基于EDA工具的新的手機(jī)調(diào)制方案設(shè)計(jì)

基站和手機(jī)中的RF放大器都需要具有高線性度和高效率。通過(guò)采用一些聰明的技巧，設(shè)計(jì)師可以兼顧這兩個(gè)互斥的要求。

要 點(diǎn)

新手機(jī)標(biāo)準(zhǔn)要求采用線性RF放大器。

提高線性通常會(huì)影響效率。

數(shù)字預(yù)失真是獲得高線性和高效率的一個(gè)方法。

Doherty放大器實(shí)現(xiàn)了一種用硬件改善效率的方法。

非線性系統(tǒng)建模和仿真比較困難。

手機(jī)采用了現(xiàn)代調(diào)制方案，該方案要求線性放大RF信號(hào)。為了達(dá)到所需線性度，典型的做法是在輸出端消耗更多的功率。該方法會(huì)降低效率，而對(duì)于手機(jī)、基站或其他電子系統(tǒng)，效率是最重要的參數(shù)之一。

在電信領(lǐng)域，手機(jī)和基站都很強(qiáng)調(diào)對(duì)效率的要求。對(duì)于手機(jī)，效率會(huì)直接影響電池的使用壽命。通過(guò)提高手機(jī)效率，還可以延長(zhǎng)通話時(shí)間，這對(duì)于手機(jī)是最基本的功能。而對(duì)于基站來(lái)講，效率高會(huì)減少電費(fèi)，同樣重要的是，還可降低發(fā)熱量。降低發(fā)熱量和功耗會(huì)產(chǎn)生一系列結(jié)果，從而降低初始投資、運(yùn)營(yíng)成本和總體擁有成本。

在較早的手機(jī)調(diào)制設(shè)計(jì)中，輸出級(jí)的線性并不重要，因?yàn)榻庹{(diào)并不要求信號(hào)必須是線性的。GSM（全球移動(dòng)通信系統(tǒng)） 通信技術(shù)中的CW（連續(xù)波）、FM（調(diào)頻）和GMSK（高斯最小頻移鍵控）都具有恒定的包絡(luò)線，不需要線性放大。而新調(diào)制技術(shù)（如EDGE，即增強(qiáng)型數(shù)據(jù)速率GSM演進(jìn)）則需要采用線性放大器。可通過(guò)欠驅(qū)動(dòng)（underdrive）RF放大器，使輸出信號(hào)和電源電壓間留有足夠的差值，從而達(dá)到線性度要求。但該方法的問(wèn)題在于它會(huì)直接降低放大器的效率。

當(dāng)輸出擺幅達(dá)到電源電平時(shí)，單晶體管輸出級(jí)效率會(huì)提高。如要提高效率，要選擇合適的電源電壓和負(fù)載阻抗，使輸出級(jí)擺幅接近電源電平。該方法中輸出晶體管消耗的平均功率較低，因?yàn)樵谳敵鲂盘?hào)接近電源電壓時(shí)輸出晶體管承受的電壓始終比較低。

然而遺憾的是，將輸出信號(hào)驅(qū)動(dòng)到接近電源電平時(shí)會(huì)導(dǎo)致放大器的線性變差。任何放大器，只要其電路設(shè)計(jì)使其輸出擺幅接近電源電平值，線性都會(huì)比較差。放大器線性問(wèn)題最終以放大器削波的形式表現(xiàn)出來(lái)，受電源電壓所限，信號(hào)變化無(wú)法正確地表示出被放大的輸入信號(hào)（圖1）。

圖1，通過(guò)對(duì)比藍(lán)色的輸入和黃色的中度削波波形或是紅色的嚴(yán)重削波波形，可以清楚地看到削波失真的情況。與圖中類(lèi)似的對(duì)稱(chēng)諧波在頻域作為奇次諧波出現(xiàn)。放大器非線性產(chǎn)生調(diào)制中失真，該失真與兩個(gè)輸入音無(wú)諧波關(guān)系。

