摘 要：WiMAX（即802.16）是一種迅速崛起的城域網(wǎng)無線寬帶技術(shù)，能夠?yàn)榧彝ズ推髽I(yè)用戶提供高速因特網(wǎng)接入的“最后一英里”解決方案。WiMAX技術(shù)正成為通信領(lǐng)域新的市場(chǎng)增長點(diǎn)，緣于此，我們針對(duì)5.8G無線專網(wǎng)射頻收發(fā)系統(tǒng)進(jìn)行了研究，研制出在成本、性能上都具有很強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)力的無線專網(wǎng)產(chǎn)品。整個(gè)射頻收發(fā)系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)在8層PCB板上，測(cè)試結(jié)果滿足802.16標(biāo)準(zhǔn)射頻指標(biāo)要求。

關(guān)鍵詞：WiMAX;接收機(jī)靈敏度;AGC控制;互調(diào)失真;帶外雜散

中圖分類號(hào)：TN919.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1004373X(2008)0308402

5.8G Wireless Network RF System Design Based on WiMAX

NI Xiaoqing，ZHAO Xiaohu，SHUI Quan，SONG Bo

(Anhui Sun Create Electronics Co.Ltd.，Hefei，230088，China)

Abstract：WiMAX (802.16) is a rapidly emerging MAN wireless broadband technology，for families and business users with high speed Internet access to the \"last mile\" solution.WiMAX technology is becoming the communication of new market growth.Because of this，we focuse on the wireless network 5.8 GHz RF transceiver system is studied and developed in terms of cost，performance has strong competitiveness of the wireless network products.The entire RF transceiver integrated design system in eight layer PCB，the test results meet the 802.16 technical standard requirements.

Keywords：WiMAX;receiver sensitivity;AGC control;intermodulation distortion;band stray

WiMAX作為一項(xiàng)無線城域網(wǎng)技術(shù)，同當(dāng)前的3G以及WIFI相比，在帶寬、覆蓋范圍及數(shù)據(jù)率上具有明顯的優(yōu)勢(shì)，且具有維護(hù)成本低、架設(shè)方便、建設(shè)成本低等特點(diǎn)。對(duì)于這樣一種新興且富有前途的無線通信技術(shù)，國內(nèi)已經(jīng)進(jìn)行研發(fā)的機(jī)構(gòu)和企業(yè)總體來說卻仍然較少，市場(chǎng)上可以見到的基本上都是境外產(chǎn)品，價(jià)格也較高。研制開發(fā)無線局域網(wǎng)產(chǎn)品對(duì)于促進(jìn)我國無線局域網(wǎng)的發(fā)展具有重要的意義。但作為一項(xiàng)新技術(shù)，射頻技術(shù)設(shè)計(jì)具有相當(dāng)?shù)碾y度，尤其是5.8G頻段，對(duì)于功放的線性度、低噪放的噪聲指標(biāo)以及頻率源的相位噪聲指標(biāo)都提出了很高的要求，我們?cè)O(shè)計(jì)的基于WiMAX技術(shù)5.8G無線專網(wǎng)射頻系統(tǒng)，主要采用0402封裝器件貼裝，與基帶電路聯(lián)系便利。

1 射頻收、發(fā)系統(tǒng)工作原理

射頻收、發(fā)系統(tǒng)作用是為基帶I，Q 信號(hào)提供一個(gè)無線的收發(fā)通道。在發(fā)射時(shí)隙，基帶I，Q 信號(hào)通過兩次混頻，一中頻為固定的380 MHz，二中頻本振頻率可變，以使射頻工作在期望的信道內(nèi)，變頻后的射頻信號(hào)經(jīng)濾波、功率放大后，由天線發(fā)送至遠(yuǎn)端；在接收時(shí)隙，天線接收的遠(yuǎn)端傳來的信號(hào)，經(jīng)低噪聲放大后，通過兩次混頻，在接收AGC的控制下，等幅度地送至基帶處理板。

射頻模塊直接通過125芯的插座與基帶板相連，與基帶板連接信號(hào)通過125芯的插座傳輸，射頻信號(hào)通過MCX連接器安裝于PCB板上，并直接輸出到收發(fā)天線。

