EDGE功率放大器在手機(jī)上的應(yīng)用

在GSM系統(tǒng)，EDGE可說(shuō)是進(jìn)一步增加數(shù)據(jù)傳輸速率。通過(guò)調(diào)變方式的改變、編碼以及多傳輸時(shí)槽進(jìn)而達(dá)到3倍的傳輸速率。從1999年EDGE標(biāo)準(zhǔn)的制定至今，EDGE網(wǎng)絡(luò)已有多被許多國(guó)家及其電信業(yè)者所采用，根據(jù)全球行動(dòng)供貨商協(xié)會(huì)(GSA，Global Mobile Suppliers Association)最近的統(tǒng)計(jì)，已有307種包含EDGE功能的設(shè)備發(fā)表。市場(chǎng)研究機(jī)構(gòu)Strategy Analytics統(tǒng)計(jì)及預(yù)估，2006年EDGE手機(jī)市場(chǎng)約為1.6億支，在2005-2010年間，EDGE/WCDMA手機(jī)市場(chǎng)將會(huì)有51%的年復(fù)合增長(zhǎng)率(CAGR)的大幅增長(zhǎng)。

EDGE射頻端的解決方案─線性發(fā)射架構(gòu)

目前市場(chǎng)上有3種EDGE射頻端的解決方案可供手機(jī)制造商選擇，除了GMSK模式還要能同時(shí)支持8PSK模式。此3種分別為極性調(diào)變(Polar Modulation)、極性環(huán)(Polar Loop)以及線性發(fā)射(Linear EDGE)架構(gòu)。

就線性發(fā)射架構(gòu)而言，所使用之功率放大器必須能夠操作在飽和模式(Saturated Mode)與線性模式(Linear Mode)。當(dāng)手機(jī)操作在GSM時(shí)為GMSK調(diào)變，而GMSK為一固定振幅(Constant Envelope)，功率放大器所產(chǎn)生的失真對(duì)其影響較小，故此時(shí)功率放大器可操作于飽和區(qū)，即非線性區(qū)，來(lái)提高效率。當(dāng)手機(jī)操作于EDGE模式時(shí)，是以一種改變振幅與相位的線性調(diào)變方式即8PSK調(diào)變，也因此對(duì)于功率放大器的線性度極為要求，以防止信號(hào)失真。

多模式的操作─GMSK

與8PSK混合發(fā)射

EDGE是使用TDMA的時(shí)槽架構(gòu)(Time Frame Structure)，因此在多個(gè)發(fā)射時(shí)槽及混合發(fā)射模式時(shí)，功率放大器會(huì)有不同操作模式即8PSK切換GMSK或GMSK切換8PSK。而在時(shí)槽(Burst)與時(shí)槽之間必須將功率放大器所產(chǎn)生的功率降到最低，以免造成輸出射頻頻譜變差或不符合ETSI的規(guī)范。因此對(duì)于時(shí)槽與時(shí)槽間的輸入與控制信號(hào)時(shí)序(Control Timing)以及信號(hào)大小必須規(guī)范與遵守，如圖3所示。以下是使用RFMD線性功率放大器RF3158以3個(gè)發(fā)射時(shí)槽，GMSK→8PSK→GMSK為例。

信號(hào)產(chǎn)生器輸出的波形

首先使用信號(hào)產(chǎn)生器產(chǎn)生3個(gè)時(shí)槽，以Agilent Signal Generator E4438C為例，其設(shè)定如下：

1. Mode→ EDEG mode。

2. Data Format→ Framed。

3. Frame Trigger→ Continuous。

4. Configure Timeslots→ Multislot off，TS=TSC0并設(shè)定時(shí)槽。Normal代表此時(shí)槽為8PSK調(diào)變。

5. 輸出功率=2dBm。

此時(shí)將信號(hào)連接至頻譜儀以zero span觀察，即可看出所設(shè)定的信號(hào)。由于信號(hào)產(chǎn)生器所產(chǎn)生的輸出信號(hào)為功率放大器的輸入信號(hào)即為RFin，理論上，在GMSK mode，波形上升時(shí)間越短越好，而在8PSK mode則是要求平緩上升，才不會(huì)影響輸出射頻頻譜(ORFS-Output Radio Frequency Spectrum)。而Agilent E4438C在調(diào)整輸出波形(burst shape)不論是上升時(shí)間、上升延遲、下降時(shí)間或是下降延遲都是以一個(gè)GSM時(shí)間框架內(nèi)有設(shè)定為發(fā)射的波一起調(diào)整，

EDGE與GMSK混合信號(hào)

仿真與實(shí)驗(yàn)

