频综的指标分解和器件选型成功应用

2015-05-30 12:29但小莉

中国新通信 2015年18期

但小莉

【摘要】本文主要介绍了在LTE系统的RRU设备中射频本振的设计的指标分解和选型过程做了较为详细的阐述，帮助设计者提供系统指标分解和锁相环器件选型的基本方法。

【关键词】射频本振指标分解相位噪声 EVM

一、问题的提出

无线通讯中，基站的核心功能是完成射频和基带信号之间的频率变化，频率变化需要提供本振信号完成上下变频的功能。为满足系统指标，如何确定本振的指标参数是否满足系统要求？怎样选择合适的器件，达到预定的指标？本文较为详细的阐述射频本振锁相环设计的设计过程。

二、解决方案

2.1发射链路对本振的要求

本振的相位的噪声影响系统的发射调制精度。LTE系统3GPP要求64QAM调制模式下发射的调制精度：EVM≤8%。

影响EVM的因素主要有：数字中频、发射通道非线性、本振相位噪声等，具体指标分配为：

中频输出的EVM为：2.5%；发射通道的噪声和非线性的EVM为：2.5%；本振的相位噪声为：2%；其它因素的EVM：1%；系统分配本振对EVM的影响要求：EVM<2%。

假设相位误差很小，则EVM和相位误差的关系可由下式表示：

均方根相位误差等于相位噪声在整个频率里的积分，根据图 1相位噪声频谱图，我们得到相位误差RMSnoise和相位噪声的关系如公式（2）。

根号下的第二项很小，考虑实际的值往往比我们估算的值稍差一点，忽略第二项。因此，我们在近似计算时，取p=4，则（2）式可以近似为：

其中fc为环路带宽，k为相位噪声。RMSnoise=1.15°，带到（3）式中，当环路带宽选择10KHz时，得到：-79.37dBc/Hz@offset10kHz。当环路带宽如果取1KHz时，得到：-69.37dBc/Hz@offset1kHz。取5dB的余量，则带内的相位指标要求为：-75dBc/Hz@offset1kHz，-85dBc/Hz@ offset10kHz。

PLL带外的相位噪声主要由VCO的相位噪声决定，对于VCO在转角频率外以20dB/Decade恶化，VCO的转角频率一般都在1k以内，根据带内的相位指标可以得到远端的相位噪声要求为：-105dBc/Hz@offset100kHz，-125dBc/Hz@ offset1MHz。

2.2接收链路对本振的要求

由于倒易混频的影响，本振的相位噪声对接收链路的ACS、阻塞和交调指标都有影响，由于ACS指标的干扰信号离有用信号最近，对本振的相位噪声要求最严格，以ACS指标作为接收指标对相位噪声指标的依据。

邻道选择性指标要求：有用信号功率为-100dBm，干扰信号中心频率偏离有用信号所在信道边缘的距离为2.5025MHz时，系统能够在干扰信号平均功率≥-47dBm的情况下满足吞吐量的指标要求。

设基带对应的信噪比要求为2dB，故系统允许的最高噪声功率为-102dBm。

噪声功率分配：

1、热噪声功率按60%计算；

2、通道非线性互调产生的噪声占总噪声的5%；

3、镜频产生的噪声占总噪声的5%；

4、本振倒易混频产生的噪声为-107.5dBm，占总噪声的30%；

本文主要对本振倒易混产生的噪声进行分析。接收链路中倒易混频的产生按照5M的ACS计算，信道两侧各存在0.25MHz的保护带，偏移本振0.5025MHz-5.0025MHz范围的相噪为-107.5-（-47）=-60.5dBc，考虑1.5dB余量，即积分相位噪声不超过-62dBc。

考虑到偏离本振频率较近，相位噪声不能近似为平坦直线，做折线近似，假设相位噪声1MHz处比500kHz小5dB，5MHz比1MHz处小15dB。计算得要求的单边噪声功率谱密度为：-124dBc/Hz@1MHz。

通过以上接收链路和发射对本振的要求，得到系统相位噪声的要求为：-75dBc/Hz@1kHZ，-85dBc/Hz@10kHZ，-105dBc/Hz@100kHZ，-125dBc/Hz@1MHz。

根据系统要求，如何根据锁相环芯片的数据手册，估算是否能够达到我们期望的指标？

对于带内的相位噪声，锁相环贡献的噪声主要由锁相环的归一化噪底（PN1Hz）、鉴相器噪声和N分频器的噪声贡献。

用公式（4）进行估算：

系统噪底（Synthesizer Phase-Noise Floor）如图 2所示是-172dBc/Hz，此值是带内噪声减去20log（N）后的值，也就是PH1HZ+10log（Fcomp）=-172dBc/Hz的值，根据上面的测试条件，鉴相频率为25kHz的情况下测试，则得到PH1HZ=-172dBc/Hz-10log（Fcomp）=-216dBc/Hz。根据此参数可以估算带内的相位噪声理论值。

根据公式（4），得到如果在参考频率为10M，鉴相频率2M，输出频率1878M情况下的带内噪声为：-216dBc/ Hz+59.5+63=93.5dBc/Hz。

环路滤波器的带内对参考的噪声是没有抑制的，还需再加上参考的噪声归一到输出频率上的噪声，系统选用的10M参考在1kHZ和10kHZ上的噪声分别为-130dBc/Hz，-140dBc/Hz，则根据公式（5），可以估算参考带来的噪声：

1kHz的噪声：-130dBc/Hz+20*log（187.8）=-85dBc/Hz

10kHz的噪声：-140dBc/Hz+20*log（187.8）=-95dBc/Hz

带内的噪声加上参考的噪声后就是理论上应该得到：

1kHZ的噪声：-93.5dBc/Hz-85dBc/Hz =-85dBc/Hz

10kHZ的噪声：-93.5dBc/Hz-95dBc/Hz =-91dBc/Hz

对于带外的相位噪声主要由VCO决定。从图 4给出的数据可以估算出带外的相位噪声分别为：

100kHZ的噪声：-110dBc/Hz

1MHZ的噪声：-133dBc/Hz

通过以上器件选型估算，得到器件输出评估值：-85dBc/ Hz@1kHZ，-92dBc/Hz@10kHZ，-110dBc/Hz@100kHZ，-133dBc/Hz@1MHz。

对比系统对本振的要求，选用的锁相环芯片在参考频率为10M，鉴相频率为2M的情况下，满足系统使用的要求。通过实践验证，本振实现指标满足估算值，经过整机性能的测试，本振性能指标也均满足上下行性能指标要求。