電池的使用時間是手機整體性能評估中最重要的參數之一，如何在既有的電池技術下利用適當的調變或是傳輸的方式來延長手機的通話時間一直都是整個無線通訊界最重要的課題。基本上可以透過下述的幾個方法來增加手機的通話時間：
增加電池容量
以現有的電池技術而言要在短時間內透過新材料技術的開發來增加電池容量有其技術上的瓶頸。為了因應3G時代對高速資料傳輸的需求，在無法改善現有的電池技術下有必要利用一些數位通訊的技術來增加手機對電池的使用效率。
更強的頻道編碼（channel coding）技術
利用更強健的頻道編碼技術可以得到較大的編碼增益（coding gain），因此可以降低對發射功率的要求，增加電池的通話時間。例如在WCDMA及cdma2000中利用渦輪編碼器（turbo coder）來得到較大的編碼增益因而降低發射功率。越複雜的頻道編碼技術可以獲得更大的編碼增益，但需要越強大的硬體及DSP的功能（cost issue），而且在做解碼時所造成的訊號延遲越大（語音傳輸對訊號延遲是很敏感）。
傳輸技術的改善
利用非連續的傳輸（Discontinuous Transmission；DTX）或是槽狀接收（slotted reception）等技術可以將整個接收機或是發射機的主動元件在閒置的時間（idle time）關閉，進而增加電池的通話及待機時間。過長的slotted duration雖可增加待機時間但是會造成較大的撥通阻塞率，而DTX的技術只適用於低速率的語音傳輸，在高速率的資料傳輸時便無法使用。
改善傳輸效率
影響手機傳輸效率的關鍵因素就是功率放大器（power amplifier；PA）的效率，在整個手機的架構中PA所消耗的功率最大，因此PA的效率會直接影響到手機的通話時間。要改善PA的效率可以透過IC的製程技術或是調變技術。目前PA的製程技術大抵為HBT（Hetero-junction Bipolar Transistor）或HEMT（High Electron Mobility Transistor）的技術，短時間內要透過新製程技術的開發來增加PA的效率並不太可行，因此惟有利用調變技術的改進來增加PA的效率進而延長手機的通話時間。
型塑濾波器（Pulse Shaping Filter）
在3GPP規格中所採用的形塑濾波器為根號升餘玄濾波器（root raised cosine filter；SRRC）且其滾邊因子（roll-off factor）為0.22。基本上SRRC濾波器是將一個RC濾波器（raised cosine filter；RC filter）拆成兩部份，一個在發射器另一個則在接收器端，而其合成的效果會等同於一個RC濾波器。(圖一)顯示一個RC濾波器被拆成兩部份並分別配置在發射機和接收機。
(公式一)為SRRC濾波器的頻率響應。越大的滾邊因子代表著所佔用的頻寬越高，越小的滾邊因子代表所佔用的頻寬就越小，如(圖二)。滾邊因子為0代表著磚牆式的濾波器（brick-wall filter）屬性，所佔用的頻寬最小但在時域上會有很大的擺幅（ring），在時域上越大的擺幅代表著越高的PAPR值。
| 《圖三 具有不同滾邊因子的RRC濾波器的脈衝響應》 |
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| 《圖三 具有不同滾邊因子的RRC濾波器的脈衝響應》 |
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其中
：滾邊因子
T：碼片的週期
t：時間
目前的SRRC濾波器已經可以利用DSP的方式來實現。在DSP的實現上，越大的值代表著越快的脈衝響應die off，因此必須使用較短的FIR濾波器來實現。越短的FIR濾波器代表著較少的抽頭（taps），這意味著在時間上具有較短的處理延遲（processing delay）。若要利用DSP來建構一個的理想濾波器，理論上會需要無限長的FIR濾波器來實現，這也意味著無限長時間的處理延遲。因此，只能利用SRRC濾波器來逼近一個理想的帶通濾波器。
在RRC濾波器中不同的滾邊因子在頻域上會影響到佔用的頻寬，在時域上會影響脈衝響應訊號的擺幅。越大的訊號擺幅會造成訊號的軌跡向外散佈（spread out）而要成高的PAPR值。
PA設計的考量（PA Design Considerations）
一般功率放大器（Power Amplifier；PA）的最佳效率會發生在其飽和值（saturation level）附近，因此大部份的PA和RF系統設計者會將PA的飽和值儘可能的調至發射的平均功率附近，這樣便可達到最佳的PA輸出效率。
這個任務對GSM系統而言是一件簡單的工作，因為GSM的調變架構為GMSK，如(圖四)所示，是屬於constant envelope的格式，如(圖五)所示，因此它沒有所謂的峰值對平均功率比值（peak-to average power ratio；PAPR）的問題。constant envelope的調變架構允許GSM的PA可以選擇較不線性（linearity）但具有較高效率的設計方式，一般而言GSM PA的效率約可以達到50％。
