頻綜的指標(biāo)分解和器件選型成功應(yīng)用

但小莉

【摘要】 本文主要介紹了在LTE系統(tǒng)的RRU設(shè)備中射頻本振的設(shè)計(jì)的指標(biāo)分解和選型過程做了較為詳細(xì)的闡述，幫助設(shè)計(jì)者提供系統(tǒng)指標(biāo)分解和鎖相環(huán)器件選型的基本方法。

【關(guān)鍵詞】 射頻本振 指標(biāo)分解 相位噪聲 EVM

一、問題的提出

無線通訊中，基站的核心功能是完成射頻和基帶信號(hào)之間的頻率變化，頻率變化需要提供本振信號(hào)完成上下變頻的功能。為滿足系統(tǒng)指標(biāo)，如何確定本振的指標(biāo)參數(shù)是否滿足系統(tǒng)要求？怎樣選擇合適的器件，達(dá)到預(yù)定的指標(biāo)？本文較為詳細(xì)的闡述射頻本振鎖相環(huán)設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)過程。

二、解決方案

2.1發(fā)射鏈路對(duì)本振的要求

本振的相位的噪聲影響系統(tǒng)的發(fā)射調(diào)制精度。LTE系統(tǒng)3GPP要求64QAM調(diào)制模式下發(fā)射的調(diào)制精度：EVM≤8%。

影響EVM的因素主要有：數(shù)字中頻、發(fā)射通道非線性、本振相位噪聲等，具體指標(biāo)分配為：

中頻輸出的EVM為：2.5%；發(fā)射通道的噪聲和非線性的EVM為：2.5%；本振的相位噪聲為：2%；其它因素的EVM：1%；系統(tǒng)分配本振對(duì)EVM的影響要求：EVM<2%。

假設(shè)相位誤差很小，則EVM和相位誤差的關(guān)系可由下式表示：

均方根相位誤差等于相位噪聲在整個(gè)頻率里的積分，根據(jù)圖 1相位噪聲頻譜圖，我們得到相位誤差RMSnoise和相位噪聲的關(guān)系如公式（2）。

根號(hào)下的第二項(xiàng)很小，考慮實(shí)際的值往往比我們估算的值稍差一點(diǎn)，忽略第二項(xiàng)。因此，我們?cè)诮朴?jì)算時(shí)，取p=4，則（2）式可以近似為：

其中fc為環(huán)路帶寬，k為相位噪聲。RMSnoise=1.15°，帶到（3）式中，當(dāng)環(huán)路帶寬選擇10KHz時(shí)，得到：-79.37dBc/Hz@offset10kHz。當(dāng)環(huán)路帶寬如果取1KHz時(shí)，得到：-69.37dBc/Hz@offset1kHz。取5dB的余量，則帶內(nèi)的相位指標(biāo)要求為 ：-75dBc/Hz@offset1kHz，-85dBc/Hz@ offset10kHz。

PLL帶外的相位噪聲主要由VCO的相位噪聲決定，對(duì)于VCO在轉(zhuǎn)角頻率外以20dB/Decade惡化，VCO的轉(zhuǎn)角頻率一般都在1k以內(nèi)，根據(jù)帶內(nèi)的相位指標(biāo)可以得到遠(yuǎn)端的相位噪聲要求為：-105dBc/Hz@offset100kHz，-125dBc/Hz@ offset1MHz。

2.2接收鏈路對(duì)本振的要求

由于倒易混頻的影響，本振的相位噪聲對(duì)接收鏈路的ACS、阻塞和交調(diào)指標(biāo)都有影響，由于ACS指標(biāo)的干擾信號(hào)離有用信號(hào)最近，對(duì)本振的相位噪聲要求最嚴(yán)格，以ACS指標(biāo)作為接收指標(biāo)對(duì)相位噪聲指標(biāo)的依據(jù)。

鄰道選擇性指標(biāo)要求：有用信號(hào)功率為-100dBm，干擾信號(hào)中心頻率偏離有用信號(hào)所在信道邊緣的距離為2.5025MHz時(shí)，系統(tǒng)能夠在干擾信號(hào)平均功率≥-47dBm的情況下滿足吞吐量的指標(biāo)要求。

