FDD-LTE移動(dòng)終端接收機(jī)靈敏度分析

陳 強(qiáng), 陳 鄞

(1.高通企業(yè)管理 上海有限公司，上海 201203；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 軟件學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

FDD-LTE移動(dòng)終端接收機(jī)靈敏度分析

陳 強(qiáng)1, 陳 鄞2

(1.高通企業(yè)管理 上海有限公司，上海 201203；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 軟件學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

文中討論了發(fā)射機(jī)/接收機(jī)隔離度對(duì)FDD-LTE終端接收機(jī)靈敏度的影響。利用Agilent ADS仿真了發(fā)射機(jī)對(duì)接收機(jī)的干擾，并據(jù)此計(jì)算得出滿足設(shè)計(jì)要求靈敏度時(shí)所需的隔離度，仿真和計(jì)算結(jié)果與實(shí)際系統(tǒng)中的測(cè)試結(jié)果一致。

FDD-LTE；零中頻架構(gòu)；接收機(jī)；靈敏度

在LTE移動(dòng)終端的射頻設(shè)計(jì)中，一般采用直接變頻的零中頻架構(gòu)，以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)并降低成本。對(duì)于FDD模式的移動(dòng)終端而言，由于發(fā)射機(jī)和接收機(jī)同時(shí)連續(xù)工作， 發(fā)射機(jī)的信號(hào)和噪聲會(huì)耦合到接收機(jī)輸入端，從而干擾接收機(jī)，造成接收靈敏度下降。FDD-LTE移動(dòng)終端的射頻設(shè)計(jì)對(duì)收發(fā)隔離以及接收機(jī)的非線性指標(biāo)提出了較高的要求。

1 FDD系統(tǒng)收發(fā)隔離

FDD系統(tǒng)中發(fā)射機(jī)和接收機(jī)工作與不同的狀態(tài)。發(fā)射機(jī)工作與大信號(hào)狀態(tài)，LTE系統(tǒng)的功率放大器輸出的功率可達(dá)28 dBm；而接收機(jī)工作與小信號(hào)狀態(tài)，LTE系統(tǒng)接收信號(hào)的最小強(qiáng)度一般約為-100 dBm[1-3]。因此，發(fā)射機(jī)的泄漏可能發(fā)射機(jī)的泄漏仍可干擾接收機(jī)工作，造成接收靈敏度下降。

圖1 FDD模式下發(fā)射機(jī)對(duì)接收機(jī)干擾

FDD系統(tǒng)發(fā)射機(jī)泄漏主要包括發(fā)射機(jī)信號(hào)泄漏和發(fā)射機(jī)噪聲泄漏兩個(gè)方面[4-6]。如圖1所示，一方面，實(shí)際接收機(jī)的傳輸特性一般是非理想線性，二階互調(diào)截止點(diǎn)(IP2)不是無(wú)限高。當(dāng)較強(qiáng)的發(fā)射機(jī)信號(hào)泄漏到接收機(jī)輸入端時(shí)，發(fā)射信號(hào)的包絡(luò)會(huì)被轉(zhuǎn)移到基帶，從而降低基帶信號(hào)的信噪比(SNR)，影響接收機(jī)靈敏度。另一方面，發(fā)射機(jī)在接收頻段的噪聲也會(huì)通過(guò)雙工器耦合到接收機(jī)，對(duì)接收機(jī)造成干擾。為避免發(fā)射機(jī)泄漏對(duì)接收機(jī)的干擾，需要盡量提高發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間的隔離。

2 接收機(jī)二階非線性

實(shí)際接收機(jī)的傳輸特性不是理想線性的。在接收機(jī)設(shè)計(jì)中經(jīng)?？紤]的非線性指標(biāo)是二階互調(diào)交截點(diǎn)(IP2)和三階互調(diào)交截點(diǎn)(IP3)。在FDD系統(tǒng)中，由于接收機(jī)有限的IP2，當(dāng)發(fā)射機(jī)信號(hào)泄漏到接收機(jī)輸入端時(shí)，發(fā)射信號(hào)的包絡(luò)會(huì)經(jīng)平方律整流至基帶，從而降低基帶信號(hào)的信噪比(SNR)，影響接收機(jī)靈敏度[7-8]。

2.1 二階非線性分析

對(duì)射頻接收機(jī)傳輸特性非線性分析時(shí)，一般采用如式(1)所示的簡(jiǎn)化公式，其中x為輸入信號(hào)，y為輸出信號(hào)[9-10]

y=a0+a1x1+a2x2+a3x3+…

(1)

當(dāng)輸入信號(hào)為調(diào)制信號(hào)時(shí)，信號(hào)的包絡(luò)隨時(shí)間變化，可用式(2)表示。

x=A(t)cos(ωt)

(2)

將式(2)帶入式(1)，并忽略高次項(xiàng)，得到

y=a0+a1A(t)cos(ωt)+a2A2(t)cos2(ωt)+

a3A3(t)cos3(ωt)

(3)

(4)

(5)

由式(5)可見(jiàn)，當(dāng)較強(qiáng)的調(diào)制信號(hào)輸入接收機(jī)時(shí)，調(diào)制信號(hào)的包絡(luò)經(jīng)平方律檢波，產(chǎn)生低頻干擾，影響基帶信號(hào)解調(diào)[11-13]。

