极化调制技术在EDGE系统中的应用

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摘 要:研究近年来应用在无线移动通信系统的极化调制技术,从介绍极化调制技术发展现状开始,分析了极化调制技术的基本工作原理,研究了极化调制的核心技术――功率放大器将幅度信号和相位信号合并为调制信号,通过信号合成分析及数学解析,提出了极化调制器关键技术的设计实现方法及其性能测试结果,结果表明极化调制技术能够实现edge系统通信终端高线性度和高功效的要求。

关键词:极化调制;EDGE;信号合成;功率放大

中图分类号:TN91文献标识码:A

文章编号:1004-373X(2010)05-019-03

Application of Polar Modulation Technology in EDGE System

YAO Tai1,2,ZHU Jiang1

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

work 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

在无线移动通信技术迅猛发展的今天,能否提高设备功率利用率是众多工程设计人员追求的目标之一。在无线移动通信终端中,发射机所消耗的功率决定于功率放大器,对于功率放大器的要求是高线性度和高功率转换效率。传统类型的功率放大器,线性度和功率转换效率需折衷选择,线性度的增加要求必然会造成功率转换效率的降低。因此,使功率放大器既能具有高线性度而不至于放大信号失真,同时能兼顾功率转换效率一直是功率放大器设计的重要课题。对应于这样的需求,采用极化调制方式实现发射机得到了比较广泛的应用。

极化调制(Polar Modulation)是采用相位调制和幅度调制结合的方式来实现数字调制的方法,其优点是可以同时满足高线性度和高效率低功耗的要求,提高发射机效率,提供较高的稳定性,并且支持多种调制模式,如GMSK,8PSK,QPSK等所产生的I,Q信号。目前这种技术在无线移动通信中得到比较广泛的应用,尤其是在将现存的GSM(全球移动通信系统)设备或模块升级为EDGE(Enhanced Data Rate for GSM Evolution,增强型数据速率GSM演进技术)的应用中。

极化调制技术的发展主要有三种:小信号(Polar Lite)、极化环和直接(开环)极化。与传统的线性方式相比,上述每种方法都有其优势,但只有直接极化被公认为不仅能实现简化和高效的目标,而且能保持RF频谱性能,所以本文主要讨论的是直接极化方式。

1 极化调制工作原理

简单讲,极化调制技术是把发射机的基带信号分离成幅度和相位两种信息,然后分别经过射频部分幅度包络调制和相位调制,再在射频放大器中合并放大生成所需的调制信号,其工作原理如图1所示。

图1 极化调制工作原理图

首先将二进制数据(Binary Data)的数字信息调制成向量(Vector)式的I,Q信号,这些I,Q信号再通过CORDIC运算,将I,Q信号转变成幅度与相位分离的R,φ信号,也就是说把一个调制信号分离成两个完全独立的AM(Amplitude Modulation)及PM(Phase Modulation)信号,然后再将常数包络(Constant-envelop)振幅大小不变的PM信号接到功率放大器(Power Amplifier,PA)的基极,将功率放大器驱动到饱和区,这样就可以使功率放大器工作在非线性的饱和区而有最好的效率,再将AM信号加入功率放大器的集电极,则可在功率放大器的输出将原信号合成回来,并最后以射频输出信号。

可见,由于极化调制技术采用相位调制和幅度调制结合的方式实现数字调制,其高效率可通过使用一个高效率的非线性PA,一般采用E类PA,使它工作在最高效率点(饱和点)来实现;其线性传输可通过提供给PA的电压来调制信号的幅度信息,提高了多模式无线通信系统发射机的高效调制能力。

归纳起来,极化调制技术的优点如下:一是功率放大器工作在饱和区,线性传输则是通过调整放大器的电源电压来调制信号的幅度包络,可以提高发射机效率,满足高功效性要求;二是极化调制的结构中高线性度是通过引入非线性的放大器使其工作在最大峰值效率,而满足多模式无线移动通信终端高线性度的要求。但是,极化调制也有输出飘移、幅度与相位信号不同步等缺点,一般要通过预失真技术来校正。

