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ADC和DAC技术在TD


第 24 卷 第 8 期 吉 林 工 程 技 术 师 范 学 院 学 报              Vol124 No18  2008 年 8 月         Journal of J ilin Teachers Institute of Engineering and Technology      Aug1 2008

ADC和 DAC技术在 T - SCDMA D

基站中应用分析
逯   ,王洪宇 波
1 2

( 1. 吉林工程技术师范学院 经济技术学院 ,吉林 长春 130011; 2. 中国网通集团有限公司 长春市分公司 ,吉林 长春 130051 )
[摘   ]针对 TD - SCDMA 中的空口部分关键指标要求 (输出信号的功率要求 、 要 输出信号的动态范围 要求 、 多载波输出信号的峰均比要求 、 输入信号动态范围 、 接收机参考灵敏度要求 、 输入信号的抗阻塞要 求 )对设计实现中 ADC、 DAC 需要的位数要求进行分析 。 [关键词 ] TD - SCDMA; 软件无线电 ; 数字中频技术 ; ADC; DAC [中图分类号 ] TN929. 5     [文献标识码 ] A     [文章编号 ] 1009 - 9042 (2008) 08 - 0077 - 04

The Applica tion of ADC and DAC in TD - SCDM A
LU Bo ,WANG Hong - yu
1 2

( 1. S chool of Econom y and Technology, J ilin Teachers Institu te of Eng ineering and Technology, Changchun J ilin 130011, Ch ina; 2. Changchun S ubsid ia ry Com pany, Ch ina N etcom Group L im ited Com pany, Changchun J ilin 130051, Ch ina )

Abstract: This paper, aim ing at part of the key indicator requirements of the emp ty port in TD - SCDMA ( power, dynam ic range of output signal, peak - to - average ratio of multicarrier output signal, dynam ic range of input signal, reference sensitivity of receiver and anti - jam 2 m ing of input signal) makes an analysis of the requirem ents of ADC and DAC for the number of digits in design i p lem entation. m Key words: T - SCDMA; soft are radio; digital inter D w mediate - frequency technology; ADC; DAC

1  TD - SCDMA 简介
在第三代移动通信标准中 , 我国第一次提出了 自己的 建议 : TD - SCDMA (时 分双 工同 步 码 分 多 址 ) ,并在此无线传输技术 ( RTT) 的基础上与国际合 作 ,完成了 TD - SCDMA 标准 ,成为 CDMA TDD LCR 标准 (LCR: 低码片速率 ) 。这是我国移动通信界的 一次创举 ,也是中国对第三代移动通信发展的贡献 。 在 TD - SCDMA 技术中采用多项技术 , 其中软 件无线电技术为关键技术 , 该技术依赖数字中频技 术 ,在数字中频技术中高速 、 高精度 ADC 和 DAC 技

术占有重要地位 。本文重点对高速 ADC 和 DAC 在
TD - SCDMA 中的设计运用进行分析介绍 。

2  相关 IF指标对 ADC和 DAC要求分析
2. 1   数字域峰均比分析

同在模拟域一样数字域可以通过 CCDF 来统计 信号峰均比 ,但与模拟域不同的是 ,数字域溢出直接 导致信号切顶 , 模拟域功率过大会导致放大器非线 性 。在码道数量不是很多的情况下 , 通常可以直接 计算出最大可能信号的峰值幅度 , 在不占用过多位 宽的前提下保证信号在数字域不溢出 。

收稿日期 : 2007 - 11 - 06 作者简介 : 逯   ( 1973 -  ) ,女 ,吉林人 ,吉林工程技术师范学院经济技术学院讲师 , 主要从事 3D、 波 Autocad、 多媒体教学 研究 。 ? 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net

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       林 工 程 技 术 师 范 学 院 学 报 吉

  2008 年 8 月

假设码道数量为 ChNum , 各码道信号功率相等 且幅度为 A , 则数字域峰值功率发生在各码道符号 均相同的情况下为 : 2 ( 1)   Ppeak = ( ChN um 3 A ) 数字域的均值功率为 : 2 ( 2)   Pavg = ChN um 3 A 故数字域峰均比 PAR 与码道数 ChNum 的关系为 :   PAR = 10 log
Ppeak P

