EDGE功率放大器在手机上的应用

在GSM系统，EDGE可说是进一步增加数据传输速率。通过调变方式的改变、编码以及多传输时槽进而达到3倍的传输速率。从1999年EDGE标准的制定至今，EDGE网络已有多被许多国家及其电信业者所采用，根据全球行动供货商协会(GSA，Global Mobile Suppliers Association)最近的统计，已有307种包含EDGE功能的设备发表。市场研究机构Strategy Analytics统计及预估，2006年EDGE手机市场约为1.6亿支，在2005-2010年间，EDGE/WCDMA手机市场将会有51%的年复合增长率(CAGR)的大幅增长。

　　EDGE射频端的解决方案─线性发射架构

　　目前市场上有3种EDGE射频端的解决方案可供手机制造商选择，除了GMSK模式还要能同时支持8PSK模式。此3种分别为极性调变(Polar Modulation)、极性环(Polar Loop)以及线性发射(Linear EDGE)架构。

　　就线性发射架构而言，所使用之功率放大器必须能够操作在饱和模式(Saturated Mode)与线性模式(Linear Mode)。当手机操作在GSM时为GMSK调变，而GMSK为一固定振幅(Constant Envelope)，功率放大器所产生的失真对其影响较小，故此时功率放大器可操作于饱和区，即非线性区，来提高效率。当手机操作于EDGE模式时，是以一种改变振幅与相位的线性调变方式即8PSK调变，也因此对于功率放大器的线性度极为要求，以防止信号失真。

　　多模式的操作─GMSK

　　与8PSK混合发射

　　EDGE是使用TDMA的时槽架构(Time Frame Structure)，因此在多个发射时槽及混合发射模式时，功率放大器会有不同操作模式即8PSK切换GMSK或GMSK切换8PSK。而在时槽(Burst)与时槽之间必须将功率放大器所产生的功率降到最低，以免造成输出射频频谱变差或不符合ETSI的规范。因此对于时槽与时槽间的输入与控制信号时序(Control Timing)以及信号大小必须规范与遵守，如图3所示。以下是使用RFMD线性功率放大器RF3158以3个发射时槽，GMSK→8PSK→GMSK为例。

　　信号产生器输出的波形

　　首先使用信号产生器产生3个时槽，以Agilent Signal Generator E4438C为例，其设定如下：

　　1. Mode→ EDEG mode。

　　2. Data Format→ Framed。

　　3. Frame Trigger→ Continuous。

　　4. Configure Timeslots→ Multislot off，TS=TSC0并设定时槽。Normal代表此时槽为8PSK调变。

　　5. 输出功率=2dBm。

　　此时将信号连接至频谱仪以zero span观察，即可看出所设定的信号。由于信号产生器所产生的输出信号为功率放大器的输入信号即为RFin，理论上，在GMSK mode，波形上升时间越短越好，而在8PSK mode则是要求平缓上升，才不会影响输出射频频谱(ORFS-Output Radio Frequency Spectrum)。而Agilent E4438C在调整输出波形(burst shape)不论是上升时间、上升延迟、下降时间或是下降延迟都是以一个GSM时间框架内有设定为发射的波一起调整，EDGE与GMSK混合信号

　　仿真与实验

　　信号产生器设定好后，将其它设备与RF3158评估板连接 。以信号产生器的EVEN 1为任意波形产生器的触发信号，将编辑好的Tx_Enb、Vramp与 Vmode的波形加载任意波形产生器并连接至评估板，为了容易观察信号间的时序关系也就是希望将RFin 、RF Out、Tx_Enb、Vramp与VMode同时显示于示波器上，将通过频谱的Video Out将功率放大器的RF Out 与 RFin射频信号转换成电信号并 显示于示波器上，在此建议以VMmode为示波器外部触发信号，亦可将VMmode接到示波器的Ext Trigger in 以增加示波器的埠位使用。完成信号的设定与仪器的连接后，即可将电源及信号依续打开。

　　功率放大器模式转换与输入信号的时序关系

　　当线性EDGE 功率大器工作于GSM模式时，功率放大器工作于饱和模式，此时Vramp控制功率放大器晶体管之集极电压(Collector Voltage)使输出波形与功率大小符合所需的要求与ETSI的各项规范。当切换至EDGE模式时，功率放大器工作于线性模式，此时功率放大器晶体管之集极电压固定偏压于3.6V，Vramp则提供功率放大器晶体管的基极偏压(Base Bias)，控制其偏压电流，使功率放大器工作于线性区，如同一增益模块(Gain Block)，输入的射频信号与输出功率成一线性增益关系。

　　而RF3158支持GPRS Class 12的50%的发射周期(Duty Cycle)，此意味着可能同时发射两个混合模式时槽。也因此，功率放大器在两个时槽之间也就是保护时段(Guard Period)须完成模式转换。此转换时间可称为稳定时间(Settling Time)。

　　当VMode由High 转为Low代表功率放大器由为8PSK的线性模式切换为GMSK的饱和模式，此时RFin要降到最低且低于-40dBm(建议值)的输入功率，Vramp则需降到约0.3V，而Tx_Enb关掉1QB(Quarter Bit，1QB约为0.92us)有助于缩短稳定时间 (Settling Time)。稳定时间是由于功率控制回路与Vramp引脚内的低通滤波器所造成，而Tx_Enb关掉可提供一放电路径。

　　当我们将RFin于VMode转为Low后2QB的时间打开，很明显的，可于8PSK与GMSK之间的保护时段看到一突波(Spike)。由此可知，功率放大器于模式转换期间，在未完成稳定时间，未将RFin信号降至<-40dBm或输入RFin信号，将产生突波造成输出射频频谱之功率转换瞬态所产生的频谱(Output Radio Frequency Spectrum-Spectrum due to switching transients)变差，甚至无法通过规范。

　　除了输入信号的时序关系，另一个会影响功率转换瞬态频谱的是保护时段期间RFin的信号大小。此实验可通过另外一台信号产生器来提高保护时段期间RFin的信号大小，来实验RFin于保护时段时至少要低于多少，才不至于导致突波。图20为原本的信号，保护时段期间RFin的信号大小为-74.32dBm。此时，外加一台信号产生器产生一连续信号通过合成器(Combiner)将两信号合成后，输入功率放大器。图21为两信号产生器的合成结果。通过此一实验，可得知由收发器(Transceiver)所产生的最小的输出功率不要超过-33dBm。