Walid W. Ali-Ahmad

Maxim Integrated Products

在CDMA接收机设计中，应仔细考虑交互混合、交叉调制、寄生响应及其它RF问题。本文介绍了CDMA手机接收机部分的模块和前端级的基本规范

 

• 基本结构
  

   

• 前向CDMA信道
  

   

• 灵敏度和动态范围
  

   

• 降低单音灵敏度
  

   

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移动电话工作的恶劣环境对手机设计提出了苛刻的条件。这些条件包括RF前端和DSP后端必须具备高性能，尤其当载波-干扰比(C/I)低于0dB的条件下对接收信号中的语音信息进行解码时。

本文探讨了针对CDMA手机接收机部分的最低RF标准，正如TIA/EIA IS- 98-A标准中所描述的那样。对这些标准的理解可引出用于CDMA蜂窝无线前端的最低可测量RF规范，这种规范会对系统和模块级性能产生极大影响。

扩谱系统的一个主要优点是具有很强的抗干扰能力，同时在背景噪声中隐藏其传输。在基于直接序列扩谱(DS-SS)技术的CDMA系统中，想要的信息载波通过一种包含有伪随机噪声(PN)序列的数字代码来调制。然而，PN序列并不是随机的，它们具有确定性和周期性。

PN代码信号独立于数据，并且具有比所需信息高得多的数据传输率。结果，这种数字代码的带宽比数字系统中传送基带数据所需的最低带宽大得多。

用数字代码调制载波信息时，载波带宽可能与代码带宽一样大。根据所用的调制方式(如二相、四相或最小频移键控)不同，以一定的数量扩谱载波带宽。然后，接收机通过与原PN代码的同步复制进行交叉相关以对这一信号进行“去扩”。

基本结构

在从基站到手机的下行链路一边，每个用户接收的信息都是用不同的数字编码信号和PN序列来编码的。由于PN序列是彼此正交的，它们具有最小的交叉相关性，因此干扰最小。然而，当不同用户的扩谱信号在基站发射机部分被多路复用时，它们会占用相同的传输带宽。这种类型的多路访问就称为码分多址(CDMA)。

从基带CDMA系统的相关器(去扩器)方块图(图1)

可以看出，相关器通过主信息载波信号的扩谱和去扩来提高处理增益。下转换到基带后，CDMA信号与其它干扰信号一起被馈送到CDMA相关器的输入端。当一个相关器PN序列与嵌入到CDMA信号中的PN序列匹配时，期望信息的信号在扩谱之前还原到它原来的带宽。

另一方面，与这个序列不匹配的输入信号(如接收机噪声、CW干扰信号或其它非精确代码同步的其它CDMA信号)通过该相关器PN序列被扩谱到与该PN编码序列相同的一个带宽上。

跟随在去扩器之后并具有与信息带宽相同带宽的数字滤波器可将所需信息载波全部挑选出来，同时仅让部分干扰信号的扩谱码通过。

Eb/Nt定义为：相关器输出端每一信息位的平均能量与有效噪声功率密度之比。噪声功率密度包括热噪声和来自其它干扰源的干扰。对于扩频系统，干扰转换为去扩器中的噪声。干扰门限表示CDMA系统干扰环境下的工作能力。

考虑一个DS- SS系统对单频率CW信号干扰的反应是有益的。有些人可能认为一个CDMA系统受其它CDMA系统的干扰影响最大，但这只有在该干扰信号与期望的信号有高度相关性时才成立。

输入时一个较宽带宽的干扰信号会在去扩器输出端产生一个较宽的带宽。相应的低功率密度向随后的数字滤波器传送很低的功率，结果，该干扰信号对系统性能的影响就较小。因此，可以预言CDMA系统的大多数有效干扰源是窄带信号(如单音CW干扰)，因为一个CW载波在相关器产生的输出功率密度比宽带信号的更高。

前向CDMA信道

在定义一个CDMA手机的接收机性能时，必须考虑从基站到移动站的前向CDMA信道。该前向信道包含一个或多个代码信道，它们在相同的CDMA频率上传输，共享一个通用引导PN代码相位或与基站(或单元分配)相关的偏移量。这些代码信道包括一个引导信道，不多于一个同步信道，以及多达七个寻呼信道和63个通信信道。

这些代码信道共享同样的基站引导PN代码偏移量，但是在移动站接收机端，它们被一组基于Walsh函数的64位二进制正交PN码区分开来。因为一个通信信道仅为单个用户传输信号，主要对话音信息编码，因此只须集中讨论如何得到前向通信信道的接收机性能。

手机声音合成器输出的全话音信息速率是9.6Kbps。为了在接收机端进行错误检测与纠正，所传输的话音信息经卷积编码、交叉存取以减慢衰减，然后加密编码。接下来，经编码、交叉和加密过的单用户通信信道符号由一指定的正交Walsh代码对其进行BPSK调制，然后由一对基站PN代码对其进行QPSK调制。单用户通信信道的最后数据传输率等于码片(chipping)率(即1.2288Mcps)。

在基站的发射机输出端，通信信道、引导信道、同步和寻呼信道都经多路复用且分配给相同的无线频率。因此，每个用户通信信道的功率表示这一前向CDMA信道总功率的一小部分。通过数字滤波器进行带宽限制后，一个3dB带宽的CDMA载波或前向信道为1.23MHz。

