測(cè)量CDMA接收機(jī)的阻塞

需求

　　CDMA無(wú)線系統(tǒng)與老式的AMPS工作在同一頻段。AMPS射頻方案把頻率劃分成很多相鄰的窄帶FM信道，而CDMA射頻方案則占用少量的寬帶射頻信道。這樣，CDMA信道規(guī)劃不得不包含現(xiàn)存的AMPS信道，而AMPS作為一個(gè)干擾源將會(huì)降低CDMA鏈路的性能指標(biāo)。

　　在此我們討論影響蜂窩頻段CDMA手機(jī)設(shè)計(jì)和性能的兩種主要機(jī)理：

  　 (    倒易混頻，即在點(diǎn)頻干擾存在的情況下，本振相位噪聲會(huì)阻塞接收到的射頻信號(hào)。

     (    交叉調(diào)制，結(jié)果是來(lái)自手機(jī)發(fā)射機(jī)的泄漏使接收機(jī)低噪放過驅(qū)動(dòng)。

蜂窩頻段頻率規(guī)劃的背景

AMPS服務(wù)頻段位于美國(guó)850MHz蜂窩波段:

     (    824MHz到849MHz上行(手機(jī)中發(fā)射機(jī)反向信道)

     (    869MHz到894MHz下行(手機(jī)中接收機(jī)前向信道)

AMPS頻道以30KHz為間隔，峰值頻偏每個(gè)頻道約占24KHz。

　　CDMA服務(wù)占用同樣的美國(guó)蜂窩頻段，CDMA信道排列與AMPS的30KHz間隔對(duì)準(zhǔn)（即每個(gè)信道跨越好多個(gè)30KHz），每個(gè)CDMA信道占用1.23MHz頻寬。為了管理這一分布，移動(dòng)電話運(yùn)營(yíng)商分配到了12.5MHz的頻段，最近的AMPS信道與最近的CDMA信道邊界相距285KHz（即CDMA邊界離AMPS信道中心距離9個(gè)30KHz AMPS信道加上15KHz），見圖1。

　　當(dāng)最近的AMPS信道比CDMA信號(hào)電平強(qiáng)很多時(shí)，它對(duì)CDMA頻道來(lái)說(shuō)就是一個(gè)單音干擾，干擾頻率偏移是：

1.23MHz CDMA頻道帶寬/2=離信道邊界615KHz

285KHz+615KHz=900KHz

　　這是最近的AMPS干擾信道離指定CDMA信道中心的偏差。這一干擾源的功率強(qiáng)度相對(duì)于被干擾CDMA信道的靈敏度（-101dBm）在3GPP2的空中接口標(biāo)準(zhǔn)中定義為最差情況下（-30dBm）的測(cè)試音調(diào)。

CDMA手機(jī)的單音阻塞

　　單音阻塞是衡量蜂窩電話在距離指定信道中心頻率一定偏差的位置存在窄帶干擾發(fā)射機(jī)時(shí)，接收CDMA信號(hào)的能力。接收機(jī)的阻塞用幀誤碼率（FER）衡量。對(duì)CDMA系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，25個(gè)以上的手機(jī)可以同時(shí)同頻工作（即在同一信道中心頻率上）是它的優(yōu)點(diǎn)。所謂碼分復(fù)用（信道劃分）就是每個(gè)手機(jī)的上行和下行載頻使用了不同的正交擴(kuò)頻碼。為了達(dá)到這一目標(biāo)，CDMA基站必須精確控制每個(gè)手機(jī)的發(fā)射功率，確保所有用戶收到同等的功率。相應(yīng)的，手機(jī)的接收機(jī)必須有很寬的增益控制范圍，當(dāng)手機(jī)離基站最遠(yuǎn)時(shí)，前向鏈路的典型信號(hào)強(qiáng)度只有-101dBm。由于相鄰的AMPS系統(tǒng)并不以同樣方式管理手機(jī)的上行功率，當(dāng)CDMA手機(jī)以它的極限靈敏度接收時(shí)，附近的AMPS基站有可能發(fā)出一個(gè)很強(qiáng)的干擾，這種情況在蜂窩邊界特別容易發(fā)生。

　　幸運(yùn)的是，下行擴(kuò)頻碼的特點(diǎn)使手機(jī)接收機(jī)能夠免受鄰近信道的干擾。窄帶AMPS產(chǎn)生的干擾由手機(jī)的相關(guān)器“平攤”，因此，處理增益（約25dB）降低了它的影響。由于干擾比較顯著，3GPP2規(guī)定了一個(gè)測(cè)試來(lái)保證CDMA接收機(jī)完全能夠處理鄰道干擾。3GPP2中CDMA2000標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了下列阻塞測(cè)試條件：

　　對(duì)于美國(guó)CDMA系統(tǒng)，蜂窩頻段測(cè)試要求最小有效同向輻射功率+23dBm。PCS頻段測(cè)試要求最小有效同向輻射功率+15dBm（測(cè)試1和2），或+20dBm（測(cè)試3和4）。干擾發(fā)射機(jī)的功率規(guī)定為-30dBm（測(cè)試1和2），或-40dBm（測(cè)試3和4）。

