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  • 2016-11-28 17:14
主题:  常见通信RF指标的内在和意义
动态范围,温度补偿与功率控制

动态范围,温度补偿和功率控制很多情况下是“看不到”的指标,只有在进行某些极限测试的时候才会表现出它们的影响,但是本身它们却体现着RF设计中最精巧的部分。

“重剑无锋,大巧不工。”

——独孤求败。

射机动态范围

发射机动态范围表征的是发射机“不损害其他发射指标前提下”的最大发射功率和最小发射功率。

“不损害其他发射指标”显得很宽泛,如果看主要影响,可以理解为:最大发射功率下不损害发射机线性度,最小发射功率下保持输出信号信噪比。

最大发射功率下,发射机输出往往逼近各级有源器件(尤其末级放大器)的非线性区,由此经常发生的非线性表现有频谱泄漏和再生(ACLR/ACPR/SEM),调制误差(PhaseError/EVM)。此时最遭殃的基本上都是发射机线性度,这一部分应该比较好理解。

最小发射功率下,发射机输出的有用信号则是逼近发射机噪声底,甚至有被“淹没”在发射机噪声中的危险。此时需要保障的是输出信号的信噪比(SNR),换句话说就是在最小发射功率下的发射机噪声底越低越好。

在实验室曾经发生过一件事情:有工程师在测试ACLR的时候,发现功率降低ACLR反而更差(正常理解是ACLR应该随着输出功率降低而改善),当时第一反应是仪表出问题了,但是换一台仪表测试结果依然如此。我们给出的指导意见是测试低输出功率下的EVM,发现EVM性能很差;我们判断可能是RF链路入口处的噪声底就很高,对应的SNR显然很差,ACLR的主要成分已经不是放大器的频谱再生、而是通过放大器链路被放大的基带噪声。

接收机动态范围

接收机动态范围其实与之前我们讲过的两个指标有关,第一个是参考灵敏度,第二个是接收机IIP3(在讲干扰指标的时候多次提到)。

参考灵敏度实际上表征的就是接收机能够识别的最小信号强度,这里不再赘述。我们主要谈一下接收机的最大接收电平。

最大接收电平是指接收机在不发生失真情况下能够接收的最大信号。这种失真可能发生在接收机的任何一级,从前级LNA到接收机ADC。对于前级LNA,我们唯一可做的就是尽量提高IIP3,使其可以承受更高的输入功率;对于后面逐级器件,接收机则采用了AGC(自动增益控制)来确保有用信号落在器件的输入动态范围之内。简单的说就是有一个负反馈环路:检测接收信号强度(过低/过高)-调整放大器增益(调高/调低)-放大器输出信号确保落在下一级器件的输入动态范围之内。

这里我们讲一个例外:多数手机接收机的前级LNA本身就带有AGC功能,如果你仔细研究它们的datasheet,会发现前级LNA会提供几个可变增益段,每个增益段有其对应的噪声系数,一般来讲增益越高、噪声系数越低。这是一种简化的设计,其设计思想在于:接收机RF链路的目标是将输入到接收机ADC的有用信号保持在动态范围之内,且保持SNR高于解调门限(并不苛求SNR越高越好,而是“够用就行”,这是一种很聪明的做法)。因此当输入信号很大时,前级LNA降低增益、损失NF、同时提高IIP3;当输入信号小时,前级LNA提高增益、减小NF、同时降低IIP3。

温度补偿

一般来讲,我们只在发射机作温度补偿。

当然,接收机性能也是受到温度影响的:高温下接收机链路增益降低,NF增高;低温下接收机链路增益提高,NF降低。但是由于接收机的小信号特性,无论增益还是NF的影响都在系统冗余范围之内。

对于发射机温度补偿,也可以细分为两部分:一部分是对发射信号功率准确度的补偿,另一部分是对发射机增益随温度变化进行补偿。

现代通信系统发射机一般都进行闭环功控(除了略为“古老”的GSM系统和Bluetooth系统),因此经过生产程序校准的发射机,其功率准确度事实上取决于功控环路的准确度。一般来讲功控环路是小信号环路,且温度稳定性很高,所以对其进行温度补偿的需求并不高,除非功控环路上有温度敏感器件(譬如放大器)。

