美信今年一季度开发出商用的TD-SCDMA手机射频套片，为TD-SCDMA的商用化进程立下战功。本文在该公司基于此套片的参考设计基础上，详细探讨了在TD-SCDMA手机射频前端设计中应考虑的一些关键技术问题。
TD-SCDMA与另外两种第三代移动通信标准相比有四大技术特点：双向智能天线技术、反向链路同步技术、反向联合检测技术、动态信道分配技术，其中双向智能天线技术得益于它收发同频。除四大技术特点外，TD-SCDMA还有终端费用低、运营成本低的优势，终端费用低得益于TDD工作模式；运营成本低得益于收发同频，不需要成对频点。
图1：TD-SCDMA手机射频
单元参考设计功能框图
美信公司新推出的商用TD-SCDMA手机射频套片共有两颗：MAX2507和MAX2392。MAX2507是发射芯片，集成了自模拟I/Q至功放输出的所有电路，主要功能模块有：I/Q正交调制器、混频器、可变增益放大器、功率放大器、射频本振VCO、射频锁相环、中频本振电路、射频功率检波器。MAX2392 是零中频接收芯片，集成了自低噪声放大器至模拟I/Q输出的所有电路，主要功能模块有：低噪声放大器、I/Q正交解调器、可变增益放大器、信道选择滤波器、DC-Offset自动去除电路、I/Q幅度自动校准电路、VCO、锁相环。为方便用户设计，MAXIM还提供有完整的参考设计方案(图1)，该参考设计的有效射频PCB面积为6.6平方厘米，工作在3-3.6V，可直接由单节锂电池供电。
3GPP针对TD-SCDMA终端规定了很多技术指标，这些指标根据其制定的目的可以分作三大类：一是为满足系统自身的需要而设定的指标，如发射机输出功率等级、功率控制精度、最小可控发射功率、发射信号调制精度EVM、接收机灵敏度、最大可接收信号幅度、频率稳准度等；二是为反映系统鲁棒性而设定的指标，如接收机杂散响应指标、抗单音双音干扰指标、接收机邻道选择性指标ACS等；三是为防止该系统对系统自身或其它系统造成干扰而设定的指标，如收发信机杂散辐射指标、发射机邻道功率泄漏ACLR、发射信号频域模板、发射机互调指标等。对于这些指标的详细论述，请参考3GPP相关标准。本文以MAXIM参考设计为例，仅就一些具有挑战性的指标加以讨论。
ACLR指标
ACLR指标是为防止发信机对邻近频点信道造成干扰而设定的指标，它也是衡量发射机非线性失真程度的一个重要指标。TD-SCDMA信号属于非恒包络调制，它的成型滤波器是根升余弦滤波器，滚降系数为0.22，因此当通道存在非线性幅度压缩时，在TD-SCDMA信号频谱两侧会产生新的频谱成份，ACLR指标是指落入邻近信道的信号与主信道信号功率之比。TD-SCDMA标准规定相邻信道ACLR指标应不大于-33dBc，隔一信道该指标应不大于-43dBc，但当泄漏到邻近信道的信号功率小于-55dBm时，可不考虑ACLR指标。MAXIM参考设计在最大发射功率时，邻信道与隔一信道ACLR指标都有较大余量。
MAX2507还有一个特点就是它在小信号发射时，ACLR指标并不是变得非常好，看来是一个缺点，实际上这恰恰是MAXIM工程师在设计MAX2507时的独具匠心之处。MAX2507保证ACLR指标在所有发射功率电平下均能满足标准要求，且有一定余量的同时，根据发射功率大小自适应地调整功放偏置电流，这使得该芯片在实际应用中非常省电。
发射信号频谱模板
发射信号频谱模板与ACLR同是为防止发信机对邻近频点信道造成干扰而设定的指标，同是由通道的非线性幅度压缩而引起的，较ACLR指标相比，该指标更严格一些。ACLR指标只是粗略地规定了再生频谱分量与主信道频谱分量功率之比，而频谱模板则详细规定了再生频谱分量在偏离载波0.8MHz至4MHz范围内的相对大小。如果你测试过一些线性功放，你就会发现有时ACLR指标很好，但却不能满足频谱模板的要求，原因是再生的频谱分量上下两个边带不对称，且边带的形状并不是想象中的3阶、5阶频谱的叠加形状，其形状之所以较理想非线性产物频谱有较大差异，是因为它和非线性器件输入输出匹配有关。虽然MAX2507已设计成50欧姆输入输出阻抗以方便客户使用，但实际应用中MAX2507功放前后的电路并不总是很理想，这样就造成了再生频谱分量的不对称和某些频点处有凸包出现，以至于不能满足频谱模板的要求。为对付该问题，MAXIM在MAX2507内部设计了一个巧妙的电路，通过更改寄存器数值来补偿外部电路的非理想性，从而可以轻松解决该问题。
