超线性功放线性化该怎么设计？

随着移动事业的迅猛发展，特别是CDMA和第三代移动通信技术的发展，使得系统对功放线性的要求越来越高。在移动通信系统中，为了保证一定范围的信号覆盖，我们通常使用功率放大器来对信号放大，进而通过射频前端和天线系统发射出去。而在CDMA或WCDMA以及TDSCDMA的基站中，如果采用一般的高功放(通常工作于AB类)，将由于非线性的影响产生频谱再生效应，为了较好的解决信号的频谱再生和EVM(误差矢量幅值)问题，就必须对功放采用线性化技术。不仅如此，功放在基站放大器中的成本比例约占50%,那么，我们该如何有效、低成本地解决功放地线性化问题呢？

庞琳

2019-8-16 16:17:56

1、超线性功放解决方案的提出
传统解决功放的线性的方法多数是采用功率回退的方法来保证功放的互调分量也就是保证功放工作在线性范围，从而不影响信号的覆盖以及通信。图1给出了关于三阶截点、1dB压缩点以及三阶互调随输入功率的变化曲线。

图1、分贝压缩点输出功率
从图中可以看出，传统的解决方法就是通过将输入功率降低，如果输入功率降低1dB,那么系统的互调分量将会好2dB,依次类推，就是说为了保证线性，对于CDMA或者WCDMA的功放，我们只能用100W的放大管子来出5W功率。但是由于管子是为100W设计的，其静态工作点仍旧很高，静态电流依然很大。所以，功放整体电流会很大，电流大意味着功放的效率很低，将会有很大一部分热量只能释放到管子以及电路板上，这些热量既是一种能量的浪费，更重要的是会造成降低芯片的使用寿命。利益方面，能提供如此大功率的放大管子的价格是非常昂贵的。
基于以上这些考虑，同时单纯的功率回退所能获取的互调是有限的，随着功率的进一步增高，仍旧依靠功率回退是不能解决问题的。所以，这里提出一种前馈预失真的设计方案来同时解决线性、效率以及成本问题。
2、前馈预失真功放设计方案
目前较为成熟和流行的超线性解决方案包括前馈技术、预失真技术(包括模拟预失真和基带预失真)、反馈技术等方法。考虑到单纯采用前馈技术对误差功放的要求较高并不能降低太多成本和提高太多的效率，单纯的采用预失真技术虽然可以提高线性和效率但并不能达到超线性的要求。结合两项技术的有缺点，这里提出一种前馈结合预失真的技术。详细的原理框图见图2。

图2 前馈预失真方案框图
如图2所示，输入信号首先通过定向耦合器一路经过延时线准备和输出信号进行抵消，从而检测对消的情况，另一路送入预失真单元(PD)中产生失真信号，从而改善主功放的线性程度。同时主功放的输出耦合一部分同经过延时的主信号进行对消，去除主信号，仅仅保留误差信号，通过功分器，一方面作为对消效果的检测从而作为闭环控制的参考，;另一方面送入误差功放放大在与主功放耦合对消互调信号，从而进一步改善互调。这里如果改善效果仍旧不理想，达不到超线性的要求即70dBc的话，可以将前馈环在增加一级，够成3或4级环，从而提高改善效果。
上述仅是开环的方案，考虑到由于输入功率、温度等因素都可以影响对消效果，这里必须设计一个闭环的控制环节，使得系统中的衰减器和移相器能够根据环境参数的改变，自动跟踪变化，自动适应调节，从而保证整体的线性要求。
闭环的实现首先是建立在对整个环内若干个参考点的采样来指导各个常数的变化，包括输入功率，输出误差功率，环境温度，主信号与误差信号对消情况等若干个因素决定各个参数的变化。同时，系统要求自适应算法的反映速度必须在20ns之内，才能保证一旦参数发生变化，整体互调能及时跟踪变化。避免出现短时的互调变差的现象。
下面将分各个单元分别介绍系统的实现方法以及核心技术问题。
2.1、预失真产生单元(PD)
预失真部分采用的是模拟预失真方案。该方案已经通过前期试验论证，对于600KHz的双音信号互调可以改善15dB以上，对于1.28MHz的调制信号，ACPR可以改善10dB以上。预失真产生单元的整体框图如图3所示。