= 10 logChN um

( 3)

信号真正落在峰值点的概率非常之小 , 仍按理论值 计算硬件实现成本较高 ,此时 ,可以借用模拟域衡量 信号峰均比的方法来进行推算 。 数字域单载波 16 码道 、 载波 16 码道和 9 载波 3 16 码 道 信 号 功 率 分 布 仿 真 曲 线 如 图 2 所 示 , 以 0. 01%峰值概率计算 ,信号的峰均比分别为 9. 2 dB、 10. 2 dB 和 10. 2 dB。 由此可见 ,载波数量增加信号总功率会提高 ,信 号峰均比并没有显著提高 。在计算时适当保留裕 量 ,峰均比按 15 dB 计算即可 。 信号经过插值滤波后 , 量化的噪音功率谱密度 会降低 ,输出信号信噪比为 : ( 6) SN R = 6. 02 × + 1. 76 + 10 log10 ( Fs /B ) N 其中 , N 为有效量化位数 , Fs为采样率 , B 为信 号带宽 。 考虑到信号动态范围并由此计算多载波系统下 下行链路峰值信号功率对应噪音功率的比值 。假设 系统采样率为 81. 92 M SPS, 信号带宽为 1. 28 MHz, 载波数为 9,则系统所需量化位数为 :
Enob = SNR - 1 76 - 10 log ( Fs /B ) +30 +15 +10 log 9 . 10 10

图 1  数字域峰均比与码道数关系

6 02 .

(7)

图 1 为数字域峰均比和码道数关系的仿真结 果 ,不同码道使用 TD - SCDMA 协议中规定的从序 号 1 开始连续选择的扩频因子 , 统一使用 0 号扰码 , 峰值功率按可能的极限值计算 。可以看到仿真曲线 和公式的计算结果完全吻合 。当码道数为 1 时数字 域峰均比为 0 dB , 当达到协议规定最大码道数 16 时 ,数字域峰均比约为 12 dB。 2. 2   单载波数字域位宽分析 协议中要求下行链路功率动态范围最小为 30 dB, 数字域 16码道峰均比约为 12 dB。 按照指标分解 ,要求 IF的 EVM 指标为 1% , 1% 的 EVM 对应 40 dB 信噪比 。 综合以上考虑 , 在下行链路峰值信号功率对应 噪音功率的比值应为 : ( 4)   30 + 12 + 40 = 82 dB 又因为 DAC 转换的有效位要求为 : SN R - 4. 77 82 - 4. 77   Enob = = = 12. 9 ( 5 ) 6. 02 6. 02 因此 ,在基带数字域 ,信号量化精度为选择大于 14 bits比较理想 ,选择 12 bits会基本满足设计指标 。 2. 3   多载波数字域位宽分析 多载波合路后 ,理论上峰值功率增加为 20 logN , 其中 N 为载波数 。因此 , 三载 波峰 值功 率会增 加 10 dB ,九载波峰值功率会增加近 20 dB。但实际上

=12 . 4 bits (0 1) .

图 2  多载波信号数字域峰均比与码道数关系

2. 4  DAC 其他性能要求 DAC 性能主要包括输出 SNR 和 SFDR , DAC 输 出的 ACLR 除和 DAC 本身指标有关外 ,还与 DAC 的

驱动时钟有关 。 首先 ,考虑 SNR , 由于 DAC 输出 SNR 直接影响 信号的 EVM ,在大信号输出时 , 整个射频链路 EVM 压力较大 , 此时 ,需要数字中频部分尽量减小对 EVM 的影响 ,数字中频部分的 EVM 尽量控制在 1% ,因此 , 对于 DAC输出 SNR 为 40 dB。在小信号输出时 ,由于
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第 24 卷   8 期 第

