可修正RF信号的RF预失真方案

　　现代RF放大器既需要线性也需要高效率。线性要求是源于现代调制方法的使用，如QAM（正交幅度调制）和OFDM（正交频分多址调制）。这些放大器还需要效率，以降低功耗和减少散热。开发人员通常将现代RF放大器组件装在天线杆内。这些“杆顶”放大器的设计中，外壳可以不含风扇且直接暴露在日光下。在功耗上每节省1W，就意味着少了1W的散热器散热需求。另外，对放大器过驱动会导致失真，产生谐波尖刺，使解调无法进行。这些尖刺会落入邻近的频段，也许是手机公司并不拥有的频段。FCC（联邦通信委员会）对这种ACLR（邻道泄漏比）有严格的限制。

　　所以，你有两个理由去实现良好的线性度：这样才能地调制信号，这样你的信号才不会干扰邻近的信号。同样重要的是，你能在输出级获得的功率效率。问题是，线性与效率是互斥的。

　　在频域和时域中都可以查看RF放大器的失真。在时域中，能够形象地看到一个通过RF放大器的切角或平顶正弦波，如同驱动过度而靠近电压轨的音频信号一样（图1）。在频域中，放大器失真表现为包含谐波的“边缘”，它进入了邻近频段范围内（图2）。对于任何放大器，希望的功率越高，则得到的失真就越严重。在RF频率下，不仅有幅度失真，还有相位失真，以及由于热瞬变和电记忆效应所带来的失真（图3）。相位失真出现于快速转换速率区中，RF输出滞后于输入信号的情况，如当载波信号进入大地时，或当一个调制包络必须立即变到一个不同电平时。

　　为了在一个确定带宽内装入更多信息，现代调制技术依赖于准确接收的RF信号包络。有了准确的电压与相位，就可以解码出代表某个数字码的点的星座。这个码产生出一个数字数据流，然后进一步解码成一个基带语音或数据信号。

　　较老的调制方法对放大器的线性比较不敏感。AM（调幅）收音机与模拟电视广播都使用AM方式，它依赖的是RF信号的峰值。任何失真对所有峰值都有相同影响，而对所有接收信号的质量影响不大。FM（调频）收音机与模拟电视的音频信号采用的是FM方式，它取决于波形的零交越。因此任何幅度非线性都没有影响。相位失真对零交越有影响，但它们是均匀的效果，不会影响FM调制。

　　提高RF放大器线性有多种技术。首先，可以采用更好的晶体管。于是，制造商会在RF晶体管生产中采用GaAs（砷化镓）和其它III-V族半导体工艺，即至少一个III族元素和至少一个V族元素组成的化学化合物。另外，还可以尝试用SiGe（硅锗）晶体管，也许再加上CMOS工艺。虽然SiGe比GaAs慢，噪声也大，但通常也够用了，尤其是在低于3 GHz的频率下。工程师面临着在RF放大器中采用CMOS的压力，因为它的成本低，但CMOS的工作电压低，因此难以在功率放大器中实现。CMOS还有高的噪声系数，降低方法是增加晶体管结构的尺寸，但这种办法也增加了杂散电容，降低了产品的工作频率。RFMD和其它公司提供蓝宝石上做的CMOS，所有晶体管下面都有一个介电隔离层。这种方法有成本优势，减少了杂散电容。

　　受市场驱动的现实是，工程师们可以用CMOS制造用于Wi-Fi热点应用的小功率RF放大器。手机需要更特殊的工艺，如SOI（绝缘硅），GaAs将在近期手机基站上占支配地位。

　　一旦你的功率放大器有了线性良好的晶体管技术，接下来要关注放大器的架构。你可以从一种间断驱动的架构（如Class C型）转换到一种更连续的类型，如Class AB型。Class C的效率高，因为它用一只晶体管驱动一个储能电路，产生出供发射的RF正弦波。但遗憾的是，Class C放大器不适应现代的线性需求，尤其是基站。获得良好线性的一种方式是减少对放大器的驱动，这样晶体管就不会接近饱和，输出电压摆幅就完全处于电源轨的范围内。不幸的是，这种方案的效率差。

　　为解决这个问题，可以尝试采用一种Doherty放大器，它是一种复合型设备，使用了一个主通道和一个辅助RF通道，可以在信号强度低时节省功耗，而当需要较高功率时，仍能适应较大的信号摆幅（图4）。Doherty放大器架构运行很好，但它增加了理想的简单放大器级的器件数和复杂性。

　　如果为了获得效率而要将RF放大器置于饱和状态，则可以尝试用正反馈技术使之线性化。十多年来，RF设计者已成功地将这些技术用于手机基站。现在的问题是，用于4G（第四代）LTE（长期演进）的新调制方法有更高的要求。为了获得更高的带宽效率（以每赫兹比特度量），即便对的放大器，这些新的调制方法也提出了困难的线性要求。

　　这种状况促使工程师们采用预失真（predistortion）技术对RF功率放大器做线性化（参考文献4）。由于这类技术要对天线馈送的输出做采样，并送回输入端，它看起来类似于所有模拟工程师都熟知的反馈技术。但是，预失真并不会给一个误差放大器提供反馈信号，因为RF信号速度太快，无法将一个真正的载波频率信号回送给误差放大器。预失真采用的是一些算法，它们可预测放大器各种工作条件下的效应，从而调节输入信号，使之通过RF功放时有更好的线性。