图3 预失真产生框图
输入信号经过3dB电桥分成两路，0°端作为主信号经过延时线送入合成的3dB电桥;-90°端作为误差信号的产生端再经过一个3dB的电桥，这里的0°端产生失真信号，通过调节放大管FP2189的偏压使其互调分量非常的大，经过移相器调节相位准备于主信号对消，-90°端首先通过衰减器调节幅度在通过偏压调节非常好的FP2189使其产生非常好的互调信号，这样在通过合成电桥的-90°端口，从而使得主信号与误差信号相差-180°，从而使得产生互调信号的部分去除主信号只保留误差信号。在通过调节衰减器和移相器使其相位与通过延时线的主信号相位相差-90°，从而借助另一个3dB合成电桥的-90°端实现主信号与失真信号相位相差-180°，也就意味着失真信号倒相，从而在主功放放大的过程中对消主信号的互调分量。
上述预失真信号的产生是本项目的第一个技术难点，但是经过尽两个月的试验，已经完成论证了该方法的可行性，如前所述，对于2.14GHz的600KHz双音信号互调可以改善15dB以上，对于1.28MHz的CDMA调制信号，ACPR可以改善10dB以上。
2.2、前馈单元
上述预失真方案经过试验验证，可以改善互调15dB,ACPR改善10dB,这样可以改用小一些的管子推出大的功率。但是这还并不能达到超线性的要求(即-70dBc)，因此，再次引入前馈的方法进一步改善线性。如果单纯使用前馈的方法，对于误差功放的功率要求要高，因为主功放的互调产物较高，这样在误差功放处必须能推出大的功率才可以抵消掉。所以，增加了误差功放的价钱并降低了效率。但是，如果在主功放前增加预失真单元，就可以大大降低互调产物，减轻误差功放的要求，提高效率。
前馈部分的原理框图如图4所示

图4 前馈原理图
输入信号经过主功放放大，由于主功放的非线性，将有互调分量产生。通过耦合器将经过放大的主信号与输入信号进行相减，从而使得放大后的主信号仅仅有失真信号，将失真信号通过误差放大器进行放大，使其幅度与主信号的互调产物幅度相同，再通过移相器和衰减器的调节，使其与主信号相位正好相差-180°，从而抵消掉主信号中的互调产物，进一步改善功放的线性度。
实际设计中，如果一级环路抵消效果不理想，达不到-70dBc的超线性要求，可以考虑继续增加环路，进一步抵消失真信号。
2.3、闭环自适应单元
预失真单元和前馈部分均可以大幅度改善功放整体的线性化程度，但是经过试验论证，他们的对消效果会受到信号的幅度和相位的影响。如果对消的两路信号相位相差超过2°，以及两路信号的幅度相差超过5dB,其改善效果将非常差。但是，由于功放本身将会收到诸如环境温度的变好、输入信号的强弱的变化等诸多因素的影响，因而必须要求我们的功放能自动适应各种环境的应用。所以，为了满足上面提出的要求，整个系统必须具有自适应单元，通过根据环境的变化自动调整各个参数，从而保证功放工作在超线性。
闭环自适应单元将是整个项目的难点。一方面需要受控的参数非常多，可获取的输入信号又非常的少，同时，整体数学模型很难建立，无法用数学模型描述输入与输出之间的关系。另一方面，从输入信号发生变化到输出信号的时间延迟大约20ns以内，这就要求整个算法必须在20ns完成由输入到输出的计算，也就是说要求算法的实时性非常高。
算法的出发点将是根据查表法，通过试验获取大量在不通环境下所获取的移相器和衰减器的控制电压，以此作为样本，设计一款神经网络机器。通过大量的样本训练该神经网络，使其具有根据环境变量以及输入功率等因素快速的决定各个衰减器和移相器的控制电压。最终该神经网络机器将在FPGA中实现。
试验数据的获取将用PC机设计一款能够操作信号源以及频谱仪的程序，将功放放入高低温箱中做高低温试验，同时调节输入功率的大小，并设计一个收索算法，通过上位机自动完成试验的过程，获取大量的试验样本，从而对神经网络在MATLAB上进行训练。并最终在FPGA中实现。
以上目前只是一种假设，闭环自适应算法将是整个超线性功放的难点，将会花大量时间在这里收集资料，尝试各种方案，最终提出并设计一个最适合的实现方案。因此，在这里可能会花费大量的时间和精力。

1、超线性功放解决方案的提出
传统解决功放的线性的方法多数是采用功率回退的方法来保证功放的互调分量也就是保证功放工作在线性范围，从而不影响信号的覆盖以及通信。图1给出了关于三阶截点、1dB压缩点以及三阶互调随输入功率的变化曲线。