信號(hào)產(chǎn)生器設(shè)定好后，將其它設(shè)備與RF3158評(píng)估板連接 。以信號(hào)產(chǎn)生器的EVEN 1為任意波形產(chǎn)生器的觸發(fā)信號(hào)，將編輯好的Tx_Enb、Vramp與 Vmode的波形加載任意波形產(chǎn)生器并連接至評(píng)估板，為了容易觀察信號(hào)間的時(shí)序關(guān)系也就是希望將RFin 、RF Out、Tx_Enb、Vramp與VMode同時(shí)顯示于示波器上，將通過(guò)頻譜的Video Out將功率放大器的RF Out 與 RFin射頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)并 顯示于示波器上，在此建議以VMmode為示波器外部觸發(fā)信號(hào)，亦可將VMmode接到示波器的Ext Trigger in 以增加示波器的埠位使用。完成信號(hào)的設(shè)定與儀器的連接后，即可將電源及信號(hào)依續(xù)打開(kāi)。

功率放大器模式轉(zhuǎn)換與輸入信號(hào)的時(shí)序關(guān)系

當(dāng)線性EDGE 功率大器工作于GSM模式時(shí)，功率放大器工作于飽和模式，此時(shí)Vramp控制功率放大器晶體管之集極電壓(Collector Voltage)使輸出波形與功率大小符合所需的要求與ETSI的各項(xiàng)規(guī)范。當(dāng)切換至EDGE模式時(shí)，功率放大器工作于線性模式，此時(shí)功率放大器晶體管之集極電壓固定偏壓于3.6V，Vramp則提供功率放大器晶體管的基極偏壓(Base Bias)，控制其偏壓電流，使功率放大器工作于線性區(qū)，如同一增益模塊(Gain Block)，輸入的射頻信號(hào)與輸出功率成一線性增益關(guān)系。

而RF3158支持GPRS Class 12的50%的發(fā)射周期(Duty Cycle)，此意味著可能同時(shí)發(fā)射兩個(gè)混合模式時(shí)槽。也因此，功率放大器在兩個(gè)時(shí)槽之間也就是保護(hù)時(shí)段(Guard Period)須完成模式轉(zhuǎn)換。此轉(zhuǎn)換時(shí)間可稱為穩(wěn)定時(shí)間(Settling Time)。

當(dāng)VMode由High 轉(zhuǎn)為L(zhǎng)ow代表功率放大器由為8PSK的線性模式切換為GMSK的飽和模式，此時(shí)RFin要降到最低且低于-40dBm(建議值)的輸入功率，Vramp則需降到約0.3V，而Tx_Enb關(guān)掉1QB(Quarter Bit，1QB約為0.92us)有助于縮短穩(wěn)定時(shí)間 (Settling Time)。穩(wěn)定時(shí)間是由于功率控制回路與Vramp引腳內(nèi)的低通濾波器所造成，而Tx_Enb關(guān)掉可提供一放電路徑。

當(dāng)我們將RFin于VMode轉(zhuǎn)為L(zhǎng)ow后2QB的時(shí)間打開(kāi)，很明顯的，可于8PSK與GMSK之間的保護(hù)時(shí)段看到一突波(Spike)。由此可知，功率放大器于模式轉(zhuǎn)換期間，在未完成穩(wěn)定時(shí)間，未將RFin信號(hào)降至<-40dBm或輸入RFin信號(hào)，將產(chǎn)生突波造成輸出射頻頻譜之功率轉(zhuǎn)換瞬態(tài)所產(chǎn)生的頻譜(Output Radio Frequency Spectrum-Spectrum due to switching transients)變差，甚至無(wú)法通過(guò)規(guī)范。

除了輸入信號(hào)的時(shí)序關(guān)系，另一個(gè)會(huì)影響功率轉(zhuǎn)換瞬態(tài)頻譜的是保護(hù)時(shí)段期間RFin的信號(hào)大小。此實(shí)驗(yàn)可通過(guò)另外一臺(tái)信號(hào)產(chǎn)生器來(lái)提高保護(hù)時(shí)段期間RFin的信號(hào)大小，來(lái)實(shí)驗(yàn)RFin于保護(hù)時(shí)段時(shí)至少要低于多少，才不至于導(dǎo)致突波。圖20為原本的信號(hào)，保護(hù)時(shí)段期間RFin的信號(hào)大小為-74.32dBm。此時(shí)，外加一臺(tái)信號(hào)產(chǎn)生器產(chǎn)生一連續(xù)信號(hào)通過(guò)合成器(Combiner)將兩信號(hào)合成后，輸入功率放大器。圖21為兩信號(hào)產(chǎn)生器的合成結(jié)果。通過(guò)此一實(shí)驗(yàn)，可得知由收發(fā)器(Transceiver)所產(chǎn)生的最小的輸出功率不要超過(guò)-33dBm。