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VCO_Pulling对于零中频发射机之相位误差的危害

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    VCO_Pulling对于零中频发射机之相位误差的危害

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    由于现今智能手机要求的 RF 功能越来越多,这连带使得零件数目越来越多,且 越来越要求轻薄短小[1],而零中频架构,由于具备了低成本,低复杂度,以及 高整合度,这使得零中频架构的收发器,在手持装置,越来越受欢迎[2]。但连 带也有一些缺失,其中一项便是所谓的 VCO Pulling,如下图[3-6] : 在零中频架构中,因为主频讯号的频率与 LO 相同,所以有可能会泄漏并造成干 扰,而整个发射路径中,最可能的泄漏来源为 PA 输出端与天线端,因为 PA 输 出端的能量最强,因此会以传导方式干扰,而天线端则是会直接以辐射方式干扰, 使调变精确度下降,导致相位误差,频率误差,以及 EVM 都会有所劣化[6]。 1 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 0 dBm ~ 6 dBm,这表示收发器的输出功率,即便扣掉 Mismatch Loss 与 Insertion Loss,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。然而 PA 的输入端,其实也是 DA(Driver Amplifier)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,发射性能已 经不好,再加上 PA 是主要的非线性贡献者,如此便会导致 PA 输出端的发射性 能更差[8]。 除此之外,这部分的匹配若没调校好,会因反射而干扰 VCO,导致调变精确度下 降,如下图[6] : 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[8-9]。 2 由[10]可知,像 WCDMA 这种会用到振幅调变的讯号,只能用线性 PA 作放大, 亦即在升频过程中,是采用所谓的 I/Q Modulation,如下图[11] : I/Q Modulation是直接将数字讯号的I/Q讯号,直接升频成RF讯号,因此容易在 混波过程中,产生带外噪声,若带外噪声被PA放大,进而增加LNA的Noise Floor, 会导致灵敏度变差。换句话说,WCDMA接收端的灵敏度,除了会因Tx Leakage 而劣化[13],也会因被PA放大的带外噪声而变差[1]。 3 除此之外,因为GPS接收的是-150 dBm以下,极微弱的讯号,因此当WCDMA与 GPS功能同时开启时,被PA放大的带外噪声,有可能会影响到GPS[1] : 因此通常多半会在PA输入端,添加SAW Filter。但在成本与空间的考虑下,越来 越倾向将SAW Filter拿掉[1],而由[14]得知,若收发器内部设计得宜,即便无SAW Filter,其灵敏度也不会太差。 4 因此在一些电路设计上,会看到以 0 奥姆电阻作切换的设计,例如高通的 WTR1605L,在 WCDMA 的发射端部分,其 SAW Filter 会再额外多接一个传输路 径,当 R2615 不放组件时,其发射讯号会经过 U2603 这颗 SAW Filter,当 R2615 放 0 奥姆时,其发射讯号并不会经过 U2603 这颗 SAW Filter,而是直接透过 R2615 传输过去[15]。 然而有时会遇到的问题是,当 R2615 放 0 奥姆时,其相位误差与 EVM 会变差, 此时可能有人会认为是 SAW Filter 的关系,但这是个误解,因为相位误差与 EVM, 都是带内噪声,而 SAW Filter 是用来抑制带外噪声,换言之,SAW Filter 无法改 善相位误差与 EVM,相反地,若 SAW Filter 的 Group Delay 过大,会导致信号有 所失真,进而劣化 EVM[1]。 5 因此合理的解释,便是 VCO Pulling,当 R2615 不放组件时,其发射讯号会经过 U2603 这颗 SAW Filter,此时收发器看出去的 S11 很好,不会有讯号反射。 但是当 R2615 放 0 奥姆时,其发射讯号会直接经过 R2615,由于 Layout 走线关 系,导致收发器看出去的 S11 不好,讯号反射打到 VCO,使得调变精确度下降, 其相位误差与 EVM 变差。故此时应针对 PA 输入端的 Matching 再作微调,以减 少反射。 6 由下图可知,当 PA 输入端的 Matching 调校为较收敛的状况时,其 EVM 也跟着 改善[1]。 7 然而相较于 PA 输入端,由于 PA 输出端的能量更强,因此更可能会危害到 VCO, 因此更需特别注意。有可能透过其他邻近的走线,藉由耦合的方式,产生 VCO Pulling。 