| CDMA移動(dòng)手機本機振蕩器的設計策略[多圖] |
| www.52RD.com 2005年6月2日 我愛(ài)研發(fā)網(wǎng) James Kimery |
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目前，大多數CDMA手機采用的是圖1所示的超外差無(wú)線(xiàn)結構，在典型的CDMA應用中，接收到的無(wú)線(xiàn)信號由頻率范圍介于900 MHz至2.0GHz之間的高頻載波信號及經(jīng)過(guò)調制和編碼的低頻數據信號混合而成。
LO為混頻器提供輸入，對CDMA手機來(lái)說(shuō)，它通常是一個(gè)PLL(鎖相環(huán))合成器，PLL合成器可通過(guò)多種不同的途徑來(lái)實(shí)現。由于CDMA需要多階頻率轉換，PLL合成器必須生成非常精確的信號，否則手機會(huì )與其它通信信號相互干擾或阻礙解調，從而導致誤碼率(BER)增大，降低語(yǔ)音和/或數據質(zhì)量(圖1)。
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圖2給出了PLL合成器的方框圖。典型的PLL合成器由分立VCO(壓控振蕩器)、分立環(huán)路濾波器和合成器IC組成。合成器IC包括參考分頻器(R分頻器)、整數或分數N分頻器以及鑒相器，但不包括VCO和環(huán)路濾波器。幾家CDMA收發(fā)器制造商已開(kāi)始在其芯片中集成可選的PLL合成器功能，以減少元件數目及簡(jiǎn)化設計?？紤]到復雜性問(wèn)題，目前尚無(wú)法在這些芯片中集成RF VCO，因而現階段尚未開(kāi)發(fā)出完全集成這些功能的CDMA收發(fā)器芯片。
PLL合成器輸出頻率可由方程(1)確定：
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中心頻率fcen可由方程(2)計算得出，fcen應是LO所生成的輸出頻率頻譜的中心頻率。C和L表示振蕩所需的VCO振蕩回路。一旦fcen確定，基帶處理器或板上DSP可通過(guò)改變N分頻器的值將輸出頻率fout調整到特定的頻道。
確定輸出頻率
設計PLL合成器的第一步是確定手機要求，即需支持的頻帶、模式和收發(fā)器要求。在北美，有兩個(gè)頻帶分配給了商用數字蜂窩通信，如表1所示。大多數移動(dòng)電話(huà)制造商同時(shí)支持數字和模擬(AMPS)通信，以擴展覆蓋范圍。由于綜合數字網(wǎng)絡(luò )的成本極高，業(yè)務(wù)運營(yíng)商更傾向于將AMPS作為未來(lái)移動(dòng)電話(huà)的一個(gè)選項。
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頻帶為確定PLL合成器的輸出提供了一個(gè)起點(diǎn)，精確的輸出頻率要求取決于收發(fā)器和無(wú)線(xiàn)頻率分配規劃，頻率分配規劃是所有無(wú)線(xiàn)結構開(kāi)發(fā)的中心環(huán)節。IF和RF LO所選的實(shí)際頻率必須在研究過(guò)偽混頻、諧波干擾及所選實(shí)際頻率的元件適用性之后才能確定。
大多數CDMA收發(fā)器采用超外差式結構，該結構同時(shí)包含RF和IF上變頻和下變頻兩級。為方便混頻，必須同時(shí)以?xún)煞N頻帶在發(fā)送和接收路徑上為每個(gè)混頻器提供RF和IF LO信號。
雙頻手機通常需要兩種或更多不同的RF LO信號，這取決于發(fā)送和接收混頻器是否需要不同的頻率(視收發(fā)器和無(wú)線(xiàn)頻率分配規劃而定)。因此，RF LO必須具備用于雙頻工作模式的兩個(gè)或更多分離RF PLL合成器。在IF混頻級，每個(gè)頻帶要求至少兩個(gè)IF LO信號以便于雙向通信。然而，某些CDMA收發(fā)器方案在兩個(gè)頻帶上復用同一IF頻率，從而減少了設計所需的元器件數目。
參考頻率
fin由可用的收發(fā)器和基帶方案予以標準化，由此規定了手機的頻率分配規劃。典型的參考頻率如表2所示。
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方程(1)中，注意到fin和R分頻器的混合決定了鑒相器的刷新率(update rate)及信道或信道柵(channel raster)的間距。表2還包括相應的R分頻器值，為AMPS生成適當的信道柵間距，以及為CDMA生成適當的柵間距。對于蜂窩基帶，30 kHz的刷新率可為AMPS提供30 kHz的信道間距，并為CDMA提供30 kHz的信道柵。PCS基帶需要50 kHz的信道柵。