設(shè)基帶對(duì)應(yīng)的信噪比要求為2dB，故系統(tǒng)允許的最高噪聲功率為-102dBm。

噪聲功率分配：

1、熱噪聲功率按60%計(jì)算；

2、通道非線性互調(diào)產(chǎn)生的噪聲占總噪聲的5%；

3、鏡頻產(chǎn)生的噪聲占總噪聲的5%；

4、本振倒易混頻產(chǎn)生的噪聲為-107.5dBm，占總噪聲的30%；

本文主要對(duì)本振倒易混產(chǎn)生的噪聲進(jìn)行分析。接收鏈路中倒易混頻的產(chǎn)生按照5M的ACS計(jì)算，信道兩側(cè)各存在0.25MHz的保護(hù)帶，偏移本振0.5025MHz-5.0025MHz范圍的相噪為-107.5-（-47）=-60.5dBc，考慮1.5dB余量，即積分相位噪聲不超過-62dBc。

考慮到偏離本振頻率較近，相位噪聲不能近似為平坦直線，做折線近似，假設(shè)相位噪聲1MHz處比500kHz小5dB，5MHz比1MHz處小15dB。計(jì)算得要求的單邊噪聲功率譜密度為：-124dBc/Hz@1MHz。

通過以上接收鏈路和發(fā)射對(duì)本振的要求，得到系統(tǒng)相位噪聲的要求為：-75dBc/Hz@1kHZ，-85dBc/Hz@10kHZ，-105dBc/Hz@100kHZ，-125dBc/Hz@1MHz。

根據(jù)系統(tǒng)要求，如何根據(jù)鎖相環(huán)芯片的數(shù)據(jù)手冊(cè)，估算是否能夠達(dá)到我們期望的指標(biāo)？

對(duì)于帶內(nèi)的相位噪聲，鎖相環(huán)貢獻(xiàn)的噪聲主要由鎖相環(huán)的歸一化噪底（PN1Hz）、鑒相器噪聲和N分頻器的噪聲貢獻(xiàn)。

用公式（4）進(jìn)行估算：

系統(tǒng)噪底（Synthesizer Phase-Noise Floor）如圖 2所示是-172dBc/Hz，此值是帶內(nèi)噪聲減去20log（N）后的值，也就是PH1HZ+10log（Fcomp）=-172dBc/Hz的值，根據(jù)上面的測試條件，鑒相頻率為25kHz的情況下測試，則得到PH1HZ=-172dBc/Hz-10log（Fcomp）=-216dBc/Hz。根據(jù)此參數(shù)可以估算帶內(nèi)的相位噪聲理論值。

根據(jù)公式（4），得到如果在參考頻率為10M，鑒相頻率2M，輸出頻率1878M情況下的帶內(nèi)噪聲為：-216dBc/ Hz+59.5+63=93.5dBc/Hz。

環(huán)路濾波器的帶內(nèi)對(duì)參考的噪聲是沒有抑制的，還需再加上參考的噪聲歸一到輸出頻率上的噪聲，系統(tǒng)選用的10M參考在1kHZ和10kHZ上的噪聲分別為-130dBc/Hz，-140dBc/Hz，則根據(jù)公式（5），可以估算參考帶來的噪聲：

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

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

帶內(nèi)的噪聲加上參考的噪聲后就是理論上應(yīng)該得到：

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

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

對(duì)于帶外的相位噪聲主要由VCO決定。從圖 4給出的數(shù)據(jù)可以估算出帶外的相位噪聲分別為：

100kHZ的噪聲：-110dBc/Hz

1MHZ的噪聲：-133dBc/Hz

通過以上器件選型估算，得到器件輸出評(píng)估值：-85dBc/ Hz@1kHZ，-92dBc/Hz@10kHZ，-110dBc/Hz@100kHZ，-133dBc/Hz@1MHz。

對(duì)比系統(tǒng)對(duì)本振的要求，選用的鎖相環(huán)芯片在參考頻率為10M，鑒相頻率為2M的情況下，滿足系統(tǒng)使用的要求。通過實(shí)踐驗(yàn)證，本振實(shí)現(xiàn)指標(biāo)滿足估算值，經(jīng)過整機(jī)性能的測試，本振性能指標(biāo)也均滿足上下行性能指標(biāo)要求。

三、總結(jié)

本文為射頻本振的設(shè)計(jì)者提供設(shè)計(jì)參考，幫助設(shè)計(jì)者理解射頻本振在系統(tǒng)中的地位和本振指標(biāo)的由來。為設(shè)計(jì)者提供了鎖相環(huán)器件選型的基本方法。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]《PLL Designer》， Dean Baneriee