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EDGE手机的无线电设计考量

EDGE (Enhanced Data Rates for GSM Evolution) 是在现有GSM行动电话网路上提供高速资料服务的一种标准,而正如其名称所暗示的,EDGE是以北美、欧洲和亚洲地区广泛建置的GSM/GPRS网路为基础。许多应用正推动着行动电话网路的资料服务需求,这包括照相手机、线上音讯、视讯和简讯传送。EDGE的峰值资料速率在理论上能达到GPRS的三倍,所以在设计EDGE手机时,设计人员必须分析重要的无线电设计要求,例如接收机的调幅抑制能力 (AM suppression)、发射机的调变频谱、接收频带杂讯以及发射机电流消耗。

EDGE调变和资料速率

为了提供很高的资料速率,除了GSM/GPRS所使用的GMSK调变之外,EDGE无线电还必须支援一种称为8-PSK的新型调变机制,而且它必须在不牺牲GSM/GPRS效能的前题下支援这种调变,以便确保产品的向后相容性。

为了同时支援GMSK和8-PSK调变,许多不同的EDGE无线电架构都曾被提出。採用极性环 (polar loop) 或极性调变 (polar modulation) 技术的无线电虽能提供很高的功率增加效率 (power-added efficiency),它们的调校需求和设计复杂性也必须增加,才能支援功率控制回授迴路。其它无线电则是在现有的GSM/GPRS收发器中增加一个线性发射机,由它提供EDGE所需的8-PSK调变功能,这种方法的优点是它能支援8-PSK调变,同时保留强大的GSM/GPRS效能。

EDGE无线电要求

GSM/GPRS和EDGE对于接收机的要求很类似,只不过GMSK或8-PSK调变阻隔讯号的出现使得设计更复杂。由于EDGE能在既有GSM/GPRS网路上支援新的调变方式,因此除了GSM/GPRS本身对于发射机的要求之外,它们还会带来新的发射机要求。

发射机要求

针对源自于3GPP规格的行动手机EDGE无线电,表1列出了它对于发射机的要求。从表中可看出8-PSK的发射机要求通常较宽松,有些则与GMSK相同,例如低频带的输出功率减少6 dB,高频带降低4 dB,400 kHz位移的输出频谱要求则减少6 dB。然而不同于发射机可以压缩讯号振幅的GMSK讯号,对于8-PSK讯号来说,发射机在丛发 (burst) 传送时仍须维持线性工作能力,以便保存讯号的振幅和相位。


 

参数

GMSK

8-PSK

最大输出功率*

+33 / +30 dBm

+27 / +26 dBm

调变频谱

400 kHz

600 kHz

1.8 MHz*

 

-60 dBc

-60 dBc

-63/ -65 dBc

 

-54 dBc

-60 dBc

-63/ -65 dBc

接收频带杂讯

10 MHz位移**

20 MHz*

 

-67 dBm

-79 / -71 dBm

 

-67 dBm

-79 / -71 dBm

调变精确度***

均方根值

峰值

95个百分位值

 

5

20

 

9%

30%

15%

原点偏移抑制

-30 dBc

这些要求都是正常条件下的额定值
* 低频带 (850, 900) / 高频带 (1800, 1900) 的要求
** 仅低频带 (850, 900) 的要求
*** 相位误差 (GMSK) EVM (8-PSK) 的要求

表1:EDGE无线电对于接收机的要求

 


接收机调幅抑制

在实际应用环境里,目标讯号常受到週围行动电话和其它设备所产生的杂讯影响,因此根据3GPP标准的要求,手机必须能在代表典型市区或郊区环境的各种衰减性条件下,在出现很大的阻隔讯号时侦测出所要接收的微弱讯号。随着接收机架构的不同,强大的阻隔讯号可能会导致非线性现象,使得所欲接收的讯号失真,甚至完全无法接收。

图1是阻隔讯号在两种接收机架构中对于目标讯号的影响。微弱的目标讯号和强大的阻隔讯号会进入天线,如果设计採用直接转换接收机,阻隔讯号就会通过开关、SAW和低杂讯放大器 (LNA),其间并有可能洩漏至混波器的本地振盪器;如果洩漏的讯号太强,阻隔讯号就可能出现自我混波,并在输出端产生直流偏移,破坏降频转换后的讯号。若採用数位低中频接收机,混波过程会将直流偏移电压移出讯号范围,然后再由滤波器将其移除。

 

图1:EDGE接收机架构和调幅抑制

 



对于直接转换接收机来说,想要消除接收机输出端的直流位移并非易事,因为就算使用位元间隔 (Tb / 2 ~1.8 μs) 所能容纳的最大时间常数,所得的滤波器仍会滤掉大部份的目标讯号 (fc ~ 88 kHz)。虽然基频数位讯号处理器 (DSP) 可将软体演算法用于多个丛发讯号,以便合成出频宽更窄的滤波器,但这种方法约会造成0.5 dB的目标讯号损失。此外,目前也不清楚调幅后的阻隔讯号出现时,直流演算法的实际效果会如何,这些阻隔讯号可能是由8-PSK EDGE和W-CDMA所产生,或是在进行调幅抑制测试时,阻隔讯号出现在丛发讯号的中间部份 (midamble) 所造成。

