開關(guān)電源紋波對(duì)射頻收發(fā)系統(tǒng)性能影響

王賽賽，卜 剛，方 芳

(南京航空航天大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，江蘇 南京 211100)

開關(guān)電源紋波對(duì)射頻收發(fā)系統(tǒng)性能影響

王賽賽，卜 剛，方 芳

(南京航空航天大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，江蘇 南京 211100)

研究了使用開關(guān)電源為射頻系統(tǒng)供電時(shí)，射頻系統(tǒng)對(duì)于電源紋波的容忍度。從電源紋波泄漏到基帶信號(hào)、電源紋波與射頻信號(hào)混頻兩方面研究了電源紋波對(duì)系統(tǒng)的影響，并根據(jù)協(xié)議規(guī)范，確定出電源紋波值。在IEEE 802.11g協(xié)議下，通過仿真得出電源紋波應(yīng)控制在15 mV以下。

開關(guān)電源；電源紋波；射頻收發(fā)機(jī)

在射頻通信系統(tǒng)中，耗電主要集中于射頻功率放大器上，高效率的射頻功放對(duì)于電子系統(tǒng)降低功耗具有較大幫助。尤其是隨著通訊技術(shù)的發(fā)展，各種復(fù)雜調(diào)制技術(shù)的應(yīng)用，使得系統(tǒng)所要發(fā)射的信號(hào)功率變化范圍很大，如OFDM技術(shù)等。此時(shí)，射頻功率放大器為保證信號(hào)的線性度，通常采用功率回退技術(shù)。然而傳統(tǒng)的功率回退技術(shù)對(duì)功放輸出能力浪費(fèi)并造成了嚴(yán)重的功率消耗。為避免這一問題，采用包絡(luò)消除與恢復(fù)技術(shù)能夠有效提升功率放大器在放大復(fù)雜包絡(luò)信號(hào)時(shí)的效率。

包絡(luò)消除與恢復(fù)技術(shù)是一種動(dòng)態(tài)電源調(diào)制技術(shù)。對(duì)于包絡(luò)消除與恢復(fù)功率放大器，其中的重要組成部件包絡(luò)幅度調(diào)制器，一般采用開關(guān)電源或線性放大器與開關(guān)電源混合的結(jié)構(gòu)組成。然而開關(guān)電源在輸出上卻存在較大紋波，這一紋波被稱為開關(guān)電源紋波[1]。同時(shí)這些紋波對(duì)于通信系統(tǒng)中的射頻收發(fā)模塊具有直接影響，因此在使用該結(jié)構(gòu)時(shí)，需討論射頻系統(tǒng)對(duì)其所引入的開關(guān)電源紋波的容忍度。

1 系統(tǒng)建模

1.1 包絡(luò)消除與恢復(fù)功率放大器結(jié)構(gòu)

如圖1所示，為包絡(luò)消除與恢復(fù)功率放大器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，其原理為從攜帶有包絡(luò)信息與相頻信息的射頻信號(hào)中提取出包絡(luò)信號(hào)，然后對(duì)包絡(luò)信號(hào)和攜帶相頻信息的射頻信號(hào)分別放大，此時(shí)由于射頻信號(hào)的幅度一致可采用效率較高的開關(guān)類放大器，對(duì)于包絡(luò)信號(hào)，一般采用開關(guān)電源或線性放大器與開關(guān)電源混合結(jié)構(gòu)組成的包絡(luò)幅度調(diào)制器進(jìn)行放大，然后利用電源調(diào)制方式恢復(fù)到射頻信號(hào)中[2-4]。

圖1 包絡(luò)消除與恢復(fù)功率放大器結(jié)構(gòu)

該種結(jié)構(gòu)能夠有效的提升功率放大器在放大復(fù)雜包絡(luò)信號(hào)時(shí)的效率，但同時(shí)結(jié)構(gòu)中所引入的電源紋波也是不可忽略的。

1.2 收發(fā)系統(tǒng)及放大器結(jié)構(gòu)建模

為研究射頻收發(fā)系統(tǒng)對(duì)于該結(jié)構(gòu)所帶來的電源紋波的容忍度，本文在ADS仿真環(huán)境下，基于IEEE 802.11g通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，建立射頻收發(fā)模塊，同時(shí)添加包絡(luò)消除與恢復(fù)功率放大器結(jié)構(gòu)模型[5-8]。

