Антенный усилитель системы сотовой связи W-CDMA
А. Курушин
Источник: журнал ChipNews,выпуск № 7, 2003г.
Система уплотнения каналов связи W-CDMA - один из вариантов систем сотовой связи третьего поколения цифрового стандарта 3GPP. Этот стандарт принят как очередное поколение сотовой связи. Система связи UMTS, использующая стандарт W-CDMA, замещает систему связи GSM, Европейскую версию третьего поколения цифровых радиотелефонов.
Система, подобная UMTS [1], в международных документах связи получила название IMT-2000 (Международная Мобильная дальняя связь 2000). Эти системы предполагают реализацию более высоких скоростей передачи данных при улучшенных услугах. Их главные особенности:
- высокое использование полосы спектра (минимум 0,45 Mbits/MHz/cell);
- многополосная параллельная работа в нескольких полосах от 500 МГц до 2,5 ГГц;
- передача голоса, видео и мультимедийной информации со скоростями передачи от 384 Кбит/с до 2 Mбит/с;
- совместимость с системами GSM и IS-136, с сохранением инфраструктуры;
- работа с наземными сетями связи и передачи данных с коммутацией каналов;
- поддерживает иерархические сотовые структуры;
- позволяет макросотовое построение со спектральной полосой меньше чем 1 МГц;
- поддержка скорости передачи данных для приложений IMT-2000.
Под развёртывание системы W-CDMA выделены частоты выше PCS1900 (1900 МГц), причём под приёмный и передающие каналы выделены полосы 60 МГц (три подполосы по 20 МГц). В России предполагается также внедрение системы CDMA-450.
Чтобы улучшить характеристики системы W-CDMA, вблизи антенны устанавливаются антенные усилители, которые соединяются кабелями с базовой станцией и антенной.
Основной резон установки антенных усилителей (АУ или TMA - Top Mounted Amplifier) заключается в том, что саму базовую станцию невозможно установить на антенной вышке и даже на крыше высотного здания. Поэтому в систему включают специальное оконечное автономное устройство TMA (двунаправленный усилитель), которое кабелем соединяется с базовой станцией. Расстояние от этого автономного устройства до базовой станции может быть от 10 до 100 м.
На основании анализа спецификации на аппаратуру сотовой связи 3-го поколения 3GPP R99 [1] и анализа практических результатов, полученных на основе эксплуатации антенных усилителей, можно утверждать, что применение ТMA:
- увеличивает охват территории базовой станцией более, чем на 300%;
- увеличивает пропускную способность нисходящей и восходящей линий связи;
- улучшает сочетание макросотового и микросотового (внутри зданий) построения;
- усложняет эксплуатацию базовой станции и предъявляет повышенные требования к надёжности системы, работающей совместно с ТМА.
TMA - это двунаправленный усилитель, устанавливаемый на вышке вблизи антенны, предназначенной для использования в W-CDMA системах, совместно с другими системами, например, GSM с несколькими каналами на 900, 1800 и 1900 МГц. Он имеет малошумящий усилитель для восходящей линии uplink и (в этом случае устройство называется Tower Mounted Booster - TMB) выходной каскад усилителя мощности для нисходящей линии downlink.
TMA, предназначенный для работы с несколькими системами, например, GSM800, GSM1800 и WCDMA, конечно, будет более сложным, чем блок TMA, предназначенный для обслуживания одной системы. Кроме частотного диапазона, меняются и системы обслуживания и регулировки. Так, в системе CDMA усиление в каждой ветви должно регулироваться на конкретной частоте в диапазоне антенны. Согласно принципу работы системы CDMA, усиление по кольцу "канал базовой станции – нисходящая линия – сотовый телефон – восходящая линия" сохраняется постоянным, поэтому постоянно регулируется соотношение между выходным и входным сигналом, действующим на TMA.
