在過去十年中，手機(jī)經(jīng)歷了巨大的變革,。面世伊始僅供人們通話和收發(fā)短信的手機(jī),，現(xiàn)在已經(jīng)轉(zhuǎn)變?yōu)槎喙δ苁殖衷O(shè)備,，融電話、Web瀏覽器,、短信工具,、照相機(jī)、游戲機(jī),、MP3播放器和很多實(shí)用功能于一體，能夠滿足人們的移動(dòng)信息需求,。此外,，當(dāng)前的手機(jī)用戶不僅需要這些功能，而且還要求能夠隨時(shí)隨地使用這些功能,。這種移動(dòng)技術(shù)需要兼容多個(gè)頻段和多種調(diào)制標(biāo)準(zhǔn),。由于功能復(fù)雜，且消費(fèi)者喜愛小巧機(jī)型,，設(shè)計(jì)人員因此面臨強(qiáng)大壓力,，必須以更低的物料清單（BOM）成本和創(chuàng)記錄的交付時(shí)間來提供產(chǎn)品，才能滿足市場對(duì)于產(chǎn)品不斷推陳出新的期望,。如此嚴(yán)格的要求促使設(shè)計(jì)人員改變了對(duì)RF前端的評(píng)估測試方式,。本文講討論上述需求對(duì)于設(shè)計(jì)的影響，以及如何利用新方法來增強(qiáng)多功能手機(jī)的用戶體驗(yàn),。

　　已涉足此行業(yè)數(shù)年的設(shè)計(jì)工程師可能還記得,，幾年前，語音是決定產(chǎn)品性能的關(guān)鍵因素,，最常使用的調(diào)制格式是GSM/GPRS,，手機(jī)的外形較大，RF前端部分所占用的印刷電路板（PCB）面積也較多,，性能是關(guān)注的焦點(diǎn),。天線位于手機(jī)外部（如圖1所示），采用短截線天線或能夠拉出收回的滑動(dòng)型天線,，其效率遠(yuǎn)優(yōu)于當(dāng)前手機(jī)中的天線,。這類手機(jī)僅支持純語音呼叫，用戶要將手機(jī)拿至貼近頭部的位置,。因此,，天線的設(shè)計(jì)是在相對(duì)了解的環(huán)境中進(jìn)行的，能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)計(jì)的優(yōu)化,。直至今天,，這依然很重要，因?yàn)楣β史糯笃鳎≒A）對(duì)于通話時(shí)間影響很大,，而這直接關(guān)系到使用某種型號(hào)或某個(gè)品牌手機(jī)時(shí)的用戶體驗(yàn),。如果設(shè)計(jì)人員能夠優(yōu)化手機(jī)在實(shí)際使用環(huán)境中的電流消耗,，那么該產(chǎn)品在消費(fèi)者市場中會(huì)占據(jù)更有力的競爭地位。天線及其實(shí)際性能間的一致性使得手機(jī)設(shè)計(jì)人員能夠通過天線與PA的阻抗匹配靈活地優(yōu)化設(shè)計(jì),，以便盡可能高效地提供最高功率,。

　　手機(jī)設(shè)計(jì)今非昔比

　　時(shí)光荏苒，手機(jī)市場發(fā)生了巨變?，F(xiàn)在的關(guān)注焦點(diǎn)是應(yīng)用處理器和組件,，專注于軟件應(yīng)用勝過提升用戶體驗(yàn)。目前,，手機(jī)外形更為小巧,，但在很多情況下，為了實(shí)現(xiàn)這些獨(dú)特外形,，不得不在一定程度上犧牲性能?，F(xiàn)在的手機(jī)采用的是貼片天線或平面倒F天線（PIFA）（參見圖2），多數(shù)情況下它們的效率低于過去的天線,。不過,，為了解決設(shè)計(jì)人員面臨的難題，一些手機(jī)轉(zhuǎn)而采用過去的短截線天線,。這種性能與外形尺寸間的取舍,，會(huì)直接影響電池壽命、通話時(shí)間和網(wǎng)絡(luò)可用性方面的用戶體驗(yàn),，因?yàn)樘炀€選擇及其使用環(huán)境會(huì)影響PA的工作,。

