利用RF預失真實(shí)現功放線(xiàn)性化

線(xiàn)性是多模多載波無(wú)線(xiàn)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，包括減小了覆蓋區域并且采用低發(fā)射功率架構的小型蜂窩基站。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功耗提供所需的性能。遺憾的是，功放的操作通常不是線(xiàn)性的，可工作在平均輸出功率0.5W至60W的線(xiàn)性化功放的高性?xún)r(jià)比方案還沒(méi)有實(shí)現。

但有種解決方案已經(jīng)浮出水面，即Scintera公司的射頻功放線(xiàn)性器(RFPAL)系統級芯片(SoC)解決方案。該方案采用預失真技術(shù)來(lái)改善輸出功率電平在60W以下的功放線(xiàn)性度。特別是在10W以下時(shí)(這種情況下，大多數功放都是基于A(yíng)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失真(RFPD)技術(shù)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(xiàn)性度的傳統方法進(jìn)行了比較。

沒(méi)有功放是完美的。當饋入多頻輸入信號時(shí)，功放將提升有用信號，但也會(huì )產(chǎn)生無(wú)用的互調(IM)項(圖1a)。當功放接近飽和時(shí)，這種非線(xiàn)性行為會(huì )愈加明顯。為了在沒(méi)有采取預失真技術(shù)的條件下獲得可接受的線(xiàn)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)。對于已經(jīng)進(jìn)入回退模式以適應信號的峰值與均值比(PAR)以及進(jìn)一步回退以滿(mǎn)足系統線(xiàn)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(xiàn)性化方法，但有源線(xiàn)性化也是很有吸引力的一種實(shí)用技術(shù)。有源線(xiàn)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)。當然，當信號峰值超過(guò)功放飽和點(diǎn)時(shí)，沒(méi)有一種預失真方法能夠校正信號，因為沒(méi)有辦法恢復由于箝位造成的信息丟失。采用有源線(xiàn)性化技術(shù)后，AB類(lèi)放大器一般可以增加3dB至6dB驅動(dòng)，從而使效率提高2倍至4倍。與回退放大器相比，有源線(xiàn)性化技術(shù)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。

在要求寬信號帶寬的系統中，比如長(cháng)期演進(jìn)(LTE)系統，或寬帶多載波/多協(xié)議系統中，回退放大器也許不是一種可選技術(shù)，因為功放可能在任何功率水平都無(wú)法實(shí)現目標線(xiàn)性性能。在這些系統中，有必要采用有源線(xiàn)性化技術(shù)來(lái)滿(mǎn)足規定的輻射排放或通信標準的要求?？紤]到系統成本、功耗、尺寸等因素，射頻預失真技術(shù)可以在功放平均輸出功率電平低至500mW的系統中滿(mǎn)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(shí)現線(xiàn)性性能的實(shí)用解決方案。在這種場(chǎng)合中，系統成本的下降、外形封裝的縮小和復雜性的降低是部署異構網(wǎng)絡(luò )的重要因素。在這樣的網(wǎng)絡(luò )中，這種射頻預失真技術(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?xún)r(jià)比的方法。SC1889支持高達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失真技術(shù)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實(shí)現沒(méi)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，因此它們能夠在遠程無(wú)線(xiàn)電頭端、PA模塊以及無(wú)需直接訪(fǎng)問(wèn)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的一種高層系統框圖。在該圖中，方向性耦合器用于驅動(dòng)線(xiàn)性化電路的射頻輸入(RFIN和RFFB)。校正信號(RFOUT)再通過(guò)方向耦合器與功放輸入信號組合在一起。該線(xiàn)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(xiàn)性特征。然后在頻域中對來(lái)自功放輸出端的這個(gè)反饋信號(RFFB)進(jìn)行分析，并為代價(jià)函數的自適應校正產(chǎn)生一個(gè)頻譜上分解過(guò)的線(xiàn)性度指標。

RFPAL處理器根據Volterra級數近似算法產(chǎn)生校正信號，而這種近似算法還會(huì )通過(guò)一組由數字控制器產(chǎn)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(jià)函數。如圖4b所示，整個(gè)線(xiàn)性器系統(包括圖5a虛線(xiàn)內的所有元件)可以在一個(gè)緊湊的印刷電路板(PCB)內實(shí)現，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(xiàn)可以描述更大的系統，并與DPD放大器線(xiàn)性化方法的使用進(jìn)行比較。圖5描述了DPD如何擴展信號鏈最前點(diǎn)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(guò)整個(gè)發(fā)射機鏈傳播，并通過(guò)反饋路徑再次回到數字基帶。帶寬擴展將增加時(shí)鐘速率，擴大元件帶寬要求，并導致更高的系統功耗，從而加重整個(gè)系統的負擔。增加的復雜性包括(但不限于)極具挑戰性的時(shí)鐘發(fā)生器要求(包括抖動(dòng)性能)，增加了對多極高頻重構濾波器的需求，并需要寬帶線(xiàn)性頻率上變頻器。

當采用DPD系統時(shí)，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(chǎn)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(mǎn)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(dòng)才能在天線(xiàn)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(huì )負面影響通過(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。