常见的例子是,在调试过程中,发现相位误差过大,但接收端的 Matching 拿掉, 也就是将接收路径断开后,其相位误差便改善,此时可能有人会认为是接收端 Matching 的关系,但这是个误解。 8 因为接收端的 Matching,是为了减少接收讯号的 Mismatch Loss,使其灵敏度变 好,并不会影响发射端的相位误差。或是有人怀疑接收讯号干扰发射讯号,因此 将接收路径断开后,便无干扰来源,导致相位误差改善。这也是个误解,因为 GSM 是 TDD 机制,发射与接收不会同时运作,因此当讯号从发射端发射时,接 收端并无讯号。即便是 WCDMA 这种 FDD 机制,亦即发射与接收会同时运作, 但由于接收讯号远小于发射讯号,其强度不足以干扰发射讯号,反倒是发射讯号 容易干扰接收讯号[2]。 因此合理的解释是,由于 PA 输出讯号,耦合到接收路径,流入收发器,进而打 到发射端 VCO,产生 VCO Pulling。 或是打到接收端 VCO,再耦合到发射端 VCO,产生 VCO Pulling[3]。 9 而由[17-19]得知,讯号干扰的机制,会有三要素, 接收路径在这案例中,扮演 Path 的角色,因此拿掉接收端的 Matching,等同于 将 Path 断开,消除 VCO Pulling,进而改善相位误差。 当然,若接收端有添加 SAW Filter,可以将发射端的讯号挡下来,以[20]为例, 其发射讯号的频率,已经属于带外噪声, 10 因此原则上,接收端有添加 SAW Filter,可以避免该情况发生。但要注意其 SAW Filter 的摆放位置,必须离收发器越近愈好,确保发射讯号在进入收发器前,能 被 SAW Filter 挡下来。 否则若离收发器过远,则发射讯号一样有机会透过接收路径,窜入收发器,产生 VCO Pulling。 11 但有些收发器的接收端,是属于 SAW-less 设计,例如高通的 RTR6285A[21], 其 GSM 部分的接收路径,并无摆放 SAW Filter,故此时接收端的 Matching,其 任务除了改善接收讯号的 Mismatch Loss,同时也负责抑制带外噪声,即抵挡发 射讯号。 当然,如前述的接收端 SAW Filter 一样,该接收端 Matching,一样需离收发器 越近愈好,确保发射讯号在进入收发器前,能被挡下来。 否则若离收发器过远,一样会产生 VCO Pulling。 12 除了邻近走线外,其发射讯号也可能会透过 Shielding Cover,产生 VCO Pulling, 若 Shielding Cover 与 Shielding Frame 接触不是很紧密,即接地不是很好,则耦 合到 Shielding Cover 上的发射讯号,并不会通通流到 GND,而是会透过反射, 窜入收发器,导致 VCO Pulling。 此时应该加强 Shielding Cover 与 Shielding Frame 的接触,使其耦合到 Shielding Cover 上的发射讯号,通通流到 GND。 13 以及加强 Shielding Cover 与 Housing 金属的接触[17-19]。 当然在 Layout 时,其 Shielding Frame 上的 GND Via 要尽可能多打,以便加强 GNDING[21]。 14 而也因为会有 VCO Pulling 的问题,因此不论是高通,或是 MTK,都会建议收发 器与 PA 要分别放在两个独立的屏蔽框里,也是为了避免 VCO Pulling[6]。 而接收端的 SAW Filter 以及 Matching,除了如前述离收发器越近越好,也要放 在收发器的屏蔽框里[22]。 15 另外,在收发器到 ASM 的长度不变情况下,尽可能缩短 PA 到 ASM 的距离,主 要是为了 Insertion Loss 与 VCO Pulling 的考虑。 由前述可知,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 0 dBm ~ 6 dBm,这表示收发器的输出功率,即便扣掉 Mismatch Loss 与 Insertion Loss,仍符合 PA 的输入功率范围,因此即便 PA 输入端走线长 一点,Insertion Loss 大一点,对于 PA 的线性度与最大饱和功率,并无太大差异, 校正时自然会补偿回来。 但是 PA 输出端的 Insertion Loss,是无法补偿回来的,若因为走线过长,Insertion Loss 多 1 dB,那么最大饱和功率,就是硬生生被扣掉 1 dBm。一般 GSM Low Band 的最大输出功率为 32.5 dBm,若其最大饱和功率只有 33 dBm,表示只 Back-off 了 0.5 dBm,PA 线性度不佳,其发射性能可能会劣化。若最大饱和功率只有 32 dBm,连最大输出功率 32.5 dBm 都达不到,那这只能改 Layout,无其他解法。 16 再者,若 PA 输出端的走线越长,则 PA 输出讯号耦合到邻近走线的机会就愈高, 亦即 VCO Pulling 的风险就越高。