EDGE/GSM四種手機(jī)發(fā)送電路的架構(gòu)詳解

為滿足成本、功耗和制造工藝的需求，我們提出如下四種發(fā)送電路架構(gòu)：極性反饋(Polar Feedback)“Lite”、極性反饋、極性開環(huán)、直接調(diào)制(零差)。

圖1給出了當(dāng)前大多數(shù)GSM手機(jī)中使用的平移(或偏移)環(huán)(translational loop)架構(gòu)。這種架構(gòu)的主要優(yōu)點(diǎn)是利用鎖相環(huán)(PLL)結(jié)構(gòu)中的低通濾波器以起到帶通濾波的功能，從而不需要任何額外的濾波器就能提供優(yōu)良的頻譜屏蔽性能，而且對調(diào)制器模塊沒有嚴(yán)格的要求。該解決方案經(jīng)過幾代產(chǎn)品的改進(jìn)，其性能、集成度和成本等各方面都已經(jīng)得到了高度優(yōu)化。


圖1：GMSK調(diào)制平移環(huán)結(jié)構(gòu)。

因?yàn)镚MSK(高斯最小頻移鍵控)是恒包絡(luò)調(diào)制，所以功率放大器(PA)可以工作在飽和狀態(tài)下，能提供最高的效率。現(xiàn)代的PA模塊還集成了CMOS功率控制器，以便為上升、下降沿控制和功率控制DAC提供一個便利的接口。

極性反饋“Lite”

“極性”調(diào)制器的概念是為了保留平移環(huán)結(jié)構(gòu)，因此保留上述全部優(yōu)點(diǎn)。然而為了支持EDGE模式，還必需對調(diào)制器增加調(diào)幅(AM)能力：在調(diào)制器輸出端去掉AM調(diào)制，饋送到幅度控制器，再饋送到高動態(tài)范圍的VGA，從而再生成射頻AM和PM復(fù)合信號。將該信號饋送到一個純粹作為放大器的線性PA單元。由于PA沒有得到補(bǔ)償，所以它的線性度和動態(tài)范圍必須非常高才能保證信號質(zhì)量。當(dāng)然，線性PA通常不如飽和PA的效率高。


圖2：極性結(jié)構(gòu)框圖。

為減小GSM模式中的電流，可以關(guān)斷AM控制器，并且將功率控制直接切換到PA。然而，由于設(shè)計(jì)折中，即使是在GSM的飽和狀態(tài)下運(yùn)行，該P(yáng)A的效率仍然比純飽和PA的效率低。

極性反饋

全極性架構(gòu)如圖2所示，它與極性Lite的概念類似，優(yōu)點(diǎn)是仍可配置傳統(tǒng)的GMSK飽和PA架構(gòu)，具有前面所述的功率效率高的優(yōu)點(diǎn)。該框圖給出了本解決方案中圍繞PA增加的反饋環(huán)路。利用這個反饋環(huán)路來對PA進(jìn)行“線性化”(去除AM到AM及AM到PM失真)。基于PA反饋，AM控制器產(chǎn)生一個AM誤差項(xiàng)。系統(tǒng)將相應(yīng)地調(diào)整PA增益以抵消AM誤差。利用鑒相器(PFD)可對PA引起的AM－PM失真進(jìn)行補(bǔ)償。這種反饋路徑使用的耦合器可以是獨(dú)立器件，也可以集成在PA模塊中。


圖3：極性“Lite”結(jié)構(gòu)框圖。

極性開環(huán)

開環(huán)架構(gòu)可以使用飽和PA，但該架構(gòu)不包括圍繞PA的反饋環(huán)路。取而代之的是用電源、溫度、電壓、頻率來表征PA，而且這些數(shù)據(jù)都存儲在查找表(LUT)中。用數(shù)字邏輯選擇或插入適合工作條件的校正系數(shù)，并且當(dāng)出現(xiàn)預(yù)失真時施加給AM控制器和IQ輸入。將AM復(fù)合信號反饋到PA振幅控制器上，并且將預(yù)失真相位反饋到調(diào)制器和平移環(huán)上，從而消除PA的非線性。但是這種方法需要在生產(chǎn)線上消耗大量時間校準(zhǔn)以補(bǔ)償各元件之間的偏差，并且不容易校正系統(tǒng)老化效應(yīng)。


圖4：極性開環(huán)結(jié)構(gòu)框圖。

直接調(diào)制

直接調(diào)制與前面討論的架構(gòu)截然不同，它不使用平移環(huán)和中頻，而是調(diào)制器直接將IQ信號變換到要求的射頻信道。采樣VGA方法用輸出信號實(shí)現(xiàn)功率控制。然后根據(jù)調(diào)制器的噪聲性能，在信號送入線性PA之前可能還需要一個外部濾波器。這種架構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是簡單，但是從噪聲和雜散性能的角度來說，由于沒有集成濾波，對設(shè)計(jì)RF調(diào)制器提出嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。另外這種架構(gòu)要求使用線性PA，它的效率不及飽和PA的效率高。


圖5：線性或零差結(jié)構(gòu)框圖。

表1：各種調(diào)制架構(gòu)比較。

本文小結(jié)

直接調(diào)制方法看上去很吸引人，但實(shí)現(xiàn)過程存在一些問題，并且功率效率比極性調(diào)制設(shè)計(jì)使用的飽和PA的效率低。在極性調(diào)制設(shè)計(jì)中，極性反饋方法比極性“Lite”方法效率高，由于極性反饋方法增加了制造的魯棒性，并且顯著降低了與開環(huán)架構(gòu)相關(guān)的校準(zhǔn)開銷。