基于EDA工具的新的手機調(diào)制方案設(shè)計

基站和手機中的RF放大器都需要具有高線性度和高效率。通過采用一些聰明的技巧，設(shè)計師可以兼顧這兩個互斥的要求。

要 點

新手機標準要求采用線性RF放大器。

提高線性通常會影響效率。

數(shù)字預失真是獲得高線性和高效率的一個方法。

Doherty放大器實現(xiàn)了一種用硬件改善效率的方法。

非線性系統(tǒng)建模和仿真比較困難。

手機采用了現(xiàn)代調(diào)制方案，該方案要求線性放大RF信號。為了達到所需線性度，典型的做法是在輸出端消耗更多的功率。該方法會降低效率，而對于手機、基站或其他電子系統(tǒng)，效率是最重要的參數(shù)之一。

在電信領(lǐng)域，手機和基站都很強調(diào)對效率的要求。對于手機，效率會直接影響電池的使用壽命。通過提高手機效率，還可以延長通話時間，這對于手機是最基本的功能。而對于基站來講，效率高會減少電費，同樣重要的是，還可降低發(fā)熱量。降低發(fā)熱量和功耗會產(chǎn)生一系列結(jié)果，從而降低初始投資、運營成本和總體擁有成本。

在較早的手機調(diào)制設(shè)計中，輸出級的線性并不重要，因為解調(diào)并不要求信號必須是線性的。GSM（全球移動通信系統(tǒng)） 通信技術(shù)中的CW（連續(xù)波）、FM（調(diào)頻）和GMSK（高斯最小頻移鍵控）都具有恒定的包絡(luò)線，不需要線性放大。而新調(diào)制技術(shù)（如EDGE，即增強型數(shù)據(jù)速率GSM演進）則需要采用線性放大器?？赏ㄟ^欠驅(qū)動（underdrive）RF放大器，使輸出信號和電源電壓間留有足夠的差值，從而達到線性度要求。但該方法的問題在于它會直接降低放大器的效率。

當輸出擺幅達到電源電平時，單晶體管輸出級效率會提高。如要提高效率，要選擇合適的電源電壓和負載阻抗，使輸出級擺幅接近電源電平。該方法中輸出晶體管消耗的平均功率較低，因為在輸出信號接近電源電壓時輸出晶體管承受的電壓始終比較低。

然而遺憾的是，將輸出信號驅(qū)動到接近電源電平時會導致放大器的線性變差。任何放大器，只要其電路設(shè)計使其輸出擺幅接近電源電平值，線性都會比較差。放大器線性問題最終以放大器削波的形式表現(xiàn)出來，受電源電壓所限，信號變化無法正確地表示出被放大的輸入信號（圖1）。

圖1，通過對比藍色的輸入和黃色的中度削波波形或是紅色的嚴重削波波形，可以清楚地看到削波失真的情況。與圖中類似的對稱諧波在頻域作為奇次諧波出現(xiàn)。放大器非線性產(chǎn)生調(diào)制中失真，該失真與兩個輸入音無諧波關(guān)系。

對線性的要求

盡管不好理解，但在許多RF系統(tǒng)設(shè)計中，線性并不是最主要的問題。事實上，設(shè)計師常選用C類放大器，這充分表明，對于某些類型的通信信號，輸入正弦波并不一定是最關(guān)鍵要求。例如，調(diào)頻電臺的RF信號就是如此。在發(fā)送調(diào)頻信號時，波形過零點就可以包括信號的所有信息。即使波峰失真，解調(diào)信號保真度也不會受到影響。過激勵的FM電臺信號會產(chǎn)生載波頻率的諧波，從干擾角度來看，這些諧波可能是有害的，但調(diào)諧到過激勵FM電臺信號的收音機仍可正常工作（圖2）。

圖2，調(diào)頻信號y（t）不受放大器非線性影響。 信息包含在過零點中，而非幅值中，因此放大器幅值失真不會引起問題。

過去10年以來，獲取手機射頻頻帶的高成本和對收益的追求，促使人們設(shè)計出可在較窄頻帶中傳輸更多信息的先進的調(diào)制方案。這些方案的一個主要優(yōu)點是它們具有較高的帶寬效率。帶寬效率以每兆赫多少兆位數(shù)據(jù)或是每秒每赫茲多少數(shù)據(jù)位來表示。新近提議的手機標準（如EDGE）中包括的信息遠不止是信號過零點信息。新的手機調(diào)制方案（如QAM，即正交幅度調(diào)制）在RF載波頻率包絡(luò)信號的相位和幅值上都承載有信息。請看一下經(jīng)典的64-QAM（64狀態(tài)QAM）向量星座圖（圖3），信號相位和幅值都采用一系列符號向量來生成RF信號的包絡(luò)。由于有64個向量，任一向量承載的信息可以表示6位的數(shù)字信息，從而使64-QAM方案具有了較高的帶寬效率，達到了6 Mbps/MHz。

