导言
 ● B5PL EDGE射频芯片
---EDGE技术虽然基于传统的TDMA/FDMA系统,却可以提供最高达到473.6kbps的数据传输速率,并且能够让大多数3G应用运行在相对便宜的2.5G系统上,所以EDGE手机能够在2005年和2006年占有很大的市场份额。目前的EDGE手机能够在GSM850/GSM900/DCS1800/PCS1900四频上支持8PSK和GMSK调制标准。
---在EDGE模式下,8PSK编码产生一个非常数的包络信号,而有用信息就包含在包络的相位和幅度里面。在变化超过16.8DB的包络里面,符号散布在围绕原点的不同圆环上面。因此,极性环架构就很自然地成为传输8PSK调制信号的一种选择。本文讲述了在功率放大器中,极性环架构是如何更方便地恢复相位和幅度信号,并介绍了B5PL射频解决方案的特性。
● 直面新的挑战
---在只有GMSK模式下,因为在高功率电平下功率放大器处于饱和状态,所以可以得到比较高的效率。但是这样的系统在EDGE平台上并不适用,因为16.8dB的包络变化需要射频发射器线性化程度很高,所以在传统的GMSK架构简单地增加一个EDGE射频放大器的结构,很难在在线性度和效率之间取得平衡。
---得益于反馈系统能够将以射频输出为模型的信号输出到I&Q输入,极性环架构是一种非常好的解决方案。由于极性环能够连续地对功率放大器的非线性效果(AM-AM和AM-PM)进行补偿,所以它被认为是适合传输EDGE信号的一种预失真技术,其线性化效果如图1所示。 EDGE极性环架构
● 为EDGE而设的极性环架构
---首先,基带I&Q(Inphase and Quadrature同相正交)信号被向量调制到中频IF载波上,产生一个相位和幅度环的参考信号。
---B5PL也包含两个独立的幅度和相位检波器,能够比较反馈信号与中频参考信号。在反馈路径上,幅度和相位都是同一个射频/中频信号的一部分,处理它们的射频回路线性度很高。幅度和相位内容被分别检波并且被独立的幅度和相位滤波器处理,B5PL极性环发射器的原理如图2所示。
---极性环架构的成功之处就在于,它能够还原功率放大器里面的包络信号,并且通过反馈控制使射频输出信号线性化。
● 相位回路
---相位回路首先通过模拟相位检测器(APD)或者模拟相位检测器(DPD),然后通过同一个外部元件构成的相位调制回路滤波器。8PSK的包络则通过限幅放大器去除。
---数字相位回路利用数字相位检测器并一直从发送VCO输出(子回路)得到反馈。
---模拟相位回路利用一个模拟相位检测器,具有更好的噪声极小值性能。在GMSK模式下,它从发送VCO输出(子回路)得到反馈,而在EDGE模式下则从功率放大器(主回路)得到反馈。
---数字相位/频率检测器是用来在初始情况下将功率放大器回路与子回路相锁。在将处理交给模拟相位检测器之前的几毫秒里,数字检测器激活并执行一个快速地频率和相位捕获动作。
---相位回路滤波器的设计要求能够提供足够的带宽并充分过滤掉接收频段噪声。检测器利用充电泵电流源穿过相位调制器芯片外的电容提供电压驱动。
---相位回路开始运行的时候处于“时隙外”(out-of-slot)模式,大约经过几毫秒后进入“时隙内”(inter-slot)时期。首先,DPD利用子回路锁定了信道的传输VCO频率,接下来的顺序根据调制模式而有所不同。在GMSK模式下,DPD立刻利用子回路将处理权交接给APD。在EDGE模式下,幅度回路需要打开并锁定在需要的功率电平上,之后才会将处理权交由APD并且信号利用主反馈路径。
---与交接相关的相位时间最少大约可以小到1.5ms,并且只占用很低的功率水平(在-10dBm～0dBm范围内)。所以,切换的瞬间变换没有太大的影响。
● 幅度回路
---在GMSK模式下,没有幅度回路的参与,因为RAMPDAC信号直接经过PA模块的VAPC输入控制它。
---在EDGE模式下,幅度和相位环路都需要功率放大器(主回路)输出的反馈信号。
---AM检波器产生一个与参考信号和反馈信号包络的差值成正比的误差输出信号,此误差信号经过滤波进入一个可变增益放大器IVGA(反相可变增益放大器)。
---由于采用的是对称的AM和PM回路滤波拓扑结构,并且是同样的回路带宽,所以可以达到最好的性能。之所以AM环路采用的是Type II回路滤波拓扑结构,是因为这种拓扑结构有很好的跟踪性能,而一个Type I的拓扑是不能够满足3GPP的要求的。在AM环路上,初始原点的极点是通过电容C1积分实现。无论如何,AM回路带宽必须保持为恒定,以防止系统可能发生不稳定的情况。
---AM回路的输出信号是EDGE包络信号的一个近似镜像,这是因为功率放大模块包含一个幅度恢复电路,使得射频包络信号成为VAPC控制信号的一个线性函数值。所以,功率放大增益在很宽的功率水平范围内都要保持不变。整个系统设计令功率放大器工作在一个饱和模式下,从而能够在EDGE模式下得到一个很好的功率效率。
---PA模块的输出被采样并衰减,然后下变频到中频频率范围。然后信号经过一个可变增益放大器MVGA(主可变增益放大器),到达AM检波器的反馈输入端。
