【3g手机的功能】2G/3G移动通信标准和相关手机上行射频链路架构介绍

本文的主要目的不是详细说明2G/3G蜂窝通信标准，而是仅提供有助于理解上行链路发射机和功率放大器(PA)设计中最重要的问题和折衷的关键要素。

第二代射频标准及其对上行链路架构的影响

第二代GSM/GPRS标准基于高斯移位键控调制(GMSK)调制方式.，而这种调制方式只基于相位调制，如图1.1所示。 这种恒定包络调制方案使得设计一种高效的发射机相对容易. GSM/GPRS手机TX传统上是通过提供由sigma-delta调制器控制的锁相环(PLL)来实现的：sigma-delta调制器提供数字相位信息(1：+90度相位偏移；0：-90度相位偏移)。 通过使用开关类功放拓扑(E类或F类PA)，从而使射频功率放大器的效率最大化。 GSMPA设计有两个关键制约因素： 均方根相位误差不应超过5◦ 以及由于GSM以时间双工模式(TDD)工作，突发（Bust）上升/下降必须完成时间模板(即Mask， 有限的开关设定时间[On/Off settling times])。 为了提高GSM/GPRS的吞吐量，在其上面又引入了一个兼容的扩展名为EDGE的通信标准。 虽然这一标准意味着对网络和基带处理水平的影响较小，但它实现了一种基于8相位移位键控的非恒包络调制方案（见图 1.1)。

图 1.1GMSK和8PSK调制方案的说明图示

因此，GSM/EDGE兼容的发射机体系结构必须被更新并转换为（开环)极化调制或(闭环）极化调制的结构，分别在图1.2和1.3 中描述。 在引入控制输出包络大小的附加功能块的同时，相位是以它以前用于GSM/GPRS收发信机中相同的方式进行控制的。 有人提出了一种包络消除和恢复（EER）的发射机架构，这是一种从极性调制直接继承过来的有效功率放大器的拓扑架构。 在极化环中，输出RF信号首先向下转换. 然后用限制器对输出相位进行探测，与初始参考相位进行比较，并将所产生的相位误差反馈给PLL。 同样，功率检测器探测输出幅度， 产生的幅度误差从与参考幅度（由调制器提供的）进行比较，并反馈到幅度控制放大器。 虽然极化环比极性调制更复杂，但它是一种对天线失配(即电压驻波比，Voltage Standing Wave Ratio)更健壮的拓扑架构，并使使用隔离器过时。

图1 1.2极性调制发射机架构

图1.3极化环发射机架构

GSM/EDGE的特性和线性规范要求要么用时间突发掩码表示，要么用相位误差(GSM)表示，要么用误差向量幅值(EDGE)表示。 频谱谱要求也必须满足严格的频谱模板要求，如图1.4所示。

图 1.4 EDGE的频谱模板规格要求

表1.1GSM/EDGE的特性和规格要求

基于CDMA标准的第三代移动通信技术

目前在世界各地部署的第三代标准分为两个家庭：CDMA2000（北美）和WCDMA（欧洲）。 它们都是基于码分多址(CDMA)的。 与将通信定时调度时隙分配给用户（时分多址）的GSM/EDGE网络相反，CDMA访问方法允许多个用户同时在同一频带内传输/接收多个数据信道（图 1.5所示)。

图 1.5 TDMA vs CDMA

为了克服远近（Near-Far）问题，第三代移动通信网络中设计了管理软切换的机制（在一个终端和几个基站之间切换）和精确的功率控制(+-1dB)。 事实上，如果不进行这种功率控制，基站和用户设备可能在完全没有必要的满发射功率的情况下运行，这将导致功率效率低下和/或网络过载。 功率控制必须能够适应由于电路性能偏差而产生的输出功率变化，例如环境条件（天线驻波比、温度等）和多径衰落的过程中。 此外，第三代移动通信标准必须适用功率控制的范围比GSM/EDGE(30/50dB)要广得多。 这意味着3G发射机可以在非常低的功率水平上工作，对此可以观察到高噪声/效率问题。 解决这些问题的一个常见方法是在功率增益不连续的严格条件下关闭PA。

功率控制采用两种方法：

闭环功率控制

在该方法中，用户终端(UE)和基站(节点B，nodeB)参与了一个闭环系统，该闭环系统允许上行/下行链路功率电平根据UE/基站(节点B，nodeB)距离、通信条件和小区容量在适当的值上主维持（图 1.6)。

图 1.6闭环功率控制的说明图

这种闭环的时间响应必须足够低，以补偿无论是在行人还是车辆移动场景中的小区内的快速多路径延迟。 实际上，闭环时间响应应该是1µs级别。

开环功率控制

“开环（Open-loop）” 表示有点模棱两可，必须从UE/基站(节点B，nodeB)通信的角度来理解。 一种实用的方法；实现这种控制是在发射机中插入自动增益控制回路(AGC)。 为3G标准设计的典型的上行链路架构包括AGC环，在图中1.7和1.8中描述， 第三代标准采用QAM调制方案，这使得极化环的使用不切实际。 因此，超外差或直接转换的I/Q正交收发信机的体系结构是最为常用的。

图1.7超外差发射机架构，包括自动增益控制回路

图1.8直接转换发射机架构，包括自动增益控制回路

为了减少功耗和PCB面积，经常使用直接转换。 然后，为了放松调制器和接收路径上的噪声/线性要求，需要在PA之前插入选择性带通滤波器。

通过功率检测器和非常窄带低通滤波器（或积分器）计算平均误差包络，并控制可变增益放大器(VGA)。 采用与线性BVGA相关的对数检测器有时被用来缩短环路时间响应和增强检测的动态范围。

第三代标准的另一个特点是它们的非恒定包络调制，这种I/Q发射机结构不能缓解传统的线性/效率权衡。 因此，必须采用PA设计技术来保持电池的寿命，同时又不增加误码率。