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TD-SCDMA(時(shí)分同步碼分多址接入)是第三代移動(dòng)通信三大主流標準之一，是我國具有自主知識產(chǎn)權的通信標準，它標志著(zhù)中國在移動(dòng)通信領(lǐng)域已經(jīng)進(jìn)入世界先進(jìn)行列，目前，TD-SCDMA的商用化進(jìn)程正在順利地進(jìn)行之中。TD-SCDMA系統采用的是QPSK/8PSK調制，在高速的數據傳輸應用中，更是采用了如16QAM這樣的調制方式。這些調制方式都屬于非恒包絡(luò )調制。由于調制信號在幅度和相位上都存在誤差，用單純的相位誤差和頻率誤差已不足以反映信號的調制精度，于是引入了誤差矢量幅度（EVM）指標來(lái)衡量傳輸信號的質(zhì)量。在現代移動(dòng)通信系統中，EVM是衡量射頻功率放大器性能的重要指標之一。在頻分雙工模式的移動(dòng)通信系統中，由于收發(fā)信的頻率是不同的，因此射頻功率放大器與接收機同時(shí)處于工作狀態(tài)，影響射頻功率放大器EVM性能的主要因素是功率放大器的非線(xiàn)性特性以及傳輸信號的峰均比等。而在TD-SCDMA移動(dòng)通信系統中，由于采用時(shí)分雙工模式，收發(fā)信機不能同時(shí)工作，即用于發(fā)射信號的射頻功率放大器根據系統要求分時(shí)工作。除上述因素會(huì )影響射頻功率放大器的EVM指標，本文通過(guò)對基于 Freescale 生產(chǎn)的LDMOS 晶體管MW6IC2240構成的射頻功率放大器研究，以及建立相應的電路模型，主要研究了射頻功率放大器的瞬態(tài)響應上升時(shí)間對其EVM性能的影響，根據仿真和測試結果，得到在TDD模式下影響射頻功率放大器EVM性能的電路參數，提出了改進(jìn)的TD-SCDMA射頻功率放大器電路系統設計，其EVM性能接近頻分雙工模式下的性能。 TD-SCDMA射頻功率放大器 TD-SCDMA不同于WCDMA、CDMA2000等第三代移動(dòng)通信體制，它采用了TDD模式，它的接收和發(fā)射是在同一個(gè)頻率下分時(shí)進(jìn)行的，這就需要用開(kāi)關(guān)來(lái)保證通信系統收發(fā)信號的正常切換。因此，時(shí)分雙工模式下的TD-SCDMA射頻功率放大器也不同于WCDMA和CDMA2000系統中的射頻功率放大器的工作狀態(tài)，而是工作在時(shí)分雙工模式下，即只在系統發(fā)射信號的時(shí)隙內工作，在其他時(shí)隙內必須關(guān)閉，以避免系統自激。這不僅保證了系統的有序運行，也提高了系統效率和頻譜利用率。 射頻功率放大器的工作狀態(tài)是由其偏置來(lái)決定的。如果給功率放大器加一個(gè)固定的偏置電壓，則其一直處于導通狀態(tài)，這里定義為常開(kāi)模式；而要使功率放大器工作在時(shí)分雙工模式下，可以通過(guò)控制功率放大器柵極偏置電壓來(lái)實(shí)現，該控制信號根據TD-SCDMA的物理信道信號特點(diǎn)來(lái)產(chǎn)生。 這里用Freescale的LDMOS功率放大晶體管MW6IC2240設計了一個(gè)輸出功率為2W的三載波TD-SCDMA功率放大器。MW6IC2240的功能框圖如圖1所示，它包含了兩級放大，其飽和輸出功率大于40W。 圖1中的VDS1和VDS2是功率放大器的漏極供電，這里加28V的固定電壓；VGS1和VGS2則是功率放大器柵極供電端，分別給其加上固定電壓和受系統控制的偏置電壓就能使其分別工作于常開(kāi)模式和時(shí)分雙工模式。