Рисунок 2. Расположение антенны, базовой станции и TMA в срезе высотного здания
Надёжность TMA зависит от конструкторского решения и тщательности разработки системы охлаждения и термостабилизации. Из-за потерь фидера между базовой станцией и антенной, входная мощность, подаваемая на TMA, будет ниже, чем выходная мощность усилителя мощности на базовой станции. Поэтому из-за распределения мощности можно предположить, что время эксплуатации увеличится (то есть надёжность BS+TMA выше, чем BS, при условии, что характеристики этих систем эквивалентны).
Переход на систему W-CDMA предъявляет повышенные требования к качеству передачи сигнала, поскольку, как минимум, полоса тракта переноса сигнала больше в 3–4 раза, чем у системы CDMA. Значит, требования к элементам схемы и характеристикам приёмопередающего тракта здесь более жёсткие, чем в системах с кодовым разделением каналов CDMA.
Ниже представлены спецификации к блоку усилителя, монтируемого на вышке на основании требований, предъявляемых к обработке широкополосного сигнала W-CDMA.
Они разработаны на основании спецификации на базовую станцию W-CDMA стандарта 3GPP (табл. 1), в предположении, что система, использующая TMA, должна иметь характеристики не хуже, чем система без TMA.
Таблица 1. Спецификация приемного канала Rx базовой станции BTS
| П/п | Параметр | Величина | Замечания |
| 1 | Рабочий диапазон частот | 1920 – 1980 МГц | Вся полоса системы разбивается на 3 полосы по 20 МГц. В каждой из этих полос может быть по 4 канала W-CDMA, каждый по 5 МГц |
| 2 | IF_1 | 190 MГц | Первая промежуточная частота |
| 3 | IF_2 | 23,04 MГц | Вторая промежуточная частота |
| 4 | Параметры дифференциального порта | 100 Oм | На выходе ВЧ части микросхема имеет дифференциальный вход, состоящий из двух входов, которые присоединяются к микросхеме дальнейшей обработки сигналов |
| 5 | Pout IF | -3 дБм +1 дБ | Выходная мощность сигнала ПЧ на выходе приёмного тракта |
| 6 | Pout IF test | -25 дБм +2 дБ | Выходная мощность сигнала ПЧ на выходе приёмного тракта для тестируемого сигнала |
| 7 | VSWRRF | < 1,5 | КСВ по напряжению |
| 8 | NF (Noise Figure) | < 12,5 дБ (max Gain) < 17,5 дБ (Gmax -32 дБ) |
Коэффициент шума приёмника, следующего за RF частью. Показано его возможное изменение при изменении усиления в приёмном тракте |
| 9 | Gain Control Range | 40 дБ | Диапазон изменения коэффициента передачи всего тракта |
| 10 | Voltage Range | 0,5...2,5 В | Диапазон напряжений, при изменении которого меняется усиление тракта |
| 11 | IP3in | > 3 дБм (RF) | Абсцисса точки пересечения (входная мощность) зависимости IMI третьего порядка и основной гармоники Pout(Pin) |
| 12 | P1dBout | > 5 дБм | Мощность насыщения по выходу, при котором наблюдается сжатие усиления на 1 дБ (ордината зависимости Pout(Pin)) |
Основной характеристикой приёмного тракта является качество передачи информации в различных ситуациях расположения пользователя и базовой станции. В идеале качество передачи информации не должно зависеть от географического расположения пользователя и скорости его передвижения относительно базовой станции (скорость передвижения мобильного пользователя значительно влияет на устойчивость связи из-за явления периодического замирания сигнала, которое называется фейдинг). Качество передачи оценивается величиной битовых ошибок BER = 0,01%, что характерно для цифровой системы связи, и согласно [1], чувствительность приёмника базовой станции должна быть не хуже -121 дБм.
Минимальный сигнал на разъёме антенны, при котором величина битовых ошибок не превышает установленного уровня, определяет чувствительность системы.
Кроме этой интегральной характеристики, чувствительность можно оценить по коэффициенту шума, а качество передачи в заданном диапазоне входных мощностей - мощностью насыщения по сжатию усиления на 1 дБ, по заданному уровню интермодуляционных искажений, координатами точки пересечения (например TOI), а также избирательностью по соседнему каналу. Последняя характеристика - так называемая ACPR (Advanced Channel Power Ratio) играет важную роль для оценки качества многоканального устройства и системы.
