无线应用领域位流到天线的信号发送

2006-05-07 15:50:06来源: 电子产品世界

无线应用中(如移动电话),典型的发送通路尽可能多休用数字处理,这是因为可用很低功率的器件,而且信号性能不随时间和温度变化。图1示出一个无线应用(如移动电话)的典型发送通路,这是一种采用DSP/FPGA的方案。在图1中,DAC占据主要位置,它是模拟和数字部分之间的接口。此设计也包含一个处理语音的声码器以及可以执行简单Web游览器和e-mail程序的硬件。

参照标准的风格设计,无线发射应用(位流到天线)的性能主要是物理和数据链路层的功能。错误检测和更正通常是数据链路的功能。物理层的性能是基于模拟性能指标(如SINAD信号对噪声和失真比)基础上的。不同的DAC性能可影响SINAD性能。

某些处理,如信号滤波、源编码和数据压缩是用编码器、PFGA和DSP来执行。在数字域的格编码对于优化干扰环境的误差是实用的,而自乘余弦滤波器可以改善多通路干扰的性能,多通路干扰可导致交互符号干扰(ISI)。标准低通和带通滤波器也可在DSP中实现,以改善SINAD性能。这些功能用DSP实现具有成本低,而且容易重新编程,而用于不同的发送应用。

新型无线系统

在80年代,廉价的无线模拟电话服务用的技术已变得成熟。在美国是用AMPS(高级移动电话业务)模拟蜂窝系统实现的。AMPS用FDMA在800MHz频段分配416个信道。每个信道被调频,带宽为30kHz。随着技术的改进,蜂窝系统需要较大的容量、控制和可编程性,从而推出D-AMPS(IS-5A和IS-136)数字系统。这些系统采用TDMA和π/4DQPSK调制,把每30kHz频段截断为3个时间间隙来实现适当的位率。数字性能使寻址和声音邮递这样的服务变为可能。为了提供逆向兼容性,D-AMPS在800MHz频段覆盖有AMPS。这导致双模电话的激增。在美国,另一个新的角色是个人通信系统(PCS-1900)。PCS的用TDMA技术在1.9GHz频段发送的数字系统。信道分配非常类似于GSM。在这种系统中,发送信号分为200kHz信道,每个信道可以处理8个用户。

新型数字系统采用多种发送调制方法。有限的可用带宽,迫使设计人员尽可能地提高效率。不同的调制方法达到不同的结果。正交调幅或QAM提供两倍的AM效能,两个信道在同一时间同一频宽上发送。这两个正交信号通常称之为同相和正交或I和Q信道。因为正交性,所以在接收器中可以精确地检测两个信道。

Analog Devices 公司为QAM应用提供双DAC家族,可使I和Q信道简单的合成。AD9709,9763,9765和9767具在单个并行输入端口交叉存取I和Q数据的能力,然后,分路传输此信息到正确的DAC输出。这些DAC可适用于8位、10位、12位和14位数据。

QPSK(正交相移键控)是QAM的变异,在QPSK中发送信号也络保持恒定幅值。这可使性能更强,在发送通路中可以用线性较差的元件,如B类放大器。QPSK的缺点是在QPSK中的符号数与QAM相比要受限制,导致QPSK因有的较低位率。

现在广泛采用的一种比较复杂的调制方法是CDMA (Code Dependent Multiple Access 码从属多址)。在CDMA系统中,通常基带信息信号用一个带限伪随机数字位汉调制,有时称之为Walsh码或Gold码,它在给定的位数(一般为64位)之后重复自己。基作用是调制和基带信号和频率扩展。独立的信道用正交或几乎正交位时序在同一带宽内发送。接收器用相同的扩频代码解调方法可从很多信道中选择一个信道。频率扩展度(解调信号带度)近似等于伪器声时序的位率(通常称之为片率)。标准CDMA系统片率为1.25,4和8Mchips。

CDMA性能难以量化,这涉及到深奥的统计分析。但是,已开发的最大频谱效率的无线接口是有前途的。扩展代码的近似(不是完全)正交性意味着信道之间的干扰不是完全消除。所以,一个强信号可在一个弱信号信道中引起干扰。对于基部和单个用户来说,功率控制是非常重要的。在CDMA系统中尽最大的努力来达到不同条件下有相等的功率电平。甚至信道之间风dB功率差可导致系统能力大大下降。

总系统性能

根据Shannon定则,若系统中的位发送率低于系统带宽的一定比率,则理论上系统可运行在零误码率(BER)。Shannon定则要求为特定位发送率的给定系统提供(信噪比)。现代通信网络采用不同的编码方法,使SNR限制在几dB内,其BER范围为le10~le12。

信号链路中的不同元件对SNR和SINAD的影响是不同的。通常,发送信号链路的设计是从具有特定性能的天线开始。根据每个信号链路元件的性能设想,可以估算连路中每个部分的误差预算。

信号链路元件

DSP性能分析的优点是数字化,可简单仿真,也可基本知道噪声和失真特性。与信号链路模拟部分不同的是,这些很好确定的特性将不随信号幅度、寄生干扰或电平噪声变化。往往用功耗、每秒计算量和编程的容易性确定DSP。

