每個移動臺對于同一蜂窩內(nèi)和相鄰蜂窩的用戶來說都是一個干擾信號源，因此良好的發(fā)射功率控制對于提高CDMA系統(tǒng)通信性能和容量來說都十分重要。本文介紹的CDMA系統(tǒng)中的閉環(huán)功率控制方法能有效控制移動臺功率，文章還介紹了高精度RF功率檢測器LMV225實現(xiàn)功率控制的實際應(yīng)用。

　　CDMAIS-95蜂窩網(wǎng)絡(luò)自從1996年開始商業(yè)化以來，已證明CDMA技術(shù)是推進蜂窩式個人通訊產(chǎn)業(yè)發(fā)展的最佳無線技術(shù)。據(jù)CDMA發(fā)展組織(CDG)報告稱，2004年前六個月CDMA用戶增長2,400萬，全世界的總用戶數(shù)達到2.125億。所有主流的第3代標準，如CDMA2000、W-CDMA和TD-SCDMA都以CDMA作為接入方法。CDMA基于擴頻調(diào)制技術(shù)，而擴頻原理又建立在香農(nóng)信息理論基礎(chǔ)之上。香農(nóng)容量定律規(guī)定，在加性白高斯噪聲中信道容量為：

　　其中：Csh為信道傳輸容量，單位是bps；BRF為信道帶寬，單位是Hz；SNR為信噪比。

　　與窄帶系統(tǒng)(即BRF較小)相比，要實現(xiàn)相同容量的Csh，寬帶系統(tǒng)(即BRF較大)需要的信噪比SNR較小。從另一方面來講，在給定帶寬BRF的信道中，較高的SNR有更大的傳輸容量。這意味著，如果所有用戶都傳輸相同量的數(shù)據(jù)，同一信道可以擁有更多的用戶。

　　移動臺或接入終端的IS-95和CDMA2000功率控制

　　功率控制的特征是通過估計最佳發(fā)射能量水平, 并對網(wǎng)絡(luò)或基站發(fā)送的功率控制指示作出響應(yīng), 來控制反向鏈路中干擾信號電平。

　　在CDMA IS-95和CDMA2000 1X中，基站決定功率控制；而在CDMA2000 EV-DO中，接入終端執(zhí)行功率控制。兩種標準的功率控制方案是相似的，它采用兩種功率控制方法，即開環(huán)控制和閉環(huán)控制。

　　1. 開環(huán)功率控制

　　開環(huán)方法是利用移動臺接收器的功率水平PRX來估計前向鏈路損耗，然后指定移動臺的初始發(fā)射功率PTX，這樣基于不同用戶終端選擇(如蜂窩、PCS或是3G)，前向和反向鏈路的功率之和保持為一個常量，即PTX+PRX為常數(shù)。PRX通過Eb/Io計算得到，它由移動臺的數(shù)字信號處理器(DSP)測量。

　　得到了初始的PTX之后，移動臺和基站均開始閉環(huán)控制。根據(jù)所執(zhí)行的CDMA標準，基站給移動臺發(fā)送一個誤差信號，指示移動臺增加或減少一個單位的能量。

　　閉環(huán)功率控制

　　閉環(huán)功率控制包含兩個步驟：外環(huán)(僅基站進行)和內(nèi)環(huán)(移動臺和基站同時進行)，在IS-95和CDMA 1X中閉環(huán)控制可以達到800Hz的功率控制速率。

　　閉環(huán)功率控制的主要目的是為了根據(jù)基站的測量結(jié)果，最小化信號多徑傳播損耗所造成的快速衰減效應(yīng)。結(jié)合使用外環(huán)和內(nèi)環(huán)兩個閉環(huán)功率控制過程，可以在20毫秒的幀間間隔中做到20～35dB的衰減補償，動態(tài)范圍可達80dB。

　　a. 外環(huán)閉環(huán)功率控制

　　在外環(huán)中，基站每20毫秒為接收器的每一個幀規(guī)定一個目標Eb/Io(從移動臺到基站)。出現(xiàn)幀誤差時，該Eb/Io值自動按0.2~0.3為單位逐步減少，或增加到3～5dB。

