不随波峰因数变化的射频功率检波器

不随波峰因数变化的射频功率检波器

     介绍
    
     过去几年来，移动电话系统的重要变革是从功率效率数字调制方案转向带宽效率数字调制技术。新型移动电话系统要具备提供高传输速率的能力，以满足宽带应用的需求。
    
     功率效率调制方案可以最低的实际功率电平，为通信系统提供可靠的信息传输。一个最成功的实例就是GSM/GPRS网络。在GSM/GPRS网络中，使用的是二相信令GMSK调制。
    
     带宽效率调制方案则是在一个有限的频谱带宽内提供更高的数据速率。所有初始阶段的3G网络都利用了这种调制方案的优点。在最新的W-CDMA空中接口的高速下行分组接入（HSDPA）中甚至使用了16相正交幅度调制（16QAM）方案。16QAM用于下行链路，为手机用户提供一种下载信息的更快方法。向带宽效率调制的转移可以为各种3G手机业务提供更强大的信息传输能力、更高的数据安全性、更好的服务质量（QoS），以及更快的系统面市时间。
    
     与低级二相调制方案（如GMSK）相比，高级多相调制方案（如8PSK、16AQM 等）具备传送大量信息的更高性能。
    
     要获得更大的容量，就要在无线电与DSP方面付出更多复杂硬件的代价。另一个选择则可以用比较复杂的发射机和接收机在较小的带宽上传输相同的信息。
    
     总之，向日益复杂的高效传输技术的转变需要越来越复杂的硬件。这种复杂硬件可能包括一个更强大的DSP、更快的信号处理算法、高线性度的射频功率放大器，以及更准确的射频功率检波器等。
    
     本文的目的是示范并简述美国国家半导体的 LMV232 均方根值检波器可以在手机或移动设备的带宽效率调制射频传输中，用作一个准确的射频功率检波器。
    
     手机数字调制方案一览
    
     数字调制方案可以每秒在特定带宽内传输更大量的数据或位数，从而有更高的频谱效率。因此，我们将一个调制的带宽或频谱效率定义为“传输码率除以占用信道带宽，即bit/second/Hz”。表1显示较高M相调制方案有众多输出级，因此有更好的频谱效率。
    

    
    
    
     图1显示了每种调制的星座图。图中可以看到，只有GMSK有恒定的射频包络。
    
     查看带宽效率的另一种方法是符号率（symbol rate）（或波特率），因为通信信道需要的信号带宽取决于符号率，而不是码率(bit rate)：
    
     符号率=码率/每个符号中传输的位数
    
     码率是一个系统的位流或原数据流的频率。符号率则是码率除以每个时间间隔中每个符号内可以传输的位数。
    
     如果每个符号传输1位（如MSK），则符号率与码率相同。如果每个符号传输2位（如QPSK），则符号率是码率的一半。比较MSK和QPSK，我们很容易看到，在传输相同信息量时，QPSK的符号率较低。这就是比较复杂、使用较多状态数量的调制格式可以在一个较窄的射频频谱上发送相同信息的原因。
    
     GSM/GPRS中使用的GMSK调制
    
     GSM/GPRS手机网络采用了恒定包络调制形式的一个变种，称为0.3GMSK（BT=0.3的高斯最小频移键控）。在这种调制形式中，调制载波的幅度保持恒定（如图1所示），同时其频率随调制信息信号而变化。这正是功率效率射频放大器在发射机中应用所需要的特性。
    
     幅度变化可以在放大器振幅传输功能中造成非线性，产生相邻频道频谱再生(spectral regrowth)和无用的邻道功率。由于MSK中没有幅度变化，因此较高效率的放大器（线性度较差）可以用于恒定包络信号，以降低功耗。
    
     在GSM/GPRS标准中，调制后的波形要经过高斯滤波器过滤，产生一个较狭窄的频谱。此外，高斯滤波器没有时域过冲，因此不会增大峰值偏差。
    
     3G CDMA中的QPSK和16QAM调制
    
     16相正交幅度调制（16QAM）准备用于W-CDMA标准的HSPDA。16QAM的符号率为四分之一码率，因为如图1所示16=24。因此这种调制形式的频谱传输效率更佳。它的效率高于MSK、QPSK或8PSK。注意，QPSK与4相正交幅度调制是一样的。
    
     在线性方案中，被传输信号的振幅随调制数字信号而变化，如在BPSK或QPSK中。在带宽效率重要性高于功率效率的系统中，也不适合采用恒定包络调制。
    
     数字调制射频中的波峰因数（CF）或峰均比（PAR）
    
     波峰因数(crest factor)定义为峰值振幅与平均振幅之比（峰均比），如图2所示。对窄带QPSK调制，波峰因数为6dB，而对偏移QPSK调制，波峰因数为5.1dB。
    
     在手机系统中，采用互补累积概率分布函数（CCDF）来计量一个传输射频信号的统计数据。CCDF从统计上描述一个射频信号有多长时间在某个设定功率电平或阈值之上。CCDF是3G网络中，描述一个W-CDMA或CDMA2000信号波峰因数（CF）或峰均比（PAR）特性的可靠方法。
    
