隨著移動事業(yè)的迅猛發(fā)展，特別是CDMA和第三代移動通信技術的發(fā)展，使得系統對功放線性的要求越來越高。在移動通信系統中，為了保證一定范圍的信號覆蓋，我們通常使用功率放大器來對信號放大，進而通過射頻前端和天線系統發(fā)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類)，將由于非線性的影響產生頻譜再生效應，為了較好的解決信號的頻譜再生和EVM(誤差矢量幅值)問題，就必須對功放采用線性化技術。不僅如此，功放在基站放大器中的成本比例約占50%,如何有效、低成本地解決功放地線性化問題就顯得非常重要。
1、超線性功放解決方案的提出
傳統解決功放的線性的方法多數是采用功率回退的方法來保證功放的互調分量也就是保證功放工作在線性范圍，從而不影響信號的覆蓋以及通信。圖1給出了關于三階截點、1dB壓縮點以及三階互調隨輸入功率的變化曲線。
圖1、分貝壓縮點輸出功率
從圖中可以看出，傳統的解決方法就是通過將輸入功率降低，如果輸入功率降低1dB,那么系統的互調分量將會好2dB,依次類推，就是說為了保證線性，對于CDMA或者WCDMA的功放，我們只能用100W的放大管子來出5W功率。但是由于管子是為100W設計的，其靜態(tài)工作點仍舊很高，靜態(tài)電流依然很大。所以，功放整體電流會很大，電流大意味著功放的效率很低，將會有很大一部分熱量只能釋放到管子以及電路板上，這些熱量既是一種能量的浪費，更重要的是會造成降低芯片的使用壽命。利益方面，能提供如此大功率的放大管子的價格是非常昂貴的。
基于以上這些考慮，同時單純的功率回退所能獲取的互調是有限的，隨著功率的進一步增高，仍舊依靠功率回退是不能解決問題的。所以，這里提出一種前饋預失真的設計方案來同時解決線性、效率以及成本問題。
2、前饋預失真功放設計方案
目前較為成熟和流行的超線性解決方案包括前饋技術、預失真技術(包括模擬預失真和基帶預失真)、反饋技術等方法。考慮到單純采用前饋技術對誤差功放的要求較高并不能降低太多成本和提高太多的效率，單純的采用預失真技術雖然可以提高線性和效率但并不能達到超線性的要求。結合兩項技術的有缺點，這里提出一種前饋結合預失真的技術。詳細的原理框圖見圖2。
圖2 前饋預失真方案框圖
如圖2所示，輸入信號首先通過定向耦合器一路經過延時線準備和輸出信號進行抵消，從而檢測對消的情況，另一路送入預失真單元(PD)中產生失真信號，從而改善主功放的線性程度。同時主功放的輸出耦合一部分同經過延時的主信號進行對消，去除主信號，僅僅保留誤差信號，通過功分器，一方面作為對消效果的檢測從而作為閉環(huán)控制的參考，;另一方面送入誤差功放放大在與主功放耦合對消互調信號，從而進一步改善互調。這里如果改善效果仍舊不理想，達不到超線性的要求即70dBc的話，可以將前饋環(huán)在增加一級，夠成3或4級環(huán)，從而提高改善效果。
上述僅是開環(huán)的方案，考慮到由于輸入功率、溫度等因素都可以影響對消效果，這里必須設計一個閉環(huán)的控制環(huán)節(jié)，使得系統中的衰減器和移相器能夠根據環(huán)境參數的改變，自動跟蹤變化，自動適應調節(jié)，從而保證整體的線性要求。
閉環(huán)的實現首先是建立在對整個環(huán)內若干個參考點的采樣來指導各個常數的變化，包括輸入功率，輸出誤差功率，環(huán)境溫度，主信號與誤差信號對消情況等若干個因素決定各個參數的變化。同時，系統要求自適應算法的反映速度必須在20ns之內，才能保證一旦參數發(fā)生變化，整體互調能及時跟蹤變化。避免出現短時的互調變差的現象。
下面將分各個單元分別介紹系統的實現方法以及核心技術問題。
