利用RF預(yù)失真實(shí)現(xiàn)功放線性化

線性是多模多載波無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)關(guān)鍵性能，這些網(wǎng)絡(luò)包括寬帶第三代(3G)和第四代(4G)蜂窩系統(tǒng)，包括減小了覆蓋區(qū)域并且采用低發(fā)射功率架構(gòu)的小型蜂窩基站。其亮點(diǎn)在于射頻/微波功率放大器(PA)能以低成本和低系統(tǒng)功耗提供所需的性能。遺憾的是，功放的操作通常不是線性的，可工作在平均輸出功率0.5W至60W的線性化功放的高性價(jià)比方案還沒(méi)有實(shí)現(xiàn)。

但有種解決方案已經(jīng)浮出水面，即Scintera公司的射頻功放線性器(RFPAL)系統(tǒng)級(jí)芯片(SoC)解決方案。該方案采用預(yù)失真技術(shù)來(lái)改善輸出功率電平在60W以下的功放線性度。特別是在10W以下時(shí)(這種情況下，大多數(shù)功放都是基于A類(lèi)或AB類(lèi)偏置電路)，RFPAL電路提供了極具吸引力的回退替代方案。為更好地理解這些RFPAL解決方案的用途和射頻預(yù)失真(RFPD)技術(shù)的使用，本文將該方法與數(shù)字預(yù)失真(DPD)和回退等用于改善功放線性度的傳統(tǒng)方法進(jìn)行了比較。

沒(méi)有功放是完美的。當(dāng)饋入多頻輸入信號(hào)時(shí)，功放將提升有用信號(hào)，但也會(huì)產(chǎn)生無(wú)用的互調(diào)(IM)項(xiàng)(圖1a)。當(dāng)功放接近飽和時(shí)，這種非線性行為會(huì)愈加明顯。為了在沒(méi)有采取預(yù)失真技術(shù)的條件下獲得可接受的線性度，功放通常要從飽和點(diǎn)(圖2a中的PSAT(3dB))回退。遺憾的是，當(dāng)放大器的工作點(diǎn)回退時(shí)，放大器的直流效率將下降(圖1b)。對(duì)于已經(jīng)進(jìn)入回退模式以適應(yīng)信號(hào)的峰值與均值比(PAR)以及進(jìn)一步回退以滿足系統(tǒng)線性要求的AB類(lèi)功放而言，8%甚至更低的效率并不少見(jiàn)。

在許多蜂窩通信應(yīng)用中，PAR的基礎(chǔ)是10-4的互補(bǔ)累積分布函數(shù)(CCDF)概率。雖然回退放大器是發(fā)射平均功率在20W以下的功放最常采用的線性化方法，但有源線性化也是很有吸引力的一種實(shí)用技術(shù)。有源線性化技術(shù)包括RFPD和DPD，允許發(fā)射器在接近甚至稍高于PSAT-PAR工作點(diǎn)的條件下工作(圖2b)。當(dāng)然，當(dāng)信號(hào)峰值超過(guò)功放飽和點(diǎn)時(shí)，沒(méi)有一種預(yù)失真方法能夠校正信號(hào)，因?yàn)闆](méi)有辦法恢復(fù)由于箝位造成的信息丟失。采用有源線性化技術(shù)后，AB類(lèi)放大器一般可以增加3dB至6dB驅(qū)動(dòng)，從而使效率提高2倍至4倍。與回退放大器相比，有源線性化技術(shù)能使最后一級(jí)功放、電源、冷卻部件和運(yùn)行成本減少一半以上。

在要求寬信號(hào)帶寬的系統(tǒng)中，比如長(zhǎng)期演進(jìn)(LTE)系統(tǒng)，或?qū)拵Ф噍d波/多協(xié)議系統(tǒng)中，回退放大器也許不是一種可選技術(shù)，因?yàn)楣Ψ趴赡茉谌魏喂β仕蕉紵o(wú)法實(shí)現(xiàn)目標(biāo)線性性能。在這些系統(tǒng)中，有必要采用有源線性化技術(shù)來(lái)滿足規(guī)定的輻射排放或通信標(biāo)準(zhǔn)的要求?？紤]到系統(tǒng)成本、功耗、尺寸等因素，射頻預(yù)失真技術(shù)可以在功放平均輸出功率電平低至500mW的系統(tǒng)中滿足這些要求。

