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類或AB類偏置電路)，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類功放而言，8%甚至更低的效率并不少見。

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)峰值超過功放飽和點(diǎn)時(shí)，沒有一種預(yù)失真方法能夠校正信號(hào)，因?yàn)闆]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)程無線電頭端、PA模塊以及無需直接訪問數(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)展隨即通過整個(gè)發(fā)射機(jī)鏈傳播，并通過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。