相位噪声和TD-SCDMA UE接收器

影响TD-SCDMA接收器的四个重要问题：相位噪声、噪声系数、I/Q相位不平衡和电源噪声。误差矢量大小用于指定描述这些因素对无线电接收器的影响。给出了估算电源噪声、I/Q平衡和LO相位噪声影响的公式。

介绍

时分、同步码分多址 （TD-SCDMA） 用户设备 （UE） 接收器设计必须平衡许多因素的影响，以满足系统灵敏度规范。使用级联噪声系数技术计算灵敏度是基本的。设计人员在计算接收器灵敏度时还必须考虑压控振荡器 （VCO） 相位噪声、同相/正交 （I/Q） 相位平衡和电源噪声。本文介绍了通过使用误差矢量幅度（EVM）计算来包含这些问题的公式。

与灵敏度规格相关的一些因素

参考灵敏度性能可能是接收器最重要的规格。通常，它是指当系统满足所需的误码率（BER）时天线端口的最小输入功率电平。有七个项目会影响此规范：

　　接收器的噪声系数

　　发射器的本底噪声

　　I/Q增益不平衡

　　I/Q正交相位不平衡

　　相位噪声

　　电源电压噪声

　　线性相位失真

　　线性幅度失真

第 1 项和第 2 项描述了添加的白噪声的影响，因此我们可以使用组合噪声图来描述这两个项目。采用TD-SCDMA手机设计，双工是时分双工（TDD）。在TDD操作中，当接收器打开时，发射器应关闭，因此发射器的本底噪声对于TDD模式手机设计来说不是问题。

第3项，I/Q增益不平衡可能对SNR规格没有影响，因此，如果基带电路正确解调信号，则可以容纳I和Q支路之间2或3dB的差异。第6项，电源的噪声，可以通过两种方式影响信号路径：

1） 大多数有源电路将充当幅度调制器。这种作用是由增益随电源线上的噪声而变化引起的。

2） VCO 用作相位调制器。通常这对于手机设计来说不是问题，因为电压噪声通常非常小，例如MAX8878，规格为30Hz至10KHz范围内的100μVrms。

项目7和项目8是线性失真，可由基带处理器进行补偿。由于数字信号处理器（DSP）可以消除这种类型的失真，因此在本文中我们将忽略这两个项目。

下面我们将详细讨论UE接收器设计中最重要的四个问题：相位噪声、噪声系数、I/Q相位不平衡和电源噪声。误差矢量幅度（EVM）将用于量化这些项目。

误差矢量大小

EVM规范通常用于描述传输信号的调制精度。TD-SCDMA和宽带CDMA（WCDMA）标准都使用此规范来指示传输信号的质量。我们知道接收器的BER规范通常被描述为SNR（或Eb/No）的功能。EVM 和 Eb/No 之间有关系吗？3GPP TS25.102给出了EVM定义如下：

误差矢量幅度是（理想）波形与测量波形之间差值的量度。差值称为误差向量。两个波形都通过匹配的根升余弦滤波器，其带宽对应于所考虑的芯片速率和滚降α = 0.22。然后通过选择频率、绝对相位、绝对幅度和芯片时钟时序来进一步修改两个波形，以最小化误差矢量。EVM 结果定义为平均误差矢量功率与以 % 表示的平均参考功率之比的平方根。

从上面的定义中，我们知道Eb/No=1/ （EVM）²。“Eb“是每比特的能量，”No“是每赫兹的SSB噪声功率密度。现在我们将尝试找出EVM和NF，相位噪声，I / Q增益不平衡和I / Q相位不平衡之间的关系。为了简化计算，我们只考虑QPSK调制类型和Es=2Eb对于这种类型的调制，Es是每个传输符号的能量。