目前已提出了LO物理約束的基本框架，下面將重點(diǎn)討論為滿(mǎn)足正式和非正式標準要求，設計必須達到的性能規范，如相位噪聲和穩定時(shí)間等。
相位噪聲
CDMA標準并未直接闡述用于RF下變頻的CDMA PLL合成器的精確相位噪聲性能，只是間接定義了單音信號去敏(Single Tone Desensitization)的要求。單音信號去敏規范可保證在1.25MHz CDMA信道帶寬上接收到高功率窄帶干擾信號時(shí)，CDMA接收器仍能繼續工作。
該標準規定，95％置信區間內的最小誤幀率(FER)為0.01。由于較大的干擾帶有-30dBm的功率電平，偏移量為1.25MHz時(shí)，系統的相位噪聲約為-136dBc/Hz。注意到該相位噪聲規范適用于整個(gè)RF系統，而PLL合成器只是其中一部分。如果在規范中留有-4dBc/Hz的裕度，在偏移量為1.25 MHz的條件下，PCS基帶的PLL合成器大約應為-140dBc/Hz。具體實(shí)現將根據收發(fā)器性能和無(wú)線(xiàn)設備的其他特性而定。通常，減小PLL合成器引發(fā)的相位噪聲有利于系統其他部件獲得更大的相位噪聲裕度。
也許雙模手機最大的挑戰在于必須達到AMPS標準規定的相位噪聲水平。在A(yíng)MPS中，由于語(yǔ)音數據不能像在CDMA中一樣較廣的帶寬上以數字形式發(fā)送，AMPS相位噪聲的性能就顯得尤為重要。另外，與載波信號僅相差60kHz的信道干擾將使得接近中心的噪聲性能更加突出。為滿(mǎn)足AMPS要求，PLL合成器在60kHz偏移量的條件下，所生成的相位噪聲不得超過(guò)-120 dBc/Hz。
穩定時(shí)間或死鎖時(shí)間
穩定時(shí)間或死鎖時(shí)間是指在規定的頻率或相位精度條件下，PLL合成器輸出達到穩定所需的時(shí)間。大多數通信系統規定LO需要在功率放大器接通之前，在傳送通路中設定0.1ppm的頻率誤差。這樣可防止手機在所期望信道以外進(jìn)行信號傳送并與其他手機相互干擾。在某些通信系統中，接收端的穩定時(shí)間是以相位誤差的均方根形式進(jìn)行描述，該相位誤差給出了所接收的數據組群被解調的位置。
與相位噪聲一樣，CDMA規范并未規定確切的PLL合成器穩定時(shí)間。然而，該標準規定了最終限制穩定性能并影響PLL合成器設計的系統性能參數?？傊?，由于CDMA采用直接序列擴頻方案，PLL合成器的穩定時(shí)間與多接入方法關(guān)系不大。在GSM或跳頻系統等其它通信系統中，LO必須不斷改變頻率，這對PLL合成器穩定時(shí)間要求而言，無(wú)疑增添了更多的麻煩。
從系統角度看，CDMA規范中至少存在兩個(gè)限制手機響應時(shí)間的因素：其一為硬切換(Hard Handoff)條件，此時(shí)移動(dòng)手機必須在小區之間進(jìn)行不連續的轉換；另一因素與采用異步消息接收方式將手機配置在分時(shí)段尋呼模式有關(guān)。下面將根據對PLL合成器設計的影響，詳細闡述這些條件。
硬切換
在CDMA中，需要兩種切換：硬切換和軟切換。軟切換是首選的小區切換方法，因為其“中斷之前即切換”的工作方式可減少潛在的錯誤，并將對用戶(hù)的影響降至最低。然而，CDMA移動(dòng)手機應當在“中斷之前即切換”工作方式 (參見(jiàn)表3)下也支持硬切換。當基站引導移動(dòng)手機在兩個(gè)不相鄰網(wǎng)絡(luò )系統、不同頻率分配、不同幀偏移量或不同基帶類(lèi)型的條件下進(jìn)行切換時(shí)，將啟動(dòng)CDMA至CDMA的硬切換。而當基站命令移動(dòng)手機變換到蜂窩基帶模擬語(yǔ)音信道(移動(dòng)手機必須支持AMPS)時(shí)，將啟動(dòng)CDMA至AMPS的硬切換。在任何一種情況下，PLL合成器都必須迅速更換頻率并在新頻率下達到穩定，以滿(mǎn)足系統的時(shí)序要求。
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當需要在手機和新業(yè)務(wù)小區或區段間更換頻率時(shí)，必須啟動(dòng)硬切換。由不同小區中的不同頻率進(jìn)行硬切換后，移動(dòng)手機重接入小區的過(guò)程包括調整新頻率和搜索新導頻信道。CDMA規范要求所有事務(wù)必須在60毫秒(msec)內完成。
為了在蜂窩電話(huà)網(wǎng)絡(luò )內均勻分配負載，業(yè)務(wù)信道幀將作為系統時(shí)間的偏移量，“幀偏移量”以1.25毫秒的增量予以劃分。為了支持軟切換，目標小區必須使用與當前業(yè)務(wù)小區相同的幀偏移量。如果不能滿(mǎn)足這一條件，則必須進(jìn)行硬切換，這類(lèi)硬切換必須在20毫秒內完成。
