研究背景

通訊相關積體電路的演進，使得無線通訊系統發展迅速，在現今場合 皆可看見無線裝置的存在，諸如手機、無線網卡、無線基地台、熱點…等，

在這無線的通訊系統中，收發機以及接收機是不可或缺的單元，在本論文 中將著墨於發射機上封包調變器的部分作為探討。

現代通訊中從 GSM(2G)、CDMA(2G)、EDGE(2.75G)、WCDMA(3G)，

以及世界各國的主流通信規格 LTE(4G)皆可看見發射機的存在，傳統的正 交調變發射機架構如圖 1-1，是採用一線性功率放大器，直接將正交訊號發 射出去，由於線性功率放大器的最佳效率操作於飽和區，藉由犧牲效率來 獲得線性度，二來必頇使用高線性度的功率放大器來維持訊號的品質，因 此功率的效能無法有效提高。

I

Q

LO PA

0˚

90˚ VGA

Σ

圖 1-1 正交調變發射機架構

Kahn 在 1952 在[1]中所提及的封包消除重建(Envelope Elimination and Restoration, EER)架構的極座標發射器如圖 1-2，有效改良正交調變問題，

將訊號分為射頻訊號(Envelope)及相位資訊(Phase)，並利用類比元件調節切 換式功率放大器相位振幅，使得 EER 發射機能具有高效率的特性[2]，如圖 1-3，以 EER 為基礎，將封包信號改用脈衝調變(Pulse Modulator)的形式，

決定相位訊號是否通過，最後重建射頻訊號，藉由低線性度切換放大器 (Switching Power Amplifier)，取代高線性度的功率放大器設計，讓放大器設 計簡單，後端的調變雜訊則由簡易的帶通濾波器即可濾除，比起 Kahn 架構 中在封包路徑增加帶通濾波器的設計還來得簡易。但由於 EER 發射機多以 類比元件構成，採取類比元件分離封包與相位資訊將會使得訊號較不精 確，調節的頻寬將受限，進而改進 EER 發射機並已 EER 發射機為基礎的 Polar Transmitters 是近年來是最常運用的架構。

Envelope Detector

Amplitude Modulator

PA Limiter

Bandpass Filter RFin

Phase Signal Path Envelope Signal Path

圖 1-2 波包消除重建發射機架構

Envelope Modulator

PA

Bandpass Filter

Pulse-Modulator

Phase Signal Path Envelope Signal Path

DSP

圖 1-3 改已脈波調變之發射機架構

近幾年極座標轉換技術提出，使得極座標發射器常用於通訊系統中，

這些架構在現今的無線通訊規格皆已提出[3]，如圖 1-4 與 EER 的概念相 似，差異是使用數位信號處理器(Digital Signal Processor, DSP)的架構，捨棄 了萃取封包與相位偵測器等類比元件，改以極座標數位轉換技術取代，數 位訊號處理計算出封包(Envelop)與相位(Phase)訊號的資訊[5]，在封包調變 部分把高解析度的振幅訊號，利用時間壓縮把其資料位元數降低，經由調 變後與相位訊號重建射頻訊號；採取數位電路提升設計精確度，也可以利 用數位校正技巧，提高電路性能，更方便於積體化。

Envelope Modulator

PA

Bandpass Filter

Pulse-Modulator

Phase Signal Path Envelope Signal Path

DSP

圖 1-4 數位式極座標發射機架構[4]

在傳統的封包調變器電路中，有三角積分調變器(Delta-Sigma Modulator, DSM)和脈波寬度調變器(Pulse-Width Modulator, PWM)兩種調變技術，以下 封包調變器細節將論述之。