2 信号合成与解析

极化调制的核心技术是通过功率放大器将幅度信号和相位信号合并为调制信号,其合成原理如图2所示。

图2 信号合成图

首先将一个常数包络振幅固定不变的相位调制PM信号输入功率放大器的基极,将功率放大器驱动到饱和区,这样就可以使功率放大器工作在非线性的饱和区而有最好的效率;再将振幅调制AM信号加入功率放大器的集电极,由于基极信号使功率放大器工作在开/关状态,则可在功率放大器的输出将原信号合成回来。所以在输出极的信号就好象波形A(t)被φ(t)取样一样,如图2所示的V(t)。

通过数学表达式解析,可以看到极化调制是利用信号的幅度和相位信息元素来代替传统的“同相/正交(I/Q)”数字符号形式,目的是产生如下调制信号:

式(2)和式(3)表明,仅包含相位信息的信号通过相位调制器后,再和它的幅度包络相乘,就可以在PA重新生成原来基带输入的复杂信号V(t),这种极化调制过程与EER(包络消除和恢复结构)类似,即传统设计中信号的一部分通过限幅器移除包络信息而保留信号的相位信息,信号的另一部分则通过包络侦测器提取信号的幅度信息。

3 极化调制器实现与性能分析

目前,极化调制已在无线移动通信系统中得到了广泛应用。例如,现在市场上采用极化调制且最具代表性的产品就是RF Micro Device的Polaris 2 芯片组。其RF6003就是一个数字CMOS芯片处理GMSK及8-PSK的调制/解调,和CORDIC运算的器件。RF3144则是一个E类的功率放大器以实现极化调制。还有Tropian公司研发的Timestar TR15431N无线电收发器IC,也使用极化调制技术控制标准的GSM/GPRS功放。

以目前一种应用最为广泛的EDGE系统为例,极化调制器的设计如图3所示。

图3 移动通信终端极化调制器设计图

一般将发送器和功率放大功能集成在两块芯片内RF6003和RF3144。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,对此晶体管对功率放大器的漏极供电进行控制。

这样的E类设计功率放大器,使功率放大器工作在开/关状态,也就是高电压时零电流,零电压时高电流,而使功率损耗减到最低,并使得功率放大器的效率非常接近于其工作在饱和区时的效率,而这远比在线性区时高了许多。

在实际的硬件设计中,还必须注意:

(1) 相位及振幅的带宽直接与锁相回路的设计相关,也就是说相位及振幅的带宽必须大于符号字符数据率(Symbol Data Rate)的两倍,振幅带宽通常是1 MHz,而相位带宽通常是2 MHz。

(2) 相位及振幅在不同路径的时间延迟一致(Alignment),通常要求相位及振幅的时间差不能大于0032 5个字符,也就是约100 ns。

(3) 最重要的是处理相位及振幅在功率放大器上的失真,因此在预失真(Pre-distortion)的校正准确度上必须特别注意。

文献[1]设计实现应用于EDGE系统的极化调制器,发射机端测量的性能如图4所示。

图4 EDGE系统通信终端发射机性能图

结果表明,900 MHz载波时,EDGE系统发射频谱主瓣的最大输出功率为29 dBm,满足系统功率输出要求;EVM(误差向量值)指标随功率和频率的变化而变化,当幅度和相位满足PSD(功率谱密度)指标时,EVM指标具有相当大的裕量,从而保证了产生的8PSK信号满足EDGE所要求的EVM限制,移动终端的性能指标达到了较好的预期值。

此外,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,使功率放大器工作在开关模式也可以提高设计的鲁棒性。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。

4 结 语

对近年应用到无线移动通信系统的极化调制技术原理进行了介绍,通过具体分析极化调制的关键技术,研究了极化调制器无线移动终端的性能及实现方法,得出了极化调制技术能满足无线移动通信终端高线性度和高功效的要求。目前,极化调制技术的优点还在于这种技术可以在其他许多领域内应用,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。因此,随着对极化调制技术的发展,深入开展其在卫星通信领域的技术研究,对提高卫星信道的线性度和提高HPA的功率利用率,具有较大的借鉴意义。

参 考 文 献

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