1 引言

第三代移動(dòng)通信(3rd-Generation，簡(jiǎn)稱3G)系統(tǒng)具有更大的容量、更好的通訊品質(zhì)、更高的頻帶利用率，這些特點(diǎn)使得它能為高速和低速移動(dòng)用戶提供語(yǔ)音、數(shù)據(jù)、電視會(huì)議及多媒體等多種業(yè)務(wù)。但這些出色的性能也對(duì)硬件電路系統(tǒng)提出了更高的要求，尤其是發(fā)射子系統(tǒng)的功率放大器(PA)單元。W-CDMA(Wideband Code Division Multiple Access)作為第三代移動(dòng)通信(3G)的標(biāo)準(zhǔn)之一已經(jīng)在歐洲和日本獲得了成功的商業(yè)應(yīng)用。W-CDMA系統(tǒng)的PA具有如下新的特點(diǎn)：

第一，在3G手機(jī)中，最關(guān)鍵的是高速數(shù)據(jù)傳送要求具有更高的帶寬和發(fā)送功率。在W-CDMA中采用帶寬為3.84MHz的偽隨機(jī)噪聲碼(Pseu-do-Noise code，PN碼)，因此用戶信號(hào)帶寬也為3.84MHz，由放大器IMX產(chǎn)生的非線性失真分布在更寬的范圍內(nèi)。

第二，為了提高數(shù)據(jù)發(fā)送速率和增加頻譜利用效率，采用混合相移鍵控HPSK(Hybrid Phase ShiftKeying)調(diào)制方法，要求PA必須有良好的線性度。功放的AM-PM特性會(huì)導(dǎo)致調(diào)制信號(hào)的相位失真，從而接收系統(tǒng)的誤碼率會(huì)上升，導(dǎo)致系統(tǒng)通信品質(zhì)的降低。

第三，由于遠(yuǎn)近效應(yīng)的存在，PA的輸出動(dòng)態(tài)范圍大。按照第三代合作伙伴計(jì)劃(3rd GenerationPartnership Project，簡(jiǎn)稱3GPP)推出的W-CDMA標(biāo)準(zhǔn)，要求發(fā)射機(jī)可控發(fā)射功率范圍為+24dBm到-50dBm，共74dB的動(dòng)態(tài)范圍，如果再考慮一些余量，整個(gè)發(fā)射機(jī)應(yīng)具有超過(guò)80dB的動(dòng)態(tài)范圍。發(fā)射機(jī)芯片動(dòng)態(tài)指標(biāo)往往受限于高功率時(shí)的ACPR指標(biāo)和低功率時(shí)的噪聲底，而臨近信道泄漏功率的大小與輸入功率的三次方成正比，為避免對(duì)臨近信道用戶產(chǎn)生過(guò)大干擾，最大功率輸出時(shí)ACPR不應(yīng)大于-37dBc。

2 第三代移動(dòng)通信W-CDMA功率放大器電路中效率與線性特性的關(guān)系

在3GPP制定的W-CDMA標(biāo)準(zhǔn)中，只有對(duì)PA的線性度和發(fā)射功率的要求，所以它們是第一位的。對(duì)線性度近乎苛刻的要求，就需要與其它參數(shù)進(jìn)行折中，例如效率。W-CDMA系統(tǒng)的射頻信號(hào)為非恒定包絡(luò)，這決定了只能利用工作效率在25％至35％之間的線性放大器，而采用非線性功率放大器的第二代GSM電話發(fā)射機(jī)的典型工作效率約為50％。由于W-CDMA的射頻信號(hào)為多種業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的疊加，因此不同于恒定包絡(luò)信號(hào)，射頻功率放大器不能被驅(qū)動(dòng)至壓縮區(qū)，而必須采用功率回退的方法使功率放大器工作于線性區(qū)?；赝嗽蕉?，線性越好，但功率放大器的效率也越低。為了兼顧線性和效率，W-CDMA功率放大器的設(shè)計(jì)一般都會(huì)采用各種線性化技術(shù)來(lái)達(dá)到線性和效率之間的平衡。

