直放站增益原理

直放站设计的原理与方法（网络转载，只供个人学习）
直放站作为公司在网络优化方面的核心产品之一，其设计的重要性不言而喻。

直放站的设计包括很多方面，从核心的射频性能和监控参数，到产品的可靠性设计（EMC 设计、降额设计、热设计、软件可靠性和机械可靠性、环境可靠性等），再到产品的成本分析设计，无论哪一方面都将会影响到产品的市场竞争力。

在此，仅从其中最关键的一些因素上来分析直放站设计的原理与方法，以及在设计中需要特别注意的一些地方。

从在通信网络中所起的作用来看，直放站的主要功能就是放大从基站（下行）和移动台（上行）接收过来的有用信号，并将放大后的信号经天线（或其它耦合方式）发送出去。

通过这一方式提高系统基站的覆盖能力。

在这一放大过程中，要尽可能抑制随有用信号一起接收进来的干扰信号，同时也要避免产生新的干扰。

也就是说，直放站的放大必须是有带宽限制的，同时还要保证直放站的放大是线性的。

这是直放站很重要的两个特点。

带宽的限制主要由双工器和中频滤波器来实现，而线性的要求则对功率放大器的设计实现提出了很高的要求。

另外，在实际的工程运用中，还要保证直放站的引入不会给通信系统叠加更多的噪声。

这就产生了直放站另一类很重要的模块——低噪声放大器。

至此，可以看出直放站的基本模型中已经包含了四类核心模块：双工器（限制带宽）、低噪声放大器（限制噪声）、选频（带）模块（中频滤波）和线性功率放大器（线性放大）。

了解了直放站的基本组成，再来看影响和决定直放站性能的那些基本参量，就比较容易理解接受了。

以WCDMA 直放站为例，衡量直放站的无线指标主要有：标称最大输出功率；自动电平控制（ALC）；增益（最大增益、增益调节
范围、增益调节步长及误差）；带内波动；噪声系数；频率误差及频率步进；传输时延；输入/输出驻波比；带外增益；杂散（频谱发射模板、杂散辐射）；调制精度（误差矢量幅度EVM、峰值码域误差PCDE）；输入互调；输出互调等。

下面先简单分析一下这些指标主要都跟哪些模块的哪些参数有关，然后再详细说明各个指标的设计方法以及它们之间的一些相互制衡的关系。

标称最大输出功率主要由线性功放的最大输出功率和双工器的插损决定，自动电平控制通常取决于功放的功率控制环路（低噪放也设计成有ALC 功能，但一般不应作为整机的ALC 来使用）。

增益的设计包含很多方面，直放站射频通路上的所有组成单元都将影响到整体的增益。

影响增益带内波动的因素有很多，除了射频通路上各模块的带内波动外，各模块端口之间的匹配以及模块的EMC 性能也会有一定的影响。

从级联系统的噪声系数计算公式来看，直放站的噪声系数在一定程度上只取决于低噪放模块之前的链路损耗和低噪放的噪声系数；但当低噪放的增益较低时，选频器和功放的噪声系数也会有很大的影响。

频率误差主要由本振的参考晶振的频率准确度和稳定度决定，而频率步进则与本振锁相环的鉴相频率有关。

传输时延反映了中频声表滤波器的时延特性。

输入/输出驻波比跟双工器的输入/输出驻波比、低噪放的输入驻波比和线性功放的输出驻波比有关。

带外增益实际上是一个综合的指标，它主要由带内增益和选频器的带外抑制决定。

影响杂散指标的因素很多，频谱发射模板主要取决于线性功放的ACPR 值，而杂散辐射则跟很多参数有关，比如说本振的泄漏、寄生杂谱、互调产物、谐波辐射等。

影响调制精度指标的因素主要有频率误差和相位噪声，系统的自激（即使很微小）也会产生很大的影响。

输入互调指标对于选频直放站来说，基本上由中频声表滤波器之前的电路的
三阶互调特性决定，而后面电路的线性影响基本可以忽略；但对选带直放站来说，输入互调指标由整个链路所有模块的三阶互调（也可能是五阶互调）特性共同决定。