　　例如，電壓駐波比（VSWR）就體現(xiàn)了這是如何影響PA的,。當(dāng)前的手機(jī)工作在三種基本配置下,。一種是用戶按傳統(tǒng)方式將手機(jī)貼在頭部附近通話，或者置于頭部前方,，使用揚(yáng)聲器通話,，還有一種情況是手機(jī)并沒有握在手里，而是與用戶有一定的距離,。天線的VSWR性能差別很大,，這只是其中的三種主要場景，實(shí)際上,，由于手指和手掌的位置不同,，存在很多種使用狀況，但為簡單起見,，本文僅討論以上三種情況,。有關(guān)天線VSWR性能的差別請參見圖3。

　　圖3：手機(jī)中PIFA天線的VSWR性能。

　　這些頻率響應(yīng)說明了在當(dāng)前新一代手機(jī)中,，PA面臨的不同VSWR要求,。對(duì)于這類手機(jī)，在頻段邊緣,，PA對(duì)應(yīng)的VSWR范圍為5:1到2:1,。VSWR性能還會(huì)影響接收靈敏度。許多手機(jī)設(shè)計(jì)人員涌來評(píng)估RF前端的通常做法是,，在50歐姆實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中測量性能,。實(shí)際上，這種方法對(duì)于今天的設(shè)計(jì)已不再適用,，因?yàn)镻A所面對(duì)的阻抗是不可預(yù)測的,。設(shè)計(jì)人員要優(yōu)化解決方案，以為終端用戶提供最佳通話時(shí)間,，就必須著手在不同的VSWR條件下檢測RF前端。

　　諸如3GPP等標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)制定了空中測試（OTA）要求,。一般來說,，這些要求要比運(yùn)營商的要寬松得多，因?yàn)楹笳咝枰鼑?yán)格的OTA性能,。運(yùn)營商為其手機(jī)設(shè)置的典型值為傳導(dǎo)RF輸出功率-11dB,。根據(jù)GSM 850標(biāo)準(zhǔn)，這相當(dāng)于22dBm OTA要求,，因?yàn)閭鲗?dǎo)輸出功率要求設(shè)置為33dBm,，而天線效率和傳播效果隨頻率不同，會(huì)有-11dB的損耗,。如果RF前端都按照這些要求進(jìn)行評(píng)估和對(duì)比,，這些OTA要求就能直接應(yīng)用于50歐姆系統(tǒng)。

　　GSM功率控制架構(gòu)對(duì)通話時(shí)間的影響

　　當(dāng)前行業(yè)中GSM手機(jī)采用最廣泛的三種架構(gòu)分別是電流控制,、電壓控制和功率檢測,。圖4、圖5和圖6分別給出了這三種架構(gòu)的簡化框圖,。

　　圖4：電流控制模塊圖,。

　　圖4中的電流控制架構(gòu)是一種間接控制的方案，它監(jiān)控電流并使其保持恒定,。這種方法將電流與功率相關(guān)聯(lián),，只要電流與功率之間的關(guān)系保持恒定（僅當(dāng)負(fù)載電阻不變時(shí)），就能非常出色地控制功率,?？刂乒β实姆椒ㄊ牵和ㄟ^調(diào)整放大器的基級(jí)偏壓來控制增益，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)功率控制。圖5為電壓控制示意圖,，它與電流控制類似,，也是一種間接控制方法，只是將電壓而非電流與功率相關(guān)聯(lián),。這種方法非常類似電流控制,，只要負(fù)載電阻恒定且電壓和功率間的關(guān)系保持不變，就能工作良好,。與電流控制相似,，在電壓控制中，通過調(diào)節(jié)集電極電壓而非基級(jí)偏壓來控制功率,。本文中介紹的最后一個(gè)架構(gòu)是功率檢測（如圖6所示）,。這種方法將一部分信號(hào)耦合回檢波器，檢波器通過比較輸出電壓和參考電壓來檢測功率,。這種功率控制方法的準(zhǔn)確性也很高,，失配主要取決于耦合器的方向和反饋回路中的誤差。該架構(gòu)的缺點(diǎn)是,，增加了耦合器的輸出損耗和組件成本,，因?yàn)樗枰嚯娐穪韺?shí)現(xiàn)功率控制功能。

