TD-LTE 发射机系统设计分析
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摘要 随着数据业务需求的加速，4G 技术将取代 3G 成为未来几年的主流无线通信技术，而其中具有中国自主知识产权的 TD-LTE 将成为其中的重要部分，本文将介绍目前常用的发射机架构，以及对TD-LTE 发射机的系统指标进行分析，并且结合 TI 的芯片方案，全面介绍支持 TD-LTE 的系统解决方案。 术语:DPD(数字预失真) 概述 具有中国自主知识产权的TD-LTE由于其频谱利用率高(下行：5bit/S/Hz;上行：2.5bit/S/Hz);高速率(下行:100Mbps;上行:50Mbps);低延时(100ms控制面，10ms用户面)，以及灵活的频谱使用(可变带宽，1.4MHz;3MHz;5MHz,10MHz,15MHz,20MHz)正越来越受到各个运营商的青睐，到2011年2月，由中国移动主导联合7家运营商发起成立TD-LTE全球发展倡议(GTI)，已发展至48家运营商成员，27家厂商合作伙伴;目前已经有38个运营商计划部署或正在进行试验。 本文将对TD-LTE的不同架构的发射机系统(包括发射和反馈)的挑战进行分析，最终根据TD-LTE的空口指标要求进行系统指标分解，提供了TD-LTE发射机设计的思路及依据,同时结合TI的方案分析了发射机链路关键器件的指标要求。 1、TD-LTE 发射机架构概要 为了更加深入理解基站发射机系统的系统指标，本节将首先介绍目前在基站系统中常用的几种架构及各自的优缺点，从而根据不同的要求选择不同的发射机架构。 总的来说，对 TD-LTE 而言，目前最大的挑战是带宽, 中国目前有 190MHz(2500-2690)连续带宽分配给TD-LTE，同时还有很多多频段的要求(比如 F A;1880-1920MHz,2010-2015MHz)频段,等都对发射机，尤其是反馈通道的要求非常高;严格的带外杂散要求，尤其是 F 频段，对发射机系统而言也是非常大的一个挑战，另外，高 EVM，低噪底的需求同样对系统设计是一个挑战。 1.1 零中频发射，零中频反馈 图 1 为零中频发射及零中频反馈的架构图，其中调制器(modulator)的输入频点为零，解调制(demodulator)的输出频点为零，就称为零中频发射和反馈。
该架构在技术上具有非常大的优势： 1) 发射和反馈可以采用同一个本振信号，节约简化了系统设计和成本; 2) 降低了 ADC 及 DAC 的采样率要求，尤其是对于宽带的 TD-LTE 系统，由于 ADC 有出口管制，采用该种架构后，相对于实中频架构，对 ADC 的采样率要求降低了一半; 3) 由于调制器和解调制的输入/输出频点为零，所以系统没有和中频有关的各种杂散信号，大大减少各种滤波器的需求; 4) 对 ADC 和 DAC 而言，其输入/输出频点低，本身的性能也大大提高，从而有利于系统设计; 5) 采用零中频后，可以保证 DPD 信号带内平坦度高，从而利于 DPD 的处理。 目前，越来越多的基站发射机系统已经开始采用这种架构了，但是该架构同样有其弱点： 1) 由于采用零中频架构，其本振泄露和边带信号都在信号带内，没有办法通过滤波器来对本振信号和边带进行抑制，完全靠算法来进行校准，所以对算法的要求比较高; 2) DAC 的低次谐波(二次，三次)都会在带内，同样没有办法通过滤波器来抑制，所以需要DAC 本身有比较好的二次及三次谐波性能，同时也需要算法对低次谐波进行校准，会导致算法复杂化; 3) 由于发射通道和反馈通道都是采用零中频架构，在做本振泄露和边带抑制时，需要区分发射通道的和反馈通道的本振泄露信号，所以在反馈通道中需要增加移相器来区别发射和反馈信号的本振泄露信号。 考虑到目前的算法还不能非常好的校准本振泄露，边带信号，各种低次谐波信号，对 MCGSM系统，目前还没有采用该种架构。 1.2 零中频发射，实中频反馈 和图 1 的架构不同，当反馈通道采用混频器替代解调器后，就叫实中频反馈。
