極化調(diào)制技術(shù)在EDGE系統(tǒng)中的應(yīng)用

摘 要:研究近年來應(yīng)用在無線移動(dòng)通信系統(tǒng)的極化調(diào)制技術(shù)，從介紹極化調(diào)制技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀開始，分析了極化調(diào)制技術(shù)的基本工作原理，研究了極化調(diào)制的核心技術(shù)——功率放大器將幅度信號(hào)和相位信號(hào)合并為調(diào)制信號(hào)，通過信號(hào)合成分析及數(shù)學(xué)解析，提出了極化調(diào)制器關(guān)鍵技術(shù)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方法及其性能測試結(jié)果，結(jié)果表明極化調(diào)制技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)EDGE系統(tǒng)通信終端高線性度和高功效的要求。

關(guān)鍵詞:極化調(diào)制;EDGE;信號(hào)合成;功率放大

中圖分類號(hào):TN91文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1004-373X(2010)05-019-03

Application of Polar Modulation Technology in EDGE System

YAO Tai1，2，ZHU Jiang1

(1.College of Electronic Science and Engineering，National University of Defense Technology，Changsha，410073，China;

2.Network Management Center，Gansu Province Group of CAPF，Lanzhou，730046，China)

Abstract:The developing situation of polar modulation technology is introduced，the polar modulation technology that applied in wireless mobile communication system is studied，the basic working principle of polar modulation，the polar modulation key technology is power amplifier combined amplitude signal and phase signal into modulated signal，signal combination and mathmatics parsed are analysed，the method of polar modulator design and the testing capability of polar modulator are proposed，the results show that polar modulation can achieve high linearity and high efficiency simultaneously in a wireless transmitter of EDGE system.

Keywords:polar modulation;EDGE;signal combination;power amplify

0 引 言

在無線移動(dòng)通信技術(shù)迅猛發(fā)展的今天，能否提高設(shè)備功率利用率是眾多工程設(shè)計(jì)人員追求的目標(biāo)之一。在無線移動(dòng)通信終端中，發(fā)射機(jī)所消耗的功率決定于功率放大器，對(duì)于功率放大器的要求是高線性度和高功率轉(zhuǎn)換效率。傳統(tǒng)類型的功率放大器，線性度和功率轉(zhuǎn)換效率需折衷選擇，線性度的增加要求必然會(huì)造成功率轉(zhuǎn)換效率的降低。因此，使功率放大器既能具有高線性度而不至于放大信號(hào)失真，同時(shí)能兼顧功率轉(zhuǎn)換效率一直是功率放大器設(shè)計(jì)的重要課題。對(duì)應(yīng)于這樣的需求，采用極化調(diào)制方式實(shí)現(xiàn)發(fā)射機(jī)得到了比較廣泛的應(yīng)用。

極化調(diào)制(Polar Modulation)是采用相位調(diào)制和幅度調(diào)制結(jié)合的方式來實(shí)現(xiàn)數(shù)字調(diào)制的方法，其優(yōu)點(diǎn)是可以同時(shí)滿足高線性度和高效率低功耗的要求，提高發(fā)射機(jī)效率，提供較高的穩(wěn)定性，并且支持多種調(diào)制模式，如GMSK，8PSK，QPSK等所產(chǎn)生的I，Q信號(hào)。目前這種技術(shù)在無線移動(dòng)通信中得到比較廣泛的應(yīng)用，尤其是在將現(xiàn)存的GSM(全球移動(dòng)通信系統(tǒng))設(shè)備或模塊升級(jí)為EDGE(Enhanced Data Rate for GSM Evolution，增強(qiáng)型數(shù)據(jù)速率GSM演進(jìn)技術(shù))的應(yīng)用中。