對(duì)線性的要求

盡管不好理解，但在許多RF系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，線性并不是最主要的問(wèn)題。事實(shí)上，設(shè)計(jì)師常選用C類(lèi)放大器，這充分表明，對(duì)于某些類(lèi)型的通信信號(hào)，輸入正弦波并不一定是最關(guān)鍵要求。例如，調(diào)頻電臺(tái)的RF信號(hào)就是如此。在發(fā)送調(diào)頻信號(hào)時(shí)，波形過(guò)零點(diǎn)就可以包括信號(hào)的所有信息。即使波峰失真，解調(diào)信號(hào)保真度也不會(huì)受到影響。過(guò)激勵(lì)的FM電臺(tái)信號(hào)會(huì)產(chǎn)生載波頻率的諧波，從干擾角度來(lái)看，這些諧波可能是有害的，但調(diào)諧到過(guò)激勵(lì)FM電臺(tái)信號(hào)的收音機(jī)仍可正常工作（圖2）。

圖2，調(diào)頻信號(hào)y（t）不受放大器非線性影響。 信息包含在過(guò)零點(diǎn)中，而非幅值中，因此放大器幅值失真不會(huì)引起問(wèn)題。

過(guò)去10年以來(lái)，獲取手機(jī)射頻頻帶的高成本和對(duì)收益的追求，促使人們?cè)O(shè)計(jì)出可在較窄頻帶中傳輸更多信息的先進(jìn)的調(diào)制方案。這些方案的一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是它們具有較高的帶寬效率。帶寬效率以每兆赫多少兆位數(shù)據(jù)或是每秒每赫茲多少數(shù)據(jù)位來(lái)表示。新近提議的手機(jī)標(biāo)準(zhǔn)（如EDGE）中包括的信息遠(yuǎn)不止是信號(hào)過(guò)零點(diǎn)信息。新的手機(jī)調(diào)制方案（如QAM，即正交幅度調(diào)制）在RF載波頻率包絡(luò)信號(hào)的相位和幅值上都承載有信息。請(qǐng)看一下經(jīng)典的64-QAM（64狀態(tài)QAM）向量星座圖（圖3），信號(hào)相位和幅值都采用一系列符號(hào)向量來(lái)生成RF信號(hào)的包絡(luò)。由于有64個(gè)向量，任一向量承載的信息可以表示6位的數(shù)字信息，從而使64-QAM方案具有了較高的帶寬效率，達(dá)到了6 Mbps/MHz。

圖3，64-QAM星座圖每個(gè)符號(hào)向量可編碼6位數(shù)據(jù)。有些向量容易出現(xiàn)相位誤差，有些向量容易出現(xiàn)幅值誤差。在這兩種情況下，波形包絡(luò)的精度都很重要，這就使放大器線性問(wèn)題變得非常重要。

在這樣的高級(jí)調(diào)制方案中，線性差會(huì)帶來(lái)一些問(wèn)題。由于解調(diào)器需要的信號(hào)的幅值和相位都要準(zhǔn)確，所以信號(hào)的即時(shí)精度非常重要；而在FM傳輸中則只有過(guò)零點(diǎn)才有意義。如果工作信號(hào)將RF功率放大器激勵(lì)到接近輸出電平，晶體管會(huì)達(dá)到飽和，在信號(hào)中加入其固有對(duì)數(shù)非線性成分。結(jié)果導(dǎo)致放大器編碼的符號(hào)向量丟掉正確的幅值和相位。非線性問(wèn)題嚴(yán)重到一定程度，符號(hào)會(huì)重疊并導(dǎo)致信息丟失。

