超線性功放線性化的設(shè)計(jì)方案

　　隨著移動事業(yè)的迅猛發(fā)展，特別是CDMA和第三代移動通信技術(shù)的發(fā)展，使得系統(tǒng)對功放線性的要求越來越高。在移動通信系統(tǒng)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對信號放大，進(jìn)而通過射頻前端和天線系統(tǒng)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AB類)，將由于非線性的影響產(chǎn)生頻譜再生效應(yīng)，為了較好的解決信號的頻譜再生和EVM(誤差矢量幅值)問題，就必須對功放采用線性化技術(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性化問題就顯得非常重要。

　　1、超線性功放解決方案的提出

　　傳統(tǒng)解決功放的線性的方法多數(shù)是采用功率回退的方法來保證功放的互調(diào)分量也就是保證功放工作在線性范圍，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(diào)隨輸入功率的變化曲線。

　　圖1、分貝壓縮點(diǎn)輸出功率

　　從圖中可以看出，傳統(tǒng)的解決方法就是通過將輸入功率降低，如果輸入功率降低1dB,那么系統(tǒng)的互調(diào)分量將會好2dB,依次類推，就是說為了保證線性，對于CDMA或者WCDMA的功放，我們只能用100W的放大管子來出5W功率。但是由于管子是為100W設(shè)計(jì)的，其靜態(tài)工作點(diǎn)仍舊很高，靜態(tài)電流依然很大。所以，功放整體電流會很大，電流大意味著功放的效率很低，將會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(fèi)，更重要的是會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格是非常昂貴的。

　　基于以上這些考慮，同時單純的功率回退所能獲取的互調(diào)是有限的，隨著功率的進(jìn)一步增高，仍舊依靠功率回退是不能解決問題的。所以，這里提出一種前饋預(yù)失真的設(shè)計(jì)方案來同時解決線性、效率以及成本問題。

　　2、前饋預(yù)失真功放設(shè)計(jì)方案

　　目前較為成熟和流行的超線性解決方案包括前饋技術(shù)、預(yù)失真技術(shù)(包括模擬預(yù)失真和基帶預(yù)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(yù)失真技術(shù)雖然可以提高線性和效率但并不能達(dá)到超線性的要求。結(jié)合兩項(xiàng)技術(shù)的有缺點(diǎn)，這里提出一種前饋結(jié)合預(yù)失真的技術(shù)。詳細(xì)的原理框圖見圖2。

　　圖2 前饋預(yù)失真方案框圖

　　如圖2所示，輸入信號首先通過定向耦合器一路經(jīng)過延時線準(zhǔn)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(yù)失真單元(PD)中產(chǎn)生失真信號，從而改善主功放的線性程度。同時主功放的輸出耦合一部分同經(jīng)過延時的主信號進(jìn)行對消，去除主信號，僅僅保留誤差信號，通過功分器，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(diào)信號，從而進(jìn)一步改善互調(diào)。這里如果改善效果仍舊不理想，達(dá)不到超線性的要求即70dBc的話，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(shè)計(jì)一個閉環(huán)的控制環(huán)節(jié)，使得系統(tǒng)中的衰減器和移相器能夠根據(jù)環(huán)境參數(shù)的改變，自動跟蹤變化，自動適應(yīng)調(diào)節(jié)，從而保證整體的線性要求。

　　閉環(huán)的實(shí)現(xiàn)首先是建立在對整個環(huán)內(nèi)若干個參考點(diǎn)的采樣來指導(dǎo)各個常數(shù)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因素決定各個參數(shù)的變化。同時，系統(tǒng)要求自適應(yīng)算法的反映速度必須在20ns之內(nèi)，才能保證一旦參數(shù)發(fā)生變化，整體互調(diào)能及時跟蹤變化。避免出現(xiàn)短時的互調(diào)變差的現(xiàn)象。

　　下面將分各個單元分別介紹系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法以及核心技術(shù)問題。

　　2.1、預(yù)失真產(chǎn)生單元(PD)

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

　　圖3 預(yù)失真產(chǎn)生框圖

　　輸入信號經(jīng)過3dB電橋分成兩路，0°端作為主信號經(jīng)過延時線送入合成的3dB電橋;-90°端作為誤差信號的產(chǎn)生端再經(jīng)過一個3dB的電橋，這里的0°端產(chǎn)生失真信號，通過調(diào)節(jié)放大管FP2189的偏壓使其互調(diào)分量非常的大，經(jīng)過移相器調(diào)節(jié)相位準(zhǔn)備于主信號對消，-90°端首先通過衰減器調(diào)節(jié)幅度在通過偏壓調(diào)節(jié)非常好的FP2189使其產(chǎn)生非常好的互調(diào)信號，這樣在通過合成電橋的-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(diào)信號的部分去除主信號只保留誤差信號。在通過調(diào)節(jié)衰減器和移相器使其相位與通過延時線的主信號相位相差-90°，從而借助另一個3dB合成電橋的-90°端實(shí)現(xiàn)主信號與失真信號相位相差-180°，也就意味著失真信號倒相，從而在主功放放大的過程中對消主信號的互調(diào)分量。

