超線(xiàn)性功放線(xiàn)性化的設計方案

　　隨著(zhù)移動(dòng)事業(yè)的迅猛發(fā)展，特別是CDMA和第三代移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展，使得系統對功放線(xiàn)性的要求越來(lái)越高。在移動(dòng)通信系統中，為了保證一定范圍的信號覆蓋，我們通常使用功率放大器來(lái)對信號放大，進(jìn)而通過(guò)射頻前端和天線(xiàn)系統發(fā)射出去。而在CDMA或WCDMA以及TDSCDMA的基站中，如果采用一般的高功放(通常工作于A(yíng)B類(lèi))，將由于非線(xiàn)性的影響產(chǎn)生頻譜再生效應，為了較好的解決信號的頻譜再生和EVM(誤差矢量幅值)問(wèn)題，就必須對功放采用線(xiàn)性化技術(shù)。不僅如此，功放在基站放大器中的成本比例約占50%,如何有效、低成本地解決功放地線(xiàn)性化問(wèn)題就顯得非常重要。

　　1、超線(xiàn)性功放解決方案的提出

　　傳統解決功放的線(xiàn)性的方法多數是采用功率回退的方法來(lái)保證功放的互調分量也就是保證功放工作在線(xiàn)性范圍，從而不影響信號的覆蓋以及通信。圖1給出了關(guān)于三階截點(diǎn)、1dB壓縮點(diǎn)以及三階互調隨輸入功率的變化曲線(xiàn)。

　　圖1、分貝壓縮點(diǎn)輸出功率

　　從圖中可以看出，傳統的解決方法就是通過(guò)將輸入功率降低，如果輸入功率降低1dB,那么系統的互調分量將會(huì )好2dB,依次類(lèi)推，就是說(shuō)為了保證線(xiàn)性，對于CDMA或者WCDMA的功放，我們只能用100W的放大管子來(lái)出5W功率。但是由于管子是為100W設計的，其靜態(tài)工作點(diǎn)仍舊很高，靜態(tài)電流依然很大。所以，功放整體電流會(huì )很大，電流大意味著(zhù)功放的效率很低，將會(huì )有很大一部分熱量只能釋放到管子以及電路板上，這些熱量既是一種能量的浪費，更重要的是會(huì )造成降低芯片的使用壽命。利益方面，能提供如此大功率的放大管子的價(jià)格是非常昂貴的。

　　基于以上這些考慮，同時(shí)單純的功率回退所能獲取的互調是有限的，隨著(zhù)功率的進(jìn)一步增高，仍舊依靠功率回退是不能解決問(wèn)題的。所以，這里提出一種前饋預失真的設計方案來(lái)同時(shí)解決線(xiàn)性、效率以及成本問(wèn)題。

　　2、前饋預失真功放設計方案

　　目前較為成熟和流行的超線(xiàn)性解決方案包括前饋技術(shù)、預失真技術(shù)(包括模擬預失真和基帶預失真)、反饋技術(shù)等方法?？紤]到單純采用前饋技術(shù)對誤差功放的要求較高并不能降低太多成本和提高太多的效率，單純的采用預失真技術(shù)雖然可以提高線(xiàn)性和效率但并不能達到超線(xiàn)性的要求。結合兩項技術(shù)的有缺點(diǎn)，這里提出一種前饋結合預失真的技術(shù)。詳細的原理框圖見(jiàn)圖2。

　　圖2 前饋預失真方案框圖

　　如圖2所示，輸入信號首先通過(guò)定向耦合器一路經(jīng)過(guò)延時(shí)線(xiàn)準備和輸出信號進(jìn)行抵消，從而檢測對消的情況，另一路送入預失真單元(PD)中產(chǎn)生失真信號，從而改善主功放的線(xiàn)性程度。同時(shí)主功放的輸出耦合一部分同經(jīng)過(guò)延時(shí)的主信號進(jìn)行對消，去除主信號，僅僅保留誤差信號，通過(guò)功分器，一方面作為對消效果的檢測從而作為閉環(huán)控制的參考，;另一方面送入誤差功放放大在與主功放耦合對消互調信號，從而進(jìn)一步改善互調。這里如果改善效果仍舊不理想，達不到超線(xiàn)性的要求即70dBc的話(huà)，可以將前饋環(huán)在增加一級，夠成3或4級環(huán)，從而提高改善效果。

