CDMAIS-95蜂窝网络自从1996年开始商业化以来,已证明CDMA技术是推进蜂窝式个人通讯产业发展的最佳无线技术。据CDMA发展组织(CDG)报告称,2004年前六个月CDMA用户增长2,400万,全世界的总用户数达到2.125亿。所有主流的第3代 标准,如CDMA2000、W-CDMA和TD-SCDMA都以CDMA作为接入方法。CDMA基于扩频调制技术,而扩频原理又建立在香农信息理论基础之上。香农容量定律规定,在加性白高斯噪声中信道容量为:
其中:Csh为信道传输容量,单位是bps;BRF为信道带宽,单位是Hz;SNR为信噪比。
与窄带系统(即BRF较小)相比,要实现相同容量的Csh,宽带系统(即BRF较大)需要的信噪比SNR较小。从另一方面来讲,在给定带宽BRF的信道中,较高的SNR有更大的传输容量。这意味着,如果所有用户都传输相同量的数据,同一信道可以拥有更多的用户。
移动台或接入终端的IS-95和CDMA2000功率控制
功率控制的特征是通过估计最佳发射能量水平, 并对网络或基站发送的功率控制指示作出响应, 来控制反向链路中干
在CDMA IS-95和CDMA2000 1X中,基站决定功率控制;而在CDMA2000 EV-DO中,接入终端执行功率控制。两种标准的功率控制方案是相似的,它采用两种功率控制方法,即开环控制和闭环控制。
1. 开环功率控制
开环方法是利用移动台接收器的功率水平PRX来估计前向链路损耗,然后指定移动台的初始发射功率PTX,这样基于不同用户终端选择(如蜂窝、PCS或是3G),前向和反向链路的功率之和保持为一个常量,即PTX+PRX为常数。PRX通过Eb/Io计算得到,它由移动台的数字信号处理器(DSP)测量。
得到了初始的PTX之后,移动台和基站均开始闭环控制。根据所执行的CDMA标准,基站给移动台发送一个误差信号,指示移动台增加或减少一个单位的能量。
闭环功率控制
闭环功率控制包含两个步骤:外环(仅基站进行)和内环(移动台和基站同时进行),在IS-95和CDMA 1X中闭环控制可以达到800Hz的功率控制速率。
闭环功率控制的主要目的是为了根据基站的测量结果,最小化信号多径传播损耗所造成的快速衰减效应。结合使用外环和内环两个闭环功率控制过程,可以在20毫秒的帧间间隔中做到20~35dB的衰减补偿,动态范围可达80dB。
a. 外环闭环功率控制
在外环中,基站每20毫秒为接收器的每一个帧规定一个目标Eb/Io(从移动台到基站)。出现帧误差时,该Eb/Io值自动按0.2~0.3为单位逐步减少,或增加到3~5dB。
整个外环闭环控制步骤只与基站有关,而与移动台无关。
b. 内环闭环功率控制
在内环,基站每1.25毫秒比较一次反向信道的Eb/Io和目标Eb/Io,然后指示移动台降低或增大发射功率,这样就可以达到目标Eb/Io。对于CDMA2000,功率变化幅度单位在±0.25dB~±0.5dB之间,而对于CDMA IS-95,功率变化幅度为±1.0dB。其修正的速率为800bps。
CDMA移动台中功率控制的硬件实现
总之,CDMA IS-95需要移动台每1.25毫秒以±1.0dB的幅度调整一次发射功率,而CDMA2000可以是±0.25dB~±0.5dB。图1所示为手持设备的线性功率放大器信号链的一般输出功率控制。由于CDMA需要很高的线性度,输出功率放大器通常被偏置在一个固定的增益上,然后该输出功率水平必须通过增益控制线性驱动放大器进行调整, 该放大器在CDMA移动台中通常称为自动增益控制(AGC)放大器。
实验发现,由于使用了隔离器(如Murata CE04和CES30)和高精度射频功率检测器LMV225,图2中的射频发射结构能够减少功率放大器的直流功耗。隔离器为功率放大器的输出提供了一个近乎完美的50欧姆负载,而LMV225能够检测精确的发射功率水平。然后,移动台的DSP将输出功率设置到基站所需要的水平。在这一应用电路中,使用了一个电阻器将主信号信道的射频信号转移到LMV225的输入端。此外,还需要一个约100pF的电容器来进行隔直,防止使能控制信号进入主信号通道。由于不希望直流电压进入功率放大器的输出端或隔离器,这个隔直电容器十分必要。由于已经有了一个隔离器,因此大部分被转移的射频能量都是来自发射功率放大器。来自天线的反射能量将转移到隔离器的内建50欧姆负载上,很少能够到达电源放大器的输出或LMV225。因此,被耦合到LMV225的功率可以用20log[R1/(R1+50)]来估算。
