RF预失真修正信号

现代RF放大器既需要线性也需要高效率。线性要求是源于现代调制方法的使用，如QAM(正交幅度调制)和OFDM(正交频分多址调制，参考文献1)。这些放大器还需要效率，以降低功耗和减少散热。开发人员通常将现代RF放大器组件装在天线杆内。这些“杆顶”放大器的设计中，外壳可以不含风扇且直接暴露在日光下。在功耗上每节省1W，就意味着少了1W的散热器散热需求。另外，对放大器过驱动会导致失真，产生谐波尖刺，使解调无法进行。这些尖刺会落入邻近的频段，也许是手机公司并不拥有的频段。FCC(联邦通信委员会)对这种ACLR(邻道泄漏比)有严格的限制。

所以，你有两个理由去实现良好的线性度：这样才能精确地调制信号，这样你的信号才不会干扰邻近的信号。同样重要的是，你能在输出级获得最佳的功率效率。问题是，线性与效率是互斥的。

在频域和时域中都可以查看RF放大器的失真。在时域中，能够形象地看到一个通过RF放大器的切角或平顶正弦波，如同驱动过度而靠近电压轨的音频信号一样(图1)。在频域中，放大器失真表现为包含谐波的“边缘”，它进入了邻近频段范围内(图2)。对于任何放大器，希望的功率越高，则得到的失真就越严重。在RF频率下，不仅有幅度失真，还有相位失真，以及由于热瞬变和电记忆效应所带来的失真(图3)。相位失真出现于快速转换速率区中，RF输出滞后于输入信号的情况，如当载波信号进入大地时，或当一个调制包络必须立即变到一个不同电平时。

为了在一个确定带宽内装入更多信息，现代调制技术依赖于准确接收的RF信号包络。有了准确的电压与相位，就可以解码出代表某个数字码的点的星座。这个码产生出一个数字数据流，然后进一步解码成一个基带语音或数据信号。

较老的调制方法对放大器的线性比较不敏感。AM(调幅)收音机与模拟电视广播都使用AM方式，它依赖的是RF信号的峰值。任何失真对所有峰值都有相同影响，而对所有接收信号的质量影响不大。FM(调频)收音机与模拟电视的音频信号采用的是FM方式，它取决于波形的零交越。因此任何幅度非线性都没有影响。相位失真对零交越有影响，但它们是均匀的效果，不会影响FM调制。

提高RF放大器线性有多种技术。首先，可以采用更好的晶体管。于是，制造商会在RF晶体管生产中采用GaAs(砷化镓)和其它III-V族半导体工艺，即至少一个III族元素和至少一个V族元素组成的化学化合物。另外，还可以尝试用SiGe(硅锗)晶体管，也许再加上CMOS工艺(参考文献2)。虽然SiGe比GaAs慢，噪声也大，但通常也够用了，尤其是在低于3 GHz的频率下。工程师面临着在RF放大器中采用CMOS的压力，因为它的成本低，但CMOS的工作电压低，因此难以在功率放大器中实现。CMOS还有高的噪声系数，降低方法是增加晶体管结构的尺寸，但这种办法也增加了杂散电容，降低了产品的工作频率。RFMD和其它公司提供蓝宝石上做的CMOS，所有晶体管下面都有一个介电隔离层(参考文献3)。这种方法有成本优势，减少了杂散电容。

受市场驱动的现实是，工程师们可以用CMOS制造用于Wi-Fi热点应用的小功率RF放大器。手机需要更特殊的工艺，如SOI(绝缘硅)，GaAs将在近期手机基站上占支配地位。

一旦你的功率放大器有了线性良好的晶体管技术，接下来要关注放大器的架构。你可以从一种间断驱动的架构(如Class C型)转换到一种更连续的类型，如Class AB型。Class C的效率高，因为它用一只晶体管驱动一个储能电路，产生出供发射的RF正弦波。但遗憾的是，Class C放大器不适应现代的线性需求，尤其是基站。获得良好线性的一种方式是减少对放大器的驱动，这样晶体管就不会接近饱和，输出电压摆幅就完全处于电源轨的范围内。不幸的是，这种方案的效率最差。

为解决这个问题，可以尝试采用一种Doherty放大器，它是一种复合型设备，使用了一个主通道和一个辅助RF通道，可以在信号强度低时节省功耗，而当需要较高功率时，仍能适应较大的信号摆幅(图4)。Doherty放大器架构运行很好，但它增加了理想的简单放大器级的器件数和复杂性。

如果为了获得效率而要将RF放大器置于饱和状态，则可以尝试用正反馈技术使之线性化。十多年来，RF设计者已成功地将这些技术用于手机基站。现在的问题是，用于4G(第四代)LTE(长期演进)的新调制方法有更高的要求。为了获得更高的带宽效率(以每赫兹比特度量)，即便对最好的放大器，这些新的调制方法也提出了困难的线性要求。

这种状况促使工程师们采用预失真(predistortion)技术对RF功率放大器做线性化(参考文献4)。由于这类技术要对天线馈送的输出做采样，并送回输入端，它看起来类似于所有模拟工程师都熟知的反馈技术。但是，预失真并不会给

一个误差放大器提供反馈信号，因为RF信号速度太快，无法将一个真正的载波频率信号回送给误差放大器。预失真采用的是一些算法，它们可精确预测放大器各种工作条件下的效应，从而调节输入信号，使之通过RF功放时有更好的线性。

可以设想一下算法的基础功能。对一个摆幅大到接近电源轨的正弦载波，所有RF放大器都会将其抹平。因此，预失真算法会使这些较大幅度的正弦波有更尖锐的波峰。这样，就可以从放大器获得一个较纯净的正弦波。在时域中很容易看到这种情况。而在频域中，可以将预失真想象成增加某种相位角的谐波成分，它抑制掉非线性RF功放所产生的尖刺。当为一个预失真电路通电时，就可以看到邻道尖刺的幅度大大减小。

通过一个类似想法的实验，也可以看到预失真算法如何补偿一个放大器的相位误差。由于相位误差是可预测和可重复的，算法就可以修改输入波形的时序，以去除任何放大器的滞后。在时域中，可以想象成算法在快速转换速率期间超前于信号，使得放大器最终输出一个干净的正弦波。在频域中，邻道尖刺也达到了可以接受的水平。