该方案是目前最通用的架构，相较架构一，最大的区别就是在反馈通道，所以其最大的优点： 1) 由于只是发射通道采用零中频，系统的本振泄露和边带校准相对算法比较容易; 2) 对反馈通道而言，由于采用数字高中频的方式，其本振泄露和镜像信号都可以通过简单的滤波器滤除，无需做任何校准; 3) 由于采用实中频方案，只需要一路反馈 ADC; 4) 降低了 DAC 的采样率，简化了 DAC 和调制器间抗混叠滤波器设计(只需要采用低通滤波器)。 该架构的缺点在于： 1) 对反馈通道的 ADC 采样率要求非常高，尤其是对 TD-LTE 190MHz 带宽需求; 2) 反馈通道的滤波器会引入 DPD 信号不平坦性问题; 3) 需要两个本振信号目前大多数的基站都采用这种架构。 1.3 复中频发射，复中频反馈
相较图 1 的的方案，区别是 DAC 的输出信号为高中频信号，ADC 的输入信号为高中频信号，其优点如下: 1) 发射和反馈可以采用同一个本振信号，简化节约了系统设计和成本; 2) 本振泄露和边带抑制可以通过滤波器来抑制，对算法要求大大降低; 3) 低次谐波信号在带外，可以通过滤波器来进行抑制，降低了对算法的要求; 4) 由于采用复中频架构，反馈通道的 ADC 的采用率要求降低一半，尤其对宽带 TD-LTE 系统尤为重要。 其缺点: 1) 由于 DAC 和 ADC 的信号都是高频信号，对其性能影响比较大; 2) 解调器的线性指标会下降; 3) 发射和反馈通道的平坦度性能会比较差，对 DPD 的性能会有比较大的影响由于不需要做直流及边带校准，而且可以比较容易支持宽带信号，在 TD-LTE 上有比较大的潜力。 2、TD-LTE 发射机指标分析 本节将介绍 TD-LTE 的空口指标要求以及对应的系统指标分配,根据 3GPP TS 36.104 要求，TDLTE 的发射空口指标要求包括：基站输出功率，基站输出功率动态范围;发射机开/关功率;发射机信号质量;unwanted emission;发射互调及其他，下面将针对重要的指标进行分析，分解。 2.1 基站输出功率 基站输出功率是指的天线口的每载波的均值功率，这个指标要求通常是由运营商提出来的，目前TD-LTE 通常要求支持 8 天线 20W(43dBm)的最大功率输出，3GPP 要求其精度为 /-2dB, 极端条件下保证精度为 /-2.5dB, 但是为了简化功放设计，以及良好的热设计，通常要求链路保证的功率波动为 /-1dB, 在宽带信号，尤其是中国的 TD-LTE 190MHz 带宽，怎样保证链路的功率波动在 /-1dB 以内呢。 在选择链路器件时，需要保证在 190MHz 带内的功率波动尽量小，通常分配给 DAC 和调制的功率波动在 /-0.5dB 以内，目前 TI 的 DAC34H8X TRF3705 能够保证 /-0.5dB 的带内波动要求。 除了链路器件的选择要保证比较好波动外，闭环功率校准也是必须的，下表是对闭环校准的要求样例。
2.2 发射机开/关功率 发射机开关是专门针对 TD-LTE 的一个指标要求，由于 TD-LTE 采用同频接收/发射，在发射机关断后要求其噪底对接收机的影响有控制在一定范围之内，3GPP 要求其在关断后功率低于-85dBm/MHz, 归一化后： -85dBm/MHz=-(85 10*lg10^6)=-145dBm/Hz,考虑到增益，分配到 DAC机调制器的噪底要保证-155dBm/Hz 左右。 2.3 发射机信号质量 发射机的信号质量包括：频率误差;EVM(矢量幅度误差);多天线之间的时延同步。 2.3.1 频率误差 3GPP 要求, 调制载波频率在一个子帧周期 (1ms) 内观察到的频率偏差不得超过 /-0.05ppm在 TD-LTE 发射机系统中，由于基带系统是完全同步的，没有长期频率误差，所以其频率误差主要来之于时钟和频综的贡献。 2.3.2 EVM(矢量幅度误差) 3GPP 要求对各种调制信号的要求如下表，通常对设计者而言，需要保留 2-3%的余量。
EVM的贡献对整个发射两路而言，主要来自于几部分: 数字处理和链路部分。 1：CFR (削峰处理), 为了提高 PA 的效率，削峰是目前结合 DPD 最重要的技术，它对系统的 EVM 有着非常重要的影响，不同的削峰技术性能不同，通常的硬削峰会比较简单，但是对系统的影响，尤其是对EVM 的影响会比较大，目前常用的方法峰值对消法，虽然要求的资源比较多，但是对整个系统性能是最优的，此处不详细述具体的 CFR 对 EVM 的影响，但是需要清楚 CFR 对 EVM 有非常重要的影响。 2：链路部分 |
