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EDGE手機無線電設計 高整合度收發器開創3G新局
新通訊 200411 月號 45 期《 封面故事 》
文.Patrick Morgan
EDGE(Enhanced Data Rates for GSM Evolution)是在現有GSM行動電話網路上提供高速資料服務的一種標準,而正如其名稱所暗示的,EDGE是以北美、歐洲和亞洲地區廣泛建置的GSM/GPRS網路為基礎...
EDGE(Enhanced Data Rates for GSM Evolution)是在現有GSM行動電話網路上提供高速資料服務的一種標準,而正如其名稱所暗示的,EDGE是以北美、歐洲和亞洲地區廣泛建置的 GSM/GPRS網路為基礎。許多應用正推動著行動電話網路的資料服務需求,這包括照相手機、線上音訊、視訊和簡訊傳送。  

EDGE的峰值資料速率在理論上能達到GPRS的三倍,所以在設計EDGE手機時,設計人員必須分析重要的無線電設計要求,例如接收機的調幅抑制能力(AM Suppression)、發射機的調變頻譜、接收頻帶雜訊以及發射機電流消耗。  

EDGE須同時支援GMSK及8-PSK調變  

為了提供很高的資料速率,除了GSM/GPRS所使用的GMSK調變之外,EDGE無線電還必須支援一種稱為8-PSK的新型調變機制,而且它必須在不犧牲GSM/GPRS效能的前題下支援這種調變,以便確保產品的向後相容性。  

為了同時支援GMSK和8-PSK調變,許多不同的EDGE無線電架構都曾被提出。採用極性環(Polar Loop)或極性調變(Polar Modulation)技術的無線電雖能提供很高的功率增加效率(Power-Added Efficiency),它們的調校需求和設計複雜性也必須增加,才能支援功率控制回授迴路。其它無線電則是在現有的GSM/GPRS收發器中增加一個線性發射機,由它提供EDGE所需的8-PSK調變功能,這種方法的優點是它能支援8-PSK調變,同時保留強大的GSM/GPRS效能。  

EDGE無線電設計要求  

GSM/GPRS和EDGE對於接收機的要求很類似,只不過GMSK或8-PSK調變阻隔訊號的出現使得設計更複雜。由於EDGE能在既有GSM/GPRS網路上支援新的調變方式,因此除了GSM/GPRS本身對於發射機的要求之外,它們還會帶來新的發射機要求。  

發射機叢發傳送須維持線性工作  

針對源自於3GPP規格的行動手機EDGE無線電,表1列出了它對於發射機的要求。從表中可看出8-PSK的發射機要求通常較寬鬆,有些則與GMSK相同,例如低頻帶的輸出功率減少6dB,高頻帶降低4dB,400kHz位移的輸出頻譜要求則減少6dB。然而不同於發射機可以壓縮訊號振幅的GMSK訊號,對於8-PSK訊號來說,發射機在叢發(Burst)傳送時仍須維持線性工作能力,以便保存訊號的振幅和相位。  

接收機須有直流偏壓抑制能力  

在實際應用環境裡,目標訊號常受到週圍行動電話和其它設備所產生的雜訊影響,因此根據3GPP標準的要求,手機必須能在代表典型市區或郊區環境的各種衰減性條件下,在出現很大的阻隔訊號時偵測出所要接收的微弱訊號。隨著接收機架構的不同,強大的阻隔訊號可能會導致非線性現象,使得所欲接收的訊號失真,甚至完全無法接收。  

圖1是阻隔訊號在兩種接收機架構中對於目標訊號的影響。微弱的目標訊號和強大的阻隔訊號會進入天線,如採用直接轉換接收機設計,阻隔訊號會通過開關、SAW和低雜訊放大器(LNA),並可能洩漏至混波器的本地振盪器;如果洩漏的訊號太強,阻隔訊號就可能出現自我混波,並在輸出端產生直流偏移,破壞降頻轉換後的訊號。若採用數位低中頻接收機,混波過程會將直流偏移電壓移出訊號範圍,然後再由濾波器將其移除。  

對於直接轉換接收機來說,想要消除接收機輸出端的直流位移並非易事,因為就算使用位元間隔 (Tb/2∼1.8μs)所能容納的最大時間常數,所得的濾波器仍會濾掉大部份的目標訊號(fc∼88kHz)。雖然基頻數位訊號處理器(DSP)可將軟體演算法用於多個叢發訊號,以便合成出頻寬更窄的濾波器,但這種方法約會造成0.5dB的目標訊號損失。此外,目前也不清楚調幅後的阻隔訊號出現時,直流演算法的實際效果會如何,這些阻隔訊號可能是由8-PSK EDGE和W-CDMA所產生,或是在進行調幅抑制測試時,阻隔訊號出現在叢發訊號的中間部份(Midamble)所造成。  

