名稱:雙音和WCDMA調製阻塞的有效IM2分量評估
引言
近年來隨著第 3代 (3G)無線網路在日本 (IMT-2000)、歐洲 (UMIST)和美國 (CDMA2000)的推廣， 3G移動手機所需的低成本、低功耗和小形狀係數的用戶設備 (UE)變得重要起來。採用硅工藝、電路設計技術實現的直接下變頻接收結構是 3G手機高集成平台的一種有前途的系統方案。本文給出 3G無線電的商業用全集成零中頻接收機方案 (圖 1)。廣泛討論接收機輸入 2階截點 (IIP2)，因為它是直接變頻接收機的關鍵性能指標。在此給出測量、模擬和計算結果。
圖 1 3GPP FDD手機無線電用直接變頻接收器 IC
圖 2由零中頻接收器中雙音阻塞引起的 2階互調失真
圖 3 UL參考通道和 DL 16通道阻塞的 CCDF
直接變頻接收機結構
如圖 1所示，直接變頻或零中頻接收機結構是實現接收機完全片上集成的途經，直接解調信號為基帶 I和 Q信號。在 3G WCDMA FDD(全雙工 )工作模式，只需要一個外部雙工器分離 RX和 TX部分。而且，在 FDD無線電中需要後置 LAN RF濾波器，以抑制解調器輸入中的帶外阻塞和發送器泄露。在零中頻接收器 IC中，由片上低通濾波器實現基帶的通道選擇。其後是通道濾波，基帶中的 I/Q信號被無線電數據機 IC的模擬基帶部分數字化之前由可變增益放大器 (VGA)放大。
2階失真效應
在零中頻接收機中， 2階互調分量 (IM2)是一個干擾源，而必須使接收機基帶通道中的這些成分最校在零中頻接收機中，前端 2階非線性解調調幅信號后，阻差分量落入基帶內。由於這些 2階 IM2分量是由阻塞包絡的平方項組成的，所以基帶中這些不希望的頻譜分量的帶寬可能達到阻塞振幅包絡帶寬的 2倍。 IM2分量依賴於基帶中所希望的信號調製帶寬，所以這些 IM2分量將部分地或全部導致接收機干擾容限。
這裡所討論的 IM2失真分量是發生在零中頻接收機下變頻器中，這是由於 LNA中的低頻 IM2分量通常由 LNA和混頻單元之間的 AC耦合或帶通濾波濾掉。在零中頻接收機中有多種 IM2分量生成機制。然而，主要有下面兩種 IM2來源：
RF自混頻：這是由於在零中頻接收機的混頻器中轉換級的非理想硬開關 I-V特性和雜散耦合導致 RF信號漏進 LO埠所引起的。
下變頻器 RF級 2階非線性和 LO級開關失配：在零中頻接收機的 I/Q混頻器輸入引入強 CW或調製阻塞時，混頻器跨導或 RF級的有源器件的 2階非線性將產生低頻 IM2分量。
IIP2公式推導
接收器前端的弱非線性特性可表示為：
∧ (1)
接收器的輸入信號 (見圖 2)表示為，總雙音功率等於 A2/R。接收器前端的 2階失真分量為：
(2)
在 (f1+f2)和 (f1-f2)總輸出 IM2分量 (包括總 DC偏移 )表示為：
(3)
輸出 IM2分量 (方程 3)中和系統阻抗 R有關的總功率計算如下：
(4)
根據定義，在 IIP2功率電平，總輸入信號功率等於輸出 IM2分量 (方程 4)中的總功率，除以增益因數|a1|2可寫為：
(5)
根據總雙音輸入功率等於 P2T=A2/R，與接收器有關的 IM2分量的總功率電平 (方程 4)可表示為：
(6)
注意方程 4中的 IM2分量總功率電平，它是由 DC中的 50%(-3dB)IM2分量、 f1-f2中的 25%(-6dB)分量、 f1+f2中的 25%(-6dB)IM2分量組成。因此，在 f1-f2中 IM2分量的功率電平可以從方程 4和方程 6推導出：
(7)
其中每個音的功率電平 (在 f1或 f2中 P1T)是總雙音功率的 50%，。
有效低頻 IM2分量
在 3GPP WCDMA無線通信中，對接收器輸入嚴重的干擾不是雙音型，而是寬頻數字調製阻塞部分。因此，估算調製阻塞的有效低頻分量非常重要，以便得到滿足誤碼率性能要求的接收器 IIP2。這就需要了解調製阻塞的特性。特別是它的非恆定包絡，這是由於它將 RF阻塞變換到基帶，包括包絡的平方項。在 3G標準測試案例 7.3.1和 7.6.1給出 3GPP WCDMA接收器中兩個主要的調製阻塞。第一個測試案例 7.3.1規定傳輸上行鏈路 (UL)信號在天線處為最大功率電平 (+24dBm)時，對於 BER<10-3所需要的最小靈敏度。第 2個測試案例 7.6.1規定天線連接器處對於 BER>10-3所需最小接收信號，調製下行鏈路 (DL)阻塞為 -44dBm，偏離所希望信號 15MHz、在天線處傳輸 UL功率是 +20dBm情況下。