有些方案可以解決晶體管固有的非線性問(wèn)題，但在晶體管對(duì)數(shù)傳遞函數(shù)工作點(diǎn)處晶體管會(huì)出現(xiàn)偏差。因此，實(shí)現(xiàn)這樣的解調(diào)方案會(huì)比較困難。另外，在晶體管輸出接近電源電平時(shí)，晶體管的飽和情況在解調(diào)方案是很難估計(jì)和處理的，這是因?yàn)槊總€(gè)RF源的電源電壓都有一定不確定性。要解決符號(hào)精度差的問(wèn)題，唯一的方法是提高RF功率放大器的精度。

由于晶體管的特性曲線，A級(jí)輸出級(jí)具有固有的非線性特性，使輸出信號(hào)正和負(fù)幅值不對(duì)稱(chēng)。在較低頻率下，通過(guò)反饋可以解決非線性問(wèn)題。很快，晶體管放大器就演化為運(yùn)算放大器，其前向增益可達(dá)120dB以上，這樣設(shè)計(jì)師就可以通過(guò)采用大量負(fù)反饋來(lái)改善信號(hào)的線性。此反饋與A-B級(jí)輸出級(jí)組合可達(dá)到較高線性度。例如美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司的LME49710標(biāo)稱(chēng)線性度為0.00003%。但是要注意，此線性度規(guī)格是對(duì)應(yīng)于頻率相對(duì)較低的工作條件。所有放大器在頻率升高時(shí)都會(huì)出現(xiàn)增益下降的現(xiàn)象。電流反饋放大器結(jié)構(gòu)在高頻下增益損失較小，但在高頻下增益仍會(huì)有所降低。

請(qǐng)記住，通過(guò)采用大反饋所提高的線性度也與大前向增益有關(guān)。因?yàn)榉糯笃髟诟哳l下前向增益較低，所以在高頻下反饋也比較小。因此RF放大器，特別是RF功率放大器，在工作頻率為1GHz和更高時(shí)無(wú)法使用常規(guī)的反饋。

同樣困難的是，多數(shù)RF放大器都是開(kāi)路的，這就意味著它們很容易出現(xiàn)電源抑制和輸出飽和問(wèn)題。由于RF放大器在接近晶體管高限的頻率下工作，實(shí)際操作中無(wú)法使其成為高增益運(yùn)算放大器。在這點(diǎn)上，RF放大器設(shè)計(jì)師仍需要面對(duì)幾十年前電子管設(shè)備設(shè)計(jì)師所遇到的所有困難。

放大器設(shè)計(jì)師除了要面對(duì)線性問(wèn)題外，還需要面對(duì)其他會(huì)影響線性的因素，這使RF放大器設(shè)計(jì)變得更為困難。例如，放大器在加電和發(fā)熱工作狀況下會(huì)產(chǎn)生記憶效應(yīng)，從而引入隨時(shí)間或數(shù)據(jù)而變的非線性。電子記憶效應(yīng)類(lèi)似于老式吉他電子管放大器中的記憶效應(yīng)。這類(lèi)老式放大器配有廉價(jià)的電源系統(tǒng)，通常為開(kāi)路線性電源，在電子管整流線路上裝一個(gè)電容。高音量的重力和弦會(huì)強(qiáng)烈激勵(lì)輸出級(jí)，并在電容放電后將電源電壓拉下來(lái)。大負(fù)載過(guò)去后，線路會(huì)給電容充電使其電壓恢復(fù)，但該過(guò)程要耗費(fèi)幾十毫秒的時(shí)間。電源電壓的下降會(huì)改變吉他放大器輸出晶體管的偏置，引起不同的“數(shù)據(jù)相關(guān)”非線性。非線性程度取決于先前信號(hào)的情況。RF功率放大器也容易發(fā)生類(lèi)似現(xiàn)象。有些數(shù)據(jù)序列中可能需要采用可以很強(qiáng)地激勵(lì)放大器的符號(hào)。這種情況會(huì)影響到電源和放大器偏置，并產(chǎn)生時(shí)間相關(guān)的非線性。此非線性隨RF載波調(diào)制情況而變。

