GSM之调制与开关频谱(ORFS)解析与调校大全

ACPR(Adjacentchannelpowerratio)在无线通信中，会量测ACPR，以衡量发射端对于邻近通道的干扰程度[1]。在WCDMA中，会以ACLR(AdjacentChannelLeakageRatio)，来衡量该指标[2]:而GSM中，则是以ORFS(OutputRadioFrequencySpectrum)，来衡量该指标[3-4]:1ORFS(OutputRadioFrequencySpectrum)若以频谱为分类，衡量发射端对于其他频率的干扰，可分三类:In-Channel、Out-of-Channel、Out-of-Band。In-Channel主要测试发射端对于自身通道的干扰，Out-of-Channel主要测试发射端对于邻近通道的干扰，Out-of-Band主要测试发射端对于其他频段的干扰，测试项目如下[4]:In-Channel:Frequencyerror/Phaseerror、EVM、PVTOut-of-Channel:ORFS、TxnoiseinRXbandOut-of-Band:ConductedSpuriousEmission、RadiationSpuriousEmission前述已知，ORFS同WCDMA的ACLR，都是衡量发射端对于邻近通道的干扰程度，但有别于ACLR，ORFS又可细分为两项目:调制频谱(SpectrumduetoModulation)与开关频谱(SpectrumduetoSwitching)2调制频谱，量的是中间水平区段，主要是衡量讯号在调变过程中，是否会有频谱扩散的现象。而开关频谱，量的是左右直立区段，主要是衡量讯号在上升与下降过程中，是否会有频谱扩散的现象[4]。由于WCDMA采FDD(FrequencyDivisionDuplex)机制，其讯号为连续波，因此只需量测调变过程中的频谱扩散现象，但GSM为TDD(TimeDivisionDuplex)机制，其讯号为Burst型式，下图是GSM之Burst的时域与频域表示[8]:3因此需再加测讯号在上升与下降过程中的频谱扩散现象。4也因为GSM讯号为Burst型式，因此频谱扩散同时包含了调制频谱与开关频谱，所以量测调制频谱时，需在时域上锁定水平区段之50%~90%处，如此才能去除开关频谱所造成频谱扩散现象，只量到调制频谱所造成的频谱扩散现象[7]，至于锁定水平区段之50%~90%处，是为了避开TrainingSequence。TrainingSequence并非讯号，它是一组在发射前，发端端与接收端都已知的固定序列。由于讯号在传送过程中，会因多重路径影响，在信道上产生频率响应，引起ISI，导致BER上升[6]。因此需对通道做估测与等化的动作，TrainingSequence便因应而生[9]。5而量开关频谱时，不需做锁定的动作，因为开关频谱的强度，比调制频谱来的大，所以量测时，只会量到开关频谱所造成的频谱扩散，因此不用特别除去调制频谱所造成的频谱扩散。而引起ORFS劣化的因素有许多，接下来将一一分析，并阐述解决之道。6Calibration前述已知，GSM的ORFS，与WCDMA的ACLR，有着相同指标意义，都是在衡量对于邻近通道的干扰程度。而由[2]可知，以电路观点，ACLR便是衡量WCDMA整体发射端电路的IIP3，越后级的IIP3，对整体线性度影响最大，而PA正好为发射端电路的后级，因此可利用提升PA线性度，来改善ORFS。由[2,11]可知，不论是饱和PA，或是线性PA，皆可透过校正来提升线性度与效率，最常见的校正方式为DPD(DigitalPre-Distortion)，先提供一个与PA输出特性曲线完全相反的特性曲线，即反函数，接着再合成，修正AMAM&M特性，最后便能产生线性的输出，如下图:若是以Agilent8960来作校正用的仪器，则必须要有I/QCapture的License，这样仪器才能得知PA的原始输出特性，并回传给手机，以便手机进一步生成反函数并合成之，产生线性输出[12,14]，如下图。