基于WiMAX技術(shù)的5.8G無(wú)線(xiàn)專(zhuān)網(wǎng)射頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)

WiMAX作為一項(xiàng)無(wú)線(xiàn)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(shì)，且具有維護(hù)成本低、架設(shè)方便、建設(shè)成本低等特點(diǎn)。對(duì)于這樣一種新興且富有前途的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，國(guó)內(nèi)已經(jīng)進(jìn)行研發(fā)的機(jī)構(gòu)和企業(yè)總體來(lái)說(shuō)卻仍然較少，市場(chǎng)上可以見(jiàn)到的基本上都是境外產(chǎn)品，價(jià)格也較高。研制開(kāi)發(fā)無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)產(chǎn)品對(duì)于促進(jìn)我國(guó)無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)的發(fā)展具有重要的意義。但作為一項(xiàng)新技術(shù)，射頻技術(shù)設(shè)計(jì)具有相當(dāng)?shù)碾y度，尤其是5.8G頻段，對(duì)于功放的線(xiàn)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?cè)O(shè)計(jì)的基于WiMAX技術(shù)5.8G無(wú)線(xiàn)專(zhuān)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(hào)提供一個(gè)無(wú)線(xiàn)的收發(fā)通道。在發(fā)射時(shí)隙，基帶I，Q信號(hào)通過(guò)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(hào)經(jīng)濾波、功率放大后，由天線(xiàn)發(fā)送至遠(yuǎn)端；在接收時(shí)隙，天線(xiàn)接收的遠(yuǎn)端傳來(lái)的信號(hào)，經(jīng)低噪聲放大后，通過(guò)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(guò)125芯的插座與基帶板相連，與基帶板連接信號(hào)通過(guò)125芯的插座傳輸，射頻信號(hào)通過(guò)MCX連接器安裝于PCB板上，并直接輸出到收發(fā)天線(xiàn)。

2 射頻收發(fā)模塊

2.1 高集成度芯片

選用頂級(jí)公司中頻芯片與射頻芯片作為本無(wú)線(xiàn)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(guò)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(jiǎn)化設(shè)計(jì)，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(xiàn)性的特點(diǎn)只需要一個(gè)中頻濾波器，同時(shí)還包含兩個(gè)中頻和射頻頻率合成器，一個(gè)高速的數(shù)字可變?cè)鲆娣糯笃?，其增益控制范圍達(dá)50 dB。

中頻芯片功能：在發(fā)射時(shí)隙內(nèi)完成I／Q基帶信號(hào)上變頻為380 MHz的固定中頻信號(hào)；在接收時(shí)隙內(nèi)完成接收的380 MHz的固定中頻信號(hào)下變頻為零中頻的I／Q基帶信號(hào)。

射頻芯片功能：在發(fā)射時(shí)隙內(nèi)，完成380 MHz的固定中頻信號(hào)上變頻到所需的RF信道頻率；在接收時(shí)隙內(nèi)完成接收的RF信號(hào)放大并下變頻為380 MHz的固定中頻信號(hào)。

2.2 線(xiàn)性功率放大器

在數(shù)字微波通信系統(tǒng)中，功放的非線(xiàn)性失真對(duì)信號(hào)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(jí)功放的P1dB輸出功率以下10 dB(考慮收發(fā)開(kāi)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(shí)，末級(jí)功放的P1dB至少應(yīng)為28 dBm。我們選用高效的線(xiàn)性功放，輸出功率為21.5 dBm時(shí)，EVM為3％，此指標(biāo)對(duì)于發(fā)射機(jī)的發(fā)射星座誤差指標(biāo)起決定性作用，整個(gè)發(fā)射系統(tǒng)的EVM指標(biāo)要求見(jiàn)表1。

2.3 接收靈敏度及接收AGC控制

接收機(jī)靈敏度是接收系統(tǒng)的重要技術(shù)指標(biāo)，對(duì)802.16d系統(tǒng)而言，其接收機(jī)靈敏度可通過(guò)以下公式來(lái)計(jì)算：

Rss=-102+SNRrx+10Log((Fs*200)／256)

對(duì)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(duì)64QAM-3／4而言，其歸一化信噪比要求為24.4 dB。

通過(guò)計(jì)算Rss=-72.6 dBm。

接收機(jī)靈敏度與噪聲系數(shù)之間滿(mǎn)足關(guān)系式：

Rss=-174 dBm+101g BW+NF

因此要滿(mǎn)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(jī)的NF足夠小。我們選用的LNA噪聲系數(shù)優(yōu)于1.7dB，完全滿(mǎn)足指標(biāo)要求。

SS的接收靈敏度要求如表2所示(BER≤10-6)。

在通信系統(tǒng)中，接收機(jī)都要用到自動(dòng)增益控制(AGC)電路來(lái)提高接收機(jī)的動(dòng)態(tài)控制范圍，使強(qiáng)輸入信號(hào)不至于使接收機(jī)飽和而產(chǎn)生很大失真，小信號(hào)不至于使接收機(jī)解調(diào)器檢測(cè)不到而完全丟失，即為系統(tǒng)提供適當(dāng)?shù)脑鲆婧途€(xiàn)性度而滿(mǎn)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(shí)應(yīng)保證接收系統(tǒng)在0 dBm的輸入信號(hào)時(shí)，系統(tǒng)不至于損壞；最小接收電平(即調(diào)制方式為BPSK時(shí)的接收機(jī)靈敏度)-91 dBm，AGC控制范圍91 dB。接收增益控制采用三級(jí)增益控制方案：第一級(jí)在LNA處，兩級(jí)LNA均具有旁路開(kāi)關(guān)功能，可以將電流設(shè)置到0，并實(shí)現(xiàn)最小的插入損耗。當(dāng)接收到大信號(hào)時(shí)，旁路模式可調(diào)整動(dòng)態(tài)的接收增益范圍達(dá)26 dB以上；第二級(jí)在5.8 GHz的射頻信號(hào)處，射頻芯片中含有15 dB的增益控制范圍；第三級(jí)在380 MHz中頻信號(hào)處，中頻芯片中帶有高速的數(shù)字VGA控制，其范圍達(dá)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(jí)的輸出端他會(huì)使輸入信號(hào)發(fā)生變化。由于數(shù)字信號(hào)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(duì)64QAM調(diào)制方式來(lái)講，要求在RF輸出頻率，偏置1 kHz，相位噪聲要求-88 dBc／Hz。同時(shí)射頻本振頻率漂移(即頻率穩(wěn)定度)使解調(diào)過(guò)程中產(chǎn)生相位誤差，致使有效信號(hào)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(hù)對(duì)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±1.5×10-6。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(jìn)行頻率合成，基準(zhǔn)源采用高穩(wěn)定晶體產(chǎn)生。

3 測(cè)試結(jié)果

測(cè)試按照基于802.16的固定寬帶無(wú)線(xiàn)接入點(diǎn)對(duì)點(diǎn)射頻技術(shù)要求測(cè)試各項(xiàng)指標(biāo)，采用AGILENT儀表E4438C作為信號(hào)源，E4440C作為矢量信號(hào)分析儀進(jìn)行測(cè)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(jiàn)圖3。接收信號(hào)電平-30～-91 dBm，最小接收信號(hào)電平低于-91 dBm(BPSK調(diào)制方式)。

4 結(jié) 語(yǔ)

將5.8 GHz無(wú)線(xiàn)專(zhuān)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?？梢噪p向傳輸10～50 Mb／s以太網(wǎng)數(shù)據(jù)，并且傳輸電影圖像畫(huà)面、聲音，效果都很好。