TD-LTE 發射機系統設計分析

　　摘要

　　隨著數據業務需求的加速，4G 技術將取代 3G 成為未來幾年的主流無線通信技術，而其中具有中國自主知識產權的 TD-LTE 將成為其中的重要部分，本文將介紹目前常用的發射機架構，以及對TD-LTE 發射機的系統指標進行分析，并且結合 TI 的芯片方案，全面介紹支持 TD-LTE 的系統解決方案。

　　術語：DPD（數字預失真）

　　概述

　　具有中國自主知識產權的TD-LTE由于其頻譜利用率高（下行：5bit/S/Hz;上行：2.5bit/S/Hz）；高速率（下行：100Mbps；上行：50Mbps）；低延時（100ms控制面，10ms用戶面），以及靈活的頻譜使用（可變帶寬，1.4MHz;3MHz;5MHz，10MHz，15MHz，20MHz）正越來越受到各個運營商的青睞，到2011年2月，由中國移動主導聯合7家運營商發起成立TD-LTE全球發展倡議（GTI），已發展至48家運營商成員，27家廠商合作伙伴；目前已經有38個運營商計劃部署或正在進行試驗。

　　本文將對TD-LTE的不同架構的發射機系統（包括發射和反饋）的挑戰進行分析，最終根據TD-LTE的空口指標要求進行系統指標分解，提供了TD-LTE發射機設計的思路及依據，同時結合TI的方案分析了發射機鏈路關鍵器件的指標要求。

　　1、TD-LTE 發射機架構概要

　　為了更加深入理解基站發射機系統的系統指標，本節將首先介紹目前在基站系統中常用的幾種架構及各自的優缺點，從而根據不同的要求選擇不同的發射機架構。

　　總的來說，對 TD-LTE 而言，目前最大的挑戰是帶寬， 中國目前有 190MHz（2500-2690）連續帶寬分配給TD-LTE，同時還有很多多頻段的要求（比如 F+A；1880-1920MHz，2010-2015MHz）頻段，等都對發射機，尤其是反饋通道的要求非常高;嚴格的帶外雜散要求，尤其是 F 頻段，對發射機系統而言也是非常大的一個挑戰，另外，高 EVM，低噪底的需求同樣對系統設計是一個挑戰。

　　1.1 零中頻發射，零中頻反饋

　　圖 1 為零中頻發射及零中頻反饋的架構圖，其中調制器（modulator）的輸入頻點為零，解調制（demodulator）的輸出頻點為零，就稱為零中頻發射和反饋。

　　該架構在技術上具有非常大的優勢：

　　1） 發射和反饋可以采用同一個本振信號，節約簡化了系統設計和成本；

　　2） 降低了 ADC 及 DAC 的采樣率要求，尤其是對于寬帶的 TD-LTE 系統，由于 ADC 有出口管制，采用該種架構后，相對于實中頻架構，對 ADC 的采樣率要求降低了一半；

　　3） 由于調制器和解調制的輸入/輸出頻點為零，所以系統沒有和中頻有關的各種雜散信號，大大減少各種濾波器的需求；

　　4） 對 ADC 和 DAC 而言，其輸入/輸出頻點低，本身的性能也大大提高，從而有利于系統設計；

　　5） 采用零中頻后，可以保證 DPD 信號帶內平坦度高，從而利于 DPD 的處理。

　　目前，越來越多的基站發射機系統已經開始采用這種架構了，但是該架構同樣有其弱點：

　　1） 由于采用零中頻架構，其本振泄露和邊帶信號都在信號帶內，沒有辦法通過濾波器來對本振信號和邊帶進行抑制，完全靠算法來進行校準，所以對算法的要求比較高；

　　2） DAC 的低次諧波（二次，三次）都會在帶內，同樣沒有辦法通過濾波器來抑制，所以需要DAC 本身有比較好的二次及三次諧波性能，同時也需要算法對低次諧波進行校準，會導致算法復雜化；

　　3） 由于發射通道和反饋通道都是采用零中頻架構，在做本振泄露和邊帶抑制時，需要區分發射通道的和反饋通道的本振泄露信號，所以在反饋通道中需要增加移相器來區別發射和反饋信號的本振泄露信號。