該發(fā)射機(jī)模型基于IEEE 802.11g規(guī)范的2.4 GHz ISM頻段，采用超外差式發(fā)射機(jī)，數(shù)字調(diào)制使用OFMD調(diào)制方式，54 Mbit·s-1的數(shù)據(jù)速率，中頻為380 MHz，信道間隔20 MHz。基帶信號(hào)先通過中頻調(diào)制，然后與載波信號(hào)混頻，由放大器(包絡(luò)消除與恢復(fù)功率放大器)放大后被接收機(jī)接收，最后使用誤碼率檢測(cè)模塊進(jìn)行檢測(cè)和頻譜儀進(jìn)行頻譜分析。

2 電源紋波的影響及限定因素

2.1 電源紋波泄漏到基帶

電源紋波在電路中會(huì)泄露到基帶中，隨同基帶信號(hào)上變頻通過收發(fā)系統(tǒng)被當(dāng)做有用信號(hào)處理。這部分噪聲將會(huì)對(duì)發(fā)射機(jī)的發(fā)射頻譜MASK以及最大連續(xù)波發(fā)射功率產(chǎn)生影響。其中，IEEE 802.11g在ISM頻段規(guī)定的發(fā)射機(jī)發(fā)射頻譜MASK如圖2所示，并且根據(jù)FCC的規(guī)定，在ISM頻段，對(duì)于最大連續(xù)波輸出功率的限制，當(dāng)發(fā)射信號(hào)功率達(dá)到1 W時(shí)，最大連續(xù)波輸出功率應(yīng)該低于8 dBm。計(jì)算可得當(dāng)發(fā)射功率為24 dBm時(shí)，最大連續(xù)波輸出功率應(yīng)約為2 dBm[9-11]。

圖2 20 MHz信道發(fā)射頻譜MASK限定

2.2 電源紋波與射頻信號(hào)混頻

電源紋波作用在射頻信號(hào)上，對(duì)射頻信號(hào)進(jìn)行調(diào)幅，在頻域上表現(xiàn)為對(duì)原頻譜搬移，然后在疊加到原頻譜上，此部分產(chǎn)生噪聲類似于背景噪聲。該種調(diào)制會(huì)對(duì)信號(hào)的信噪比產(chǎn)生影響，從而惡化誤碼率BER和誤包率PER。為研究這部分對(duì)于電源紋波的限定，從誤包率PER方面考慮。在ISM頻段，IEEE 802.11g中規(guī)定，PER應(yīng)低于10%[11-12]。

3 添加電源紋波測(cè)試與分析

3.1 電源紋波泄漏到基帶的測(cè)試

在射頻收發(fā)系統(tǒng)的基帶信號(hào)處理模塊中，添加噪聲模塊模擬電源紋波，設(shè)定電源紋波不同紋波值，觀測(cè)發(fā)射機(jī)輸出端頻譜，確定該部分對(duì)電源紋波容忍度。測(cè)試結(jié)果如圖3和圖4所示。

圖3 開關(guān)電源紋波為對(duì)頻譜MASK影響

圖4 開關(guān)電源紋波為對(duì)最大連續(xù)波功率影響

從測(cè)試結(jié)果可得，電源紋波在泄漏到基帶時(shí)，為保證射頻發(fā)射機(jī)的發(fā)射頻譜MASK和最大連續(xù)波輸出要求，電源紋波值應(yīng)控制在約15 mV。

3.2 電源紋波與射頻信號(hào)混頻的測(cè)試

電源紋波作用在射頻信號(hào)上，對(duì)其進(jìn)行調(diào)制，頻譜發(fā)生搬移，得到信號(hào)與原信號(hào)疊加，額外產(chǎn)生噪聲，對(duì)誤碼率BER和誤包率PER產(chǎn)生影響。同時(shí)，在收發(fā)系統(tǒng)中，接收機(jī)也會(huì)產(chǎn)生各種噪聲以及空間帶來的熱噪聲，在通信系統(tǒng)中，分析工程應(yīng)考慮接收機(jī)的非理想特性。對(duì)于實(shí)際的接收機(jī)，噪聲系數(shù)可作為這一部分的衡量指標(biāo)。接收機(jī)噪聲系數(shù)公式

(1)

其中，SNRin和SNRout為輸入輸出信噪比；Si為接收機(jī)接收功率；So為接收機(jī)輸出功率；Ni為接收機(jī)輸入噪聲功率；No為接收機(jī)輸出端噪聲功率。輸出噪聲可以等效到接收機(jī)輸入端，由式(1)推導(dǎo)可得等效輸入噪聲

Ne=Na+Ni=NF×Ni

(2)

根據(jù)接收機(jī)接收靈敏度的計(jì)算公式，得到噪聲系數(shù)

NF=Smin=174-101g BW-SNRmin

(3)