7另外，由[2]可知，理论上可透过校正，去除DCOffset，但若未完全去除，则可能会流入PA，使PA的动态范围缩减，即线性度下降，则ORFS便会劣化，因此需在PA输入端，加DC-Block，以避免DCOffset流入PA，除非是已内建于PA里面，例如RFMD的RF3225。8由[2,11]可知，在高通的7系列平台，EDGE会以极化调制与饱和PA，来兼具线性度与耗电流的要求，但8系列之后的平台，所支持的线性PA，其Gain并非传统线性PA的固定式，而是步阶式，由下图可知，会有三个Gain值，分别表示LowPowerMode，MidPowerMode，以及HighPowerMode，而Gain采步阶式后，其效率已不输饱和PA，因此8系列之后的平台，EDGE一律采用线性PA[2]。9但是，即便采用线性PA，其EDGE并不像WCDMA一般，采用I/QModulation:而是同7系列平台一般，仍采用极化调制，但AM讯号与PM讯号会在收发器内就合成，直接经过线性PA作放大动作[14]。10因此可知不论线性PA或饱和PA，其EDGE都会将AM讯号与PM讯号分两路径传送，故AM讯号与PM讯号会有相位差，若其相位差过大，则会影响调变的精确度，使得调制频谱劣化，故需透过校正，将相位差缩减至30ns内[15]由上图可知，相位差为零时，其调制频谱最好，而当相位差超过30ns时，其调制频谱便超标。因此EDGE可透过校正，减小AM讯号与PM讯号的相位差，改善调制频谱。而虽然GSM只有FM讯号，没有相位差问题，但透过校正，可改善PA的AMAM特性，进而改善开关频谱，以及改善PA的AMPM特性，进而改善调制频谱[16]。11TimingControl,Voltage/TemperatureCompensation由前述已知，开关频谱量的是讯号在上升与下降过程中，是否会有频谱扩散的现象，因此其上升/下降曲线的平缓度，不但会影响开关频谱，连带也会影响PVT(PowerVersusTime)与谐波，由下图可知，若Vramp越陡峭，则开关频谱越差[16]。因此若为高通平台，可透过调校NV，来增加Vramp曲线的平缓度，以改善开关频谱[17]。1213另外，也可调校PA启动的时间(蓝色曲线)，使其与Vramp(黄色曲线)，在时域上有适当间距，以进一步改善开关频谱[19]。14至于Vramp曲线的优化，则是尽量调校成RaisedCosine，且在上升曲线有一个类似台阶的形状，如此会有最佳的开关频谱[19-21]15当然，也可透过硬件调校，来改善开关频谱，由[2]可知，因为DAC的非线性效应，所以多半会在收发器内，内建低通滤波器，来抑制谐波但抑制效果不见得符合期望，因此会在Vramp上，再加一组RC低通滤波器，以更进一步抑制谐波[18-19]，可利用调校电阻与电容值，来改变Vramp曲线，进而改善开关频谱。而Layout时，也要将Vramp走线用GND包好，且远离XO/TCXO，高速数字讯号，以及电源相关走线，避免使开关频谱劣化[17]。16另外，开关频谱也会在高低温与高低压情况下，而有所劣化，因此需做补偿[17,20]以温度而言，未做补偿前，低温的开关频谱会较差，因为低温会导致PA的Gain上升，导致输出功率增加，这会使开关频谱劣化。而做温度补偿后，高温的开关频谱会较差，因为高温会导致PA的Gain下降，因此收发器需打出更大的DAC值，以达到期望的输出功率，这使得PA输入功率增加，导致PA线性度下降，使开关频谱劣化。值得注意的是，做温度补偿前，Thermistor需先校正，否则便无法做温度补偿。17而以电压而言，未做补偿前，高压的开关频谱会较差，尤其是线性PA，因为相较于饱和PA，线性PA的输出功率更容易受电压影响，因此高压时会导致输出功率增加，这会使开关频谱劣化。