你知道WCDMA广域基站直接转换接收器中的IP2和IP3问题？

简介

直接转换接收器架构与传统的超外差相比具有多种优势。它简化了RF前端带通滤波的要求，因为它不受图像频率信号的影响。 RF带通滤波器只需要衰减强带外信号，以防止它们使前端过载。此外，直接转换消除了对IF放大器和带通滤波器的需求。相反，RF输入信号直接转换为基带，其中放大和滤波要困难得多。接收器的总体复杂性和部件数量也会减少。

然而，直接转换会带来一系列实现问题。由于接收LO信号与RF信号的频率相同，因此它很容易从接收天线辐射并违反监管标准。此外，还需要彻底了解IP2和IP3问题的影响。这些参数对接收器的整体性能至关重要，关键部件是I / Q解调器。

不需要的基带信号可以通过接收器的二阶非线性产生。进入接收器的任何频率的音调都会在基带电路中产生DC偏移。一旦生成，直接消除DC偏移就变得非常成问题。这是因为降频后转换电路的频率响应必须经常延伸到DC。接收器的二阶非线性也允许调制信号 - 甚至是所需信号 - 产生以DC为中心的伪随机能量块。

与超外差接收器不同，直接转换接收器容易受到这种影响。无论输入信号的频率如何，都有顺序机制。因此，最小化有限二阶线性度的影响至关重要。

本文稍后我们将考虑三阶失真对直接转换接收器的影响。在这种情况下，以适当频率分隔的两个信号必须进入接收器，以便不需要的产品出现在基带频率上。

二阶失真（IP2）

直接转换接收器系统的二阶交调截点（IP2）是关键性能参数。它是二阶非线性度量，有助于量化接收机对单音和双音干扰信号的敏感度。让我们来看看这种非线性如何影响灵敏度。

我们可以将任何非线性元素的传递函数建模为泰勒级数：

其中x（t）是由期望信号和非期望信号组成的输入信号。仅考虑此分析的二阶失真项。系数a 2 等于

其中IP2是瓦特的单音截距点。请注意，双音IP2比单音IP2低6dB。元素越线性， 2 越小。

进入非线性元素的每个信号都会产生一个以零频率为中心的信号。即使是所需的信号也会在基带产生失真产物。为了说明这一点，让输入信号由x（t）= A（t）cosωt表示，其可以是音调或调制信号。如果是一个音调，则A（t）只是一个常数。如果它是调制信号，则A（t）代表信号包络。

根据定义，所需信号的功率为

其中E {β}是β的预期值。由于A（t）和cosωt在统计上是独立的，我们可以扩展E {（A（t）cosωt） 2 }为E {A 2 （t）}•E {COS 2 ωT}。通过三角法

第二项的期望值仅为½，因此所需信号的功效简化为：

如果预期，信号功率等于

在更一般的情况下，所需信号由伪随机数字调制。数据源。我们可以将其表示为具有高斯概率分布的带限白噪声。信号包络A（t）现在是高斯随机变量。包络的平方的期望值可以用所需信号的功率表示为：

现在将x（t）替换为泰勒级数展开以找到y（t），这是非线性元素的输出：

考虑二阶失真术语½a 2 [A（t）] 2 。该术语以DC为中心，而另一个二阶项出现在所需信号的二次谐波附近。这里只有DC附近的术语很重要，因为高频音被基带电路拒绝。

在信号是音调的情况下，二阶结果是DC偏移等于：< / p>

如果调制了所需信号，则二阶结果是调制基带信号。这个术语的力量是

这可以扩展为：

为了根据所需的信号功率表达这个结果，我们必须将E {A 4 （t）}与E {A 2 （T）}。对于高斯随机变量，以下关系为真：

失真能力可以表示为

现在表达预期值所需的信号功率：

将任何给定音调转换为DC，将任何调制信号转换为基带信号，使二阶性能对于直接转换接收器性能至关重要。与其他非线性机制不同，信号频率不能确定失真产物落在何处。

进入非线性元素的任何两个信号都会产生拍音/项。让

其中第一项是所需信号，第二项是不需要的信号。

感兴趣的二阶失真项是 2 A（t）B（t）cos（ω - ω u ）t。该术语描述了以两个输入信号之间的差频为中心的失真产物。在两个不需要的音调进入该元素的情况下，结果包括差频的音调。如果两个不需要的信号被调制，则结果包括以其差频率为中心的调制信号。