图1、分贝压缩点输出功率
从图中可以看出，传统的解决方法就是通过将输入功率降低，如果输入功率降低1dB,那么系统的互调分量将会好2dB,依次类推，就是说为了保证线性，对于CDMA或者WCDMA的功放，我们只能用100W的放大管子来出5W功率。但是由于管子是为100W设计的，其静态工作点仍旧很高，静态电流依然很大。所以，功放整体电流会很大，电流大意味着功放的效率很低，将会有很大一部分热量只能释放到管子以及电路板上，这些热量既是一种能量的浪费，更重要的是会造成降低芯片的使用寿命。利益方面，能提供如此大功率的放大管子的价格是非常昂贵的。
基于以上这些考虑，同时单纯的功率回退所能获取的互调是有限的，随着功率的进一步增高，仍旧依靠功率回退是不能解决问题的。所以，这里提出一种前馈预失真的设计方案来同时解决线性、效率以及成本问题。
2、前馈预失真功放设计方案
目前较为成熟和流行的超线性解决方案包括前馈技术、预失真技术(包括模拟预失真和基带预失真)、反馈技术等方法。考虑到单纯采用前馈技术对误差功放的要求较高并不能降低太多成本和提高太多的效率，单纯的采用预失真技术虽然可以提高线性和效率但并不能达到超线性的要求。结合两项技术的有缺点，这里提出一种前馈结合预失真的技术。详细的原理框图见图2。

图2 前馈预失真方案框图
如图2所示，输入信号首先通过定向耦合器一路经过延时线准备和输出信号进行抵消，从而检测对消的情况，另一路送入预失真单元(PD)中产生失真信号，从而改善主功放的线性程度。同时主功放的输出耦合一部分同经过延时的主信号进行对消，去除主信号，仅仅保留误差信号，通过功分器，一方面作为对消效果的检测从而作为闭环控制的参考，;另一方面送入误差功放放大在与主功放耦合对消互调信号，从而进一步改善互调。这里如果改善效果仍旧不理想，达不到超线性的要求即70dBc的话，可以将前馈环在增加一级，够成3或4级环，从而提高改善效果。
上述仅是开环的方案，考虑到由于输入功率、温度等因素都可以影响对消效果，这里必须设计一个闭环的控制环节，使得系统中的衰减器和移相器能够根据环境参数的改变，自动跟踪变化，自动适应调节，从而保证整体的线性要求。
闭环的实现首先是建立在对整个环内若干个参考点的采样来指导各个常数的变化，包括输入功率，输出误差功率，环境温度，主信号与误差信号对消情况等若干个因素决定各个参数的变化。同时，系统要求自适应算法的反映速度必须在20ns之内，才能保证一旦参数发生变化，整体互调能及时跟踪变化。避免出现短时的互调变差的现象。
下面将分各个单元分别介绍系统的实现方法以及核心技术问题。
2.1、预失真产生单元(PD)
预失真部分采用的是模拟预失真方案。该方案已经通过前期试验论证，对于600KHz的双音信号互调可以改善15dB以上，对于1.28MHz的调制信号，ACPR可以改善10dB以上。预失真产生单元的整体框图如图3所示。

图3 预失真产生框图
输入信号经过3dB电桥分成两路，0°端作为主信号经过延时线送入合成的3dB电桥;-90°端作为误差信号的产生端再经过一个3dB的电桥，这里的0°端产生失真信号，通过调节放大管FP2189的偏压使其互调分量非常的大，经过移相器调节相位准备于主信号对消，-90°端首先通过衰减器调节幅度在通过偏压调节非常好的FP2189使其产生非常好的互调信号，这样在通过合成电桥的-90°端口，从而使得主信号与误差信号相差-180°，从而使得产生互调信号的部分去除主信号只保留误差信号。在通过调节衰减器和移相器使其相位与通过延时线的主信号相位相差-90°，从而借助另一个3dB合成电桥的-90°端实现主信号与失真信号相位相差-180°，也就意味着失真信号倒相，从而在主功放放大的过程中对消主信号的互调分量。
上述预失真信号的产生是本项目的第一个技术难点，但是经过尽两个月的试验，已经完成论证了该方法的可行性，如前所述，对于2.14GHz的600KHz双音信号互调可以改善15dB以上，对于1.28MHz的CDMA调制信号，ACPR可以改善10dB以上。
2.2、前馈单元
上述预失真方案经过试验验证，可以改善互调15dB,ACPR改善10dB,这样可以改用小一些的管子推出大的功率。但是这还并不能达到超线性的要求(即-70dBc)，因此，再次引入前馈的方法进一步改善线性。如果单纯使用前馈的方法，对于误差功放的功率要求要高，因为主功放的互调产物较高，这样在误差功放处必须能推出大的功率才可以抵消掉。所以，增加了误差功放的价钱并降低了效率。但是，如果在主功放前增加预失真单元，就可以大大降低互调产物，减轻误差功放的要求，提高效率。
前馈部分的原理框图如图4所示

