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RF预失真解决功放的线性化问题
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线性是多模多载波无线网络的一个关键性能,这些网络包括宽带第三代(3G)和第四代(4G)蜂窝系统,包括减小了覆盖区域并且采用低发射功率架构的小型蜂窝基站。其亮点在于射频/微波功率放大器(PA)能以低成本和低系统功耗提供所需的性能。遗憾的是,功放的操作通常不是线性的,可工作在平均输出功率0.5W至60W的线性化功放的高性价比方案还没有实现。

但有种解决方案已经浮出水面,即Scintera公司的射频功放线性器(RFPAL)系统级芯片(SoC)解决方案。该方案采用预失真技术来改善输出功率电平在60W以下的功放线性度。特别是在10W以下时(这种情况下,大多数功放都是基于A类或AB类偏置电路),RFPAL电路提供了极具吸引力的回退替代方案。为更好地理解这些RFPAL解决方案的用途和射频预失真(RFPD)技术的使用,本文将该方法与数字预失真(DPD)和回退等用于改善功放线性度的传统方法进行了比较。

没有功放是完美的。当馈入多频输入信号时,功放将提升有用信号,但也会产生无用的互调(IM)项(图1a)。当功放接近饱和时,这种非线性行为会愈加明显。为了在没有采取预失真技术的条件下获得可接受的线性度,功放通常要从饱和点(图2a中的PSAT(3dB))回退。遗憾的是,当放大器的工作点回退时,放大器的直流效率将下降(图1b)。对于已经进入回退模式以适应信号的峰值与均值比(PAR)以及进一步回退以满足系统线性要求的AB类功放而言,8%甚至更低的效率并不少见。

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图1:图中表明了(a)通常由射频功放产生的互调失真,以及(b)射频功率、效率和失真之间的关系

在许多蜂窝通信应用中,PAR的基础是10-4的互补累积分布函数(CCDF)概率。虽然回退放大器是发射平均功率在20W以下的功放最常采用的线性化方法,但有源线性化也是很有吸引力的一种实用技术。有源线性化技术包括RFPD和DPD,允许发射器在接近甚至稍高于PSAT-PAR工作点的条件下工作(图2b)。当然,当信号峰值超过功放饱和点时,没有一种预失真方法能够校正信号,因为没有办法恢复由于箝位造成的信息丢失。采用有源线性化技术后,AB类放大器一般可以增加3dB至6dB驱动,从而使效率提高2倍至4倍。与回退放大器相比,有源线性化技术能使最后一级功放、电源、冷却部件和运行成本减少一半以上。

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图2:图中比较了(a)没有采用预失真技术和(b)采用了预失真技术的射频功放性能

在要求宽信号带宽的系统中,比如长期演进(LTE)系统,或宽带多载波/多协议系统中,回退放大器也许不是一种可选技术,因为功放可能在任何功率水平都无法实现目标线性性能。在这些系统中,有必要采用有源线性化技术来满足规定的辐射排放或通信标准的要求。考虑到系统成本、功耗、尺寸等因素,射频预失真技术可以在功放平均输出功率电平低至500mW的系统中满足这些要求。

Scintera公司的SC1889和SC1869 RFPAL代表了在小型蜂窝设计中实现线性性能的实用解决方案。在这种场合中,系统成本的下降、外形封装的缩小和复杂性的降低是部署异构网络的重要因素。在这样的网络中,这种射频预失真技术为工作在最大平均输出功率约0.5W至60W的功放提供了比DPD或回退方法更具性价比的方法。SC1889支持高达60MHz的即时带宽,可以与工作在5W至60W平均输出功率的A/AB类或Doherty放大器一起使用。SC1869支持最大20MHz的即时带宽,并针对平均输出功率在0.5W至10W的A/AB类放大器作了优化。

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图3:这些图显示了(a)没有经过预失真线性化和(b)经过预失真线性化的功放

SC1889和SC1869器件所采用的射频预失真技术与DPD有很大的相似性,都可补偿调幅至调幅(AM-AM)和调幅至调相(AM-PM)失真、互调失真和功放存储效应,而且都采用反馈信息补偿由于温差和功放老化造成的信号损伤。虽然射频预失真和DPD都是基于Volterra级数近似算法,并共享其它相似的基础理论,但它们的电路设计和系统实现没有相似性。

SC1889和SC1869 RFPAL是使用射频输入和输出信号(RFIN和RFOUT)的自适应系统,因此它们能够在远程无线电头端、PA模块以及无需直接访问数字处理器的任何应用中独立工作。例如,图4a显示了使用RFPAL的一种高层系统框图。在该图中,方向性耦合器用于驱动线性化电路的射频输入(RFIN和RFFB)。校正信号(RFOUT)再通过方向耦合器与功放输入信号组合在一起。该线性化器使用功放输出信号自适应地判断在给定平均与峰值功率电平、中心频率和信号带宽下的功放非线性特征。然后在频域中对来自功放输出端的这个反馈信号(RFFB)进行分析,并为代价函数的自适应校正产生一个频谱上分解过的线性度指标。

