RF預(yù)失真修正信號(hào)

現(xiàn)代RF放大器既需要線性也需要高效率。線性要求是源于現(xiàn)代調(diào)制方法的使用，如QAM(正交幅度調(diào)制)和OFDM(正交頻分多址調(diào)制，參考文獻(xiàn)1)。這些放大器還需要效率，以降低功耗和減少散熱。開(kāi)發(fā)人員通常將現(xiàn)代RF放大器組件裝在天線桿內(nèi)。這些“桿頂”放大器的設(shè)計(jì)中，外殼可以不含風(fēng)扇且直接暴露在日光下。在功耗上每節(jié)省1W，就意味著少了1W的散熱器散熱需求。另外，對(duì)放大器過(guò)驅(qū)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致失真，產(chǎn)生諧波尖刺，使解調(diào)無(wú)法進(jìn)行。這些尖刺會(huì)落入鄰近的頻段，也許是手機(jī)公司并不擁有的頻段。FCC(聯(lián)邦通信委員會(huì))對(duì)這種ACLR(鄰道泄漏比)有嚴(yán)格的限制。

所以，你有兩個(gè)理由去實(shí)現(xiàn)良好的線性度：這樣才能精確地調(diào)制信號(hào)，這樣你的信號(hào)才不會(huì)干擾鄰近的信號(hào)。同樣重要的是，你能在輸出級(jí)獲得最佳的功率效率。問(wèn)題是，線性與效率是互斥的。

在頻域和時(shí)域中都可以查看RF放大器的失真。在時(shí)域中，能夠形象地看到一個(gè)通過(guò)RF放大器的切角或平頂正弦波，如同驅(qū)動(dòng)過(guò)度而靠近電壓軌的音頻信號(hào)一樣(圖1)。在頻域中，放大器失真表現(xiàn)為包含諧波的“邊緣”，它進(jìn)入了鄰近頻段范圍內(nèi)(圖2)。對(duì)于任何放大器，希望的功率越高，則得到的失真就越嚴(yán)重。在RF頻率下，不僅有幅度失真，還有相位失真，以及由于熱瞬變和電記憶效應(yīng)所帶來(lái)的失真(圖3)。相位失真出現(xiàn)于快速轉(zhuǎn)換速率區(qū)中，RF輸出滯后于輸入信號(hào)的情況，如當(dāng)載波信號(hào)進(jìn)入大地時(shí)，或當(dāng)一個(gè)調(diào)制包絡(luò)必須立即變到一個(gè)不同電平時(shí)。

為了在一個(gè)確定帶寬內(nèi)裝入更多信息，現(xiàn)代調(diào)制技術(shù)依賴(lài)于準(zhǔn)確接收的RF信號(hào)包絡(luò)。有了準(zhǔn)確的電壓與相位，就可以解碼出代表某個(gè)數(shù)字碼的點(diǎn)的星座。這個(gè)碼產(chǎn)生出一個(gè)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)流，然后進(jìn)一步解碼成一個(gè)基帶語(yǔ)音或數(shù)據(jù)信號(hào)。

較老的調(diào)制方法對(duì)放大器的線性比較不敏感。AM(調(diào)幅)收音機(jī)與模擬電視廣播都使用AM方式，它依賴(lài)的是RF信號(hào)的峰值。任何失真對(duì)所有峰值都有相同影響，而對(duì)所有接收信號(hào)的質(zhì)量影響不大。FM(調(diào)頻)收音機(jī)與模擬電視的音頻信號(hào)采用的是FM方式，它取決于波形的零交越。因此任何幅度非線性都沒(méi)有影響。相位失真對(duì)零交越有影響，但它們是均勻的效果，不會(huì)影響FM調(diào)制。