逯  波等 : ADC 和 DAC 技术在 TD - SCDMA 基站中应用分析    

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功放非线性对链路 EVM 影响减小 ,数字中频部分的输 出 EVM 可以适当放宽 , 保证在 4%即可 , 因此 , 对应 DAC输出 S 为 28 dB,对应带内所需 S 为 58 dB。 NR NR 另外 ,考虑 ACLR 对 SNR 的要求 。由于数字中 频部分输出 ACLR 要求为 - 50 dB @ 1. 6MHz offset, - 55 dB @3. 2MHz offset。考虑裕量 , 数字中频泄漏 到第二临道的功率应比每个载波有用信号功率小 60 dB。 这样也可以理解成所需 DAC 输出信噪比为 60 dB。由于 ACLR 是对大信号所提指标 , 考虑到动 态范围 30 dB ,对应到小信号 DAC 输出 SNR 应满足 30 dB。由此可见 , ACLR 对 DAC 输出 SNR 的需求高 于 EVM 对 DAC 输出 SNR 的需求 , 因此 , 计算时按 ACLR 所需 SNR 计算 。 由以上分析结果 , 带内所需最大信噪比 SNR 为 60 dB ,系统采样率 Fs为 327. 68 M SPS, 信号带宽 B 为 1. 28 MHz,信号峰均比 PAR 为 15 dB ,有用信号载 波数为 9, DAC 所需信噪比 SNRDAC 为 : Fs / 2 ( 8) SNRDAC =SNR - 10 log + PAK +10 log10 9 10
B

用信号功率在 - 110 dBm ~ - 80 dBm 范围内 。同时 协议中规定 , 邻道功率最强为 - 55 dBm 的单码道 CDMA 信号以及 15 MHz射频带内最强带外阻塞信 号功率为最小 3. 2 MHz频偏 - 40 dBm 的单码道 CD 2 MA 信号 。

3  输入信号 ADC 需求
3. 1   15 MHz带内阻塞信号没有任何抑制设计 对 假设链路设计对 15 MHz带内阻塞信号没有任 何抑制 。ADC 输入最大功率为 Pfs, 这里按 + 6 dBm 计算 , 阻塞信号在这里成为 ADC 输入端的最大输入 信号 。阻塞信号的定义为单码道 CDMA 信号 , 其峰 均比约为 3 dB ,又考虑 3 dB 抗输入饱和裕量 ,因此 , ADC 输入最大信号功率应为 : ( 9)   PADmax = Pfs - 3 - 3 = 0 dBm 因此射频链路额定增益为 : Grx = PADmax - PB lock ing ( 10 )    = 0 - ( - 40 ) = 40 dB 两级级联噪音系数公式如下 : F2 - 1 ( 11 )   F = F1 +
G1

计算出 DAC 所需输出 SNR 为 63. 5 dB。 SFDR 性能同样会影响带外抑制和 ACLR。数 字中频带外抑制应高于 60 dB , 考虑裕量 , DAC 的 SFDR 应高于 65 dB。 2. 5   接收信号功率范围 TD - SCDMA 协议中规定 ,接收机天线口输入有

假设 ADC 前射频接收链路噪音系数为 5 dB (指 标分解结果 ) , 又已知链路增益为 40 dB (指标分解 结果 ) ,带入公式 11 计算数字中频部分噪音系数对 系统噪音系数的影响 ,见表 1。

表 1  数字中频噪音系数对系统影响 数字中频噪音功率
- 78 dBm /1. 28 MHz - 80 dBm /1. 28 MHz - 83 dBm /1. 28 MHz - 85 dBm /1. 28 MHz - 88 dBm /1. 28 MHz

数字中频噪音系数
35 dB 33 dB 30 dB 28 dB 25 dB

系统噪音系数
5. 41 dB 5. 27 dB 5. 14 dB 5. 09 dB 5. 04 dB

数字中频影响
0. 41 dB 0. 27 dB 0. 14 dB 0. 09 dB 0. 04 dB

   由上表可见 ,数字中频部分噪音系数为 25 dB 时 , 对系统的噪音系数影响为 0. 04 dB , 是可以接受的 。 进一步提高数字中频接收链路噪音系数意义不大。 信号实际带宽为 1. 28 MHz,输入带内热噪音功 率为 : N i = KTB   = 10 log ( 1. 38 × - 23 × × . 28 × 6 ) ( 12 ) 10 290 1 10
= - 113 dBm 因此 ,数字中频部分噪音系数为 28 dB 时 ,数字 中频对系统噪音系数恶化约为 0. 1 dB , 此时 , 数字中

