近年來隨著無線多媒體影音的蓬勃發展，使得無線通訊系統必須在有限的頻寬下傳輸大量的資料，為能有效利用無線頻寬，新一代無線通訊標準普遍採用正交分頻多工(OFDM)為主的調變技術，OFDM調變技術能在有限的頻寬下，將資訊同時載在振幅及相位，以達到大量的資訊傳輸。
高線性OFDM訊號勢在必行
然而如OFDM可有效利用頻寬的調變技術卻大幅提高訊號的峰值因數(PAPR)，舉例來說，現行3G無線通訊寬頻分碼多重存取(WCDMA)的PAPR約為58dB，而下一代通訊標準全球微波存取互通介面(WiMAX)的PAPR卻高達12dB，高PAPR的訊號將導致發射器的線性度要求大幅提升，及功率放大器的效率急速下降。由於OFDM調變訊號是由多個正交的副載波(Subcarrier)訊號疊加而成，可大幅增加頻譜利用率，但也因多個副載波訊號的疊加，造成高PAPR。目前OFDM訊號的產生是將每一筆正交幅度調變(QAM)訊號對應到每一個副載波，然後再經由逆向快速傅立葉轉換(IFFT)運算而成(圖1)。所以當發射器有任何非線性失真產生時，接收器經由正向快速傅立葉轉換(FFT)反運算後，所得到的QAM訊號上的每一筆資料都會產生誤差，這個現象是OFDM訊號特有的。所以用OFDM作為調變訊號的通訊標準皆訂有高規格的線性度要求，以WiMAX系統為例，其線性度指標錯誤向量的大小(EVM)必須低於-30dB。
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| 圖1 OFDM訊號的產生方式 |
線性功率放大器不可或缺
為達到OFDM調變訊號的高線性度要求，目前WiMAX發射器普遍採用線性功率放大器，並搭配大量的功率回退(Power Back-off)，以達到高PAPR的線性度要求。線性功率放大器於最高功率輸出時可達到最高的輸出效率，應用於WiMAX系統時，在輸出功率為24dBm時，最高輸出效率約為18%。然而WiMAX系統並不會全時最高功率輸出，它會根據使用者距離基地台的遠近而調整發射器的輸出功率，若對發射器的效率與輸出功率的使用機率做積分的話，則平均效率將低至約為3%。由於發射器的耗電量約占整個手持式裝置的一半，這樣低的發射效率將導致電池的使用時間大為降低。以一個WCDMA的電池為例，如果應用於WiMAX系統，則通訊時間約為原來的四分之一。
發射器分提升線性度/效率兩類
目前的發射器類型大約可區分為兩大類，一種是提升線性度，如回授(Feedback)、前饋(Feedfoward)及預失真(Predistortion)；另一種是提升效率，如LINC、Doherty、封包消弭與回復(EER)、追蹤訊號封值(ET)等。如果以線性度及效率來作圖的話，則這些發射器即如圖2所示。
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| 圖2 各類型發射器的線性度及效率 |
線性的發射器具有高線性度但是較低的效率，提升線性度的發射器通常會使得效率更為低落，而提升效率的發射器，通常有很差的線性度或僅適用於窄頻系統的特性。由既有的發射器架構來分析，極座標發射器(Polar Transmtter)是一種可能同時提高線性度及效率的一種方法，極座標發射器有兩種類型，一是EER技術，另一種是ET。
避免極座標發射器非線性失真
圖3是兩種常見的極座標發射器。在EER的架構中，輸入的正交訊號(I/Q)首先被轉換為極座標的封包訊號及相位(Phase)訊號，其中封包訊號由基頻的高效率封包放大器放大訊號；而相位訊號先經由混波器將相位訊號載到射頻(RF)載波上，然後由高效率的切換式放大器放大；封包訊號藉由調整切換式放大器的電源供應端將相位訊號還原成原來的調變訊號。由於RF功率放大器及封包放大器皆使用切換式放大器形式，因此可達高效率輸出。EER的整體效率是RF功率放大器的效率及封包放大器效率的乘積而成。
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| 圖3 極座標發射器 |
而在ET架構中，主要訊號處理方式都與線性發射器相同，功率放大器亦是採用線性的功率放大器，差別是ET的架構多了一個封包路徑，動態調整線性放大器的電源供應端，用以減少線性放大器的固定偏壓所造成的功率損失。近來論文中，將ET架構中的線性放大器改為切換式放大器，並稱其為混合式(Hybrid)ET架構，因此EER與Hybrid ET的差別只有功率放大器的輸入訊號不同。EER的放大器輸入訊號為RF的相位訊號，訊號中沒有振幅的改變，而Hybrid ET的輸入訊號為完整的調變訊號。理論上，EER可以發揮切換式放大器的最高效率，所以會有較高的整體效率表現，但是其非線性失真，尤其是對OFDM的調變訊號，比Hybrid ET來得嚴重，所以其線性度表現比Hybrid ET差。
