利用RF功率檢測器控制CDMA移動臺和接入終端功率

每個移動臺對于同一蜂窩內和相鄰蜂窩的用戶來說都是一個干擾信號源，因此良好的發(fā)射功率控制對于提高CDMA系統(tǒng)通信性能和容量來說都十分重要。本文介紹的CDMA系統(tǒng)中的閉環(huán)功率控制方法能有效控制移動臺功率，文章還介紹了高精度RF功率檢測器LMV225實現(xiàn)功率控制的實際應用。

CDMAIS-95蜂窩網(wǎng)絡自從1996年開始商業(yè)化以來，已證明CDMA技術是推進蜂窩式個人通訊產(chǎn)業(yè)發(fā)展的最佳無線技術。據(jù)CDMA發(fā)展組織(CDG)報告稱，2004年前六個月CDMA用戶增長2,400萬，全世界的總用戶數(shù)達到2.125億。所有主流的第3代標準，如CDMA2000、W-CDMA和TD-SCDMA都以CDMA作為接入方法。CDMA基于擴頻調制技術，而擴頻原理又建立在香農(nóng)信息理論基礎之上。香農(nóng)容量定律規(guī)定，在加性白高斯噪聲中信道容量為：

其中：Csh為信道傳輸容量，單位是bps；BRF為信道帶寬，單位是Hz；SNR為信噪比。

與窄帶系統(tǒng)(即BRF較小)相比，要實現(xiàn)相同容量的Csh，寬帶系統(tǒng)(即BRF較大)需要的信噪比SNR較小。從另一方面來講，在給定帶寬BRF的信道中，較高的SNR有更大的傳輸容量。這意味著，如果所有用戶都傳輸相同量的數(shù)據(jù)，同一信道可以擁有更多的用戶。

功率控制在CDMA反向鏈路中的重要性

由于任何移動臺都可以看作是對同一基站覆蓋區(qū)域中其他用戶以及鄰近蜂窩手機用戶的干擾源，因此移動臺的發(fā)射功率控制對于CDMA運行性能和系統(tǒng)容量來說十分重要。因此，處于運行狀態(tài)中的移動臺越多，系統(tǒng)內的干擾就越大；移動臺發(fā)射能量越低，總的干擾也就越低。也就是說，在射頻載波帶寬BRF內的SNR越高, 系統(tǒng)容量Csh就越大。

功率控制方案主要是將移動臺的發(fā)射能量設置到最低水平，這樣基站就可以從各移動臺接收到相近功率電平的信號。在該條件下，基站輸入端的信噪比為：SNR=1/(M-1)，M是該基站的用戶總數(shù)。

綜合上述，在CDMA系統(tǒng)中實行功率控制的主要好處有：

1. 增加系統(tǒng)容量

2. 最小化Near-Fare效應

3. 降低移動臺的功耗

移動臺或接入終端的IS-95和CDMA2000功率控制

功率控制的特征是通過估計最佳發(fā)射能量水平, 并對網(wǎng)絡或基站發(fā)送的功率控制指示作出響應, 來控制反向鏈路中干擾信號電平。

在CDMA IS-95和CDMA2000 1X中，基站決定功率控制；而在CDMA2000 EV-DO中，接入終端執(zhí)行功率控制。兩種標準的功率控制方案是相似的，它采用兩種功率控制方法，即開環(huán)控制和閉環(huán)控制。

1. 開環(huán)功率控制

開環(huán)方法是利用移動臺接收器的功率水平PRX來估計前向鏈路損耗，然后指定移動臺的初始發(fā)射功率PTX，這樣基于不同用戶終端選擇(如蜂窩、PCS或是3G)，前向和反向鏈路的功率之和保持為一個常量，即PTX+PRX為常數(shù)。PRX通過Eb/Io計算得到，它由移動臺的數(shù)字信號處理器(DSP)測量。

得到了初始的PTX之后，移動臺和基站均開始閉環(huán)控制。根據(jù)所執(zhí)行的CDMA標準，基站給移動臺發(fā)送一個誤差信號，指示移動臺增加或減少一個單位的能量。

2. 閉環(huán)功率控制

閉環(huán)功率控制包含兩個步驟：外環(huán)(僅基站進行)和內環(huán)(移動臺和基站同時進行)，在IS-95和CDMA 1X中閉環(huán)控制可以達到800Hz的功率控制速率。

閉環(huán)功率控制的主要目的是為了根據(jù)基站的測量結果，最小化信號多徑傳播損耗所造成的快速衰減效應。結合使用外環(huán)和內環(huán)兩個閉環(huán)功率控制過程，可以在20毫秒的幀間間隔中做到20～35dB的衰減補償，動態(tài)范圍可達80dB。

a. 外環(huán)閉環(huán)功率控制

在外環(huán)中，基站每20毫秒為接收器的每一個幀規(guī)定一個目標Eb/Io(從移動臺到基站)。出現(xiàn)幀誤差時，該Eb/Io值自動按0.2~0.3為單位逐步減少，或增加到3～5dB。

整個外環(huán)閉環(huán)控制步驟只與基站有關，而與移動臺無關。

b. 內環(huán)閉環(huán)功率控制

在內環(huán)，基站每1.25毫秒比較一次反向信道的Eb/Io和目標Eb/Io，然后指示移動臺降低或增大發(fā)射功率，這樣就可以達到目標Eb/Io。對于CDMA2000，功率變化幅度單位在±0.25dB～±0.5dB之間，而對于CDMA IS-95，功率變化幅度為±1.0dB。其修正的速率為800bps。

CDMA移動臺中功率控制的硬件實現(xiàn)

總之，CDMA IS-95需要移動臺每1.25毫秒以±1.0dB的幅度調整一次發(fā)射功率，而CDMA2000可以是±0.25dB～±0.5dB。圖1所示為手持設備的線性功率放大器信號鏈的一般輸出功率控制。由于CDMA需要很高的線性度，輸出功率放大器通常被偏置在一個固定的增益上，然后該輸出功率水平必須通過增益控制線性驅動放大器進行調整, 該放大器在CDMA移動臺中通常稱為自動增益控制(AGC)放大器。

實驗發(fā)現(xiàn)，由于使用了隔離器(如Murata CE04和CES30)和高精度射頻功率檢測器LMV225，圖2中的射頻發(fā)射結構能夠減少功率放大器的直流功耗。隔離器為功率放大器的輸出提供了一個近乎完美的50歐姆負載，而LMV225能夠檢測精確的發(fā)射功率水平。然后，移動臺的DSP將輸出功率設置到基站所需要的水平。在這一應用電路中，使用了一個電阻器將主信號信道的射頻信號轉移到LMV225的輸入端。此外，還需要一個約100pF的電容器來進行隔直，防止使能控制信號進入主信號通道。由于不希望直流電壓進入功率放大器的輸出端或隔離器，這個隔直電容器十分必要。由于已經(jīng)有了一個隔離器，因此大部分被轉移的射頻能量都是來自發(fā)射功率放大器。來自天線的反射能量將轉移到隔離器的內建50歐姆負載上，很少能夠到達電源放大器的輸出或LMV225。因此，被耦合到LMV225的功率可以用20log[R1/(R1+50)]來估算。