　　當(dāng)測(cè)試CDMA前端IC或零中頻接收機(jī)的阻塞時(shí)，重要的是要注意由單音干擾發(fā)射機(jī)構(gòu)成的干擾分量，在測(cè)試裝置中要重建這些影響。影響阻塞的兩個(gè)主要因素是：倒易混頻和交叉調(diào)制。

倒易混頻

　　倒易混頻源于單音干擾發(fā)射機(jī)與接收機(jī)的本振信號(hào)（Rx LO）的混頻。Rx LO存在有限的相位噪聲，它與單音干擾發(fā)射機(jī)混頻，在中頻（IF）段產(chǎn)生一個(gè)干擾分量，對(duì)零中頻系統(tǒng)來(lái)說(shuō)干擾位于基帶（圖2）。接收機(jī)的阻塞規(guī)格是設(shè)定LO相噪要求的關(guān)鍵參數(shù)。對(duì)準(zhǔn)確的阻塞測(cè)量來(lái)說(shuō)，單音干擾發(fā)射機(jī)自身的相噪也會(huì)對(duì)整個(gè)干擾電平有影響。因此，在實(shí)驗(yàn)室里，應(yīng)該選用一個(gè)低相噪的射頻信號(hào)源，以保證阻塞的主要來(lái)源是Rx LO中的相噪，而不是射頻信號(hào)發(fā)生器。舉例來(lái)說(shuō)，參照Maxim的超外差CDMA參考設(shè)計(jì)（版本3.5），使用MAX2538前端IC和MAX2308中頻解調(diào)器，在蜂窩頻段它的串聯(lián)噪聲系數(shù)小于3dB。如果我們假定手機(jī)的雙工器損失約3dB，可以得到：

　　接收機(jī)的噪聲基底 = -174dB/Hz(熱噪基底)+3dB(雙工器損失)+3dB(LNA輸入 - 以系統(tǒng)NF為參考)= -168dB/Hz

　　如果射頻信號(hào)發(fā)生器的相噪比接收機(jī)的噪聲基底低10dB，那么：

　　發(fā)生器相噪 = -168dBm - 10Db -(-30dBm) = -148dBc/Hz

　　其中-30dBm是測(cè)試1和2中規(guī)定的單音強(qiáng)度（表1）。因此，新接收機(jī)的噪聲基底是10log(10((168/10) + 10(-178/10))=-167.6dBm/Hz。由此可見射頻信號(hào)發(fā)生器的 -148dBc/Hz相噪對(duì)接收靈敏度的影響相對(duì)較?。ㄖ挥?.4dB的劣化）。CDMA手機(jī)標(biāo)準(zhǔn)要求在900KHz頻偏處的最小相噪是-144dBc/Hz。假定對(duì)遠(yuǎn)端相噪的響應(yīng)是平坦的（在整個(gè)頻帶為-144dBc/Hz），接收機(jī)的噪聲基底為-167 dBm/Hz，與-168dB/Hz的無(wú)干擾噪聲基底相差1dB。因此CDMA標(biāo)準(zhǔn)允許接收靈敏度可以由于射頻干擾而降低1dB。

表1  CDMA手機(jī)中阻塞的最低要求

參數(shù)

單位

測(cè)試1和3

測(cè)試2和4

離載頻的頻偏

SR1

kHz

+900 (BC 0, 2, 3, 5, 7和9)

+1250 (BC 1, 4和8)

-900 (BC 0, 2, 3, 5, 7和9)

-1250 (BC 1, 4和8)

SR3

kHz

+2500

-2500

功率

dBm

-30 (測(cè)試 1 和 2)

-40 (測(cè)試 3 和 4)

_or

dBm

/1.23MHz

-101

dB

-7

dB

-15.6 (SR1)

-20.6 (SR3)

交叉調(diào)制干擾

　　當(dāng)一個(gè)很強(qiáng)的發(fā)射機(jī)泄漏信號(hào)出現(xiàn)在接收機(jī)的低噪聲放大器（LNA）輸入端時(shí)，會(huì)產(chǎn)生交叉調(diào)制。這一調(diào)制干擾和900kHz處的AMPS信號(hào)在LNA中發(fā)生交叉調(diào)制產(chǎn)生3次非線性諧波，結(jié)果使接收機(jī)的給定射頻信道噪聲功率上升。雖然接收機(jī)的IP3主要取決于混頻器的IP3，但大多數(shù)交叉調(diào)制主要發(fā)生在LNA，由于LNA和混頻器之間有帶通濾波器，到達(dá)混頻器輸入端的發(fā)射機(jī)泄漏得到抑制。

　　為了在接收機(jī)測(cè)試裝置中模擬這一影響，必須在接收機(jī)中注入CDMA反向信道調(diào)制信號(hào)。對(duì)蜂窩頻段而言，假定雙工器收、發(fā)之間的隔離度為52dB，天線到雙工器發(fā)射端口的損失是2dB，那么注入到LNA輸入端的發(fā)射功率（相對(duì)于LNA輸入）= +23dBm(相對(duì)于天線) + 2dB(雙工器損失)-52dB(雙工器收、發(fā)隔離度)=-27dBm。