但是無論是EER或是Hybrid ET架構，其線性度皆遠低於線性放大器，若沒有合併其他線性度提升的技術使用，則線性度無法達到WiMAX的高線性度要求。而極座標發射器的非線性失真主要來自封包路徑及RF路徑訊號的不同步、封包與相位訊號的頻寬不足、調整切換式放大器的電源端所造成的非線性失真及切換式放大器的輸入訊號饋通(Feed-through)效應。
解決非線性失真方案出爐
圖4為WiMAX應用於極座標發射器的路徑不同步失真，圖中所顯示的不同步是以取樣率為單位，一個取樣的不同步約為1.116奈秒。由模擬結果顯示，要符合WiMAX的發射遮罩(Transmission Mask)，極座標發射器的不同步必須要小於2奈秒。而路徑不同步對於WiMAX的線性度指標EVM影響較小。EVM隨著不同步增加而變差，圖5顯示的是路徑不同步對EVM的影響，當路徑不同步為5.5奈秒時，EVM約達到-30dB。
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| 圖4 路徑不同步失真 |
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| 圖5 路徑不同步所造成的EVM影響 |
有限頻寬所造成的失真是由於正交訊號與極座標訊號的轉換為非線性轉換，造成封包訊號及相位訊號有無限寬的頻寬。正交訊號與極座標訊號的轉換公式如下：
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其中I(t)及Q(t)表示正交訊號，而A(t)為封包訊號，P(t)為相位訊號。
然而頻寬通常會受限於類比數位轉換器(ADC)、封包放大器及其他類比或RF電路的有限頻寬影響。限制封包及相位訊號的頻寬將導致發射訊號的頻譜增長(Spectral Re-growth)。
圖6為當封包訊號的頻寬限制在30MHz時，不同相位頻寬所造成的頻譜增長現象。由模擬結果顯示，相位頻寬必須要大於50MHz才能符合WiMAX發射器的發射規範。有限頻譜所造成的失真僅對發射遮罩有影響，對於線性度EVM不會有太大的影響。模擬顯示，如圖5的有限頻寬失真，EVM皆可達到-70dB以下。
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| 圖6 有限頻寬失真 |
第三個非線性失真是由於改變切換式放大器的電源所造成的輸入振幅對輸出振幅(AM/AM)及輸入振幅對相位差(AM/PM)的非線性失真，該非線性與切換式放大器的設計有關，圖7是一個典型的切換式放大器的AM/AM及AM/PM非線性失真。
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| 圖7 切換式放大器的非線性失真 |
饋通效應是由於輸入切換式放大器的RF相位訊號強度不會因電源降低而減弱，所以在低電源時，相位訊號會藉著寄生的電容洩漏到輸出端。由於切換式放大器的輸入及輸出相位相差180度，所以當洩漏的訊號是主要的輸出訊號時，所量測到的相位差就會有巨幅的改變。饋通效應在AM/AM非線性失真也可以觀察到，當電源非常接近0的時候，理論上輸出的振幅也應該接近0；但是當有饋通效應時，輸出訊號主要來自洩漏的輸入訊號，所以在AM/AM非線性失真可以看到曲線不會通過零點。
饋通效應對於線性度指標EVM及發射訊號的頻譜增長(Spectral Re-growth)影響很大，如果沒有解決的話，即使極座標發射器已使用數位預失真的補償，發射訊號將無法符合發射遮罩規定，而EVM也很難低於-25dB。
Hybrid EER/ET架構大行其道
如果沒有同時解決這一些極座標發射器的非線性失真，則無法達到WiMAX的高線性度要求，即使效率能提升也無法使用，本計畫針對平均效率的提升與極座標發射器的非線性失真，提出Hybrid EER/ET的架構(圖8)。
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| 圖8 WiMAX發射器架構 |
針對平均效率的提升，將極座標發射器應用於中低功率的輸出，此時線性功率放大器將被旁路並且關閉；當需要大功率輸出時，則由極座標發射器與線性功率放大器串接輸出。圖9為輸出功率的使用機率、線性發射器的效率及Hybrid EER/ET系統的效率作圖。
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| 圖9 輸出功率使用機率與輸出效率 |
由圖9可觀察到，當大功率輸出時，Hybrid EER/ET系統串接線性放大器使用，所以效率與線性發射器一樣。最高效率在+24dBm時約為18%，效率隨著輸出功率降低而成指數下降，但大功率輸出的機率不高，所以對於平均效率的影響較小，反而是在中低功率的操作機率較高，此時Hybrid EER/ET系統僅以極座標發射器輸出，可有效提升平均效率，以圖9對發射器的效率與輸出功率的使用機率做積分，則線性發射器的平均效率約為3%，而Hybrid EER/ET系統的平均效率為12%，提升四倍的電池使用時間。
