TD-SCDMA射频功率放大器研究

TD-SCDMA(时分同步码分多址接入)是第三代移动通信三大主流标准之一，是我国具有自主知识产权的通信标准，它标志着中国在移动通信领域已经进入世界先进行列，目前，TD-SCDMA的商用化进程正在顺利地进行之中[1]。TD-SCDMA系统采用的是QPSK/8PSK调制，在高速的数据传输应用中，更是采用了如16QAM这样的调制方式。这些调制方式都属于非恒包络调制。由于调制信号在幅度和相位上都存在误差，用单纯的相位误差和频率误差已不足以反映信号的调制精度，于是引入了误差矢量幅度（EVM）指标来衡量传输信号的质量。在现代移动通信系统中，EVM是衡量射频功率放大器性能的重要指标之一[2-3]。在频分双工模式的移动通信系统中，由于收发信的频率是不同的，因此射频功率放大器与接收机同时处于工作状态，影响射频功率放大器EVM性能的主要因素是功率放大器的非线性特性以及传输信号的峰均比等。而在TD-SCDMA移动通信系统中，由于采用时分双工模式，收发信机不能同时工作，即用于发射信号的射频功率放大器根据系统要求分时工作[4]。除上述因素会影响射频功率放大器的EVM指标，本文通过对基于 Freescale 生产的LDMOS 晶体管MW6IC2240构成的射频功率放大器研究，以及建立相应的电路模型，主要研究了射频功率放大器的瞬态响应上升时间对其EVM性能的影响，根据仿真和测试结果，得到在TDD模式下影响射频功率放大器EVM性能的电路参数，提出了改进的TD-SCDMA射频功率放大器电路系统设计，其EVM性能接近频分双工模式下的性能。
  　　TD-SCDMA射频功率放大器
  　　TD-SCDMA不同于WCDMA、CDMA2000等第三代移动通信体制，它采用了TDD模式，它的接收和发射是在同一个频率下分时进行的，这就需要用开关来保证通信系统收发信号的正常切换。因此，时分双工模式下的TD-SCDMA射频功率放大器也不同于WCDMA和CDMA2000系统中的射频功率放大器的工作状态，而是工作在时分双工模式下，即只在系统发射信号的时隙内工作，在其他时隙内必须关闭，以避免系统自激。这不仅保证了系统的有序运行，也提高了系统效率和频谱利用率。
  　　射频功率放大器的工作状态是由其偏置来决定的。如果给功率放大器加一个固定的偏置电压，则其一直处于导通状态，这里定义为常开模式；而要使功率放大器工作在时分双工模式下，可以通过控制功率放大器栅极偏置电压来实现，该控制信号根据TD-SCDMA的物理信道信号特点来产生。
  　　这里用Freescale的LDMOS功率放大晶体管MW6IC2240设计了一个输出功率为2W的三载波TD-SCDMA功率放大器。MW6IC2240的功能框图如图1所示，它包含了两级放大，其饱和输出功率大于40W。
  
  　　图1中的VDS1和VDS2是功率放大器的漏极供电，这里加28V的固定电压；VGS1和VGS2则是功率放大器栅极供电端，分别给其加上固定电压和受系统控制的偏置电压就能使其分别工作于常开模式和时分双工模式。通过实际测试，其常开模式和时分双工模式下的EVM指标如图2所示。
  
  　　从图2中可以看出，随着输出功率的增大，EVM指标不断恶化，这是由于随着输出功率接近功率放大器的1dB压缩点，非线性失真开始明显增大，非线性失真则会严重地影响EVM指标，这在其他许多文章中都有报道；这里主要研究功率放大器在时分双工模式下(即正常工作模式）的EVM值总是比常开状态下的EVM值大，即功率放大器在时分双工模式下工作对信号有所恶化，由图2可以看出，功率放大器处于时分双工模式下的EVM值比常开模式时高大约0.5%（此时时分双工方式下功率放大器的瞬态响应上升时间为1.5us）。下面主要分析产生这种差异的原因。
  　　功率放大器的瞬态响应对EVM影响分析
  　　功率放大器在时分双工模式下与TD-SCDMA信号帧特点密切相关。TD-SCDMA的一个子帧的长度为5ms，由7个常规时隙和3个特殊时隙组成，如图3所示。这里主要考虑常规时隙：在TDMA信道上一个时隙中的信息格式称为突发，TD- SCDMA系统采用的突发结构如图3所示，突发由两个长度分别为352chip的数据块、一个长度为144chip的中间码和一个长度为16chip的保护时隙（GP）组成[5]。
  
  　　由图3可知，TD-SCDMA的常规时隙的最前面就是一个352chip的数据块，其中包括了许多TD-SCDMA信号的系统信息。而射频功率放大器对栅极输入的脉冲偏置方波电压总有一个瞬态响应，特别是上升时间的影响。于是产生了对TD-SCDMA信号削波的现象，会造成部分数据符号丢失，因此造成对 TD-SCDMA传输信号EVM指标的恶化。如图2中的时分双工模式下EVM指标就是在偏置电压上升时间为1.5us情况下的测试数据。
  功率放大器的瞬态响应不仅与器件本身有关，还与偏置电路的设计密切相关。为了更好地分析功率放大器的瞬态响应，这里根据晶体管的模型用二阶R-C网络来等效分析功率放大器的瞬态响应，如图4所示。其中，C1、R1、R2代表功率晶体管的等效参数；而C2、R3、R4则是功率放大器的供电电路参数。当功率放大器打开时，控制开关J1的3脚与1脚相连，电源|稳压器V1对电容进行充电，可见电路的上升时间不仅与功率晶体管的电容C1有关，还与供电电路的滤波电容C2和电阻R4有关。在实际的应用中，R4一般选取10?赘，而由于上升时间不能太大，滤波电容只能选择pF量级的。但功率放大器关断时，开关J1的3脚与2脚相连，此时电路通过阻值很小的电阻R3来放电，从而保证功率放大器的瞬态响应下降时间足够短。
  　　功率放大器瞬态响应上升时间与图4中的C1、R1和R4密切相关，其中C1和R1是管子内部的参数，由所使用的功率晶体管型决定；而R4与偏置电路有关，可以通过改变R4的大小来改变整个功率放大器的瞬态响应。图5就是在R4的不同阻值下的功率放大器电路的瞬态响应。从图中可以看出，当R4=10Ω时，功放的栅极偏置电压的上升时间为0.6us；当R4=20Ω时，上升时间变为1.1us；当R4=30Ω时，上升时间为1.6us。也就是说，随着电阻R4 阻值的增大，功率放大器栅极偏置电压的上升时间也随之增大。
  
