MAX2392满足TD-SCDMA用户设备相位噪声的指标要求

摘要

TD-SCDMA的3GPP用户设备(UE)规范指出UE与BS之间的无调制频率误差不能超过±0.1ppm。本文将对实际系统中的这个指标要求进行阐述。注意到对UE的唯一贡献因素便是系统AWGN和Tx/Rx相位噪声，本文提供基于这两个因素叠加定理的统计分析方法以设置UE收发信机相位噪声的限制。结果表明Maxim TD-SCDMA v2.0参考设计满足相位噪声指标要求，且留有余度。

内容

根据TD-SCDMA标准，其中一个指标要求便是在一个时隙周期内UE调制载波频率与从基站(BS)接收到的载波频率误差必须在±0.1ppm范围内。本文详细讨论了影响这个指标的因素。通过仿真，可以了解到加性白噪声对这个指标的影响程度，进而推导出对手持/用户设备(UE)收发信机锁相环(PLL)相位噪声的最低要求。

TD-SCDMA用户设备标准

关于UE频率稳定性规范，3GPP TS 34.122 V4.7.0给出了以下说明：

定义和适用范围

频率稳定度为用户设备(UE)射频传输与基站(BS)射频传输之间的已调载波频率之差。UE应当使用同一个频率源产生射频频率和码片时钟。

最低要求

在一个时隙周期内，相对于从BS接收到的信号，UE频率稳定度应当在±0.1ppm范围内。

测试方法

1.28Mcps TDD可选

1. 连接SS到UE天线连接器，如图1所示。
2. 根据一般的通话设置步骤并使用表1中的参数设置通话。
3. 使UE进入环路测试模式，并开始环路设置。

步骤

1. 根据附录B测量TS上的频率误差delta f。
2. 重复步骤1至200个突发时隙。

测试要求

对所有测量的突发时隙，从步骤条款中可得到的频率误差不能超过±(0.1ppm + 10Hz)。

图1. 测试配置

如何解释标准

从上面的叙述可以看到主要有两个测试条件：1) 信号功率电平为-108dBm/1.28MHz (参考灵敏度功率电平)；2) 测试周期为一个时隙(TD-SCDMA为675µS)。这两个条件会影响UE基带对接收信号载波的估计。在UE无线通信中仅两个因素会影响这个指标：加性白高斯噪声(AWGN)和锁相环(PLL)相位噪声的影响。如下面的图2所示：

图2. 分析模型

我们知道，AWGN和本振相位噪声均为随机过程，且它们是不相关的。为了方便分析起见，使用叠加定理分析，单独计算每个因素的影响，最后将这些影响叠加在一起。

AWGN的影响

AWGN会降低基带对载波频率的估计能力，导致发射信号载波频率误差。我们假设估计误差等于发射信号频率误差，且AWGN为一随机过程，估计误差服从高斯分布。

根据TR25.945的建议，接收机噪声系数取为9dB，AWGN的功率谱密度等于kB*T*NF (这儿噪声系数危线性，不是dB)。仿真的结果如下：

图3. 频率估计误差概率密度分布

注意到上图中的红色部分为仿真结果，蓝色曲线为正态分布曲线，其中µ = 0, σ = 46.7Hz。

通过深入的仿真，得到：

使用这个等式，可得到σ = 45.6Hz，与仿真结果非常接近。Ps等于-108dBm，T_s = 675µS。

相位噪声的影响

在这部分分析中，假设AWGN等于0。我们知道相位噪声时域微分便是瞬时频率误差，而通常的频率误差为瞬时频率误差在一定时间周期的平均值。当UE基带估计接收信号载波频率时，这个平均频率误差将等于估计的频率误差，发射机的本振会引入附加的频率误差，总频率误差为发射机和接收机平均频率误差之和。

假设相位噪声为平滑高斯过程且µ = 0，功率谱密度等于G _Θ(ƒ)，瞬时频率也为平滑高斯过程且µ = 0，功率谱密度等于ƒ²G_Θ(ƒ)，在一个时隙上平均频差的标准方差由等式2给出，概率密度分布函数为标准的正态分布：

图4. MAX2392相位噪声

上面相位噪声曲线为Maxim TD-SCDMA v2.0接收机的测试结果。参考设计使用MAX2392零中频芯片，其集成了锁相环和VCO。由上面的结果，可以得到σ_ƒTsRx = 16.5Hz。注意T_s = 675µS，积分的频率范围为100Hz至1MHz。

对于Maxim TD-SCDMA v2.0发射机，使用同样的方法可得σ_ƒTsTx = 9.6Hz，结合发射机和接收机，可得：

用户设备收发信机本振相位噪声的要求

从上面的分析，我们知道频率误差为一随机过程，概率密度为标准的正态分布。TD-SCDMA频段的中心频率大约为2GHz，所以0.1ppm频率误差约为200Hz。考虑设计余度，标准频率误差应低于200Hz/3。

假设加性白噪声的标准方差为σ_n，发射机和接收机本振相位噪声的标准方差为σ_ƒTs，以下给出了这两个值的限制：

考虑σ_n = 46.7Hz，可得到σ_ƒTs的限制：

比较等式3和5，可看到Maxim TD-SCDMA v2.0参考设计的相位噪声指标满足相位噪声指标要求，且留有余度。