研究背景

1990 年代起，由於積體電路製造技術精進，使得行動通訊設備快速蓬勃發 展，隨處可見的通訊設備如智慧手機、無線網路、無線熱點、藍芽設備等許多便 利的行動通訊設備。隨著人們在便利性以及實用性上的需求，行動通信標準的發 展也不斷地演進，依序為 GSM(2G)、CDMA(2G)、EDGE(2.75G)、WCDMA(3G)，

到目前最新的通訊規格 LTE(4G)。因此，設計一個支援 4G 系統的通訊設備便有 其必要性。然而在通訊設備中，收發機扮演著不可或缺的核心元件。收發機分為 發射機(Transmitter)以及接收機(Receiver)兩個部份。在眾多的發射機架構中，其 中一種為極座標發射機(Polar Transmitter)，在本論文中，將主要聚焦在極座標發 射機上的封包調變器(Envelope Modulator)。

針對發射機的架構，最早由 Kahn 提出封包消除以及重建(Envelope Elimination and Restoration, EER)的方法運用至發射機[1]，簡稱 Kahn EER Transmitter，如圖 1-1 所示。在此架構下，輸入信號將分為封包(Envelope)訊號和相位(Phase)訊號，

封包訊號經過調變器(Modulator)並經由放大器(Amplifier)和低通濾波器(Low-pass Filter, LPF)，提供低雜訊控制信號控制功率放大器(Power Amplifier, PA)汲極端的 電流，產生不同的增益放大相位信號。然而，在架構中封包信號路徑加入低通濾 波器來處理封包訊號，因封包訊號已經被放大，使得此路徑的消耗功率大為增加。

Envelope RF signal Envelope signal path

Phase signal path

圖 1-1 Kahn EER 發射機

近幾年改進後的極座標發射機架構，如圖 1-2 所示。封包信號將由脈衝調變 (Pulse Modulation)後再與相位信號混合，接著將帶有調變雜訊的信號輸入至功率 放大器，在此使用低線性度的切換式功率放大器(Switching Power Amplifier)，可 得到較高的轉換效率，如圖 1-3 所示。最後為帶通濾波器(Band-pass Filter, BPF)，

可將調變雜訊濾除。我們可發現原本封包信號路徑上的低通濾波器在此架構中被 RF signal Envelope signal path

Phase signal path

Pulse Modulation

圖 1-2 脈衝調變式極座標發射機架構[2]

Envelope RF signal Envelope signal path

Phase signal path

Pulse Modulation

圖 1-3 極座標發射機架構使用切換式功率放大器[2]

隨 著 科 技 的 進 步 ， 現 在 的 人 們 能 夠 利 用 數 位 信 號 處 理 機 (Digital Signal Processor, DSP)直接產生出數位之封包以及相位信號，如圖 1-4。在全數位通訊系 統中，封包調變是將基頻(Baseband)的高解析振幅信號降低其位元數後，經調變 (Delta-Sigma Modulator, DSM)，皆有被提出使用在封包調變。

在封包調變應用上，三角積分調變主要是利用其超取樣(Oversampling)以及雜

訊移頻(Noise Shaping)的特性，將調變雜訊從頻帶內推往頻帶外，因此頻帶內訊 雜比(Signal-to-Noise Ratio, SNR)明顯地增加，使整體發射機發揮更高的效能。移 頻後的雜訊離中心頻率雖有一段距離，但是仍然要注意頻帶外之雜訊，通常會以 每倍頻 20dB 以上的速率增加，移頻後的雜訊仍然需要被降低來避免干擾其他頻 道。

因此，[3]提出一個較低階數的三角積分調變器和多位元的量化器來減輕帶通 濾波器的設計。在針對發射機的應用中，調變器的所需訊雜比往往低於一般音訊 系統，但還需提高無雜訊動態範圍，使帶通濾波器能夠更有效濾除調變雜訊。所 以，低階數中解析度的三角積分調變器比高階高解析度的三角調變器更適合用在 封包調變器上，因為低階三角積分調變器的雜訊上升速度會比高階三角積分調變 器來得緩慢。然而多位元的量化器，也代表著功率放大器所需要的個數，將會使 得發射機電路製作成本增加，功率放大器的匹配問題也變得複雜。另外，對於 4G LTE 寬頻通訊系統，三角積分調變器需要提高取樣頻率來通過系統規格，電路反 而會變得難以實現。

若要減少放大器的數量，以脈波寬度調變技術做為封包調變器是不錯的選擇 [4]。脈波寬度調變利用其輸出方波信號之不同寬度的工作週期(Duty Cycle)變化 來表示對封包信號的取樣程度。脈波寬度調變之優點為可達到高解析，其頻帶內 的調變雜訊雖些微高於三角積分調變，但對於整體發射機效能還是足夠的，唯一 值得注意的是所產生的頻譜會依取樣頻率出現諧波雜訊(Harmonic)現象，此現象 對設計發射機而言，將可能會對欲使用頻帶造成影響，也間接影響到後端帶通濾 波器設計的複雜度。其脈波寬度調變器與三角積分調變器在頻譜上的示意圖，如 圖 1-5 所示。

Mask PWM

f

Frequency(Hz) DSM

圖 1-5 脈波寬度調變器與三角積分調變器在頻譜上的示意圖

因此為了避免其諧波雜訊影響整體發射機的效能，由臺灣大學的陳怡然教授 與陳昭宏教授所提出的多相位脈波寬度調變(Multiphase Pulse-Width Modulation) [5]之發射機，可避免諧波雜訊對主頻帶的影響。經由多相位脈波寬度調變後的封 包訊號，控制由開關所組成的脈衝調變器重建訊號，其架構如圖 1-6。

Spliter PA

PA

Combiner Envelope

Modulator

Phase signal Evenlope signal

圖 1-6 極座標發射機使用多重相位脈波寬度調變器做為封包調變器

利用時脈不同的相移，製造出多重相位，輸入封包信號與這些多相位的時脈 比較後產生脈衝調變器的控制信號，控制切換式功率放大器重建射頻訊號。然 而，使用越多相位脈波寬度調變器，如圖 1-7 所示，能使得諧波雜訊遠離主頻帶，

使得諧波雜訊的頻率位置已經位於濾波器的截止頻帶(Stop Band)，可成功的濾除 不必要的諧波雜訊。

f

Frequency(Hz) Mask

1-phase PWM 2-phase PWM

圖 1-7 多相位脈波寬度調變在頻譜上的示意圖

本論文將使用臺大陳怡然教授與陳昭宏教授提出發射機架構，如圖 1-8 所 示。為了能夠實現高解析度和高線性的脈波寬度調變器，我們預計使用延遲鎖定 迴路建構出脈波寬度調變器，並利用多相位之脈波寬度調變的方法，使得諧波雜 訊遠離主頻帶，讓帶通濾波器能更有效地濾除調變雜訊。我們期待設計的封包調 變器能夠符合 4G LTE 通訊系統規範。

Spliter PA

PA

Combiner DLL-based

PWM

Phase signal Evenlope signal

This work

圖 1-8 使用延遲鎖定迴路建構之脈波寬度調變器為封包調變器