圖1 射頻收、發(fā)系統(tǒng)框圖

2 射頻收發(fā)模塊

2.1 高集成度芯片

選用頂級(jí)公司中頻芯片與射頻芯片作為本無線射頻系統(tǒng)集成度極高的解決方案。這些芯片由IF與RF收發(fā)器組成，支持4.9～5.9 GHz空中接口頻帶。該芯片組可通過復(fù)雜的I/Q接口支持系統(tǒng)工作在TDD模式。此款高度集成的芯片可縮小空間，不僅有助于簡化設(shè)計(jì)，而且還能節(jié)約材料清單(BOM)成本。中頻芯片具有低噪聲、高線性的特點(diǎn)只需要一個(gè)中頻濾波器，同時(shí)還包含兩個(gè)中頻和射頻頻率合成器，一個(gè)高速的數(shù)字可變?cè)鲆娣糯笃?，其增益控制范圍達(dá)50 dB。

中頻芯片功能：在發(fā)射時(shí)隙內(nèi)完成I/Q基帶信號(hào)上變頻為380 MHz的固定中頻信號(hào)；在接收時(shí)隙內(nèi)完成接收的380 MHz的固定中頻信號(hào)下變頻為零中頻的I/Q基帶信號(hào)。

射頻芯片功能：在發(fā)射時(shí)隙內(nèi)，完成380 MHz的固定中頻信號(hào)上變頻到所需的RF信道頻率；在接收時(shí)隙內(nèi)完成接收的RF信號(hào)放大并下變頻為380 MHz的固定中頻信號(hào)。

2.2 線性功率放大器

在數(shù)字微波通信系統(tǒng)中，功放的非線性失真對(duì)信號(hào)傳輸質(zhì)量影響極大，在高階QAM調(diào)制系統(tǒng)中，臨界情況下功放的三階交調(diào)系數(shù)變壞1 dB，誤碼率將惡化80%。在本系統(tǒng)中，采用功率倒退法改善系統(tǒng)的三階交調(diào)系數(shù)，功放工作在末級(jí)功放的P1 dB輸出功率以下10 dB（考慮收發(fā)開關(guān)及射頻濾波器1.6 dB的插損），當(dāng)系統(tǒng)最大發(fā)射功率要求為16 dBm時(shí)，末級(jí)功放的P1 dB至少應(yīng)為28 dBm。我們選用高效的線性功放，輸出功率為21.5 dBm時(shí)，EVM為3％，此指標(biāo)對(duì)于發(fā)射機(jī)的發(fā)射星座誤差指標(biāo)起決定性作用，整個(gè)發(fā)射系統(tǒng)的EVM指標(biāo)要求見表1。

表1 發(fā)射系統(tǒng)EVM指標(biāo)要求

2.3 接收靈敏度及接收AGC控制

接收機(jī)靈敏度是接收系統(tǒng)的重要技術(shù)指標(biāo)，對(duì)802.16d系統(tǒng)而言，其接收機(jī)靈敏度可通過以下公式來計(jì)算：

Rss=-102+SNRrx+10Log((Fs*200)/256)

對(duì)3.5 MHz帶寬而言，這里的Fs=3.5*8/7

SNRrx為系統(tǒng)解調(diào)歸一化信噪比要求，對(duì)64QAM—3/4而言，其歸一化信噪比要求為24.4 dB。

通過計(jì)算Rss=-72.6 dBm。

接收機(jī)靈敏度與噪聲系數(shù)之間滿足關(guān)系式：

Rss=-174 dBm+10lg BW+NF

因此要滿足上述的接收靈敏度要求，在帶寬確定的條件下必須使接收機(jī)的NF足夠小。我們選用的LNA噪聲系數(shù)優(yōu)于1.7dB，完全滿足指標(biāo)要求。

SS的接收靈敏度要求如表2所示(BER≤10-6)。

表2 SS的接收靈敏度要求

在通信系統(tǒng)中，接收機(jī)都要用到自動(dòng)增益控制（AGC）電路來提高接收機(jī)的動(dòng)態(tài)控制范圍，使強(qiáng)輸入信號(hào)不至于使接收機(jī)飽和而產(chǎn)生很大失真，小信號(hào)不至于使接收機(jī)解調(diào)器檢測(cè)不到而完全丟失，即為系統(tǒng)提供適當(dāng)?shù)脑鲆婧途€性度而滿足接收靈敏度的要求。