---AM和PM回路的带宽选择取决于EVM和调制频谱性能,而1.8MHz成为一个不错的折中方案。低于1.5MHz的话,调制频谱上的一些退化效果十分明显,而大于2MHz的时候,EDGE模式下在GSM频带最大功率电平的时候,接收频带噪声电平和幅度相位回路的可用相位余量将限制AM和PM回路带宽。
● 精确功率控制系统
---由于发送的信号是TDMA(时分多址)突发式的,必须对射频脉冲的上升下降沿或者倾斜变化轮廓有一个精确的定义,以防止与相邻的信道产生干扰。在B5PL系统里,这种情况也很容易实现,因为它有一个十分精确的功率控制系统。
---射频输出包络信号VRFOUT与中频参考包络信号VIF的关系如下。
 ---这里β是由MVGA增益决定的AM回路反馈增益,而MVGA增益又由来自模拟基带RAMPDAC的模拟控制信号VRAMPDAC决定。
---在功率倾斜上升的时候,B5PL保持IF参考幅度在一个固定值,即 VIF 为常量,所以射频输出幅度和功率倾斜轮廓就完全由反馈增益或者VRAMPDAC决定了。
---MVGA增益的改变被设计成为一个线性dB/V特性。在知道了[Vramp1_V;POUT1_dBm]和[Vramp2_V;POUT2_dBm]这两点的情况下,就足以定义所有的特性,这让输出功率校正变得非常简单。
---另外,MVGA增益的设计能够覆盖从-10dBm～+35dBm射频输出的功率范围,从而B5PL能够在低功率电平下锁定AM环路,同时也可以在所有的频带和功率级别上进行发射。
---在脉冲突发的情况下,反馈增益固定,即 β 为常数,或者VRAMPDAC为常数,但是VIF信号幅度有变化,放大器环路能够精确地将这些变化复制到VRFOUT输出信号。
---精度的另一个保证来源于幅度和相位回路之间精确的时间排列对齐。实际上,B5PL具有非常快速的相位和幅度检波器,从而保证极性环的同步操作。
● 回路增益问题的解决
---最恰当的AM回路带宽取决于调制精度、调制频谱和噪声性能的折中。AM回路的带宽必须保持恒定,以保证调制性能在所有的功率电平上都是不变的。AM回路的带宽和相位回路的带宽被设计成一样的,以使相位和幅度信号的群组差异最小化。最后,AM回路的带宽需要保持恒定,以预留合理的相位边缘来保持稳定性。精确功率控制和AM回路带宽稳定性的关系如图3所示。
 ---然而,改变MVGA增益会带来回路增益和AM回路带宽的改变,而这是要极力避免的。所以,IVGA增益也随之改变,以使MVGA和IVGA综合所得的结果一直保值不变。这种补偿能够保持AM回路带宽为一常量。
---由于工艺的变化,器件间AM回路模块的增益会有些许的不同。B5PL提供了一个偏移量参数,能够通过一个可编程的值改变IVGA的增益。偏移量在校准的时候可以很容易确定。 测量结果
---利用通用无线通信测试仪CMU200对B5PL极性环收发器进行了多项测试,结果如图4、图5、图6所示。
---在GSM频带上,信道62(RF=902.4MHz)在最大功率电平(+27dBm)情况下EDGE的调制频谱如图4所示。频谱在400kHz和600kHz偏移的情况下分别处于-59dBc和-65dBc这种最坏情况下,也就是有5dB边缘余量。
---在低功率电平下(+0dBm)PCS1900 EDGE的信道661单突发时功率与时间的关系如图5所示。这里面包括从冷启动时极性环捕获、功率急速上升、8PSK传输、功率急速下降和发射器电源关闭整个过程。
---EDGE模式下GSM850所有信道在+27dBm输出功率时EVM性能如图6所示,可以看到有很好的边缘余量。 
结束语
---B5PL极性环架构与以前的或相竞争的架构相比有很多突出优势,其相位回路是从TTPCom经过验证的偏移PLL技术发展而来。与直接调制方式不同,B5PL极性环反馈系统能够纠正PA的失真(幅度非线性、寄生PM)。线性化效果使得功率放大器能够工作在一个相对高效的模式下,从而延长电池的使用时间。AM环路带宽作为一个常量,与RAMPDAC信号无关,这保证了系统在所有的发射功率电平上都有很好的跟踪效果。而AM和PM检波器的精确时间对其则保证了高精度的包络还原。
---B5PL为全EDGE突发情况下的倾斜和包络控制提供了一个独特的方案。独特的滤波特性能够使得B5PL不需要像一些直接调制架构所必需的额外的SAW滤波器,却能够满足苛刻的接收频带噪声要求。B5PL对于由于发射VCO与功率放大器信号工作在相同的频率而引起的注入锁定问题也不敏感。由于反馈回路的存在,在前端模块不匹配的情况下,B5PL作为一个很可靠的架构还能够承受频率牵引效应。极高的VSWR(电压驻波比)使得在所有相位角调制频谱保持不失真。最后,B5PL接收器架构是基于B4直接转换的概念。集成所有这些特性的射频芯片将会在手机市场上广受欢迎。 参考文献
1 Peter B.Kenington.High Linearity RF amplifier
Design
2 William F.Egan. Frequency Synthesis by Phase
Lock
3 Steve C.Crips. Advanced Techniques in RF
power Amplifier Design |
导航:老古开发网首页→文章索引→文章分类→新闻热点→[针对EDGE网络设计的B5PL极性环射频发射器架构]
欢迎进入老古论坛进行讨论
MIPS将积极拓展日本和亚洲市场
下一个:
上一个: