针对EDGE/GSM手机发送电路的四种架构分析

2006年07月04日

为采用8PSK调制支持2.75G EDGE标准,手机设计工程师和芯片组供应商面临着新的挑战。为满足成本、功耗和制造工艺的需求,我们提出如下四种发送电路架构:极性反馈(Polar Feedback)“Lite”、极性反馈、极性开环、直接调制(零差)。

图1给出了当前大多数GSM手机中使用的平移(或偏移)环(translational loop)架构。这种架构的主要优点是利用锁相环(PLL)结构中的低通滤波器以起到带通滤波的功能,从而不需要任何额外的滤波器就能提供优良的频谱屏蔽性能,而且对调制器模块没有严格的要求。该解决方案经过几代产品的改进,其性能、集成度和成本等各方面都已经得到了高度优化。

图1:GMSK调制平移环结构。

因为GMSK(高斯最小频移键控)是恒包络调制,所以功率放大器(PA)可以工作在饱和状态下,能提供最高的效率。现代的PA模块还集成了CMOS功率控制器,以便为上升、下降沿控制和功率控制DAC提供一个便利的接口。

极性反馈“Lite”

“极性”调制器的概念是为了保留平移环结构,因此保留上述全部优点。然而为了支持EDGE模式,还必需对调制器增加调幅(AM)能力:在调制器输出端去掉AM调制,馈送到幅度控制器,再馈送到高动态范围的VGA,从而再生成射频AM和PM复合信号。将该信号馈送到一个纯粹作为放大器的线性PA单元。由于PA没有得到补偿,所以它的线性度和动态范围必须非常高才能保证信号质量。当然,线性PA通常不如饱和PA的效率高。

图2:极性结构框图。

为减小GSM模式中的电流,可以关断AM控制器,并且将功率控制直接切换到PA。然而,由于设计折中,即使是在GSM的饱和状态下运行,该PA的效率仍然比纯饱和PA的效率低。

极性反馈

全极性架构如图2所示,它与极性Lite的概念类似,优点是仍可配置传统的GMSK饱和PA架构,具有前面所述的功率效率高的优点。该框图给出了本解决方案中围绕PA增加的反馈环路。利用这个反馈环路来对PA进行“线性化”(去除AM到AM及AM到PM失真)。基于PA反馈,AM控制器产生一个AM误差项。系统将相应地调整PA增益以抵消AM误差。利用鉴相器(PFD)可对PA引起的AM-PM失真进行补偿。这种反馈路径使用的耦合器可以是独立器件,也可以集成在PA模块中。

图3:极性“Lite”结构框图。

极性开环

开环架构可以使用饱和PA,但该架构不包括围绕PA的反馈环路。取而代之的是用电源、温度、电压、频率来表征PA,而且这些数据都存储在查找表(LUT)中。用数字逻辑选择或插入适合工作条件的校正系数,并且当出现预失真时施加给AM控制器和IQ输入。将AM复合信号反馈到PA振幅控制器上,并且将预失真相位反馈到调制器和平移环上,从而消除PA的非线性。但是这种方法需要在生产线上消耗大量时间校准以补偿各元件之间的偏差,并且不容易校正系统老化效应。

图4:极性开环结构框图。

直接调制

直接调制与前面讨论的架构截然不同,它不使用平移环和中频,而是调制器直接将IQ信号变换到要求的射频信道。采样VGA方法用输出信号实现功率控制。然后根据调制器的噪声性能,在信号送入线性PA之前可能还需要一个外部滤波器。这种架构的优点是简单,但是从噪声和杂散性能的角度来说,由于没有集成滤波,对设计RF调制器提出严峻挑战。另外这种架构要求使用线性PA,它的效率不及饱和PA的效率高。