提高RF放大器線性有多種技術(shù)。首先，可以采用更好的晶體管。于是，制造商會(huì)在RF晶體管生產(chǎn)中采用GaAs(砷化鎵)和其它III-V族半導(dǎo)體工藝，即至少一個(gè)III族元素和至少一個(gè)V族元素組成的化學(xué)化合物。另外，還可以嘗試用SiGe(硅鍺)晶體管，也許再加上CMOS工藝(參考文獻(xiàn)2)。雖然SiGe比GaAs慢，噪聲也大，但通常也夠用了，尤其是在低于3 GHz的頻率下。工程師面臨著在RF放大器中采用CMOS的壓力，因?yàn)樗某杀镜?，但CMOS的工作電壓低，因此難以在功率放大器中實(shí)現(xiàn)。CMOS還有高的噪聲系數(shù)，降低方法是增加晶體管結(jié)構(gòu)的尺寸，但這種辦法也增加了雜散電容，降低了產(chǎn)品的工作頻率。RFMD和其它公司提供藍(lán)寶石上做的CMOS，所有晶體管下面都有一個(gè)介電隔離層(參考文獻(xiàn)3)。這種方法有成本優(yōu)勢(shì)，減少了雜散電容。

受市場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的現(xiàn)實(shí)是，工程師們可以用CMOS制造用于Wi-Fi熱點(diǎn)應(yīng)用的小功率RF放大器。手機(jī)需要更特殊的工藝，如SOI(絕緣硅)，GaAs將在近期手機(jī)基站上占支配地位。

一旦你的功率放大器有了線性良好的晶體管技術(shù)，接下來(lái)要關(guān)注放大器的架構(gòu)。你可以從一種間斷驅(qū)動(dòng)的架構(gòu)(如Class C型)轉(zhuǎn)換到一種更連續(xù)的類(lèi)型，如Class AB型。Class C的效率高，因?yàn)樗靡恢痪w管驅(qū)動(dòng)一個(gè)儲(chǔ)能電路，產(chǎn)生出供發(fā)射的RF正弦波。但遺憾的是，Class C放大器不適應(yīng)現(xiàn)代的線性需求，尤其是基站。獲得良好線性的一種方式是減少對(duì)放大器的驅(qū)動(dòng)，這樣晶體管就不會(huì)接近飽和，輸出電壓擺幅就完全處于電源軌的范圍內(nèi)。不幸的是，這種方案的效率最差。

為解決這個(gè)問(wèn)題，可以嘗試采用一種Doherty放大器，它是一種復(fù)合型設(shè)備，使用了一個(gè)主通道和一個(gè)輔助RF通道，可以在信號(hào)強(qiáng)度低時(shí)節(jié)省功耗，而當(dāng)需要較高功率時(shí)，仍能適應(yīng)較大的信號(hào)擺幅(圖4)。Doherty放大器架構(gòu)運(yùn)行很好，但它增加了理想的簡(jiǎn)單放大器級(jí)的器件數(shù)和復(fù)雜性。

如果為了獲得效率而要將RF放大器置于飽和狀態(tài)，則可以嘗試用正反饋技術(shù)使之線性化。十多年來(lái)，RF設(shè)計(jì)者已成功地將這些技術(shù)用于手機(jī)基站?，F(xiàn)在的問(wèn)題是，用于4G(第四代)LTE(長(zhǎng)期演進(jìn))的新調(diào)制方法有更高的要求。為了獲得更高的帶寬效率(以每赫茲比特度量)，即便對(duì)最好的放大器，這些新的調(diào)制方法也提出了困難的線性要求。

這種狀況促使工程師們采用預(yù)失真(predistortion)技術(shù)對(duì)RF功率放大器做線性化(參考文獻(xiàn)4)。由于這類(lèi)技術(shù)要對(duì)天線饋送的輸出做采樣，并送回輸入端，它看起來(lái)類(lèi)似于所有模擬工程師都熟知的反饋技術(shù)。但是，預(yù)失真并不會(huì)給

