5. 8GHz WiMAX宽带无线通信射频系统设计

　　4 主要技术指标的实现与指标分配

　　4.1 发射功率的实现

　　由于系统的基带采用OFDM 调制技术，OFDM是无线通信系统中的一项关键技术，是一种多载波传输技术。多载波传输技术相对于单载波传输技术而言有很多优点，例如抗多径干扰，抗突发噪声和有效地克服频率选择衰落。但OFDM 技术的一个主要缺点就是具有很高的峰均功率比( PAPR) ，高的峰值容易引起非线性失真； 同时，由于系统采用较高的64QAM 等调制方式，对系统的线性要求较高，针对以上问题，在设计及选用器件时，为保证系统工作在线性区域，所有器件均要求在其P1 dB 回退10 dB 工作。

　　功放设计的难点主要是末级功放的设计，本系统末级功放选用SIRENZA 公司生产的SZA5044，其输出P1 dB 为29 dBm，功率回退10 dB，其输出线性功率为19 dBm，功放末级有一无源收发开关、抑制谐波分量的低通滤波器及MCX 插座，其插入损耗总和为1. 6 dB，在插座输出口输出的线性功率为17. 4 dBm，满足设备技术指标要求； 同时，SZA5044的增益为28 dB，为保证设备技术指标16 dBm 功率输出，SZA5044 输入功率要求- 9 dBm，功放前级的射频开关、数控衰减器及滤波器的插入损耗总和为4. 4 dB，要求TRF2436 的线性功率输出- 4. 6 dBm,TRF2436 其输出P1 dB 为22 dBm，线性功率输出12 dBm，满足技术指标要求。

　　4.2 发射通道ALC的实现

　　由于系统针对点对多点设计，基站的AGC 不能工作，基站的接收增益相对固定，为保证系统正常通信，基站端通过测试上行接收基带I、Q 的功率电平,与标准I、Q 的功率电平比较，计算出功率误差，送至用户端，通过软件开环控制用户端上行的发射功率；为保证有足够的动态，以适应衰落的影响，指标规定用户端的ALC 控制范围大于50 dB，步径1 dB。

　　本系统的ALC 由SE7051L10 提供30dB ALC 控制范围，步径1 dB； 同时，数控衰减器提供28 dB 的ALC 控制范围，步径4 dB，在实际应用中，实际测试一ALC 控制表格，按实际衰减量从小到大排列，步径1 dB，通过安捷仑公司的89601 软件实际测量发射功率电平，同时保证在50 dB 的动态范围内，发射的相对矢量误差小于- 31 dB。在正常工作时，基带软件根据当前ALC 控制信号所在控制表格的位置和基站测量的功率误差，动态调整用户端发射功率,保证系统正常工作。

　　4.3 发射机EVM指标实现

　　发射机相对矢量误差是衡量发射机综合技术指标之一，由基带I、Q 的正交误差、幅度平衡，本振的相位噪声，混频器和功放( PA) 线性技术指标和系统频偏等决定。针对本射频系统而言，I、Q 的正交误差主要通过PCB 板I、Q 信号走线严格等长来控制；幅度平衡可通过运算放大器的增益控制电阻来调整； 由于本射频系统选用TRF2436 作为二次混频的主芯片，混频器集成在芯片内部，无法控制； 发射EVM 主要由本地振荡器的相位噪声决定，通过合理选用VCTCXO，优化环路滤波器等措施，保证射频本地振荡器的相位噪声指标满足- 88 dBc@ 1 kHz、- 90 dBc@10 kHz，从而保证TRF2436 输出最终功率0 dBm时，其相对矢量误差达到- 34. 5 dB； 对本系统而言，功放的合理设计决定了发射机相对矢量误差。

　　如前所述，本系统选用的末级功放，在输出功率为16 dBm 时，其相对矢量误差为2% ( - 34 dB) ，通过计算系统的相对矢量误差为- 32. 5dB，满足技术指标要求。

　　4.4 接收灵敏度及接收AGC设计

　　接收机灵敏度是反应接收系统主要技术指标之一，对802. 16d 系统而言，接收机的灵敏度在系统误码率不小于10- 6情况下，应按如下公式计算( 假定有5 dB 的余量和7 dB 的噪声系数NF) ，R ss =- 10+ SNRrx + 10Log ( ( Fs * 200 ) / 256) 。采用3. 5 MHz带宽，这里的Fs = 3. 5* 8/ 7，SNRrx 为系统解调归一化信噪比，对64QAM- 3/ 4 而言，其归一化信噪比要求为24. 4 dB。通过计算，其接收机灵敏度为- 72. 6 dBm。从以上公式可以看出，合理设计低噪声放大器，减低系统的噪声系数，可以提高系统的接收机灵敏度指标； 本射频系统的低噪声放大器选用安捷仑公司生产的MGA71543 和MGA72543 来完成低噪声放大器设计，增益50 dB，考虑接插件、开关及滤波器的插入损耗，系统噪声系数4 dB，比公式7 dB噪声系数改善3 dB，相应提高接收机灵敏度3 dB，优于该标准规定的要求。

　　整个系统提供的接收机AGC 控制范围为90 dB，其中中频增益控制范围为50 dB ，TRF2436 增益控制范围为16 dB，数控衰减器28 dB，总计94 dB。

　　5 设备特点

　　该设备具有如下特点:

　　①低成本。由于选用的是高集成，大批量的通信集成块完成设计，大批量生产时，整机成本几十美元；② 高性能。点对点测试时，信道带宽3. 5 MHz接收机灵敏度- 75 dBm ( 64QAM - 3/ 4 ) ，优于802. 16d协议标准2 dB；③结构简单。由于系统选用TDD 模式工作，无须过分考虑收发隔离，整机收发在同一块PCB 板上完成，收发之间不需要增加屏蔽盒； 也不须增加改善收发隔离的双工器； ④ 调试、安装、维修方便。由于选用的器件均为内匹配的器件，一致性好，只要器件安装正确，工艺不出差错，几乎为免调试产品。整机重量轻，安装方便； 维修时能迅速定位故障点。

　　6 结束语

　　该设计于2007 年8 月向国家知识产权局申请发明专利，已审通过，专利号200710023309. 2。由该设备组成的系统，在安徽省电力通信公司、合肥供电局传输变压器工作状态数据和KP 所工作状态数据； 系统采用点对点测试，两点之间在部分遮挡通信距离5 km 情况下，进行上下行链路数据传输，其流量及Ping 包测试均符合WiMAX 标准要求； 同时双向传输电影图像无失真、声音清晰，系统工作稳定。