对于手机上通过单个路径附带的前向CDMA信道，可以定义前向信道的接收频谱功率，并在手机天线连接器端1.23MHz频率上进行度量。在移动站天线接收到的信道被滤波、放大和完成下转换，并在接收机模拟前端实现解调。通过引导信道的时钟恢复和通过同步信道的帧同步之后，被指定给用户或移动站的前向通信信道在接收机调制解调部分完成解码。

灵敏度和动态范围

在IS- 98- A标准中，CDMA蜂窝电话的RF接收机灵敏度(在天线连接器端定义)等于当接收机的帧错率不超过0.5%时所接收到的最小CDMA信道功率。CDMA系统中，帧是一个20ms长的基本时序间隔，由通信信道上的信息(声音或数据)、存取信道和寻呼信道组成。

因为基站和手机之间的链接是建立在一帧一帧的基础之上，CDMA移动电话的性能便由帧错率(FER)来评估。IS- 98 As标准规定了CDMA移动站接收机的最小灵敏度和动态范围。当设计高性能CDMA移动电话时，接收机的灵敏度和动态范围必须满足这些最小要求且有很高的余量。

对于接收机灵敏度，两个干扰源都是纯白高斯噪声：接收机的输入参考热噪声功率谱密度(No)以及接收频带内发射机的热噪声功率谱密度(N\TX)(见图2)。

No由接收机的噪声图(NF)决定，NTX决定于通过双工器渗漏到移动站接收机输入端的发射机输出热噪声的大小。

由于CDMA系统的信息是双相位调制的，调制过的信号包络并不是常量。前向CDMA信道的典型峰值与平均值比率是10dB。因此，为了对接收信号进行相应的检测和解调，接收机应该在接收信号功率所允许的范围内保持线性。

对于-30dBm到-20dBm范围的高电平接收信号，典型的CDMA接收机混频器输入1dB压缩点是系统线性度的主要限制因素。为了解决这个问题，在实际的混频器设计中，前端LNA应该具有大于15dB的线性增益控制范围，或增益降幅介于15dB到20dB之间的低增益模式。

降低单音灵敏度

正如IS- 98- A标准中定义的，单音灵敏度降低是指：手机在指定信道频率和在单音频率偏移CDMA信号中心频率一定条件下，接收CDMA信号能力的一种度量标准。

单音干扰通常是从附近的模拟蜂窝基站传送来的窄带AMPS信号(与1,230kHz带宽的CDMA信号相比，AMPS信号具有30kHz带宽)。在手机接收机前端，单音干扰产生两个干扰分量混入接收机输入端。

图3示出了由单音干扰发射机(IRMXG)产生的第一个干扰分量起因于相互混频现象，由于接收机的UHF电压控制振荡器(VCO)的相位噪声(FN)使前向信道的接收信号遭受干扰。干扰被定义为期望信号和单音干扰发射机频率之间的频率偏移量，它首先在接收机前端混频器中的单音干扰发射机中混频，然后下转换为IF信号。

图4示出了由单音干扰发射机(IXMOD)产生的第二个干扰分量起因于交叉调制现象，在接收机前端的三阶非线性引起具有发射功率的单音干扰发射机的交叉调制。交叉调制主要发生在低噪声放大器(LNA)前端，假设传输中的泄漏信号被LNA后面的带通滤波器滤除。LNA中的交叉调制给接收到的前向CDMA信道信号造成带内干扰。

对CDMA系统中交叉调制现象的仿真可推导出一个用于估计基于CDMA蜂窝系统的交叉调制乘积的公式。当移动站正在接受接近于灵敏度级的CDMA信号时，功率放大器的输出功率是+28dBm。典型的RX- TX双工器的隔离度是-58dB。

寄生响应

为接收机选择一个低IF可能导致1/2-IF寄生问题，

特别对于接收机的RF带宽是60MHz的PCS频带。当接收机RF带宽内单音干扰发射机的频率介于期望的CDMA信号和UHF本地振荡器之间时，寄生响应就会发生。单音干扰发射机将经过下行变换为[2x2]混频寄生乘积的IF信号，它在IF输出对带内期望的信号产生干扰。

正如IS-98-A标准所定义，接收机互调响应衰减是指：

在有两个CW干扰音的情况下，在指定的信道频率对其接收CDMA信号能力的度量。这些音调与指定信道频率分离，彼此也相互分离，正如这两个CW音调干扰的三阶互调乘积一样，发生在接收机的奇数级非线性区域内，并且产生一个对期望CDMA信号的带内干扰信号(图6)。

IS-98-A标准需要不同的两音电平和期望CDMA信号电平情况下的三种试验，接收机帧错率(FER)不应该超过1%。在这些试验中可以假定接收机的三阶非线性是三阶互调乘积的主要来源。.

设计高性能CDMA移动站接收机的重点是一个基于IS- 98- ACDMA标准的重要系统级和块级规范的全面推导。在设计任何CDMA接收机系统时，应该仔细考虑相互混合、交叉调制、1/2-IF寄生响应及其它与CDMA接收机相关的RF系统问题。

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