使用極座標放大器要達到WiMAX的線性度要求，除了要克服非線性失真的影響之外，另外WiMAX的頻寬也高達10MHz。之前的頻寬分析顯示，封包放大器的頻寬必須要大於30MHz，而RF路徑的頻寬須達50MHz以上，才能符合WiMAX的發射遮罩要求。傳統的極座標發射器使用直流對直流轉換器(DC-DC Converter)組成封包放大器，E類切換式放大器構成RF放大器。然而這兩種設計方式皆為窄頻設計，故傳統的極座標發射器只能應用於類似藍牙或全球行動通訊系統增強數據率演進(EDGE)的窄頻通訊標準。
本計畫針對這些非線性失真及寬頻操作，對原本的極座標發射器進行諸多改善，用以同時提升線性度和效率，並可應用於寬頻通訊系統。主要設計重點包括改良E類切換式放大器，使其效率提升，並達到200MHz的頻寬；採用前饋控制式混合封包調變器設計封包放大器，可同時達到高效率與高頻寬要求；設計高精度的數位控制訊號延遲電路，其最小可調整延遲為1奈秒，調整範圍為1～10奈秒，誤差範圍小於0.5奈秒，該電路可大幅改善路徑不同步失真問題；於封包放大器及切換式功率放大器中加入訊號處理電路，用以提升線性度及降低頻寬的要求；發展適用於Hybrid EER/ET系統的數位補償演算法，以補償因為改變切換式放大器的電源所產生的AM/AM及AM/PM非線性失真。目前本計畫的原型測試電路已完成WiMAX的訊號量測，而整合IC設計則持續開發中。
AM/AM非線性失真取得量測/模擬結果
圖10顯示的是原型Hybrid EER/ET系統應用於WiMAX的AM/AM及AM/P非線性失真量測結果，由AM/AM非線性失真可看出，未加入數位補償演算法的Hybrid EER/ET系統已經呈現出高度線性化，只有在高電源時會產生些許的飽和現象。另外在AM/PM非線性失真可看出，在高電源時有較高的相位差之外，此處看不到低電壓時因為饋通效應而產生的巨幅相位差現象。在這樣的條件下所量測到的EVM為-27dB，尚未達到WiMAX 10MHz 64QAM的要求，但是如果應用於WiMAX 10MHz 16QAM的話，則可以達到線性度要求。
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| 圖10 未加數位補償演算法的AM/AM & AM/PM |
圖11顯示加入數位補償演算法的AM/AM及AM/PM非線性失真，量測結果顯示，數位補償演算法可有效提升Hybrid EER/ET系統的線性度。在此條件下所量測的EVM低於-35dB，符合WiMAX 10MHz 64QAM的最嚴格線性度要求。
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| 圖11 增加數位補償演算法的AM/AM & AM/PM |
目前設計中的Hybrid EER/ET IC，其WiMAX的輸出功率在17dBm時，整體輸出效率為27%。未加入數位補償演算法的情況下，模擬的AM/AM及AM/PM非線性失真如圖12所示。從圖中可觀察到，整個的Hybrid EER/ET系統相當的線性。AM/AM曲線非常的線性，且最低點可以通過原點，所以沒有饋通效應的非線性失真。另外由AM/PM曲線可看出，還是有一些非線性失真在低電源的時候產生較大的相位差。在這樣的情況下所測得的EVM為-29.92，相當接近WiMAX 10MHz 64QAM的-30dB要求。
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| 圖12 未加數位補償演算法的AM/AM&AM/PM(Hybrid EER/ET System) |
高效率發射器消弭非線性失真
本計畫是發展一個可應用高PAPR的高效率發射器，如WiMAX系統。計畫內容主要是為了同時解決極座標發射器的多項非線性失真，並達到寬頻、高線性度及高效率的特性。量測及模擬結果顯示，未加入數位補償演算法的Hybrid EER/ET系統，已可接近WiMAX的線性度要求。綜觀現今的無線通訊系統，WiMAX已算是最嚴格的發射器標準，所以本計畫所開發出來的Hybrid EER/ET系統也同樣適用於其他的通訊標準，如3G的WCDMA及下一代的長程演進計畫(LTE)系統。然而更高的PAPR通訊系統，才能明顯的顯示出Hybrid EER/ET系統的特性。以WiMAX系統為例，手機的平均通話時間約可以延長四倍，而應用於WCDMA及LTE系統，則通話時間約可以增加1.5倍。
未加入數位補償演算法的Hybrid EER/ET系統，雖無法達到WiMAX 10MHz 64QAM的線性度要求，但對於WCDMA及LET而言，其EVM要求皆低於-25dB，Hybrid EER/ET系統可以在不加數位補償演算法的情況下，滿足其線性度要求，並提高發射器的效率。
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