而做电压补偿后，低压的开关频谱会较差，因为Vcc走线在Layout上，由于长度与线宽因素，因此会有些许的IRDrop，而低压会使输出功率下降，因此做电压补偿后，收发器需打出更大的DAC值，以达到期望的输出功率，这导致耗电流增加，IRDrop也增加，很可能3.4V的Vcc，扣掉IRDrop后，只剩3.2V，而由上图可知，Vcc若越小，则PA线性度越差，因而导致开关频谱劣化[22]。18另外，GSM采GMSK调变[24]，为恒包络讯号，因此只有上升/下降曲线的平缓度，会影响开关频谱，但EDGE采8PSK调变，为非恒包络讯号，因此除了上升/下降曲线的平缓度，会影响开关频谱之外，其水平区段，也会影响开关频谱，所以虽然EDGE的输出功率较GSM低，但开关频谱会比GSM来的大[11,17]。19因此在送认证前，可在上述的温度与电压条件下，量测其EDGE的ORFS，而且要以Single-slot来量测，因为其输出功率比Multi-slot来得大，如此才可确保ORFS在认证中心不会超标。20PA(PowerAmplifier)由前述已知，可利用提升PA线性度，来改善ORFS，除了透过校正外，调校硬件的匹配电路，也是方法之一[17]。以Load-Pull观点，PA与ASM(AntennaSwitchModule)间的匹配，影响PA线性度最大，因此可先从此处开始调校，调校的程序与方法，可参照[25]，在此就不赘述。另外，由于PA的输入功率范围一向很广，以RFMD的RF3225为例，其输入功率范围为0dBm~6dBm，这表示收发器的输出功率，即便扣掉MismatchLoss与InsertionLoss，仍符合PA的输入功率范围，因此一般而言，较少调校此处的匹配。21然而由[2]可知，PA的输入端，其实也是DA(DriverAmplifier)的Load-pull:因此这部分的匹配若没调校好，会使DA的线性度不够，导致在PA输入端，ORFS已偏高的情况发生，再加上PA是主要的非线性贡献者，如此便会导致PA输出端的ORFS更差[2,23]。22另外，前述已知，RFMD的RF3225，其输入功率范围为0dBm~6dBm，而高通的RTR6285A，其输出功率为14dBm[26]，这表示若两者搭配，则必须在PA输入端加衰减器，因此可加大衰减器的衰减量，使PA输入功率减小，来降低PA的非线性效应，进而改善ORFS[17]。然而值得注意的是，若衰减器是直接以电阻兜成，则需特别注意电阻值，由上图可知，虽然衰减量同样都是3dB，但所对应的阻抗，差了1000倍，若对应阻抗为50000奥姆，其实已等同于开路，讯号无法传递至PA，因此需特别注意。23而PA输入端的匹配电路，其摆放位置需依平台而定，例如若为MTK的MT6252，则需靠近收发器，但若为高通的WTR1605L，则需靠近PA[27-28]。但PA输入端的衰减器，则一律需靠近收发器[19]。若以上匹配皆已调校至50奥姆，但ORFS仍过高，则可再调校ASM至天线的匹配，因为由[2]可知，PA输出端一直到天线弹片，其实都是PALoad-Pull的一部分，因此可透过此处的调校，来提升PA的线性度。但此处的调校，会同时影响发射端与接收端的性能，因此调校完后，需再确认接收端性能是否劣化。24而调校完以上的匹配电路后，可先透过校正，更进一步提升PA线性度，接着将DAC值打到最大，以衡量在Connector所能量到的最大饱和功率，以确认PA线性度是否足够，一般而言，GSM850/EGSM900的最大饱和功率，至少要有34dBm，而DCS1800/PCS1900的最大饱和功率，至少要有32dBm。因为最大饱和功率越高，不但线性度越好，而且其线性PA的输出功率，也越不易受电压影响，可进一步提升输出功率的稳定度，减少ORFS因高低压而有所劣化的情况。若最大饱和功率仍过低，则可先检查Connector单体，做传导测试时，其Connector与天线弹片间，需呈现开路状态，否则输出功率会泄漏一部分至天线弹片，导致仪器量测到的功率始终偏低。25另外，虽然饱和PA所产生的带外噪声，比