虽然 PA 输入端的走线越长,一样会提高 VCO Pulling 的风险,但由于 PA 输入讯号的强度,远小于 PA 输出讯号的强度,以杀 伤力来讲,当然是 PA 输出讯号较大。原则上最理想情况是 PA 输入端走线,以 及 PA 输出端走线,都尽可能短,但若因空间限制,使得 Placement 时,收发器 到 ASM 的距离就是这么长,在两害相权取一轻的情况下,当然是先缩短 PA 输出 走线的长度。 17 另外,有一种情况是,作传导测试时,其相位误差都正常,但作无线测试时,天 线一装上去,其相位误差就变大,部分原因也是来自于 VCO Pulling[23]。当 Shielding Cover 与 Shielding Frame 的接触不够紧密时,亦即屏蔽效果不好, 则由天线发出的无线发射讯号,会泄漏到收发器的屏蔽框内,造成 VCO Pulling。 而由[17-19]可知,任何金属,若 GNDING 不完全,等同于辐射体,因此 Shielding Cover 与 Shielding Frame 的接触不够紧密时,亦即 GNDING 不完全,这时整个 Shielding Can 会宛如一个共振腔结构,把残留在 Shielding Cover 的 Wireless 信 号,辐射出去,打到 VCO。 18 此时可以做实验,把 Shielding Cover 拿掉,去做 Wireless 的测试。若相位误差 变好,就表示是第二种情况,因为 Shielding Cover 拿掉,等同于破坏共振腔结 构。反之, 若变更差,那就是第一种情况,因为完全没遮蔽效果。而不管是第 一种或第二种,解决之道都是加强 Shielding Cover 的 GNDING,亦即如前述,加 强 Shielding Cover 与 Shielding Frame 的接触,以及加强 Shielding Cover 与 Housing 金属的接触[17-19, 23]。如果是第一种,这样可以加强遮蔽效果。如果 是第二种,这样可以把残留在 Shielding Cover 的 Wireless 信号,都流到 GND, 削减其共振腔的辐射强度。 19 Reference [1] WCDMA 零中频发射机(TX)之调校指南与原理剖析, 百度文库 [2] WCDMA 之 Tx Leakage 对于零中频接收机之危害, 百度文库 [3] A Study of Injection Locking and Pulling in Oscillators, IEEE [4] A Single-Chip Digitally Calibrated 5.15–5.825-GHz 0.18- m CMOS Transceiver for 802.11a Wireless LAN, IEEE [5] Recent Developments in High Integration Multi-Standard CMOS Transceivers for Personal Communication Systems, IEEE [6] GSM 之调制与开关频谱(ORFS)解析与调校大全,百度文库 [7] Passive Impedance Matching___实战大全, 百度文库 [8] MT6252 4L PCB Application Note, MTK [9] MSM8960 CHIPSET TRAINING - MIGRATION FROM RTR860X TO WTR1605(L), Qualcomm [10] 关于 GSM 和 WCDMA 最大功率及耗电流—从调变方面解释, 百度文库 [11] 极化调制之 EDGE 功率放大器, 百度文库 [12] RF Transmitter Architectures and Circuits [13] WCDMA 之 Tx Leakage 对于零中频接收机之危害, 百度文库 [14] A Low-Power CMOS SAW-Less Quad Band WCDMA/HSPA/HSPA+/1X/EGPRS Transmitter, IEEE [15] MSM8960 Chipset Training Migration from RTR860x to WTR1605(L), Qualcomm [16] MODERN RECEIVER FRONT-ENDS 20 [17] 上集_磁珠_电感_电阻_电容 于噪声抑制上之剖析与探讨, 百度文库 [18] 中集_磁珠_电感_电阻_电容 于噪声抑制上之剖析与探讨, 百度文库 [19] 下集_磁珠_电感_电阻_电容 于噪声抑制上之剖析与探讨, 百度文库 [20] SAW Rx 2in1 filter B9500, EPCOS [21] RTR6285A RF Transceiver IC, Qualcomm [22] WTR1625L RF Transceiver and WFR1620 RF Receiver, Qualcomm [23] 为何天线装上去 相位误差与频率误差变大, 百度文库 21

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