图4 前馈原理图
输入信号经过主功放放大，由于主功放的非线性，将有互调分量产生。通过耦合器将经过放大的主信号与输入信号进行相减，从而使得放大后的主信号仅仅有失真信号，将失真信号通过误差放大器进行放大，使其幅度与主信号的互调产物幅度相同，再通过移相器和衰减器的调节，使其与主信号相位正好相差-180°，从而抵消掉主信号中的互调产物，进一步改善功放的线性度。
实际设计中，如果一级环路抵消效果不理想，达不到-70dBc的超线性要求，可以考虑继续增加环路，进一步抵消失真信号。
2.3、闭环自适应单元
预失真单元和前馈部分均可以大幅度改善功放整体的线性化程度，但是经过试验论证，他们的对消效果会受到信号的幅度和相位的影响。如果对消的两路信号相位相差超过2°，以及两路信号的幅度相差超过5dB,其改善效果将非常差。但是，由于功放本身将会收到诸如环境温度的变好、输入信号的强弱的变化等诸多因素的影响，因而必须要求我们的功放能自动适应各种环境的应用。所以，为了满足上面提出的要求，整个系统必须具有自适应单元，通过根据环境的变化自动调整各个参数，从而保证功放工作在超线性。
闭环自适应单元将是整个项目的难点。一方面需要受控的参数非常多，可获取的输入信号又非常的少，同时，整体数学模型很难建立，无法用数学模型描述输入与输出之间的关系。另一方面，从输入信号发生变化到输出信号的时间延迟大约20ns以内，这就要求整个算法必须在20ns完成由输入到输出的计算，也就是说要求算法的实时性非常高。
算法的出发点将是根据查表法，通过试验获取大量在不通环境下所获取的移相器和衰减器的控制电压，以此作为样本，设计一款神经网络机器。通过大量的样本训练该神经网络，使其具有根据环境变量以及输入功率等因素快速的决定各个衰减器和移相器的控制电压。最终该神经网络机器将在FPGA中实现。
试验数据的获取将用PC机设计一款能够操作信号源以及频谱仪的程序，将功放放入高低温箱中做高低温试验，同时调节输入功率的大小，并设计一个收索算法，通过上位机自动完成试验的过程，获取大量的试验样本，从而对神经网络在MATLAB上进行训练。并最终在FPGA中实现。
以上目前只是一种假设，闭环自适应算法将是整个超线性功放的难点，将会花大量时间在这里收集资料，尝试各种方案，最终提出并设计一个最适合的实现方案。因此，在这里可能会花费大量的时间和精力。

王红

2019-8-16 16:17:58

3、超线性功放产品实现方案

图5 预失真+主功放实现方案

图6 预失真+前馈+主功放方案
4、超线性功放关键技术问题
带宽问题。
随着频率的增高，相位和时延均会发生变化，这就要求在整个频带内各个模块的频响特性要一致。
抵消问题。
预失真和前馈的根本出发点都是信号的对消问题，也就是说让两个信号在相位上相差180°，如果相位相差对消的误差超过2°，将大大的降低对消的效果。也就是说相位能否对上，是决定效果的关键。
衰减器和移相器
衰减器和移相器是预失真和前馈的主要调节单元。如果衰减器带有附加相移或者移相器带来附加衰减，都将使得整个系统无法控制。另外两者的时延也是决定延迟线的关键。经过试验的论证，用电桥搭成的衰减器和移相器虽然能够满足要求，但是附加相移和衰减过大，同时一致性较差，将不利于生产。所以，进一步选用一些集成的衰减器和移相器进行试验。
自适应算法
如前在闭环控制算法中提到的，算法的相应时间和相应速度是一个非常关键的技术指标。同时由于输入的参数太少，并且整个数学模型很难建立，因此自适应算法的研发将是整个项目的瓶颈，将会花大量的时间和精力在这里。
5、超线性功放的优势
超线性功放作为一种时下非常流行的技术与传统的设计功放的方法相比具有很多优势，它不仅仅是可以使得功放的线性化程度做的很好，同时可以大大的降低成本，提高效率，增加效益等。
成本上的优势
虽然超线性功放在结构上比传统的功放复杂了很多，也增加了例如衰减器和移相器等附加的芯片，可能会在这增加一些开销，但是由于它可以大大提高功放的线性化程度，也就是说原来必须用100w的放大管子出20w功率，现在可能仅仅用45w的管子就可以出20w,这样在放大管子上节省的开销将远远超过那些衰减器和移相器的开销。
效率上的优势
传统的功放都是采用的功率回退的方法，无形中将是放大管工作在很高的静态工作点但输出功率并不大，将有大量的能量浪费在静态电流以及热量上面。采用了超线性化技术，由于改善了功放的非线性，可以使得功放管子的工作状态进一步提高，减小静态电流的浪费，大大提高了效率。同时也相当于提高了整体的稳定性。
在大功率放大器上的优势
以类似于基站放大器上200W的功放为例，对于四载频的基站放大器，需要四个200W的功放。因为功率太高，无法保证功放的线性，只能一个载波一个放大器，这样还需要合路、供电系统等一系列的开销，从而使得整机体积非常大。如果改用了超线性功放，可以说一个功放就可以搞定，大大降低了成本减小了体积。这样在市场上将有很强的竞争力。

周彦楠

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王红

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