双音和WCDMA调制阻塞的有效IM2分量评估

 

引言

 

近年来随着第3代(3G)无线网络在日本(IMT-2000)、欧洲(UMIST)和美国(CDMA2000)的推广，3G移动手机所需的低成本、低功耗和小形状系数的用户设备(UE)变得重要起来。采用硅工艺、电路设计技术实现的直接下变频接收结构是3G手机高集成平台的一种有前途的系统方案。本文给出3G无线电的商业用全集成零中频接收机方案(图1)。广泛讨论接收机输入2阶截点(IIP2)，因为它是直接变频接收机的关键性能指标。在此给出测量、仿真和计算结果。

 

图1 3GPP FDD手机无线电用直接变频接收器IC

 

图2 由零中频接收器中双音阻塞引起的2阶互调失真

 

图3 UL参考信道和DL 16信道阻塞的CCDF

 

直接变频接收机结构

如图1所示，直接变频或零中频接收机结构是实现接收机完全片上集成的途经，直接解调信号为基带I和Q信号。在3G WCDMA FDD(全双工)工作模式，只需要一个外部双工器分离RX和TX部分。而且，在FDD无线电中需要后置LAN RF滤波器，以抑制解调器输入中的带外阻塞和发送器泄露。在零中频接收器IC中，由片上低通滤波器实现基带的通道选择。其后是通道滤波，基带中的I/Q信号被无线电调制解调器IC的模拟基带部分数字化之前由可变增益放大器(VGA)放大。

2阶失真效应

在零中频接收机中，2阶互调分量(IM2)是一个干扰源，而必须使接收机基带通道中的这些成分最小。在零中频接收机中，前端2阶非线性解调调幅信号后，阻差分量落入基带内。由于这些2阶IM2分量是由阻塞包络的平方项组成的，所以基带中这些不希望的频谱分量的带宽可能达到阻塞振幅包络带宽的2倍。IM2分量依赖于基带中所希望的信号调制带宽，所以这些IM2分量将部分地或全部导致接收机干扰容限。

这里所讨论的IM2失真分量是发生在零中频接收机下变频器中，这是由于LNA中的低频IM2分量通常由LNA和混频单元之间的AC耦合或带通滤波滤掉。在零中频接收机中有多种IM2分量生成机制。然而，主要有下面两种IM2来源：

RF自混频：这是由于在零中频接收机的混频器中转换级的非理想硬开关I-V特性和杂散耦合导致RF信号漏进LO端口所引起的。

下变频器RF级2阶非线性和LO级开关失配：在零中频接收机的I/Q混频器输入引入强CW或调制阻塞时，混频器跨导或RF级的有源器件的2阶非线性将产生低频IM2分量。

IIP2公式推导

接收器前端的弱非线性特性可表示为：

∧          (1)

接收器的输入信号(见图2)表示为，总双音功率等于A2/R。接收器前端的2阶失真分量为：

 

      (2)

在(f1+f2)和(f1-f2)总输出IM2分量(包括总DC偏移)表示为：

   (3)

输出IM2分量(方程3)中和系统阻抗R有关的总功率计算如下：

            (4)

根据定义，在IIP2功率电平，总输入信号功率等于输出IM2分量(方程4)中的总功率，除以增益因数|a1|2可写为：

 

                 (5)

根据总双音输入功率等于P2T=A2/R，与接收器有关的IM2分量的总功率电平(方程4)可表示为：

 

                               (6)

注意方程4中的IM2分量总功率电平，它是由DC中的50%(-3dB)IM2分量、f1-f2中的25%(-6dB)分量、f1+f2中的25%(-6dB)IM2分量组成。因此，在f1-f2中IM2分量的功率电平可以从方程4和方程6推导出：

 

(7)

其中每个音的功率电平(在f1或f2中P1T)是总双音功率的50%，。

有效低频IM2分量

在3GPP WCDMA无线通信中，对接收器输入严重的干扰不是双音型，而是宽带数字调制阻塞部分。因此，估算调制阻塞的有效低频分量非常重要，以便得到满足误码率性能要求的接收器IIP2。这就需要了解调制阻塞的特性。特别是它的非恒定包络，这是由于它将RF阻塞变换到基带，包括包络的平方项。在3G标准测试案例7.3.1和7.6.1给出3GPP WCDMA接收器中两个主要的调制阻塞。第一个测试案例7.3.1规定传输上行链路(UL)信号在天线处为最大功率电平(+24dBm)时，对于BER<10-3所需要