　　整個外環(huán)閉環(huán)控制步驟只與基站有關(guān)，而與移動臺無關(guān)。

　　b. 內(nèi)環(huán)閉環(huán)功率控制

　　在內(nèi)環(huán)，基站每1.25毫秒比較一次反向信道的Eb/Io和目標Eb/Io，然后指示移動臺降低或增大發(fā)射功率，這樣就可以達到目標Eb/Io。對于CDMA2000，功率變化幅度單位在±0.25dB～±0.5dB之間，而對于CDMA IS-95，功率變化幅度為±1.0dB。其修正的速率為800bps。

　　CDMA移動臺中功率控制的硬件實現(xiàn)

　　總之，CDMA IS-95需要移動臺每1.25毫秒以±1.0dB的幅度調(diào)整一次發(fā)射功率，而CDMA2000可以是±0.25dB～±0.5dB。圖1所示為手持設(shè)備的線性功率放大器信號鏈的一般輸出功率控制。由于CDMA需要很高的線性度，輸出功率放大器通常被偏置在一個固定的增益上，然后該輸出功率水平必須通過增益控制線性驅(qū)動放大器進行調(diào)整, 該放大器在CDMA移動臺中通常稱為自動增益控制(AGC)放大器。

　　實驗發(fā)現(xiàn)，由于使用了隔離器(如Murata CE04和CES30)和高精度射頻功率檢測器LMV225，圖2中的射頻發(fā)射結(jié)構(gòu)能夠減少功率放大器的直流功耗。隔離器為功率放大器的輸出提供了一個近乎完美的50歐姆負載，而LMV225能夠檢測精確的發(fā)射功率水平。然后，移動臺的DSP將輸出功率設(shè)置到基站所需要的水平。在這一應(yīng)用電路中，使用了一個電阻器將主信號信道的射頻信號轉(zhuǎn)移到LMV225的輸入端。此外，還需要一個約100pF的電容器來進行隔直，防止使能控制信號進入主信號通道。由于不希望直流電壓進入功率放大器的輸出端或隔離器，這個隔直電容器十分必要。由于已經(jīng)有了一個隔離器，因此大部分被轉(zhuǎn)移的射頻能量都是來自發(fā)射功率放大器。來自天線的反射能量將轉(zhuǎn)移到隔離器的內(nèi)建50歐姆負載上，很少能夠到達電源放大器的輸出或LMV225。因此，被耦合到LMV225的功率可以用20log[R1/(R1+50)]來估算。

　　實際的測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，電源電流為500mA、鄰信道功率抑制(ACPR)為-40dBc的功率放大器失真性能可以改善到電源電流為450mA、鄰道功率抑制為-50dBc。在該情形下電流下降了10%，失真改善了約10dB。

　　現(xiàn)在我們已經(jīng)證明，對于IS-95、W-CDMA、CDMA2000和TD-SCDMA空中接口，LMV225和一個CES30隔離器能夠在線性CDMA功率放大器的應(yīng)用中，在功耗和射頻失真方面表現(xiàn)出較好的性能。事實上，由于在發(fā)射信號通道中器件的不確定性和變化(像AGC、功率放大器的增益以及無源器件的損耗等)，為了實現(xiàn)嚴格的內(nèi)環(huán)閉環(huán)功率控制，CDMA2000移動臺或接入終端有必要采用LMV225作為發(fā)射功率檢測器。

　　移動臺發(fā)射信號通道

　　圖2中的射頻發(fā)射電路架構(gòu)可以用于很多種不同的CDMA芯片組。圖3是一個為CDMA2000 1X或EV-DO單波段手持設(shè)備發(fā)射功率檢測而推薦的LMV225應(yīng)用簡圖。

　　在這種發(fā)射器結(jié)構(gòu)中，輸出到天線的功率為：

　　RFout=PRFT-LSAW+GPA-LISOLATOR-LDUPLEXER

　　其中：RFout為到天線的射頻功率(假定已實現(xiàn)50(阻抗負載)；PRFT為射頻發(fā)射器芯片的輸出功率；LSAW為聲表面波濾波器的插入損耗；GPA為CDMA功率放大器的固定增益；LISOLATOR為隔離器的插入損耗；LDUPLEXER為雙工器的插入損耗。

