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

極化調(diào)制技術(shù)在EDGE系統(tǒng)中的應(yīng)用姚太;朱江【摘要】研究近年來應(yīng)用在無線移動通信系統(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和相位信號合并為調(diào)制信號，通過信號合成分析及數(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.【期刊名稱】《現(xiàn)代電子技術(shù)》【年(卷)，期】2010(033)005【總頁數(shù)】3頁(P19-21)【關(guān)鍵詞】極化調(diào)制;EDGE;信號合成;功率放大【作者】姚太;朱江【作者單位】國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)，電子科學(xué)與工程學(xué)院，湖南，長沙,410073;武警甘肅省總隊(duì)，網(wǎng)管中心，甘肅，蘭州,730046;國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)，電子科學(xué)與工程學(xué)院,湖南,長沙,410073【正文語種】中文【中圖分類】TN910引言在無線移動通信技術(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失真，同時能兼顧功率轉(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(PolarModulation)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。目前這種技術(shù)在無線移動通信中得到比較廣泛的應(yīng)用，尤其是在將現(xiàn)存的GSM(全球移動通信系統(tǒng))設(shè)備或模塊升級為EDGE(EnhancedDataRateforGSMEvolution，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(PolarLite)、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，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)(BinaryData)的數(shù)字信息調(diào)制成向量(Vector)式的I,Q信號，這些I,Q信號再通過CORDIC運(yùn)算，將I,Q信號轉(zhuǎn)變成幅度與相位分離的R，們信號，也就是說把一調(diào)制信號分離成兩個完全獨(dú)立的AM(AmplitudeModulation)及PM(PhaseModulation)信號，然后再將常數(shù)包絡(luò)(Constant-envelop)振幅大小不變的PM信號接到功率放大器(PowerAmplifier,PA)的基極，將功率放大器驅(qū)動到飽和區(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合成回來，并最后以射頻輸出信號?？梢?，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和相位信號合并為調(diào)制信號，其合成原理如圖2所示。圖2信號合成圖首先將一個常數(shù)包絡(luò)振幅固定不變的相位調(diào)制PM信號輸入功率放大器的基極，將功率放大器驅(qū)動到飽和區(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信號加入功率放大器的集電極，由于基極信號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合成回來。所以在輸出極的信號就好象波形A(t)被中(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)字符號形式，目的是產(chǎn)生如下調(diào)制信號：S(t)=A(t)cos[3Ct+中(t)](1)一般用正交調(diào)制器表示：S(t)=x(t)cos(3ct)+jy(t)sin(3ct)(2)式中：x(t)是同相支路信號;y(t)是正交支路信號。令：即極化調(diào)制和正交調(diào)制二者之間的關(guān)系是等價的。V(t)=A(t)Re[ej^(t)-ejwct]⑶式(2)和式(3)表明，僅包含相位信息的信號通過相位調(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)中信號的一部分通過限幅器移除包絡(luò)信息而保留信號的相位信息，信號的另一部分則通過包絡(luò)偵測器提取信號的幅度信息。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RFMicroDevice的Polaris2芯片組。其RF6003就是一個數(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TimestarTR15431N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，相位和幅度信號被調(diào)制器分離為兩個獨(dú)立的通道。相位通道信號驅(qū)動信道內(nèi)的VCO，同時信號的幅度部分則控制晶體管，對此晶體管對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)，也就是高電壓時零電流，零電壓時高電流，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)時的效率，而這遠(yuǎn)比在線性區(qū)時高了許多。在實(shí)際的硬件設(shè)計(jì)中,還必須注意：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字符數(shù)據(jù)率(SymbolDataRate)的兩倍，振幅帶寬通常是1MHz,而相位帶寬通常是2MHz。相位及振幅在不同路徑的時間延遲一致(Alignment),通常要求相位及振幅的時間差不能大于0.0325個字符，也就是約100ns。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(Predistortion)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4EDGE系統(tǒng)通信終端發(fā)射機(jī)性能圖結(jié)果表明，900MHz載波時，EDGE系統(tǒng)發(fā)射頻譜主瓣的最大輸出功率為29dBm，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，EVM指標(biāo)具有相當(dāng)大的裕量，從而保證了產(chǎn)生的8PSK信號滿足EDGE所要求的EVM限制，移動終端的性能指標(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。通過對手機(jī)基帶到功率放大器部分的發(fā)射信號的狀況進(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)語對近年應(yīng)用到無線移動通信系統(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)SkyworksSolutionInc..ThePolarLoopTransmitterforQuad-BandGSM,GPRS,EDGEApplications[M].SkyworksSolutionsInc.,2006.林夫多B，艾立森H.利用極化調(diào)制產(chǎn)生線性已調(diào)信號的方法及裝置[P]瑞典:CN99811811.7,2001.RichardWang.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.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.MarkHeimbach.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.Chung-ChunChen,Hung-YangKo,Yi-ChiuanWang,etal.PolarTransmitterforWirelessCommunicationSystem[A].Proceedingsof2005InternationalSymposiumonInte-lligentSignalProcessingandCommunicationSystems[C].2005.ChristianMayer,BurkhardNeurauter,ChristianMunker,etal.ARobustGSM/EDGETransmitterusingPolarModulationTechniques[A].TheEuropeanConferenceonWirelessTechnology[C].2005.AlexWHietala.AQuad-Band8PSK/GMSKPolarTransceiver[J].IEEEJournalofSolid-StateCircuits,2006,41(5)