极化调制技术在支持多标准无线设计中的应用

由于3G无线通信标准并没有最终确定，无线基站和无线手机的开发商必须构建一个多模系统以支持CDMA、W-CDMA、GSM及其它的无线通信协议。采用极化调制技术，工程师可以建立手机和基站的多模通信系统。

构建全球覆盖的移动电话网络是无线业者追求的目标，为此，人们致力于研发在相同的设备中能够支持多种标准的多模系统，包括CDMA、TDMA、GSM、GPRS、W-CDMA和其它空中接口。然而，至今为止要构建一个适于多种模式的手机和基站的射频前端仍然很艰难，发射链路的设计对设计工程师来说尤其是一个头痛的问题。幸运的是，一项被称为极化调制(polar modulation)的新技术已初露端倪，人们希望藉此来简化多模系统的开发。

发射端面临的挑战

在深入讨论极化调制的规范之前，首先要了解手机和基站多模设计过程中在射频端面临的困难。

在一个设备中支持一种无线协议已经是一项棘手的任务，而要同时支持多种无线协议更是难上加难。为支持多种协议，无线系统设计工程师已经建成了采用多重超外差技术的多模系统。这对于集成CDMA与AMPS两种协议是足够的，但是如果要求兼容更多的协议如GPRS、EDGE和W-CDMA时，这种技术就难以为继。

为解决这个问题，很多开发商已将他们的注意力集中在收发链路中的接收端的设计上。例如，在过去几年，直接变频接收机方案提高了手机和基站设计中接收通路的集成度。虽然这种高度集成的方案尚未完全成熟，但此方案使设计工程师能在系统中更容易地集成多个接收器。

但设计工程师尚未对处于射频链路中的发射端予以同样的关注。在一个单一的设备中集成多种无线协议对发射链路具有很大的影响。例如，要集成多个射频前端，设计工程师必须在系统结构中增加额外的声表面波滤波器(SAW)、振荡器、滤波器及专门的混频器。显然这种方案不适用于对价格、功率及尺寸非常敏感的手机市场。

极化调制技术

极化调制在对载波的幅度和相位信号分别处理时，对所采用的调制类型进行数字控制。调制器与工作在开关模式的非线性功率放大器协同工作。由于没有线性工作要求，因此在各种调制情况下功率放大器的效率可以达到最大。

在极化调制方案中，多模工作是通过在多种调制协议间进行数字切换来实现的。相位信息用于控制信道内压控振荡器(VCO)。同样，对幅度数据进行处理，并根据不同标准对功率大小的要求对放大器进行调节。由于相位和幅度信息是独立处理并通过数字同步，各种信号(包括有或没有固定包格式)可以在不降低性能指标的情况下传送。

对于信号没有固定包格式的标准(如EDGE 或W-CDMA)而言，在发射和调整信号方面的主要问题是在线性度和效率间取得折中。为减少信号峰值的失真，必须降低放大器的驱动电平以防止信号削波。根据波峰大小，可以采用某种线性化技术来保证信号的完整性。这些保持线性的做法带来的直接后果是效率全面降低。

在极化调制方法中，将发送器和功率放大功能集成在两块芯片内(见图1)。在该系统中，相位和幅度信号被调制器分离为两个独立的通道。相位通道信号驱动信道内的VCO，同时，信号的幅度部分则控制晶体管，此晶体管对功率放大器的漏极供电进行调制。

在这种结构中，功率放大器工作在开关方式，当漏极电压变化时保持压缩(compression)状态。这使功率放大器产生的输出功率与其漏极供电电压成正比。通过对漏极供电的调制，载波的幅度信息(对没有固定包格式的信号)可以全部叠加到功率放大器的输出信号上。

另外，以这种方法来改变漏极电压还提供了一种对功率电平进行控制的精确方法。这种方法不需要在传统发射机设计中采用闭环功率控制，同时也去除了二极管功率检测、动态范围问题及与常规功率检测相关联的复杂电路。

除了功率控制的精度外，一个开环系统提供了系列的功率电平控制。在一个手机的参考设计中，W-CDMA信号的功率电平在80dB范围内变化。保持功率放大器在压缩状态下工作的同时提高功率放大器的效率，并与所用的调制类型无关。

鲁棒性设计

为使任何一种新技术实现商业化，设计工程师必须考虑系统对温度、供电电压、负载及频率变化的鲁棒性，极化调制技术也同样需要这种特性。首先通过了解极化调制技术在产品可制造性方面的优点来分析这些问题。