Scintera公司的SC1889和SC1869 RFPAL代表了在小型蜂窩設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)線性性能的實(shí)用解決方案。在這種場(chǎng)合中，系統(tǒng)成本的下降、外形封裝的縮小和復(fù)雜性的降低是部署異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的重要因素。在這樣的網(wǎng)絡(luò)中，這種射頻預(yù)失真技術(shù)為工作在最大平均輸出功率約0.5W至60W的功放提供了比DPD或回退方法更具性價(jià)比的方法。SC1889支持高達(dá)60MHz的即時(shí)帶寬，可以與工作在5W至60W平均輸出功率的A/AB類(lèi)或Doherty放大器一起使用。SC1869支持最大20MHz的即時(shí)帶寬，并針對(duì)平均輸出功率在0.5W至10W的A/AB類(lèi)放大器作了優(yōu)化。

SC1889和SC1869器件所采用的射頻預(yù)失真技術(shù)與DPD有很大的相似性，都可補(bǔ)償調(diào)幅至調(diào)幅(AM-AM)和調(diào)幅至調(diào)相(AM-PM)失真、互調(diào)失真和功放存儲(chǔ)效應(yīng)，而且都采用反饋信息補(bǔ)償由于溫差和功放老化造成的信號(hào)損傷。雖然射頻預(yù)失真和DPD都是基于Volterra級(jí)數(shù)近似算法，并共享其它相似的基礎(chǔ)理論，但它們的電路設(shè)計(jì)和系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)沒(méi)有相似性。

SC1889和SC1869 RFPAL是使用射頻輸入和輸出信號(hào)(RFIN和RFOUT)的自適應(yīng)系統(tǒng)，因此它們能夠在遠(yuǎn)程無(wú)線電頭端、PA模塊以及無(wú)需直接訪問(wèn)數(shù)字處理器的任何應(yīng)用中獨(dú)立工作。例如，圖4a顯示了使用RFPAL的一種高層系統(tǒng)框圖。在該圖中，方向性耦合器用于驅(qū)動(dòng)線性化電路的射頻輸入(RFIN和RFFB)。校正信號(hào)(RFOUT)再通過(guò)方向耦合器與功放輸入信號(hào)組合在一起。該線性化器使用功放輸出信號(hào)自適應(yīng)地判斷在給定平均與峰值功率電平、中心頻率和信號(hào)帶寬下的功放非線性特征。然后在頻域中對(duì)來(lái)自功放輸出端的這個(gè)反饋信號(hào)(RFFB)進(jìn)行分析，并為代價(jià)函數(shù)的自適應(yīng)校正產(chǎn)生一個(gè)頻譜上分解過(guò)的線性度指標(biāo)。

RFPAL處理器根據(jù)Volterra級(jí)數(shù)近似算法產(chǎn)生校正信號(hào)，而這種近似算法還會(huì)通過(guò)一組由數(shù)字控制器產(chǎn)生的可編程系數(shù)得到不斷的優(yōu)化。數(shù)字控制器運(yùn)行一種自適應(yīng)算法，然后將系數(shù)應(yīng)用于校正處理器以最大限度地減小代價(jià)函數(shù)。如圖4b所示，整個(gè)線性器系統(tǒng)(包括圖5a虛線內(nèi)的所有元件)可以在一個(gè)緊湊的印刷電路板(PCB)內(nèi)實(shí)現(xiàn)，面積不到6.5cm2，并且BOM成本低。

借助為RFPD基本操作建立的基線可以描述更大的系統(tǒng)，并與DPD放大器線性化方法的使用進(jìn)行比較。圖5描述了DPD如何擴(kuò)展信號(hào)鏈最前點(diǎn)的數(shù)字基帶處的帶寬(向有用信號(hào)增加預(yù)失真校正信號(hào))。這種帶寬擴(kuò)展隨即通過(guò)整個(gè)發(fā)射機(jī)鏈傳播，并通過(guò)反饋路徑再次回到數(shù)字基帶。帶寬擴(kuò)展將增加時(shí)鐘速率，擴(kuò)大元件帶寬要求，并導(dǎo)致更高的系統(tǒng)功耗，從而加重整個(gè)系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)。增加的復(fù)雜性包括(但不限于)極具挑戰(zhàn)性的時(shí)鐘發(fā)生器要求(包括抖動(dòng)性能)，增加了對(duì)多極高頻重構(gòu)濾波器的需求，并需要寬帶線性頻率上變頻器。

