具有自動(dòng)電平控制的WCDMA直放站上行鏈路的研究與設(shè)計(jì)

1、    具有自動(dòng)電平控制的WCDMA直放站上行鏈路的研究與設(shè)計(jì)        張 丹1， 黎淑蘭2， 劉元安1 時(shí)間:2008年07月08日     字 體: 大 中 小        關(guān)鍵詞:<"cblue" " target='_blank'>直放站<"cblue" &q

2、uot; target='_blank'>鏈路<"cblue" " target='_blank'>自動(dòng)電平控制<"cblue" " target='_blank'>本振<"cblue" " target='_blank'>輸入信號(hào)            ? 摘 要： 提出了一種具有

3、<"cblue" " title="自動(dòng)電平控制">自動(dòng)電平控制（ALC）的WCDMA<"cblue" " title="直放站">直放站上行<"cblue" " title="鏈路">鏈路系統(tǒng)，詳細(xì)地分析了系統(tǒng)的上下變頻和自動(dòng)電平控制的原理，并進(jìn)行了系統(tǒng)級(jí)仿真。此系統(tǒng)具有通帶內(nèi)增益高、帶外衰減大和輸出功率穩(wěn)定可調(diào)的優(yōu)點(diǎn)。? 關(guān)鍵詞： WCDMA? 直放站? 上行鏈路? 自動(dòng)電平控制? ? 直放站技術(shù)隨著移動(dòng)通

4、信技術(shù)的發(fā)展而不斷發(fā)展，從最初的傳統(tǒng)意義上的單頻直放站1，發(fā)展到現(xiàn)今的室內(nèi)、室外直放站2。隨著第三代移動(dòng)通信技術(shù)逐漸進(jìn)入實(shí)施階段，需要適用于WCDMA的直放站。? 根據(jù)GSM直放站原理3，提出了一種帶有自動(dòng)電平控制(ALC)的WCDMA直放站上行鏈路系統(tǒng)。此直放站為選頻式，即將上行頻率變頻為中頻，進(jìn)行選頻限帶處理后，再進(jìn)行上變頻恢復(fù)為上行頻率；采用雙ALC分別控制<"cblue" " title="輸入信號(hào)">輸入信號(hào)電平和輸出信號(hào)電平，與常規(guī)的ALC4相比，具有更好的控制能力；與ALC5相比，本系統(tǒng)用可變?cè)鲆?lt;"i

5、nnerlink" " title="放大器">放大器取代可變衰減器，可得到更大的增益控制范圍。仿真得出此系統(tǒng)具有通帶內(nèi)增益高、帶外衰減大和輸出功率穩(wěn)定可調(diào)的優(yōu)點(diǎn)，適用于WCDMA。1 上行鏈路系統(tǒng)模型及理論1.1 上行鏈路的系統(tǒng)模型? 直放站實(shí)際上是一種雙向信號(hào)放大器。所介紹的上行鏈路系統(tǒng)為濾波放大系統(tǒng)，其系統(tǒng)模型如圖1所示。? ? 由直放站天線接收到的WCDMA上行信號(hào)進(jìn)入上行鏈路系統(tǒng)，首先進(jìn)入由可控增益放大器、放大電路、峰值檢波器和比較放大器組成的輸入信號(hào)互調(diào)電路，這個(gè)電路使輸入信號(hào)的電平穩(wěn)定以保證系統(tǒng)工作在線性區(qū)；此信號(hào)再經(jīng)過(guò)射頻濾波器和低

6、噪聲放大器，進(jìn)行接收頻帶選擇，濾除上行信號(hào)（19201980MHz）帶外的頻率；然后經(jīng)過(guò)變頻系統(tǒng)，將上行頻率變頻為中頻，進(jìn)行選頻限帶處理（中頻聲表濾波、中頻放大）后，再進(jìn)行上變頻恢復(fù)為上行頻率；從射頻濾波器輸出端口耦合出信號(hào)，與峰值檢波器、比較放大器和變頻前的可控增益放大器組成ALC環(huán)路，進(jìn)行輸出信號(hào)功率控制；最后射頻濾波放大，輸出所需的上行信號(hào)。1.2 上下變頻分析? WCDMA上行頻段為1920M1980MHz，屬于射頻范圍，要在眾多密集分布、間隔很近的相鄰信道中濾出特定的射頻信號(hào)需要Q值極高的濾波器。若將射頻信號(hào)的載波頻率降低，或者說(shuō)進(jìn)行下變頻，就可使用普通濾波器實(shí)現(xiàn)很好的濾波功能。?

