1 引言

第三代移動通信(3rd-Generation，簡稱3G)系統具有更大的容量、更好的通訊品質、更高的頻帶利用率，這些特點使得它能為高速和低速移動用戶提供語音、數據、電視會議及多媒體等多種業務。但這些出色的性能也對硬件電路系統提出了更高的要求，尤其是發射子系統的功率放大器(PA)單元。W-CDMA(Wideband Code Division Multiple Access)作為第三代移動通信(3G)的標準之一已經在歐洲和日本獲得了成功的商業應用。W-CDMA系統的PA具有如下新的特點：

第一，在3G手機中，最關鍵的是高速數據傳送要求具有更高的帶寬和發送功率。在W-CDMA中采用帶寬為3.84MHz的偽隨機噪聲碼(Pseu-do-Noise code，PN碼)，因此用戶信號帶寬也為3.84MHz，由放大器IMX產生的非線性失真分布在更寬的范圍內。

第二，為了提高數據發送速率和增加頻譜利用效率，采用混合相移鍵控HPSK(Hybrid Phase ShiftKeying)調制方法，要求PA必須有良好的線性度。功放的AM-PM特性會導致調制信號的相位失真，從而接收系統的誤碼率會上升，導致系統通信品質的降低。

第三，由于遠近效應的存在，PA的輸出動態范圍大。按照第三代合作伙伴計劃(3rd GenerationPartnership Project，簡稱3GPP)推出的W-CDMA標準，要求發射機可控發射功率范圍為+24dBm到-50dBm，共74dB的動態范圍，如果再考慮一些余量，整個發射機應具有超過80dB的動態范圍。發射機芯片動態指標往往受限于高功率時的ACPR指標和低功率時的噪聲底，而臨近信道泄漏功率的大小與輸入功率的三次方成正比，為避免對臨近信道用戶產生過大干擾，最大功率輸出時ACPR不應大于-37dBc。

2 第三代移動通信W-CDMA功率放大器電路中效率與線性特性的關系

在3GPP制定的W-CDMA標準中，只有對PA的線性度和發射功率的要求，所以它們是第一位的。對線性度近乎苛刻的要求，就需要與其它參數進行折中，例如效率。W-CDMA系統的射頻信號為非恒定包絡，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電話發射機的典型工作效率約為50％。由于W-CDMA的射頻信號為多種業務數據的疊加，因此不同于恒定包絡信號，射頻功率放大器不能被驅動至壓縮區，而必須采用功率回退的方法使功率放大器工作于線性區。回退越多，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功率放大器的設計一般都會采用各種線性化技術來達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

實現射頻功放線性化的技術很多，常見的有以下三種：功率回退(back-off)法、前饋(feedforward)法和預失真(predistortion)法。

3.1 功率回退法

在眾多線性化技術中，功率回退技術是最常用的方法，即把功率放大器的輸入功率從1dB壓縮點向后回退幾個分貝，工作在遠小于1dB壓縮點的電平上，使功率放大器遠離飽和區，進入線性工作區，從而改善功率放大器的三階交調系數。即選用功率較大的管子作小功率管使用，實際上是以犧牲直流功耗來提高功放的線性度。

功率回退法簡單且易實現，不需要增加任何附加設備，是改善放大器線性度行之有效的方法，缺點是功率放大器的效率大為降低。另外，當功率回退到一定程度，即當三階交調(IM3)達到-40dBc以下時，繼續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合，完全靠功率回退是不夠的。

3.2 前饋法

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

前饋技術既提供了較高校準精度的優點，又沒有不穩定和帶寬受限的缺點；但是，這些優點是用高成本換來的。由于在輸出端進行校準時，功率電平較大，校準信號需放大到較高的功率電平，這就需要額外的輔助放大器，而且要求這個輔助放大器本身的失真特性應處在前饋系統的指標之上，并且由于在校準環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、相位和時延的匹配，如果出現功率變化、溫度變化及器件老化等情況均會造成抵消失靈。為此需要在系統中考慮自適應抵消技術，使抵消能夠跟得上內外環境的變化。

3.3 預失真法

預失真就是在功率放大器前增加一個非線性電路用以補償功率放大器的非線性。預失真線性化技術的原理如圖2所示。

預失真線性化技術，它的優點在于不存在穩定性問題、有更寬的信號頻帶、能夠處理含多載波的信號。預失真技術成本較低，由幾個仔細選取的元件封裝成單一模塊，連在信號源與功放之間，就構成預失真線性功放。手持移動臺中的功放已采用了預失真技術，它僅用少量的元件就降低了互調IM產物幾dB，但卻是很關鍵的幾dB。

預失真技術分為RF預失真和數字基帶預失真兩種基本類型。RF預失真一般采用模擬電路來實現，具有電路結構簡單、成本低、易于高頻、寬帶應用等優點，缺點是頻譜再生分量改善較少、高階頻譜分量抵消較困難。基帶預失真由于工作頻率低，可以用數字電路實現，適應性強，而且可以通過增加采樣率和增大量化階數的辦法來抵消高階互調失真，是一種很有發展前途的方法。數字基帶預失真原理如圖3所示。

數字預失真器由一個矢量增益調節器組成，根據查找表LUT的內容來控制輸入信號的幅度和相位，預失真的大小由查找表LUT的輸入來控制。矢量增益調節器一旦被優化，將提供一個與功放相反的非線性特性。理想情況下，這時輸出的互調產物應該與雙音信號通過功放的輸出幅度相等而相位相反，即自適應調節模塊就是要調節查找表的輸入，從而使輸入信號與功放輸出信號的差別最小。注意到輸入信號的包絡也是查找表LUT的一個輸入，反饋路徑來取樣功放的失真輸出，然后經過A／D變換送入自適應調節DSP中，進而來更新查找表(LUT)。實驗結果表明在輸出功率為27dBm時，應用數字預失真技術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考慮，前饋技術和預失真技術只能應用于基站，不適合應用于手機功放。

4 利用等效低通濾波器模型改善W-CDMA手機用功率放大器線性度的新方法

W-CDMA系統采用非恒定包絡的調制方法使得對功率放大器的設計提出了高線性的要求。衡量W-CDMA功率放大器線性度的指標是臨近信道泄漏功率比(ACPR)，其定義為臨近信道內泄漏功率與主信道內信號功率的比值(以dBc為單位)。W-CDMA采用5MHz的信道帶寬，信號集中在信道內3.84MHz的中心帶寬內。對于我們研究的主信道來說，其兩邊5MHz間隔處有左右兩個信道(分別對應為lower channel和upper channel)。在實際測試中經常會觀察到左右兩邊兩個信道所對應的ACPR值不同，也就是產生了ACPR的不對稱性。ACPR不對稱性會使ACPR的指標惡化，致使功放的線性度大幅度降低。在數字預失真線性化[7]技術中ACPR不對稱性的影響是十分嚴重的。因此研究ACPR