射频技术研究部2012年技术论坛
微波功率放大器线性化技术
刘海涛
京信射频技术研究部 产品部
摘 要：现代无线通信飞速发展，有限的频谱资源上需要承载越来越高的数据流量，4G LTE技术将达到100Mbps的传输速率。在这种情况下，无线传输系统的设计和工作将承受着巨大的压力。为了提高效率，作为系统中的核心部件——微波功率放大器一般都处于在非线性工作状态，而包络变化的调制信号经过非线性微波功率放大器后会产生互调失真，造成严重的码间干扰和邻信道干扰。为了保证通信质量，必须采用线性化技术。本文对目前常用的各种线性化进行梳理，并分析了工作原理、介绍了技术特点，为高线性高效率微波功率放大器的设计提供了重要的参考依据。
关键词：无线通信 微波功率放大器 线性化技术 前馈 预失真 1.引言
功率放大器的线性化技术研究可以追溯到上个世纪二十年代。1928在贝尔实验室工作的美国人Harold.S.Black发明了前馈和负反馈技术并应用到放大器设计中，有效地减少了放大器失真，可以认为是线性化功率放大器技术研究的开端。但那时主要是从器件本身的角度来提高功率放大器的线性度，所研究的功率放大器频率也较低。
随着通信技术的飞速发展，以下一些原因促使线性化功率放大器技术得到广泛研究并迅速发展：
1）早期的移动通信采用恒包络调制方式与单载波传输覆盖，对于功率放大器的线性要求并不高；而进入21世纪，无线通信的飞速发展和宽带通信业务的开展，通信频段变得越来越拥挤，为了在有限的频谱范围内容纳更多的通信信道，要求采用频谱利用率更高的传输技术与复杂调制模式；因此线性调制技术如QAM ( Quadrature Amplitude Modulation )、QPSK ( Quadrature Phase Shift Keying)等在现代无线通信系统中被广泛采用。但对于包络变化的线性调制技术，发射机系统会产生较大的失真分量，从而对传输信道或邻道产生不同程度的干扰，因此必须采用线性化的发射机系统。射频功率放大器是发射机系统中非线性最强的器件，特别是为了提高功率效率，射频功放基本工作在非线性状态，因此线性化功率放大器设计技术己成为线性化发射机系统的关键技术；
2）简单的功率回退技术不能满足现代系统要求：简单的功率回退技术虽然能获得较好的线性，但是由于器件本身的原因，纵使再深的回退，也无法达到很高的线性水平，满足不了系统的高线性要求，再者，功率回退技术使得电源利用率很低，一般仅为5%，会产生导致终端自主时间过短、基站热管理等一系列问题；
3）多载波调制技术的逐渐采用要求线性化的功率放大器：以OFDM ( Orthogonal Frequency Division Multiplexing)为代表的多载波调制技术具有高传输速率、不需均衡等明显优点，己为许多标准如802. 11, HDTV ( High Definition Television )、4G LTE等所采用。由
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于OFDM信号具有很高的峰值/平均功率比，功率放大器的非线性将影响到整个系统的性能；
4）多载波系统要求线性化的功率放大系统：多载波放大系统广泛应用于无线通信的基站系统中，由于多径传播和远近效应的存在，基站系统对邻道干扰的要求非常严格，这就要求采用高线性度的发射机系统，减少交调分量对相邻信道的干扰；
5）自适应天线系统的需要：发射机非线性引起的邻道干扰会影响相邻蜂窝甚至相邻波束的用户，非线性交调产物会导致波束宽带、旁瓣抑制、零位深度等一系列天线的性能指标变差；
6）动态信道分配的要求：动态信道分配技术要求发射机能工作于任何一个信道，最终要求采用宽带线性化的功率放大器；
7）新兴无线通信技术的需要：以软件无线电为代表的新兴无线通信技术，从本质上要求线性、宽频的发射机技术，因此需要高度线性化的射频功率放大器。
上世纪七八十年代微波功率放大器的线性化技术得到飞速发展，新兴了众多功放线性化功率放大器技术，如模拟预失真技术、DPD预失真技术、自适应前馈线性化技术、EE&R (Envelope Elimination and Restoration )技术、LINC ( Linear amplification using Nonlinear Components)技术、CALLUM (Combined Analogue Locked Loop Universal Modular)技术等，无论是在无线通信还是有线通信领域，线性化功率放大器技术已成为一个广泛而活跃的研究领域。
2.微波功率放大器非线性分析
功率放大器是强非线性器件，随着输入信号的增加，功放将不再保持线性放大，输出将会逐渐产生失真，输出信号的幅度失真曲线称之为AM/AM特性，输出信号的相位失真曲线称之为AM/PM特性，如图1所示。
图1 幅度 相位失真
若功率放大器的输入信号为A(t)cos(ct(t))，则其失真特性如图2所示。
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A(t)cos(ct(t))AM/PMg(A(t))AM/AMf(A(t))cos(ct(t)g(A(t)))f(A(t))
图2 功放失真特性
