數字預失真 (DPD) 是首選的 PA 線性化方法 - 全文

在蜂窩基站中，功率放大器?(PA)?消耗的電功率比其他任何組件都多，因此就服務提供商而言，?PA?是增大運營支出的一個重要因素。復雜的數字調制方法要求?PA?具有極高的線性，因此必須在遠低于飽和區的范圍內驅動功率放大器，在這個區域內，?PA?的效率最高。為了提高?PA?的效率，設計師使用了數字技術，以降低波峰因數，并改善?PA?的線性度，從而允許?PA?在靠近飽和區的范圍內工作。數字預失真?(DPD)?是首選的?PA?線性化方法。數字預失真算法受到了大量關注，不過還有一個關鍵組件，即?RF?反饋接收器。

數字預失真接收器的要求

數字預失真接收器將?PA?的輸出從?RF?信號轉換回數字信號，是反饋環路的一部分?(參見圖?1)?。關鍵設計要求是，輸入頻率范圍和功率大小、中頻以及要數字化的帶寬。在這些要求中，有些可以直接從?PA?的性能規范中得出，有些是在設計時優化的?；鶐Оl送信號被上變頻至載頻，并被限定在由?WCDMA、TD-SCDMA、CDMA2000、LTE?等空中接口標準所規定的頻段內。由于?DPD?環路的用途是測量?PA?傳遞函數，因而不必分離載頻或對數字數據進行解調。PA?非線性將產生奇數階的互調分量，這些分量會在相鄰通道和交替通道中形成頻譜增生。3?階分量出現在?3?倍于期望通道帶寬的范圍之內?(見圖?2)。同樣，5?階分量和?7?階分量則分別處在?5?倍和?7?倍于期望通道帶寬的范圍以內。因此，DPD?接通器必須獲得一個與正在進行線性化處理的互調分量之階數相等的發送帶寬倍數。

纖巧的數字預失真接收器集成了 RF、濾波器和 ADC

圖?1：數字預失真信號鏈路

纖巧的數字預失真接收器集成了 RF、濾波器和 ADC

圖?2：互調分量

目前的開發趨勢是將所需通道混頻至中頻?(IF)?，并捕獲所有互調分量的全部帶寬。要準確選擇中頻以減輕濾波負擔，并避開按照規范要求已經確定的其他頻率。類似地，采樣率也要選擇為數字調制芯片速率的倍數，例如，在?WCDMA?情況下為?3.84MHz。最后，奈奎斯特?(Nyquist)?定理要求，采樣率必須至少是采樣帶寬的?2?倍。盡管很多配置都是可接受的，但是這里僅列出一組滿足這些限制的配置，中頻為?184.32MHz，ADC?采樣率為?245.76MHz，帶寬為?122.88MHz。

在?20W??PA?的情況下，平均輸出功率是?43dBm。峰值對平均值之比?(PAR)?約為?15dBm。為了將接收鏈路混頻器的平均輸入功率設定為?-15dBm，耦合器和衰減器合起來的插入損耗必須是?58dB?(參見圖?1)。WCDMA?標準規定，?PA?的帶內噪聲最大為?-13dBm/MHz?(-73dBm/Hz)。因此，耦合器和衰減器?(-58dB)?及?PA?噪聲限制?(-13dBm/MHz)?合起來，要求接收器靈敏度必須低于?-71dBm/MHz?(-131dBm/Hz)。為了提供充足的裕度，至少需要比這個值好?6dB?至?10dB?的數值。這就為數字預失真接收器設定了頻率計劃、功率大小和靈敏度要求。

集成的數字預失真接收器

一旦確定了系統要求，便可著手采用一個混頻器、IF?放大器、ADC、無源濾波、匹配網絡和電源旁路來實作電路。盡管計算和仿真很有用，但無可替代的是對真實硬件的評估，這種評估一般會導致印刷電路板?(PCB)?的多次迭代。不過，基于凌力爾特微型模塊?(μModule?)?封裝技術的新一類集成式接收器極大地簡化了這個任務。LTM?9003?數字預失真?μModule?接收器是一款全面集成的數字預失真接收器，尤其是在單個器件中完成了?RF?至數字信號的轉換。

