有3,000多万WCDMA用户，还有80家商业电信公司分布在37个国家和超过45个WCDMA与EDGE混合网络，证明 WCDMA技术 不但取得有利地位掌握此商机，还正获得日益扩大的市场支持。在此同时，3G无线电目前面临的整合与设计挑战也让人想起第一代超外差式GSM/GPRS手机实作。随着新商业解决方案的出现，手机设计人员不仅须决定他们所要支持的模式和频带，还要以其有限的
2、设计经验和生产数据来区别各种收发器规格。WCDMA是一种展频全双工系统，设计时需要更多考虑，这与2.5G TDMA/FDMA无线电有很大不同。因此若能厘清重要的接收机 要求以及它们对于演变中的 3G无线电和产品手机会有那些影响，将对设计人员产生极大 帮助。WCDMA为GSM/GPRS/EDGE技术提供一条升级路径，让厂商以更高数据速率、更大传 输容量和更低成本提供应用服务。WCDMA频谱随着地区不同共分为六个频带，详细内 容如表1所示。目前仅少数多频带 WCDMA收发器通过实际产品考验，所以频带支持将 是接收机的最先考虑。日本目前拥有最多 3G用户，约占全球用户总数五成左右。其次是 欧洲，单是
3、意大利和英国就有 1,000多万用户。单频带 WCDMA收发器除支持频带1以 满足这些领先市场需求外，还应与大陆及韩国频带保持兼容性。对多频带收发器而言，频 带5和频带6 (频带5的子集合)都与GSM850频谱重迭，该频谱对美国和日本手机漫游 都很重要；频带5是这两个频带中比较合理的选择，因为处于过渡阶段的拉丁美洲以及中 国大陆和亚太地区的潜在应用未来都有成长空间，故应选择较大频宽。美国网络业者还可 能主张一个频带并不足够，必须另外再支持包含PCS1900频谱在内的频带2。频带4也很重要，但因美国联邦通讯委员会(FCC)的法规制定和频谱拍卖尚未完成，故应视为未来可能必须支持的频带。类型接收机频
4、带(MHz)发射机频带(MHz)地区WCDMA频带12110 -21701920 -1980欧洲、日本、韩国、大陆WCDMA频带21930 -19901850 -1910北美(美国)PCS 1900WCDMA频带31805 -18801710 -1785欧洲 DCS 1800，日本WCDMA频带42110 -21551710 -1755美国未来米用；FCC法规和 频谱拍卖尚未完成WCDMA频带5869 -894824 -849北美(美国)GSM850，日本WCDMA频带6875 -894830 -840频带5的子集合，日本表1:不同地区的WCDMA频谱整体讯号杂波比是 WCDMA与GSM等TD
5、MA系统的重要区别之一。 WCDMA是一种直 接序列(direct-sequenee)展频技术，它会以正交码区隔不同使用者，而不是采用分时或分 频方式。WCDMA的基本操作方式是将频宽 5 MHz的无线电讯号乘上展频讯号，这种展 频讯号是一种准噪声 (pseudo-no ise)编码序列，且其速率高于讯息的数据速率。两者相乘 所得的讯号看起是随机讯号，但若接收方知道正确编码就能将整个程序反转并取出原始讯 号。WCDMA的使用者位率为12.2 kbps，讯号则会分散到3.84 Mcps的展频码。解展频过 程等于将讯号能量放大，噪声则维持不变。将上述使用者位率和展频码速率代入处理增益 (Gp)方程
6、式可得到：10log (3.84Mcps / 12.2kbps) = 25 dB把上述处理增益代入我们所熟悉的最小可侦测讯号(MDS)方程式即可得到收发器噪声系数(NF)的最小值，它与接收链灵敏度的关系可表示如下：MDS 二 KTBF其中K为波兹曼常数1.38 X1023 J/ K (每颗粒子在单位凯氏温度下所能电气耦合的平均能 量)，T是以凯氏温度表示的系统温度，B是系统频宽，F是系统的噪声系数，(Eb/Nt)eff则 是基频处理器正确解调接收数据所需的讯号能量杂波比。假设环境温度290 K (17C)，均方根噪声频宽3.84 MHz，根据上式可以算出 WCDMA接收机的基本噪声功率密度 (
