摘要：WCDMA网络的无线信号处理在其射频子系统中完成，文章在研究3GPP2规范的基础上分析了WCDMA对射频子系统的总体需求，总结了射频子系统硬件要实现的功能，分析了射频电路方案，WCDMA终端子系统中接收机、发射机的特点，提供了实现这些功能的总体设计方案，可以为厂商进行 WCDMA 射频子系统设计时提供参考。 关键词：WCDMA；射频；接收机；发射机；低噪声放大器
1、引文
WCDMA全称为Wideband CDMA，是基于GSM网发展出来的3G技术规范，更具体的说，WCDMA是一种利用码分多址复用方法的宽带扩频3G移动通信空中接口，是欧洲提出的宽带CDMA技术，它与日本提出的宽带CDMA技术基本相同。该标准提出了GSM(ZG) 一GPRS一EDGE一WCDMA(3G)的演进策略。GPRS是通用分组无线业务的简称，EDGE是增强数据速率的GSM演进的简称，这两种技术被称为2.5代移动通信技术。
随着个人通信和移动通信技术在世界范围内的迅猛发展，人们对移动通信的服务质量要求也越来越高。WCDMA(Wideband Code Division Multiple Access)作为第三代移动通信系统的三大标准之一，因为具有优良的通信质量和较高的频谱利用率而被广泛应用。它可支持384KbPs到2MbPs不等的数据传输速率，在高速移动的状态，可提供384KbPs的传输速率，在低速或是室内环境下，则可提供高达2Mbps的传输速率。
2009年1月7日，工业和信息化部为中国移动、中国电信和中国联通发放3张第三代移动通信牌照，此举标志着我国正式进入3G时代。其中，中国联通获得了基于WCDMA技术制式的3G牌照。WCDMA是目前最成熟的3G技术，并且WCDMA技术拥有目前3G技术中最为完善的产业链。联通广泛的2G客户资源可实现向3G的直接过渡。目前，中国联通WCDMA网络已经覆盖全国335个城市，已在全国各个城市得到广泛的应用。
2、WCDMA射频电路及天线的研究现状
第三代移动通信系统经过几年的发展，网络规模越来越大、网络的可靠性要求越来越高、网络部署的困难越来越大。市场发展特点要求基站具有高性能、低成本、灵活部署、面向未来的特性。此时，第一代UMTS (通用移动通信系统) 基站己经不能满足需求，具备高性能、低网络成本的WCDMA基站将逐步取代第一代UMTS基站。由于各国政府科研机构和企业的大力投入，WCDMA基站射频接收模块和天线的研究取得了一系列的成果。
WCDMA对终端低功耗、低电压的要求使得射频模块集成化的趋势越来越明显。射频微波电路经历了从初期的微波集成电路到由分立固态元件和集成的无源器件构成的混合微波集成电路，再到现在将集成的有源、无源器件同时集成到一块基片上的单片微波集成电路的发展过程。目前，摩托诺拉、朗讯、中兴、华为等企业均己成功推出了适用于WCDMA终端的商用芯片产品。
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3、WCDMA对射频子系统的需求
语音、数据等原始的、未经调制的信号叫基带信号，它是对方真正想要接收的信息，也是整个系统的主要对象。但基带信号要想成功地通过无线的方式发送到对方，必须先经过调制，转变成一定的频率和带宽的射频信号。同样，接收方要经过相反的解调过程从射频信号中将基带信号提取出来。另外，为了保证用户的容量以及实现省电、环保等要求，还要随着移动用户距基站的远近不同而实时地对无线信号进行功率控制，保证无论距离、障碍物等因素如何变化，到达接收方的信号强度基本是不变的。可见，射频子系统的总体功能包括：完成基带信号和射频无线信号的转换、实现对发射信号和接收信号的功率检测和上报、对发射信号进行功率控制。