在 3GPP標準文件 A.1表中給出了在 3GWCDMA手機的天線處傳輸 UL信號參考測量通道 (12.2kbps)結構。它由專用物理數據通道 (DPDCH)和專用物理控制通道 (DPCCH)組成。在無線電數據機部分， DPDCH和 DPCCH通道都擴展到 3.84Mcps，標定到適當的功率比 (DPCCH/DPDCH=-5.46dB)、 HPSK編碼並用 1.92MHz平方根餘弦 (RRC)濾波器 (滾降因數 a=0.22)濾波。另外，前向通道調製阻塞 (與所希望通道偏移 15MHz)由測試所需的公共通道 (Table C.7標定 )和 16個專用數據通道 (Table C.6標定 )組成。信號是 QPSK混合編碼，擴展到 3.84Mcps、編碼並用 RRC濾波器 (類似於 UL信號 )濾波。信號 -3dB帶寬等於 3.84MHz(在 RF)，而且總信號功率的 99%是在 4.12MHz帶寬 (-6dBBW)內。為了理解調製 UL發送信號或調製 DL16通道信號的包絡特性和估算 WCDMA零中頻接收器中這些信號的有效 IM2分量，首先研究用互補分佈函數 (CCDF)表示的每種信號中的功率統計。 CCDF給出信號與概率關係的峰值平均功率比 (PAR)。圖 3示出 UL傳輸信號和 DL16通道信號的 ADS(Advanced Design System)模擬 CCDF。
注意圖 3中在基於一個發送 DPDCH的 UL參考通道的 0.1%概率處， PAR為 3.1dB。另外，包含 16個專用通信通道的 DL阻塞 (在 15MHz偏移 )具有 8.4dB PAR(在概率 0.1%)，這幾乎等同於高斯雜訊信號。下面將示出的有效低頻 IM2分量估算不同於兩個標準測試案例，這是因為兩個不同阻塞分量之間的 PAR不同。
研究 WCDMA零中頻接收器輸入端調製阻塞 IM2分量的 ADS IM2模擬模板示如圖 4。 IM2分量由 RRC濾波器濾波，此濾波器與基站發送器 RRC濾波器匹配。模擬中所測量的總低頻 IM2分量在所希望的 oHz~2.06MHz基帶信號頻帶內，這是 RF信號的 99%功率帶寬的一半。
在圖 5和圖 6中分別示出 WCDMA UL參考測量通道 (12.2kbps)和 WCDMA DL 16通道阻塞在零中頻下變頻器基帶輸出的模擬 IM2分量頻譜。在 ADS模板中，為了模擬，用 0dBm的調製阻塞功率和等於 +30dBm的零中頻下變頻器 IIP2。對於 0dBm WCDMA UL發送信號在 1KHz...2.06MHz所希望的信號通帶內積分，得到總的低頻 IM2分量的功率等於 -43.7dBm。 2階非線性所引起的 DC偏移為 5mV，這等效於 50Ω上產生 -33dBm(圖 5)。另外，對於 0dBm WCDMA DL 16通道阻塞的總 IM2分量的功率電平，在 1KHz...2.06MHz所希望信號通帶內積分等於 -33.1dBm。 2階非線性引起的總 DC偏移等於 5mV(圖 6)。根據方程 6，假定在零中頻下變頻器輸入端雙音阻塞總功率電平為 0，則接收器輸入的總 IM2分量的功率電平計算如下：其中 -33dBm是 DC偏移電平 (根據方程 4計算 )， -36dBm是在 f1-f2內 IM2分量的功率電平 (根據方程 7計算 )。可以得出結論： 0dBm UL發送阻塞在 1KHz~2.06MHz頻段積分得到低頻 IM2分量的功率電平 7.7dB。同樣，由 0dBm DL 16通道阻塞引起的等效低頻 IM2分量功率電平為 2.9dB。根據上述結果，總有效 IM2分量功率電平為：對於 UL參考通道或 TX阻塞案例為： (8)對於 DL 16通道阻塞案例為： (9)在方程 8和方程 9中，每個音的功率電平 (在 f1或 f2的 P1T)是雙音阻塞總功率電平 (P2T)的 50%，這與調製阻塞的功率電平是相同的：WCDMA接收器所要求的最小 IIP2下面根據方程 8和 9分別給出測試案例 7.3.1和 7.6.1的 WCDMA零中頻接收器的最小 IIP2。所有 IIP2計算都是參考於接收器 LNA輸入。
-3GPP標準測試案例 7.3.1
5dB。可計算過允許的接收器 NF產生最大的雜訊功率 PN=Psensitivity+Gp-Eb/Nt=-117dBm+25dB-7dBm=-99dBm。
?(C)起的最大輸入 IM2(指接收器 LNA輸入 )：
PIIM2,UL_TX = PN-11dB-ILduplexer≤ 99dBm-11dB-2dB = -112dBm
-3GPP標準測試案例 7.6.1
已忽略由 UL發送泄漏信號引起的低頻 IM2分量，因為在該測試中的 UL TX功率相對於 7.3.1案例中所規定的電平已降低 4dB。
圖 4清除 IM2分量的 ADS模塊
圖 5在零中頻接收器輸出由 UL阻塞引起的模擬 RRC濾波 IM2分量
圖 6在零中頻接收器輸出由 DL 16通道阻塞引起的模擬 RRC濾波 IM2分量
結語
本文給出在調製 WCDMA阻塞器中所需的零中頻接收器 IIP2的模擬、計算和測量結果。這依賴於調製阻塞的包絡特性，結果顯示基帶中總的低頻 IM2分量電平可以高於或低於由等效雙音阻塞引起的低頻 IM2拍音電平。