PLL合成器的穩定時(shí)間是硬切換完成時(shí)間的一部分。如果不能滿(mǎn)足這些硬切換持續時(shí)間的限制要求，那么語(yǔ)音質(zhì)量將受到影響，甚至導致通話(huà)中斷。移動(dòng)手機必須調整到新的頻率，查詢(xún)新導頻信道，接入新信道，然后再發(fā)送切換完成消息。對上述提及的任何情形，硬切換的界限在幀偏移量條件下為20毫秒，而在其他硬切換條件下為60毫秒。這段時(shí)間中，PLL合成器必須只消耗總時(shí)間的很少一部分，因為功率放大器等部件將在驟開(kāi)驟關(guān)中消耗大量的時(shí)間。如果PLL合成器可迅速穩定，那么更多的時(shí)間可用于為其他功能塊執行切換任務(wù)。在硬切換情況下，設計人員通常分配大約1至2毫秒的切換時(shí)間。
分時(shí)段尋呼模式
移動(dòng)手機開(kāi)啟后，即開(kāi)始搜索導頻信號、接入導頻信號和同步信道的初始化進(jìn)程，然后進(jìn)入空閑狀態(tài)?？臻e狀態(tài)下，手機監視尋呼信道，以確定該終端是否設置了呼叫。CDMA規范規定了兩種不同的監視尋呼信道方法：分時(shí)段和非分時(shí)段尋呼模式。在非分時(shí)段模式中，手機監視尋呼信道的每個(gè)時(shí)段。該監視模式雖然很有效，但由于手機的RF部分必須時(shí)刻保持通電，電池會(huì )很快耗盡。
而分時(shí)段尋呼模式可讓手機只在特定時(shí)段監視尋呼信道，16幀組成一個(gè)時(shí)段，而每幀的長(cháng)度為80毫秒，總周期為1.28秒(見(jiàn)圖4)。
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降低整機功耗
降低整機功耗是一個(gè)重要的目標，因為功耗直接影響電池的使用壽命。為降低手機功耗，低電壓和低于3V電壓工作將成為發(fā)展趨勢，因而對PLL合成器設計將產(chǎn)生多重影響。PLL合成器的功耗有助于降低噪聲電平，因此有利于改進(jìn)性能。然而，低電壓也使得VCO更難調諧，除非同時(shí)增加環(huán)路帶寬和VCO增益(Kv)。方程(3)粗略地表達了這一關(guān)系，增益增加將增加噪聲和系統對VCO及充電泵非線(xiàn)性的敏感度，由此增加相位噪聲?？焖俜€定時(shí)間是另一個(gè)期望的特性，通常要求增加反饋和充電泵速率，這在低電壓下更難實(shí)現。
調諧范圍=輸入電壓* Kv (3)
結構上的折衷
鑒于上述原因，必須在分立、部分分立和單片IC三種實(shí)現方案之間進(jìn)行結構上的折衷。盡管完全分立方案具有更大的靈活性，但也增添了更多的設計任務(wù)，因為PLL合成器的每個(gè)功能塊必須從頭開(kāi)始設計。分立方案還需要較多的部件，這會(huì )影響元器件的采購，對庫存的要求也較大，元件的穩定性較低，還要占用額外的板空間。由于這些因素會(huì )影響產(chǎn)品成本和面市時(shí)間，CDMA手機開(kāi)發(fā)通常不采用完全分立的設計方案。
部分分立方案利用商業(yè)化的合成器IC和VCO，減少了元器件數目，也簡(jiǎn)化了設計。實(shí)際上，許多商用CDMA收發(fā)器集成了PLL的各種部件--從設計的角度看，這些部件包括外部VCO和/或振蕩回路，以及回路濾波器。對于雙頻應用，要在指定的頻帶上更換適當的PLL回路濾波器，必須使用切換電路。該方法的缺陷在于如果性能參數不能滿(mǎn)足系統規范或目標，PLL合成器設計人員幾乎沒(méi)有替代方法。
對于PLL合成器功能全部在單片IC上的全集成PLL合成器方案，其優(yōu)點(diǎn)在于將外部元件數目、設計工作量和產(chǎn)品尺寸降至最少，而且其相位噪聲和穩定時(shí)間性能在許多情況下均優(yōu)于其他方法。此外，在雙頻帶應用中，為簡(jiǎn)化開(kāi)發(fā)而改變環(huán)路濾波器時(shí)，該方法不需要切換。該方法的缺陷在于目前市場(chǎng)上只有很少產(chǎn)品能在單片IC上集成完整的PLL合成器。
總結
為CDMA移動(dòng)手機設計LO時(shí)，必須考慮許多因素，本文討論了現今CDMA手機開(kāi)發(fā)人員面臨的一些問(wèn)題。成功設計PLL合成器的關(guān)鍵在于清晰了解開(kāi)發(fā)標準和系統目標，并掌握相應的技術(shù)知識。
作者：James Kimery
Silicon Laboratories
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