　　考慮到目前的算法還不能非常好的校準本振泄露，邊帶信號，各種低次諧波信號，對 MCGSM系統，目前還沒有采用該種架構。

　　1.2 零中頻發射，實中頻反饋

　　和圖 1 的架構不同，當反饋通道采用混頻器替代解調器后，就叫實中頻反饋。

　　該方案是目前最通用的架構，相較架構一，最大的區別就是在反饋通道，所以其最大的優點：

　　1） 由于只是發射通道采用零中頻，系統的本振泄露和邊帶校準相對算法比較容易；

　　2） 對反饋通道而言，由于采用數字高中頻的方式，其本振泄露和鏡像信號都可以通過簡單的濾波器濾除，無需做任何校準；

　　3） 由于采用實中頻方案，只需要一路反饋 ADC；

　　4） 降低了 DAC 的采樣率，簡化了 DAC 和調制器間抗混疊濾波器設計（只需要采用低通濾波器）。

　　該架構的缺點在于：

　　1） 對反饋通道的 ADC 采樣率要求非常高，尤其是對 TD-LTE 190MHz 帶寬需求；

　　2） 反饋通道的濾波器會引入 DPD 信號不平坦性問題；

　　3） 需要兩個本振信號目前大多數的基站都采用這種架構。

　　1.3 復中頻發射，復中頻反饋

　　相較圖 1 的的方案，區別是 DAC 的輸出信號為高中頻信號，ADC 的輸入信號為高中頻信號，其優點如下：

　　1） 發射和反饋可以采用同一個本振信號，簡化節約了系統設計和成本；

　　2） 本振泄露和邊帶抑制可以通過濾波器來抑制，對算法要求大大降低；

　　3） 低次諧波信號在帶外，可以通過濾波器來進行抑制，降低了對算法的要求；

　　4） 由于采用復中頻架構，反饋通道的 ADC 的采用率要求降低一半，尤其對寬帶 TD-LTE 系統尤為重要。

　　其缺點：

　　1） 由于 DAC 和 ADC 的信號都是高頻信號，對其性能影響比較大；

　　2） 解調器的線性指標會下降；

　　3） 發射和反饋通道的平坦度性能會比較差，對 DPD 的性能會有比較大的影響由于不需要做直流及邊帶校準，而且可以比較容易支持寬帶信號，在 TD-LTE 上有比較大的潛力。

　　2、TD-LTE 發射機指標分析

　　本節將介紹 TD-LTE 的空口指標要求以及對應的系統指標分配，根據 3GPP TS 36.104 要求，TDLTE 的發射空口指標要求包括：基站輸出功率，基站輸出功率動態范圍；發射機開/關功率；發射機信號質量；unwanted emission;發射互調及其他，下面將針對重要的指標進行分析，分解。

　　2.1 基站輸出功率

　　基站輸出功率是指的天線口的每載波的均值功率，這個指標要求通常是由運營商提出來的，目前TD-LTE 通常要求支持 8 天線 20W（43dBm）的最大功率輸出，3GPP 要求其精度為+/-2dB， 極端條件下保證精度為+/-2.5dB， 但是為了簡化功放設計，以及良好的熱設計，通常要求鏈路保證的功率波動為+/-1dB， 在寬帶信號，尤其是中國的 TD-LTE 190MHz 帶寬，怎樣保證鏈路的功率波動在+/-1dB 以內呢。

　　在選擇鏈路器件時，需要保證在 190MHz 帶內的功率波動盡量小，通常分配給 DAC 和調制的功率波動在+/-0.5dB 以內，目前 TI 的 DAC34H8X+TRF3705 能夠保證+/-0.5dB 的帶內波動要求。

　　除了鏈路器件的選擇要保證比較好波動外，閉環功率校準也是必須的，下表是對閉環校準的要求樣例。

　　2.2 發射機開/關功率

　　發射機開關是專門針對 TD-LTE 的一個指標要求，由于 TD-LTE 采用同頻接收/發射，在發射機關斷后要求其噪底對接收機的影響有控制在一定范圍之內，3GPP 要求其在關斷后功率低于-85dBm/MHz， 歸一化后： -85dBm/MHz=-（85+10*lg10^6）=-145dBm/Hz，考慮到增益，分配到 DAC機調制器的噪底要保證-155dBm/Hz 左右。

　　2.3 發射機信號質量

　　發射機的信號質量包括：頻率誤差；EVM（矢量幅度誤差）;多天線之間的時延同步。

　　2.3.1 頻率誤差

　　3GPP 要求， 調制載波頻率在一個子幀周期 （1ms） 內觀察到的頻率偏差不得超過+/-0.05ppm在 TD-LTE 發射機系統中，由于基帶系統是完全同步的，沒有長期頻率誤差，所以其頻率誤差主要來之于時鐘和頻綜的貢獻。

