利用RF預失真實現功放線性化 - 全文

　　線性是多模多載波無線網絡的一個關鍵性能，這些網絡包括寬帶第三代(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)射功率架構的小型蜂窩基站。其亮點在于射頻/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比方案還沒有實現。

　　但有種解決方案已經浮出水面，即Scintera公司的射頻功放線性器(RFPAL)系統(tǒng)級芯片(SoC)解決方案。該方案采用預失真技術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(這種情況下，大多數功放都是基于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失真(RFPD)技術的使用，本文將該方法與數字預失真(DPD)和回退等用于改善功放線性度的傳統(tǒng)方法進行了比較。

　　沒有功放是完美的。當饋入多頻輸入信號時，功放將提升有用信號，但也會產生無用的互調(IM)項(圖1a)。當功放接近飽和時，這種非線性行為會愈加明顯。為了在沒有采取預失真技術的條件下獲得可接受的線性度，功放通常要從飽和點(圖2a中的PSAT(3dB))回退。遺憾的是，當放大器的工作點回退時，放大器的直流效率將下降(圖1b)。對于已經進入回退模式以適應信號的峰值與均值比(PAR)以及進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。

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　　圖1:圖中表明了(a)通常由射頻功放產生的互調失真，以及(b)射頻功率、效率和失真之間的關系。

　　在許多蜂窩通信應用中，PAR的基礎是10-4的互補累積分布函數(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用技術。有源線性化技術包括RFPD和DPD,允許發(fā)射器在接近甚至稍高于PSAT-PAR工作點的條件下工作(圖2b)。當然，當信號峰值超過功放飽和點時，沒有一種預失真方法能夠校正信號，因為沒有辦法恢復由于箝位造成的信息丟失。采用有源線性化技術后，AB類放大器一般可以增加3dB至6dB驅動，從而使效率提高2倍至4倍。與回退放大器相比，有源線性化技術能使最后一級功放、電源、冷卻部件和運行成本減少一半以上。

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　　圖2:圖中比較了(a)沒有采用預失真技術和(b)采用了預失真技術的射頻功放性能。

　　在要求寬信號帶寬的系統(tǒng)中，比如長期演進(LTE)系統(tǒng)，或寬帶多載波/多協(xié)議系統(tǒng)中，回退放大器也許不是一種可選技術，因為功放可能在任何功率水平都無法實現目標線性性能。在這些系統(tǒng)中，有必要采用有源線性化技術來滿足規(guī)定的輻射排放或通信標準的要求?？紤]到系統(tǒng)成本、功耗、尺寸等因素，射頻預失真技術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計中實現線性性能的實用解決方案。在這種場合中，系統(tǒng)成本的下降、外形封裝的縮小和復雜性的降低是部署異構網絡的重要因素。在這樣的網絡中，這種射頻預失真技術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比的方法。SC1889支持高達60MHz的即時帶寬，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的即時帶寬，并針對平均輸出功率在0.5W至10W的A/AB類放大器作了優(yōu)化。

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　　圖3:這些圖顯示了(a)沒有經過預失真線性化和(b)經過預失真線性化的功放。

　　SC1889和SC1869器件所采用的射頻預失真技術與DPD有很大的相似性，都可補償調幅至調幅(AM-AM)和調幅至調相(AM-PM)失真、互調失真和功放存儲效應，而且都采用反饋信息補償由于溫差和功放老化造成的信號損傷。雖然射頻預失真和DPD都是基于Volterra級數近似算法，并共享其它相似的基礎理論，但它們的電路設計和系統(tǒng)實現沒有相似性。

　　SC1889和SC1869 RFPAL是使用射頻輸入和輸出信號(RFIN和RFOUT)的自適應系統(tǒng)，因此它們能夠在遠程無線電頭端、PA模塊以及無需直接訪問數字處理器的任何應用中獨立工作。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動線性化電路的射頻輸入(RFIN和RFFB)。校正信號(RFOUT)再通過方向耦合器與功放輸入信號組合在一起。該線性化器使用功放輸出信號自適應地判斷在給定平均與峰值功率電平、中心頻率和信號帶寬下的功放非線性特征。然后在頻域中對來自功放輸出端的這個反饋信號(RFFB)進行分析，并為代價函數的自適應校正產生一個頻譜上分解過的線性度指標。

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　　圖4:圖(a)顯示了Scintera公司SC1889/69 RFPAL的關鍵功能模塊，圖(b)顯示了安裝在評估印刷電路板(PCB)上的芯片。

