超線性功放線性化的設(shè)計(jì)方案

　　隨著移動(dòng)事業(yè)的迅猛發(fā)展，特別是CDMA和第三代移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展，使得系統(tǒng)對(duì)功放線性的要求越來(lái)越高。在移動(dòng)通信系統(tǒng)中，為了保證一定范圍的信號(hào)覆蓋，我們通常使用功率放大器來(lái)對(duì)信號(hào)放大，進(jìn)而通過(guò)射頻前端和天線系統(tǒng)發(fā)射出去。而在CDMA或WCDMA以及TDSCDMA的基站中，如果采用一般的高功放(通常工作于AB類)，將由于非線性的影響產(chǎn)生頻譜再生效應(yīng)，為了較好的解決信號(hào)的頻譜再生和EVM(誤差矢量幅值)問(wèn)題，就必須對(duì)功放采用線性化技術(shù)。不僅如此，功放在基站放大器中的成本比例約占50%,如何有效、低成本地解決功放地線性化問(wèn)題就顯得非常重要。

　　1、超線性功放解決方案的提出

　　傳統(tǒng)解決功放的線性的方法多數(shù)是采用功率回退的方法來(lái)保證功放的互調(diào)分量也就是保證功放工作在線性范圍，從而不影響信號(hào)的覆蓋以及通信。圖1給出了關(guān)于三階截點(diǎn)、1dB壓縮點(diǎn)以及三階互調(diào)隨輸入功率的變化曲線。

　　圖1、分貝壓縮點(diǎn)輸出功率

　　從圖中可以看出，傳統(tǒng)的解決方法就是通過(guò)將輸入功率降低，如果輸入功率降低1dB,那么系統(tǒng)的互調(diào)分量將會(huì)好2dB,依次類推，就是說(shuō)為了保證線性，對(duì)于CDMA或者WCDMA的功放，我們只能用100W的放大管子來(lái)出5W功率。但是由于管子是為100W設(shè)計(jì)的，其靜態(tài)工作點(diǎn)仍舊很高，靜態(tài)電流依然很大。所以，功放整體電流會(huì)很大，電流大意味著功放的效率很低，將會(huì)有很大一部分熱量只能釋放到管子以及電路板上，這些熱量既是一種能量的浪費(fèi)，更重要的是會(huì)造成降低芯片的使用壽命。利益方面，能提供如此大功率的放大管子的價(jià)格是非常昂貴的。

　　基于以上這些考慮，同時(shí)單純的功率回退所能獲取的互調(diào)是有限的，隨著功率的進(jìn)一步增高，仍舊依靠功率回退是不能解決問(wèn)題的。所以，這里提出一種前饋預(yù)失真的設(shè)計(jì)方案來(lái)同時(shí)解決線性、效率以及成本問(wèn)題。

　　2、前饋預(yù)失真功放設(shè)計(jì)方案

　　目前較為成熟和流行的超線性解決方案包括前饋技術(shù)、預(yù)失真技術(shù)(包括模擬預(yù)失真和基帶預(yù)失真)、反饋技術(shù)等方法?？紤]到單純采用前饋技術(shù)對(duì)誤差功放的要求較高并不能降低太多成本和提高太多的效率，單純的采用預(yù)失真技術(shù)雖然可以提高線性和效率但并不能達(dá)到超線性的要求。結(jié)合兩項(xiàng)技術(shù)的有缺點(diǎn)，這里提出一種前饋結(jié)合預(yù)失真的技術(shù)。詳細(xì)的原理框圖見圖2。

　　圖2 前饋預(yù)失真方案框圖

　　如圖2所示，輸入信號(hào)首先通過(guò)定向耦合器一路經(jīng)過(guò)延時(shí)線準(zhǔn)備和輸出信號(hào)進(jìn)行抵消，從而檢測(cè)對(duì)消的情況，另一路送入預(yù)失真單元(PD)中產(chǎn)生失真信號(hào)，從而改善主功放的線性程度。同時(shí)主功放的輸出耦合一部分同經(jīng)過(guò)延時(shí)的主信號(hào)進(jìn)行對(duì)消，去除主信號(hào)，僅僅保留誤差信號(hào)，通過(guò)功分器，一方面作為對(duì)消效果的檢測(cè)從而作為閉環(huán)控制的參考，;另一方面送入誤差功放放大在與主功放耦合對(duì)消互調(diào)信號(hào)，從而進(jìn)一步改善互調(diào)。這里如果改善效果仍舊不理想，達(dá)不到超線性的要求即70dBc的話，可以將前饋環(huán)在增加一級(jí)，夠成3或4級(jí)環(huán)，從而提高改善效果。