3 目前常用的幾種改善功率放大器線性度的方法

實(shí)現(xiàn)射頻功放線性化的技術(shù)很多，常見(jiàn)的有以下三種：功率回退(back-off)法、前饋(feedforward)法和預(yù)失真(predistortion)法。

3.1 功率回退法

在眾多線性化技術(shù)中，功率回退技術(shù)是最常用的方法，即把功率放大器的輸入功率從1dB壓縮點(diǎn)向后回退幾個(gè)分貝，工作在遠(yuǎn)小于1dB壓縮點(diǎn)的電平上，使功率放大器遠(yuǎn)離飽和區(qū)，進(jìn)入線性工作區(qū)，從而改善功率放大器的三階交調(diào)系數(shù)。即選用功率較大的管子作小功率管使用，實(shí)際上是以犧牲直流功耗來(lái)提高功放的線性度。

功率回退法簡(jiǎn)單且易實(shí)現(xiàn)，不需要增加任何附加設(shè)備，是改善放大器線性度行之有效的方法，缺點(diǎn)是功率放大器的效率大為降低。另外，當(dāng)功率回退到一定程度，即當(dāng)三階交調(diào)(IM3)達(dá)到-40dBc以下時(shí)，繼續(xù)回退將不再改善放大器的線性度。因此，在線性度要求很高的場(chǎng)合，完全靠功率回退是不夠的。

3.2 前饋法

前饋線性化技術(shù)原理如圖1所示。射頻信號(hào)輸人后，經(jīng)功分器(Splitter)分成兩路。一路進(jìn)入主功率放大器A1，由于其非線性失真，輸出端除了有需要放大的主頻信號(hào)外，還有三階交調(diào)干擾。從主功放的輸出中耦合一部分信號(hào)與另一路經(jīng)過(guò)延時(shí)線TD1延時(shí)的輸入信號(hào)在合成器(Subtracter)中疊加，使主載頻信號(hào)完全抵消，只剩下反相的三階交調(diào)分量。三階交調(diào)分量經(jīng)輔助放大器放大后與經(jīng)延時(shí)線TD2延時(shí)的主功放輸出信號(hào)在耦合器C2中疊加，抵消主功放的三階交調(diào)干擾，從而得到線性的放大信號(hào)。

前饋技術(shù)既提供了較高校準(zhǔn)精度的優(yōu)點(diǎn)，又沒(méi)有不穩(wěn)定和帶寬受限的缺點(diǎn)；但是，這些優(yōu)點(diǎn)是用高成本換來(lái)的。由于在輸出端進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí)，功率電平較大，校準(zhǔn)信號(hào)需放大到較高的功率電平，這就需要額外的輔助放大器，而且要求這個(gè)輔助放大器本身的失真特性應(yīng)處在前饋系統(tǒng)的指標(biāo)之上，并且由于在校準(zhǔn)環(huán)中添加了一輔助功率放大器，因而總效率有所降低。

前饋功放的抵消要求是很高的，需獲得幅度、相位和時(shí)延的匹配，如果出現(xiàn)功率變化、溫度變化及器件老化等情況均會(huì)造成抵消失靈。為此需要在系統(tǒng)中考慮自適應(yīng)抵消技術(shù)，使抵消能夠跟得上內(nèi)外環(huán)境的變化。

3.3 預(yù)失真法

預(yù)失真就是在功率放大器前增加一個(gè)非線性電路用以補(bǔ)償功率放大器的非線性。預(yù)失真線性化技術(shù)的原理如圖2所示。

預(yù)失真線性化技術(shù)，它的優(yōu)點(diǎn)在于不存在穩(wěn)定性問(wèn)題、有更寬的信號(hào)頻帶、能夠處理含多載波的信號(hào)。預(yù)失真技術(shù)成本較低，由幾個(gè)仔細(xì)選取的元件封裝成單一模塊，連在信號(hào)源與功放之間，就構(gòu)成預(yù)失真線性功放。手持移動(dòng)臺(tái)中的功放已采用了預(yù)失真技術(shù)，它僅用少量的元件就降低了互調(diào)IM產(chǎn)物幾dB，但卻是很關(guān)鍵的幾dB。