通过一些测试可以了解参数变化对输出功率、误差向量值(EVM)和功率谱密度(PSD)的影响。正如工程师所熟知，射频元件的性能会因所采用的系统结构不同而有很大的变化，这种变化会导致手机和基站系统性能的降低。

极化调制在解决性能稳定方面具有优势，通过对手机基带到功率放大器部分的发射信号的状况进行数字控制来抑止参数的变化。另外，对于所有的调制标准，这种调制技术均可使功率放大器工作在压缩状态来抑止参数变化。

数字控制的基本特性是不随温度、供电电压和其它外部条件的变化而产生性能的改变。由于在整个发射系统使用参考时钟进行控制，许多事件，如对于TDMA系统的斜波控制、信号处理、信道调谐及幅度/相位同步均可以实现精确的时序。

通过调制器控制的这些参数及功能将不会随外部条件的变化而改变。这使性能指标有了较大的富裕量，从图2所示的基站设计的例子中可以看到这点。图中温度从-10°C 变化至+70°C，载波为EDGE调制，中心频率为1842.8 MHz。

使功率放大器工作在开关模式也可以提高设计的鲁棒性。诸如晶体管参数g _m、V_be、V_T和f_T的改变对于工作在压缩状态(compression)的功率放大器影响不大。这为设计提供了相当大的灵活性，不必预留太多的设计裕量就可以达到批量生产条件下产品的指标要求。

例如，在一个通常的超外差基站发射机的设计中，可以采用六个或七个放大器、多级混频器、滤波器、衰减器和功率放大器，所有元器件性能将会随温度、频率及供电电压的变化而变化。综合考虑这些变化，为保证基站发射机的线性度、信噪比和功率量级必须进行折中设计。采用极化调制，可以去除大多数与超外差结构有关的发射机功能，保留下的是发射过程的数字控制电路和对外部环境变化不敏感的功率放大器。

图3所示为随频率和功率电平变化而变化的EVM指标。所测试的手机采用EDGE调制、工作频率为800MHz的美国蜂窝频段。此产品的均方根EVM(EVM_rms)指标为5%。对相同的手机产品，当供电电压在2.9、3.6及 4.2 V之间变化时，对相应的PSD指标进行测试。从所完成的测试中可以看到，相邻信道的指标变化小于2dB；最坏情况下，距载波400kHz处为7dB。

使用开环功率控制除了可以消除输出耦合损耗外，还可以在手机方案中去除隔离器，这将降低0.7dB插入损耗。假设每降低输出损耗0.1dB效率提高1%，则系统效率将提高约7%。

为保证经改善的电路不影响负载变化时功率放大器的性能，人们还进行了多种条件下的系列负载提升测试。在360°的相位范围内，电压驻波比(VSWR)为30:1的情况下，相邻信道的功率隔离仍然能满足距载波400kHz和600kHz处的指标要求。

人们还在改变供电电压和频率的情况下，针对宽的负载阻抗作进一步的测试和测量。这种测量证明在没有输出隔离的情况下，手机的性能指标达到了较好的预期值。

幅度和相位的同步

由于在极化调制技术中，幅度和相位信号是相互分离的，因而这些信号的同步便成为最关键的问题。要解决这个问题，将每个受数字控制的信号在射频功率晶体管的输出端进行精确的同步来改善发射信号的频谱和EVM指标。

当调制速率提高时，幅度及相位通道的同步便更加重要。为说明此问题，将EDGE信号的幅度通道延迟，使调制时信号的幅度及相位不对准。实验表明，这时的EVM _rms仍然满足指标要求，除非EDGE信号时序偏移达到0.08个符号时间。图4说明了幅度和相位通道不同步对PSD产生的影响。

比较两种测量结果可以看到，当幅度和相位能满足PSD指标时，EVM指标具有相当大的裕量。在具体实现极化调制设计时，确实会在发射机集成电路和模拟元件如漏极/集电极调制器中出现延迟参数的变化，但这些变化的总和仅在微微秒级。

极化调制的其它应用

极化调制技术的优点还在于这种技术可以在其它许多领域内应用，如专业移动无线电(PMR)、无线PBX系统、无线本地环路(WLL)系统、无线局域网(WLAN)设备及DSL产品。

在PMR方面，极化调制技术能在TETRA系统中使用(TETRA是PMR的欧洲标准)。目前，设计工程师正在开发TETRA手机的极化调制，TETRA基站的参考设计也在考虑之中。

作者：Mark Heimbach

项目经理

Tropian公司

mark.heimbach@tropian.com