除了這樣的電子記憶效應(yīng)外，放大器設(shè)計(jì)師還必須處理熱記憶效應(yīng)。熱晶體管和冷晶體管的傳遞函數(shù)是不同的，這就會(huì)給系統(tǒng)引入時(shí)間相關(guān)的非線性。如果環(huán)境溫度較高或是數(shù)據(jù)流使輸出級(jí)溫度升高，晶體管表現(xiàn)出的非線性特性將與低溫時(shí)的有所不同。隨著RF功率放大器中集成了更多的CMOS芯片，發(fā)熱引起的問(wèn)題變得更為嚴(yán)重。

圖4，晶體管放大器固有非線性（a），削波失真（b）和電子記憶效應(yīng)（c）及熱記憶效應(yīng)（d）所導(dǎo)致的RF功率放大器非線性。

圖4 顯示了RF功率級(jí)的非線性情況。晶體管非線性問(wèn)題的核心在于晶體管電流-電壓傳遞函數(shù)為一對(duì)數(shù)曲線，而不是直線。下一個(gè)問(wèn)題是如何解決晶體管輸出電壓接近電源電平時(shí)的飽和問(wèn)題。

提高線性的方法

RF設(shè)計(jì)師不能僅僅將放大器輸出擺幅限制在較小范圍內(nèi)，而犧牲效率性能。他們可以采用反饋、前饋和預(yù)失真手段來(lái)保持效率，以延長(zhǎng)電池壽命和節(jié)省功耗。反饋措施適用于要求高線性、窄帶寬和中等效率的設(shè)計(jì)。前饋操作可用于要求高線性、但帶寬比較寬且對(duì)效率要求不高的設(shè)計(jì)。預(yù)失真可用于中等線性和帶寬要求的設(shè)計(jì)，但可以實(shí)現(xiàn)高效率。由于RF功率放大器工作頻率是如此之高，采用常規(guī)的反饋措施并不實(shí)用。在此情況下，“反饋”一詞通常指笛卡兒（Cartesian）反饋。在該種反饋中，電路將RF輸出重新變換回基帶，得到I（相位）和Q（幅值）信號(hào)，并將這些信號(hào)送回到輸入級(jí)。這個(gè)系統(tǒng)可以達(dá)到高線性，但前提是不會(huì)過(guò)度激勵(lì)輸出級(jí)。它的效率會(huì)比所預(yù)想的要低。由于反饋放大器容易振蕩，所以該方法不能用于寬帶放大器。

為了使線性和帶寬都達(dá)到可接受的水平，RF設(shè)計(jì)師采取了預(yù)失真方法：進(jìn)行調(diào)制的I和Q信號(hào)可以補(bǔ)償確定性的系統(tǒng)非線性因素的影響。由于數(shù)字系統(tǒng)還可以采用復(fù)雜的算法預(yù)測(cè)熱記憶效應(yīng)和電子記憶效應(yīng)，這樣的結(jié)構(gòu)還可在出現(xiàn)此類(lèi)問(wèn)題時(shí)保持線性。注意這里仍然涉及到RF信號(hào)路徑上各元件的固有線性問(wèn)題。在數(shù)字域的校正是有一定限度的。信號(hào)路徑越接近理想情況，數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)師就越容易提供準(zhǔn)確的預(yù)失真信號(hào)。