預(yù)失真技術(shù)分為RF預(yù)失真和數(shù)字基帶預(yù)失真兩種基本類(lèi)型。RF預(yù)失真一般采用模擬電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，具有電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、易于高頻、寬帶應(yīng)用等優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是頻譜再生分量改善較少、高階頻譜分量抵消較困難?；鶐ьA(yù)失真由于工作頻率低，可以用數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)，適應(yīng)性強(qiáng)，而且可以通過(guò)增加采樣率和增大量化階數(shù)的辦法來(lái)抵消高階互調(diào)失真，是一種很有發(fā)展前途的方法。數(shù)字基帶預(yù)失真原理如圖3所示。

數(shù)字預(yù)失真器由一個(gè)矢量增益調(diào)節(jié)器組成，根據(jù)查找表LUT的內(nèi)容來(lái)控制輸入信號(hào)的幅度和相位，預(yù)失真的大小由查找表LUT的輸入來(lái)控制。矢量增益調(diào)節(jié)器一旦被優(yōu)化，將提供一個(gè)與功放相反的非線性特性。理想情況下，這時(shí)輸出的互調(diào)產(chǎn)物應(yīng)該與雙音信號(hào)通過(guò)功放的輸出幅度相等而相位相反，即自適應(yīng)調(diào)節(jié)模塊就是要調(diào)節(jié)查找表的輸入，從而使輸入信號(hào)與功放輸出信號(hào)的差別最小。注意到輸入信號(hào)的包絡(luò)也是查找表LUT的一個(gè)輸入，反饋路徑來(lái)取樣功放的失真輸出，然后經(jīng)過(guò)A／D變換送入自適應(yīng)調(diào)節(jié)DSP中，進(jìn)而來(lái)更新查找表(LUT)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在輸出功率為27dBm時(shí)，應(yīng)用數(shù)字預(yù)失真技術(shù)的放大器功率附加效率(PAE)可以提高20％，ACPR可以改善6dB。

然而，從成本和體積兩方面來(lái)考慮，前饋技術(shù)和預(yù)失真技術(shù)只能應(yīng)用于基站，不適合應(yīng)用于手機(jī)功放。

4 利用等效低通濾波器模型改善W-CDMA手機(jī)用功率放大器線性度的新方法

W-CDMA系統(tǒng)采用非恒定包絡(luò)的調(diào)制方法使得對(duì)功率放大器的設(shè)計(jì)提出了高線性的要求。衡量W-CDMA功率放大器線性度的指標(biāo)是臨近信道泄漏功率比(ACPR)，其定義為臨近信道內(nèi)泄漏功率與主信道內(nèi)信號(hào)功率的比值(以dBc為單位)。W-CDMA采用5MHz的信道帶寬，信號(hào)集中在信道內(nèi)3.84MHz的中心帶寬內(nèi)。對(duì)于我們研究的主信道來(lái)說(shuō)，其兩邊5MHz間隔處有左右兩個(gè)信道(分別對(duì)應(yīng)為lower channel和upper channel)。在實(shí)際測(cè)試中經(jīng)常會(huì)觀察到左右兩邊兩個(gè)信道所對(duì)應(yīng)的ACPR值不同，也就是產(chǎn)生了ACPR的不對(duì)稱性。ACPR不對(duì)稱性會(huì)使ACPR的指標(biāo)惡化，致使功放的線性度大幅度降低。在數(shù)字預(yù)失真線性化[7]技術(shù)中ACPR不對(duì)稱性的影響是十分嚴(yán)重的。因此研究ACPR