对发射机增益进行温度补偿则更加常见。这种温度补偿常见的有两种目的:一种是“看得见的”,通常对没有闭环功控的系统(如前述GSM和Bluetooth),这类系统通常对输出功率精确度要求不高,所以系统可以应用温度补偿曲线(函数)来使RF链路增益保持在一个区间之内,这样当基带IQ功率固定而温度发生变化时,系统输出的RF功率也能保持在一定范围之内;另一种是“看不见的”,通常是在有闭环功控的系统中,虽然天线口的RF输出功率是由闭环功控精确控制的,但是我们需要保持DAC输出信号在一定范围内(最常见的例子是基站发射系统数字预失真(DPD)的需要),那么我们就需要将整个RF链路的增益比较精确的控制在某个值左右——温补的目的就在于此。

发射机温补的手段一般有可变衰减器或者可变放大器:早期精度稍低以及低成本精度要求较低的情况下,温补衰减器比较常见;对精度要求更高的情形下,解决方案一般是:温度传感器+数控衰减器/放大器+生产校准。

发射机功率控制

讲完动态范围和温度补偿,我们来讲一个相关的、而且非常重要的概念:功率控制。

发射机功控是大多数通信系统中必需的功能,在3GPP中常见的诸如ILPC、OLPC、CLPC,在RF设计中都是必需被测试、经常出问题、原因很复杂的。我们首先来讲发射机功控的意义。

所有的发射机功控目的都包含两点:功耗控制和干扰抑制。

我们首先说功耗控制:在移动通信中,鉴于两端距离变化以及干扰电平高低不同,对发射机而言,只需要保持“足够让对方接收机准确解调”的信号强度即可;过低则通信质量受损,过高则空耗功率毫无意义。对于手机这样以电池供电的终端更是如此,每一毫安电流都需锱铢必量。

干扰抑制则是更加高级的需求。在CDMA类系统中,由于不同用户共享同一载频(而以正交用户码得以区分),因此在到达接收机的信号中,任何一个用户的信号对于其他用户而言,都是覆盖在同一频率上的干扰,若各个用户信号功率有高有高低,那么高功率用户就会淹没掉低功率用户的信号;因此CDMA系统采取功率控制的方式,对于到达接收机的不同用户的功率(我们称之为空中接口功率,简称空口功率),发出功控指令给每个终端,最终使得每个用户的空口功率一样。这种功控有两个特点:第一是功控精度非常高(干扰容限很低),第二是功控周期非常短(信道变化可能很快)。

在LTE系统中,上行功控也有干扰抑制的作用。因为LTE上行是SC-FDMA,多用户也是共享载频,彼此间也互为干扰,所以空口功率一致同样也是必需的。

GSM系统也是有功控的,GSM中我们用“功率等级”来表征功控步长,每个等级1dB,可见GSM功率控制是相对粗糙的。

干扰受限系统

这里提一个相关的概念:干扰受限系统。CDMA系统是一个典型的干扰受限系统。从理论上讲,如果每个用户码都完全正交、可以通过交织、解交织完全区分开来,那么实际上CDMA系统的容量可以是无限的,因为它完全可以在有限的频率资源上用一层层扩展的用户码区分无穷多的用户。但是实际上由于用户码不可能完全正交,因此在多用户信号解调时不可避免的引入噪声,用户越多噪声越高,直到噪声超过解调门限。

换而言之,CDMA系统的容量受限于干扰(噪声)。

GSM系统不是一个干扰受限系统,它是一个时域和频域受限的系统,它的容量受限于频率(200kHz一个载频)和时域资源(每个载频上可共享8个TDMA用户)。所以GSM系统的功控要求不高(步长较粗糙,周期较长)。

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发射机功率控制与发射机RF指标

讲完发射机功控,我们进而讨论一下在RF设计中可能影响发射机功控的因素(相信很多同行都遇到过闭环功控测试不过的郁闷场景)。

对于RF而言,如果功率检测(反馈)环路设计无误,那么我们对发射机闭环功控能做的事情并不多(绝大多数工作都是由物理层协议算法完成的),最主要的就是发射机带内平坦度。

因为发射机校准事实上只会在有限的几个频点上进行,尤其在生产测试中,做的频点越少越好。但是实际工作场景中,发射机是完全可能在频段内任一载波工作的。在典型的生产校准中,我们会对发射机的高中低频点进行校准,意味着高中低频点的发射功率是准确的,所以闭环功控在进行过校准的频点上也是无误的。然而,如果发射机发射功率在整个频段内不平坦,某些频点的发射功率与校准频点偏差较大,因此以校准频点为参考的闭环功控在这些频点上也会发生较大误差乃至出错。


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