| 《圖四 GMSK調變的向量軌跡圖（vector constellation diagram）》 |
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在EDGE及IS-136 TDMA的系統中所採用的調變架構分別為(圖六)及的架構，利用在每個符碼的取樣時間分別旋轉及來避免訊號軌跡通過原點。
上述的調變架構並不適用於3G（cdma2000 or WCDMA）手機。有別於傳統的2G或2.5G手機一次只能傳送單一頻道，3G手機可以同時傳輸多重頻道而且每一個頻道的功率準位（power level）未必相同。在這種多頻道同時傳輸的架構下會增加排列組合的複雜度，所以無法利用簡單的constant-envelope的調變架構（例如GMSK），OQPSK或是IQ平面的旋轉來降低零穿越（zero-crossings）的發生機率。因此在3G系統上導入了一種稱為正交複雜四相移鍵（Orthogonal Complex QPSK；OCQPSK）的調變架構來降低zero-crossings發生的機率，而低的zero-crossings意味著較低的PAPR值，可增加PA的效率以延長手機的通話時間。
影響手機通話時間的關鍵因素之一就是功率放大器的效率，在整個手機的架構中PA所消耗的功率最大，因此PA的效率會直接影響到手機的通話時間。要改善PA的效率除了透過IC的製程技術或新材料的導入外，另一方面是透過調變技術的改善來增加PA的效率。
一般PA的最佳效率會發生在其飽和值（saturation level）附近，因此大部份的PA和RF系統設計者會將PA的飽和值儘可能的調至發射的平均功率附近，這樣便可達到最佳的PA輸出效率。
(圖七)為PA輸入對輸出的轉移曲線。一般希望將PAPR值調至PA的線性區內，以確保訊號的線性放大。高PAPR值會造成PA的操作進入非線性區。PA在非線性區具有如下的行為：
- ●在非線性區時訊號會被壓縮，為了補償非線性的輸出必須從電池汲取更多的功率來確保線性操作。
- ●在非線性區時，若不補償因非線性的轉移曲線所造成得訊號壓縮，在頻譜上產生所謂的頻譜重生（spectral re-growth）的效應而對鄰頻產生干擾（adjacent channel interference）。
WCDMA的複雜擾亂（Complex Scrambling for WCDMA）
W-CDMA上傳方向的I/Q軸上的資料會被乘上長擾亂碼（long scrambling codes），此碼除了具備能夠讓基地台做用戶的區分之外還會使訊號的向量軌跡圖旋轉，利用向量軌跡圖的旋轉來克服在I/Q軸上因不同的功率負載所產生的不對稱。將利用(公式三)和(圖八)(a)/(b)來說明I/Q軸上的資料乘上長擾亂碼之後所造成的向量軌跡圖的變化情形。
：資料訊號經展頻之後的振幅（amplitude of information data after spreading）
：擾亂訊號的振幅（amplitude of scrambling code）
：資料訊號經展頻之後的相位（phase of information data after spreading）
：擾亂訊號的相位（phase of scrambling code）
在圖八(a)中，I軸和Q軸具有相等的功率分佈，因此其星座圖惟一典型的QPSK架構。經過長擾亂碼的複數擾亂之後仍然維持QPSK的結構。圖8(b)中原始的星座圖因I/Q軸不相等的功率分佈而扭曲成4-QAM的結構。經過複數擾亂之後可以將I/Q軸上的功率分佈平均。
HPSK調變（HPSK Modulation）
HPSK調變也被稱為正交複數的QPSK調變（Orthogonal Complex QPSK；OCQPSK），廣泛的應用在3G手機的上傳頻道展頻及調變上面。有別於傳統的cdmaOne的上傳頻道架構，在3G系統上只要手機是在通話模式時至少會同時傳輸兩個以上的頻道，例如DPDCH及DPCCH。
傳統使用在cdmaOne的上傳調變格式OQPSK（offset QPSK）只能確保在傳輸單一頻道的情形下可以避免產生zero-crossings（即訊號軌跡通過或極接近原點），而在3G時因使用I/Q多工的關係至少會有兩個以上的頻道同時傳輸，因此無法利用像OQPSK這種簡單的架構來避免zero-crossings的發生。zero-crossing代表訊號軌跡圖上相位的變動，相位的劇烈變動會造成訊號振幅產生較大的擺幅，如(圖九)；在功率上面也會產生劇烈的變動，如(圖十)。
| 《圖十 因zero-crossing所產生的效應》 |
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(圖十一)顯示WCDMA下傳和上傳方向的訊號向量軌跡圖。從圖中可以清楚發現下傳方向發生zero-crossings的機率約為上傳方向的兩倍，這是因為WCDMA的下傳頻道是採用QPSK的架構而上傳頻道則是採用HPSK的關係。因基地台無須考慮PA的性能及效率所以採用較簡單的QPSK的架構而有利於手機接收器的解調，至於手機則須考量到其耗電及干擾的問題因此必須使用較為複雜的HPSK調變。