極化調(diào)制技術(shù)的發(fā)展主要有三種:小信號(hào)(Polar Lite)、極化環(huán)和直接(開環(huán))極化。與傳統(tǒng)的線性方式相比，上述每種方法都有其優(yōu)勢，但只有直接極化被公認(rèn)為不僅能實(shí)現(xiàn)簡化和高效的目標(biāo)，而且能保持RF頻譜性能，所以本文主要討論的是直接極化方式。

1 極化調(diào)制工作原理

簡單講，極化調(diào)制技術(shù)是把發(fā)射機(jī)的基帶信號(hào)分離成幅度和相位兩種信息，然后分別經(jīng)過射頻部分幅度包絡(luò)調(diào)制和相位調(diào)制，再在射頻放大器中合并放大生成所需的調(diào)制信號(hào)，其工作原理如圖1所示。

圖1 極化調(diào)制工作原理圖

首先將二進(jìn)制數(shù)據(jù)(Binary Data)的數(shù)字信息調(diào)制成向量(Vector)式的I，Q信號(hào)，這些I，Q信號(hào)再通過CORDIC運(yùn)算，將I，Q信號(hào)轉(zhuǎn)變成幅度與相位分離的R，φ信號(hào)，也就是說把一個(gè)調(diào)制信號(hào)分離成兩個(gè)完全獨(dú)立的AM(Amplitude Modulation)及PM(Phase Modulation)信號(hào)，然后再將常數(shù)包絡(luò)(Constant-envelop)振幅大小不變的PM信號(hào)接到功率放大器(Power Amplifier，PA)的基極，將功率放大器驅(qū)動(dòng)到飽和區(qū)，這樣就可以使功率放大器工作在非線性的飽和區(qū)而有最好的效率，再將AM信號(hào)加入功率放大器的集電極，則可在功率放大器的輸出將原信號(hào)合成回來，并最后以射頻輸出信號(hào)。

可見，由于極化調(diào)制技術(shù)采用相位調(diào)制和幅度調(diào)制結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)數(shù)字調(diào)制，其高效率可通過使用一個(gè)高效率的非線性PA，一般采用E類PA，使它工作在最高效率點(diǎn)(飽和點(diǎn))來實(shí)現(xiàn);其線性傳輸可通過提供給PA的電壓來調(diào)制信號(hào)的幅度信息，提高了多模式無線通信系統(tǒng)發(fā)射機(jī)的高效調(diào)制能力。

歸納起來，極化調(diào)制技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)如下:一是功率放大器工作在飽和區(qū)，線性傳輸則是通過調(diào)整放大器的電源電壓來調(diào)制信號(hào)的幅度包絡(luò)，可以提高發(fā)射機(jī)效率，滿足高功效性要求;二是極化調(diào)制的結(jié)構(gòu)中高線性度是通過引入非線性的放大器使其工作在最大峰值效率，而滿足多模式無線移動(dòng)通信終端高線性度的要求。但是，極化調(diào)制也有輸出飄移、幅度與相位信號(hào)不同步等缺點(diǎn)，一般要通過預(yù)失真技術(shù)來校正。

2 信號(hào)合成與解析

極化調(diào)制的核心技術(shù)是通過功率放大器將幅度信號(hào)和相位信號(hào)合并為調(diào)制信號(hào)，其合成原理如圖2所示。

圖2 信號(hào)合成圖

首先將一個(gè)常數(shù)包絡(luò)振幅固定不變的相位調(diào)制PM信號(hào)輸入功率放大器的基極，將功率放大器驅(qū)動(dòng)到飽和區(qū)，這樣就可以使功率放大器工作在非線性的飽和區(qū)而有最好的效率;再將振幅調(diào)制AM信號(hào)加入功率放大器的集電極，由于基極信號(hào)使功率放大器工作在開/關(guān)狀態(tài)，則可在功率放大器的輸出將原信號(hào)合成回來。所以在輸出極的信號(hào)就好象波形A(t)被φ(t)取樣一樣，如圖2所示的V(t)。