2.1、預失真產生單元(PD)
預失真部分采用的是模擬預失真方案。該方案已經通過前期試驗論證，對于600KHz的雙音信號互調可以改善15dB以上，對于1.28MHz的調制信號，ACPR可以改善10dB以上。預失真產生單元的整體框圖如圖3所示。
圖3 預失真產生框圖
輸入信號經過3dB電橋分成兩路，0°端作為主信號經過延時線送入合成的3dB電橋;-90°端作為誤差信號的產生端再經過一個3dB的電橋，這里的0°端產生失真信號，通過調節(jié)放大管FP2189的偏壓使其互調分量非常的大，經過移相器調節(jié)相位準備于主信號對消，-90°端首先通過衰減器調節(jié)幅度在通過偏壓調節(jié)非常好的FP2189使其產生非常好的互調信號，這樣在通過合成電橋的-90°端口，從而使得主信號與誤差信號相差-180°，從而使得產生互調信號的部分去除主信號只保留誤差信號。在通過調節(jié)衰減器和移相器使其相位與通過延時線的主信號相位相差-90°，從而借助另一個3dB合成電橋的-90°端實現主信號與失真信號相位相差-180°，也就意味著失真信號倒相，從而在主功放放大的過程中對消主信號的互調分量。
上述預失真信號的產生是本項目的第一個技術難點，但是經過盡兩個月的試驗，已經完成論證了該方法的可行性，如前所述，對于2.14GHz的600KHz雙音信號互調可以改善15dB以上，對于1.28MHz的CDMA調制信號，ACPR可以改善10dB以上。[!--empirenews.page--]
2.2、前饋單元
上述預失真方案經過試驗驗證，可以改善互調15dB,ACPR改善10dB,這樣可以改用小一些的管子推出大的功率。但是這還并不能達到超線性的要求(即-70dBc)，因此，再次引入前饋的方法進一步改善線性。如果單純使用前饋的方法，對于誤差功放的功率要求要高，因為主功放的互調產物較高，這樣在誤差功放處必須能推出大的功率才可以抵消掉。所以，增加了誤差功放的價錢并降低了效率。但是，如果在主功放前增加預失真單元，就可以大大降低互調產物，減輕誤差功放的要求，提高效率。
前饋部分的原理框圖如圖4所示
圖4 前饋原理圖
輸入信號經過主功放放大，由于主功放的非線性，將有互調分量產生。通過耦合器將經過放大的主信號與輸入信號進行相減，從而使得放大后的主信號僅僅有失真信號，將失真信號通過誤差放大器進行放大，使其幅度與主信號的互調產物幅度相同，再通過移相器和衰減器的調節(jié)，使其與主信號相位正好相差-180°，從而抵消掉主信號中的互調產物，進一步改善功放的線性度。
實際設計中，如果一級環(huán)路抵消效果不理想，達不到-70dBc的超線性要求，可以考慮繼續(xù)增加環(huán)路，進一步抵消失真信號。
2.3、閉環(huán)自適應單元
預失真單元和前饋部分均可以大幅度改善功放整體的線性化程度，但是經過試驗論證，他們的對消效果會受到信號的幅度和相位的影響。如果對消的兩路信號相位相差超過2°，以及兩路信號的幅度相差超過5dB,其改善效果將非常差。但是，由于功放本身將會收到諸如環(huán)境溫度的變好、輸入信號的強弱的變化等諸多因素的影響，因而必須要求我們的功放能自動適應各種環(huán)境的應用。所以，為了滿足上面提出的要求，整個系統必須具有自適應單元，通過根據環(huán)境的變化自動調整各個參數，從而保證功放工作在超線性。
閉環(huán)自適應單元將是整個項目的難點。一方面需要受控的參數非常多，可獲取的輸入信號又非常的少，同時，整體數學模型很難建立，無法用數學模型描述輸入與輸出之間的關系。另一方面，從輸入信號發(fā)生變化到輸出信號的時間延遲大約20ns以內，這就要求整個算法必須在20ns完成由輸入到輸出的計算，也就是說要求算法的實時性非常高。