其中，f(A(t))表示放大器的AM/AM特性， g(A(t)) 表示放大器的AM/PM特性。 当非恒定包络的调制信号通过非线性的功率放大器后将产生带内和带外失真，使输出信号频谱扩展，干扰邻近信道，增大通信系统误码率。
图3 失真频谱示意图
为保证功放的线性输出，对于非线性放大器必须采用线性化技术予以矫正。 3.微波功率放大器线性化技术
微波功率放大器线性化技术主要分为两类：
第一类，射频功放的输入信号是包络变化的，通过非线性功放后会产生失真分量，但可以利用某种技术来消除所产生的失真信号。比如前馈技术是先分离出失真信号，然后再从输出端减去该失真信号的一种线性化技术。另外如预失真技术或负反馈技术，是通过改变输入信号的特性来达到消除失真分量的目的。
第二类，该类技术完全避开了射频功放的非线性特性，通过某种信号变换使输入信号变成包络恒定的信号。如LINC和CALLUM技术是把输入信号的幅度和相位分离开，形成恒包络但相位变化的两路信号，然后通过放大器放大后再合成的技术。另一种技术 EE&R则把输入信号分解成幅度和相位表示的形式，但只有相位信息通过非线性功放，而幅度信息则用来控制功放的供给电压，通过这种方式来达到线性化目的。
本文将对常用线性化技术进行详细介绍。 3.1前馈线性化技术
贝尔室验室的H. S.Black 就提出了减小放大器失真的两种方法前馈和负反馈后，1960 年,贝尔实验室的Seidel 和他的同事发现负反馈会造成放大器固有的群时延,它受条件稳定和抑制交调失真有限等,开始研究前馈在放大器中的用途。
前馈线性化系统典型系统结构（图4）由两个回路环路组成，信号对消环路（误差回路）和失真对消环路。输入初始信号在第一个回路中一分为二，主功放支路由主 PA（非线性功
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率放大器）和延迟线组成，下支路由延迟线和辅助 PA(功率放大器) 组成。PA 的输出经耦合器采样与下支路信号相加，延迟线用于调节两支路的相位，使两支路相位相差 180°，衰减器用于调节两支路的幅度，使两支路的主信号幅度相等。第二个回路上支路为延迟线，下支路为辅助放大器。延迟线使上支路的信号与放大的失真信号相位相反，使非线性失真在输出耦合器处相减，从而提高 PA 的线性度。
RFCarriersAmplified RF Carriers+ IMDAmplified RF CarriersOnlyRF InputMainAmpGain/PhaseAdjustLoop 2:IMD CancellationPhase InvertedIMDRF OutputLoop 1:Carrier CancellationGain/PhaseAdjust
3.2预失真线性化技术
ErrorAmp
图4 前馈线性化系统
预失真技术是一种广泛使用的射频功放线性化技术，图8就是一个典型的预失真系统, 信号经过预失真器，然后进入功率放大器，由于预失真非线性和功率放大器非线性的共同作用，最终产生的输出信号被“纠正”过来。
图8 预失真系统框图
根据预失真器在发射机中的位置，可以分为射频预失真技术、中频预失真技术和基带预失真技术；根据预失真器处理信号的形式，可以分为模拟预失真技术和数字预失真技术。 3.2.1模拟预失真技术
模拟预失真技术起源于上世纪中叶对晶体管器件非线性特性研究的开展。1959年
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MacDonald就提出了用相反的非线性特性来补偿三极管本身非线性的方法，这就包含了模拟预失真技术思想。1968年Lotsch提出了分析二极管非线性的理论。
上世纪80年代后，模拟预失真技术进入快速发展时期，这时的主要应用对象是移动通信系统。由于前馈线性化技术成本较高，系统复杂，模拟预失真成为一种低成本，难度低的线性化方案，得到较为广泛的应用。
模拟预失真的核心是模拟预失真器，传统的预失真电路有以下几类： 1）串连二极管预失真电路
主要设计思想：利用二极管正向电流与电压的指数关系来补偿放大器的增益压缩特性（即AM/AM失真）；二极管正向动态电阻RD与并联电容CP组成的非线性的移相网络来补偿放大器的相位失真特性（AM/PM失真）。
二极管的偏置电路使之工作在一个合适的低导通状态，这时，二极管虽然导通，但是导通电流较小，动态电阻较大。当输入的RF功率增加时，二极管对其进行整流，使流经自身的静态电流增加，于是，二极管的动态电阻RD下降，预失真电路的损耗减小（表现为增益扩展）；同时二极管动态电阻RD与电容CP组成的非线性相移网络造成的相移量也随RD的减小而下降，这部分补偿了放大器随输入信号功率的增加而带来的信号相移的增加。
图9 串连二极管预失真电路
2）并联二极管预失真电路系统
主要设计思想：利用了平行反接二极管的偶次非线性电流相互抵消，只产生三次非线性电流的性质。产生的三次非线性电流就可以被利用来抵消放大器的互调失真分量。
图10 并联二极管预失真电路
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3）对消失真预失真电路系统
主要设计思想：利用90°3dB电桥对信号的分配和移相功能和与末级功放的失真特性（AM/AM和AM/PM失真）相类似的功放管，在功放的前级构建一个对消失真预失真器。交调信号的产生与主功放产生的交调进行对消，图11为一种典型的对消失真预失真器原理框图。