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图4:图(a)显示了Scintera公司SC1889/69 RFPAL的关键功能模块,图(b)显示了安装在评估印刷电路板(PCB)上的芯片

RFPAL处理器根据Volterra级数近似算法产生校正信号,而这种近似算法还会通过一组由数字控制器产生的可编程系数得到不断的优化。数字控制器运行一种自适应算法,然后将系数应用于校正处理器以最大限度地减小代价函数。如图4b所示,整个线性器系统(包括图5a虚线内的所有元件)可以在一个紧凑的印刷电路板(PCB)内实现,面积不到6.5cm2,并且BOM成本低。

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图5:该图显示了典型的数字预失真系统实现,其中WCDMA信号在30MHz带宽内,使用了14位的数据转换器

借助为RFPD基本操作建立的基线可以描述更大的系统,并与DPD放大器线性化方法的使用进行比较。图5描述了DPD如何扩展信号链最前点的数字基带处的带宽(向有用信号增加预失真校正信号)。这种带宽扩展随即通过整个发射机链传播,并通过反馈路径再次回到数字基带。带宽扩展将增加时钟速率,扩大元件带宽要求,并导致更高的系统功耗,从而加重整个系统的负担。增加的复杂性包括(但不限于)极具挑战性的时钟发生器要求(包括抖动性能),增加了对多极高频重构滤波器的需求,并需要宽带线性频率上变频器。

当采用DPD系统时,上变频器之后的滤波器频率响应必须足够宽,以适应有用信号加上功放预失真要求的带宽扩展。遗憾的是,由数模转换器(DAC)、上变频器等产生的位于滤波器通带内的任何噪声也将被功放所放大。在大多数应用中,消除落在接收频带内噪声的唯一方法是在功放输出端做文章。这要求所用滤波器的尺寸、成本和插入损耗随设计要求而改变。为了满足更加严格的抑制要求,滤波器成本也可能增加。由于这种滤波器而增加的任何插损都将降低效率,并要求功放得到更强的驱动才能在天线端取得原始设计要求的相同输出功率。因此,滤波器在一定程度上会负面影响通过使用DPD取得的好处。取而代之的是使用更低噪声的DAC和上变频器,尽量减少对功放后滤波器的需求,但与较高噪声的器件相比,成本和功耗会较高。

需要注意的是,功耗估算是基于集成的DPD/DSP特殊应用集成电路(ASIC)和外部模数转换器(ADC)、DAC、下变频器、时钟发生器和功率检测器。功耗估算不包括数字上变频器(DUC)、振幅因数减少(CFR)电路和功放,因为它们同时存在于DPD和RFPD实现中。

借助独立的RFIN/RFOUT架构和自适应射频预失真技术,Scintera公司的一体化方法允许只在需要的点位——在功放输入端注入校正信号。这种实现的好处见图6。时钟发生器、重构滤波器和上变频器的要求都有所放宽,同时从数字基带一直到功放的发射机链中的所有元件都可以工作在1倍信号带宽。不过,线性化器可以工作在超过5倍的信号带宽条件下,不会牺牲任何系统设计或功耗性能,因为最新残留互调产物可以被轻松滤除。SC1889/69总的预失真带宽约为250MHz,支持补偿即时带宽(有用信号)为20MHz时的11阶互调失真,或即时带宽为50MHz时的5阶互调失真。另外,基于RFPD的系统在功放前只需要一个窄带滤波器,从而放宽了DAC和上变频器的噪声要求,避免在功放输出端使用高价的滤波电路。虽然RFPD实现没有要求,但SC1889/69 RFPAL还是集成了完整的RFFB反馈路径,因而极大地简化了总体系统设计,并将受带宽扩展影响的有源元件限制为仅功放和线性化器件。这些好处导致非常低的功耗,以及相当简化的、更低成本的发射器和基带架构。

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图6:这是与图5类似的模块图,但使用了Scintera RFPD,用于演示总体系统功耗的节省

在本文所给的例子中,RFPD实现的功耗比DPD实现少4W。虽然在宏蜂窝设计中这种功耗差别不太重要,但在微蜂窝、毫微蜂窝和企业毫微微蜂窝设计中,基于RFPD的设计所具有的更低功耗、更低系统成本和更小外形封装是重要因素。SC1889/69 SoC还包含许多可选功能,例如为前向和反射功率提供测量功能,用于监视温度和频谱掩模条件的功能等,这些功能可进一步简化系统实现。

Scintera公司的射频功放线性化方法是将一部分预失真算法从数字域重新分配到模拟/射频域。图7中的几乎整个校正处理器模块都是使用射频/模拟电路(包括图8a所示的部分)实现的,因此与等效的数字实现方案相比,这种方法具有非常低的功耗、宽带宽性能和紧凑电路结构。

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图7:该图显示了Scintera SC1889/69 RFPAL芯片内部的基本功能模块

