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WCDMA智能选频直放站研制

2008-05-08
作者:何松柏, 游飞, 王斌, 李源

摘 要:为保证基站上行底噪,在WCDMA移动通信系统网络优化" title="网络优化">网络优化中,采用选频直放站" title="直放站">直放站的方案。阐述了WCDMA智能选频直放站实现方案,以及实现该方案的关键单元电路和直放站性能指标分析,给出了相应的实验结果。该系列直放站已用于中国电信杭州、苏州等地WCDMA实验网中。
关键词:WCDMA 选频直放站线性功率放大器ARM嵌入式系统


  移动通信运营商为了提高网络质量,必须不断对网络优化,扩大覆盖区。如果采用新建基站的方法,成本过于昂贵。采用直放站是性能价格比较高的方法。直放站实际上是一种双向信号放大器,起着延伸基站覆盖范围和消除盲区的作用。直放站作为一种网络辅助手段在完善网络覆盖、优化和改善服务质量、提高运营效益等方面起着十分重要的作用。它既可以用于室外局部盲点覆盖,也可以作为信号源应用于室内分布系统。
  根据IMT-2000规划,在3G中,无论是WCDMA还是TD-SCDMA,与2G相比,突出特点是容量大、覆盖小,多余的容量为直放站提供信号源。随着中国3G牌照的发放,在建网初期为了节约投资和扩大覆盖范围,会使用大量的直放站[1~3]
  WCDMA移动通信系统无线直放站的应用如图1所示。直放站通过施主天线(link antenna)接收基站(BS)的信号,经过放大等信号处理,经重发天线(service antenna)发射到空中供移动台(MS)接收,该信号经过的路径称为下行链路。同理,重发天线接收MS信号经直放站上行链路处理后经施主天线发射到空中供BS接收。直放站必须满足3GPP相关标准[4],还要关注其智能化程度以及整机的可靠性等。
  通常直放站采用宽带放大方式,即天线接收到的信号经直接放大再发送出去,这样,会增加基站上行接收机的噪声电平。本文在分析宽带直放站缺点的基础上,提出了采用选频直放站的方案,并分析了实现选频直放站的关键单元电路。最后,给出了相应的实验结果,研制的WCDMA系列智能选频直放站已用于中国电信杭州、苏州等地WCDMA实验网中。
1 WCDMA智能选频直放站实现方案
  直放站用于网络优化中,会引入噪声电平
  PNR=FKTBGH       (1)
  式中, F是直放站上行链路噪声系数,K=1.38×10-23J/K,T是单位为K的绝对温度,B为直放站通过信号的带宽,G为直放站上行链路增益。
  在WCDMA移动通信系统网络优化中,如果采用宽带直放站,则基站上行射频信号带宽为60MHz;如果采用选频直放站,可以在60MHz带宽中使用其中任意载频,带宽为5MHz。根据(1)式,选频直放站引入噪声电平比宽带直放站低约10dB,因而对整个系统性能" title="系统性能">系统性能影响更小[5~6]
  选频直放站实现方案如图2所示。直放站主要由双工器、低噪声放大器(LNA)、功率放大器(PA)、选频模块、监控监测模块和电源模块等构成。
  其中选频模块主要实现选择基站工作的载频信道,并用SAW滤波器限制信道带宽。该模块包括上下混频器,本振" title="本振">本振信号源等电路[5]。监控监测模块采用ARM嵌入式系统实现,为系统功能扩展留有很大余地。为了使直放站满足系统性能要求,功率放大器的线性是关键指标[6]


2 关键模块电路分析
2.1 选频模块

  在WCDMA选频直放站中,为了在WCDMA频段的全部或部分频段内选择一个或多个WCDMA指配信道工作,采用了如图3所示的方案。如果本振信号源1和2输出同一个频率,则直放站输入和输出频率一致;如果两个本振信号源频率不一样,就可以实现移频直放站,即可将指配工作频率转换为其他频率进行传输。
  为减小直放站引入噪声对系统性能的影响,这里选SAW滤波器的带宽为5MHz。本振信号源由数字锁相环构成[8],其电路原理如图4所示。这里采用了ADI公司的关键频率综合芯片ADF4360-1[7],该芯片集成了数字锁相环芯片的全部功能和VCO(voltage controlled oscillator),为提高系统集成度、可靠性并实现小型化,打下了基础。这里本振信号源参考时钟频率为10MHz。
  根据WCDMA移动通信系统工作频段要求,这里选用本振频率为2 300MHz~2 600MHz,频率步进为200kHz。频率控制分频比为
  N=5fLO               (2)
  分频比的范围N=11 500~13 000,由分频比引起锁相环输出相位噪声恶化为:
  L(N)=20lgN=81.2~82.3dB    (3)
  其中L(N)为相位噪声。经过合理设计环路参数,本振源输出相位噪声如图5所示。


2.2 线性功率放大器
  在系统中,由于功率放大器的非线性,会对系统性能造成破坏[9]。因此,系统必须采用线性放大器。为了实现线性功率放大器,有回退法、前馈法、预失真等方法。为了在功率放大器的效率和线性之间折衷,采用了射频预失真方法,其原理如图6所示。预失真芯片采用了MAXIM公司的MAX2009[10],该芯片能改善放大器AM/AM和AM/PM失真。
  当功率放大器输出功率为4W时,其邻信道功率抑制比ACPR优于47dBc,该指标符合标准要求[4]。如图7所示。


3 选频直放站测试结果
  选频直放站经过测试,系统总体指标满足3GPP TS25.101、TS25.106和TS25.104几个规范要求。其主要性能指标如表1所示。该系列直放站已用于中国电信杭州、苏州等地WCDMA实验网中。
  在WCDMA移动通信网络优化中,采用直放站是性价比较高的选择。为了减小直放站对系统性能影响,采用选频直放站并用SAW滤波器限制信道带宽,可以减小噪声对基站的影响。本文分析了选频模块、线性功率放大器等模块的原理构成,给出了选频直放站主要性能指标,所研制的直放站符合3GPP相关要求,并在实际建网中得到应用。
参考文献
1苏华鸿,孙孺石.蜂窝移动通信射频工程.北京:人民邮电出版社, 2005
2 Yasushi ITO. Novel repeater with automatic gain control for indoor area. 2005 Asia-Pacific Microwave Conference Proceedings, 2005;(12):2963~2965
3 http://www.tekotelecom.it/index.php?module=CMpro&func=viewpage&pageid=73, 2005
4 3GPP TS25.106 UTRA repeater radio transimission and reception
5 Cotter W.Sayre. Complete wireless design. The McGraw-Hill Companies, Inc, 2004
6 Ramjee Parsad, Werner Mohr, Walter Konhauser, Third Generation Mobile Communication Systems, Artech House, 2000
7 http://www.analog.com/UploadedFiles/Data_Sheets/816331135ADF4360_1_b.pdf, 2005
8 何松柏,李明玉.无线通信系统中本振信号源相位噪声影响分析.电波科学学报, 2004;19(5)
9 何松柏,邓洪敏. 射频信道非线性对QPSK信号影响分析.系统工程与电子技术, 2003;25(2)
10 http://www.maxim-ic.com/quick_view2.cfm/qv_pk/3984/ln/,2005

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