當(dāng)采用DPD系統(tǒng)時(shí)，上變頻器之后的濾波器頻率響應(yīng)必須足夠?qū)挘赃m應(yīng)有用信號(hào)加上功放預(yù)失真要求的帶寬擴(kuò)展。遺憾的是，由數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)、上變頻器等產(chǎn)生的位于濾波器通帶內(nèi)的任何噪聲也將被功放所放大。在大多數(shù)應(yīng)用中，消除落在接收頻帶內(nèi)噪聲的唯一方法是在功放輸出端做文章。這要求所用濾波器的尺寸、成本和插入損耗隨設(shè)計(jì)要求而改變。為了滿足更加嚴(yán)格的抑制要求，濾波器成本也可能增加。由于這種濾波器而增加的任何插損都將降低效率，并要求功放得到更強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)才能在天線端取得原始設(shè)計(jì)要求的相同輸出功率。因此，濾波器在一定程度上會(huì)負(fù)面影響通過(guò)使用DPD取得的好處。取而代之的是使用更低噪聲的DAC和上變頻器，盡量減少對(duì)功放后濾波器的需求，但與較高噪聲的器件相比，成本和功耗會(huì)較高。

需要注意的是，功耗估算是基于集成的DPD/DSP特殊應(yīng)用集成電路(ASIC)和外部模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、DAC、下變頻器、時(shí)鐘發(fā)生器和功率檢測(cè)器。功耗估算不包括數(shù)字上變頻器(DUC)、振幅因數(shù)減少(CFR)電路和功放，因?yàn)樗鼈兺瑫r(shí)存在于DPD和RFPD實(shí)現(xiàn)中。

借助獨(dú)立的RFIN/RFOUT架構(gòu)和自適應(yīng)射頻預(yù)失真技術(shù)，Scintera公司的一體化方法允許只在需要的點(diǎn)位——在功放輸入端注入校正信號(hào)。這種實(shí)現(xiàn)的好處見(jiàn)圖6。時(shí)鐘發(fā)生器、重構(gòu)濾波器和上變頻器的要求都有所放寬，同時(shí)從數(shù)字基帶一直到功放的發(fā)射機(jī)鏈中的所有元件都可以工作在1倍信號(hào)帶寬。不過(guò)，線性化器可以工作在超過(guò)5倍的信號(hào)帶寬條件下，不會(huì)犧牲任何系統(tǒng)設(shè)計(jì)或功耗性能，因?yàn)樽钚職埩艋フ{(diào)產(chǎn)物可以被輕松濾除。SC1889/69總的預(yù)失真帶寬約為250MHz，支持補(bǔ)償即時(shí)帶寬(有用信號(hào))為20MHz時(shí)的11階互調(diào)失真，或即時(shí)帶寬為50MHz時(shí)的5階互調(diào)失真。另外，基于RFPD的系統(tǒng)在功放前只需要一個(gè)窄帶濾波器，從而放寬了DAC和上變頻器的噪聲要求，避免在功放輸出端使用高價(jià)的濾波電路。雖然RFPD實(shí)現(xiàn)沒(méi)有要求，但SC1889/69 RFPAL還是集成了完整的RFFB反饋路徑，因而極大地簡(jiǎn)化了總體系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并將受帶寬擴(kuò)展影響的有源元件限制為僅功放和線性化器件。這些好處導(dǎo)致非常低的功耗，以及相當(dāng)簡(jiǎn)化的、更低成本的發(fā)射器和基帶架構(gòu)。

在本文所給的例子中，RFPD實(shí)現(xiàn)的功耗比DPD實(shí)現(xiàn)少4W。雖然在宏蜂窩設(shè)計(jì)中這種功耗差別不太重要，但在微蜂窩、毫微蜂窩和企業(yè)毫微微蜂窩設(shè)計(jì)中，基于RFPD的設(shè)計(jì)所具有的更低功耗、更低系統(tǒng)成本和更小外形封裝是重要因素。SC1889/69 SoC還包含許多可選功能，例如為前向和反射功率提供測(cè)量功能，用于監(jiān)視溫度和頻譜掩模條件的功能等，這些功能可進(jìn)一步簡(jiǎn)化系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。