　　2.3.2 EVM（矢量幅度誤差）

　　3GPP 要求對各種調制信號的要求如下表，通常對設計者而言，需要保留 2-3%的余量。

　　EVM的貢獻對整個發射兩路而言，主要來自于幾部分： 數字處理和鏈路部分。

　　1：CFR （削峰處理）， 為了提高 PA 的效率，削峰是目前結合 DPD 最重要的技術，它對系統的 EVM 有著非常重要的影響，不同的削峰技術性能不同，通常的硬削峰會比較簡單，但是對系統的影響，尤其是對EVM 的影響會比較大，目前常用的方法峰值對消法，雖然要求的資源比較多，但是對整個系統性能是最優的，此處不詳細述具體的 CFR 對 EVM 的影響，但是需要清楚 CFR 對 EVM 有非常重要的影響。

　　2：鏈路部分

　　如下式發射鏈路的通用示意圖，我們可以列出 7 個影響 EVM的因素，本文不做詳細推導，直接應用結論（2）。

　　A： I/Q 之路不平衡，設增益差為 δ dB

　　如果
? ??

　　則可以得到如下 EVM 和增益誤差的關系

　　B： 正交調制器本振移相誤差對β對 EVM 的影響

　　C： 本振泄露￡ 對 EVM 的影響

　　D： 本振相位噪聲 ? 對 EVM 的影響

　　設 G? 為相位噪聲的功率譜密度，則

　　除以上主要影響，通道濾波器的幅頻特性失真，通道濾波器的非線性相位失真，鏈路的非線性失真都會影響發射機的 EVM， 式（5）給出了鏈路總 EVM 的計算式

　　2.3.3 多天線同步時延誤差

　　TD-LTE 除了智能天線要求的多天線之間的相位要求之外，3GPP 對多天線之間的相位誤差也要求不得大于 65ns， 通常分配到發射機信號鏈路的延遲不得大于 30ns， 所以對發射鏈路通常要求調制器共本振，DAC 共時鐘，而且由于 DAC 里面集成了 FIFO，通常還要求 DAC 能夠同步，同時如果多天線之間的相位延遲是固定的，通常需要進行補償，如果多天線之間的相位延遲存在不確定性，需要保證不確定性盡量小。

　　2.4 Un-wanted emissions（雜散輻射要求）

　　Un-wanted emissions 包括帶外輻射和雜散輻射兩部分，帶外輻射是是指發射機工作帶寬的下限頻點到10MHz 距離以內的范圍內的輻射要求，以及上限頻率以上 10MHz 以內范圍的輻射要求，以 UMTS 為列，發射機工作帶寬為 2110-2170MH 在，所以帶外雜散就是指 2100-2110MHz 以及 2170-2180MHz 范圍內的雜散要求；除去帶外輻射要求的頻率范圍內的信號，其他區域的雜散都歸于雜散輻射指標的要求。

　　2.4.1 Operating band unwanted emissions

　　Operating band unwanted emissions 是 Un-wanted emission 中的一種，其近端的貢獻主要來至于 DPD后功放的殘余非線性產物以及本振信號的相位噪聲，而遠端的貢獻主要來之于發射鏈路的噪底，以及DPD 后功放的殘余非線性產物，發射鏈路落在帶內的雜散對遠端輻射也有比較大的影響。

　　如上所示為帶內雜散模板，其中藍色是 FCC 的要求，在偏移 1MHz 時，需要滿足 22dBm/MHz， 而中國移動只需要滿足 3GPP cat A 的需求，在偏移 1MHz 時，需要滿足-11dBm/MHz 的要求，但是為了支持beam forming，需要增加 9dB 的要求，即在偏移 1MHz 時，需要滿足-20dBm/MHz 要求，設功放輸出功率為 20W（43dBm），對 20MHz 的 TD-LTE 信號而言，為了滿足 3GPP 要求。

