基于RF功率检测器控制CDMA移动台和接入终端功率

　每个移动台对于同一蜂窝内和相邻蜂窝的用户来说都是一个干扰信号源，因此良好的发射功率控制对于提高CDMA系统通信性能和容量来说都十分重要。本文介绍的CDMA 系统中的闭环功率控制方法能有效控制移动台功率，文章还介绍了高精度RF功率检测器LMV225实现功率控制的实际应用。

　　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。

　　功率控制在CDMA反向链路中的重要性

　　由于任何移动台都可以看作是对同一基站覆盖区域中其他用户以及邻近蜂窝手机用户的干扰源，因此移动台的发射功率控制对于CDMA运行性能和系统容量来说十分重要。因此，处于运行状态中的移动台越多，系统内的干扰就越大；移动台发射能量越低，总的干扰也就越低。也就是说，在射频载波带宽BRF内的SNR越高,系统容量Csh就越大。

　　功率控制方案主要是将移动台的发射能量设置到最低水平，这样基站就可以从各移动台接收到相近功率电平的信号。在该条件下，基站输入端的信噪比为：SNR=1/(M-1)，M是该基站的用户总数。

　　综合上述，在CDMA系统中实行功率控制的主要好处有：

　　1. 增加系统容量

　　2. 最小化Near-Fare效应

　　3. 降低移动台的功耗

　　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，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扰信号电平。

　　在CDMA IS-95和CDMA2000 1X中，基站决定功率控制；而在CDMA2000EV-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PTXPRX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。

　　2. 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CDMA1X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CDMAIS-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，CDMAIS-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MurataCE04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/(R150)』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CDMA20001X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-LSAWGPA-LISOLATOR-LDUPLEXER

　　其中：RFout为到天线的射频功率(假定已实现50(阻抗负载)；PRFT为射频发射器芯片的输出功率；LSAW为声表面波滤波器的插入损耗；GPA为CDMA功率放大器的固定增益；LISOLATOR为隔离器的插入损耗；LDUPLEXER为双工器的插入损耗。

　　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283=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=mxb，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30dB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。