EDGE功率放大器在手機上的應用

在GSM系統，EDGE可說是進一步增加數據傳輸速率。通過調變方式的改變、編碼以及多傳輸時槽進而達到3倍的傳輸速率。從1999年EDGE標準的制定至今，EDGE網絡已有多被許多國家及其電信業者所采用，根據全球行動供貨商協會(GSA，Global Mobile Suppliers Association)最近的統計，已有307種包含EDGE功能的設備發表。市場研究機構Strategy Analytics統計及預估，2006年EDGE手機市場約為1.6億支，在2005-2010年間，EDGE/WCDMA手機市場將會有51%的年復合增長率(CAGR)的大幅增長。

　　EDGE射頻端的解決方案─線性發射架構

　　目前市場上有3種EDGE射頻端的解決方案可供手機制造商選擇，除了GMSK模式還要能同時支持8PSK模式。此3種分別為極性調變(Polar Modulation)、極性環(Polar Loop)以及線性發射(Linear EDGE)架構。

　　就線性發射架構而言，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)。當手機操作在GSM時為GMSK調變，而GMSK為一固定振幅(Constant Envelope)，功率放大器所產生的失真對其影響較小，故此時功率放大器可操作于飽和區，即非線性區，來提高效率。當手機操作于EDGE模式時，是以一種改變振幅與相位的線性調變方式即8PSK調變，也因此對于功率放大器的線性度極為要求，以防止信號失真。

　　多模式的操作─GMSK

　　與8PSK混合發射

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

　　信號產生器輸出的波形

　　首先使用信號產生器產生3個時槽，以Agilent Signal Generator E4438C為例，其設定如下：

　　1. Mode→ EDEG mode。

　　2. Data Format→ Framed。

　　3. Frame Trigger→ Continuous。

　　4. Configure Timeslots→ Multislot off，TS=TSC0并設定時槽。Normal代表此時槽為8PSK調變。

　　5. 輸出功率=2dBm。

　　此時將信號連接至頻譜儀以zero span觀察，即可看出所設定的信號。由于信號產生器所產生的輸出信號為功率放大器的輸入信號即為RFin，理論上，在GMSK mode，波形上升時間越短越好，而在8PSK mode則是要求平緩上升，才不會影響輸出射頻頻譜(ORFS-Output Radio Frequency Spectrum)。而Agilent E4438C在調整輸出波形(burst shape)不論是上升時間、上升延遲、下降時間或是下降延遲都是以一個GSM時間框架內有設定為發射的波一起調整，EDGE與GMSK混合信號

　　仿真與實驗

　　信號產生器設定好后，將其它設備與RF3158評估板連接 。以信號產生器的EVEN 1為任意波形產生器的觸發信號，將編輯好的Tx_Enb、Vramp與 Vmode的波形加載任意波形產生器并連接至評估板，為了容易觀察信號間的時序關系也就是希望將RFin 、RF Out、Tx_Enb、Vramp與VMode同時顯示于示波器上，將通過頻譜的Video Out將功率放大器的RF Out 與 RFin射頻信號轉換成電信號并 顯示于示波器上，在此建議以VMmode為示波器外部觸發信號，亦可將VMmode接到示波器的Ext Trigger in 以增加示波器的埠位使用。完成信號的設定與儀器的連接后，即可將電源及信號依續打開。

　　功率放大器模式轉換與輸入信號的時序關系

　　當線性EDGE 功率大器工作于GSM模式時，功率放大器工作于飽和模式，此時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的各項規范。當切換至EDGE模式時，功率放大器工作于線性模式，此時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，如同一增益模塊(Gain Block)，輸入的射頻信號與輸出功率成一線性增益關系。

　　而RF3158支持GPRS Class 12的50%的發射周期(Duty Cycle)，此意味著可能同時發射兩個混合模式時槽。也因此，功率放大器在兩個時槽之間也就是保護時段(Guard Period)須完成模式轉換。此轉換時間可稱為穩定時間(Settling Time)。

　　當VMode由High 轉為Low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關掉1QB(Quarter Bit，1QB約為0.92us)有助于縮短穩定時間 (Settling Time)。穩定時間是由于功率控制回路與Vramp引腳內的低通濾波器所造成，而Tx_Enb關掉可提供一放電路徑。

　　當我們將RFin于VMode轉為Low后2QB的時間打開，很明顯的，可于8PSK與GMSK之間的保護時段看到一突波(Spike)。由此可知，功率放大器于模式轉換期間，在未完成穩定時間，未將RFin信號降至-40dBm或輸入RFin信號，將產生突波造成輸出射頻頻譜之功率轉換瞬態所產生的頻譜(Output Radio Frequency Spectrum-Spectrum due to switching transients)變差，甚至無法通過規范。

　　除了輸入信號的時序關系，另一個會影響功率轉換瞬態頻譜的是保護時段期間RFin的信號大小。此實驗可通過另外一臺信號產生器來提高保護時段期間RFin的信號大小，來實驗RFin于保護時段時至少要低于多少，才不至于導致突波。圖20為原本的信號，保護時段期間RFin的信號大小為-74.32dBm。此時，外加一臺信號產生器產生一連續信號通過合成器(Combiner)將兩信號合成后，輸入功率放大器。圖21為兩信號產生器的合成結果。通過此一實驗，可得知由收發器(Transceiver)所產生的最小的輸出功率不要超過-33dBm。