　　0-1MHz： 43dBm-10*log （18MHz）-（-11dBm/MHz） =40.5dBc

　　1MHz-10MHz： 43dBm-10*log （18MHz）-（-13dBm/MHz） =42.5dBc

　　10MHz： 43dBm-10*log （18MHz）-（--15dBm/MHz） =44.5dBc

　　根據如上的結果，可以分配到 DUC，CFR，調制器，功放等每一級，保證級聯結果不得低于如上的值。

　　2.4 .2 ACLR（鄰道泄露功率抑制比）

　　ACLR 是指主信號的均值功率和領道信號功率的比值，通常 3GPP cat A 要求其可以取滿足于-45dB 的相對比值，或者取-13dBm/MHz 作為絕對的值的領道功率，可以兩者取其輕； cat B 是可以在相對 45dB或者絕對-15dBm/MHz 中取其輕，相對帶內雜散要求來說，ACPR 要求更低，通常是用來評估發射機系統的非線性指標的，在系統中，PA driver， 調制的非線性，本振信號的相位噪聲，以及 DAC 的非線性指標都會影響系統的 ACLR。

　　ACLR 是一個系統指標，對應的 PA driver， 調制器的非線性指標為 OIP3， 粗約的轉化可以表示為：

　　1 載波 ACPR=IIM3I-3dB

　　2 載波 ACPR=IIM3I-9dB

　　4 載波 ACPR=IIM3I-12dB

　　所以可以根據 IM3 算出 OIP3，從而根據 OIP3 的級聯公式可以算出對每一級器件的 OIP3 要求。

　　2.4.3 Transmitter spurious emissions（發射雜散）

　　發射雜散是指 9KHz 到 12.5GHz 頻段，除去帶內雜散以外的所有頻率范圍內的雜散要求，這是一個強制的要求，如下總結了通用的雜散指標，發射通道對接收通道的雜散要求，共存雜散指標，共站址等雜散指標要求，對共存，共站址沒有列出所有的頻率范圍，僅僅列出了一些代表部分，具體的設計需要對照3GPP 里面列出的所有頻率范圍的雜散指標要求。

　　尤其是對接收機的信號干擾，需要保證-96dBm-10*log（100KHz/Hz）=-146dBm/Hz，這是沒有濾波器抑制的，需要保證在發射機關斷后，其輸出的功率極低;對于共站址的-98dBm 雜散要求，需要在設計雙工器的時候針對對應的共站址頻率進行相應的抑制。

　　同時要考慮各種可能的交調產物落在對應的頻率范圍內（有很多計算交調的工具），需要考慮到各種可能的信號，如時鐘頻率及諧波，PLL 頻率及諧波，以及其相互之間的交調產物。

　　2.4.4 發射互調

　　發射互調要求是用來測試發射機抑制自身非線性的能力，測試的干擾信號為 5MHz E-UTRA，均值功率為 43dBm-30dB=13dBm 的信號，其位置分別位于離主信號+/-12.5MHz，+/-7.5MH 在，+/-2.5MHz 處，其交調產物要滿足圖 6 所以的雜散輻射模板。

　　3、TI TD-LTE 發射關鍵器件要求

　　第二節詳細解析了發射機的指標要求，本節將依據其指標要求，結合 TI 的方案介紹重點器件的需求（DAC+調制器，時鐘，頻綜）。

　　3.1 DAC+調制器

　　高帶寬：支持 190MHz BW，需要的 DPD 帶寬至少 600MHz，DAC 數據速率 750MHz。

　?。?50*0.8=600MHz） DAC 采樣率 750*2=1.5Gpbs， DAC34SH84 采樣率 1.5GHz， 支持最大 600MHz 信號帶寬。

　　低噪聲：考慮遠端噪聲模板要求，保留 13dB 余量，DAC+調制的噪聲要求應該低于：-22dBm/MHz-13dB-（-43dBm-（-14dBm））-10lg1MHz=-152dBm/Hz，DAC34SH84 噪底為-156dBm/Hz， TRF3705 噪底 -157dBm/Hz，所以總噪聲為大概為-153dBm/Hz。

　　平坦度：圖 8 為 DAC34SH84+TRF3705 的平坦圖，結合頻率校準，能夠滿足平坦度要求。

　　圖 8 DAC34SH84+TRF3705 平坦度

　　SFDR：考慮單載波信號，帶寬 20MHz， 對帶內雜散指標要求，假設 10%貢獻來自于DAC34SH84+TRF3705，SFDR 需要好于： ［43dBm-10lg （18MHz）］-［（-22dBm）-（10lg1MHz）］-10lg0.1=63dB

　　圖 9 DAC34SH84+TRF3705 SFDR

　　總結

　　本文詳細介紹了發射機的系統指標要求及分解，各種指標對系統的要求，以及關鍵器件的選擇，結合 TI 的方案 DAC34SH84+TRF3705，為 TD-LTE 提供了一套發射機系統方案分析的思路及器件選擇的依據。