噪声系数和 EVM

假设输入信号功率电平为Ps，级联噪声系数为NF，我们有以下公式：

注意：Ts是一个传输符号的周期，T是绝对温度，这里假设为290°K，K是玻尔兹曼常数，Rs是符号速率，Rc是芯片速率，L是扩频因子（SF），SNR是信噪比。

对于TD-SCDMA手机，该标准要求-108dBm参考灵敏度水平，并建议9dB噪声系数。我们假设噪声系数为7dB，允许2dB裕量。扩频因子“L”为16，芯片速率等于1.28Mbps（兆比特每秒）。将这些值插入上述公式可得到以下结果：

相位噪声和 EVM

下图有助于了解相位噪声如何影响信号质量：

请注意，这里 Φ1（t） 和 Φ2（t） 是两个 radices 函数，它们具有以下性质： 现在将 Iout 信号投影到 Φ1（t） 基数： 注意：GΘ（f） 是 DSB 相位噪声功率密度。 然后：通常此规范没有问题。如果我们考虑低于典型的本振（LO）相位噪声规格，则可以计算EVMp规格。

 

偏移（赫兹）	1	10	100	1K	5K	10K	20K	50K	100K	500K	1米
分贝/赫兹	-61	-63	-67	-75	-78	-82	-84	-89	-105	-115	-125

 

考虑芯片速率等于 1.28Mbps（对于 TD-SCDMA 标准），L 等于 16。获得这些结果： 这是一个非常好的结果。它显示信号没有明显的衰减。根据TD-SCDMA标准，上述LO相位噪声规格对于基准灵敏度规格没有问题。参考灵敏度是在误码率不超过指定值的天线端口处测量的最小接收器输入功率。对于表0中规定的参数，误码率不得超过001.1。

表 1.参考灵敏度测试参数
 

 

参数	水平	单位
ΣDPCHo像素 /Ior	0	分贝
	-108	分贝/1.28兆赫

 

根据上述标准要求，所有输入功率均为信号，没有其他代码通道。在实际工作环境中，手机将接收许多其他代码通道。在理想情况下，其他代码将没有问题，因为所有信号都是正交的。当考虑相位噪声影响，并用方程7计算EΘ时，发现这是一个严重的问题。下表给出了多路径案例 1 通道中的专用通道 （DCH） 参数：

表 2.多路径案例 1 通道中的 DCH 参数
 

 

参数	单位	测试 1	测试 2	测试 3	测试 4
DPCH 数量0		8	2	2	0
ΣDPCHo_Ec / Ior	分贝	-10	-10	-10	0
Ioc	分贝/1.28兆赫	-60
信息数据速率	千兆字节	12.2	64	144	384

　　DPCH ： 专用物理通道

　　IOR ： 正向通道的CDMA功率谱密度

　　IOC：干扰噪声和信号的功率谱密度

　　EC ： 单通道的功率谱密度

在测试 1 中，您会发现 Ec/Ior 为 -19dB，因此 EΘ 将增加 19dB，结果如下：

与等式3和4相比，这还不够。良好的设计实践要求3dB裕量来考虑多径衰落。为此，在3KHz、1KHz、10KHz偏移时，相位噪声规格应提高20dB。ΘrmsTs 应小于 1.1°。

电源噪声

电源的噪声会影响LO的相位噪声。下面显示的是估算电源噪声影响的简单公式：

Kp是VCO的推力系数，Psn是电源的噪声功率，fc是PLL滤波器的3dB转折频率。

例如，MAX2392的VCO的Kp规格为2MHz/V，MAX8878的Psn规格在900Hz至10KHz范围内为100μVrms²。假设 fc 的 PLL 带宽等于 5KHz，我们得到以下结果：

RMS相位噪声是可以接受的，主要是由于MAX8878的低噪声。

解调器相位不平衡

由于两条路径中的不匹配，任何I/Q解调器都会产生相位误差。这种相位误差将具有衰减信号功率的作用，从而降低信噪比。I/Q相位不平衡仅影响基准电压源灵敏度，通常非常小。以下是计算相位误差引起的灵敏度下降的公式：

如果Θ=5°，信噪比衰减0.017dB。这个信噪比的降低量可以忽略不计。

审核编辑：郭婷