　　上述僅是開環(huán)的方案，考慮到由于輸入功率、溫度等因素都可以影響對(duì)消效果，這里必須設(shè)計(jì)一個(gè)閉環(huán)的控制環(huán)節(jié)，使得系統(tǒng)中的衰減器和移相器能夠根據(jù)環(huán)境參數(shù)的改變，自動(dòng)跟蹤變化，自動(dòng)適應(yīng)調(diào)節(jié)，從而保證整體的線性要求。

　　閉環(huán)的實(shí)現(xiàn)首先是建立在對(duì)整個(gè)環(huán)內(nèi)若干個(gè)參考點(diǎn)的采樣來(lái)指導(dǎo)各個(gè)常數(shù)的變化，包括輸入功率，輸出誤差功率，環(huán)境溫度，主信號(hào)與誤差信號(hào)對(duì)消情況等若干個(gè)因素決定各個(gè)參數(shù)的變化。同時(shí)，系統(tǒng)要求自適應(yīng)算法的反映速度必須在20ns之內(nèi)，才能保證一旦參數(shù)發(fā)生變化，整體互調(diào)能及時(shí)跟蹤變化。避免出現(xiàn)短時(shí)的互調(diào)變差的現(xiàn)象。

　　下面將分各個(gè)單元分別介紹系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法以及核心技術(shù)問(wèn)題。

　　2.1、預(yù)失真產(chǎn)生單元(PD)

　　預(yù)失真部分采用的是模擬預(yù)失真方案。該方案已經(jīng)通過(guò)前期試驗(yàn)論證，對(duì)于600KHz的雙音信號(hào)互調(diào)可以改善15dB以上，對(duì)于1.28MHz的調(diào)制信號(hào)，ACPR可以改善10dB以上。預(yù)失真產(chǎn)生單元的整體框圖如圖3所示。

　　圖3 預(yù)失真產(chǎn)生框圖

　　輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)3dB電橋分成兩路，0°端作為主信號(hào)經(jīng)過(guò)延時(shí)線送入合成的3dB電橋;-90°端作為誤差信號(hào)的產(chǎn)生端再經(jīng)過(guò)一個(gè)3dB的電橋，這里的0°端產(chǎn)生失真信號(hào)，通過(guò)調(diào)節(jié)放大管FP2189的偏壓使其互調(diào)分量非常的大，經(jīng)過(guò)移相器調(diào)節(jié)相位準(zhǔn)備于主信號(hào)對(duì)消，-90°端首先通過(guò)衰減器調(diào)節(jié)幅度在通過(guò)偏壓調(diào)節(jié)非常好的FP2189使其產(chǎn)生非常好的互調(diào)信號(hào)，這樣在通過(guò)合成電橋的-90°端口，從而使得主信號(hào)與誤差信號(hào)相差-180°，從而使得產(chǎn)生互調(diào)信號(hào)的部分去除主信號(hào)只保留誤差信號(hào)。在通過(guò)調(diào)節(jié)衰減器和移相器使其相位與通過(guò)延時(shí)線的主信號(hào)相位相差-90°，從而借助另一個(gè)3dB合成電橋的-90°端實(shí)現(xiàn)主信號(hào)與失真信號(hào)相位相差-180°，也就意味著失真信號(hào)倒相，從而在主功放放大的過(guò)程中對(duì)消主信號(hào)的互調(diào)分量。

　　上述預(yù)失真信號(hào)的產(chǎn)生是本項(xiàng)目的第一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)，但是經(jīng)過(guò)盡兩個(gè)月的試驗(yàn)，已經(jīng)完成論證了該方法的可行性，如前所述，對(duì)于2.14GHz的600KHz雙音信號(hào)互調(diào)可以改善15dB以上，對(duì)于1.28MHz的CDMA調(diào)制信號(hào)，ACPR可以改善10dB以上。[!--empirenews.page--]