Scintera公司的射頻功放線性化方法是將一部分預(yù)失真算法從數(shù)字域重新分配到模擬/射頻域。圖7中的幾乎整個(gè)校正處理器模塊都是使用射頻/模擬電路(包括圖8a所示的部分)實(shí)現(xiàn)的，因此與等效的數(shù)字實(shí)現(xiàn)方案相比，這種方法具有非常低的功耗、寬帶寬性能和緊湊電路結(jié)構(gòu)。

從校正處理器模塊開(kāi)始，RFIN信號(hào)經(jīng)過(guò)一個(gè)正交相移器(QPS)后形成同相(I)和正交(Q)的信號(hào)分量[RFIN(I),RFIN(Q)]，并在多個(gè)位置得到使用。RFIN(I)和RFIN(Q)的包絡(luò)功率也用于Volterra級(jí)數(shù)發(fā)生器模塊，并通過(guò)應(yīng)用非線性變換產(chǎn)生偶數(shù)階互調(diào)項(xiàng)。為了補(bǔ)償功放的存儲(chǔ)效應(yīng)，需要根據(jù)范圍從0至300ns的延時(shí)項(xiàng)τ1至τ4產(chǎn)生4組不同的系數(shù)(圖8a)。所有系數(shù)都是由運(yùn)行私有自適應(yīng)算法的數(shù)字控制器產(chǎn)生并單獨(dú)控制的。針對(duì)每個(gè)存儲(chǔ)項(xiàng)，先要累加偶數(shù)階校正函數(shù)，然后與QPS產(chǎn)生的對(duì)應(yīng)RFIN(I)和RFIN(Q)信號(hào)相乘。最后這個(gè)乘法運(yùn)算會(huì)將偶數(shù)階項(xiàng)轉(zhuǎn)換為奇數(shù)階項(xiàng)。然后再將I和Q校正信號(hào)相加產(chǎn)生RFOUT校正信號(hào)。校正處理器使用完整的360度調(diào)制器，因此能夠校正任何相位和幅度的互調(diào)項(xiàng)。數(shù)字控制器根據(jù)RFFB反饋信號(hào)提供的信息對(duì)系數(shù)進(jìn)行修正，然后將它們應(yīng)用于校正處理器，直到找到能夠最大限度減小代價(jià)函數(shù)(誤差指標(biāo))的最優(yōu)系數(shù)組。

監(jiān)視模塊大部分是在數(shù)字域中實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)橄窨焖俑道锶~變換(FFT)和誤差指標(biāo)產(chǎn)生等功能更適合使用數(shù)字信號(hào)處理(DSP)技術(shù)實(shí)現(xiàn)。如圖7所示，監(jiān)視輸入部分包括下變頻器和ADC，這是提供DSP使用的頻譜分解數(shù)據(jù)所要求的。與依賴于外部下變頻器和ADC的DPD相比，RFFB ADC的集成是一個(gè)顯著的區(qū)別。SC1889/69 SoC中采用的這種獨(dú)特的分割方法可產(chǎn)生單片、高集成度的解決方案，不僅能保持?jǐn)?shù)字方法的靈活性，而且具有模擬方法的簡(jiǎn)單性和低功耗優(yōu)勢(shì)。

線性化解決方案的總體性能取決于許多因素。RFPAL方法的最大好處是可以用作回退功放的替代方案。與回退功放相比，功耗僅0.4W的RFPAL可以帶來(lái)高達(dá)4倍的效率改進(jìn)，并可實(shí)現(xiàn)同樣比例的總體系統(tǒng)功耗下降。另外，線性化方法能使功放更接近PSAT工作點(diǎn)工作，從而允許使用更小的晶體管實(shí)現(xiàn)目標(biāo)輸出功率。功耗的降低意味著可以減少系統(tǒng)的年度運(yùn)行成本(電氣成本)，當(dāng)天線功率電平大于5W時(shí)，可以在相當(dāng)短時(shí)間內(nèi)彌補(bǔ)RFPAL解決方案的初始成本。