圖3，64-QAM星座圖每個符號向量可編碼6位數(shù)據(jù)。有些向量容易出現(xiàn)相位誤差，有些向量容易出現(xiàn)幅值誤差。在這兩種情況下，波形包絡(luò)的精度都很重要，這就使放大器線性問題變得非常重要。

在這樣的高級調(diào)制方案中，線性差會帶來一些問題。由于解調(diào)器需要的信號的幅值和相位都要準確，所以信號的即時精度非常重要；而在FM傳輸中則只有過零點才有意義。如果工作信號將RF功率放大器激勵到接近輸出電平，晶體管會達到飽和，在信號中加入其固有對數(shù)非線性成分。結(jié)果導致放大器編碼的符號向量丟掉正確的幅值和相位。非線性問題嚴重到一定程度，符號會重疊并導致信息丟失。

有些方案可以解決晶體管固有的非線性問題，但在晶體管對數(shù)傳遞函數(shù)工作點處晶體管會出現(xiàn)偏差。因此，實現(xiàn)這樣的解調(diào)方案會比較困難。另外，在晶體管輸出接近電源電平時，晶體管的飽和情況在解調(diào)方案是很難估計和處理的，這是因為每個RF源的電源電壓都有一定不確定性。要解決符號精度差的問題，唯一的方法是提高RF功率放大器的精度。

由于晶體管的特性曲線，A級輸出級具有固有的非線性特性，使輸出信號正和負幅值不對稱。在較低頻率下，通過反饋可以解決非線性問題。很快，晶體管放大器就演化為運算放大器，其前向增益可達120dB以上，這樣設(shè)計師就可以通過采用大量負反饋來改善信號的線性。此反饋與A-B級輸出級組合可達到較高線性度。例如美國國家半導體公司的LME49710標稱線性度為0.00003%。但是要注意，此線性度規(guī)格是對應于頻率相對較低的工作條件。所有放大器在頻率升高時都會出現(xiàn)增益下降的現(xiàn)象。電流反饋放大器結(jié)構(gòu)在高頻下增益損失較小，但在高頻下增益仍會有所降低。

請記住，通過采用大反饋所提高的線性度也與大前向增益有關(guān)。因為放大器在高頻下前向增益較低，所以在高頻下反饋也比較小。因此RF放大器，特別是RF功率放大器，在工作頻率為1GHz和更高時無法使用常規(guī)的反饋。

同樣困難的是，多數(shù)RF放大器都是開路的，這就意味著它們很容易出現(xiàn)電源抑制和輸出飽和問題。由于RF放大器在接近晶體管高限的頻率下工作，實際操作中無法使其成為高增益運算放大器。在這點上，RF放大器設(shè)計師仍需要面對幾十年前電子管設(shè)備設(shè)計師所遇到的所有困難。

放大器設(shè)計師除了要面對線性問題外，還需要面對其他會影響線性的因素，這使RF放大器設(shè)計變得更為困難。例如，放大器在加電和發(fā)熱工作狀況下會產(chǎn)生記憶效應，從而引入隨時間或數(shù)據(jù)而變的非線性。電子記憶效應類似于老式吉他電子管放大器中的記憶效應。這類老式放大器配有廉價的電源系統(tǒng)，通常為開路線性電源，在電子管整流線路上裝一個電容。高音量的重力和弦會強烈激勵輸出級，并在電容放電后將電源電壓拉下來。大負載過去后，線路會給電容充電使其電壓恢復，但該過程要耗費幾十毫秒的時間。電源電壓的下降會改變吉他放大器輸出晶體管的偏置，引起不同的“數(shù)據(jù)相關(guān)”非線性。非線性程度取決于先前信號的情況。RF功率放大器也容易發(fā)生類似現(xiàn)象。有些數(shù)據(jù)序列中可能需要采用可以很強地激勵放大器的符號。這種情況會影響到電源和放大器偏置，并產(chǎn)生時間相關(guān)的非線性。此非線性隨RF載波調(diào)制情況而變。