Linear Technology公司高頻產(chǎn)品市場(chǎng)經(jīng)理James Wong認(rèn)為，對(duì)于系統(tǒng)元件的固有線性，設(shè)計(jì)師始終是很清楚的?！芭c被動(dòng)上變頻器后接一個(gè)放大器的方案相比，主動(dòng)上變頻器具有內(nèi)建放大功能，較低的噪聲、較好的線性和優(yōu)越的隔離性能，這使它的動(dòng)態(tài)范圍非常出色?！彼f(shuō)，“這種方案大大降低了數(shù)字設(shè)計(jì)師……提供信號(hào)預(yù)失真的難度?！彼赋觯F(xiàn)代基站也使用笛卡兒反饋。電路將信號(hào)下變頻并獲得輸出信號(hào)I和Q分量，然后將其送回給DSP核心。這一方法使系統(tǒng)可以采取有實(shí)時(shí)笛卡兒反饋的復(fù)雜算法，并可根據(jù)信號(hào)鏈?zhǔn)褂玫脑扇☆A(yù)失真措施（圖5）。

圖5，根據(jù)基站所用部件情況采取數(shù)字預(yù)失真措施的手機(jī)基站。通過(guò)笛卡兒反饋，還可以采用動(dòng)態(tài)算法，該算法有助于補(bǔ)償記憶效應(yīng)和其他非線性因素的影響。

圖6，Doherty RF放大器采用了一個(gè)輔助放大器來(lái)改變主放大器的負(fù)載阻抗，可達(dá)到更高的效率。此方法使主放大器能連續(xù)地輸出大擺幅信號(hào)，使放大器功耗降低。如果輔助放大器降低主放大器負(fù)載阻抗，則主放大器輸出較高功率。

圖7，在此電路中，相同的信號(hào)通過(guò)電阻兩端，上放大器表觀負(fù)載為無(wú)限大。兩個(gè)放大器以相同幅值驅(qū)動(dòng)電阻兩端，因此兩個(gè)放大器都不會(huì)給電阻輸出電流或功率。如果各放大器信號(hào)相位差180°，則各放大器的特性電阻值為電阻阻值的兩倍大小。Doherty放大器利用此原理來(lái)改變輸出并維持高效率。

但是，硬件設(shè)計(jì)師不是必須得采用數(shù)字預(yù)失真措施才能提高線性。硬件也可以起到改善線性和效率的作用；元件固有線性越好，數(shù)字系統(tǒng)的校正量就越小。設(shè)計(jì)師可能會(huì)考慮采用Doherty放大器。該放大器是貝爾實(shí)驗(yàn)室William H Doherty于1936年發(fā)明的（圖6和參考文獻(xiàn)1）。該種放大器有兩個(gè)RF路徑。RF信號(hào)不是僅僅在低功率級(jí)和高功率級(jí)之間來(lái)回傳送。RF放大器中輸出電壓擺幅應(yīng)接近電源電平。Doherty放大器用輔助放大器來(lái)改變主放大器的特性輸出阻抗。如果輔助放大器在傳輸線的另一端產(chǎn)生相同的信號(hào)，則向傳輸線輸出信號(hào)的放大器的輸出阻抗會(huì)變?yōu)闊o(wú)窮大（圖7）。由于傳輸線兩端為等電勢(shì)，所以沒(méi)有電流流過(guò)，通過(guò)線路的功率為零。如果不激勵(lì)輔助放大器，則主放大器表觀輸出阻抗為傳輸線路的特征阻抗。根據(jù)此原理，更進(jìn)一步說(shuō)，如果激勵(lì)輔助放大器使其相位與主放大器相位差180°，則會(huì)差分驅(qū)動(dòng)傳輸線右側(cè)，主放大器的特性阻抗為傳輸線阻抗的一半，使傳輸?shù)墓β试龃蟆Ｖ鞣糯笃鬏敵隹偸墙咏敵鲭娖?。如果設(shè)計(jì)師希望發(fā)送功率低一些，則輔助放大器可以增加主放大器的特性輸出阻抗，使放大器在接近輸出電平的電壓擺幅下輸出較小的電流，從而輸出較低的功率。

