TD-SCDMA射頻功率放大器研究

　　TD-SCDMA(時分同步碼分多址接入)是第三代移動通信三大主流標準之一，是我國具有自主知識產(chǎn)權(quán)的通信標準，它標志著中國在移動通信領域已經(jīng)進入世界先進行列，目前，TD-SCDMA的商用化進程正在順利地進行之中[1]。TD-SCDMA系統(tǒng)采用的是QPSK/8PSK調(diào)制，在高速的數(shù)據(jù)傳輸應用中，更是采用了如16QAM這樣的調(diào)制方式。這些調(diào)制方式都屬于非恒包絡調(diào)制。由于調(diào)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(diào)制精度，于是引入了誤差矢量幅度（EVM）指標來衡量傳輸信號的質(zhì)量。在現(xiàn)代移動通信系統(tǒng)中，EVM是衡量射頻功率放大器性能的重要指標之一[2-3]。在頻分雙工模式的移動通信系統(tǒng)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性特性以及傳輸信號的峰均比等。而在TD-SCDMA移動通信系統(tǒng)中，由于采用時分雙工模式，收發(fā)信機不能同時工作，即用于發(fā)射信號的射頻功率放大器根據(jù)系統(tǒng)要求分時工作[4]。除上述因素會影響射頻功率放大器的EVM指標，本文通過對基于 Freescale 生產(chǎn)的LDMOS 晶體管MW6IC2240構(gòu)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)響應上升時間對其EVM性能的影響，根據(jù)仿真和測試結(jié)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(shù)，提出了改進的TD-SCDMA射頻功率放大器電路系統(tǒng)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等第三代移動通信體制，它采用了TDD模式，它的接收和發(fā)射是在同一個頻率下分時進行的，這就需要用開關來保證通信系統(tǒng)收發(fā)信號的正常切換。因此，時分雙工模式下的TD-SCDMA射頻功率放大器也不同于WCDMA和CDMA2000系統(tǒng)中的射頻功率放大器的工作狀態(tài)，而是工作在時分雙工模式下，即只在系統(tǒng)發(fā)射信號的時隙內(nèi)工作，在其他時隙內(nèi)必須關閉，以避免系統(tǒng)自激。這不僅保證了系統(tǒng)的有序運行，也提高了系統(tǒng)效率和頻譜利用率。

　　射頻功率放大器的工作狀態(tài)是由其偏置來決定的。如果給功率放大器加一個固定的偏置電壓，則其一直處于導通狀態(tài)，這里定義為常開模式；而要使功率放大器工作在時分雙工模式下，可以通過控制功率放大器柵極偏置電壓來實現(xiàn)，該控制信號根據(jù)TD-SCDMA的物理信道信號特點來產(chǎn)生。

　　這里用Freescale的LDMOS功率放大晶體管MW6IC2240設計了一個輸出功率為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(tǒng)控制的偏置電壓就能使其分別工作于常開模式和時分雙工模式。通過實際測試，其常開模式和時分雙工模式下的EVM指標如圖2所示。

　　從圖2中可以看出，隨著輸出功率的增大，EVM指標不斷惡化，這是由于隨著輸出功率接近功率放大器的1dB壓縮點，非線性失真開始明顯增大，非線性失真則會嚴重地影響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分雙工模式下(即正常工作模式）的EVM值總是比常開狀態(tài)下的EVM值大，即功率放大器在時分雙工模式下工作對信號有所惡化，由圖2可以看出，功率放大器處于時分雙工模式下的EVM值比常開模式時高大約0.5%（此時時分雙工方式下功率放大器的瞬態(tài)響應上升時間為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

　　功率放大器在時分雙工模式下與TD-SCDMA信號幀特點密切相關。TD-SCDMA的一個子幀的長度為5ms，由7個常規(guī)時隙和3個特殊時隙組成，如圖3所示。這里主要考慮常規(guī)時隙：在TDMA信道上一個時隙中的信息格式稱為突發(fā)，TD- SCDMA系統(tǒng)采用的突發(fā)結(jié)構(gòu)如圖3所示，突發(fā)由兩個長度分別為352chip的數(shù)據(jù)塊、一個長度為144chip的中間碼和一個長度為16chip的保護時隙（GP）組成[5]。

　　由圖3可知，TD-SCDMA的常規(guī)時隙的最前面就是一個352chip的數(shù)據(jù)塊，其中包括了許多TD-SCDMA信號的系統(tǒng)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瞬態(tài)響應，特別是上升時間的影響。于是產(chǎn)生了對TD-SCDMA信號削波的現(xiàn)象，會造成部分數(shù)據(jù)符號丟失，因此造成對 TD-SCDMA傳輸信號EVM指標的惡化。如圖2中的時分雙工模式下EVM指標就是在偏置電壓上升時間為1.5us情況下的測試數(shù)據(jù)。