除了這樣的電子記憶效應外，放大器設(shè)計師還必須處理熱記憶效應。熱晶體管和冷晶體管的傳遞函數(shù)是不同的，這就會給系統(tǒng)引入時間相關(guān)的非線性。如果環(huán)境溫度較高或是數(shù)據(jù)流使輸出級溫度升高，晶體管表現(xiàn)出的非線性特性將與低溫時的有所不同。隨著RF功率放大器中集成了更多的CMOS芯片，發(fā)熱引起的問題變得更為嚴重。

圖4，晶體管放大器固有非線性（a），削波失真（b）和電子記憶效應（c）及熱記憶效應（d）所導致的RF功率放大器非線性。

圖4 顯示了RF功率級的非線性情況。晶體管非線性問題的核心在于晶體管電流-電壓傳遞函數(shù)為一對數(shù)曲線，而不是直線。下一個問題是如何解決晶體管輸出電壓接近電源電平時的飽和問題。

提高線性的方法

RF設(shè)計師不能僅僅將放大器輸出擺幅限制在較小范圍內(nèi)，而犧牲效率性能。他們可以采用反饋、前饋和預失真手段來保持效率，以延長電池壽命和節(jié)省功耗。反饋措施適用于要求高線性、窄帶寬和中等效率的設(shè)計。前饋操作可用于要求高線性、但帶寬比較寬且對效率要求不高的設(shè)計。預失真可用于中等線性和帶寬要求的設(shè)計，但可以實現(xiàn)高效率。由于RF功率放大器工作頻率是如此之高，采用常規(guī)的反饋措施并不實用。在此情況下，“反饋”一詞通常指笛卡兒（Cartesian）反饋。在該種反饋中，電路將RF輸出重新變換回基帶，得到I（相位）和Q（幅值）信號，并將這些信號送回到輸入級。這個系統(tǒng)可以達到高線性，但前提是不會過度激勵輸出級。它的效率會比所預想的要低。由于反饋放大器容易振蕩，所以該方法不能用于寬帶放大器。

為了使線性和帶寬都達到可接受的水平，RF設(shè)計師采取了預失真方法：進行調(diào)制的I和Q信號可以補償確定性的系統(tǒng)非線性因素的影響。由于數(shù)字系統(tǒng)還可以采用復雜的算法預測熱記憶效應和電子記憶效應，這樣的結(jié)構(gòu)還可在出現(xiàn)此類問題時保持線性。注意這里仍然涉及到RF信號路徑上各元件的固有線性問題。在數(shù)字域的校正是有一定限度的。信號路徑越接近理想情況，數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計師就越容易提供準確的預失真信號。

Linear Technology公司高頻產(chǎn)品市場經(jīng)理James Wong認為，對于系統(tǒng)元件的固有線性，設(shè)計師始終是很清楚的。“與被動上變頻器后接一個放大器的方案相比，主動上變頻器具有內(nèi)建放大功能，較低的噪聲、較好的線性和優(yōu)越的隔離性能，這使它的動態(tài)范圍非常出色?！彼f，“這種方案大大降低了數(shù)字設(shè)計師……提供信號預失真的難度?！彼赋?，現(xiàn)代基站也使用笛卡兒反饋。電路將信號下變頻并獲得輸出信號I和Q分量，然后將其送回給DSP核心。這一方法使系統(tǒng)可以采取有實時笛卡兒反饋的復雜算法，并可根據(jù)信號鏈使用的元件采取預失真措施（圖5）。

圖5，根據(jù)基站所用部件情況采取數(shù)字預失真措施的手機基站。通過笛卡兒反饋，還可以采用動態(tài)算法，該算法有助于補償記憶效應和其他非線性因素的影響。

圖6，Doherty RF放大器采用了一個輔助放大器來改變主放大器的負載阻抗，可達到更高的效率。此方法使主放大器能連續(xù)地輸出大擺幅信號，使放大器功耗降低。如果輔助放大器降低主放大器負載阻抗，則主放大器輸出較高功率。

圖7，在此電路中，相同的信號通過電阻兩端，上放大器表觀負載為無限大。兩個放大器以相同幅值驅(qū)動電阻兩端，因此兩個放大器都不會給電阻輸出電流或功率。如果各放大器信號相位差180°，則各放大器的特性電阻值為電阻阻值的兩倍大小。Doherty放大器利用此原理來改變輸出并維持高效率。