　　RFPAL處理器根據Volterra級數近似算法產生校正信號，而這種近似算法還會通過一組由數字控制器產生的可編程系數得到不斷的優(yōu)化。數字控制器運行一種自適應算法，然后將系數應用于校正處理器以最大限度地減小代價函數。如圖4b所示，整個線性器系統(tǒng)(包括圖5a虛線內的所有元件)可以在一個緊湊的印刷電路板(PCB)內實現，面積不到6.5cm2,并且BOM成本低。

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　　圖5:該圖顯示了典型的數字預失真系統(tǒng)實現，其中WCDMA信號在30MHz帶寬內，使用了14位的數據轉換器。

　　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行比較。圖5描述了DPD如何擴展信號鏈最前點的數字基帶處的帶寬(向有用信號增加預失真校正信號)。這種帶寬擴展隨即通過整個發(fā)射機鏈傳播，并通過反饋路徑再次回到數字基帶。帶寬擴展將增加時鐘速率，擴大元件帶寬要求，并導致更高的系統(tǒng)功耗，從而加重整個系統(tǒng)的負擔。增加的復雜性包括(但不限于)極具挑戰(zhàn)性的時鐘發(fā)生器要求(包括抖動性能)，增加了對多極高頻重構濾波器的需求，并需要寬帶線性頻率上變頻器。

　　當采用DPD系統(tǒng)時，上變頻器之后的濾波器頻率響應必須足夠寬，以適應有用信號加上功放預失真要求的帶寬擴展。遺憾的是，由數模轉換器(DAC)、上變頻器等產生的位于濾波器通帶內的任何噪聲也將被功放所放大。在大多數應用中，消除落在接收頻帶內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計要求而改變。為了滿足更加嚴格的抑制要求，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的驅動才能在天線端取得原始設計要求的相同輸出功率。因此，濾波器在一定程度上會負面影響通過使用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，成本和功耗會較高。

　　需要注意的是，功耗估算是基于集成的DPD/DSP特殊應用集成電路(ASIC)和外部模數轉換器(ADC)、DAC、下變頻器、時鐘發(fā)生器和功率檢測器。功耗估算不包括數字上變頻器(DUC)、振幅因數減少(CFR)電路和功放，因為它們同時存在于DPD和RFPD實現中。

　　借助獨立的RFIN/RFOUT架構和自適應射頻預失真技術，Scintera公司的一體化方法允許只在需要的點位--在功放輸入端注入校正信號。這種實現的好處見圖6.時鐘發(fā)生器、重構濾波器和上變頻器的要求都有所放寬，同時從數字基帶一直到功放的發(fā)射機鏈中的所有元件都可以工作在1倍信號帶寬。不過，線性化器可以工作在超過5倍的信號帶寬條件下，不會犧牲任何系統(tǒng)設計或功耗性能，因為最新殘留互調產物可以被輕松濾除。SC1889/69總的預失真帶寬約為250MHz,支持補償即時帶寬(有用信號)為20MHz時的11階互調失真，或即時帶寬為50MHz時的5階互調失真。另外，基于RFPD的系統(tǒng)在功放前只需要一個窄帶濾波器，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的濾波電路。雖然RFPD實現沒有要求，但SC1889/69 RFPAL還是集成了完整的RFFB反饋路徑，因而極大地簡化了總體系統(tǒng)設計，并將受帶寬擴展影響的有源元件限制為僅功放和線性化器件。這些好處導致非常低的功耗，以及相當簡化的、更低成本的發(fā)射器和基帶架構。

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　　圖6:這是與圖5類似的模塊圖，但使用了Scintera RFPD,用于演示總體系統(tǒng)功耗的節(jié)省。

　　在本文所給的例子中，RFPD實現的功耗比DPD實現少4W.雖然在宏蜂窩設計中這種功耗差別不太重要，但在微蜂窩、毫微蜂窩和企業(yè)毫微微蜂窩設計中，基于RFPD的設計所具有的更低功耗、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，這些功能可進一步簡化系統(tǒng)實現。

　　Scintera公司的射頻功放線性化方法是將一部分預失真算法從數字域重新分配到模擬/射頻域。圖7中的幾乎整個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)實現的，因此與等效的數字實現方案相比，這種方法具有非常低的功耗、寬帶寬性能和緊湊電路結構。

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　　圖7:該圖顯示了Scintera SC1889/69 RFPAL芯片內部的基本功能模塊。