图11典型的对消失真预失真器原理框图。
传统的模拟预失真技术虽然成本低廉，但是由于其预失真器并不能完全模拟功放在复杂调制信号下的失真特性，所以线性改善量较低，且只能工作在窄带下，所以难以应用在在现代的多载波宽带无线通信
2006年Scintera 公司推出了一款集成的模拟预失真芯片， 该芯片结合了模拟预失真技术与数字技术的优点，其原理框图如图12所示。
图12 Scintera 预失真电路框图
其中，预失真IC具备产生与调节失真信号的功能，通过对于输入信号与输出信号的比较与自适应，达到最终的预失真效果，其内部结构见图13。
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图13 Scintera 芯片内部框图
Scintera 芯片技术特点如下：
1）在射频上直接通过调节正交调制器产生失真信号，克服了数字预失真DA/AD 带宽问题；
2）在自适应方面，通过ADC分别采样输入以及最终校正后的信号，通过DSP算法处理，实现线性化收敛过程；
3）通过结合模拟预失真以及数字信号处理的优势，线性改善效果良好，且工作带宽较宽。
Scintera 芯片典型指标如表2所示。
表2 Scintera 芯片典型指标 即时带宽 对消带宽 ACPR 效率@8dB OBO
3.2.2 数字预失真技术（DPD）
数字预失真原理：通过一个预失真元件(Pre-distorter)来和功率放大器(PA)级联，非线性失真功能内置于数字、数码基带信号处理域中，其与放大器展示的失真数量相当(“相等”)，但功能却相反。将这两个非线性失真功能相结合，便能够实现高度线性、无失真的系统。
数字预失真技术的难度在于PA的失真(即非线性)特性会随时间、温度以及偏压(biasing)的变化而变化，因器件的不同而不同。因此，尽管能为一个器件确定特性并设计正确的预失真算法，但要对每个器件都进行上述工作在经济上则是不可行的。为了解决上述偏差，必须使用反馈机制，对输出信号进行采样，并用以校正预失真算法。 图14为典型的数字预失真功放原理框图。
另外，数字预失真的主要瓶颈是宽带功放的非线性特性建模以及整个系统带宽受到DAC硬件的，为保证3阶分量以及5阶分量的对消，DPD系统的信号处理带宽必须达
40MHz 60MHz ≤-55dBc ≥25% 射频技术研究部2012年技术论坛
到5倍的输入信号带宽。
图14典型的数字预失真功放原理框图
随着数字技术以及相关算法的发展，自上世纪90年代以来，数字预失真取得了迅猛发展，目前已经成为线性化技术中最具备前景的一种主流线性化技术。目前主要专用DPD芯片有 TI公司的GC53XX系列以及Optichron公司的 OP4400以及OP6180，同时Xilinx以及Altera公司也提出了基于FPGA的DPD方案。
目前DPD功放的瓶颈任然是带宽，但是随着数字技术的发展，目前最优的DPD方案已经可以满足60MHz的即时带宽，拉近了与前馈技术的距离。
DPD功放的典型指标如表3所示。
表3 DPD功放的典型指标 即时带宽 对消带宽 IMD 效率@8dB OBO 4.小结
本文详细的介绍了各种线性化技术，其中前馈技术、模拟预失真技术、数字预失真技术是目前最常用的线性化技术，这三种技术特点比较见表4。
表4 线性化技术比较
技术类型 前馈 模拟预失真(Scintera IC) 数字预失真
可见，数字预失真除了即时带宽仍然落后于前馈法外，其校正能力、系统效率以及成本均具备较大优势。
对消能力 ≥30dB ≈15dB ≥30dB 即时带宽 系统效率 技术难度 100MHz 20%（max） 高 40MHz 25%（max） 低 60MHz ≥35% 高 成本 高 低 中 60MHz Max 300MHz Max ≤-65dBc ≥35% 射频技术研究部2012年技术论坛
随着无线通信技术的发展，对发射机系统的功率效率、频谱效率、线性度等性能要求也越来越高，线性化功率放大器技术也在随着系统要求呈现以下趋势：
1）多模多制式的应用模式越来越广泛，未来的移动通信网络将实现多功能化，功率放大器必须同时满足多种信号制式的线性放大
2）小型化、高效率 未来的移动通讯设备都将往小型化发展，要求功放作为主要发热单元必须具备较高的效率以及较低的热耗。
3）与数字系统结合紧密，随着数字技术的发展以及数字硬件成本的降低，未来的功率放大器将于数字技术结合紧密。
可见，在功率放大器的发展将围绕着高效率、多模高线性、数字化不断发展。
参考文献：
[1] Advanced_Techniques_in_RF_Power_Amplifier_Design Steve C.Cripps [2]射频功放数字预失真技术的设计与实现 武汉理工大学 吴刚
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[5]数字预失真理论与算法实现 电子科技大学 杜春慧 [6] cross cancellation程序关键技术总结 张占胜 [7] Scintera_RF_PA_Linearizer_technical_discussion Scintera