在DSP中,用低通滤波改善SINAD(用模拟滤波器不容易实现)也是非常有用的。滤波器功能,如理想的零和Hilbert变换可用数字方法实现,但用模拟滤波器来实现就很困难,这是因为模拟滤波器的元件容限、漂移和大小所致。

最好的例子是升余弦滤波器(RCF),这种滤波对于降低码间的干扰是非常有用的。码间干扰是在发送码上固有的频带限制所致。频带限制导致能量扩展到相邻的码元(见图2)。在所指明的取样瞬间,这种频外的能量引起失真和可能的误码。RCF的脉冲响应是正弦函数(图3)。假若调谐RCF仿真零相交发生在邻近码元的取样点,则码间干扰的影响最小。

DAC性能问题

数/模变换器合成所希望的信号和误差信号(图5)。误差信号由几部分组成。首先是量化噪声,它是DAC位数的函数,而失真是线性度的函数。变换器的高频像频结果示于图6。像频的频率低赖于取样频率(FS)。像频和失真分量可干扰邻近信道的信号并引起频带内假频干扰信息信号,使BER恶化。低通滤波器可抑制高频分量,但产生假频返到频带内,增大DAC的取样率能容易降低它。所以,DAC的位数和最大取样率通常是设计中最重要的考虑。

当综合处理高频率时,DAC的性能会有所降低。结果,在高频时,一个14位变换器只有10~12位性能,甚至更低。SINAD很容易从有效位数(ENOB)求得。

SINAD=6N+1.76

式中N是位数。

所希望的信息信号FM是aFs±bFM中的信频和失真分量,式中"a"表示取样频纺的谐波、"b"表示信息信号的失真分量(见图6)。这些像频可出现在高频,但也可发生在靠近信息信号的低频。

工业标准DAC具有电流源输出特性。这意味着在DAC输出和信号链路中,下一个元件之间必须有某种电流电压变换形式。通常来自这些器件的满标电流由DAC外部的一个电阻设置。因为满标电流可大大地影响DAC的功耗,所以降低些电流可更多地节省功率预算。然而,功率的降低会使SINAD和SNR性能降低。

注意,像频信号与信息信号相同,是由于DAC的取样率调制和振幅减小(因为Sinx/x衰减)。习惯上,Sinx/x衰减和DAC有限的高频性能使设计人员避免用这些像频做为IF信号。然而,最近的设计改进,使DAC具有足够的高频性能可用像频做为IF信号。此过程往往称之为直接IF变换。插入法DAC也是最近的革新,允许数据定时在一时钟、插入用一个数字FIR滤波器,然后在2xak 4x输入速率的速率从DAC输出。

调制器

在调制器传统的形式中,调制器混频带有频率载波(FC)的基带信号,以实现所希望的上变换。用模拟器件会使信息信号增加噪声和失真。新设计中采用QAM调制(图7),在此必须注意可能降低信号性能的几种其他特性。

在QAM应用中,一个数据流(I数据)用熟悉的FC调频调制。另一个数据流(Q数据)用FC为90°是非常重要的。偏离90°会失去正交,而且I和Q信号的小分量分互相出现在对方,这样会导致SINAD性能下降。这种相移用模拟元件实现相当困难,所以新的设计往往用数字合成正弦和余弦调制信号。在数字方法中可以严格设置相移为90°,而且相移不随漂移、温度变化。

QAM调制性能的另一特点是本地振荡器的馈通。因为内部耦合及调制器输入间的补偿,所以FC的缩减振幅形式呈现在调制器输出中。然后,信号馈入其余的信号链路并且由天线发送。因为很多无线应用是电池供电的,而且对功耗非常敏感,所以这种不希望的信号传送相当于使系统性能降低。内部耦合引起的LO馈通是调制器设计的一个功能,它不会消除或降低。由I和Q输入端固有的dc补偿所引起的LO馈通可以降低,是采用补偿相应的数字数据到DAC的办法,此办法尽管在实验室很容易做到,但在产品中实现是相当困难的,这是因为补偿存在漂移而控制环路需要补偿。

模拟滤波选择

管理机构,如美国的FCC对发送器在邻近信号频段所产生的功率量有严格的规定。基于此原因,往往定义一个特殊的标志来确定对载波频率的频率补偿上可发送多少功率。不同的带通设计可实现上述要求。在100MHz到2.5GHz范围,往往采用表面声波(SAW)滤波器。小封装的SAW滤波器提供带通应用所需的陡的衰减。在高频往往用波导来达到所希望的性能。

功率放大器

和其他模拟信号链路元件一样,放大器增加失真和噪声并消耗较多的功率。功率放大器也需要其有动态增效调谐功能,如CDMA应用。

发送信号链路的一部分特性,有时可适用于链路另一部分。例如,前面提到的采用QPSK,允许用低线性、低功率放大器实现。

基部设计习惯采用各向同性天线。但在电池供电的系统设计中需要考虑功率,故采用相相控阵天线,使信号聚焦在相当窄的射束上。数字合成成功地用于实现这些设计所需的精确相位补偿。

关键字:无线  无线应用  应用  领域

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