　　上述預(yù)失真信號的產(chǎn)生是本項(xiàng)目的第一個技術(shù)難點(diǎn)，但是經(jīng)過盡兩個月的試驗(yàn)，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(diào)可以改善15dB以上，對于1.28MHz的CDMA調(diào)制信號，ACPR可以改善10dB以上。　　2.2、前饋單元

　　上述預(yù)失真方案經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，可以改善互調(diào)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(dá)到超線性的要求(即-70dBc)，因此，再次引入前饋的方法進(jìn)一步改善線性。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?yàn)橹鞴Ψ诺幕フ{(diào)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錢并降低了效率。但是，如果在主功放前增加預(yù)失真單元，就可以大大降低互調(diào)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)過主功放放大，由于主功放的非線性，將有互調(diào)分量產(chǎn)生。通過耦合器將經(jīng)過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，將失真信號通過誤差放大器進(jìn)行放大，使其幅度與主信號的互調(diào)產(chǎn)物幅度相同，再通過移相器和衰減器的調(diào)節(jié)，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(diào)產(chǎn)物，進(jìn)一步改善功放的線性度。

　　實(shí)際設(shè)計(jì)中，如果一級環(huán)路抵消效果不理想，達(dá)不到-70dBc的超線性要求，可以考慮繼續(xù)增加環(huán)路，進(jìn)一步抵消失真信號。

　　2.3、閉環(huán)自適應(yīng)單元

　　預(yù)失真單元和前饋部分均可以大幅度改善功放整體的線性化程度，但是經(jīng)過試驗(yàn)論證，他們的對消效果會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2°，以及兩路信號的幅度相差超過5dB,其改善效果將非常差。但是，由于功放本身將會收到諸如環(huán)境溫度的變好、輸入信號的強(qiáng)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適應(yīng)各種環(huán)境的應(yīng)用。所以，為了滿足上面提出的要求，整個系統(tǒng)必須具有自適應(yīng)單元，通過根據(jù)環(huán)境的變化自動調(diào)整各個參數(shù)，從而保證功放工作在超線性。

　　閉環(huán)自適應(yīng)單元將是整個項(xiàng)目的難點(diǎn)。一方面需要受控的參數(shù)非常多，可獲取的輸入信號又非常的少，同時，整體數(shù)學(xué)模型很難建立，無法用數(shù)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間延遲大約20ns以內(nèi)，這就要求整個算法必須在20ns完成由輸入到輸出的計(jì)算，也就是說要求算法的實(shí)時性非常高。

　　算法的出發(fā)點(diǎn)將是根據(jù)查表法，通過試驗(yàn)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(shè)計(jì)一款神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)機(jī)器。通過大量的樣本訓(xùn)練該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，使其具有根據(jù)環(huán)境變量以及輸入功率等因素快速的決定各個衰減器和移相器的控制電壓。最終該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)機(jī)器將在FPGA中實(shí)現(xiàn)。

　　試驗(yàn)數(shù)據(jù)的獲取將用PC機(jī)設(shè)計(jì)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(yàn)，同時調(diào)節(jié)輸入功率的大小，并設(shè)計(jì)一個收索算法，通過上位機(jī)自動完成試驗(yàn)的過程，獲取大量的試驗(yàn)樣本，從而對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在MATLAB上進(jìn)行訓(xùn)練。并最終在FPGA中實(shí)現(xiàn)。

　　以上目前只是一種假設(shè)，閉環(huán)自適應(yīng)算法將是整個超線性功放的難點(diǎn)，將會花大量時間在這里收集資料，嘗試各種方案，最終提出并設(shè)計(jì)一個最適合的實(shí)現(xiàn)方案。因此，在這里可能會花費(fèi)大量的時間和精力。

　　3、超線性功放產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)方案

　　圖5 預(yù)失真+主功放實(shí)現(xiàn)方案

　　圖6 預(yù)失真+前饋+主功放方案

　　4、超線性功放關(guān)鍵技術(shù)問題

　　帶寬問題。

　　隨著頻率的增高，相位和時延均會發(fā)生變化，這就要求在整個頻帶內(nèi)各個模塊的頻響特性要一致。

　　抵消問題。

　　預(yù)失真和前饋的根本出發(fā)點(diǎn)都是信號的對消問題，也就是說讓兩個信號在相位上相差180°，如果相位相差對消的誤差超過2°，將大大的降低對消的效果。也就是說相位能否對上，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(yù)失真和前饋的主要調(diào)節(jié)