一個(gè)誤差放大器提供反饋信號(hào)，因?yàn)镽F信號(hào)速度太快，無(wú)法將一個(gè)真正的載波頻率信號(hào)回送給誤差放大器。預(yù)失真采用的是一些算法，它們可精確預(yù)測(cè)放大器各種工作條件下的效應(yīng)，從而調(diào)節(jié)輸入信號(hào)，使之通過(guò)RF功放時(shí)有更好的線性。

可以設(shè)想一下算法的基礎(chǔ)功能。對(duì)一個(gè)擺幅大到接近電源軌的正弦載波，所有RF放大器都會(huì)將其抹平。因此，預(yù)失真算法會(huì)使這些較大幅度的正弦波有更尖銳的波峰。這樣，就可以從放大器獲得一個(gè)較純凈的正弦波。在時(shí)域中很容易看到這種情況。而在頻域中，可以將預(yù)失真想象成增加某種相位角的諧波成分，它抑制掉非線性RF功放所產(chǎn)生的尖刺。當(dāng)為一個(gè)預(yù)失真電路通電時(shí)，就可以看到鄰道尖刺的幅度大大減小。

通過(guò)一個(gè)類(lèi)似想法的實(shí)驗(yàn)，也可以看到預(yù)失真算法如何補(bǔ)償一個(gè)放大器的相位誤差。由于相位誤差是可預(yù)測(cè)和可重復(fù)的，算法就可以修改輸入波形的時(shí)序，以去除任何放大器的滯后。在時(shí)域中，可以想象成算法在快速轉(zhuǎn)換速率期間超前于信號(hào)，使得放大器最終輸出一個(gè)干凈的正弦波。在頻域中，鄰道尖刺也達(dá)到了可以接受的水平。

現(xiàn)在的預(yù)失真算法已足夠完備，甚至可以消除熱效應(yīng)帶來(lái)的失真。高低溫對(duì)功率晶體管造成的失真是不同的?？梢蚤_(kāi)發(fā)出一種算法，預(yù)測(cè)輸出晶體管的功耗。從這個(gè)預(yù)測(cè)中，可以推斷出晶體管的溫度，然后對(duì)輸入作適當(dāng)調(diào)節(jié)，從而使輸出保持為線性。這個(gè)算法必須考慮到所用散熱器以及周?chē)h(huán)境的熱時(shí)間常數(shù)。

數(shù)字預(yù)失真還是模擬預(yù)失真?

過(guò)去幾年來(lái)，手機(jī)基站制造商已接受了用數(shù)字預(yù)失真做放大器線性化的方法(圖5與參考文獻(xiàn)5)。此時(shí)，要用一個(gè)單向耦合器對(duì)RF輸出做采樣?？梢杂靡粋€(gè)混頻器，將千兆赫水平的信號(hào)下變頻到一個(gè)較低頻率。然后就可以用一個(gè)快速ADC對(duì)波形采樣。這些采樣被送至一片運(yùn)行預(yù)失真算法的FPGA，用于修正輸入波形，還給出一個(gè)數(shù)字的數(shù)據(jù)流。然后，F(xiàn)PGA輸出RF基帶信號(hào)或I(索引)和Q(正交)信號(hào)，再上變頻至手機(jī)所在頻段的RF載波效率。

建立這一系統(tǒng)的方法有多種(參考文獻(xiàn)6)。通過(guò)采用獨(dú)立的ADC和下變頻芯片，可以針對(duì)需求優(yōu)化自己的系統(tǒng)，并使用可以從很多供應(yīng)商獲得的標(biāo)準(zhǔn)化部件。例如，Hittite、Analog Devices、德州儀器公司、凌力爾特公司以及Intersil公司(參考文獻(xiàn)7)都制造可用于分立數(shù)字預(yù)失真電路的硅芯片。