首先「三角積分調變器」(Delta-Sigma Modulator, DSM)使用了超取樣 (Oversampling)以及雜訊移頻(Noise Shaping)的特點，超取樣可以把雜訊功率 降低，而三角積分調變器的回授架構可把頻帶內的雜訊往高頻移動，因此能 得到較佳的訊雜比(Signal-to-Noise Ratio, SNR)[6]，然而封包調變訊號的變動 幅度超過輸入最大斜率，將使得調變輸出無法跟上輸入訊號的變化而造成失

真；除此之外三角積分調變器因為量化器多位元輸出的原因，在功率放大器 的使用上將會要求較多組數，一來電路製作成本增加、二來多組的功率放大 器導致不匹配因素將變得複雜。

利用輸出不同工作週期(Duty Cycle)的信號來表示對相位信號取樣程度 的封包調變器「脈波寬度調變器」(Pulse Width Modulator)，適用於高解析度 的封包調變中，有效將輸出的功率放大器組數下降，且取樣速率比起三角積 分調變器能設計的速度更快，由於脈波寬度調變器在[7]已類比的方式呈現，

因此會輸入比較的三角波參考頻率，產生不同工作週期的方波，而在頻譜上 參考頻率會增加諧波失真(Harmonic Distortion)，全數位的脈波寬度調變器，

依然會再輸入的參考頻率方波處產生諧波失真，但藉由依簡易的帶通濾波 器，方可使得諧波失真消除[8]；除了上述特性外，也提出利用多相位調變器 器[9]，如圖 1-5 產生多組不同的脈波去控制射頻放大器，並還原射頻訊號，

可發現使用越多組的相位脈波調變器，可以把諧波失真帶往更高頻的地方，

在等效上增加取樣頻率，使得失真出現的點能在濾波器的(Stop Band)，可把 諧波失真能完整濾除，經由多組相位的脈波寬度調變器，去重建還原其訊 號，把諧波雜訊推遠離主頻帶。

Baseband Envelope

RF Out Bandpass

Filter

Combiner Pulse Modulator

… …

圖 1-5 多相位封包調變器之極座標發射器架構

如圖 1-6(a)頻譜所示，可以發現三角積分調變器能有效地將雜訊從頻帶 內移出到頻帶外，所以提高雜訊比，雜訊通常都是每倍頻 20dB 以上的速度 增加，因此頻帶外的雜訊會比脈波寬度調變器還來得高。由於雜訊移頻的效

果，雜訊在中頻部分會比起脈波寬度調變器諧波還來得低，而脈波寬度調變 器則由於取樣頻率點會產生諧波失真，但兩者調變器都能用帶通濾波器有效 率除雜訊，儘管三角積分器會將雜訊推向高頻，但需要注意頻帶外的雜訊不 可過高，不然會影響到其他通道品質；圖 1-6(b)則可以觀察使用脈波寬度調 變器對於多相位的脈波輸出，能將原取樣頻率上所產生的諧波失真，再推往 更高頻處，使得諧波失真可以遠離主頻帶，也是能藉由一帶通濾波器把頻帶 外的諧波給予濾除。

Frequency(Hz) Mask PWM DSM

M ag ni tu de (d B )

fc

(a) 使用封包調變架構比較

Frequency(Hz)

Mask 1-Phase2-Phase

Magnitude(dB)

fc

(b) 使用多相位架構比較 圖 1-6 極座標發射器頻譜圖

本論文將設計國立臺灣大學陳怡然教授與陳昭宏教授所提出的架構 [10]，設計一封包調變器，並結合其架構模擬，製作一數位脈波寬度調變器

(Digital Pulse Width Modulator)，已減少三角積分調變器所帶來後端量化器位 元數過高的設計困難，藉由取樣脈波寬度調變器輸出結果運用數學模擬多相 位，確定在取樣頻率的諧波失真能推往更高頻處；利用延遲鎖定迴路(Delay Loop Lock)提供穩定的相位，提供給全數位脈波寬度器做運算，提高整體線 性度以及效能，能符合 4G LTE 的極座標發射器通訊系統規格，一數位封包 調變器。