     在IS-95中，PAR为3.9dB，CDMA 1X RTT中的PAR可以高达5.4dB。在W-CDMA中，PAR可以从2dB至11dB变化。总之，CDMA2000或W-CDMA中的PAR依赖于射频配置、扩频码组合以及使用的信道。有时候采用波峰因数降级技术，以降低基站发射机里的实际PAR。
    
     手机系统的功率定义及测量
    
     在直流世界中，电路元件的功耗为该元件流过的电流乘以元件两端的电压降。
    
    
     而在模拟与射频世界中，峰值功率或平均功率都可以用来描述传输或接收的能量水平。图3显示了一个典型的射频信号，其振幅在包络中变化。该信号的功率电平定义如下：
    
     峰值功率检波器
    
     峰值功率测量已经成功地应用于GSM和AMP手机网络。一般采用一对肖特基二极管完成峰值功率的测量。
    
     如上节所述，3G CDMA射频信号有高的波峰因数，CDMA峰值功率的测量值会高于信号平均功率，是它的PAR倍。峰值功率检波器的使用需要一个专有的测度方法，以校正由于变化的波峰因数而造成的测量不确定性。
    
     平均功率检波器
    
     平均功率测量用于测量射频信号的平均功率。这种方法可以处理变动调制包络的信号，如QPSK或16QAM。测量结果为信号中平均功率的实际值，而与调制形式和峰均比（PAR或CF）无关。因此，平均功率测量最适用于处理调制包络幅度随时间变化的方法，如IS-95、CDMA2000、W-CDMA和TD-sCDMA。
    
     如上节所述，3G CDMA射频信号有高的波峰因数，CDMA峰值功率的测量值会高于信号平均功率，是它的PAR倍。
    
     为解决波峰因数导致的不确定性问题，可以用像 LMV232 这样的均方根射频功率检波器，测量一个不断变化调制信号的平均功率。
    
     均方根检波
    
     LMV232是一枚线性跨导器件，并且采用了双极晶体管的Ic-Vbe指数关系：
    
     由于LMV232遵从平方规则，我们可以发现，LMV232的输出电压VOUT(Volts) 与输入功率PIN (W or mW)成比例：
    
     3G手机应用
    
     在今天的市场中，3G射频功率放大器的最大输出功率略高于+28dBm，而3G 手机的最大输出功率为+27dBm。需要额外增加一分贝的功率以补偿天线与功率放大器之间的固有电路损耗。3G功率放大器通常有两种应用模式：+16dBm以上推荐使用高功率模式；和一个，+16dBm以下推荐使用低功率模式。
    
     图4为一个3G手机输出功率的概率估计曲线。由于3G中概率最高的输出功率在+10dBm及以上，因此，必须严格控制从+10dBm至最大输出信号电平+27dBm的输出射频功率。
    
     LMV232在+13dBm及以下有多于20dB的线性检波范围。图5是用于测量多频3G 移动手机发射射频信号电平的的建议应用框图。
    
     本设计中，在功率放大器的输出端使用了一个16dB的定向耦合器。这使LMV232的最大输入射频功率为：
    
     当功率放大器的输出功率为+11dBm时，LMV232的输入功率为：
    
     在本设计范例中，我们将LMV232的工作范围设为-5dBm至+12dBm，因而有足够的空间容纳耦合因数的变化。
    
     不同温度上的测量误差
    
     LMV232均方根射频功率检波器用于测量3G手机发射功率。在实际应用中，测量电压VDETECTED必须校准到一个已知的基准源，才可以将该检波方法用于一个标准的手机操作。
    
     因为
    
     当功率为mW时，其线性响应范围从-7dBm至+13dBm。该线性特性为功率放大器的检波电压校准提供了附加的有利条件。
    
     在生产过程中，VDETECTED按两个不同的功率电平进行测量（2点），即PA 的POUT=+14dBm及POUT= +24dBm。（这分别对应采用16dB耦合器时的PIN=-2dBm及PIN=+8dBm）基于这个测量数据，我们可以为VDETECTED和PA的POUT建立一个线性方程。
    
    
     图6是图5中应用电路的测量结果。我们还在–40C至+85C范围内测试了射频功率检波电路。
    
     2点测试数据均取自室温下，其估测方程可以在任何温度下预计PA的 POUT。
    
     如果VDETECTED=1V，移动设备会估测其PA的POUT=+12.3dBm，而不需考虑温度条件。假定移动设备位于-40C环境，功率放大器的输出功率将为 POUT=+12.65dBm。
    
     上述预测中的测量误差为12.65dBm-12.3dBm=0.35dB。
    
     图7为同类的测量结果，但将小信号区域进行了放大。同样，在–40C to +85C的整个温度范围内，根据2点测试方程的测量误差低于0.65dB。
    
     总结
    
     LMV232最适合于3G移动应用。LMV232与定向耦合器结合起来，可以在最常用的大于10dBm范围内，精确检波手机的