LTM9003?由高線性度有源混頻器、中頻放大器、L-C?帶通濾波器和高速?ADC?組成?(參見圖?3)。導線連接的裸片組裝確?？傮w外形尺寸非常緊湊，但與傳統封裝可能做到的相比，仍然允許基準和電源旁路電容器放置在更加靠近芯片的地方。這減少了噪聲使?ADC?保真度降低的可能性。這一理念應用到了?LTM9003?接收器鏈路中到處都在使用的高頻布局方法中。

纖巧的數字預失真接收器集成了 RF、濾波器和 ADC

圖?3：集成式數字預失真接收器?LTM9003

這種集成消除了驅動高速?ADC?的很多挑戰。線性電路分析不可能解釋?ADC?采樣與保持切換動作所產生的電流脈沖。傳統的電路布局需要多次迭代，以確定吸收這些脈沖的輸入網絡，輸入網絡是帶外可吸收的，而且不能無縫地與前置放大器一起運行。中頻放大器還必須能在不增加失真的前提下，驅動這個網絡?？朔@些挑戰可能是?LTM9003?微型模塊接收器最了不起的特性。

無源帶通濾波器是?3?階濾波器，具有極平坦的通帶。在該頻帶?25MHz?的中心頻率處，該濾波器展現了不到?0.1dB?的紋波，而且整個?125MHz?通帶上的紋波僅為?0.5dB。這種?3?階配置確保了頻率響應的肩部是單調的，這對很多數字預失真算法而言都是很重要的。

LTM9003?的總體性能極大地超過了以上描述的系統要求。單音為?-2.5dBm，這在?ADC?端相當于?-1dBFS，信噪比?(SNR)?典型值為?-145dBm/Hz。這一數字遠低于?WCDMA?標準要求的?-131dBm/Hz?的目標值。最壞情況下的諧波為?60dBc。25.7dBm?的?IIP3?數值意味著，如果?PA?的線性足夠好，那么?LTM9003?能支持?87dBc?的?ACPR。即使使用最佳功率放大器時的系統要求和功能，LTM9003?也能遠遠超過。整個鏈路使用?3.3V?和?2.5V?電源時，消耗約?1.5W?功率，然而僅需占用?11.25mm?x?15mm?的電路板面積。

其他可供選擇的配置

另外，μModule?技術還提供了一種出乎預料的靈活性。通過調整無源組件的參數值或替換作為一個組而優化的多個?IC，就能夠提供專用版本的?LTM9003，而不會犧牲性能或增加復雜性。

例如，LTM9003-AA?采用一個低功率、硅鍺有源混頻器，該混頻器用?3.3V?電源工作。2?×?RF?-?2?×?LO?分量產生?60dBc?的二次諧波，這是頻譜中最嚴重的雜散噪聲。用一個類似的?5V?器件替換該混頻器，就能以功耗為代價降低這一雜散噪聲。在?LTM9003-AB?中，該二次諧波就減小了?4dB。類似地，更換消耗較低功率的?210Msps?ADC，就可以降低采樣率，另外還可以改變?L-C?濾波器的值，以實現不同的濾波器帶寬，但仍然能實現卓越的通帶平坦度。

封裝小，受益大

采用?LTM9003?實現?PA?線性化的好處體現在幾個層面。從高端層面來看，數字預失真允許以較少的回退運行?PA。結果是，?PA?的效率更高，因此在提供同樣的輸出功率時，本身消耗的功率較低。從電路板層面來看，微型模塊封裝將所有關鍵組件?(包括無源濾波器和去耦組件)?集成到一個非常小的面積上。這極大地節省了電路板面積、簡化了布局并提高了性能。這種集成可以實現高性能遠端射頻頭?(RRH)。

從工程層面來看，使用?LTM9003?可節省時間。濾波器設計和組件匹配需要?PCB?迭代，以得到恰當的設計。設計一個不受?ADC?采樣和保持電路切換動作干擾的濾波器尤其具挑戰性。甚至更換電源去耦電容器也會影響總體性能，并可能需要修改電路板布局。這類任務可能耗費數月工程設計時間，以調試每次修改的版本，并評估引入的變化。而采用?LTM9003?意味著這些工作都已經完成了。