在WCDMA系统中，基站天线和射频前端电路是其重要组成部分。 基站天线作为WCDMA系统的窗口，它的性能对整个系统的正常工作起着至关重要的作用川。基站发射天线的功能是把高频电流形式的能量以同频率的无线电波能量的方式发射出去；接收天线正好相反，它能接收到高频的无线电波能量并将其转变成同频率的电流能量。因此研究高性能的WCDMA基站天线是非常有意义的。
射频前端电路是现代通信系统中一个不可或缺的部分，在WCDMA接收机中，射频前端电路占有重要的地位，其性能优劣直接影响着接收机的接收灵敏度，后继信号处理部分的性能甚至整个通信系统的性能。低噪声放大器(LNA)作为射频前端电路设计的重要内容，其噪声大小对整个接收机的噪声性能有着重要的影响。近年来，LNA的设计已经成为了通信设备相关电路设计中最有挑战性的内容之一。这是因为基站接收机要求LNA能在满足高增益、低噪声、良好的输入、输出匹配的同时，可以有尽可能小的工作电流和良好的稳定性。
射频子系统的功能包括：实现多个载频上行和下行射频信号和基带信号的变换；支持发射、接收分集；支持多个扇区；实现上、下行信号的功率检测以及发射端口驻波比检测；实现静态功率控制；以及实现对各个单元的监控。
4、WCDMA的射频子系统设计方案
4.1射频子系统功能划分
一般，按照功能的不同将射频子系统分为接收机、发射机和天线端口信号检测3个部分。
接收机负责处理移动台发给基站的信号，即上行信号。包括检测接收信号的场强、对微弱的接收信号进行放大、变频、滤波、解调成基带的I/Q 信号以及送到基带处理单元去完成解扰、解扩处理。
发射机负责处理基站发给移动台的信号，即下行信号。包括对下行信号进行成形滤波、调制并通过线性功放激励放大后， 由天线发射到相应的扇区。
天线端口信号检测电路主要实现对天线端口每个载频的发射功率以及端口驻波比的检测。
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4.2 接收机设计
射频(Radio Frequency，RF)接收机通常有五种结构:超外差结构(Heterodyne architecture)、直接变频结构(Direct一Conversion Architecture)、宽中频变频结构(Wideband一IF Architecture)、数字中频结构(Digital一IF Architecture)和低中频变频结构(Low一IF Architecture)。这五种结构各有优点和缺点，接收机的结构由系统指标决定，包括系统工作频率、接收机动态范围、功耗和集成度等。
本设计中接收机采用超外差结构，采用接收机的功能框图如下图图 1所示。
图 1 接收机结构框图
RF接收机亦使用两级外差结构，它包括带通滤波器、低噪放（LNA）、高频放大器、混频器、中频滤波器、自动增益控制器（VGA）、A/D转换器、再混频、I/Q信号基带处理单元。接收机具有灵敏性和选择性的特征，灵敏性就是检测微弱信号的能力，选择性就是抗强干扰信号的能力。
接收机功能模块分为射频前端和信号处理两块单板。对上行信号的滤波、放大在射频前端板内实现，其他的功能都在信号处理板中完成。信号处理板又包括射频处理、中频处理、频综、控制等几个部分。其中控制电路是整块板的核心。
外差式接收机的最大缺点是组合干扰频率点多。这是因为变频器往往并不是一个理想的乘法器，而是一个能完成相乘功能的非线性器件，它将进入的有用信号错误！未找到引用源。和本振信号错误！未找到引用源。，以及混入的干扰信号(如频率为错误！未找到引用源。与错误！未找到引用源。的干扰信号)通过变频器非线性特性中的某一高次方项组合产生组合频率，如错误！未找到引用源。或错误！未找到引用源。，若它们落在中频频带内，就会形成对有用信号的干扰，通常就是所说的寄生通道干扰。而消除这些干扰的唯一办法就是不让它进入变频器，这就需要在变频器前面加滤波器滤除。