通過數(shù)學(xué)表達(dá)式解析，可以看到極化調(diào)制是利用信號(hào)的幅度和相位信息元素來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的“同相/正交(I/Q)”數(shù)字符號(hào)形式，目的是產(chǎn)生如下調(diào)制信號(hào):

式(2)和式(3)表明，僅包含相位信息的信號(hào)通過相位調(diào)制器后，再和它的幅度包絡(luò)相乘，就可以在PA重新生成原來基帶輸入的復(fù)雜信號(hào)V(t)，這種極化調(diào)制過程與EER(包絡(luò)消除和恢復(fù)結(jié)構(gòu))類似，即傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中信號(hào)的一部分通過限幅器移除包絡(luò)信息而保留信號(hào)的相位信息，信號(hào)的另一部分則通過包絡(luò)偵測器提取信號(hào)的幅度信息。

3 極化調(diào)制器實(shí)現(xiàn)與性能分析

目前，極化調(diào)制已在無線移動(dòng)通信系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。例如，現(xiàn)在市場上采用極化調(diào)制且最具代表性的產(chǎn)品就是RF Micro Device的Polaris 2 芯片組。其RF6003就是一個(gè)數(shù)字CMOS芯片處理GMSK及8-PSK的調(diào)制/解調(diào)，和CORDIC運(yùn)算的器件。RF3144則是一個(gè)E類的功率放大器以實(shí)現(xiàn)極化調(diào)制。還有Tropian公司研發(fā)的Timestar TR15431N無線電收發(fā)器IC，也使用極化調(diào)制技術(shù)控制標(biāo)準(zhǔn)的GSM/GPRS功放。

以目前一種應(yīng)用最為廣泛的EDGE系統(tǒng)為例，極化調(diào)制器的設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 移動(dòng)通信終端極化調(diào)制器設(shè)計(jì)圖

一般將發(fā)送器和功率放大功能集成在兩塊芯片內(nèi)RF6003和RF3144。在該系統(tǒng)中，相位和幅度信號(hào)被調(diào)制器分離為兩個(gè)獨(dú)立的通道。相位通道信號(hào)驅(qū)動(dòng)信道內(nèi)的VCO，同時(shí)信號(hào)的幅度部分則控制晶體管，對(duì)此晶體管對(duì)功率放大器的漏極供電進(jìn)行控制。

這樣的E類設(shè)計(jì)功率放大器，使功率放大器工作在開/關(guān)狀態(tài)，也就是高電壓時(shí)零電流，零電壓時(shí)高電流，而使功率損耗減到最低，并使得功率放大器的效率非常接近于其工作在飽和區(qū)時(shí)的效率，而這遠(yuǎn)比在線性區(qū)時(shí)高了許多。

在實(shí)際的硬件設(shè)計(jì)中，還必須注意:

(1) 相位及振幅的帶寬直接與鎖相回路的設(shè)計(jì)相關(guān)，也就是說相位及振幅的帶寬必須大于符號(hào)字符數(shù)據(jù)率(Symbol Data Rate)的兩倍，振幅帶寬通常是1 MHz，而相位帶寬通常是2 MHz。

(2) 相位及振幅在不同路徑的時(shí)間延遲一致(Alignment)，通常要求相位及振幅的時(shí)間差不能大于0032 5個(gè)字符，也就是約100 ns。

(3) 最重要的是處理相位及振幅在功率放大器上的失真，因此在預(yù)失真(Pre-distortion)的校正準(zhǔn)確度上必須特別注意。

文獻(xiàn)[1]設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)應(yīng)用于EDGE系統(tǒng)的極化調(diào)制器，發(fā)射機(jī)端測量的性能如圖4所示。