　　圖5：電壓控制模塊圖,。

　　圖6：功率檢測模塊圖,。

　　在非常簡短地回顧了基本功率控制架構(gòu)后，下面重點(diǎn)介紹器件的評(píng)估測試,，采用的是能夠反映實(shí)際性能,，并直接影響通話時(shí)間、電池壽命和呼叫接收效果等用戶滿意度指標(biāo)的方式,。首先,，為了解實(shí)際環(huán)境，必須描述天線性能（如圖3所示）,。正像前面所述,，VSWR的變化范圍在2:1到5:1之間，具體取決于終端用戶和手機(jī)的位置,。綜合這些考量因素,，用于對(duì)比的基準(zhǔn)定為3:1 VSWR。選擇該值的原因是因?yàn)樗芎芎玫伢w現(xiàn)實(shí)際環(huán)境中的性能,，而不會(huì)有不切實(shí)際的功率反射回PA,，從而導(dǎo)致比較結(jié)果有誤差。為正確描述這些產(chǎn)品,，必須進(jìn)行負(fù)載牽引測試,，用這種方法設(shè)計(jì)人員可以精確控制失配、相角和輸出功率精確度。該方法如圖7所示,。

　　圖7：負(fù)載牽引的設(shè)置,。

　　通過圖8和圖9可以看出，即使采用不同架構(gòu)實(shí)現(xiàn)了功率控制功能,，在實(shí)際環(huán)境中的性能還是有可能出現(xiàn)很大差異,。這意味著什么？為什么很重要,？首先,，如前所述，OTA性能是真正的關(guān)鍵,，它與輸出功率直接相關(guān),。如圖9所示，在這三種維持到負(fù)載的恒定輸出功率的方法中,，電流控制是表現(xiàn)最差的一種,。在GSM 850頻段，電流控制和功率檢測方法有大概1.5dB的差異,。功率檢測機(jī)制的缺陷在于允許電流增加,，而其它解決方案中的電流維持在合理值。盡管這種情況下看起來通話時(shí)間會(huì)較長,，但實(shí)際環(huán)境中并非如此。

　　例如,，如果手機(jī)工作在29dBm（這是GSM系統(tǒng)中最常見的功率值）,，基站實(shí)際上會(huì)要求手機(jī)將功率值從29dBm提高到31dBm，因?yàn)檩敵龉β薀o法滿足當(dāng)前功率控制電平（PCL）,。這反過來會(huì)增加電流消耗,，最終縮短通話時(shí)間。另一個(gè)需考慮的則是電流消耗所取得的優(yōu)勢,。在手機(jī)中,，如果電流控制機(jī)制在這些情況下提供了足夠輸出功率，能夠滿足運(yùn)營商的OTA要求,，則無須擔(dān)心進(jìn)入VSWR的功率,。由于出色地降低了輸出功率，因此提供一種VSWR性能較好的解決方案就能夠大幅節(jié)省電流消耗,。在查看圖10時(shí),，請考慮以下問題：如果所有解決方案交付的功率均相同，那么它們會(huì)對(duì)終端用戶有何影響,？

　　對(duì)于電壓控制和功率檢測方法而言,，可將50歐姆校準(zhǔn)設(shè)置為降低1dB，但仍滿足相同的輸出功率要求。ETSI傳導(dǎo)規(guī)范指定,，對(duì)于PCL 5,，正常情況下的功率為33dBm±2dB。這意味著為達(dá)到傳導(dǎo)性能,，針對(duì)PCL 5,，手機(jī)必須至少輸出31dBm?？紤]到留出余量的需求,，最安全的校準(zhǔn)值應(yīng)為31.5dBm。如果需要更大的余量,，則設(shè)計(jì)人員可將手機(jī)調(diào)相至50歐姆環(huán)境中為32dBm,，從而大幅節(jié)約電流。圖11中詳細(xì)介紹了與50歐姆環(huán)境下性能的關(guān)聯(lián)問題,。