2.2 二階非線性仿真

為定量分析接收機(jī)二階非線性的影響，利用安捷倫公司的射頻系統(tǒng)仿真軟件對(duì)FDD-LTE系統(tǒng)接收機(jī)進(jìn)行二階非線性仿真，如圖2所示。

圖2 FDD-LTE接收機(jī)二階非線性仿真模型

FDD-LTE 系統(tǒng)參數(shù)如下：發(fā)射機(jī)信號(hào)泄漏功率為-20 dBm；接收機(jī)輸入二階互調(diào)交截點(diǎn)(IIP2)為55 dBm。仿真結(jié)果如圖3所示。由于發(fā)射機(jī)信號(hào)泄漏而在接收機(jī)產(chǎn)生的基帶干擾的功率可由式(6)計(jì)算。其中TxL為泄漏到接收機(jī)的發(fā)射信號(hào)功率

IM2-BB=2TxL-IIP2-3.237

(6)

圖3所示的信號(hào)頻譜包含很強(qiáng)的直流分量。在實(shí)際的FDD-LTE移動(dòng)終端中，該直流分量是被消除的[11-12]。這是因從成本和功耗考慮，寬帶移動(dòng)終端一般采用零中頻接收架構(gòu)。而零中頻架構(gòu)的接收機(jī)自帶直流消除電路，用來(lái)消除由于本振自混頻產(chǎn)生的直流[6]。消除直流后的仿真結(jié)果如圖4所示，式(6)修正為式(7)

IM2-BB=2TxL-IIP2-7.968

(7)

圖3 FDD-LTE接收機(jī)二階非線性仿真結(jié)果(含直流)

圖4 FDD-LTE接收機(jī)二階非線性仿真結(jié)果(消除直流)

3 接收機(jī)靈敏度分析

這部分利用上面的仿真結(jié)果，對(duì)FDD-LTE系統(tǒng)接收靈敏度進(jìn)行分析，得到FDD-LTE系統(tǒng)需要的收發(fā)隔離度。

FDD系統(tǒng)參數(shù)：發(fā)射機(jī)功率放大器輸出功率28 dBm；發(fā)射機(jī)功率放大器輸出接收頻段噪聲功率譜密度-125 dBm/Hz；接收機(jī)射頻集成電路輸入端噪聲系數(shù)NF=2.3 dB；熱噪聲譜密度-174 dBm/Hz；接收機(jī)射頻集成電路IIP2為55 dBm；信號(hào)帶寬BW=10 MHz。

假定設(shè)計(jì)目標(biāo)為：發(fā)射機(jī)泄漏對(duì)接收機(jī)靈敏度影響<0.4 dB。為滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)，需要總干擾功率比熱噪聲功率小10 dB。假定由于發(fā)射機(jī)信號(hào)泄漏和發(fā)射機(jī)噪聲泄漏產(chǎn)生的干擾功率相同，則兩種不同機(jī)制下干擾功率都要比熱噪聲功率小13 dB[16]，如式(8)和式(9)所示

IM2BB=-174+NF+10logBW-13=-114.7

(8)

TxN=-174+NF-13=-184.7

(9)

將式(9)帶入式(8)，得到滿足設(shè)計(jì)要求的發(fā)射機(jī)信號(hào)泄漏功率為

(10)

由此得出滿足設(shè)計(jì)要求的FDD-LTE系統(tǒng)收發(fā)隔離度為

IsoTxL=28-(-25.866)=53.866

(11)

IsoTxL=-125-(-184.7)=59.7

(12)

4 實(shí)際系統(tǒng)驗(yàn)證結(jié)果

在高通公司驍龍400平臺(tái)上對(duì)上述分析結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。驗(yàn)證頻段為B8，雙工器為Murata公司的SAYEY897MBG0FT0。實(shí)測(cè)結(jié)果如表1所示。收發(fā)隔離在發(fā)射頻段和接收頻段分別>53.866 dB和59.7 dB，在發(fā)射機(jī)發(fā)射最大功率時(shí)，發(fā)射機(jī)泄漏對(duì)接收機(jī)靈敏度的影響<0.4 dB。

表1 FDD-LTE B8 接收靈敏度測(cè)試結(jié)果

5 結(jié)束語(yǔ)

本文提出的針對(duì)FDD-LTE系統(tǒng)接收靈敏度的分析方法經(jīng)過(guò)實(shí)際驗(yàn)證是合理的。另外該分析方法經(jīng)適當(dāng)修正，適用于所有采用零中頻架構(gòu)的FDD系統(tǒng)。

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Analysis on the Sensitivity of FDD-LTE Mobile Terminal Receiver

CHEN Qiang1，CHEN Yin2

(1. Qualcomm Enterprise Management Shanghai Co., Ltd., Shanghai 201203,China;2. School of Software,Harbin Institute of Technology,Harbin 150001,China)

This article focuses on the transmitter/receiver isolation effect on FDD-LTE terminal receiver sensitivity. Interference to receiver caused by transmitter is simulated by Agilent ADS, and the isolations that are necessary to meet the design requirements of sensitivity are derived from the simulation results. The formulation derived from simulation is validated in real systems.

FDD-LTE; ZIF architecture; receiver; sensitivity

2016- 04- 04

陳強(qiáng)(1976-)，男，高級(jí)工程師。研究方向：射頻技術(shù)。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.03.005

TN929.5

A

1007-7820(2017)03-014-03