假設的訊號其相連的兩個碼片值相同，為了要達到這個假設可以利用偶數號（even numbered）的OVSF碼來做展頻，因偶數號的OVSF碼的特色就是其相連的兩個位元值是維持不變的。請看下面的例子來說明HPSK是如何將zero-crossings的發生機率減半。
有關(公式四)的圖解法顯示在(圖十一)。
從圖十一中可以發現只要利用偶數號的OVSF碼來展頻就能得到連續的兩個碼片具有相同的值，利用Walsh rotator作複數擾亂之後可以將這兩個連續的碼片分別逆時針及順時針旋轉。經過複數擾亂之後可以確保相鄰的兩個碼片是被分離而不會被分離（會通過或極接近原點）。(圖十二)為W-CDMA HPSK調變的區塊圖。
當連續的訊號狀態是相同時（狀態不變），訊號的軌跡通常會有一個很大的過衝（overshoot）產生，這是因為有限頻寬的形塑濾波器所造成的效應，而過大的overshoot會造成較大的PAPR值。使用偶數號OVSF碼還有另一好處就是能夠避免訊號軌跡產生overshoot，進而降低PAPR值。因為HPSK能將相同狀態的連續兩個訊號分別以逆時針及順時針的方向旋轉，利用此一特色即能避免訊號的狀態會停留在同一位置上而產生overshoot的現象。
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超模壓（Over-Molded）塑膠封裝技術的演進，現在讓高功率射頻電晶體的研發業者，能將其元件封包在可靠的封裝材料中，這些材料的性能可媲美陶瓷品。封裝對於射頻功率電晶體而言，可說是能否達到最高效能的關鍵因素。相關介紹請見「提升射頻功率效能超模壓塑膠封裝為關鍵因素」一文。 |
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功率放大器（Power Amplifier；PA），用於射頻發射器的前端，作用在放大將要由天線發送出去的資料訊號，以防止通道對資料訊號的干擾。2003年，功率放大器的市場規模超過10億美元，市場佔有率最高的為RFMD佔40.3％，其次為Renesas、Skyworks及Motorola，前四大廠商就囊括88％的市場。你可在「通訊關鍵零組件－功率放大器領導廠商分析 」一文中得到進一步的介紹。 |
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2005年9月美國第一大行動電話業者Verizon Wireless宣布與Lenovo合作推出內建CDMA2000 1x EVDO模組之NB後，又於2006年1月與HP合作。其次Cingular也跟隨其腳步，利用其既有之W-CDMA網絡，提供隨處上網之服務。其餘地區之3G行動通訊服務業者，也充分利用3G高系統容量與高速傳輸特性，紛紛提供3G上網服務，企圖利用其行動通訊之Mobility特性，以搶奪Mobile Internet市場。在「無限vs無線－論行動通訊服務業者推3G上網對PWLAN之影響」一文為你做了相關的評析。 |
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功率放大器（PA）為無線通訊系統的基地台與行動電話提供了基本的功能。3G的演進促進了基地台的MCPA（多載波功率放大器）的發展。行動電話用戶的成長，提高了測試行動電話PA的需求，也使得功率放大器的需求面臨更多的挑戰。相關介紹請見「功率放大器的設計與測試」一文。 |
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快捷半導體（Fairchild Semiconductor）基於其WLAN功率放大器（PA）系列產品，推出高度整合的雙頻帶WLAN功率放大器FMPA2151，提高的性能為802.11a/b/g WLAN應用（包括筆記型電腦、數位相機和手機）及減少PCB layout所佔的面積。你可在「快捷半導體推出4×4mm雙頻帶功率放大器」一文中得到進一步的介紹。 |
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美國Analog Devices（ADI）於3GSM全球大會上，展示其首款W-CDMA/EDGE WEDGE晶片組。據介紹，高度整合的SoftFone-W晶片組採用ADI的Blackfin處理器和類比訊號、混合訊號和射頻技術。SoftFone-W晶片組包括AD6902（Monza）數位基頻處理器，AD6856 Stratos-W類比基頻處理器、音訊、電源管理IC，以及AD6541和AD6547 Othello-W射頻晶片。在「ADI在3GSM展示首款雙頻W-CDMA/EDGE晶片組」一文為你做了相關的評析。 |
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