Чувствительность базовой станции и её расчет на системном уровне
Включение ТМА в приёмный тракт базовой станции естественно изменяет её характеристики, и в первую очередь влияет на чувствительность. Чувствительность рассчитывается на основании спецификации базовой станции (табл. 2).
Таблица 2. Требования к каналу Rx базовой станции W-CDMA (спецификация приемного канала базовой станции по чувствительности)
Харак теристика Величина Пояснение Примечания 1 Data Rate
(скорость передачи данных)12,2 Kbps Это - тестовая скорость передачи информации в системе 3GPP. Макси мальная скорость предпола гается до 2 Mbps Скорость передачи сигнальных данных, от которой зависят требуемые параметры приёмного тракта (полоса, нелинейные искажения, групповое время задержки), при которых эти данные принимаются с минимально допустимыми искажениями 2 Demod S/N
(c/ш на входе демодулятора)-20 дБ Зависит от модуляторов и корреляционной обработки сигналов (точное значение -18,8 дБ [1]) Отношение мощности сигнала к мощности шума на входе демодулятора, которое необходимо для его нормальной работы, то есть отношение сигнал/шум, при котором демодулятор обработает сигнал с заданной ошибкой BER 3 Sensitivity
(чувствительность Sens)-121 дБм Чувствительность приёмного тракта из спецификации 3GPP [1] 4 Noise Level
(уровень шума в полосе 20 MГц)-101 дБм Уровень теплового шума, определяемый полосой приёмника, из спецификации 3GPP [1] 5 Noise Figure NF
(коэффициент шума)4,5 дБ Коэффициент шума, рассчитанный ниже в п. 9, достаточный для получения необходимой чувствительности приёмника 6 Noise Floor
(нижний уровень шума)-108 дБм в полосе 4 МГц Уровень теплового шума на входе приёмника 7 Различие между Sens и уровнем шума Noise Floor -121 – (-108) = -13 дБ Эта разница равна величине S/N на входе приёмника при заданной чувствительности 8 Коэффициент шума для всей системы NF -13 – (-20) = 7 дБ Запас: 2,5 дБ Получаем в результате: 7 – 2,5 = NF = 4,5 дБ Последовательный расчёт чувствительности выполняется, используя данные этой таблицы:
- характеристика Date Rate (п. 1, табл. 2) считается величиной, при которой система тестируется и при которой задаются требования на BER;
- характеристика Demod S/N (п. 2) определяется цифровой частью приёмника, начиная от демодулятора, и задаётся разработчиком этой части приёмника.
Чувствительность (п. 3, табл. 2) есть минимальная мощность на входе, при которой достигается допустимая величина BER - Bit Error Ratio (или FER - Frame Error Ratio). Чувствительность определяется по формуле
Psen = 4 k Tof NF
, (1)
где
= S/N. Для реализованной W-CDMA системы S/N = -20 дБ (точное значение для постприемной обработки в системе W-CDMA равно -18,8 дБ). Это означает, что система связи, благодаря корреляционной обработке, выделяет сигналы на 20 дБ ниже по уровню, чем мощность шума на входе этой части приёмника.
Величина
4 k Toсоответствует (п. 6) и при
Величина
NF = (S/N)вх/(S/N)вых (3)соответствует (п. 8) и равна 7 дБ.
По приведённой формуле для чувствительности получаем:
Psen = 7 – 108 – 20 = -121 дБм. (4)Что соответствует требованиям системы 3GPP. Таким образом, коэффициент шума с учётом запаса 2,5 дБ, равен 4,5 дБ.
Литература
- Протокол 3GPP R99, раздел 25104-310.
- Tero Ojanpera, etc. Wideband CDMA for Third Generation Mobile Communication. 1998. 440 p.
- George D. Vendelin etc. Microwave Circuit Design. 1990.
- Курушин А.А., Текшев. Расчет динамического диапазона каскадного соединения СВЧ каскадов // Радиотехника, 1981. Т. 36. № 8. С. 88–90.