測量CDMA接收機的阻塞

摘要：本應用筆記討論影響蜂窩頻段CDMA手機設計的主要因素，內容包括倒易混頻及交調，并給出了Maxim V3.5 CDMA參考設計的系統測試結果。

概述

CDMA無線系統被設計成與老式的先進移動電話系統(AMPS)工作在同一個無線頻段，AMPS系統在推出CDMA技術以前就工作在美國蜂窩頻段。AMPS射頻方案是把頻率劃分成很多相鄰的相對窄帶的FM信道，而CDMA射頻方案則采用少量的寬帶射頻信道。結果，CDMA信道規劃不得不包含現存的AMPS信道，而AMPS就會作為一個干擾使CDMA鏈路劣化。

在此我們討論影響蜂窩頻段CDMA手機設計和性能的兩種主要機理：

倒易混頻，即在點頻干擾存在的情況下，本振相位噪聲會阻塞接收到的射頻信號。
交叉調制，結果是來自手機發射機的泄漏使接收機的低噪聲放大器過載。

本文還通過測量一個真實的系統來演示該系統的優良性能。

蜂窩頻段頻率規劃的背景

AMPS服務處于美國850MHz蜂窩頻段：

824MHz到849MHz上行(手機發射機反向信道)
869MHz到894MHz下行(手機接收機前向信道)

AMPS頻道以30kHz為間隔，峰值頻偏時每個頻道約占24kHz。

CDMA服務占用同樣的美國蜂窩頻段，CDMA信道排列與AMPS的30kHz間隔對準(即每個信道跨越好多個30kHz)，但是每個CDMA信道占用1.23MHz頻寬。為了管理這一分布，移動電話運營商分到了12.5MHz的頻段，最近的AMPS信道位于離最近的CDMA信道，即頻段邊界285kHz遠的地方(即CDMA邊界離AMPS信道中心距離9個30kHz AMPS信道加上15kHz)，見圖1。

圖1. CDMA信道和最近的AMPS載頻的關系，此AMPS載頻是CDMA信道的一個干擾

當最近的AMPS信道比CDMA信號電平強很多時，它對CDMA頻道來說就是一個單音干擾，干擾頻率偏移如式1所示：

285kHz + 615kHz = 900kHz，這就是最近的AMPS干擾信道離指定CDMA信道中心的頻差。這一干擾源的功率強度相對于被干擾CDMA信道的靈敏度(-101dBm)在3GPP2的空中接口標準中被定義為：最差情況下-30dBm。

CDMA手機的阻塞指標

阻塞是測量工作在某個信道的手機在離此信道中心頻率一給定的頻差的地方有窄帶干擾發射機時接收CDMA信號的能力。接收機的阻塞用錯幀率(FER)來衡量1。

對CDMA系統來說，25個以上的手機可以直接同時同頻工作(即在同一信道中心頻率上)是它的優點。所謂碼分復用(信道劃分)就是每個手機的上行和下行載頻使用了不同的正交擴頻碼。

為了實現這一目標，CDMA基站必須精確控制每個手機發射機中發射出的功率，確保對所有的用戶收到同樣的功率水平。相應的，手機的接收機必須有很寬的增益控制范圍，當手機接收機離基站最遠時，前向鏈路的典型信號強度只有-110dBm。

問題起源于臨近的AMPS系統并不以同CDMA一樣的方式管理手機的上行功率，當CDMA手機正在以它的極限靈敏度接收時，附近的AMPS基站有可能發出一個很強的干擾，這種情況在蜂窩邊界特別容易發生。

很幸運的是，下行擴頻碼的特性使手機接收機能相對免受鄰近頻道的干擾。窄帶AMPS干擾被手機的相關器所“平攤”，因此它的影響被處理增益(約25dB)所降低。因為干擾比較顯著，3GPP2規定了一個測試來保證CDMA接收機能完全處理鄰道干擾。3GPP2中CDMA2000標準規定了下列阻塞測試的條件：