我们可以将这些原理应用于直接转换接收器示例。图1显示了典型WCDMA基站接收器的框图。以下是此示例的一些主要特征：

基站类型：FDD，Band I

基站类别：广域

运营商数量：1

接收频段：1920MHz至1980MHz

发射频段：2110MHz至2170MHz

此接收机的RF部分包括双工器，带通滤波器，以及至少一个低噪声放大器（LNA）。频率选择元件用于衰减带外信号和噪声。 LNA确定接收器的噪声系数。 I / Q解调器将接收信号转换为基带。

在下面的例子中，LT5575 I / Q解调器的特性代表了这种类型的基站类设备。低通滤波器和基带放大器在传输到A / D转换器之前限制并增加信号电平。双工器和RF带通滤波器仅用作带通滤波器;它们不提供任何载体选择性。

LNA的二阶线性度远低于解调器的二阶线性度。这是因为由单个信号引起的任何LNA失真都以DC为中心并被解调器拒绝。如果接收频带中存在两个不需要的信号（例如1960MHz），则LNA以差频产生二阶乘积。该信号被解调并在A / D转换器处显示为基带伪像。然而，我们不需要解决这个问题，因为从前端双工器出现的带外信号不足以产生任何重要的失真产物。

首先考虑进入接收器的单个未调制音调（见图2）。如上所述，该音调在解调器的输出端产生DC偏移。如果解调器后面的基带级联是直流耦合的，则该偏移应用于A / D转换器，从而降低其动态范围。 WCDMA规范（3GPP TS 25104.740）在-15dBm处调出带外音调，距离任一接收频带边缘均为20MHz或更高（第7.5.1节）。计算I / Q解调器中产生的DC偏移：

进入接收天线端口的音调：-15dBm

20MHz偏移时的双工器抑制：0dB

20MHz偏移时的带通抑制：2dB

LT5575之前的RF增益：20dB

进入LT5575的音调：3dBm

LT5575 IIP2,2音：60dBm

LT5575 a 2 ：0.00317

LT5575输出的DC偏移：0.32mV

基带电压增益：31.6

A / D输入的DC偏移：10mV

单个WCDMA载波也可以作为干扰源，详见7.5.1节。在一种情况下，该载波偏离期望载波至少10MHz，但仍处于接收频带中。功率电平为-40dBm，接收器必须满足-115dBm的灵敏度，12.2kbps信号，BER为0.1％。以下是详细信息：

信号进入接收天线端口：-40dBm

LT5575之前的RF增益：20dB

进入LT5575的信号：-20dBm < / li>

LT5575 IIP2,2-tone：60dBm

LT5575 a 2 ：0.00317

使用a执行的MATLAB仿真伪随机信道预测LT5575输出的失真为-98.7dBm。该结果与公式6给出的结果非常吻合，公式6预测失真功率为-98.2dBm。

LT5575输出端出现的基带产品是一个类噪声信号，由干扰WCDMA载波产生。如果此信号足够大，则可能会增加热接收器和A / D转换器噪声，从而降低灵敏度。计算接收器输入端的等效热噪声，不会增加失真：

灵敏度：-121dBm

处理+编码增益：25dB

灵敏度信噪比：5.2dB

接收机的热噪声输入：-101.2dBm

现在将失真信号反馈给接收器输入：

LT5575之前的RF增益：20dB

Rx输入端的等效干扰电平：-118.7dBm

在这种情况下，基带二阶乘积比接收器输入端的热噪声低17.5dB。由此导致的灵敏度下降<0.1dB，因此接收器很容易满足-115dBm的规格。如图3所示。单个WCDMA载波也可以出现在带外，如7.5.1节所述。它们可以直接与接收频带相邻，电平高达-40dBm。同样，这些载波对灵敏度的二阶效应可以忽略不计，如前面的分析所示。