　　上述僅是開(kāi)環(huán)的方案，考慮到由于輸入功率、溫度等因素都可以影響對消效果，這里必須設計一個(gè)閉環(huán)的控制環(huán)節，使得系統中的衰減器和移相器能夠根據環(huán)境參數的改變，自動(dòng)跟蹤變化，自動(dòng)適應調節，從而保證整體的線(xiàn)性要求。

　　閉環(huán)的實(shí)現首先是建立在對整個(gè)環(huán)內若干個(gè)參考點(diǎn)的采樣來(lái)指導各個(gè)常數的變化，包括輸入功率，輸出誤差功率，環(huán)境溫度，主信號與誤差信號對消情況等若干個(gè)因素決定各個(gè)參數的變化。同時(shí)，系統要求自適應算法的反映速度必須在20ns之內，才能保證一旦參數發(fā)生變化，整體互調能及時(shí)跟蹤變化。避免出現短時(shí)的互調變差的現象。

　　下面將分各個(gè)單元分別介紹系統的實(shí)現方法以及核心技術(shù)問(wèn)題。

　　2.1、預失真產(chǎn)生單元(PD)

　　預失真部分采用的是模擬預失真方案。該方案已經(jīng)通過(guò)前期試驗論證，對于600KHz的雙音信號互調可以改善15dB以上，對于1.28MHz的調制信號，ACPR可以改善10dB以上。預失真產(chǎn)生單元的整體框圖如圖3所示。

　　圖3 預失真產(chǎn)生框圖

　　輸入信號經(jīng)過(guò)3dB電橋分成兩路，0°端作為主信號經(jīng)過(guò)延時(shí)線(xiàn)送入合成的3dB電橋;-90°端作為誤差信號的產(chǎn)生端再經(jīng)過(guò)一個(gè)3dB的電橋，這里的0°端產(chǎn)生失真信號，通過(guò)調節放大管FP2189的偏壓使其互調分量非常的大，經(jīng)過(guò)移相器調節相位準備于主信號對消，-90°端首先通過(guò)衰減器調節幅度在通過(guò)偏壓調節非常好的FP2189使其產(chǎn)生非常好的互調信號，這樣在通過(guò)合成電橋的-90°端口，從而使得主信號與誤差信號相差-180°，從而使得產(chǎn)生互調信號的部分去除主信號只保留誤差信號。在通過(guò)調節衰減器和移相器使其相位與通過(guò)延時(shí)線(xiàn)的主信號相位相差-90°，從而借助另一個(gè)3dB合成電橋的-90°端實(shí)現主信號與失真信號相位相差-180°，也就意味著(zhù)失真信號倒相，從而在主功放放大的過(guò)程中對消主信號的互調分量。

　　上述預失真信號的產(chǎn)生是本項目的第一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)，但是經(jīng)過(guò)盡兩個(gè)月的試驗，已經(jīng)完成論證了該方法的可行性，如前所述，對于2.14GHz的600KHz雙音信號互調可以改善15dB以上，對于1.28MHz的CDMA調制信號，ACPR可以改善10dB以上。　　2.2、前饋單元

　　上述預失真方案經(jīng)過(guò)試驗驗證，可以改善互調15dB,ACPR改善10dB,這樣可以改用小一些的管子推出大的功率。但是這還并不能達到超線(xiàn)性的要求(即-70dBc)，因此，再次引入前饋的方法進(jìn)一步改善線(xiàn)性。如果單純使用前饋的方法，對于誤差功放的功率要求要高，因為主功放的互調產(chǎn)物較高，這樣在誤差功放處必須能推出大的功率才可以抵消掉。所以，增加了誤差功放的價(jià)錢(qián)并降低了效率。但是，如果在主功放前增加預失真單元，就可以大大降低互調產(chǎn)物，減輕誤差功放的要求，提高效率。