在本系統(tǒng)中，最大正常接收電平不小于-30 dBm，同時(shí)應(yīng)保證接收系統(tǒng)在0 dBm的輸入信號(hào)時(shí)，系統(tǒng)不至于損壞；最小接收電平（即調(diào)制方式為BPSK時(shí)的接收機(jī)靈敏度）-91 dBm，AGC控制范圍91 dB。接收增益控制采用三級(jí)增益控制方案：第一級(jí)在LNA處，兩級(jí)LNA均具有旁路開關(guān)功能，可以將電流設(shè)置到0，并實(shí)現(xiàn)最小的插入損耗。當(dāng)接收到大信號(hào)時(shí)，旁路模式可調(diào)整動(dòng)態(tài)的接收增益范圍達(dá)26 dB以上；第二級(jí)在5.8 GHz的射頻信號(hào)處，射頻芯片中含有15 dB的增益控制范圍；第三級(jí)在380 MHz中頻信號(hào)處，中頻芯片中帶有高速的數(shù)字VGA控制，其范圍達(dá)50 dB。

2.4 頻率源

由于射頻本振不是完美的連續(xù)波單頻率源，而是存在相位噪聲的，在射頻轉(zhuǎn)換級(jí)的輸出端他會(huì)使輸入信號(hào)發(fā)生變化。由于數(shù)字信號(hào)的相位里攜帶信息，所以引入的相位變化使誤碼率增加，調(diào)制的高階程度影響誤碼率的增加程度。對(duì)64QAM調(diào)制方式來講，要求在RF輸出頻率，偏置1 kHz，相位噪聲要求-88 dBc/Hz。同時(shí)射頻本振頻率漂移（即頻率穩(wěn)定度）使解調(diào)過程中產(chǎn)生相位誤差，致使有效信號(hào)幅度下降，誤碼率增加；頻率穩(wěn)定度的技術(shù)指標(biāo)取決系統(tǒng)采用的調(diào)制方式及用戶對(duì)通信質(zhì)量的要求，本系統(tǒng)采用64QAM調(diào)制方式，要求頻率穩(wěn)定度 ±1.5×10-6。頻率源的頻率穩(wěn)定度及相位噪聲是系統(tǒng)的又一關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，我們擬采用環(huán)路鎖相技術(shù)進(jìn)行頻率合成，基準(zhǔn)源采用高穩(wěn)定晶體產(chǎn)生。

3 測(cè)試結(jié)果

測(cè)試按照基于802.16的固定寬帶無線接入點(diǎn)對(duì)點(diǎn)射頻技術(shù)要求測(cè)試各項(xiàng)指標(biāo)，采用AGILENT儀表E4438C

作為信號(hào)源，E4440C作為矢量信號(hào)分析儀進(jìn)行測(cè)試。該

系統(tǒng)最大輸出功率為18 dBm，最小功率低于-50 dBm。信道帶寬選用3.5 MHz，發(fā)射EVM優(yōu)于-31 dB。具體指標(biāo)見圖3。接收信號(hào)電平-30～-91 dBm，最小接收信號(hào)電平低于-91 dBm（BPSK調(diào)制方式）。

圖2 發(fā)射測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)語

將5.8 GHz無線專網(wǎng)射頻系統(tǒng)設(shè)備，配合基帶處理設(shè)

備安裝整架于兩地，跳距約10 km，經(jīng)歷大雨、大霧等各種惡劣天氣，兩地之間有部分遮擋，設(shè)備工作穩(wěn)定可靠，各系統(tǒng)誤碼率優(yōu)于10-7?？梢噪p向傳輸10～50 Mb/s以太網(wǎng)數(shù)據(jù)，并且傳輸電影圖像畫面、聲音，效果都很好。

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作者簡介

倪曉清女，1974年出生，安徽四創(chuàng)電子股份有限公司工程師。主要從事無線通信射頻技術(shù)的研發(fā)工作。

趙曉虎男，1969年出生，安徽四創(chuàng)電子股份有限公司高級(jí)工程師。主要從事無線通信射頻技術(shù)的研發(fā)工作。

水泉男，1976年出生，安徽四創(chuàng)電子股份有限公司工程師。主要從事無線通信軟件技術(shù)的研發(fā)工作。

宋波男，1971年出生，安徽四創(chuàng)電子股份有限公司高級(jí)工程師。主要從事無線通信系統(tǒng)技術(shù)的研發(fā)工作。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文。