可修正RF信號(hào)的RF預(yù)失真

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

　　提高RF放大器線性有多種技術(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(dǎo)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(xiàn)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。工程師面臨著在RF放大器中采用CMOS的壓力，因?yàn)樗某杀镜?，但CMOS的工作電壓低，因此難以在功率放大器中實(shí)現(xiàn)。CMOS還有高的噪聲系數(shù)，降低方法是增加晶體管結(jié)構(gòu)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(lán)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(xiàn)3)。這種方法有成本優(yōu)勢(shì)，減少了雜散電容。

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

　　一旦你的功率放大器有了線性良好的晶體管技術(shù)，接下來(lái)要關(guān)注放大器的架構(gòu)。你可以從一種間斷驅(qū)動(dòng)的架構(gòu)(如Class C型)轉(zhuǎn)換到一種更連續(xù)的類型，如Class AB型。Class C的效率高，因?yàn)樗靡恢痪w管驅(qū)動(dòng)一個(gè)儲(chǔ)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(yīng)現(xiàn)代的線性需求，尤其是基站。獲得良好線性的一種方式是減少對(duì)放大器的驅(qū)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(nèi)。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(fù)合型設(shè)備，使用了一個(gè)主通道和一個(gè)輔助RF通道，可以在信號(hào)強(qiáng)度低時(shí)節(jié)省功耗，而當(dāng)需要較高功率時(shí)，仍能適應(yīng)較大的信號(hào)擺幅(圖4)。Doherty放大器架構(gòu)運(yùn)行很好，但它增加了理想的簡(jiǎn)單放大器級(jí)的器件數(shù)和復(fù)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)使之線性化。十多年來(lái)，RF設(shè)計(jì)者已成功地將這些技術(shù)用于手機(jī)基站?，F(xiàn)在的問(wèn)題是，用于4G(第四代)LTE(長(zhǎng)期演進(jìn))的新調(diào)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(duì)最好的放大器，這些新的調(diào)制方法也提出了困難的線性要求。

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

　　一個(gè)誤差放大器提供反饋信號(hào)，因?yàn)镽F信號(hào)速度太快，無(wú)法將一個(gè)真正的載波頻率信號(hào)回送給誤差放大器。預(yù)失真采用的是一些算法，它們可精確預(yù)測(cè)放大器各種工作條件下的效應(yīng)，從而調(diào)節(jié)輸入信號(hào)，使之通過(guò)RF功放時(shí)有更好的線性。

　　可以設(shè)想一下算法的基礎(chǔ)功能。對(duì)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(yù)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(yù)失真想象成增加某種相位角的諧波成分，它抑制掉非線性RF功放所產(chǎn)生的尖刺。當(dāng)為一個(gè)預(yù)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)類似想法的實(shí)驗(yàn)，也可以看到預(yù)失真算法如何補(bǔ)償一個(gè)放大器的相位誤差。由于相位誤差是可預(yù)測(cè)和可重復(fù)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(zhuǎn)換速率期間超前于信號(hào)，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(dá)到了可以接受的水平。

　　現(xiàn)在的預(yù)失真算法已足夠完備，甚至可以消除熱效應(yīng)帶來(lái)的失真。高低溫對(duì)功率晶體管造成的失真是不同的?？梢蚤_(kāi)發(fā)出一種算法，預(yù)測(cè)輸出晶體管的功耗。從這個(gè)預(yù)測(cè)中，可以推斷出晶體管的溫度，然后對(duì)輸入作適當(dāng)調(diào)節(jié)，從而使輸出保持為線性。這個(gè)算法必須考慮到所用散熱器以及周?chē)h(huán)境的熱時(shí)間常數(shù)。

　　數(shù)字預(yù)失真還是模擬預(yù)失真?

　　過(guò)去幾年來(lái)，手機(jī)基站制造商已接受了用數(shù)字預(yù)失真做放大器線性化的方法(圖5與參考文獻(xiàn)5)。此時(shí)，要用一個(gè)單向耦合器對(duì)RF輸出做采樣?？梢杂靡粋€(gè)混頻器，將千兆赫水平的信號(hào)下變頻到一個(gè)較低頻率。然后就可以用一個(gè)快速ADC對(duì)波形采樣。這些采樣被送至一片運(yùn)行預(yù)失真算法的FPGA，用于修正輸入波形，還給出一個(gè)數(shù)字的數(shù)據(jù)流。然后，F(xiàn)PGA輸出RF基帶信號(hào)或I(索引)和Q(正交)信號(hào)，再上變頻至手機(jī)所在頻段的RF載波效率。

　　建立這一系統(tǒng)的方法有多種(參考文獻(xiàn)6)。通過(guò)采用獨(dú)立的ADC和下變頻芯片，可以針對(duì)需求優(yōu)化自己的系統(tǒng)，并使用可以從很多供應(yīng)商獲得的標(biāo)準(zhǔn)化部件。例如，Hittite、Analog Devices、德州儀器公司、凌力爾特公司以及Intersil公司(參考文獻(xiàn)7)都制造可用于分立數(shù)字預(yù)失真電路的硅芯片。