但是，硬件設(shè)計師不是必須得采用數(shù)字預失真措施才能提高線性。硬件也可以起到改善線性和效率的作用；元件固有線性越好，數(shù)字系統(tǒng)的校正量就越小。設(shè)計師可能會考慮采用Doherty放大器。該放大器是貝爾實驗室William H Doherty于1936年發(fā)明的（圖6和參考文獻1）。該種放大器有兩個RF路徑。RF信號不是僅僅在低功率級和高功率級之間來回傳送。RF放大器中輸出電壓擺幅應接近電源電平。Doherty放大器用輔助放大器來改變主放大器的特性輸出阻抗。如果輔助放大器在傳輸線的另一端產(chǎn)生相同的信號，則向傳輸線輸出信號的放大器的輸出阻抗會變?yōu)闊o窮大（圖7）。由于傳輸線兩端為等電勢，所以沒有電流流過，通過線路的功率為零。如果不激勵輔助放大器，則主放大器表觀輸出阻抗為傳輸線路的特征阻抗。根據(jù)此原理，更進一步說，如果激勵輔助放大器使其相位與主放大器相位差180°，則會差分驅(qū)動傳輸線右側(cè)，主放大器的特性阻抗為傳輸線阻抗的一半，使傳輸?shù)墓β试龃?。主放大器輸出總是接近輸出電平。如果設(shè)計師希望發(fā)送功率低一些，則輔助放大器可以增加主放大器的特性輸出阻抗，使放大器在接近輸出電平的電壓擺幅下輸出較小的電流，從而輸出較低的功率。

Doherty放大器的完善性使它適合用于手機應用的基站側(cè)。在手機側(cè)，對空間和成本的要求要嚴格得多。在此情況下，必要時可使用RF開關(guān)切換增益模塊，從而大大降低功耗。例如，Avago的CoolPAM（功率放大器模塊）RF部件給手機設(shè)計師提供了一個選擇，使他們可以在寬輸出功率范圍內(nèi)保持高效率（圖8）?？梢圆捎么酥苯亓水?shù)募夹g(shù)，而不是用直/直變換器向輸出級供電。采用變換器可使RF輸出級始終在接近飽和點處工作，因此可以改善效率。但是，直/直變換器會占用較大空間，并且自身也有效率極限。Avago公司聲稱，通過使用CoolPAM技術(shù)，可將通話時間延長1個小時以上，這對于手機設(shè)計師是一項很具吸引力的選擇。

圖8，低成本手機適合使用直接的方法提高效率。Avago生產(chǎn)的放大器模塊可在輸出功率大于16dBm的高功率模式（a）和輸出功率小于16dBm的低功率模式（b）間切換。由于效率改善，通話時間可延長1小時。

建模

人們對RF功率放大器中線性和效率的追求也對RF系統(tǒng)開發(fā)使用的EDA工具產(chǎn)生了影響。 由于這些RF系統(tǒng)本質(zhì)上的非線性，所以也具有與其他非線性系統(tǒng)相同的所有數(shù)學問題。 Spice和其他電路仿真技術(shù)可能在這里并不適用，而且可能會很耗時，因為RF設(shè)計通常需要穩(wěn)態(tài)工作。而要達到此狀態(tài)，可能需要經(jīng)過數(shù)十億個信號波。RF設(shè)計師一般采取黑箱建模方法（例如采用S（散射）參數(shù)）來設(shè)計系統(tǒng)。但是，S參數(shù)并沒有考慮非線性因素，且缺乏放大器偏移模型。為了解決此問題，曾經(jīng)推廣了S參數(shù)設(shè)計方法的Agilent公司最近引入了X參數(shù)，即多諧波失真模型方法（參考文獻2）。在X參數(shù)中綜合了線性系統(tǒng)響應和非線性因素的響應。Agilent已提供了幾篇文章來詳細說明該技術(shù)，以后肯定會將X參數(shù)仿真加入到Agilent的RF設(shè)計工具，也肯定會開發(fā)可表征X參數(shù)的Agilent的測試設(shè)備。

由于新的手機調(diào)制方案的設(shè)計要求，RF功率放大器的設(shè)計越來越困難。長期以來，RF領(lǐng)域都憑感覺設(shè)計和依賴于工程師的經(jīng)驗。而由于這些新設(shè)計中對線性和效率的要求，人們?yōu)榱嗽O(shè)計可正常工作的放大器，需要有更多的專業(yè)技能。設(shè)計工作也開始跨越不同的領(lǐng)域。 RF、模擬和數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計師都對信號鏈性能有影響。由于有經(jīng)驗的設(shè)計師現(xiàn)在可從EDA和測試設(shè)備制造商那里可獲得先進工具和儀表，可以預期未來性能會有更驚人的提高，而成本則會顯著降低。