很多工程師都熟悉Altera公司的FPGA在數(shù)字領(lǐng)域的使用。該公司的MegaCore IP(智能產(chǎn)權(quán))可完成預(yù)失真的數(shù)字部分運(yùn)算(參考文獻(xiàn)8)。Analog Devices公司與Altera公司合作，提供一種混合信號(hào)的數(shù)字預(yù)失真系統(tǒng)板，而德州儀器公司提供GC5325這類(lèi)發(fā)射處理器器件，以降低信號(hào)波峰系數(shù)，以及抵消功放的失真(圖6)。Xilinx公司為自己的Virtex-4和Virtex-5 FPGA提供一個(gè)數(shù)字預(yù)失真的參考設(shè)計(jì)。由于手機(jī)基站承載了較多的RF通道，空間就成為了一個(gè)問(wèn)題。凌力爾特公司等的解決方法是將整個(gè)數(shù)字預(yù)失真電路集成為L(zhǎng)TM9003微模塊(圖7)。

盡管手機(jī)基站制造商接受數(shù)字系統(tǒng)，但供應(yīng)商們?cè)诓蓸訑?shù)據(jù)系統(tǒng)中做的主要是模擬電路，這帶來(lái)了成本、功耗和空間不利因素。替代方法是用模擬技術(shù)實(shí)現(xiàn)RF放大器的線性。例如，新興公司Scintera Networks將目標(biāo)瞄準(zhǔn)了5W區(qū)間的小功率RF系統(tǒng)，還有UHF(超高頻)電視發(fā)射站的信號(hào)路徑(圖8)。這種方法會(huì)采樣驅(qū)動(dòng)級(jí)的RF信號(hào)，使RF信號(hào)保持在模擬域中，但通過(guò)采用一種波形的Volterra Series擴(kuò)展，對(duì)其作因數(shù)修正。Volterra Series是一種非線性性能的模型，類(lèi)似于Taylor Series，不過(guò)Volterra Series可以表達(dá)記憶效應(yīng)。Scintera公司的方案會(huì)對(duì)RF輸出作采樣和數(shù)字化，采樣結(jié)果被送入該公司芯片中的數(shù)字電路。該設(shè)計(jì)用數(shù)字段計(jì)算出RF信號(hào)鏈的模擬因數(shù)，然后用另一個(gè)單向耦合器，將經(jīng)Volterra因數(shù)修正的RF信號(hào)混合回到RF路徑中。系統(tǒng)只需要在芯片中處理足夠的RF，就能校正放大器的失真。大多數(shù)RF功率都在主RF路徑內(nèi)，而繞過(guò)了IC。Scintera公司將RF保持在模擬域，提供了一個(gè)功耗遠(yuǎn)低于數(shù)字預(yù)失真方式的系統(tǒng)(圖9)。

要注意，數(shù)字預(yù)失真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與測(cè)試都不是簡(jiǎn)單的任務(wù)。你需要完備的RF設(shè)計(jì)工具，如AWR公司的Microwave Office以及Agilent公司的ADS(參考文獻(xiàn)9)。除了用先進(jìn)的測(cè)試設(shè)備確定RF路徑的特性以外，可能還需要購(gòu)買(mǎi)和學(xué)習(xí)專(zhuān)用的測(cè)試設(shè)備，如一臺(tái)實(shí)時(shí)頻譜分析儀(參考文獻(xiàn)10)。

無(wú)論是采用模擬預(yù)失真還是數(shù)字預(yù)失真，都可以減少RF設(shè)計(jì)中的干擾，并使用先進(jìn)的調(diào)制方法。最重要的是，預(yù)失真可以將RF放大器驅(qū)動(dòng)至接近飽和狀態(tài)，從而提高了功率效率。你可以用分立芯片自己搭建系統(tǒng)，

也可以使用封裝內(nèi)已集成所有功率的微模塊。在ADC以及下變頻IC中實(shí)現(xiàn)所需線性是半導(dǎo)體公司的一項(xiàng)成就。這些公司都有自己的應(yīng)用專(zhuān)家，可以幫助你設(shè)計(jì)出RF信號(hào)路徑，滿(mǎn)足所有的規(guī)范要求、減少功耗，并提供每兆赫茲最大位數(shù)。