在二次变频结构中，第一中频采用较高的中频值，以提高镜像频率抑制比(收机抑制镜像频率干扰的能力)。第二中频采用较低中频值，以提高接收机对号的放大能力和信道选择能力。在接收机中，放大器、变频器和滤波器之间应行较好的阻抗匹配，以保证滤波器的滤波性能。 4.3发射机设计
发射机的结构框图见图 2（从右向左看）。
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图 2 发射机结构框图
基带处理单元产生已加扰、加扩后的基带 I，Q信号，输入到数字中频处理电路中进行低通滤波后，和设置为不同频率的本振进行数字正交上变频，产生不同频率的 I coswt + Qsinwt 复数据流，送到数据复合单元。数据复合单元实现对 2个载频的数据合路，输出 16 位多载频的数据流，然后送到数模转换单元，进行采样、D/A 转换为中频信号输出到射频处理电路。在射频处理电路中完成中频滤波、放大后上变频到下行发射频段，并根据静态功率控制的要求，进行输出功率的调整，送到线性功率放大器激励放大，最后由发射滤波器滤波后输出到天线。
RF发射机采用两级外差结构，包括了I/Q调制器、混频器、数据复合、D/A转换、中频滤波器、中频放大、再调制、射频滤波器、高频放大器、线性功放、带通滤波器。I/Q调制器通过将基带信号叠加至IF载波上完成第一次频率变换步骤。第二次频率变换步骤在RF混频器发生，它将IF载波搬移至规定的无线频率上。滤波器消除了寄生产物，并降低了系统的底线噪声。
线性功放是射频系统的下行功率放大单元，完成多载频发射射频信号的激励放大，是射频系统中的关键部件。WCDMA信号的频带很宽，一个信道的带宽是 5M，为了追求更高的数据速率和频谱效率，WCDMA普遍采用线性调制方式。WCDMA通信系统利用非恒包络调制技术要求使发射器工作于线性状态。硬件结构如图 3 所示。
具体的信号处理过程为：输入信号经过信号分路器分成两路信号，其中一路经移相器、衰减器、功率放大器（含失真信号） 、藕合器、交调抵消电路后直接输出。另一路信号反相后经延时线延时、与功率放大器输出耦合信号进行载频抵消，构成线性化前馈技术主环环路。从载频抵消电路输出的交调失真信号经移相器、衰减器、误差放大电路后与功率放大器（含交调失真信号）进行交调抵消，构成线性化前馈技术误差环环路。
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图3 线性功放硬件结构
4.4检测电路总体设计
发射端口功率检测电路完成基站天线端口每个载频发射功率的检测以及端口驻波比的检测和告警功能。其结构图见图6。
图 7 发射端口功率检测电路结构框图
对发射功率的检测方法是：从射频前端的双工器中取出功率信号，通过电子开关选择后，进入混频单元和设置的本振进行混频，混频出的中频信号经过滤波、放大、检波后，得到和功率相关的电压，再送到 A/D进行采样，得到的数据经过计算得出一个载频的功率。通过不断地改变本振的频率，可以得到不同载频的功率。
对驻波比的检测方法是：通过电子开关选择后得到反向各个载频的功率。将前向和反向检测到的各个频率的功率值经过计算得到驻波比的准确值。 4.4低噪声放大器设计
低噪声放大器是射频接收机前端的主要部分。主要有四个特点:首先，它位于接收机最前端，这就要求它的噪声越小越好。为了抑制后面各级噪声对系统的影响，还要求有一定的增益。但为了不使后面的混频器过载，产生非线性失真，它的增益又不宜过大；放大器在工作频段内应该是稳定的。其次，由于所接收的信号很微弱，所以低噪声放大器必定是一个小信号线性放大器，而且受传输路径的影响，信号的强弱又是变化的。在接收信号的同时还伴随着许多强干扰信号的混入，因此要求放大器有足够大的线性范围而且增益最好是可调节的。第三，低噪声放大器一般直接和天线或天线滤波器相连，所以，放大器的输入端必须和它们实现很好的匹配，以达到功率最大传输或最小噪声系数。第四，应具有一定的选频功能，以便抑制带外和镜像频率干扰。