另一层考量则是关于合成器迴路滤波器的整合。直接转换收发器通常不会将它们整合在一起,此时不但收发器对于高精准度、低杂讯零件的需求会使得产品用料增加,它还会为电路板层级的外部杂讯源创造一个耦合机制,导致本地振盪器的相位杂讯变得更强。若相位杂讯太大,阻隔讯号就可能与它混波,造成额外的低频失真而破坏接收讯号,这种效应称为相互混合 (reciprocal mixing),它在通讯系统设计中极为常见。

相较于直接转换接收机,数位低中频接收机拥有更良好直流偏压抑制能力,因此基频软体不再需要提供直流偏压校准功能。由于合成器迴路滤波器和调谐零件会整合在一起,使得外部相位杂讯源所造成相互混波现象不再出现。要获得这种更强大的效能,收发器的功能整合度必须提高,把双通道类比数位转换器、数位滤波和双通道数位类比转换器都整合至相同元件。

发射机调变频谱和杂讯

GSM/GPRS手机常用的发射机架构是以位移式锁相迴路 (Offset PLL) 为基础,它能提供强大的频带内滤波功能以满足GMSK频谱的严苛要求。频带外杂讯的降低通常则是透过额外增加的发射机压控振盪器 (VCO) 相位杂讯滤波功能来实现,这使其得以符合接收频带的杂讯要求。但由于位移式锁相迴路仅能支援相位调变,却不支援8-PSK调变所要求的振幅调变,因此在设计EDGE无线电时,就必须重新考虑发射机架构。

图2是两种可能的EDGE发射机架构。在极性环发射机中,讯号会经由不同的振幅和相位迴授路径送至功率放大器,极性调变则是极性环的变型,它不用回授电路就能工作,因此不需要任何耦合电路。在线性升频转换发射机中,讯号的振幅和相位会同时开始,执行GMSK传输时,基频I/Q讯号会与位移式锁相迴路进行调变,直接升频转换混波器和可变增益放大器 (VGA) 则会被绕过。执行8-PSK传输时,位移式锁相迴路不会被调变,而是在载波模式下担任本地振盪器,负责基频I/Q讯号的升频转换。

极性环和极性调变架构须透过回授迴路来实现振幅和相位延迟的准确匹配,这是它们的最大设计挑战,模拟结果显示延迟时间的失配若等于或超过30 ns,调变频谱在400 kHz的位置就无法满足规格要求。然而30 ns的时间常数最大值却会限制发射机压控振盪器的滤波器频宽,使其至少必须等于5 MHz,这将使得频带外压控振盪器的相位杂讯抑制效果受到限制。
 


图2:EDGE发射机的架构和讯号路径

 


为了平衡极性架构彼此冲突的要求,以前的方法会採用各种功率放大器校准技术,然而振幅回授路径中却包含一个讯号包络线 (envelope) 侦测器,它会随着制程、供应电压和温度而改变,而且改变方式不同于相位回授路径里的相位鑑别电路。除此之外,功率放大器的输出相位和振幅变动模式也很难分析,这使得校准工作变得更困难;在功率放大器增益很大和输出讯号很小的情形下 (亦即ramping或电路失配时),迴路可能变得不稳定。

相较于尚未通过实际产品验证的极性环或极性调变架构,线性发射机是目前唯一已开始用于GSM/EDGE手机生产的架构,CDMA和W-CDMA手机也都採用这种架构。线性发射机架构允许设计人员选择不同厂商提供的功率放大器,这和需要特殊或客制功率放大器的极性调变完全不同。

高整合度的EDGE无线电

以高整合度零件为基础的无线电提供许多优点给手机设计人员,例如它们与离散解决方案比较时,高整合度解决方案所需採购和库存的零件更少,效能则会更强大,因为它能避免元件外部的干扰或杂讯源。工程师也不再需要执行零件层级的测试,这能确保更高的手机制造良率,产品回修率则会降低。

图3是利用Silicon Laboratories Aero? II收发器设计高整合度EDGE无线电的方法之一。Aero II收发器为GSM/GPRS手机提供业界最高的功能整合度,所有容易受到杂讯影响的电路都已整合至晶片,这包括射频和中频压控振盪器、压控振盪器调谐零件、所有的迴路滤波器以及所有的数位控制石英振盪器 (DCXO) 等零件,它们全都整合至一个5 × 5釐米的封装内,它的搭配晶片则能支援8-PSK讯号传输的线性升频转换功能。
 

图3:採用Silicon Laboratories Aero II收发器的EDGE无线电


 

结论

EDGE技术经过多年的发展,现已为世界各地的GSM/GPRS网路广泛採用,而以数位低中频接收机和线性发射机为基础的无线电为了支援EDGE手机,也承诺要提供强大的接收机调幅抑制能力和发射机效能以及与其它架构相近的发射机电流。随着EDGE技术逐渐成为市场主流,不断提升的功能整合度可望大幅减少手机无线电的零件用料数目,使其达到GSM/GPRS手机的水准,这将为极高整合度的3G无线电开创一条康庄大道。(作者为Silicon Laboratories 的无线产品行销经理)

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