Doherty放大器的完善性使它適合用于手機(jī)應(yīng)用的基站側(cè)。在手機(jī)側(cè)，對(duì)空間和成本的要求要嚴(yán)格得多。在此情況下，必要時(shí)可使用RF開(kāi)關(guān)切換增益模塊，從而大大降低功耗。例如，Avago的CoolPAM（功率放大器模塊）RF部件給手機(jī)設(shè)計(jì)師提供了一個(gè)選擇，使他們可以在寬輸出功率范圍內(nèi)保持高效率（圖8）?？梢圆捎么酥苯亓水?dāng)?shù)募夹g(shù)，而不是用直/直變換器向輸出級(jí)供電。采用變換器可使RF輸出級(jí)始終在接近飽和點(diǎn)處工作，因此可以改善效率。但是，直/直變換器會(huì)占用較大空間，并且自身也有效率極限。Avago公司聲稱(chēng)，通過(guò)使用CoolPAM技術(shù)，可將通話時(shí)間延長(zhǎng)1個(gè)小時(shí)以上，這對(duì)于手機(jī)設(shè)計(jì)師是一項(xiàng)很具吸引力的選擇。

圖8，低成本手機(jī)適合使用直接的方法提高效率。Avago生產(chǎn)的放大器模塊可在輸出功率大于16dBm的高功率模式（a）和輸出功率小于16dBm的低功率模式（b）間切換。由于效率改善，通話時(shí)間可延長(zhǎng)1小時(shí)。

建模

人們對(duì)RF功率放大器中線性和效率的追求也對(duì)RF系統(tǒng)開(kāi)發(fā)使用的EDA工具產(chǎn)生了影響。 由于這些RF系統(tǒng)本質(zhì)上的非線性，所以也具有與其他非線性系統(tǒng)相同的所有數(shù)學(xué)問(wèn)題。 Spice和其他電路仿真技術(shù)可能在這里并不適用，而且可能會(huì)很耗時(shí)，因?yàn)镽F設(shè)計(jì)通常需要穩(wěn)態(tài)工作。而要達(dá)到此狀態(tài)，可能需要經(jīng)過(guò)數(shù)十億個(gè)信號(hào)波。RF設(shè)計(jì)師一般采取黑箱建模方法（例如采用S（散射）參數(shù)）來(lái)設(shè)計(jì)系統(tǒng)。但是，S參數(shù)并沒(méi)有考慮非線性因素，且缺乏放大器偏移模型。為了解決此問(wèn)題，曾經(jīng)推廣了S參數(shù)設(shè)計(jì)方法的Agilent公司最近引入了X參數(shù)，即多諧波失真模型方法（參考文獻(xiàn)2）。在X參數(shù)中綜合了線性系統(tǒng)響應(yīng)和非線性因素的響應(yīng)。Agilent已提供了幾篇文章來(lái)詳細(xì)說(shuō)明該技術(shù)，以后肯定會(huì)將X參數(shù)仿真加入到Agilent的RF設(shè)計(jì)工具，也肯定會(huì)開(kāi)發(fā)可表征X參數(shù)的Agilent的測(cè)試設(shè)備。

由于新的手機(jī)調(diào)制方案的設(shè)計(jì)要求，RF功率放大器的設(shè)計(jì)越來(lái)越困難。長(zhǎng)期以來(lái)，RF領(lǐng)域都憑感覺(jué)設(shè)計(jì)和依賴(lài)于工程師的經(jīng)驗(yàn)。而由于這些新設(shè)計(jì)中對(duì)線性和效率的要求，人們?yōu)榱嗽O(shè)計(jì)可正常工作的放大器，需要有更多的專(zhuān)業(yè)技能。設(shè)計(jì)工作也開(kāi)始跨越不同的領(lǐng)域。 RF、模擬和數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)師都對(duì)信號(hào)鏈性能有影響。由于有經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)師現(xiàn)在可從EDA和測(cè)試設(shè)備制造商那里可獲得先進(jìn)工具和儀表，可以預(yù)期未來(lái)性能會(huì)有更驚人的提高，而成本則會(huì)顯著降低。