А. Курушин

Антенный усилитель системы сотовой связи W-CDMA

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.

Введение

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.

Рисунок 1. Распределение частот по приёмному Rx и передающему Tx каналу базовой станции и примерные характеристики дуплексного фильтра базовой станции, разделяющего приёмный и передающий каналы

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

TMA идеален для применений с длинным кабелем в местах, где базовая станция и антенна не могут быть расположены совместно. Однако к такой более сложной системе предъявляются повышенные требования к надёжности как любого элемента, так и оборудования антенного усилителя в целом.

Рисунок 3. Высотная вышка и составляющие структуры TMA

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

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)

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 To f NF , (1)

где - коэффициент различимости сигнала на фоне помех, для системы связи с цифровой обработкой = 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 To f (2)

соответствует (п. 6) и при f = 4 МГц, Pnoise = -108 дБм.

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.

Эскизное проектирование системы (бюджет – анализ)

Для расчёта чувствительности можно использовать экономичный расчёт на системном уровне. Это можно выполнить с помощью программы типа AppCAD (рис. 4) фирмы Agilent, распространяемой бесплатно. Программа AppCAD анализирует многокаскадную систему связи и рассчитывает такие параметры, как шум, усиление, отношение сигнал/шум (SNR), свободный от помех динамический диапазон, минимальный уровень сигнала MDS, интермодуляцию и др.

Рисунок 4. Интерфейс программы AppCAD и данные, соответствующие задаче анализа системы базовой станции

Анализ чувствительности системы предполагает расчёт вклада каждого каскада в общую систему NF, Gain и IM3.

Каскады, наиболее критичные к характеристикам системы, высвечиваются цветом при окончательном расчёте характеристик. Эта подсветка означает, что каскады наиболее влияют на характеристики системы и дают наибольший вклад в NF и IP3.

Входные данные для расчёта каскада:

• Noise Figure (NF) - коэффициент шума каскада в дБ;
• Gain (G) - усиление каскада в дБ;
• Third Order Intercept Point (IP3) - точка пересечения 3 порядка каскада в дБм как координата по входной мощности или по выходной мощности (две координаты точки пересечения 3-го порядка).

Следующие параметры рассчитываются в системе для каждого каскада:

• Noise Figure (Temp corr) - коэффициент шума каскада, скорректированный для температуры анализа системы. Эти расчёты выполняются по заданному значению dNF/dTemp для каскада;
• Gain (Temp corr) - усиление каскада, скорректированное для температуры системы. Эти данные основаны на dG/dTemp каскада;
• Input Power - уровень сигнала на входе каждого каскада в дБм;
• Output Power - уровень сигнала на выходе каждого каскада в дБм.

Спецификация на TMA, работающего совместно с базовой станцией WCDMA

Требования к малошумящему усилителю, входящему в TMA

Спецификация отдельно на дуплексный фильтр, входящий в TMA

Расчёт чувствительности на программе AppCAD (рис. 4) даёт -85,38 – 20 – – 18,8 = -124,18 дБм (в этой формуле мы добавляем поправку -18,8 дБ, поскольку программа AppCAD позволяет установку S/N только не менее 0 дБ). Величина -20 дБ установлена для S/N на рис. 4.

Программа AppCAD имеет следующие недостатки:

• позволяет анализировать только каскадное соединение четырёхполюсников;
• не позволяет учитывать шумы гетеродинов, подмешивающиеся по гетеродинному входу смесителя;
• не позволяет устанавливать S/N меньше 0 дБ.

От этих недостатков частично избавлена программа SysCalc (Arden Technologies Inc., http://www.ardentech.com).

Из рис. 5 мы видим, что эта программа позволяет использовать вложения одних подсхем в другие.

Рисунок 5. Интерфейс программы SysCalc, предназначенной для бюджет-анализа системы

Расчёт чувствительности с помощью программы SysCalc даёт следующий результат:

Pmin = -102,48 – 18,8 = -121,28 дБм.

Возможности этой программы намного превосходят возможности программы AppCAD. Так, она позволяет осуществить описание каскадов с переменным усилением, а также расчёт чувствительности по другим сложным критериям.

Литература

1. Протокол 3GPP R99, раздел 25104-310.
2. Tero Ojanpera, etc. Wideband CDMA for Third Generation Mobile Communication. 1998. 440 p.
3. George D. Vendelin etc. Microwave Circuit Design. 1990.
4. Курушин А.А., Текшев. Расчет динамического диапазона каскадного соединения СВЧ каскадов // Радиотехника, 1981. Т. 36. № 8. С. 88–90.