7、圖2是直放站上行系統(tǒng)的變頻系統(tǒng)框圖，包括下變頻（射頻變?yōu)橹蓄l）、三級(jí)中頻低噪聲放大、兩級(jí)中頻濾波和上變頻（中頻變?yōu)樵漕l）。中頻濾波器選取中頻聲表濾波器，其具有體積小、相對(duì)帶寬較寬、選頻特性接近理想、線性相位、帶外抑制大和較好的溫度特性等，能有效地濾除帶外信號(hào)。? ? WCDMA上行信號(hào)為QPSK（四相鍵控）調(diào)制，因此可假設(shè)圖2所示的變頻系統(tǒng)的輸入信號(hào)為：vRF(t)=Acos(RFt+K)，K=0,1,2,3,<"cblue" " title="本振">本振信號(hào)由系統(tǒng)本振源產(chǎn)生，令下變頻器的輸入本振信號(hào)為vLO(t)=Bcos(L

8、Ot+LO)和上變頻器的輸入本振信號(hào)為vLO(t)=Bcos(LOt+LO)。經(jīng)下變頻器可得:? ? 其中，IF=RF-LO? 再經(jīng)三級(jí)放大和二級(jí)中頻聲表面濾波，可得:? 然后經(jīng)上變頻器，可得:? ? 最后經(jīng)切比雪夫帶通濾波器可得:? ? 若本振源產(chǎn)生的兩個(gè)本振信號(hào)相位信息相同,即LO=LO，則最后該部分輸出為:? ? 比較vRF(t)=Acos(RF t+K），K=0,1,2,3和(5)式所表示的信號(hào)可知，此信號(hào)與原射頻信號(hào)的相位相同，即攜帶相同的信息，只是信號(hào)的幅值發(fā)生了變化。說(shuō)明此變頻系統(tǒng)能夠使信號(hào)的信息完整透明地傳輸。? 比較(4)式和(5)式，若要此變頻系統(tǒng)正常工作，則必須要求兩個(gè)本

9、振信號(hào)的相位相同；否則，變頻系統(tǒng)不能起到良好的濾波作用而造成信號(hào)失真。1.3 自動(dòng)電平控制分析? 特定位置處移動(dòng)臺(tái)發(fā)出的上行信號(hào)不能直接到達(dá)基站，需要經(jīng)直放站轉(zhuǎn)發(fā)。但由于移動(dòng)臺(tái)與直放站之間遠(yuǎn)近效應(yīng)的作用，到達(dá)直放站的信號(hào)功率存在差異，而且直放站要求轉(zhuǎn)發(fā)給基站的信號(hào)功率（直放站的輸出功率）保持穩(wěn)定。因此，直放站上行系統(tǒng)必須采用自動(dòng)電平控制進(jìn)行輸出功率控制。? 圖3是自動(dòng)電平控制系統(tǒng)的組成框圖，圖中vr為參考電壓，通過(guò)改變vr的大小控制輸出vo的大小；ve=Vo-vr為<"innerlink" " title="運(yùn)算放大器">運(yùn)算放大器

