基于WiMAX技术的5.8G无线专网射频系统设计

WiMAX作为一项无线城域网技术，同当前的3G以及WIFI相比，在带宽、覆盖范围及数据率上具有明显的优势，且具有维护成本低、架设方便、建设成本低等特点。对于这样一种新兴且富有前途的无线通信技术，国内已经进行研发的机构和企业总体来说却仍然较少，市场上可以见到的基本上都是境外产品，价格也较高。研制开发无线局域网产品对于促进我国无线局域网的发展具有重要的意义。但作为一项新技术，射频技术设计具有相当的难度，尤其是5.8G频段，对于功放的线性度、低噪放的噪声指标以及频率源的相位噪声指标都提出了很高的要求，我们设计的基于WiMAX技术5.8G无线专网射频系统，主要采用0402封装器件贴装，与基带电路联系便利。
1 射频收、发系统工作原理
        射频收、发系统作用是为基带I，Q信号提供一个无线的收发通道。在发射时隙，基带I，Q信号通过两次混频，一中频为固定的380 MHz，二中频本振频率可变，以使射频工作在期望的信道内，变频后的射频信号经滤波、功率放大后，由天线发送至远端；在接收时隙，天线接收的远端传来的信号，经低噪声放大后，通过两次混频，在接收AGC的控制下，等幅度地送至基带处理板。
        射频模块直接通过125芯的插座与基带板相连，与基带板连接信号通过125芯的插座传输，射频信号通过MCX连接器安装于PCB板上，并直接输出到收发天线。

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2 射频收发模块
2.1 高集成度芯片
        选用顶级公司中频芯片与射频芯片作为本无线射频系统集成度极高的解决方案。这些芯片由IF与RF收发器组成，支持4.9～5.9 GHz空中接口频带。该芯片组可通过复杂的I／Q接口支持系统工作在TDD模式。此款高度集成的芯片可缩小空间，不仅有助于简化设计，而且还能节约材料清单(BOM)成本。中频芯片具有低噪声、高线性的特点只需要一个中频滤波器，同时还包含两个中频和射频频率合成器，一个高速的数字可变增益放大器，其增益控制范围达50 dB。
        中频芯片功能：在发射时隙内完成I／Q基带信号上变频为380 MHz的固定中频信号；在接收时隙内完成接收的380 MHz的固定中频信号下变频为零中频的I／Q基带信号。
        射频芯片功能：在发射时隙内，完成380 MHz的固定中频信号上变频到所需的RF信道频率；在接收时隙内完成接收的RF信号放大并下变频为380 MHz的固定中频信号。
2.2 线性功率放大器
        在数字微波通信系统中，功放的非线性失真对信号传输质量影响极大，在高阶QAM调制系统中，临界情况下功放的三阶交调系数变坏1 dB，误码率将恶化80％。在本系统中，采用功率倒退法改善系统的三阶交调系数，功放工作在末级功放的P1dB输出功率以下10 dB(考虑收发开关及射频滤波器1.6 dB的插损)，当系统最大发射功率要求为16 dBm时，末级功放的P1dB至少应为28 dBm。我们选用高效的线性功放，输出功率为21.5 dBm时，EVM为3％，此指标对于发射机的发射星座误差指标起决定性作用，整个发射系统的EVM指标要求见表1。

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2.3 接收灵敏度及接收AGC控制
        接收机灵敏度是接收系统的重要技术指标，对802.16d系统而言，其接收机灵敏度可通过以下公式来计算：
         Rss=-102+SNRrx+10Log((Fs*200)／256)
        对3.5 MHz带宽而言，这里的Fs=3.5*8／7
        SNRrx为系统解调归一化信噪比要求，对64QAM-3／4而言，其归一化信噪比要求为24.4 dB。
        通过计算Rss=-72.6 dBm。
        接收机灵敏度与噪声系数之间满足关系式：
        Rss=-174 dBm+101g BW+NF
        因此要满足上述的接收灵敏度要求，在带宽确定的条件下必须使接收机的NF足够小。我们选用的LNA噪声系数优于1.7dB，完全满足指标要求。
        SS的接收灵敏度要求如表2所示(BER≤10-6)。

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在通信系统中，接收机都要用到自动增益控制(AGC)电路来提高接收机的动态控制范围，使强输入信号不至于使接收机饱和而产生很大失真，小信号不至于使接收机解调器检测不到而完全丢失，即为系统提供适当的增益和线性度而满足接收灵敏度的要求。
        在本系统中，最大正常接收电平不小于-30 dBm，同时应保证接收系统在0 dBm的输入信号时，系统不至于损坏；最小接收电平(即调制方式为BPSK时的接收机灵敏度)-91 dBm，AGC控制范围91 dB。接收增益控制采用三级增益控制方案：第一级在LNA处，两级LNA均具有旁路开关功能，可以将电流设置到0，并实现最小的插入损耗。当接收到大信号时，旁路模式可调整动态的接收增益范围达26 dB以上；第二级在5.8 GHz的射频信号处，射频芯片中含有15 dB的增益控制范围；第三级在380 MHz中频信号处，中频芯片中带有高速的数字VGA控制，其范围达50 dB。
2.4 频率源
        由于射频本振不是完美的连续波单频率源，而是存在相位噪声的，在射频转换级的输出端他会使输入信号发生变化。由于数字信号的相位里携带信息，所以引入的相位变化使误码率增加，调制的高阶程度影响误码率的增加程度。对64QAM调制方式来讲，要求在RF输出频率，偏置1 kHz，相位噪声要求-88 dBc／Hz。同时射频本振频率漂移(即频率稳定度)使解调过程中产生相位误差，致使有效信号幅度下降，误码率增加；频率稳定度的技术指标取决系统采用的调制方式及用户对通信质量的要求。本系统采用64QAM调制方式，要求频率稳定度±1.5×10-6。频率源的频率稳定度及相位噪声是系统的又一关键技术指标，我们拟采用环路锁相技术进行频率合成，基准源采用高稳定晶体产生。
3 测试结果
        测试按照基于802.16的固定宽带无线接入点对点射频技术要求测试各项指标，采用AGILENT仪表E4438C作为信号源，E4440C作为矢量信号分析仪进行测试。该系统最大输出功率为18 dBm，最小功率低于-50 dBm。信道带宽选用3.5 MHz，发射EVM优于-31 dB。具体指标见图3。接收信号电平-30～-91 dBm，最小接收信号电平低于-91 dBm(BPSK调制方式)。

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4 结 语
        将5.8 GHz无线专网射频系统设备，配合基带处理设备安装整架于两地，跳距约10 km，经历大雨、大雾等各种恶劣天气，两地之间有部分遮挡，设备工作稳定可靠，各系统误码率优于10-7。可以双向传输10～50 Mb／s以太网数据，并且传输电影图像画面、声音，效果都很好。