　　從校正處理器模塊開始，RFIN信號經過一個正交相移器(QPS)后形成同相(I)和正交(Q)的信號分量[RFIN(I)，RFIN(Q)],并在多個位置得到使用。RFIN(I)和RFIN(Q)的包絡功率也用于Volterra級數發(fā)生器模塊，并通過應用非線性變換產生偶數階互調項。為了補償功放的存儲效應，需要根據范圍從0至300ns的延時項τ1至τ4產生4組不同的系數(圖8a)。所有系數都是由運行私有自適應算法的數字控制器產生并單獨控制的。針對每個存儲項，先要累加偶數階校正函數，然后與QPS產生的對應RFIN(I)和RFIN(Q)信號相乘。最后這個乘法運算會將偶數階項轉換為奇數階項。然后再將I和Q校正信號相加產生RFOUT校正信號。校正處理器使用完整的360度調制器，因此能夠校正任何相位和幅度的互調項。數字控制器根據RFFB反饋信號提供的信息對系數進行修正，然后將它們應用于校正處理器，直到找到能夠最大限度減小代價函數(誤差指標)的最優(yōu)系數組。

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　　圖8:(a)框圖提供了簡化版的Scintera SC1889/69 RFPAL芯片內部Volterra級數發(fā)生器，(b)右邊顯示了Volterra級數公式的配置。

　　監(jiān)視模塊大部分是在數字域中實現的，因為像快速傅里葉變換(FFT)和誤差指標產生等功能更適合使用數字信號處理(DSP)技術實現。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使用的頻譜分解數據所要求的。與依賴于外部下變頻器和ADC的DPD相比，RFFB ADC的集成是一個顯著的區(qū)別。SC1889/69 SoC中采用的這種獨特的分割方法可產生單片、高集成度的解決方案，不僅能保持數字方法的靈活性，而且具有模擬方法的簡單性和低功耗優(yōu)勢。

　　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可以帶來高達4倍的效率改進，并可實現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工作點工作，從而允許使用更小的晶體管實現目標輸出功率。功耗的降低意味著可以減少系統(tǒng)的年度運行成本(電氣成本)，當天線功率電平大于5W時，可以在相當短時間內彌補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：效率提高了3倍，系統(tǒng)功耗降低67W以上，年運行成本節(jié)省近30美元。雖然不是每個系統(tǒng)都一直工作在最大輸出功率，但必須為最差情況設計電源容量和系統(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失真技術能夠極大的減小尺寸/體積以及與電源和冷卻部件(散熱器、風扇等)相關的成本。

　　在比較RFPAL方法與DPD技術時可以發(fā)現一個明顯的重要區(qū)別。即使DPD可以比RFPAL方法提供更好的最后一級功放效率(表中數據為高出2%,但在大多數情況下差距要小得多)，但DPD的總體系統(tǒng)效率仍低于RFPAL,因為DPD方法具有較高的功耗。當天線輸出功率電平低于10W并接近0.5W時，RFPAL系統(tǒng)效率的提高幅度將越來越大，因為DPD功耗在總體系統(tǒng)功耗中所占的比例越來越大。這種差異可以使用Scintera公司在其網站上提供的效率計算器查看。鑒于與DPD相似的校正性能、但改進了功耗和效率、減小了復雜性、降低了系統(tǒng)成本和縮小了外形封裝，RFPAL是作為異類網絡部署一部分的小型蜂窩設計的理想之選。

　　在比較這些不同的功放線性化方法時，重要的是要認識到，有一些模擬應用是沒法使用DPD的，如模擬遠程無線電頭端、功放模塊、中繼器和微波回傳系統(tǒng)。由于RFPAL方法是一種自適應的RFIN/RFOUT和獨立線性化解決方案，不需要外部數字控制，因此全模擬系統(tǒng)也可以使用。圖4a所示的數字部分是可選的，主要用于需要報告功能的應用，對上述模擬應用來說不是必需的。SC1889/69易于集成，不需要預失真算法方面的專業(yè)知識，因此是工作在回退模式的功放的實用性替代方案。

　　SC1889和SC1869 SoC非常適合頻率范圍從470MHz至2800MHz的各種蜂窩應用，這些應用的PAR可達10dB,可以使用靜態(tài)平均功率波形如CDMA和WCDMA、動態(tài)平均功率信號如WiMAX、HSDPA和LTE以及包括A/B類或Doherty放大器在內且基于不同工藝技術(如硅LDMOS、GaN和GaAs器件技術)的寬范圍功放。采用預失真技術和反饋技術的這些器件可以補償由于AM-AM、AM-PM、互調甚至功放存儲效應造成的失真。SC1889和SC1869 RFPAL是自適應的系統(tǒng)，主要功能是處理輸入信號，為通信系統(tǒng)提供輸出信號，并且支持在遠程無線電裝置中獨立工作。這些器件是回退技術的實用化替代方案，可進一步改進放大器的線性性能。這兩種器件都可以工作在-40℃至+100℃的寬溫度范圍內。Scintera公司還針對微波無線電和廣播基礎設施市場開發(fā)出了相應的產品，在平均輸出功率超過600W的DVB-T、ATSC和CMMB發(fā)射機中都集成有RFPAL電路。RFPAL技術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。