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高通平台之GSM Rx校准原理


GSM Rx Calibration
GSM Rx Structure
在探讨 GSM Rx Calibration 前,我们先了解一下 GSM Rx 架构。 以 Rx (Receiver)而言,LNA ( Low noise amplifier ) 的 Gain,会影响整体电路的 NF ( Noise Figure )。NF 公式如下 :

/>(1)

f 为各级电路的 NF, 则是各级电路的 Gain。 G 由于第二级电路之后的 NF 与 Gain, 对整体电路性能影响不大, 故多半只取前两级做计算。 由(1)式得知, 若提升 LNA 的 Gain,便可使整体电路的 NF 下降。

然而,若 LNA 的 Gain 过大,会使后端电路饱和,导致线性度下降。因此 LNA 的 Gain 必须适中,才能使整体电路的 NF 与线性度优化。

但是, 消费者在使用手机时, 很可能会因为处于移动状态, 导致与基地台间的Path loss一直更动,加上附近周遭环境的Shadowing effect,导致手机所接收的讯号强弱 不一。也就是LNA的输入讯号强度,会有很大范围的变动。

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Path loss 与 Shadowing effect 示意图

(2)

由(2)知当 LNA 的输入讯号不固定时,若 Gain 为单一固定值,则输出讯号也会 不固定。很可能当输入讯号过大时,后端电路饱和,线性度下降。或输入讯号过 小时,后端电路 SNR 下降,NF 上升。因此要有 AGC ( Automatic gain control ) 的机制,如此即便输入讯号的动态范围过大,也能尽可能缩减输出讯号的动态范 围,使整体电路的 NF 与线性度优化。因此 GSM 四个频带的 LNA,都采用 Gain-stepped 架构,其 Gain 皆非单一固定值,即 VGA(Variable gain amplifier) 架 构。

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透过 AGC,缩减输出讯号的动态范围

高通之 GSM Rx 电路

. Rx 电路方块图

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由于高通采用零中频架构,会直接将接收的 RF 讯号,透过 ADC (Analog Digital Converter) 转换成数字讯号。因此之所以希望透过 AGC 机制,以及 VGA,来缩 减 LNA 输出讯号的动态范围,主要便是希望 ADC 的输入讯号,其强度大小能 适中,使 ADC 的 NF 与线性度都优化。

而 GSM 四个频带的 LNA, 都采用 Gain-stepped 架构, 有五种 Gain Mode, Gain 其 Range 示意图如下:

GSM Rx LNA Gain Range 示意图

五种 Gain Mode,皆有其 Gain Range,分别应用于不同强度范围的 Rx power。然 而在单一时间内, 只会有一种 Gain Mode 处于 Enable 状态, 其余四个 Gain Mode, 便处于 Disable 状态。 换句话说, 不可能有两种以上 Gain Mode, 同时处于 Enable 状态 。当 Rx power 较大时,LNA 会采用 Low Gain Mode,一方面节省耗电流, 另一方面避免后端 ADC 饱和, 线性度下降。 Rx power 较小时, 而 会采用 High Gain Mode,提升 SNR,使后端 ADC 能解调成功。
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另外,GSM 850/900 频段的五种 Gain Mode 的 Gain 值分别如下 :

GSM 850/900 频段五种 Gain Mode 的 Gain 值 Gain Mode 0 72.5 dBm Gain Mode 1 58.5 dBm Gain Mode 2 41 dBm Gain Mode 3 29 dBm Gain Mode 4 11.5 dBm

由于单一时间,只有一种 Gain Mode 处于 Enable 状态,Gain Mode 0 的 Gain 值 最大,为 72.5dBm,因此 GSM 850/900 频段的 LNA,动态范围即 72.5 dBm。

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GSM Rx Calibration Process
然而由于 LNA 本身既有的频率响应,使得每个 Channel 的 RSSI 不尽相同,因此 之所以做 GSM Rx Calibration 的目的, 便是计算不同 Channel 在各个 Gain Mode, 其 RSSI 与 Cell Power 的差异,并补偿其差异,尽可能使 Cell Power 与 RSSI 能 一致。以 GSM850 频带,Gain Mode 0 为例,其流程如下:

Step 1. Agilent 8960 会发射固定大小的信号 ( -80 dBm) Step 2. 分别纪录八个 Channel ( 128,145,163,180,198,215,233,251) 的 RSSI 值 Step 3. 利用(3)式,计算每个 Channel 的 Gain Range

16*(10*Log(RSSI[i])-(-80 dBm))

(3)

其中[i]则为 Channel 值

Step 4. 将其 Step 3 所计算的 Gain Range,填入下列 NV : NV_GSM_RX_GAIN_RANGE_#_FREQ_COMP[i]

其中[i]则为 Channel 值

而实际执行 GSM Rx Calibration 后,GSM 850 Gain Mode 0 所计算的 Gain Range 如下表 :

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GSM 850 Gain Mode 0 之 Gain Range Band Channel Rx_Gain_Range NV_Rx_Gain_Range GSM850 GSM850 GSM850 GSM850 GSM850 GSM850 GSM850 GSM850 128 145 163 180 198 215 233 251 0 0 0 0 0 0 0 0 2232 2235 2259 2245 2241 2261 2258 2239 NV_Rx_Gain_Range NV_Rx_Gain_Range Min Max 1800 1800 1800 1800 1800 1800 1800 1800 2500 2500 2500 2500 2500 2500 2500 2500

2500,而其计算出的 Gain Range,皆在范围内 皆在范围内。而若将 上下限分别为 1800 与 2500 其画成曲线,如下图 :

GSM 850 Gain Mode 0 Gain Range
2270 2260 2250 2240 2230 128 145 163 180 198 215 233 251 Channel

GSM 850 Gain Mode 0

Gain Range

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当 GSM 850 的 Channel 128, Gain Mode 0 会读取 2232 这个值, Cell Power 其 使 与 RSSI 能一致,经实验发现,当 Cell Power 为-109.5 dBm 时,其 RSSI 为-108 ~ -109 dBm,算是相当一致。

反之,当我们将 NV_GSM_RX_GAIN_RANGE_1_FREQ_COMP_I 的改为 0 时, 则表示不补偿 RSSI 与 Cell Power 的差异, 经实验发现, Cell Power 当 为-109.5 dBm 时,其 RSSI 会大于 -48dBm。

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