摘要：分析研究了如何根據(jù)各類CDMA發(fā)射機(jī)整機(jī)指標(biāo)確定本振源的具體指標(biāo);給出了一套EVM指標(biāo)的仿真程序,它可以綜合分析發(fā)射機(jī)各組成部分對(duì)整機(jī)EVM指標(biāo)的影響;給出了一整套器件指標(biāo)估算的方法,包括壓控振蕩器VCO相位噪聲確定,鎖相環(huán)路芯片（PLL IC）1Hz歸一化相位噪聲對(duì)相位誤差的影響。提供了基于ADS的PLL電路仿真程序,它可以方便地進(jìn)行相噪、雜散和穩(wěn)定度分析,并可以方便地與EVM仿真程序聯(lián)合使用。

    關(guān)鍵詞：碼分多址接入 發(fā)射機(jī) 誤差向量幅度 本振源 鎖相環(huán)

CDMA及碼分多址接入,是一種基于擴(kuò)展頻譜通信技術(shù)的多址接入方式。它采用唯一的碼字將消息信號(hào)擴(kuò)展到相對(duì)更寬的頻帶上,從而減少干擾,增強(qiáng)系統(tǒng)處理能力,并且可以區(qū)分用戶。CDMA多址接入不要求分割頻率和時(shí)間,因而系統(tǒng)容量較高。目前國(guó)際上主流的第三代移動(dòng)通信技術(shù)（WCDMA,CDMA2000以及我國(guó)提出的TD-SCDMA）都采用了CDMA技術(shù)。CDMA收發(fā)信機(jī)將成為今后通信產(chǎn)品的主流。

本振源作為CDMA發(fā)射機(jī)心臟,對(duì)通信質(zhì)量有著舉足輕重的影響。CDMA技術(shù)對(duì)線性度和調(diào)制精度有嚴(yán)格的要求,因此,如何根據(jù)整機(jī)指標(biāo)（如：誤差向量幅度-EVM,鄰道功率抑制比-ACPR）,尤其是對(duì)本振源要求較高的多模手機(jī),確定本振源可實(shí)現(xiàn)的具體指標(biāo)（相位噪聲等）,并對(duì)電路進(jìn)行設(shè)計(jì)與優(yōu)化,成為各類CDMA通信設(shè)備設(shè)計(jì)者的新的挑戰(zhàn)。

圖1 CDMA發(fā)射機(jī)框圖

    本文介紹一款寬帶CDMA發(fā)射機(jī)的本振源設(shè)計(jì)過(guò)程,提供一整套針對(duì)CDMA發(fā)射機(jī)本振電路（鎖相環(huán)路）進(jìn)行的電路指標(biāo)確定、器件選取與參數(shù)設(shè)定以及電路設(shè)計(jì)的方案的可行性評(píng)估。

另外,對(duì)發(fā)射機(jī)系統(tǒng)的EVM指標(biāo)進(jìn)行了仿真,從而得出了合理的本振源相位誤差指標(biāo)。為便于設(shè)計(jì)者對(duì)鎖相環(huán)路的優(yōu)化與仿真,筆者還編寫(xiě)了一套ADS鎖相環(huán)路仿真程序,不同于常見(jiàn)的優(yōu)化和計(jì)算在后臺(tái)進(jìn)行的輔助程序。在使用本仿真程序時(shí),設(shè)計(jì)得可以調(diào)整任意參數(shù)或器件值并迅速獲得與該調(diào)整相應(yīng)的所有關(guān)鍵指標(biāo)（如：相噪、雜散、穩(wěn)定性）的變化。

1 原理簡(jiǎn)介

寬帶CDMA發(fā)射機(jī)框圖如圖1所示,其中左上部分為本振源電路。單片機(jī)通過(guò)數(shù)據(jù)部控制鎖相環(huán)路芯片（PLL IC）使得該電路可以鎖定在不同的信道上;溫補(bǔ)晶振（TCXO）為鎖相環(huán)路提供精確的參考頻率源;壓控振蕩器（VCO）反饋信號(hào)與該頻率源在PLL IC內(nèi)進(jìn)行鑒相。鑒相輸出通過(guò)電荷泵和環(huán)路濾波器輸出到壓控振蕩器的控制端控制其輸出頻率。

2 指標(biāo)設(shè)定

與本振源相關(guān)的主要整機(jī)指標(biāo)有：

·頻穩(wěn)度：±2×10 -6;

·EVM：15%;

·帶寬：2.5MHz;