7、KTB) 等于-108 dBm/3.84 MHz。以频带1为例，根据3GPP的WCDMA规格要求，以讯号总功率 仏)表示的手机参考灵 敏度在位错误率(BER)小于0.001的情形下应为-106.7 dBm/3.84 MHz。除了可用的频谱 讯号总功率外，负责传送使用者数据的个别编码信道的功率灵敏度也很重要。专属实体信 道(DPCH)的参考灵敏度在未考虑 Gp之前应为-117 dBm/3.84 MHz，这对0.001的位错误 率等于是7 dB的(Eb/Nt)eff。除了噪声和实作边限外，此假设还包含干扰讯号以因应基频 变异和实作差异的可能影响。由于线性乘法等于对数加法，灵敏度可重新定义为：灵敏度
8、(-117dBm/3.84MHz) = -108dBm / 3.84MHz + 10log(F) + 7dB - 25dB把DPCH灵敏度以及Gp和正确解调所需的基频效能加在一起即可得到 -99 dBm讯号，它 是信道频宽所能容忍的输入参考(input referred)噪声功率最大值。扣掉噪声功率容忍值和 噪声功率密度后只剩下9 dB留给收发器和前端损耗，再减掉4 dB前端损耗就得到收发器 的噪声系数必须小于5 dB。然而这只是基本的要求，因为系统灵敏度会直接影响网络基础 设施和效率、使用者感受以及包含无线电前端组件选择和成本在内的手机设计，所以实际 上需要预留更多效能空间。利用类似于将 3
9、GPP 干扰源当成输入参考噪声的做法，设计人员很容易决定接收机对于相 邻通道选择性 （Adjacent Channel Selectivity ， ACS） 和互调效能的最低要求。相邻信道选 择性代表相邻信道 （与主载波相距 5 MHz） 为 WCDMA 讯号占用时的接收机效能。设计 人员可从规格直接得知接收机的相邻通道选择性，该值代表接收机在接收目标讯号时对于 相邻信道讯号的衰减能力。互调变要求是 WCDMA 比 TDMA 设计不容易了解的部份，这是因为 WCDMA 技术采用 分频双工操作方式。为了提供全双工操作能力，分频双工手机会使用不同的接收和发射频 带来同时接收和发射讯号，并由天线端的
10、双工器将很小的接收讯号与功率放大器输出的很 大发射讯号隔开。由于双工器仍无法同时提供很低的接收频带插入损耗和很高的发射频带 发射接收隔离度，或同时提供很低的发射频带插入损耗和很高的接收频带发射接收隔 离度，因此双工器的效能和体积必然会对接收机要求造成限制，这使得设计人员分析互调 变效能等各种接收机要求时，必须将发射机的泄漏功率和双工器的插入损耗列入考虑。接收机面对强大调变讯号时的效能很重要，这是因为基频可能出现时变性直流偏移和偶数 阶失真而导致系统灵敏度下降。我们可利用 3GPP 的频带内阻隔测试 （blocking test） 来决 定接收机的频带内二阶截取点（IP2），这个截取点代表接收机
11、的二阶线性特性。阻隔测试会在目标讯号频带附近 （例如10 MHz 和15 MHz 等两种测试 ） 加入一个振幅很大的调变 干扰源，然后评估接收机在不增加位错误率情形下对这些不必要讯号的抑制能力。另一种 称为互调测试的3GPP测试对于10 MHz的频带内IP2要求更严苛，这是因为互调测试的 干扰讯号实际上比阻隔测试的阻隔讯号还大10 dB。在频带外要求的部份，3GPP规格虽定义4种不同的阻隔频宽，但IP2需求实际上仍由发射泄漏讯号决定，这是因为发射泄漏 讯号实际上就像是调变后的阻隔讯号。双工器的隔离能力相当有限（50 dB），这使得发射讯号泄漏功率会有很大一部份进入接收机的输入端。假设Power