从校正处理器模块开始,RFIN信号经过一个正交相移器(QPS)后形成同相(I)和正交(Q)的信号分量[RFIN(I),RFIN(Q)],并在多个位置得到使用。RFIN(I)和RFIN(Q)的包络功率也用于Volterra级数发生器模块,并通过应用非线性变换产生偶数阶互调项。为了补偿功放的存储效应,需要根据范围从0至300ns的延时项τ1至τ4产生4组不同的系数(图8a)。所有系数都是由运行私有自适应算法的数字控制器产生并单独控制的。针对每个存储项,先要累加偶数阶校正函数,然后与QPS产生的对应RFIN(I)和RFIN(Q)信号相乘。最后这个乘法运算会将偶数阶项转换为奇数阶项。然后再将I和Q校正信号相加产生RFOUT校正信号。校正处理器使用完整的360度调制器,因此能够校正任何相位和幅度的互调项。数字控制器根据RFFB反馈信号提供的信息对系数进行修正,然后将它们应用于校正处理器,直到找到能够最大限度减小代价函数(误差指标)的最优系数组。

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图8:(a)框图提供了简化版的Scintera SC1889/69 RFPAL芯片内部Volterra级数发生器,(b)右边显示了Volterra级数公式的配置

监视模块大部分是在数字域中实现的,因为像快速傅里叶变换(FFT)和误差指标产生等功能更适合使用数字信号处理(DSP)技术实现。如图7所示,监视输入部分包括下变频器和ADC,这是提供DSP使用的频谱分解数据所要求的。与依赖于外部下变频器和ADC的DPD相比,RFFB ADC的集成是一个显著的区别。SC1889/69 SoC中采用的这种独特的分割方法可产生单片、高集成度的解决方案,不仅能保持数字方法的灵活性,而且具有模拟方法的简单性和低功耗优势。

线性化解决方案的总体性能取决于许多因素。RFPAL方法的最大好处是可以用作回退功放的替代方案。与回退功放相比,功耗仅0.4W的RFPAL可以带来高达4倍的效率改进,并可实现同样比例的总体系统功耗下降。另外,线性化方法能使功放更接近PSAT工作点工作,从而允许使用更小的晶体管实现目标输出功率。功耗的降低意味着可以减少系统的年度运行成本(电气成本),当天线功率电平大于5W时,可以在相当短时间内弥补RFPAL解决方案的初始成本。

下表显示系统功耗和系统效率比回退放大器有明显的优势:效率提高了3倍,系统功耗降低67W以上,年运行成本节省近30美元。虽然不是每个系统都一直工作在最大输出功率,但必须为最差情况设计电源容量和系统冷却要求。与工作在回退模式的功放相比,以前一直被忽视的预失真技术能够极大的减小尺寸/体积以及与电源和冷却部件(散热器、风扇等)相关的成本。

在比较RFPAL方法与DPD技术时可以发现一个明显的重要区别。即使DPD可以比RFPAL方法提供更好的最后一级功放效率(表中数据为高出2%,但在大多数情况下差距要小得多),但DPD的总体系统效率仍低于RFPAL,因为DPD方法具有较高的功耗。当天线输出功率电平低于10W并接近0.5W时,RFPAL系统效率的提高幅度将越来越大,因为DPD功耗在总体系统功耗中所占的比例越来越大。这种差异可以使用Scintera公司在其网站上提供的效率计算器查看。鉴于与DPD相似的校正性能、但改进了功耗和效率、减小了复杂性、降低了系统成本和缩小了外形封装,RFPAL是作为异类网络部署一部分的小型蜂窝设计的理想之选。

在比较这些不同的功放线性化方法时,重要的是要认识到,有一些模拟应用是没法使用DPD的,如模拟远程无线电头端、功放模块、中继器和微波回传系统。由于RFPAL方法是一种自适应的RFIN/RFOUT和独立线性化解决方案,不需要外部数字控制,因此全模拟系统也可以使用。图4a所示的数字部分是可选的,主要用于需要报告功能的应用,对上述模拟应用来说不是必需的。SC1889/69易于集成,不需要预失真算法方面的专业知识,因此是工作在回退模式的功放的实用性替代方案。

SC1889和SC1869 SoC非常适合频率范围从470MHz至2800MHz的各种蜂窝应用,这些应用的PAR可达10dB,可以使用静态平均功率波形如CDMA和WCDMA、动态平均功率信号如WiMAX、HSDPA和LTE以及包括A/B类或Doherty放大器在内且基于不同工艺技术(如硅LDMOS、GaN和GaAs器件技术)的宽范围功放。采用预失真技术和反馈技术的这些器件可以补偿由于AM-AM、AM-PM、互调甚至功放存储效应造成的失真。SC1889和SC1869 RFPAL是自适应的系统,主要功能是处理输入信号,为通信系统提供输出信号,并且支持在远程无线电装置中独立工作。这些器件是回退技术的实用化替代方案,可进一步改进放大器的线性性能。这两种器件都可以工作在-40℃至+100℃的宽温度范围内。Scintera公司还针对微波无线电和广播基础设施市场开发出了相应的产品,在平均输出功率超过600W的DVB-T、ATSC和CMMB发射机中都集成有RFPAL电路。RFPAL技术同样适用于军事和公共安全系统中使用的那些通信平台。
文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者,请点击此处) (5/4/2013)
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