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多载波GSM/EDGE发射器的DAC参数
 

【作者: Tanja C. Hofner】2006年05月02日 星期二

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当各种新兴宽带与多载波无线通信标准对失真及噪声规格的要求越来越严格时,这类系统中发射电路内的数字模拟转换器(Digital-to-Analog Converter;DAC)就成为产生模拟讯号的关键,同时也对系统的最佳动态效能有着大幅的影响,GSM/EDGE多载波基地台收发器系统中的发射电路部分持续为通讯用DAC组件制造商带来推出能够在更高输出频率下提供更高分辨率与更快更新率,同时还必须可以在更宽广的带宽范围内降低噪声与混附波(spurious emission)产品的压力。



面对这样的要求,GSM/EDGE系统设计工程师通常只有在通讯用DAC组件能够符合以下四个主要噪声与失真方面相关的重要规格要求时才有可能加以采用,这些规格分别为(a)无寄生动态范围(Spurious-Free Dynamic Range;SFDR);(b)讯号噪声比(Signal-to-Noise Ratio;SNR);(c)互调失真(Intermodulation Distortion;IMD)以及(d)多音功率比(Multi-Tone Power Ratio;MTPR),所有的这四个参数对确保发射系统是否能够符合寄生与IMD目标要求都相当重要。



GSM/EDGE的DAC动态效能要求


为了定义基地台所发出的噪声与附混波,使用一个称为GSM/EDGE发射屏蔽的规格来决定这些参数的DAC要求,这个屏蔽显示可允许的噪声与附混波会依发射载波频率的偏移频率而定,GSM/EDGE屏蔽以及它的规格是以在发射时只有单一动作载波并阻绝其他载波的条件来订定,(图一)中的规格显示,每个载波的输出功率可以在20W或更高,较低的输出功率对发射部份的要求则较低。



无寄生动态范围(SFDR)


GSM/EDGE系统要求模拟信号合成电路,也就是DAC在偏移频率(6MHz时附混波必须低于-80dBc,由DAC所产生的寄生噪声可以与随机噪声以及其他电路组件的寄生噪声结合,因此DAC所产生的寄生噪声必须还要保持最少6dB的余裕空间以容纳其他的噪声源。



载波数以及它们相对于DAC全幅输出的信号位准同时也扮演了相当重要的角色,和全幅正弦波不同,信号频谱能量散布在固定带宽内的多音信号包含了较高的峰值对RMS比,如果信号位准没有适当地压低,就可能会造成截波(clipping)的问题,因此,如果发射器以四个带内载波运作,那么每个独立的载波必须要在低于全幅输出最少12dB以上的条件下运作,在八个载波时则必须最少低18dB才能防止波形截波的问题发生。



例如一个采用EDGE,峰值到RMS比为4dB的8-PSK相移键控(Phase Shift Keying)变,就需要载波振幅多保留额外的4dB空间,同时还得有-6dB的余裕用来补偿其他的电路组件,对在每个指定带宽内拥有4或8个载波的系统来说,每个独立载波必须满足-18dBFS或-24dBFS甚至更低的振幅规格。



《图一 GSM/EDGE基地台收发系统的发射屏蔽》


<注:发射屏蔽可以用来协助找出GSM/EDGE基地台收发器系统中发射路径电路上所使用DAC的噪声与失真限制。>



@大标:信号噪声比(SNR)



@内文:GSM/EDGE系统的SNR要求同样地也可以由GSM/EDGE的发射屏蔽取得,如图一,在频率偏移(6MHz时最高噪声位准为-80dBc,同时假设测量带宽为100kHz时,每Hz的最低噪声密度可以透过以下的计算取得:



SNRMIN=-80dB-10 ( log10(100 ( 103Hz)



SNRMIN=-130dB/Hz



由于随机DAC噪声会加到寄生噪声音与其他电路组件的随机噪声上,因此通常建议要将规格限制降低约10dB左右以便能够容忍这些额外噪声,并同时符合GSM/EDGE屏蔽值的要求。



互调失真(IMD)与多音功率比(MTPR)


@内文:选择多载波GSM/EDGE系统发射路径上所使用DAC时的其他关键因素为转换器所能提供的IMD与MTPR效能,在特定频带中的多重载波会在各载波频率间产生不必要的互调失真,多音测试向量通常由数目为四的数个具有完全相同振幅等距载波所组成,每一个载波代表了目标频带中的一个信道,要验证MTPR,必须移除一或多个通讯音以便能够进行DAC互调失真的评估,DAC本身的非线性度会产生部分可能出现在已移除音范围内的噪声音,而限制了信道的载波噪声比,其他出现在目标频带外的寄生噪声成份也会依系统的频谱屏蔽与滤波要求不同而可能相当重要。回到GSM/EDGE的发射屏蔽上,相邻载波的IMD规格在不同的GSM标准中也各有不同,以PCS1800与GSM850标准为例,DAC就必须符合-70dB的平均IMD。



(表一)整理了四载波GSM/EDGE系统中整体发射信号路径电路的动态效能要求,同时也将先前的转换器要求与新一代的高动态效能DAC做了比较。



表一 四载波GSM/EDGE系统中发射信号路径电路的动态效能要求























载波数

载波振幅

DAC SNR要求

2

-12dBFS

-152dBFS/Hz

4

-18dBFS

-158dBFS/Hz

8

-24dBFS

-160dBFS/Hz

































载波振幅

Tx 规格

输出大小DAC要求

MAX5195载波振幅

SFDR

保留余裕的

88dBc

83dBc

SNR

-133dBc/Hz

-158dBFS/Hz

-160dBFS/Hz

IMD

-70dBc

-75dBc

-77dBc

载波振幅

N/S

-18dBFS

-18dBFS




80dBc 到 83dBc



14-bit, 260Msps的MAX5195是一个完全兼容四载波GSM/EDGE信号产生要求的DAC组件,提供卓越的动态效能表现,并且符合所有的GSM/EDGE频谱屏蔽要求。



(图二)中的四音MTPR图显示了这个DAC的动态效能表现,中心频率(fCENTER=48.9583MHz)被移除以便能够进行由相邻信道散落在这个空间点的互调与寄生噪声侦测与分析,四个载波以25MHz带宽,分别间隔1MHz的安排观察,依GSM/EDGE频谱屏蔽输出振幅压低了-18dBFS,在这些情况下,这个DAC拥有-77dBc的IMD与-78dBc的MTPR。


《图二 四音MTPR效能表现图》



结论


《图二 四音MTPR效能表现图》



[1]单载波SFDR在25MHz范围的观察结果。虽然DAC无法完全符合SFDR规格,但是可以透过频率规划来提供并补偿较低的单音SFDR。



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