通過(guò)實(shí)際測試，其常開(kāi)模式和時(shí)分雙工模式下的EVM指標如圖2所示。 從圖2中可以看出，隨著(zhù)輸出功率的增大，EVM指標不斷惡化，這是由于隨著(zhù)輸出功率接近功率放大器的1dB壓縮點(diǎn)，非線(xiàn)性失真開(kāi)始明顯增大，非線(xiàn)性失真則會(huì )嚴重地影響EVM指標，這在其他許多文章中都有報道；這里主要研究功率放大器在時(shí)分雙工模式下(即正常工作模式）的EVM值總是比常開(kāi)狀態(tài)下的EVM值大，即功率放大器在時(shí)分雙工模式下工作對信號有所惡化，由圖2可以看出，功率放大器處于時(shí)分雙工模式下的EVM值比常開(kāi)模式時(shí)高大約0.5%（此時(shí)時(shí)分雙工方式下功率放大器的瞬態(tài)響應上升時(shí)間為1.5us）。下面主要分析產(chǎn)生這種差異的原因。 功率放大器的瞬態(tài)響應對EVM影響分析 功率放大器在時(shí)分雙工模式下與TD-SCDMA信號幀特點(diǎn)密切相關(guān)。TD-SCDMA的一個(gè)子幀的長(cháng)度為5ms，由7個(gè)常規時(shí)隙和3個(gè)特殊時(shí)隙組成，如圖3所示。這里主要考慮常規時(shí)隙：在TDMA信道上一個(gè)時(shí)隙中的信息格式稱(chēng)為突發(fā)，TD- SCDMA系統采用的突發(fā)結構如圖3所示，突發(fā)由兩個(gè)長(cháng)度分別為352chip的數據塊、一個(gè)長(cháng)度為144chip的中間碼和一個(gè)長(cháng)度為16chip的保護時(shí)隙（GP）組成。 由圖3可知，TD-SCDMA的常規時(shí)隙的最前面就是一個(gè)352chip的數據塊，其中包括了許多TD-SCDMA信號的系統信息。而射頻功率放大器對柵極輸入的脈沖偏置方波電壓總有一個(gè)瞬態(tài)響應，特別是上升時(shí)間的影響。于是產(chǎn)生了對TD-SCDMA信號削波的現象，會(huì )造成部分數據符號丟失，因此造成對 TD-SCDMA傳輸信號EVM指標的惡化。如圖2中的時(shí)分雙工模式下EVM指標就是在偏置電壓上升時(shí)間為1.5us情況下的測試數據。 功率放大器的瞬態(tài)響應不僅與器件本身有關(guān)，還與偏置電路的設計密切相關(guān)。為了更好地分析功率放大器的瞬態(tài)響應，這里根據晶體管的模型用二階R-C網(wǎng)絡(luò )來(lái)等效分析功率放大器的瞬態(tài)響應，如圖4所示。其中，C1、R1、R2代表功率晶體管的等效參數；而C2、R3、R4則是功率放大器的供電電路參數。當功率放大器打開(kāi)時(shí)，控制開(kāi)關(guān)J1的3腳與1腳相連，電源V1對電容進(jìn)行充電，可見(jiàn)電路的上升時(shí)間不僅與功率晶體管的電容C1有關(guān)，還與供電電路的濾波電容C2和電阻R4有關(guān)。在實(shí)際的應用中，R4一般選取10?贅，而由于上升時(shí)間不能太大，濾波電容只能選擇pF量級的。但功率放大器關(guān)斷時(shí)，開(kāi)關(guān)J1的3腳與2腳相連，此時(shí)電路通過(guò)阻值很小的電阻R3來(lái)放電，從而保證功率放大器的瞬態(tài)響應下降時(shí)間足夠短。 功率放大器瞬態(tài)響應上升時(shí)間與圖4中的C1、R1和R4密切相關(guān)，其中C1和R1是管子內部的參數，由所使用的功率晶體管型決定；而R4與偏置電路有關(guān)，可以通過(guò)改變R4的大小來(lái)改變整個(gè)功率放大器的瞬態(tài)響應。