RF預失真修正信號

現代RF放大器既需要線(xiàn)性也需要高效率。線(xiàn)性要求是源于現代調制方法的使用，如QAM(正交幅度調制)和OFDM(正交頻分多址調制，參考文獻1)。這些放大器還需要效率，以降低功耗和減少散熱。開(kāi)發(fā)人員通常將現代RF放大器組件裝在天線(xiàn)桿內。這些“桿頂”放大器的設計中，外殼可以不含風(fēng)扇且直接暴露在日光下。在功耗上每節省1W，就意味著(zhù)少了1W的散熱器散熱需求。另外，對放大器過(guò)驅動(dòng)會(huì )導致失真，產(chǎn)生諧波尖刺，使解調無(wú)法進(jìn)行。這些尖刺會(huì )落入鄰近的頻段，也許是手機公司并不擁有的頻段。FCC(聯(lián)邦通信委員會(huì ))對這種ACLR(鄰道泄漏比)有嚴格的限制。

所以，你有兩個(gè)理由去實(shí)現良好的線(xiàn)性度：這樣才能精確地調制信號，這樣你的信號才不會(huì )干擾鄰近的信號。同樣重要的是，你能在輸出級獲得最佳的功率效率。問(wèn)題是，線(xiàn)性與效率是互斥的。

在頻域和時(shí)域中都可以查看RF放大器的失真。在時(shí)域中，能夠形象地看到一個(gè)通過(guò)RF放大器的切角或平頂正弦波，如同驅動(dòng)過(guò)度而靠近電壓軌的音頻信號一樣(圖1)。在頻域中，放大器失真表現為包含諧波的“邊緣”，它進(jìn)入了鄰近頻段范圍內(圖2)。對于任何放大器，希望的功率越高，則得到的失真就越嚴重。在RF頻率下，不僅有幅度失真，還有相位失真，以及由于熱瞬變和電記憶效應所帶來(lái)的失真(圖3)。相位失真出現于快速轉換速率區中，RF輸出滯后于輸入信號的情況，如當載波信號進(jìn)入大地時(shí)，或當一個(gè)調制包絡(luò )必須立即變到一個(gè)不同電平時(shí)。

為了在一個(gè)確定帶寬內裝入更多信息，現代調制技術(shù)依賴(lài)于準確接收的RF信號包絡(luò )。有了準確的電壓與相位，就可以解碼出代表某個(gè)數字碼的點(diǎn)的星座。這個(gè)碼產(chǎn)生出一個(gè)數字數據流，然后進(jìn)一步解碼成一個(gè)基帶語(yǔ)音或數據信號。

較老的調制方法對放大器的線(xiàn)性比較不敏感。AM(調幅)收音機與模擬電視廣播都使用AM方式，它依賴(lài)的是RF信號的峰值。任何失真對所有峰值都有相同影響，而對所有接收信號的質(zhì)量影響不大。FM(調頻)收音機與模擬電視的音頻信號采用的是FM方式，它取決于波形的零交越。因此任何幅度非線(xiàn)性都沒(méi)有影響。相位失真對零交越有影響，但它們是均勻的效果，不會(huì )影響FM調制。

提高RF放大器線(xiàn)性有多種技術(shù)。首先，可以采用更好的晶體管。于是，制造商會(huì )在RF晶體管生產(chǎn)中采用GaAs(砷化鎵)和其它III-V族半導體工藝，即至少一個(gè)III族元素和至少一個(gè)V族元素組成的化學(xué)化合物。另外，還可以嘗試用SiGe(硅鍺)晶體管，也許再加上CMOS工藝(參考文獻2)。雖然SiGe比GaAs慢，噪聲也大，但通常也夠用了，尤其是在低于3 GHz的頻率下。工程師面臨著(zhù)在RF放大器中采用CMOS的壓力，因為它的成本低，但CMOS的工作電壓低，因此難以在功率放大器中實(shí)現。CMOS還有高的噪聲系數，降低方法是增加晶體管結構的尺寸，但這種辦法也增加了雜散電容，降低了產(chǎn)品的工作頻率。RFMD和其它公司提供藍寶石上做的CMOS，所有晶體管下面都有一個(gè)介電隔離層(參考文獻3)。這種方法有成本優(yōu)勢，減少了雜散電容。