對美國CDMA系統，蜂窩頻段測試要求規定最小有效的同向輻射功率+23dBm。PCS頻段測試要求規定最小有效的同向輻射功率+15dBm (測試1和2)，或+20dBm (測試3和4)。干擾發射機的功率規定為-30dBm (測試1和2)，或-40dBm (測試3和4)2。

當測試一個CDMA前端IC或一個零中頻接收機的阻塞時，重要的是要注意由單音干擾發射機構成的干擾分量，在測試裝置中要重建出那些影響。影響阻塞的兩個主要因素是：倒易混頻和交叉調制。

倒易混頻

倒易混頻發生于單音干擾發射機與接收機的本振信號(Rx LO)的混頻。Rx LO有有限的相位噪聲，它與單音干擾發射機混頻，在中頻(IF)產生了一個干擾分量，對零中頻系統來說干擾就在基帶(圖2)。

圖2. 出現阻塞時的倒易混頻

接收機的阻塞規格是設定LO相噪要求的關鍵性能參數。對準確的阻塞測量來說，單音干擾發射機的自己的相噪也會對整個干擾電平有貢獻。因此，在實驗室里，你應該選用一個低相噪的射頻信號源，以保證阻塞的主要來源是Rx LO中的相噪，而不是射頻信號發生器。

舉例來說，參照Maxim的超外差CDMA參考設計(版本3.5)，使用MAX2538前端IC和MAX2308中頻解調器，在蜂窩頻段它的級連噪聲系數小于3dB。如果我們假定手機中的雙工器的損失約3dB，我們可以得到：

如果射頻信號發生器的相噪比接收機的噪聲底低10dB，那么：

這里-30dBm是測試1和2種規定的單音強度(表1)。因此新接收機的噪聲底是：

由此可見射頻信號發生器的-148dBc/Hz相噪對接收靈敏度的影響相對較小(只有0.4dB的劣化)。

CDMA手機標準要求在900kHz頻偏處的最小相噪是-144dBc/Hz。假定對遠端相噪是平坦響應(在整個頻帶上是-144dBc/Hz)，計算的結果給出接收機的噪聲底是-167dBm/Hz，比-168dB/Hz的無干擾噪聲底差1dB。因此CDMA標準允許接收機靈敏度可以由于射頻干擾的產生而劣化1dB。

表1. CDMA手機中阻塞的最低要求³

Parameter		Units	Tests 1 and 3	Tests 2 and 4
Tone offset from carrier	SR1	kHz	+900 (BC 0, 2, 3, 5, 7 and 9) +1250 (BC 1, 4 and 8)	-900 (BC 0, 2, 3, 5, 7 and 9) -1250 (BC 1, 4 and 8)
	SR3	kHz	+2500	-2500
Tone power		dBm	-30 (Tests 1 and 2) -40 (Tests 3 and 4)
		dBm/1.23MHz	-101
		dB	-7
		dB	-15.6 (SR1) -20.6 (SR3)

交叉調制干擾

當一個很強的發射機泄漏信號出現在接收機的低噪放輸入端時就會發生交叉調制。這一被調干擾和900kHz處的AMPS信號在低噪放中發生交叉調制產生三階非線性產物，結果是在接收機中的給定射頻信道中的噪聲功率上升。即使接收機IP3主要是混頻器的IP3，大多數的交叉調制還是發生在低噪放中，這是由于在低噪放和混頻器之間有帶通濾波器，發射機的泄漏到達混頻器的輸入端非常小⁴。為了在接收機測試裝置中包含這一影響，必須在接收機中注入CDMA反向信道調制信號。對蜂窩頻段而言，發射功率注入到LNA輸入的功率由式5表示：