　　由于R1和LMV225已經(jīng)為信號通道構(gòu)成了一個高阻抗的并聯(lián)負載，這里R1和LMV225構(gòu)成的電阻功率分配器的插入損耗可以忽略不計。在室溫下，可以將LSAW、GPA、LISOLATOR和LDUPLEXER看成不變的。那么，至天線的射頻功率RFout就可以通過PRFT調(diào)節(jié)，而PRFT受發(fā)射芯片中的AGC控制。實際上，AGC放大器通常支持IS-95或CDMA2000所要求的80dB動態(tài)范圍。我們還發(fā)現(xiàn)，CDMA移動臺大部分工作時間的輸出功率為中等大小，因此從中等輸出功率到高輸出功率的變化過程中，功率控制的精確度十分重要。不當?shù)母吖β孰娖綍p少移動臺的通話時間，并對其他網(wǎng)絡(luò)用戶產(chǎn)生更多的干擾。

　　LMV225的優(yōu)點

　　為在CDMA手持設(shè)備中提供最佳的功率檢測范圍，LMV225的設(shè)計進行了優(yōu)化。如上所述，從中功率到高功率精確的功率控制尤為重要，采用耦合電阻R1使LMV225能知道射頻信號出現(xiàn)的關(guān)鍵范圍。假設(shè)將AGC設(shè)置在高/最高增益上以實現(xiàn)CDMA功率放大器的最大輸出，比如28dBm。如果此時射頻發(fā)送信號的振幅因數(shù)為3dB，那么CDMA功率放大器的瞬時峰值功率將為28+3=31dBm。如果我們選擇它作為LMV225應(yīng)該能檢測到的最大參考點，即當功率放大器的瞬時輸出功率為31dBm時，輸入到MV225的RFin/使能引腳為0dBm, 應(yīng)該采用一個31dBm的耦合因子。我們發(fā)現(xiàn)用一個1.8K(的R1能夠在本電路中產(chǎn)生一個31dBm的耦合因子。

　　LMV225的線性特征

　　LMV225有30dB的線性檢測范圍，這一特征減少了生產(chǎn)校準過程的復(fù)雜度。校準過程是CDMA 移動臺生產(chǎn)過程中的一個重要環(huán)節(jié)。使用自動測試設(shè)備來收集控制碼/信號從弱到強過程中的移動臺輸出功率信息，將該信息保存在移動臺的存儲器中以供現(xiàn)場使用。基站請求輸出功率時，移動臺的DSP從存儲器中找出實現(xiàn)請求輸出功率水平應(yīng)采用的控制碼/信號。

　　市場上的一些AGC在控制信號和輸出增益之間可能存在指數(shù)特性，如果和LMV225一起使用的是這種AGC，與其它檢測方法(如二極管檢測)相比，以dB為單位的線性特征不會使原始控制曲線比原始AGC特征曲線更復(fù)雜。然而，如果AGC有一個線性控制范圍，以dB為單位的線性特征將把校準點從20多個減少到2個左右。兩點校準過程基于下面的原理：在一個二維平面內(nèi)，只需要兩個不同的點就可以表示一個一階線性方程。如果方程為y=mx+b，用兩個測試坐標(x1，y1)和(x2，y2)就可以計算出斜率m和截距b。

　　雙波段CDMA2000移動站中的LMV225

　　圖4為用于CDMA2000手持設(shè)備的推薦框圖。雖然電阻R1和R1''可能并不相同，用戶還是可以對兩個波段的性能進行優(yōu)化使R1和R1''的值相同。另一方面，由于在實際應(yīng)用只有一個功率放大器處于工作狀態(tài)，且電阻R1或R1''通常提供30+dB的隔離，低波段和高波段之間的隔離應(yīng)該處于可以接受的范圍內(nèi)。

　　作者：Barry Yuen

　　射頻系統(tǒng)工程師

　　美國國家半導(dǎo)體公司