低噪声放大器性能的好坏直接影响着接收机的整体的噪声性能。一个射频系统接收部分的总噪声系数一般只与最前面两级有关，后面的模块对总噪声系数影响不大。而这前两级模块一般指的是频段选择滤波器(或由双工器完成频带选择)和低噪声放大器，因而要求低噪声放大器(LNA)的噪声越小越好。为了抑制后级各噪声对系统的影响，还要求其有一定的增益。但为了不使后面的混频器过载而产生非线性失真，它的增益又不宜过大。此外，由于所接收的信号很微弱，所以低噪声放大器必定是个小信号线性放大器。
LNA的设计也是无线电设备相关电路设计中最具挑战的内容之一。这主要表现在它需要同时满足低噪声、高增益、良好的输入输出匹配和尽可能小的工作电流时
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的无条件稳定。
放大器设计的第一步是根据性能指标选择合适的晶体管。为了满足LNA高增益、高线性、低噪声系数的要求，本设计采用Avago公司的ATF54143低噪放晶体管进行设计。厂家提供的管子相应的性能曲线图如图4所示。当该管子工作在2GHz频段，偏置设置为错误！未找到引用源。时具有36dB的三阶交调输出功率、16.6dB的1dB压缩点输出功率、0.5dB的噪声系数以及16.6dB的相关增益。该晶体管适用于频率范围在450MHz一6GHz无线系统的各种LNA电路中，广泛应用于通信基站设施中。
图 4 ATF54143性能曲线图
根据WCDMA系统的要求，低噪声放大器应满足表1所示的技术指标要求。
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表 1低噪放参数要求
5、总结
所有的无线通信设备，无论是收音机、航模还是手机、基站，其内部信号处理的流程都是相似的，要经过调制、解调、放大、滤波等处理，但由于对性能的具体要求不一样，实现时采用的技术差别很大。比如同样是调制，GSM 采用GMSK调制法，而 WCDMA 采用 QPSK调制法，使得频谱的利用率更高；在频段复用方面，GSM 采用频分多址而 WCDMA 采用码分多址，这样一路信息可以携带更多的内容，保密性也更强。总之，WCDMA 通过码分多址、QPSK调制、严格的功率控制、分集、RAKE 接收等先进技术， 获得了数据传输速率更高、 保密性更强、小区容量更大等功能优势，这些优势是由 3GPP2 规范来决定的。
本文概述了WCDMA技术特点，主要介绍了WCDMA技术对射频子系统（包括基站和终端）的需求、终端电路方案设计及分析；介绍了WCDMA终端子系统中接收机、发射机的特点，设计了完整的射频子系统方案。
参考文献
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TN929.53—10422
致谢
历时将近两个月的时间终于将这篇论文写完，在论文的写作过程中遇到了无数的困难和障碍，都在同学和饶老师的帮助下度过了。尤其要强烈感谢我的论文指导老师—饶老师，她对我进行了无私的指导和帮助，不厌其烦的帮助进行论文的修改和改进。另外，在校图书馆查找资料的时候，图书馆的老师也给我提供了很多方面的支持与帮助。在此向帮助和指导过我的各位老师表示最衷心的感谢！感谢这篇论文所涉及到的各位学者。本文引用了数位学者的研究文献，如果没有各位学者的研究成果的帮助和启发，我将很难完成本篇论文的写作。感谢我的同学和朋友，在我写论文的过程中给予我了很多你问素材，还在论文的撰写和排版灯过程中提供热情的帮助。由于我的学术水平有限，所写论文难免有不足之处，恳请各位老师和学友批评和指正！
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