输出互调主要跟功放的输出端特性有关，在功放输出端接有环行器或隔离器的情况下，输出互调指标很容易实现。

从上面简单的分析可以看到，有些指标相互之间是有关联的，甚至在一定程度上还会相互制约。

比如说，最大增益会影响带外增益指标，频率误差会影响调制精度，噪声系数也会影响到杂散（噪声）。

下面会对其中几个重要的指标进行详细的分析以及相应设计方法的探讨。

1. 直放站的标称输出功率设计
直放站的设计首先要考虑运营商的需求。

作为非消费类产品，直放站有很明确的目标客户，因此其设计在很大程度上可以算是量身定做。

当然，这里指的只是产品的性能规格，而在实现方式上仍然可以很灵活。

对于WCDMA 直放站来说，其下行标称输出功率一般由运营商的需求指定，通常可分为微功率、小功率、中功率和大功率等几个档次。

从目前主要的一些设备制造商的产品来看，功率等级主要包含有50mW 、200mW、2W、5W、10W和20W 等几个级别。

相应地需要设计不同功率等级的下行线性功放。

因此，直放站下行标称输出功率的设计实际上就是相应输出功率等级的线性功放的设计。

而WCDMA 直放站上行标称输出功率的设计则主要由WCDMA 的话务量决定。

下面简单分析一下WCDMA 直放站上行输出功率设计的原则。

设WCDMA 基站NodeB 接收机BLER 为10－3 时Eb/No 要求为5dB，所以当基站下只有一个语音用户时，用户到基站的功率电平值PUE-NodeB为（为计算方便，未考虑其它干扰）：
PUE-NodeB = KTB+NFNodeB＋Eb/No- GP＝-108＋
5+5-25=-123dBm
其中：KTB 为WCDMA 系统的热噪声，3.84MHz时为-108dBm；
NFNodeB为NodeB的噪声系数，假定为5dB；
GP为WCDMA系统的扩频增益，
当系统使用12.2kbps速率进行语音通信时，GP=Log（3.84M/12.2K）=25dB。

即当基站只有一个语音用户时终端UE 的上行电平只要到达基站有
-123dBm就可以满足通信要求。

如果直放站到基站的综合路径损耗为95dB，那么此时直放站的上行输出功率为-123+95=-28dBm 。

现在假设一种极端的情况来看看WCDMA 直放站的上行输出功率，条件如下：
基站导频功率PCPICH（导频功率占总功率按10％计）：33dBm
直放站下行输入导频功率PCPICH－REP：－80dBm
基站到直放站的综合路径损耗LNodeB-REP：113dB
直放站上/下行增益GREP-UP/GREP-DN：90dB/90dB
无话务时直放站上行输出功率PREP-UP （此时相当于直放站输出自有上行热噪声NREP-UP）：
PREP-UP =NREP-UP =KTB+NFREP-UP＋GREP-UP＝－108＋5＋90＝－13dBm
假设此时基站由于话务量较高且受到较大的外干扰，UE到达基站的功率电平PUE-NodeB要为-110dBm才能满足Eb/No为5的要求，那么此时
每用户从直放站上行输出电平PUE-REP要为：PUE-REP＝PUE-NodeB
+LNodeB-REP = -110+113=3dBm 。

假定施主基站是一个三载波基站，直放站覆盖范围内最多时有30 个用户进行通信，那么此时直放站上行总输出功率电平PREP-UP/ 30 为：
PREP-UP/ 30 ＝NREP-UP + PUE-REP/ 30＝
10Log(1/101.3+30*100.3)＝18dBm
而要使直放站达到18dBm 的上行输出功率需同时满足以下三个条件：
1、直放站与基站的路径损耗特别大；
2、话务量特别大或受到较大的干扰；
3、直放站覆盖范围内话务量也特别大。