频噪底为 - 85 dBm /1. 28 MHz。数字中频部分噪音 系数为 33 dB 时 , 数字中频对系统噪音系数恶化约 为 0. 3 dB , 此 时 , 数 字 中 频 噪 底 为 - 80 dBm / 1. 28 MHz。 此时 ,数字中频部分引入的噪音系数恶化 需在系统设计时从性能 、 成本 、 实现方案等角度综合 考虑 。 目前 ,设计方案中数字中频采样率为 64X, 输出 为 1X I 数据 ,因此 ,即处理增益为 : Q ( 13 )   10 log10 ( 64 /2 ) = 15 dB 由 假 设 , ADC 最 大 输 入 信 号 功 率 Pfs 为
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+ 0 dBm ,链路增益抗饱和裕量 3 dB , 因此 , ADC 输 出信噪比应满足 : ( 14 )   6 - ( - 80 ) - 15 - 3 = 74 dB 由此推算所需 ADC 有效 bit数为 : SN R - 1. 76 74 - 1. 76 Enob = = = 12. 0 bits ( 15 ) 6. 02 6. 02 因此 ,只有 14 bits ADC 可以达到这一性能 。 3. 2   15 MHz带内阻塞信号部分抑制抑制设计 对

假设射频链路对第二邻道以外的阻塞信号有 15 dB抑制 ,则到达 ADC 端口最大射频信号等效天 线口功率为 - 55 dBm。由公式 10 计算射频链路额 定增益为 : Grx = PADm ax - PB lock ing = 0 - ( - 55 ) = 55 dB ( 16 ) 假设 ADC 前射频接收链路噪音系数为 5 dB ,带 入公式 11 计算数字中频部分噪音系数对系统噪音 系数的影响 。

表 2  数字中频噪音系数对系统影响 数字中频噪音功率
- 63 dBm /1. 28 MHz - 65 dBm /1. 28 MHz - 68 dBm /1. 28 MHz - 70 dBm /1. 28 MHz - 73 dBm /1. 28 MHz

数字中频噪音系数
50 dB 48 dB 45 dB 43 dB 40 dB

系统噪音系数
5. 41 dB 5. 27 dB 5. 14 dB 5. 09 dB 5. 04 dB

数字中频影响
0. 41 dB 0. 27 dB 0. 14 dB 0. 09 dB 0. 04 dB

   由表 2 可见 , 数字中频部分噪音系数为 40 dB 时 ,对系统的噪音系数影响为 0. 04 dB , 是可以接受 的 。进一步提高数字中频接收链路噪音系数意义不 大 ,适当降低需在系统设计中加以考虑 。 信号实际带宽为 1. 28 MHz,输入带内热噪音功 率为 - 113 dBm ,因此 ,数字中频部分噪音系数为 43 dB 时 ,数字中频对系统噪音系数恶化约为 0. 1 dB , 此时 数字中频噪底为 - 70 dBm /1. 28 MHz。 目前 ,设计方案中数字中频采样率为 64X 处理 增益为 15 dB。 由假设 ,ADC最大输入信号功率 Pfs为 + 6 dBm 及 3 dB 抗输入饱和裕量。因此 ,ADC输出信噪比应满足 : ( 17 )   6 - ( - 80 ) - 15 - 3 = 74 dB 由此推算 ,所需 ADC 有效 bit数为 : SN R - 1. 76 64 - 1. 76 ( 18 ) = = 10. 3 bits  Enob = 6. 02 6. 02

通常 12 bits ADC 可以达到这一性能 。

4  可实现性分析
由以上分 析我 们可知 , TI和 AD I公 司的 高速 ADC 和 DAC 能够支持 TD - SCDMA 的软件无线电 技术对于数字中频技术中对于 ADC 和 DAC 的指标 要求 , 该分析和技术分解在研究验证机型实现中已 经得到验证 。 参考文献 :
[ 1 ]Domani D , Gtti U , M alcovati P, et al A multipath polyphase . digital - to - analog converter for soft are radio transm ission w system s[ J ]. The 2000 IEEE International Sympo - sium on Circuits and System s ISCAS 2000 Geneva. 2000, (2). .

[责任编辑   刘福满 ]

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