5. 8GHz WiMAX寬帶無線通信射頻系統設計

　　4 主要技術指標的實現與指標分配

　　4.1 發射功率的實現

　　由于系統的基帶采用OFDM 調制技術，OFDM是無線通信系統中的一項關鍵技術，是一種多載波傳輸技術。多載波傳輸技術相對于單載波傳輸技術而言有很多優點，例如抗多徑干擾，抗突發噪聲和有效地克服頻率選擇衰落。但OFDM 技術的一個主要缺點就是具有很高的峰均功率比( PAPR) ，高的峰值容易引起非線性失真； 同時，由于系統采用較高的64QAM 等調制方式，對系統的線性要求較高，針對以上問題，在設計及選用器件時，為保證系統工作在線性區域，所有器件均要求在其P1 dB 回退10 dB 工作。

　　功放設計的難點主要是末級功放的設計，本系統末級功放選用SIRENZA 公司生產的SZA5044，其輸出P1 dB 為29 dBm，功率回退10 dB，其輸出線性功率為19 dBm，功放末級有一無源收發開關、抑制諧波分量的低通濾波器及MCX 插座，其插入損耗總和為1. 6 dB，在插座輸出口輸出的線性功率為17. 4 dBm，滿足設備技術指標要求； 同時，SZA5044的增益為28 dB，為保證設備技術指標16 dBm 功率輸出，SZA5044 輸入功率要求- 9 dBm，功放前級的射頻開關、數控衰減器及濾波器的插入損耗總和為4. 4 dB，要求TRF2436 的線性功率輸出- 4. 6 dBm,TRF2436 其輸出P1 dB 為22 dBm，線性功率輸出12 dBm，滿足技術指標要求。

　　4.2 發射通道ALC的實現

　　由于系統針對點對多點設計，基站的AGC 不能工作，基站的接收增益相對固定，為保證系統正常通信，基站端通過測試上行接收基帶I、Q 的功率電平,與標準I、Q 的功率電平比較，計算出功率誤差，送至用戶端，通過軟件開環控制用戶端上行的發射功率；為保證有足夠的動態，以適應衰落的影響，指標規定用戶端的ALC 控制范圍大于50 dB，步徑1 dB。

　　本系統的ALC 由SE7051L10 提供30dB ALC 控制范圍，步徑1 dB； 同時，數控衰減器提供28 dB 的ALC 控制范圍，步徑4 dB，在實際應用中，實際測試一ALC 控制表格，按實際衰減量從小到大排列，步徑1 dB，通過安捷侖公司的89601 軟件實際測量發射功率電平，同時保證在50 dB 的動態范圍內，發射的相對矢量誤差小于- 31 dB。在正常工作時，基帶軟件根據當前ALC 控制信號所在控制表格的位置和基站測量的功率誤差，動態調整用戶端發射功率,保證系統正常工作。

　　4.3 發射機EVM指標實現

　　發射機相對矢量誤差是衡量發射機綜合技術指標之一，由基帶I、Q 的正交誤差、幅度平衡，本振的相位噪聲，混頻器和功放( PA) 線性技術指標和系統頻偏等決定。針對本射頻系統而言，I、Q 的正交誤差主要通過PCB 板I、Q 信號走線嚴格等長來控制；幅度平衡可通過運算放大器的增益控制電阻來調整； 由于本射頻系統選用TRF2436 作為二次混頻的主芯片，混頻器集成在芯片內部，無法控制； 發射EVM 主要由本地振蕩器的相位噪聲決定，通過合理選用VCTCXO，優化環路濾波器等措施，保證射頻本地振蕩器的相位噪聲指標滿足- 88 dBc@ 1 kHz、- 90 dBc@10 kHz，從而保證TRF2436 輸出最終功率0 dBm時，其相對矢量誤差達到- 34. 5 dB； 對本系統而言，功放的合理設計決定了發射機相對矢量誤差。

　　如前所述，本系統選用的末級功放，在輸出功率為16 dBm 時，其相對矢量誤差為2% ( - 34 dB) ，通過計算系統的相對矢量誤差為- 32. 5dB，滿足技術指標要求。

　　4.4 接收靈敏度及接收AGC設計

　　接收機靈敏度是反應接收系統主要技術指標之一，對802. 16d 系統而言，接收機的靈敏度在系統誤碼率不小于10- 6情況下，應按如下公式計算( 假定有5 dB 的余量和7 dB 的噪聲系數NF) ，R ss =- 10+ SNRrx + 10Log ( ( Fs * 200 ) / 256) 。采用3. 5 MHz帶寬，這里的Fs = 3. 5* 8/ 7，SNRrx 為系統解調歸一化信噪比，對64QAM- 3/ 4 而言，其歸一化信噪比要求為24. 4 dB。通過計算，其接收機靈敏度為- 72. 6 dBm。從以上公式可以看出，合理設計低噪聲放大器，減低系統的噪聲系數，可以提高系統的接收機靈敏度指標； 本射頻系統的低噪聲放大器選用安捷侖公司生產的MGA71543 和MGA72543 來完成低噪聲放大器設計，增益50 dB，考慮接插件、開關及濾波器的插入損耗，系統噪聲系數4 dB，比公式7 dB噪聲系數改善3 dB，相應提高接收機靈敏度3 dB，優于該標準規定的要求。

　　整個系統提供的接收機AGC 控制范圍為90 dB，其中中頻增益控制范圍為50 dB ，TRF2436 增益控制范圍為16 dB，數控衰減器28 dB，總計94 dB。

　　5 設備特點

　　該設備具有如下特點:

　　①低成本。由于選用的是高集成，大批量的通信集成塊完成設計，大批量生產時，整機成本幾十美元；② 高性能。點對點測試時，信道帶寬3. 5 MHz接收機靈敏度- 75 dBm ( 64QAM - 3/ 4 ) ，優于802. 16d協議標準2 dB；③結構簡單。由于系統選用TDD 模式工作，無須過分考慮收發隔離，整機收發在同一塊PCB 板上完成，收發之間不需要增加屏蔽盒； 也不須增加改善收發隔離的雙工器； ④ 調試、安裝、維修方便。由于選用的器件均為內匹配的器件，一致性好，只要器件安裝正確，工藝不出差錯，幾乎為免調試產品。整機重量輕，安裝方便； 維修時能迅速定位故障點。

　　6 結束語

　　該設計于2007 年8 月向國家知識產權局申請發明專利，已審通過，專利號200710023309. 2。由該設備組成的系統，在安徽省電力通信公司、合肥供電局傳輸變壓器工作狀態數據和KP 所工作狀態數據； 系統采用點對點測試，兩點之間在部分遮擋通信距離5 km 情況下，進行上下行鏈路數據傳輸，其流量及Ping 包測試均符合WiMAX 標準要求； 同時雙向傳輸電影圖像無失真、聲音清晰，系統工作穩定。