·ACPR：-40dB/±2.5MHz。

基于上述指標(biāo),得出以下針對(duì)本振源的一些具體指標(biāo)：

（1）參考頻率源頻穩(wěn)定：±1.7ppm（包括溫度頻穩(wěn)度、供電電壓頻穩(wěn)度、負(fù)載牽引頻穩(wěn)定和年老化率累加）。

（2）相位誤差：相位誤差是由發(fā)射機(jī)的誤差向量幅度即EVM（The error vector magnitude）決定的,EVM經(jīng)常被用來(lái)描述發(fā)射信號(hào)的調(diào)制精度。TD-SCDMA和WCDMA標(biāo)準(zhǔn)都用此標(biāo)準(zhǔn)來(lái)規(guī)定發(fā)射信號(hào)的質(zhì)量。EVM是對(duì)理想波形與實(shí)際波形之差的度量,如圖2所示。

安捷倫公司提供的測(cè)量規(guī)范被廣泛應(yīng)用于測(cè)量?jī)x器和商業(yè)仿真軟件,其具體內(nèi)部如下：

設(shè)Z（k）為在kT(T為符號(hào)周期)時(shí)刻通過(guò)理想接收濾波器觀測(cè)待測(cè)發(fā)射機(jī)而得到的復(fù)向量,S（k）為理想歸一化的單位圓上的參考向量。則Z（k）可以表示為：

Z(k)=[C0+C1(S(k)+E(k))]Wk       (1)

其中,W=eΔr+jΔα為頻率偏移（Δα弧度/符號(hào)）以及幅度變化率（Δr奈培（衰耗單位）/符號(hào)）;C0為一恒定的復(fù)數(shù)偏移量,代表正交調(diào)制器的不平衡性;C1為一復(fù)數(shù)常量,代表發(fā)射機(jī)的任意相位和輸出功率;E（k）代表抽樣S（k）的殘差。

則誤差向量的總平方和為：

其中,C0,C1和W應(yīng)使上式取得最小值,在此條件下求得每一個(gè)符號(hào)各自所對(duì)應(yīng)的最小誤差向量E（k）。

EVM定義為誤差向量E（k）的幅度的均方根值,即：

其中,N=MAX-MIN+1,而MAX和MIN為EVM測(cè)量信號(hào)段的第一個(gè)符號(hào)和最后一個(gè)符號(hào)的排序數(shù)。

由以上定義可以看出：發(fā)射機(jī)的信噪比和非線性都可能造成EVM的變化。而且這些因素對(duì)EVM的影響并能做簡(jiǎn)單的線性疊加。為便于通過(guò)EVM指標(biāo)確定鎖相環(huán)路的具體指標(biāo),筆者利用ADS進(jìn)行了系統(tǒng)仿真。在考慮功率放大器（PA）的非線性的前提下-設(shè)定PA增益為11.5dB,三階交調(diào)點(diǎn)為28.5dBm,輸入功率為10dBm,通過(guò)仿真認(rèn)為將本振的EVM定為<2%是合理的。

（3）鑒相頻率：因帶寬為2.5MHz,所以鎖相環(huán)鑒相頻率亦設(shè)為2.5MHz。

（4）雜散相噪（Spur）：雜散相噪一般由鄰道功率抑制比即ACPR（Adjacent Channel Power Ratio）決定。

ACPR,有時(shí)被稱為ACLR（Adjacent Channel Leakage Ratio）。其定義為發(fā)射功率與相鄰信道上的測(cè)得功率之比。一般主要由發(fā)射機(jī)（尤其PA）的非線性所至。但對(duì)于直接上變頻的調(diào)制方法來(lái)說(shuō),本振源在鄰道上的雜散（Spur）對(duì)該指標(biāo)亦有一定的影響。

為使得該頻率點(diǎn)上的Spur不影響整機(jī)的ACPR（ACPR<-40dBc/±2.5MHz）,設(shè)定該點(diǎn)上（±2.5MHz）的相噪相對(duì)幅度為-120dBc。

3 器件選取與參數(shù)確定

3.1 參考頻率源的選取

通過(guò)上述指標(biāo)的確定,參數(shù)頻率源的頻率穩(wěn)定度應(yīng)為：±1.7ppm(包括溫度頻穩(wěn)定、供電電壓頻穩(wěn)定、負(fù)載牽引頻穩(wěn)定和年老化率累加)。為便于確定鎖相環(huán)路的分頻比,設(shè)定其工作頻率20MHz=8×2.5MHz（信道帶寬）。

3.2 鎖相環(huán)芯片的選取與參數(shù)設(shè)定

a.芯片選取

芯片選取方面決定選用美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體（National Semiconductor）鎖相環(huán)芯片。本設(shè)計(jì)在EVM調(diào)制精度方面要求嚴(yán)格,它與本振源相噪之間的關(guān)系為：

（4）式中,L（f）為相位噪聲密度。因此鎖相環(huán)的相位噪聲成為設(shè)計(jì)成功與否的關(guān)鍵。首先,對(duì)鎖相環(huán)路的種類進(jìn)行選擇（見(jiàn)表1）。

表1 PLL IC種類與性能比較