10、的輸出(在實(shí)際應(yīng)用中通常規(guī)定Vo-vr>=0）。ALC環(huán)路為反饋控制電路的一種，采用負(fù)反饋的工作原理。? ? 為了分析此ALC環(huán)路性能，介紹一種S參數(shù)近似的線性模型6（見(jiàn)圖4）。其中，Kf為環(huán)路的前向增益，為峰值檢波器的傳輸函數(shù)，為比較放大器的增益函數(shù)。? 推導(dǎo)出輸出信號(hào)vo相對(duì)于參考電壓vr的轉(zhuǎn)移函數(shù)關(guān)系為:? 2 系統(tǒng)仿真及性能分析? 使用ADS軟件的行為級(jí)功能模塊實(shí)現(xiàn)直放站上行鏈路的系統(tǒng)級(jí)仿真。? 圖5 是系統(tǒng)的頻帶選擇性仿真結(jié)果，接收帶寬為60MHz（如m1和m2點(diǎn)標(biāo)注所示），與移動(dòng)終端對(duì)WCDMA系統(tǒng)上行鏈路(19201980MHz)的要求相吻合，而且通帶內(nèi)的波動(dòng)不超過(guò)0.12

11、5 dB。在偏離1.95GHz的中心頻率70MHz處可得到35dB左右的衰減（如m3和m4點(diǎn)標(biāo)注所示）。? 圖6是系統(tǒng)的信道選擇性仿真結(jié)果，中心頻率1.95GHz處的增益為81dB（如m1標(biāo)注所示）；鄰道抑制達(dá)到了80dB（如m3和m4點(diǎn)標(biāo)注所示）；通頻帶寬為4.6MHz（如m1和m2點(diǎn)標(biāo)注所示），一般接收的信息都集中在離中心頻率左右4MHz的范圍內(nèi)，因 此不會(huì)導(dǎo)致接收到的信號(hào)產(chǎn)生較大的失真；通帶內(nèi)的波動(dòng)不大于0.15dB。? 圖7是系統(tǒng)的變頻分析仿真結(jié)果，可以看到系統(tǒng)對(duì)輸入信號(hào)的下變頻作用，射頻輸入信號(hào)的頻譜從1.95GHz的載頻（如m1標(biāo)注所示）被搬移到了150MHz的中頻（如m2標(biāo)注所示

12、），對(duì)信號(hào)的上變頻作用，信號(hào)的頻譜從150MHz的中頻被搬移到了1.95GHz的載頻（如m3標(biāo)注所示）。? ? 圖8是系統(tǒng)的ALC性能仿真結(jié)果。比較圖8（a）中系統(tǒng)的輸入、輸出信號(hào)可以看出，輸出信號(hào)包絡(luò)明顯地比輸入信號(hào)包絡(luò)平坦，輸出信號(hào)的幅值幾乎輸入信號(hào)而變化，且基本穩(wěn)定固定值；比較圖8（b）和圖8（c）中輸出信號(hào)的幅值可以看出，輸出信號(hào)的功率隨參考電壓的增大而增加，證明了控制參考電壓即可控制輸出的功率。? ? 通過(guò)變頻理論和ALC原理分析，得到了一種WCDMA直放站上行鏈路系統(tǒng)，并應(yīng)用了ADS軟件仿真此系統(tǒng)的性能，分析仿真結(jié)果得出此系統(tǒng)具有通帶內(nèi)增益大、帶外衰減大和輸出功率穩(wěn)定可調(diào)的優(yōu)點(diǎn)。因

13、此，系統(tǒng)適合應(yīng)用于WCDMA直放站中。參考文獻(xiàn)1 SIELMAN P F. A single-frequency communications systemJ. IEEE Transactions on Vehicular Technology, 1974,23(1):1-8.2 STEVENS P J. Repeaters in PCN and mobile cellular?systemC. Radio Receivers and Associated Systems,1995:154-157.3 蘇華鴻，孫孺石，楊孜勤，等. 蜂窩移動(dòng)通信射頻工程.?北京：人民郵電出版社，2005:168-184.4?CHOW H C, WANG I H. High performance automatic?gain control circuit using a S/H peak-detector for ASK ?receiverJ. Digital Object Identifier, 2002,2:429-432.5?NARY K R, TUYL R L.An MMIC amplifier for automatic ?level control applicationsC. IEEE Microwave