实际的测试结果发现,电
源电流为500mA、邻信道功率抑制(ACPR)为-40dBc的功率放大器失真性能可以改善到电源电流为450mA、邻道功率抑制为-50dBc。在该情形下电流下降了10%,失真改善了约10dB。现在我们已经证明,对于IS-95、W-CDMA、CDMA2000和TD-SCDMA空中接口,LMV225和一个CES30隔离器能够在线性CDMA功率放大器的应用中,在功耗和射频失真方面表现出较好的性能。事实上,由于在发射信号通道中器件的不确定性和变化(像AGC、功率放大器的增益以及无源器件的损耗等),为了实现严格的内环闭环功率控制,CDMA2000移动台或接入终端有必要采用LMV225作为发射功率检测器。
移动台发射信号通道
图2中的射频发射电路架构可以用于很多种不同的CDMA芯片组。图3是一个为CDMA2000 1X或EV-DO单波段手持设备发射功率检测而推荐的LMV225应用简图。
在这种发射器结构中,输出到天线的功率为:
RFout=PRFT-LSAW+GPA-LISOLATOR-LDUPLEXER
其中:RFout为到天线的射频功率(假定已实
由于R1和LMV225已经为信号通道构成了一个高阻抗的并联负载,这里R1和LMV225构成的电阻功率分配器的插入损耗可以忽略不计。在室温下,可以将LSAW、GPA、LISOLATOR和LDUPLEXER看成不变的。那么,至天线的射频功率RFout就可以通过PRFT调节,而PRFT受发射芯片中的AGC控制。实际上,AGC放大器通常支持IS-95或CDMA2000所要求的80dB动态范围。我们还发现,CDMA移动台大部分工作时间的输出功率为中等大小,因此从中等输出功率到高输出功率的变化过程中,功率控制的精确度十分重要。不当的高功率电平会减少移动台的通话时间,并对其他网络用户产生更多的干扰。
LMV225的优点
为在CDMA手持设备中提供最佳的功率检测范围,LMV225的设计进行了优化。如上所述,从中功率到高功率精确的功率控制尤为重要,采用耦合电阻R1使LMV225能知道射频信号出现的关键范围。假设将AGC设置在高/最高增益上以实现CDMA功率放大器的最大输出,比如28dBm。如果此时射频发送信号的振幅因数为3dB,那么CDMA功率放大器的瞬时峰值功率将为28+3=31dBm。如果我们选择它作为LMV225应该能检测到的最大参考点,即当功率放大器的瞬时输出功率为31dBm时,输入到MV225的RFin/使能引脚为0dBm, 应该采用一个31dBm的耦合因子。我们发现用一个1.8K(的R1能够在本电路中产生一个31dBm的耦合因子。
LMV225的线性特征
LMV225有30dB的线性检测范围,这一特征减少了生产校准过程的复杂度。校准过程是CDMA 移动台生产过程中的一个重要环节。使用自动测试设备来收集控制码/信号从弱到强过程中的移动台输出功率信息,将该信息保存在移动台的存储器中以供现场使用。基站请求输出功率时,移动台的DSP从存储器中找出实现请求输出功率水平应采用的控制码/信号。
市场上的一些AGC在控制信号和输出增益之间可能存在指数特性,如果和LMV225一起使用的是这种AGC,与其它检测方法(如二极管检测)相比,以dB为单位的线性特征不会使原始控制曲线比原始AGC特征曲线更复杂。然而,如果AGC有一个线性控制范围,以dB为单位的线性特征将把校准点从20多个减少到2个左右。两点校准过程基于下面的原理:在一个二维平面内,只需要两个不同的点就可以表示一个一阶线性方程。如果方程为y=mx+b,用两个测试坐标(x1,y1)和(x2,y2)就可以计算出斜率m和截距b。
双波段CDMA2000移动站中的LMV225
图4为用于CDMA2000手持设备的推荐框图。虽然电阻R1和R1''可能并不相同,用户还是可以对两个波段的性能进行优化使R1和R1''的值相同。另一方面,由于在实际应用只有一个功率放大器处于工作状态,且电阻R1或R1''通常提供30+dB的隔离,低波段和高波段之间的隔离应该处于可以接受的范围内。