RF預(yù)失真修正信號(hào)

現(xiàn)代RF放大器既需要線性也需要高效率。線性要求是源于現(xiàn)代調(diào)制方法的使用，如QAM(正交幅度調(diào)制)和OFDM(正交頻分多址調(diào)制，參考文獻(xiàn)1)。這些放大器還需要效率，以降低功耗和減少散熱。開發(fā)人員通常將現(xiàn)代RF放大器組件裝在天線桿內(nèi)。這些“桿頂”放大器的設(shè)計(jì)中，外殼可以不含風(fēng)扇且直接暴露在日光下。在功耗上每節(jié)省1W，就意味著少了1W的散熱器散熱需求。另外，對(duì)放大器過驅(qū)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致失真，產(chǎn)生諧波尖刺，使解調(diào)無法進(jìn)行。這些尖刺會(huì)落入鄰近的頻段，也許是手機(jī)公司并不擁有的頻段。FCC(聯(lián)邦通信委員會(huì))對(duì)這種ACLR(鄰道泄漏比)有嚴(yán)格的限制。

所以，你有兩個(gè)理由去實(shí)現(xiàn)良好的線性度：這樣才能精確地調(diào)制信號(hào)，這樣你的信號(hào)才不會(huì)干擾鄰近的信號(hào)。同樣重要的是，你能在輸出級(jí)獲得最佳的功率效率。問題是，線性與效率是互斥的。

在頻域和時(shí)域中都可以查看RF放大器的失真。在時(shí)域中，能夠形象地看到一個(gè)通過RF放大器的切角或平頂正弦波，如同驅(qū)動(dòng)過度而靠近電壓軌的音頻信號(hào)一樣(圖1)。在頻域中，放大器失真表現(xiàn)為包含諧波的“邊緣”，它進(jìn)入了鄰近頻段范圍內(nèi)(圖2)。對(duì)于任何放大器，希望的功率越高，則得到的失真就越嚴(yán)重。在RF頻率下，不僅有幅度失真，還有相位失真，以及由于熱瞬變和電記憶效應(yīng)所帶來的失真(圖3)。相位失真出現(xiàn)于快速轉(zhuǎn)換速率區(qū)中，RF輸出滯后于輸入信號(hào)的情況，如當(dāng)載波信號(hào)進(jìn)入大地時(shí)，或當(dāng)一個(gè)調(diào)制包絡(luò)必須立即變到一個(gè)不同電平時(shí)。

為了在一個(gè)確定帶寬內(nèi)裝入更多信息，現(xiàn)代調(diào)制技術(shù)依賴于準(zhǔn)確接收的RF信號(hào)包絡(luò)。有了準(zhǔn)確的電壓與相位，就可以解碼出代表某個(gè)數(shù)字碼的點(diǎn)的星座。這個(gè)碼產(chǎn)生出一個(gè)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)流，然后進(jìn)一步解碼成一個(gè)基帶語音或數(shù)據(jù)信號(hào)。

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，RF設(shè)計(jì)者已成功地將這些技術(shù)用于手機(jī)基站。現(xiàn)在的問題是，用于4G(第四代)LTE(長期演進(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。