算法的出發(fā)點將是根據查表法，通過試驗獲取大量在不通環(huán)境下所獲取的移相器和衰減器的控制電壓，以此作為樣本，設計一款神經網絡機器。通過大量的樣本訓練該神經網絡，使其具有根據環(huán)境變量以及輸入功率等因素快速的決定各個衰減器和移相器的控制電壓。最終該神經網絡機器將在FPGA中實現。
試驗數據的獲取將用PC機設計一款能夠操作信號源以及頻譜儀的程序，將功放放入高低溫箱中做高低溫試驗，同時調節(jié)輸入功率的大小，并設計一個收索算法，通過上位機自動完成試驗的過程，獲取大量的試驗樣本，從而對神經網絡在MATLAB上進行訓練。并最終在FPGA中實現。
以上目前只是一種假設，閉環(huán)自適應算法將是整個超線性功放的難點，將會花大量時間在這里收集資料，嘗試各種方案，最終提出并設計一個最適合的實現方案。因此，在這里可能會花費大量的時間和精力。
3、超線性功放產品實現方案
圖5 預失真+主功放實現方案
圖6 預失真+前饋+主功放方案
4、超線性功放關鍵技術問題
帶寬問題。
隨著頻率的增高，相位和時延均會發(fā)生變化，這就要求在整個頻帶內各個模塊的頻響特性要一致。
抵消問題。
預失真和前饋的根本出發(fā)點都是信號的對消問題，也就是說讓兩個信號在相位上相差180°，如果相位相差對消的誤差超過2°，將大大的降低對消的效果。也就是說相位能否對上，是決定效果的關鍵。
衰減器和移相器
衰減器和移相器是預失真和前饋的主要調節(jié)單元。如果衰減器帶有附加相移或者移相器帶來附加衰減，都將使得整個系統無法控制。另外兩者的時延也是決定延遲線的關鍵。經過試驗的論證，用電橋搭成的衰減器和移相器雖然能夠滿足要求，但是附加相移和衰減過大，同時一致性較差，將不利于生產。所以，進一步選用一些集成的衰減器和移相器進行試驗。
自適應算法
如前在閉環(huán)控制算法中提到的，算法的相應時間和相應速度是一個非常關鍵的技術指標。同時由于輸入的參數太少，并且整個數學模型很難建立，因此自適應算法的研發(fā)將是整個項目的瓶頸，將會花大量的時間和精力在這里。
5、超線性功放的優(yōu)勢
超線性功放作為一種時下非常流行的技術與傳統的設計功放的方法相比具有很多優(yōu)勢，它不僅僅是可以使得功放的線性化程度做的很好，同時可以大大的降低成本，提高效率，增加效益等。
成本上的優(yōu)勢
雖然超線性功放在結構上比傳統的功放復雜了很多，也增加了例如衰減器和移相器等附加的芯片，可能會在這增加一些開銷，但是由于它可以大大提高功放的線性化程度，也就是說原來必須用100w的放大管子出20w功率，現在可能僅僅用45w的管子就可以出20w,這樣在放大管子上節(jié)省的開銷將遠遠超過那些衰減器和移相器的開銷。
效率上的優(yōu)勢
傳統的功放都是采用的功率回退的方法，無形中將是放大管工作在很高的靜態(tài)工作點但輸出功率并不大，將有大量的能量浪費在靜態(tài)電流以及熱量上面。采用了超線性化技術，由于改善了功放的非線性，可以使得功放管子的工作狀態(tài)進一步提高，減小靜態(tài)電流的浪費，大大提高了效率。同時也相當于提高了整體的穩(wěn)定性。
在大功率放大器上的優(yōu)勢
以類似于基站放大器上200W的功放為例，對于四載頻的基站放大器，需要四個200W的功放。因為功率太高，無法保證功放的線性，只能一個載波一個放大器，這樣還需要合路、供電系統等一系列的開銷，從而使得整機體積非常大。如果改用了超線性功放，可以說一個功放就可以搞定，大大降低了成本減小了體積。這樣在市場上將有很強的競爭力。
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