图2：交叉调制现象举例
发射信号调制精度EVM
EVM是衡量发射机发射信号调制精度的一个重要指标，需注意的是该指标不是简单定义射频信号的调制精度，而是先将射频信号映射到I/Q平面，然后经过匹配滤波器， 再抽样得到离散的I/Q数值，EVM衡量的是该离散I/Q数值的精度。它与射频信号的精度是不一样的，原因是在求离散I/Q数据点时采用了成型滤波器，在频域上看该滤波器可以将带外噪声抑制掉一些，从而提高了调制精度指标。3GPP标准中还指出在测量时，应尽可能地调整解调过程中本振的频率和相位，以及采取所有可能的措施使最终误差最小，这也就是说射频调制信号中有些失真与干扰将不计入EVM值，这些包括射频通道的线性失真、载波泄漏、I/Q正交调制器的移相偏差、正交分量与同相分量幅度的不平衡，这样算下来，影响EVM指标的还有两大因素：相位噪声与非线性产物。方程1是一个简化公式用来估算EVM值。
EQ1
其中，ACLR是指相邻信道的ACLR测量值，Qrms是累积相位误差，9.5是针对TD-SCDMA标准的一个修正值。
为验证方程1是否正确，我们先利用ESG信号源产生简单的QPSK I/Q信号，这里码片速率为 1.28M，成型滤波器为0.22滚降系数的根升余弦滤波器，将该信号加到图1所示参考设计的输入端，调整参考设计配置使其输出功率为21dBm，这时利用FSIQ测得EVM约等于3.5%，邻信道ACLR为-38.5dBc；接下来我们移开ESG信号源，将参考设计的TxI+短接到地，从而在天线端口得到一个正弦波信号，用FSIQ测量该正弦波的相位噪声，最后计算出1kHz-1MHz范围内累积相位噪声约为1.5度。我们将上面测试结果代入方程1式得:
EQ2
比较EVM测量值和计算值，其误差不到一个百分点，可见方程1作为EVM的估算公式还是很有效的。3GPP标准要求EVM指标不大于17.5%，由上面测试结果可以看到图1所示参考设计有很大余量。
接收机灵敏度与NF
接收机灵敏度是一个系统指标，不仅接收机射频通道的性能影响该指标，基带单元的解调算法也会影响该指标，用此指标来直接衡量射频接收机的性能好坏显然不合适。接收机射频通道对小信号的恶化主要是加性白噪声的影响，它反应接收机的噪声系数指标。相位噪声也会影响信号接收质量，但在小信号时相对加性白噪声的影响则微乎其微，故在此不考虑相位噪声的影响。因此当接收机基带单元确定的情况下，接收机灵敏度信号电平则与整机噪声系数有着直接对应关系。3GPP TR 25.945标准指出只要接收机噪声系数不大于9dB，整机就应该满足灵敏度指标(灵敏度电平为-108dBm)要求，这里也暗示了如还有问题，则应该是基带解调的问题，与射频接收机无关。图1所示的参考设计整机噪声系数约为5.7dB，相对9dB的最低要求有3.3dB余量，因此采用该射频套片的手机其整机灵敏度应能达到-111dBm。
接收机非线性指标要求
3GPP TD-SCDMA标准众多指标中有很多与接收机非线性有关，这些指标归纳起来有两类：一类是为防止小信号时强干扰造成性能下降而设定的指标，如阻塞、杂散响应、双音互调；另一类指信号自身幅度太强，这里仅有一个指标就是最大输入信号电平指标。为灵活应对这些指标要求，同时考虑手机的节电要求，MAXIM为接收芯片MAX2392设计了多种工作模式。MAX2392的低噪声放大器有高低两种增益模式，混频器也有两种增益模式，同时混频器的线性度也有两档，这样组合起来MAX2392有四种区别比较明显的模式：HGML、HGHL、MG、LG。HGML指高增益中等线性度模式，这时低噪声放大器处于高增益状态，混频器处于高增益低线性度状态。HGHL指高增益高线性度模式，这时低噪声放大器处于高增益状态，混频器处于高增益高线性度状态。MG指中等增益模式，这时低噪声放大器处于高增益状态，混频器处于低增益状态，与混频器的线性度无关。LG指低增益模式，这时低噪声放大器与混频器都处于低增益状态，与混频器的线性度无关。下面分别就一些具体的非线性指标要求做详细讨论。
，TD-SCDMA手机射频前端设计