　　2.2、前饋單元

　　上述預(yù)失真方案經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，可以改善互調(diào)15dB,ACPR改善10dB,這樣可以改用小一些的管子推出大的功率。但是這還并不能達(dá)到超線性的要求(即-70dBc)，因此，再次引入前饋的方法進(jìn)一步改善線性。如果單純使用前饋的方法，對(duì)于誤差功放的功率要求要高，因?yàn)橹鞴Ψ诺幕フ{(diào)產(chǎn)物較高，這樣在誤差功放處必須能推出大的功率才可以抵消掉。所以，增加了誤差功放的價(jià)錢并降低了效率。但是，如果在主功放前增加預(yù)失真單元，就可以大大降低互調(diào)產(chǎn)物，減輕誤差功放的要求，提高效率。

　　前饋部分的原理框圖如圖4所示

　　圖4 前饋原理圖

　　輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)主功放放大，由于主功放的非線性，將有互調(diào)分量產(chǎn)生。通過(guò)耦合器將經(jīng)過(guò)放大的主信號(hào)與輸入信號(hào)進(jìn)行相減，從而使得放大后的主信號(hào)僅僅有失真信號(hào)，將失真信號(hào)通過(guò)誤差放大器進(jìn)行放大，使其幅度與主信號(hào)的互調(diào)產(chǎn)物幅度相同，再通過(guò)移相器和衰減器的調(diào)節(jié)，使其與主信號(hào)相位正好相差-180°，從而抵消掉主信號(hào)中的互調(diào)產(chǎn)物，進(jìn)一步改善功放的線性度。

　　實(shí)際設(shè)計(jì)中，如果一級(jí)環(huán)路抵消效果不理想，達(dá)不到-70dBc的超線性要求，可以考慮繼續(xù)增加環(huán)路，進(jìn)一步抵消失真信號(hào)。

　　2.3、閉環(huán)自適應(yīng)單元

　　預(yù)失真單元和前饋部分均可以大幅度改善功放整體的線性化程度，但是經(jīng)過(guò)試驗(yàn)論證，他們的對(duì)消效果會(huì)受到信號(hào)的幅度和相位的影響。如果對(duì)消的兩路信號(hào)相位相差超過(guò)2°，以及兩路信號(hào)的幅度相差超過(guò)5dB,其改善效果將非常差。但是，由于功放本身將會(huì)收到諸如環(huán)境溫度的變好、輸入信號(hào)的強(qiáng)弱的變化等諸多因素的影響，因而必須要求我們的功放能自動(dòng)適應(yīng)各種環(huán)境的應(yīng)用。所以，為了滿足上面提出的要求，整個(gè)系統(tǒng)必須具有自適應(yīng)單元，通過(guò)根據(jù)環(huán)境的變化自動(dòng)調(diào)整各個(gè)參數(shù)，從而保證功放工作在超線性。

　　閉環(huán)自適應(yīng)單元將是整個(gè)項(xiàng)目的難點(diǎn)。一方面需要受控的參數(shù)非常多，可獲取的輸入信號(hào)又非常的少，同時(shí)，整體數(shù)學(xué)模型很難建立，無(wú)法用數(shù)學(xué)模型描述輸入與輸出之間的關(guān)系。另一方面，從輸入信號(hào)發(fā)生變化到輸出信號(hào)的時(shí)間延遲大約20ns以內(nèi)，這就要求整個(gè)算法必須在20ns完成由輸入到輸出的計(jì)算，也就是說(shuō)要求算法的實(shí)時(shí)性非常高。

　　算法的出發(fā)點(diǎn)將是根據(jù)查表法，通過(guò)試驗(yàn)獲取大量在不通環(huán)境下所獲取的移相器和衰減器的控制電壓，以此作為樣本，設(shè)計(jì)一款神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)機(jī)器。通過(guò)大量的樣本訓(xùn)練該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，使其具有根據(jù)環(huán)境變量以及輸入功率等因素快速的決定各個(gè)衰減器和移相器的控制電壓。最終該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)機(jī)器將在FPGA中實(shí)現(xiàn)。

　　試驗(yàn)數(shù)據(jù)的獲取將用PC機(jī)設(shè)計(jì)一款能夠操作信號(hào)源以及頻譜儀的程序，將功放放入高低溫箱中做高低溫試驗(yàn)，同時(shí)調(diào)節(jié)輸入功率的大小，并設(shè)計(jì)一個(gè)收索算法，通過(guò)上位機(jī)自動(dòng)完成試驗(yàn)的過(guò)程，獲取大量的試驗(yàn)樣本，從而對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在MATLAB上進(jìn)行訓(xùn)練。并最終在FPGA中實(shí)現(xiàn)。