用CNR方法測(cè)試

　　圖3是測(cè)試蜂窩頻段CDMA接收機(jī)阻塞的完整裝置。同樣的裝置可用于PCS頻段測(cè)試，但是干擾發(fā)射機(jī)的頻偏和功率電平以及發(fā)射信號(hào)的功率電平必須按表1設(shè)定。在這個(gè)測(cè)試裝置中，我們用CNR（載波噪聲比）方法測(cè)量阻塞。靈敏度定義為在95%的時(shí)間內(nèi)幀誤碼率（FER）≤0.5%時(shí)對(duì)應(yīng)的最小接收功率。在CNR測(cè)量中，我們注意到，在3GPP2標(biāo)準(zhǔn)的射頻配置1中，業(yè)務(wù)信道的Ec/Ior 是-15.6dB，相對(duì)于9600bps的數(shù)據(jù)速率，業(yè)務(wù)信道的Eb/Nt = 4.5dB，處理增益是：

　　10log(1.2288Mcps/9600bps)= 21.072dB，因此：

　　Nt(總噪聲功率) = -101dBm (存在單音干擾時(shí)的靈敏度) -15.6dB (業(yè)務(wù)信道的Ec/Ior比) + 21.072dB (9600bps的處理增益) - 4.5dB (所要求的業(yè)務(wù)信道Eb/Nt比) = -100dBm

　　因此，在1.23MHz信道寬度上要求能夠解調(diào)CDMA信號(hào)的CNR是-1dB。在我們的測(cè)試裝置中，我們使用3KHz的RBW，通過比較點(diǎn)頻測(cè)試信號(hào)功率（250KHz處）和整個(gè)615KHz I通道帶寬上的噪聲功率測(cè)試。因?yàn)榻o定的接收信號(hào)功率是-101dBm，而總共允許的噪聲功率是-100dBm，我們可以看到為了滿足系統(tǒng)靈敏度要求，CNR是-1dB。

　　有關(guān)這種測(cè)試方法的詳細(xì)說(shuō)明，請(qǐng)參考Maxim的N-CDMA V4.1參考設(shè)計(jì)，它使用一個(gè)內(nèi)置VCO的零中頻單片接收IC（MAX2585）（圖4）。圖中綠線表示沒有干擾時(shí)的信號(hào)或TX信號(hào)（對(duì)給定信號(hào)，我們用一個(gè)偏離信道頻率250KHz、-101dBm的單音注入信號(hào)取代CDMA前向信道的調(diào)制信號(hào)）。藍(lán)線代表干擾和CDMA TX信號(hào)同時(shí)打開時(shí)噪聲的上升。以下步驟概括了測(cè)試裝置。

     (    調(diào)整系統(tǒng)增益，接收相對(duì)于3dB衰減器-101dBm的輸入信號(hào)，3dB衰減器用來(lái)模擬雙工器的損失。對(duì)MAX2585接收IC，設(shè)定增益使其標(biāo)稱輸出信號(hào)電平為8.5mVrms(50Ω負(fù)載-28.5dBm)。

     (    打開-24dBm的CDMA的發(fā)射信號(hào)(比3dB衰減器接收信道頻率低45MHz)。

     (    打開相對(duì)于3dB衰減器-30dBm的輸入點(diǎn)頻阻塞信號(hào)，觀察噪聲基底。

     (    調(diào)整點(diǎn)頻干擾發(fā)射機(jī)的電平使噪聲基底上升（從0到615KHz的總噪聲功率比給定的信號(hào)電平高1dB）。在這個(gè)例子中，我們從25KHz到615KHz積分噪聲，以避免頻譜分析儀的直流泄漏。

     (    記錄在-1dB CNR時(shí)的干擾發(fā)射電平，計(jì)算阻塞的裕度。

　　在這個(gè)例子中，從25KHz到615KHz的總噪聲功率是-27.5dBm，輸出端得到的點(diǎn)頻信號(hào)是-28.5dBm，它滿足-1dB CNR的要求。單音干擾發(fā)射電平在-1dB CNR時(shí)為-27dBm，表示MAX2585在被測(cè)頻率上滿足阻塞的要求，有3dB的裕度。

結(jié)語(yǔ)

　　本文按3GPP2標(biāo)準(zhǔn)討論了阻塞問題，并指出了產(chǎn)生阻塞的主要來(lái)源，介紹了一種CDMA接收機(jī)測(cè)量阻塞的實(shí)用方法。

圖1  CDMA信道和最近的AMPS載頻的關(guān)系，AMPS載頻是CDMA信道的一個(gè)干擾源

圖2  出現(xiàn)干擾發(fā)射機(jī)時(shí)的倒易混頻

圖3  蜂窩頻段阻塞測(cè)試裝置

圖4  由單音干擾發(fā)射機(jī)和CDMA發(fā)射信號(hào)造成的噪聲上升