圖5就是在R4的不同阻值下的功率放大器電路的瞬態(tài)響應。從圖中可以看出，當R4=10Ω時(shí)，功放的柵極偏置電壓的上升時(shí)間為0.6us；當R4=20Ω時(shí)，上升時(shí)間變?yōu)?.1us；當R4=30Ω時(shí)，上升時(shí)間為1.6us。也就是說(shuō)，隨著(zhù)電阻R4 阻值的增大，功率放大器柵極偏置電壓的上升時(shí)間也隨之增大。 圖6給出了偏置電路中R4不同取值時(shí)功率放大器的EVM測試值。從圖6可以看出，偏置電壓上升得越快，對EVM的惡化越��；反之，對EVM的惡化就越大。測試中還發(fā)現，如果上升時(shí)間過(guò)長(cháng)，甚至可能導致信號無(wú)法解調。由此可見(jiàn)，功率放大器瞬態(tài)響應的上升時(shí)間與EVM確實(shí)有著(zhù)必然的聯(lián)系。 根據TD-SCDMA相關(guān)規范，要求收、發(fā)切換時(shí)開(kāi)關(guān)的上升時(shí)間必須小于2?滋s，這正是從保護信號完整傳輸和避免EVM指標惡化這方面來(lái)考慮的。而通過(guò)選擇合適的功率放大器晶體管并設計合適放大器的偏置電路和開(kāi)關(guān)控制信號，完全可以滿(mǎn)足國家提出的標準，甚至可以使得開(kāi)關(guān)的上升時(shí)間小于1us。 功率放大器偏置電壓控制信號設計 如圖6所示，即使功率放大器的瞬態(tài)響應上升時(shí)間小至1us，放大器工作在時(shí)分雙工模式時(shí)的EVM仍然大于1.2%，仍然大于功率放大器處于常開(kāi)模式下的 EVM指標，即功率放大器的瞬態(tài)響應仍然對信號質(zhì)量造成了惡化。顯然，由于功率放大器本身以及偏置電路的影響，功率放大器的瞬態(tài)響應上升時(shí)間不可能為零，因此不可避免地會(huì )產(chǎn)生削波現象，從而惡化EVM指標。 為了避免功率放大器的瞬態(tài)響應上升時(shí)間對EVM的影響，就必須保證在TD-SCDMA信號到來(lái)時(shí)，功放的瞬態(tài)響應已經(jīng)結束，即功放開(kāi)關(guān)已經(jīng)完全打開(kāi)。因此，必須把功放的打開(kāi)時(shí)間提前。由于TD-SCDMA系統是一個(gè)同步系統，具有統一的時(shí)鐘參考和同步控制，因此實(shí)現開(kāi)關(guān)的提前打開(kāi)控制并不困難，本文對此不作論述。至于開(kāi)關(guān)打開(kāi)的提前量設為多少比較合適，則要根據具體的功放電路的瞬態(tài)響應速度來(lái)決定。實(shí)驗中，當功放開(kāi)關(guān)的上升時(shí)間為1.5us時(shí)，改變開(kāi)關(guān)打開(kāi)的提前量，得到相應情況下的EVM數值如圖7所示。 由圖7可見(jiàn)，當功放開(kāi)關(guān)不提前打開(kāi)時(shí)，EVM值大于1.5%；而隨著(zhù)打開(kāi)提前量的逐漸增加，EVM的值也逐漸減��；當開(kāi)關(guān)打開(kāi)的提前量增加到與該功放打開(kāi)的上升時(shí)間相當時(shí)(本例中為1.5us)，EVM數值則下降到與常開(kāi)模式下的EVM數值完全相同的水平；若繼續增大開(kāi)關(guān)打開(kāi)的提前量，EVM則保持不變。