另一層考量則是關於合成器迴路濾波器的整合。直接轉換收發器通常不會將它們整合在一起,此時不但收發器對於高精準度、低雜訊零件的需求會使得產品用料增加,它還會為電路板層級的外部雜訊源創造一個耦合機制,導致本地振盪器的相位雜訊變得更強。若相位雜訊太大,阻隔訊號就可能與它混波,造成額外的低頻失真而破壞接收訊號,這種效應稱為相互混合 (Reciprocal Mixing),它在通訊系統設計中極為常見。  

相較於直接轉換接收機,數位低中頻接收機擁有更良好直流偏壓抑制能力,因此基頻軟體不再需要提供直流偏壓校準功能。由於合成器迴路濾波器和調諧零件會整合在一起,使得外部相位雜訊源所造成相互混波現象不再出現。要獲得這種更強大的效能,收發器的功能整合度必須提高,把雙通道類比數位轉換器、數位濾波和雙通道數位類比轉換器都整合至相同元件。  

發射機需滿足調變頻譜和雜訊抑制要求  

GSM/GPRS手機常用的發射機架構是以位移式鎖相迴路(Offset PLL)為基礎,它能提供強大的頻帶內濾波功能,以滿足GMSK頻譜的嚴苛要求。頻帶外雜訊的降低通常則是透過額外增加的發射機壓控振盪器(VCO)的相位雜訊濾波功能來實現,這使其得以符合接收頻帶的雜訊要求。但由於位移式鎖相迴路僅能支援相位調變,卻不支援8-PSK調變所要求的振幅調變,因此在設計 EDGE無線電時,就必須重新考慮發射機架構。  

圖2是兩種可能的EDGE發射機架構。在極性環發射機中,訊號會經由不同的振幅和相位回授路徑送至功率放大器,極性調變則是極性環的變型,它不用回授電路就能工作,因此不需要任何耦合電路。在線性升頻轉換發射機中,訊號的振幅和相位會同時開始,執行GMSK傳輸時,基頻I/Q訊號會與位移式鎖相迴路進行調變,直接升頻轉換混波器和可變增益放大器(VGA)則會被繞過。執行8-PSK傳輸時,位移式鎖相迴路不會被調變,而是在載波模式下擔任本地振盪器,負責基頻I/Q訊號的升頻轉換。  

極性環和極性調變架構須透過回授迴路來實現振幅和相位延遲的準確匹配,這是它們的最大設計挑戰,模擬結果顯示延遲時間的失配若等於或超過30ns,調變頻譜在400KHz的位置就無法滿足規格要求。然而30ns的時間常數最大值卻會限制發射機壓控振盪器的濾波器頻寬,使其至少必須等於5MHz,這將使得頻帶外壓控振盪器的相位雜訊抑制效果受到限制。  

為了平衡極性架構彼此衝突的要求,以前的方法會採用各種功率放大器校準技術,然而振幅回授路徑中卻包含一個訊號包絡線(Envelope)偵測器,它會隨著製程、供應電壓和溫度而改變,而且改變方式不同於相位回授路徑裡的相位鑑別電路。除此之外,功率放大器的輸出相位和振幅變動模式也很難分析,這使得校準工作變得更困難;在功率放大器增益很大和輸出訊號很小的情形下(亦即Ramping或電路失配時),迴路可能變得不穩定。  

相較於極性環或極性調變架構,線性發射機是目前唯一已開始用於GSM/ EDGE手機生產的架構,CDMA和W-CDMA手機也採用這種架構。線性發射機架構允許設計人員選擇不同廠商提供的功率放大器,這和需要特殊或客製功率放大器的極性調變完全不同。  

高整合度的EDGE無線電設計  

以高整合度零件為基礎的無線電提供許多優點給手機設計人員,例如它們與離散解決方案比較時,高整合度解決方案所需採購和庫存的零件更少,效能則會更強大,因為它能避免元件外部的干擾或雜訊源。工程師也不再需要執行零件層級的測試,這能確保更高的手機製造良率,產品回修率則會降低。  

圖3是利用Silicon Laboratories Aero II收發器設計高整合度EDGE無線電的方法之一,此款收發器為GSM/ GPRS手機提供高度的功能整合,所有容易受到雜訊影響的電路都已整合至晶片,這包括射頻和中頻壓控振盪器、壓控振盪器調諧零件、所有的迴路濾波器以及所有的數位控制石英振盪器(DCXO)等零件,它們全都整合至一個5×5mm2的封裝內,它的搭配晶片則能支援8-PSK訊號傳輸的線性升頻轉換功能。  

高整合度為3G無線電開創康莊大道  

EDGE技術經過多年的發展,現已為世界各地的GSM/GPRS網路廣泛採用,而以數位低中頻接收機和線性發射機為基礎的無線電為了支援EDGE手機,也承諾要提供強大的接收機調幅抑制能力和發射機效能以及與其它架構相近的發射機電流。隨著EDGE技術逐漸成為市場主流,不斷提升的功能整合度可望大幅減少手機無線電的零件用料數目,使其達到GSM/GPRS手機的水準,這將為極高整合度的3G無線電開創一條康莊大道。  

(本文作者目前任職於Silicon Laboratories。)  

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