　　前饋部分的原理框圖如圖4所示

　　圖4 前饋原理圖

　　輸入信號經(jīng)過(guò)主功放放大，由于主功放的非線(xiàn)性，將有互調分量產(chǎn)生。通過(guò)耦合器將經(jīng)過(guò)放大的主信號與輸入信號進(jìn)行相減，從而使得放大后的主信號僅僅有失真信號，將失真信號通過(guò)誤差放大器進(jìn)行放大，使其幅度與主信號的互調產(chǎn)物幅度相同，再通過(guò)移相器和衰減器的調節，使其與主信號相位正好相差-180°，從而抵消掉主信號中的互調產(chǎn)物，進(jìn)一步改善功放的線(xiàn)性度。

　　實(shí)際設計中，如果一級環(huán)路抵消效果不理想，達不到-70dBc的超線(xiàn)性要求，可以考慮繼續增加環(huán)路，進(jìn)一步抵消失真信號。

　　2.3、閉環(huán)自適應單元

　　預失真單元和前饋部分均可以大幅度改善功放整體的線(xiàn)性化程度，但是經(jīng)過(guò)試驗論證，他們的對消效果會(huì )受到信號的幅度和相位的影響。如果對消的兩路信號相位相差超過(guò)2°，以及兩路信號的幅度相差超過(guò)5dB,其改善效果將非常差。但是，由于功放本身將會(huì )收到諸如環(huán)境溫度的變好、輸入信號的強弱的變化等諸多因素的影響，因而必須要求我們的功放能自動(dòng)適應各種環(huán)境的應用。所以，為了滿(mǎn)足上面提出的要求，整個(gè)系統必須具有自適應單元，通過(guò)根據環(huán)境的變化自動(dòng)調整各個(gè)參數，從而保證功放工作在超線(xiàn)性。

　　閉環(huán)自適應單元將是整個(gè)項目的難點(diǎn)。一方面需要受控的參數非常多，可獲取的輸入信號又非常的少，同時(shí)，整體數學(xué)模型很難建立，無(wú)法用數學(xué)模型描述輸入與輸出之間的關(guān)系。另一方面，從輸入信號發(fā)生變化到輸出信號的時(shí)間延遲大約20ns以?xún)?，這就要求整個(gè)算法必須在20ns完成由輸入到輸出的計算，也就是說(shuō)要求算法的實(shí)時(shí)性非常高。

　　算法的出發(fā)點(diǎn)將是根據查表法，通過(guò)試驗獲取大量在不通環(huán)境下所獲取的移相器和衰減器的控制電壓，以此作為樣本，設計一款神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )機器。通過(guò)大量的樣本訓練該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )，使其具有根據環(huán)境變量以及輸入功率等因素快速的決定各個(gè)衰減器和移相器的控制電壓。最終該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )機器將在FPGA中實(shí)現。

　　試驗數據的獲取將用PC機設計一款能夠操作信號源以及頻譜儀的程序，將功放放入高低溫箱中做高低溫試驗，同時(shí)調節輸入功率的大小，并設計一個(gè)收索算法，通過(guò)上位機自動(dòng)完成試驗的過(guò)程，獲取大量的試驗樣本，從而對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )在MATLAB上進(jìn)行訓練。并最終在FPGA中實(shí)現。

　　以上目前只是一種假設，閉環(huán)自適應算法將是整個(gè)超線(xiàn)性功放的難點(diǎn)，將會(huì )花大量時(shí)間在這里收集資料，嘗試各種方案，最終提出并設計一個(gè)最適合的實(shí)現方案。因此，在這里可能會(huì )花費大量的時(shí)間和精力。

　　3、超線(xiàn)性功放產(chǎn)品實(shí)現方案

　　圖5 預失真+主功放實(shí)現方案

　　圖6 預失真+前饋+主功放方案

　　4、超線(xiàn)性功放關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題

　　帶寬問(wèn)題。

　　隨著(zhù)頻率的增高，相位和時(shí)延均會(huì )發(fā)生變化，這就要求在整個(gè)頻帶內各個(gè)模塊的頻響特性要一致。

　　抵消問(wèn)題。

　　預失真和前饋的根本出發(fā)點(diǎn)都是信號的對消問(wèn)題，也就是說(shuō)讓兩個(gè)信號在相位上相差180°，如果相位相差對消的誤差超過(guò)2°，將大大的降低對消的效果。也就是說(shuō)相位能否對上，是決定效果的關(guān)鍵。

　　衰減器和移相器

衰減器和移相器是預失真和前饋的主要調節