  
  　　图6给出了偏置电路中R4不同取值时功率放大器的EVM测试值。从图6可以看出，偏置电压上升得越快，对EVM的恶化越小；反之，对EVM的恶化就越大。测试中还发现，如果上升时间过长，甚至可能导致信号无法解调。由此可见，功率放大器瞬态响应的上升时间与EVM确实有着必然的联系。
  　　根据TD-SCDMA相关规范，要求收、发切换时开关的上升时间必须小于2?滋s，这正是从保护信号完整传输和避免EVM指标恶化这方面来考虑的。而通过选择合适的功率放大器晶体管并设计合适放大器的偏置电路和开关控制信号，完全可以满足国家提出的标准，甚至可以使得开关的上升时间小于1us。
  　　功率放大器偏置电压控制信号设计
  　　如图6所示，即使功率放大器的瞬态响应上升时间小至1us，放大器工作在时分双工模式时的EVM仍然大于1.2%，仍然大于功率放大器处于常开模式下的 EVM指标，即功率放大器的瞬态响应仍然对信号质量造成了恶化。显然，由于功率放大器本身以及偏置电路的影响，功率放大器的瞬态响应上升时间不可能为零，因此不可避免地会产生削波现象，从而恶化EVM指标。
  　　为了避免功率放大器的瞬态响应上升时间对EVM的影响，就必须保证在TD-SCDMA信号到来时，功放的瞬态响应已经结束，即功放开关已经完全打开。因此，必须把功放的打开时间提前。由于TD-SCDMA系统是一个同步系统，具有统一的时钟参考和同步控制，因此实现开关的提前打开控制并不困难，本文对此不作论述。实验中，当功放开关的上升时间为1.5us时，改变开关打开的提前量，得到相应情况下的EVM数值如图7所示。
  
  　　由图7可见，当功放开关不提前打开时，EVM值大于1.5%；而随着打开提前量的逐渐增加，EVM的值也逐渐减小；当开关打开的提前量增加到与该功放打开的上升时间相当时(本例中为1.5us)，EVM数值则下降到与常开模式下的EVM数值完全相同的水平；若继续增大开关打开的提前量，EVM则保持不变。由此可知，当功放开关打开的提前量不小于功放本身的打开上升时间时，功放在TD-SCDMA信号到来时就已经处于完全打开的状态，瞬态响应已经结束，也就不会产生对信号的削波现象，自然也就不会对EVM有额外的恶化。
  　　由图3可以看出，在TD-SCDMA常规时隙之间，只有12.5us的保护间隔（GP），也就是在上、下行切换的可变切换点，只有12.5us的上、下行保护时间。考虑到必须保证上、下行之间要有很好的隔离效果来保证系统的稳定运行，国家规定上行(或下行)开关完全关断与下行(或上行)开关开始打开之间必须有大于3us的保护时间；而且TD-SCDMA收发设备本身还可能有3?滋s～5?滋s的延时。因此即使可以通过开关的提前打开来减小EVM的恶化，开关打开的提前量也是严格受限的。例如：由于下行开关的打开提前量过大可能造成上行还未完全关断时，上行就已经打开的情况，此时上、下行同时工作，很容易产生自激等不稳定的后果，造成系统故障。因此，国家对上下行之间的保护时间、上下行功率开关的开关速度以及上下行功率开关的打开提前量和关闭滞后量都有明确而严格的规定，这里不作具体介绍。从上面的分析可以看出，在开关的打开速度够快的前提下(小于2?滋s)，通过开关的提前开启(开关的打开提前量不小于开关打开 的上升时间)可以使得功放在时分双工模式下的EVM指标达到常开模式下的水平，即此时开关的瞬态响应并不会使信号质量恶化，功放能够良好运行。
  　　本文分析了TD-SCDMA功率放大器的EVM指标在时分双工模式下和常开模式下的区别。通过对功放的瞬态响应解释了功放在时分双工模式下对EVM的恶化主要来自于功率开关打开时间的限制，即开关打开时间越长，对EVM造成的恶化越大。为了深入地分析功放的瞬态响应，本文建立了一个二阶R-C模型，介绍了制约功放瞬态响应的相关因素。最后，提出了改善TD-SCDMA功率放大器时分双工模式EVM指标的方案：提高功放开关的打开速度以及实现功放开关的提前打开。给出了具体的建议：功放开关的上升时间小于2?滋s；功放开关打开的提前量不小于功放开关的上升时间。经检测表明，基于本文理论实现的功率放大器在 TD-SCDMA无线设备中和整个TD-SCDMA系统网络中都能正常工作，并且性能良好。