圖4 EDGE系統(tǒng)通信終端發(fā)射機(jī)性能圖

結(jié)果表明，900 MHz載波時(shí)，EDGE系統(tǒng)發(fā)射頻譜主瓣的最大輸出功率為29 dBm，滿足系統(tǒng)功率輸出要求;EVM(誤差向量值)指標(biāo)隨功率和頻率的變化而變化，當(dāng)幅度和相位滿足PSD(功率譜密度)指標(biāo)時(shí)，EVM指標(biāo)具有相當(dāng)大的裕量，從而保證了產(chǎn)生的8PSK信號(hào)滿足EDGE所要求的EVM限制，移動(dòng)終端的性能指標(biāo)達(dá)到了較好的預(yù)期值。

此外，極化調(diào)制在解決性能穩(wěn)定方面具有優(yōu)勢。通過對(duì)手機(jī)基帶到功率放大器部分的發(fā)射信號(hào)的狀況進(jìn)行數(shù)字控制來抑止參數(shù)的變化，使功率放大器工作在開關(guān)模式也可以提高設(shè)計(jì)的魯棒性。通過調(diào)制器控制的這些參數(shù)及功能將不會(huì)隨外部條件的變化而改變，這使性能指標(biāo)有了較大的富裕量。

4 結(jié) 語

對(duì)近年應(yīng)用到無線移動(dòng)通信系統(tǒng)的極化調(diào)制技術(shù)原理進(jìn)行了介紹，通過具體分析極化調(diào)制的關(guān)鍵技術(shù)，研究了極化調(diào)制器無線移動(dòng)終端的性能及實(shí)現(xiàn)方法，得出了極化調(diào)制技術(shù)能滿足無線移動(dòng)通信終端高線性度和高功效的要求。目前，極化調(diào)制技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)還在于這種技術(shù)可以在其他許多領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用，如專業(yè)移動(dòng)無線電(PMR)、無線PBX系統(tǒng)、無線本地環(huán)路(WLL)系統(tǒng)、無線局域網(wǎng)(WLAN)設(shè)備及DSL產(chǎn)品。因此，隨著對(duì)極化調(diào)制技術(shù)的發(fā)展，深入開展其在衛(wèi)星通信領(lǐng)域的技術(shù)研究，對(duì)提高衛(wèi)星信道的線性度和提高HPA的功率利用率，具有較大的借鑒意義。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]Skyworks Solution Inc..The Polar Loop Transmitter for Quad-Band GSM，GPRS，EDGE Applications[M].Skyworks Solutions Inc.，2006.

[2]林夫多 B，艾立森 H.利用極化調(diào)制產(chǎn)生線性已調(diào)信號(hào)的方法及裝置.瑞典:CN99811811.7，2001.

[3]Richard Wang.極化調(diào)制在無線手機(jī)上的應(yīng)用與原理[J].今日電子，2004(6):73-74.

[4]于勇.用于EDGE系統(tǒng)的極化調(diào)制方式淺析[J].今日電子，2004(3):67-70.

[5]Mark Heimbach.極化調(diào)制技術(shù)在支持多標(biāo)準(zhǔn)無線設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].電子工程專輯，2002(2):52-56.

[6]Chung-Chun Chen，Hung-Yang Ko，Yi-Chiuan Wang，et al.Polar Transmitter for Wireless Communication System.Proceedings of 2005 International Symposium on Inte-lligent Signal Processing and Communication Systems[C].2005.

[7]Christian Mayer，Burkhard Neurauter，Christian Münker，et al.A Robust GSM/EDGE Transmitter using Polar Modulation Techniques[A].The European Conference on Wireless Technology[C].2005.

[8]Alex W Hietala.A Quad-Band 8PSK/GMSK Polar Transceiver[J].IEEE Journal of Solid-State Circuits，2006，41(5):1 133-1 141.

[9]Tirdad Sowlati，Dmitriy Rozenblit，Raja Pullela，et al.A Quad-Band 8PSK/GMSK Polar Transceiver[J].IEEE Journal of Solid-State Circuits，2004，39(12):2 179-2 189.

[10]Earl Mccune.Polar Modulation and Bipolar RF Power Devices.IEEE BCTM 1.1.