　　在圖11中,，對(duì)這三個(gè)解決方案的電流與輸出功率進(jìn)行了的對(duì)比。這證明了如果設(shè)計(jì)人員要實(shí)現(xiàn)相同的輸出功率以滿足OTA需求,，那么電流控制方案中的輸出功率就需要調(diào)整為33dBm,，功率檢測方案的輸出功率與之相比要小1dB。最終的結(jié)果是在滿功率工作時(shí),，50歐姆環(huán)境下可節(jié)省180mA電流,，從而延長電池壽命和通話時(shí)間。在節(jié)省電流的同時(shí),，并未犧牲任何實(shí)際輸出功率OTA性能,。降低調(diào)相目標(biāo)的另一優(yōu)勢是，降低了吸收率（SAR）,，且減少了諧波的生成,，因?yàn)樵跐M功率1dB回退點(diǎn)，諧波能量要低很多,。這減輕了輻射問題,，并能加快產(chǎn)品面市速度。

　　如果設(shè)計(jì)人員對(duì)該方法不感興趣,，而希望提高輸出功率,，那么可通過使用VSWR容差性能更優(yōu)的器件來實(shí)現(xiàn)。但提高輸出功率后,，每個(gè)設(shè)計(jì)人員都面臨著多時(shí)隙GPRS情形下輻射能量無法達(dá)到SAR要求的可能性,。而設(shè)計(jì)更優(yōu)的、VSWR容差性能良好的器件通過限制低阻抗?fàn)顟B(tài)下的輸出功率,，使手機(jī)工作在較高功率水平時(shí)仍能滿足SAR要求（參見圖12）,。

　　圖12說明,，如果手機(jī)設(shè)計(jì)人員希望優(yōu)化OTA性能，那么電壓控制和功率檢測解決方案與電流控制解決方案相比,，其調(diào)相目標(biāo)要高出0.5到0.75dB,。從統(tǒng)計(jì)角度看，較高的調(diào)相目標(biāo)會(huì)降低SAR性能,。但由圖12我們可以看到,，這三種解決方案的峰值功率擺幅是相同的，而50歐姆環(huán)境下設(shè)定的功率要高于電流控制方案的功率,。這使得設(shè)計(jì)人員能夠開發(fā)出在運(yùn)營商要求的OTA性能方面比競爭對(duì)手更為優(yōu)秀的產(chǎn)品,。

　　最后需要考慮的是發(fā)射（TX）和接收（RX）性能間的平衡，以及是否能根據(jù)不同地區(qū)定制性能,。從圖3,，即手機(jī)天線VSWR性能示意圖中可以看出，如果需要的話,，可以通過調(diào)諧來為提高RX性能而降低TX性能,。圖中的紫色軌跡表示手機(jī)放在頭部附近的傳統(tǒng)通話方式，在提高頻率時(shí),，GSM 850 TX和RX性能會(huì)略有降低,，而GSM 900 RX VSWR則會(huì)有所改善。如果TX通路VSWR容差性能良好,，設(shè)計(jì)人員就能根據(jù)其具體設(shè)計(jì)中的側(cè)重點(diǎn),，靈活地權(quán)衡參數(shù)。

　　總之,，失配情況下評(píng)估方案的重要性必須得到重視,。這為設(shè)計(jì)人員打開了新思路，他們能以前所未有的方式進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)性能權(quán)衡,。如果只是根據(jù)50歐姆實(shí)驗(yàn)室測試來檢測解決方案,，可能會(huì)導(dǎo)致無法正確選擇合適的設(shè)計(jì)架構(gòu),。由圖10可知,，這三種解決方案都能執(zhí)行相應(yīng)功能，且性能非常相似,。雖然在50歐姆環(huán)境中確實(shí)如此,，但實(shí)際應(yīng)用卻有很大不同。關(guān)注OTA性能可使設(shè)計(jì)者更為靈活地定制產(chǎn)品,，以實(shí)現(xiàn)更優(yōu)的功耗,、OTA功率或RX性能。為此,，設(shè)計(jì)人員應(yīng)開放思路,，采用新方法來進(jìn)行RF前端評(píng)估,，并作出真正能夠影響用戶滿意度的決策，如降低呼損率,，延長電池壽命等,。隨著終端客戶的使用體驗(yàn)的改進(jìn)，手機(jī)的品牌形象也會(huì)大幅提升,，最終提高消費(fèi)者需求量和運(yùn)營商的采用率,。

　　作者：Jackie Johnson

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