假定雙工器發送與接收之間的隔離度為52dB，天線到雙工器發射端口的損失是2dB。

采用CNR方法的測試實例

圖3是測試蜂窩頻段CDMA接收機的阻塞的完整裝置。同樣的裝置可用于PCS頻段測試，但是干擾發射機的頻偏和功率電平以及發射信號的功率電平必須按表1來相應設定。在這個測試裝置中，我們使用CNR (載頻噪聲比)方法來測量阻塞。

圖3. 蜂窩頻段單音阻塞測試裝置

靈敏度定義為在95%的時間內誤幀率(FER) ≤ 0.5%時的最小接收功率。在CNR測量中，我們注意到，在3GPP2標準的射頻配置1中，業務信道的Ec/Ior 是-15.6dB，相對于9600bps的數據速率，業務信道的Eb/Nt = 4.5dB，處理增益是10log (1.2288Mcps/9600bps) = 21.072dB，由此可得式6：

因此，在1.23MHz信道寬度上要求能夠解調CDMA信號的CNR是-1dB。在我們的測試裝置中，我們使用3kHz的RBW，通過比較點頻測試信號功率(250kHz處)和整個615kHz I通道帶寬上總共的噪聲功率來測試。因為給定的接收信號功率是-101dBm，而總共允許的噪聲功率是-100dBm，我們可以看到為了滿足系統靈敏度要求，CNR是-1dB。

為了說明這個方法，參照Maxim的N-CDMA V4.1參考設計的測量，它使用一個內帶VCO的零中頻單片接收IC (MAX2585) (圖4)。綠線表示在沒有阻塞和發射信號時的給定信號(對給定信號，我們用一個偏移信道頻率250kHz，-101dBm的單音來充當CDMA前向信道的調制信號)。藍線代表阻塞和CDMA發信號同時打開時噪聲的上升。下列步驟概括了測試裝置：

圖4. 由單音阻塞和CDMA發射信號造成的噪聲上升

調整系統增益，接收相對于3dB衰減器的輸入端的-101dBm信號，3dB衰減器用來模擬雙工器的損失。對MAX2585接收IC，設定增益使其名義輸出信號電平為8.5mV_RMS (50Ω負載-28.5dBm)。
打開-24dBm的CDMA的發射信號(比3dB衰減器處接收信道頻率低45MHz)。
打開相對于3dB衰減器輸入的-30dBm的點頻阻塞信號，觀察到噪聲底上升。
調整點頻干擾發射機的電平使噪聲底上升到從0到615kHz的總噪聲功率比給定的信號電平高1dB。在這個例子中，我們從25kHz到615kHz積分噪聲，以避免頻譜分析儀的直流泄漏。
記錄在-1dB CNR時的干擾發射機的電平，計算阻塞的裕度。

在這個例子中，從25kHz到615kHz的總噪聲功率是-27.5dBm，在輸出端收到的點頻信號是-28.5dBm，它滿足-1dB CNR的要求。單音干擾發射機的電平在-1dB CNR時是-27dBm，表示MAX2585在被測頻率上滿足阻塞的要求，有3dB的裕度。

結論

本文按3GPP2標準討論了阻塞，討論了阻塞的主要來源，給出了在CDMA接收機中測量阻塞的實用方法。有關Maxim超外差和直接轉換IC的進一步資料，請訪問Maxim網站：無線、射頻(RF)與電纜。

類似文章發表于電子產品世界2005年，第10期。

參考文獻

"Recommended Minimum-Performance Standards for cdma2000 Spread Spectrum Mobile Stations," 3GPP2 C.S0011-A, 2001, page 3-21 (pg.85 in the pdf version of the document).
"Recommended Minimum-Performance Standards for cdma2000 Spread Spectrum Mobile Stations," page 3-23 (pg.87 in the pdf version of the document).
"Recommended Minimum-Performance Standards for cdma2000 Spread Spectrum Mobile Stations," page 3-23 (pg.87 in the pdf version of the document).
Walid Y. Ali-Ahmad, "RF system issues related to CDMA receiver specifications," RF Design, September 1999, pp.22-32.

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