12、 Class III手机的最大输出功率为24 dBm，那么为了将1.5 dB的典型双工器插入损耗纳入考虑，功率放大器就必须 提供更大输出功率。此时发射功率泄漏值应为-24.5 dBm，设计人员还应指定另一个对应于发射频率的IP2，并为接收机设定基本的IP2要求。接收机若出现多个不同频率的讯号，就可能在同样频率位置产生互调变讯号而对目标讯号 造成干扰，这类互调变讯号是由放大器和混波器等某些接收机方块的非线性特性造成。谐 波和互调变讯号的阶数越高，其功率就越低，因此代表三阶线性特性的接收机三阶截取点(IP3)就变得极为重要。我们可利用 3GPP互调变测试决定接收机的频带内IP3,这项测试 会在距离
13、目标讯号 10 MHz 和 20 MHz 的位置加上干扰讯号。频带外阻隔讯号测试其实就 包含了频带外IP3，这是因为在距离接收频带某个频宽的位置若出现调变阻隔讯号，而且 在该频宽两倍的位置又出现发射机泄漏讯号,则接收频率就会像在互调变测试一样出现三 阶互调变积；事实上，这正是发射机泄漏讯号的影响，也是发射机泄漏讯号对接收机效能 的另一项限制。误差向量幅度 (Error Vector Magnitude， EVM) 是接收机系统性能的上层指针，它能深入 显示讯号失真情形以及接收机引入接收讯号的噪声。 3GPP 规格指定发射机的误差向量幅 度最大值为 17.5%，但对接收机则没有任何规定，这是因为
14、接收机效能是由位错误率来表 示。误差向量幅度是每个符码的理想调变向量与实际调变向量之间的差值，它和讯号杂波 比一样可在没有基频的情形下以收发器输出接脚为界将整个接收机的质量量化，这对于收 发器尚未完全导入手机系统的设计特别有用，例如在评估某个收发器评估电路板或发展与 基频无关的无线电时。对于指定的任何基频，误差向量幅度最大值通常为15%，我们也能利用包含误差向量幅度与位错误率关联性的系统模型导出此结果。除了误差向量幅度外， 我们还能在没有基频的情形下直接在收发器的输出接脚评估接收机的输出讯号增益分布(gain profile)和相位延迟涟波(phase delay ripple。这是因为振幅涟
15、波和讯号延迟都会引入 干扰而造成灵敏度下降和减弱接收讯号之间的正交分离度(orthog onal separatio ng系统仿真结果和相关文献都指出频带内讯号的失真度应比振幅涟波小 0.8 dB 以及比群延迟时间 (group delay) 少 120 ns。接收机最后还要满足全双工操作要求以及使用者对 WCDMA 手机的期望。许多 GSM 用户 将来都可能升级到 WCDMA ，他们希望新手机至少有同样水平的效能或提供更长的手机 通话与待机时间。然而 WCDMA 接收机和发射机在全双工模式下却会持续操作，使得接 收机负载周期增加，平均耗电量也超过采用分时技术的 GSM 系统。耗电量因此成为不增 加电池体积和成本情形下继续维持原有通话时间和待机时间的关键。一种有效的接收机设 计策略是在满足 ACS 和互调变要求的同时，不要预留过多效能空间以避免耗电量过大和 简化设计，进而让设计兼具低噪声系数和低整体耗电量预算等优点。表 2 即为接收机所应 满足的最低要求。ParameterCon diti onImplied Requireme ntNFBand I 33 dBIP210 MHz offset-16 dBmIP210 MHz offset; per intermodulation test 4 dBmIP215 MHz offset 8 dBmIP2TX Leaka