灵敏度的另一个威胁来自FDD系统中的发射机泄漏，如图4所示。在FDD系统中，发射器和接收器同时工作。对于WCDMA频段I的情况，发射频带比接收频带高130MHz。通常使用单个天线，发射器和接收器通过双工器连接。以下是一些典型的基站耦合谐振器型双工器规格：

隔离，Tx至Rx 2110MHz：55dB

双工器插入损耗，Tx路径：1.2dB

对于广域基站，发射功率可能高达46dBm。在双工器的发送端口，功率至少为47dBm。这个高电平调制信号泄漏到接收器输入，其中一部分驱动I / Q解调器：

接收器输入功率：-8dBm

Rx BPF抑制2110MHz：40dB

LT5575之前的RF增益：20dB

进入LT5575的信号：-28dBm

LT5575 IIP2，双音：60dBm

LT5575 a 2 ：0.00317

使用伪随机通道执行的MATLAB仿真可预测以下内容：

LT5575输出失真：-114.7dBm

将此信号反馈给接收器输入：

LT5575之前的RF增益：20dB

Rx输入端的等效干扰电平：-134.7dBm

接收器输入端的热噪声：-101.2dBm

此等效干扰为33.5dB低于接收器输入端的热噪声。由此导致的灵敏度降低<0.1dB，因此接收器容易满足-121dBm的规范。

三阶失真（IP3）

三阶交调截点（IP3）具有当两个适当间隔的通道或信号进入非线性元件时对基带信号的影响。

返回传递函数：y（t）= x（t）+ a 2 x 2 （t）+ a 3 x 3 （t）+ ...，其中x（t）是由两者组成的输入信号期望和不需要的信号。现在考虑三阶失真项。系数a 3 等于2 /（3Z 0 IP3）其中IP3是瓦特中的单音截距点。请注意，双音IP3比单音IP3低4.78dB。

如果两个信号之间的间距等于到达的距离，则进入非线性元件的两个信号会产生一个以零频率为中心的信号。零频率。设x（t）= A（t）cosωt+ B（t）cosω u t，其中第一项是期望信号，第二项是不需要的信号。不需要的信号可以是音调或调制信号。如果是一个音调，那么B（t）就是一个常数。如果它是调制信号，则B（t）代表信号包络。

输出信号则等于y（t）：

这里感兴趣的三阶失真项是¾a 3 A（t）B < sup> 2 （t）cos（2ω u - ω）t。为了使这种失真出现在基带上，设置ω=2ω u 。失真的力量是

，它可以扩展到

考虑调制的所需信号和音调干扰的情况; B（t）可以用B代替。参见图5.E {B 4 }的值可以表示为（2Z 0 P u ） 2 ，其中P u 是音调干扰的功率。我们可以使用等式2以期望的信号功率表示E {A 2 （t）}为2Z o P s ，其中P s 是所需信号的功率。然后，基带失真的功率电平为：

如果调制了不需要的信号，则使用等式2和5表示E {B 4 （t）}为3（2Z 0 P u ） 2 ，其中P u 是幂的幂音调干扰：

在直接转换接收器示例中，WCDMA规范的第7.6.1节要求两个干扰信号，如图6所示。其中一个是-48dBm CW音，另一个是-48dBm WCDMA运营商。这些在频率上是偏移的，因此得到的第三阶产品看起来以DC为中心。计算I / Q解调器中产生的互调产物：

LT5575之前的RF增益：20dB

进入LT5575的信号：-28dBm

LT5575 IIP3 ，2音：22.6dBm

LT5575 a 3 ：0.0244

使用伪随机进行的MATLAB仿真通道预测LT5575输出的失真为-135.8dBm。这个结果与公式8非常吻合，公式8预测失真功率为-135.7dBm。

将此信号反馈给接收器输入：

LT5575之前的RF增益： 20dB

Rx输入端的等效干扰电平：-155.8dBm

接收器输入端的热噪声：-101.2dBm

此等效干扰case比接收器输入端的热噪声低54.6dB。由此导致的灵敏度降低<0.1dB，因此接收器很容易满足-121dBm的规范。

结论

这里使用LT5575 I / Q解调器进行的计算表明WCDMA广域基站接收器可以使用直接转换架构成功实现。 LT5575的高二阶线性度和输入1dB压缩点对于满足此类设计的性能要求至关重要。