　　以上目前只是一種假設(shè)，閉環(huán)自適應(yīng)算法將是整個(gè)超線性功放的難點(diǎn)，將會(huì)花大量時(shí)間在這里收集資料，嘗試各種方案，最終提出并設(shè)計(jì)一個(gè)最適合的實(shí)現(xiàn)方案。因此，在這里可能會(huì)花費(fèi)大量的時(shí)間和精力。

　　3、超線性功放產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)方案

　　圖5 預(yù)失真+主功放實(shí)現(xiàn)方案

　　圖6 預(yù)失真+前饋+主功放方案

　　4、超線性功放關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題

　　帶寬問(wèn)題。

　　隨著頻率的增高，相位和時(shí)延均會(huì)發(fā)生變化，這就要求在整個(gè)頻帶內(nèi)各個(gè)模塊的頻響特性要一致。

　　抵消問(wèn)題。

　　預(yù)失真和前饋的根本出發(fā)點(diǎn)都是信號(hào)的對(duì)消問(wèn)題，也就是說(shuō)讓兩個(gè)信號(hào)在相位上相差180°，如果相位相差對(duì)消的誤差超過(guò)2°，將大大的降低對(duì)消的效果。也就是說(shuō)相位能否對(duì)上，是決定效果的關(guān)鍵。

　　衰減器和移相器

　　衰減器和移相器是預(yù)失真和前饋的主要調(diào)節(jié)單元。如果衰減器帶有附加相移或者移相器帶來(lái)附加衰減，都將使得整個(gè)系統(tǒng)無(wú)法控制。另外兩者的時(shí)延也是決定延遲線的關(guān)鍵。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)的論證，用電橋搭成的衰減器和移相器雖然能夠滿足要求，但是附加相移和衰減過(guò)大，同時(shí)一致性較差，將不利于生產(chǎn)。所以，進(jìn)一步選用一些集成的衰減器和移相器進(jìn)行試驗(yàn)。

　　自適應(yīng)算法

　　如前在閉環(huán)控制算法中提到的，算法的相應(yīng)時(shí)間和相應(yīng)速度是一個(gè)非常關(guān)鍵的技術(shù)指標(biāo)。同時(shí)由于輸入的參數(shù)太少，并且整個(gè)數(shù)學(xué)模型很難建立，因此自適應(yīng)算法的研發(fā)將是整個(gè)項(xiàng)目的瓶頸，將會(huì)花大量的時(shí)間和精力在這里。

　　5、超線性功放的優(yōu)勢(shì)

　　超線性功放作為一種時(shí)下非常流行的技術(shù)與傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)功放的方法相比具有很多優(yōu)勢(shì)，它不僅僅是可以使得功放的線性化程度做的很好，同時(shí)可以大大的降低成本，提高效率，增加效益等。

　　成本上的優(yōu)勢(shì)

　　雖然超線性功放在結(jié)構(gòu)上比傳統(tǒng)的功放復(fù)雜了很多，也增加了例如衰減器和移相器等附加的芯片，可能會(huì)在這增加一些開銷，但是由于它可以大大提高功放的線性化程度，也就是說(shuō)原來(lái)必須用100w的放大管子出20w功率，現(xiàn)在可能僅僅用45w的管子就可以出20w,這樣在放大管子上節(jié)省的開銷將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)那些衰減器和移相器的開銷。

　　效率上的優(yōu)勢(shì)

　　傳統(tǒng)的功放都是采用的功率回退的方法，無(wú)形中將是放大管工作在很高的靜態(tài)工作點(diǎn)但輸出功率并不大，將有大量的能量浪費(fèi)在靜態(tài)電流以及熱量上面。采用了超線性化技術(shù)，由于改善了功放的非線性，可以使得功放管子的工作狀態(tài)進(jìn)一步提高，減小靜態(tài)電流的浪費(fèi)，大大提高了效率。同時(shí)也相當(dāng)于提高了整體的穩(wěn)定性。

　　在大功率放大器上的優(yōu)勢(shì)

　　以類似于基站放大器上200W的功放為例，對(duì)于四載頻的基站放大器，需要四個(gè)200W的功放。因?yàn)楣β侍撸瑹o(wú)法保證功放的線性，只能一個(gè)載波一個(gè)放大器，這樣還需要合路、供電系統(tǒng)等一系列的開銷，從而使得整機(jī)體積非常大。如果改用了超線性功放，可以說(shuō)一個(gè)功放就可以搞定，大大降低了成本減小了體積。這樣在市場(chǎng)上將有很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。