由此可知，當功放開(kāi)關(guān)打開(kāi)的提前量不小于功放本身的打開(kāi)上升時(shí)間時(shí)，功放在TD-SCDMA信號到來(lái)時(shí)就已經(jīng)處于完全打開(kāi)的狀態(tài)，瞬態(tài)響應已經(jīng)結束，也就不會(huì )產(chǎn)生對信號的削波現象，自然也就不會(huì )對EVM有額外的惡化。 由圖3可以看出，在TD-SCDMA常規時(shí)隙之間，只有12.5us的保護間隔（GP），也就是在上、下行切換的可變切換點(diǎn)，只有12.5us的上、下行保護時(shí)間�？紤]到必須保證上、下行之間要有很好的隔離效果來(lái)保證系統的穩定運行，國家規定上行(或下行)開(kāi)關(guān)完全關(guān)斷與下行(或上行)開(kāi)關(guān)開(kāi)始打開(kāi)之間必須有大于3us的保護時(shí)間；而且TD-SCDMA收發(fā)設備本身還可能有3?滋s～5?滋s的延時(shí)。因此即使可以通過(guò)開(kāi)關(guān)的提前打開(kāi)來(lái)減小EVM的惡化，開(kāi)關(guān)打開(kāi)的提前量也是嚴格受限的。例如：由于下行開(kāi)關(guān)的打開(kāi)提前量過(guò)大可能造成上行還未完全關(guān)斷時(shí)，上行就已經(jīng)打開(kāi)的情況，此時(shí)上、下行同時(shí)工作，很容易產(chǎn)生自激等不穩定的后果，造成系統故障。因此，國家對上下行之間的保護時(shí)間、上下行功率開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)速度以及上下行功率開(kāi)關(guān)的打開(kāi)提前量和關(guān)閉滯后量都有明確而嚴格的規定，這里不作具體介紹。從上面的分析可以看出，在開(kāi)關(guān)的打開(kāi)速度夠快的前提下(小于2?滋s)，通過(guò)開(kāi)關(guān)的提前開(kāi)啟(開(kāi)關(guān)的打開(kāi)提前量不小于開(kāi)關(guān)打開(kāi) 的上升時(shí)間)可以使得功放在時(shí)分雙工模式下的EVM指標達到常開(kāi)模式下的水平，即此時(shí)開(kāi)關(guān)的瞬態(tài)響應并不會(huì )使信號質(zhì)量惡化，功放能夠良好運行。 本文分析了TD-SCDMA功率放大器的EVM指標在時(shí)分雙工模式下和常開(kāi)模式下的區別。通過(guò)對功放的瞬態(tài)響應解釋了功放在時(shí)分雙工模式下對EVM的惡化主要來(lái)自于功率開(kāi)關(guān)打開(kāi)時(shí)間的限制，即開(kāi)關(guān)打開(kāi)時(shí)間越長(cháng)，對EVM造成的惡化越大。為了深入地分析功放的瞬態(tài)響應，本文建立了一個(gè)二階R-C模型，介紹了制約功放瞬態(tài)響應的相關(guān)因素。最后，提出了改善TD-SCDMA功率放大器時(shí)分雙工模式EVM指標的方案：提高功放開(kāi)關(guān)的打開(kāi)速度以及實(shí)現功放開(kāi)關(guān)的提前打開(kāi)。給出了具體的建議：功放開(kāi)關(guān)的上升時(shí)間小于2?滋s；功放開(kāi)關(guān)打開(kāi)的提前量不小于功放開(kāi)關(guān)的上升時(shí)間。經(jīng)檢測表明，基于本文理論實(shí)現的功率放大器在 TD-SCDMA無(wú)線(xiàn)設備中和整個(gè)TD-SCDMA系統網(wǎng)絡(luò )中都能正常工作，并且性能良好。 |