受市場(chǎng)驅動(dòng)的現實(shí)是，工程師們可以用CMOS制造用于Wi-Fi熱點(diǎn)應用的小功率RF放大器。手機需要更特殊的工藝，如SOI(絕緣硅)，GaAs將在近期手機基站上占支配地位。

一旦你的功率放大器有了線(xiàn)性良好的晶體管技術(shù)，接下來(lái)要關(guān)注放大器的架構。你可以從一種間斷驅動(dòng)的架構(如Class C型)轉換到一種更連續的類(lèi)型，如Class AB型。Class C的效率高，因為它用一只晶體管驅動(dòng)一個(gè)儲能電路，產(chǎn)生出供發(fā)射的RF正弦波。但遺憾的是，Class C放大器不適應現代的線(xiàn)性需求，尤其是基站。獲得良好線(xiàn)性的一種方式是減少對放大器的驅動(dòng)，這樣晶體管就不會(huì )接近飽和，輸出電壓擺幅就完全處于電源軌的范圍內。不幸的是，這種方案的效率最差。

為解決這個(gè)問(wèn)題，可以嘗試采用一種Doherty放大器，它是一種復合型設備，使用了一個(gè)主通道和一個(gè)輔助RF通道，可以在信號強度低時(shí)節省功耗，而當需要較高功率時(shí)，仍能適應較大的信號擺幅(圖4)。Doherty放大器架構運行很好，但它增加了理想的簡(jiǎn)單放大器級的器件數和復雜性。

如果為了獲得效率而要將RF放大器置于飽和狀態(tài)，則可以嘗試用正反饋技術(shù)使之線(xiàn)性化。十多年來(lái)，RF設計者已成功地將這些技術(shù)用于手機基站?，F在的問(wèn)題是，用于4G(第四代)LTE(長(cháng)期演進(jìn))的新調制方法有更高的要求。為了獲得更高的帶寬效率(以每赫茲比特度量)，即便對最好的放大器，這些新的調制方法也提出了困難的線(xiàn)性要求。

這種狀況促使工程師們采用預失真(predistortion)技術(shù)對RF功率放大器做線(xiàn)性化(參考文獻4)。由于這類(lèi)技術(shù)要對天線(xiàn)饋送的輸出做采樣，并送回輸入端，它看起來(lái)類(lèi)似于所有模擬工程師都熟知的反饋技術(shù)。但是，預失真并不會(huì )給

一個(gè)誤差放大器提供反饋信號，因為RF信號速度太快，無(wú)法將一個(gè)真正的載波頻率信號回送給誤差放大器。預失真采用的是一些算法，它們可精確預測放大器各種工作條件下的效應，從而調節輸入信號，使之通過(guò)RF功放時(shí)有更好的線(xiàn)性。

可以設想一下算法的基礎功能。對一個(gè)擺幅大到接近電源軌的正弦載波，所有RF放大器都會(huì )將其抹平。因此，預失真算法會(huì )使這些較大幅度的正弦波有更尖銳的波峰。這樣，就可以從放大器獲得一個(gè)較純凈的正弦波。在時(shí)域中很容易看到這種情況。而在頻域中，可以將預失真想象成增加某種相位角的諧波成分，它抑制掉非線(xiàn)性RF功放所產(chǎn)生的尖刺。當為一個(gè)預失真電路通電時(shí)，就可以看到鄰道尖刺的幅度大大減小。

通過(guò)一個(gè)類(lèi)似想法的實(shí)驗，也可以看到預失真算法如何補償一個(gè)放大器的相位誤差。由于相位誤差是可預測和可重復的，算法就可以修改輸入波形的時(shí)序，以去除任何放大器的滯后。在時(shí)域中，可以想象成算法在快速轉換速率期間超前于信號，使得放大器最終輸出一個(gè)干凈的正弦波。在頻域中，鄰道尖刺也達到了可以接受的水平。