其中，SNRmin表示接收機(jī)允許最小信噪比；NF為噪聲系數(shù)；BW為信號(hào)帶寬。

在通信系統(tǒng)中，接收機(jī)的解碼器對(duì)信號(hào)的信噪比有最低的要求，存在接收門限，即為保證正常通信，接收機(jī)對(duì)于其接收信號(hào)存在最小的信噪比。同SNR存在關(guān)系

(4)

其中，R為碼率。通過仿真掃描Eb/No與PER的關(guān)系，在保證IEEE802.11g所要求的PER<10%的條件下，Eb/No應(yīng)在20 dB以上。協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)要求信號(hào)帶寬BW=20 MHz，碼率R=54 Mbit·s-1，則根據(jù)式(4)得，SNR應(yīng)在24 dB以上。由式(3)，在Smin=-70 dBm時(shí)，得到NF應(yīng)約為7 dB, 保留一定裕度取NF=5 dB[10]。 則接收機(jī)的輸入信噪比為31 dB。

同時(shí)電源紋波所帶來的噪聲由電源紋波與射頻信號(hào)在射頻開關(guān)放大器電源調(diào)制端調(diào)幅產(chǎn)生，電源紋波在電源調(diào)制端的功率可由如下公式得到

Prip=Psig-SNR

(5)

其中，Prip為電源紋波功率；Psig為射頻信號(hào)功率；SNR為發(fā)射機(jī)端信噪比，對(duì)于OFDM調(diào)制方式，其PAR(峰值平均功率比)為10 dB，則在供電電源為5 V時(shí)，射頻功率放大器包絡(luò)信號(hào)平均功率為14 dBm。當(dāng)發(fā)射機(jī)端信噪比為37 dB時(shí)，由式(5)得，電源紋波在電源調(diào)制端的功率Pripple=-23 dBm，等效電源紋波為22 mV(其中功率在50 Ω等效阻抗得到)[13-15]。

在考慮到接收機(jī)的非理想特性后，電源紋波與射頻信號(hào)混頻后產(chǎn)生影響測(cè)試結(jié)果如表1所示。其中引入噪聲為發(fā)射機(jī)輸出端測(cè)試所得，而BER和PER是在發(fā)射機(jī)輸出信號(hào)衰減至-70 dBm后在接收機(jī)輸出端測(cè)得。

表1 電源紋波與射頻信號(hào)混頻的影響

通過測(cè)試結(jié)果可得，電源紋波值應(yīng)控制在約15 mV，與之前理論值22 mV基本吻合。綜合之前分析，系統(tǒng)整體對(duì)于電源紋波容忍度應(yīng)約在15 mV。

4 結(jié)束語

在使用開關(guān)電源為射頻系統(tǒng)供電時(shí)，需考慮電源紋波對(duì)于射頻收發(fā)系統(tǒng)性能的影響，本文分別研究了電源紋波泄漏到基帶信號(hào)中和電源紋波與射頻信號(hào)發(fā)生混頻產(chǎn)生額外噪聲時(shí)的影響。通過系統(tǒng)建模與仿真，分別研究電源紋波在兩種情況下的影響，綜合分析后得到射頻收發(fā)系統(tǒng)對(duì)于電源紋波的容忍度。此分析過程不局限于某一通信協(xié)議下，對(duì)于不同通信標(biāo)準(zhǔn)，可根據(jù)特定協(xié)議規(guī)范，制定出相應(yīng)指標(biāo)，再以此為規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)對(duì)電源紋波值進(jìn)行確定。該分析對(duì)于開關(guān)電源在射頻供電中的應(yīng)用做出了實(shí)證性研究。

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The Study of Switching Mode Power Supply Induced Ripple’s Influence on RF Transceiver System

WANG Saisai，BU Gang，F(xiàn)ANG Fang

(School of Electronic and Information Engineering,Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,Nanjing 211100,China)

This paper studies the tolerance of RF transceiver system to power supply induced ripple when the system is supplied by a switching mode dc-dc converter. The model of a IEEE802.11g RF transceiver system was built using ADS, then the effects of the leakage of power supply induced ripple to the baseband signal and the mixing of the ripple voltage with the RF signal have been studied. Then the maximum supply induced ripple voltage has been derived to be 15 mV according to the IEEE802.11g standard of communication protocol.

switching mode power supply; power ripple;RF transceiver

2016- 11- 25

王賽賽(1992-)，男，碩士研究生。研究方向：模擬集成電路，射頻電路設(shè)計(jì)。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.09.001

TN86

A

1007-7820(2017)09-005-04