下表顯示系統(tǒng)功耗和系統(tǒng)效率比回退放大器有明顯的優(yōu)勢(shì)：效率提高了3倍，系統(tǒng)功耗降低67W以上，年運(yùn)行成本節(jié)省近30美元。雖然不是每個(gè)系統(tǒng)都一直工作在最大輸出功率，但必須為最差情況設(shè)計(jì)電源容量和系統(tǒng)冷卻要求。與工作在回退模式的功放相比，以前一直被忽視的預(yù)失真技術(shù)能夠極大的減小尺寸/體積以及與電源和冷卻部件(散熱器、風(fēng)扇等)相關(guān)的成本。

在比較RFPAL方法與DPD技術(shù)時(shí)可以發(fā)現(xiàn)一個(gè)明顯的重要區(qū)別。即使DPD可以比RFPAL方法提供更好的最后一級(jí)功放效率(表中數(shù)據(jù)為高出2%，但在大多數(shù)情況下差距要小得多)，但DPD的總體系統(tǒng)效率仍低于RFPAL，因?yàn)镈PD方法具有較高的功耗。當(dāng)天線輸出功率電平低于10W并接近0.5W時(shí)，RFPAL系統(tǒng)效率的提高幅度將越來(lái)越大，因?yàn)镈PD功耗在總體系統(tǒng)功耗中所占的比例越來(lái)越大。這種差異可以使用Scintera公司在其網(wǎng)站上提供的效率計(jì)算器查看。鑒于與DPD相似的校正性能、但改進(jìn)了功耗和效率、減小了復(fù)雜性、降低了系統(tǒng)成本和縮小了外形封裝，RFPAL是作為異類(lèi)網(wǎng)絡(luò)部署一部分的小型蜂窩設(shè)計(jì)的理想之選。

在比較這些不同的功放線性化方法時(shí)，重要的是要認(rèn)識(shí)到，有一些模擬應(yīng)用是沒(méi)法使用DPD的，如模擬遠(yuǎn)程無(wú)線電頭端、功放模塊、中繼器和微波回傳系統(tǒng)。由于RFPAL方法是一種自適應(yīng)的RFIN/RFOUT和獨(dú)立線性化解決方案，不需要外部數(shù)字控制，因此全模擬系統(tǒng)也可以使用。圖4a所示的數(shù)字部分是可選的，主要用于需要報(bào)告功能的應(yīng)用，對(duì)上述模擬應(yīng)用來(lái)說(shuō)不是必需的。SC1889/69易于集成，不需要預(yù)失真算法方面的專(zhuān)業(yè)知識(shí)，因此是工作在回退模式的功放的實(shí)用性替代方案。

SC1889和SC1869 SoC非常適合頻率范圍從470MHz至2800MHz的各種蜂窩應(yīng)用，這些應(yīng)用的PAR可達(dá)10dB，可以使用靜態(tài)平均功率波形如CDMA和WCDMA、動(dòng)態(tài)平均功率信號(hào)如WiMAX、HSDPA和LTE以及包括A/B類(lèi)或Doherty放大器在內(nèi)且基于不同工藝技術(shù)(如硅LDMOS、GaN和GaAs器件技術(shù))的寬范圍功放。采用預(yù)失真技術(shù)和反饋技術(shù)的這些器件可以補(bǔ)償由于AM-AM、AM-PM、互調(diào)甚至功放存儲(chǔ)效應(yīng)造成的失真。SC1889和SC1869 RFPAL是自適應(yīng)的系統(tǒng)，主要功能是處理輸入信號(hào)，為通信系統(tǒng)提供輸出信號(hào)，并且支持在遠(yuǎn)程無(wú)線電裝置中獨(dú)立工作。這些器件是回退技術(shù)的實(shí)用化替代方案，可進(jìn)一步改進(jìn)放大器的線性性能。這兩種器件都可以工作在－40℃至+100℃的寬溫度范圍內(nèi)。Scintera公司還針對(duì)微波無(wú)線電和廣播基礎(chǔ)設(shè)施市場(chǎng)開(kāi)發(fā)出了相應(yīng)的產(chǎn)品，在平均輸出功率超過(guò)600W的DVB-T、ATSC和CMMB發(fā)射機(jī)中都集成有RFPAL電路。RFPAL技術(shù)同樣適用于軍事和公共安全系統(tǒng)中使用的那些通信平臺(tái)。