要同时达到这三个条件的概率非常小，因此，WCDMA 直放站的上行额定输出功率做到20dBm 就足够任意类型WCDMA 直放站的上行输出要求了。

2. 直放站的增益设计
直放站的增益通常设计成跟直放站到基站的路径损耗相当的等级。

当直放站覆盖的区域下行输入功率特别小（即直放站到基站的路径损耗特别大）的时候，直放站的增益不能变得很大，直放站的覆盖范围将会缩小。

而当直放站覆盖的区域下行输入功率较大时，直放站应该可以适当控制其增益，即直放站要有增益调节的功能。

从整机的角度来看，直放站的增益设计也有诸多的限制。

直放站的增益如果设计得过高，除了可能会引起链路的不稳定之外，对其它很多指标都会产生影响。

首先，当直放站到基站的路径损耗一定时，直放站的上行增益越高，直放站的噪声对基站噪声的影响就越大。

一个明显的例子是，当直放站的上行增益跟直放站到基站的路径损耗相等，直放站的噪声系数跟基站接收机的噪声系数也相等时，直放站的热噪声叠加到基站输入端将导致基站的热噪声被抬高3dB。

如果直放站的增益高于直放站到基站的路径损耗，那么直放站热噪声的影响会更大。

此外，直放站增益过高会使直放站的输出底噪很高，而导致直放站的杂散高于指标要求。

另外，在上面也提到了带外增益指标是跟带内增益有直接联系的，当带外抑制一定时，带内增益过高也会导致带外增益超出指标的要求。

因此，直放站的增益设计并不是越高越好。

当然，直放站的增益如果太低，那么实际运用中很可能直放站不能满功率输出，这会导致直放站的覆盖能力降低。

所以，直放站的增益设计必须结合多种因素综合考虑。

直放站的增益设计除了从整机角度考虑以外，还有很重要的一点是增益分配的问题，即如何把整机的增益分配到各个模块上面。

上面提到直放站的射频通路上有四类核心模块，直放站的增益主要分配到这几个模块上。

对双工器来说，其插损越小越好。

因为无论其作为链路输入还是作为链路输出，其插损小都会给直放站的设计带来很大的便利。

作为链路输入，小的插损会带来更好的整机噪声；而作为链路输出，小的插损会减轻线性功放输出功率的压力。

选频（带）模块通常会做成零增益或负增益，这对选频（带）模块来说并不难实现，而且对整机来说也是一个较好的方案。

增益分配的关键在低噪放和功放上面。

从直放站整机噪声的角度来考虑，低噪放的增益越高越有利；而从混频器的线性角度来考虑，低噪放的增益不能设计得太高。

因为对于同样的整机输入功率，低噪放的增益越高，低噪放的输出功率就越大，也就意味着选频模块的输入功率越大，位于选频模块
输入端的混频器的线性压力就越大。

从目前WCDMA 直放站的设计来看，选频模块的下变频器的线性是整机输入互调指标的瓶颈。

因此，低噪放的增益设计必须根据整机噪声指标和输入互调指标来综合考虑，选择合理的分配方案。

基于实际的工程应用，直放站的增益要有可调节的功能。

这个可调节实际上包含了两个方面。

一个是自动调节，这就是自动电平控制。

在直放站的输入功率增大时，为了控制其输出功率不致超出范围，则要相应地减小直放站的增益。

功放的自动电平控制正是基于这样一种考虑。

当直放站的输入功率在大多数情况下都高于直放站设计之初的预测值时（即直放站覆盖区基站的下行信号较大），则需要人为地调小直放站的增益。

这就是直放站增益的数控调节功能。

一般直放站的增益数控调节范围都有20dB 以上，通常用5bit（1dB 步进）的数控衰减器来实现。

在实际的直放站中，考虑其他一些因素（比如说噪声和线性等），增益调节需要用多级数控衰减器来实现。