　　可以设想一下算法的基础功能。对一个摆幅大到接近电源轨的正弦载波，所有RF放大器都会将其抹平。因此，预失真算法会使这些较大幅度的正弦波有更尖锐的波峰。这样，就可以从放大器获得一个较纯净的正弦波。在时域中很容易看到这种情况。而在频域中，可以将预失真想象成增加某种相位角的谐波成分，它抑制掉非线性RF功放所产生的尖刺。当为一个预失真电路通电时，就可以看到邻道尖刺的幅度大大减小。

　　通过一个类似想法的实验，也可以看到预失真算法如何补偿一个放大器的相位误差。由于相位误差是可预测和可重复的，算法就可以修改输入波形的时序，以去除任何放大器的滞后。在时域中，可以想象成算法在快速转换速率期间超前于信号，使得放大器终输出一个干净的正弦波。在频域中，邻道尖刺也达到了可以接受的水平。

　　现在的预失真算法已足够完备，甚至可以消除热效应带来的失真。高低温对功率晶体管造成的失真是不同的。可以开发出一种算法，预测输出晶体管的功耗。从这个预测中，可以推断出晶体管的温度，然后对输入作适当调节，从而使输出保持为线性。这个算法必须考虑到所用散热器以及周围环境的热时间常数。

　　数字预失真还是模拟预失真？

　　过去几年来，手机基站制造商已接受了用数字预失真做放大器线性化的方法（图5）。此时，要用一个单向耦合器对RF输出做采样。可以用一个混频器，将千兆赫水平的信号下变频到一个较低频率。然后就可以用一个快速ADC对波形采样。这些采样被送至一片运行预失真算法的FPGA，用于修正输入波形，还给出一个数字的数据流。然后，FPGA输出RF基带信号或I（索引）和Q（正交）信号，再上变频至手机所在频段的RF载波效率。

　　建立这一系统的方法有多种。通过采用独立的ADC和下变频芯片，可以针对需求优化自己的系统，并使用可以从很多供应商获得的标准化部件。例如，Hittite、Analog Devices、德州仪器公司、凌力尔特公司以及Intersil公司（参考文献7）都制造可用于分立数字预失真电路的硅芯片。

　　很多工程师都熟悉Altera公司的FPGA在数字领域的使用。该公司的MegaCore IP（智能产权）可完成预失真的数字部分运算（参考文献8）。Analog Devices公司与Altera公司合作，提供一种混合信号的数字预失真系统板，而德州仪器公司提供GC5325这类发射处理器器件，以降低信号波峰系数，以及抵消功放的失真（图6）。Xilinx公司为自己的Virtex-4和Virtex-5 FPGA提供一个数字预失真的参考设计。由于手机基站承载了较多的RF通道，空间就成为了一个问题。凌力尔特公司等的解决方法是将整个数字预失真电路集成为LTM9003微模块（图7）。

　　尽管手机基站制造商接受数字系统，但供应商们在采样数据系统中做的主要是模拟电路，这带来了成本、功耗和空间不利因素。替代方法是用模拟技术实现RF放大器的线性。例如，新兴公司Scintera Networks将目标瞄准了5W区间的小功率RF系统，还有UHF（超高频）电视发射站的信号路径（图8）。这种方法会采样驱动级的RF信号，使RF信号保持在模拟域中，但通过采用一种波形的Volterra Series扩展，对其作因数修正。Volterra Series是一种非线性性能的模型，类似于Taylor Series，不过Volterra Series可以表达记忆效应。Scintera公司的方案会对RF输出作采样和数字化，采样结果被送入该公司芯片中的数字电路。该设计用数字段计算出RF信号链的模拟因数，然后用另一个单向耦合器，将经Volterra因数修正的RF信号混合回到RF路径中。系统只需要在芯片中处理足够的RF，就能校正放大器的失真。大多数RF功率都在主RF路径内，而绕过了IC。Scintera公司将RF保持在模拟域，提供了一个功耗远低于数字预失真方式的系统（图9）。

　　要注意，数字预失真系统的设计与测试都不是简单的任务。你需要完备的RF设计工具，如AWR公司的Microwave Office以及Agilent公司的ADS。除了用先进的测试设备确定RF路径的特性以外，可能还需要购买和学习专用的测试设备，如一台实时频谱分析仪。

　　无论是采用模拟预失真还是数字预失真，都可以减少RF设计中的干扰，并使用先进的调制方法。重要的是，预失真可以将RF放大器驱动至接近饱和状态，从而提高了功率效率。你可以用分立芯片自己搭建系统，也可以使用封装内已集成所有功率的微模块。在ADC以及下变频IC中实现所需线性是半导体公司的一项成就。这些公司都有自己的应用，可以帮助你设计出RF信号路径，满足所有的规范要求、减少功耗，并提供每兆赫兹位数。

参考文献:

[1]. SiGe datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/SiGe_2440728.html.
[2]. GC5325 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/GC5325_2035211.html.
[3]. Virtex-4 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/Virtex-4_1602352.html.