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利用整合式接收器簡化數位預失真電路的類比設計

上網時間: 2009年10月06日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:功率放大器  數位預失真  DPD 

數位處理電源領域的巨大進步引發了對高性能類比產品的更大需求。除傳統語音外,如今的蜂巢式網路還能夠以前所未有的高速率傳輸重要的數據和視訊資訊,這催生了新的調變方法和依賴於複雜數位技術的新型空中介面標準。儘管數位技術使系統能夠在採用更小封裝尺寸且具有更高可靠性的情況下執行更快速、消耗功率更少,但是它們也對整個系統的RF和類比訊號採集部份提出了新的要求。

調變的複雜度以及基地台發送器的寬頻寬,導致功率放大器(PA)有更高的峰均比。為了滿足較高峰均比存在下更嚴格的要求,PA一般尺寸很大,能夠在線性區工作。如果沒有數位校正,PA的效率可能在10%左右,這意味著要執行一個20W的PA需要200W功率。在基地台中,PA消耗的電功率最大,因此就蜂巢式服務供應商而言,PA對營運成本的影響也很大。為了提高PA效率,需要採用數位技術實現振幅因子降低(CFR)和數位預失真(DPD)。

儘管驅動放大器進入飽和狀態時放大器的效率最高,但是在飽和狀態,放大器是高度非線性的。複雜的數位調變需要PA提供極高的線性度,這意味著必須驅動PA遠離飽和狀態。如果有辦法補償放大器固有的非線性,那麼讓PA恰好在即將進入飽和狀態時工作,可以提供高效率。目前,DPD已經成為PA線性化的首選方法。

DPD是一種反饋方法,可以對PA的輸出進行採樣並將其轉換為數位數據。將一個儲存在FIFO中的無失真發送訊號與反饋訊號進行比較,並產生一個反傳遞函數。在CFR之後,將其與發送數據相加,以降低PA輸出中的非線性。可以使用自適應演算法或查找表來產生補償數位訊號,或結合使用這兩種方法,但是這超出了本文討論的範圍。下面,我們將集中討論對PA輸出採樣的接收器的類比要求。

對數位預失真接收器的要求

該接收器是從RF向數位化(參見圖1)轉換的訊號鏈路。關鍵的設計要求是輸入頻率範圍和功率級、中頻以及將被數位化的頻寬。這些要求中,有些直接來自PA規格,有些則是在設計時最佳化得到的。

圖1:數位預失真訊號鏈路
圖1:數位預失真訊號鏈路

基頻發送訊號上變頻至載波頻率,該訊號頻率由WCDMA、TD-SCDMA、CDMA2000、LTE等新空中介面標準定義。因此,被採樣的輸出頻譜存在於定義好的頻率範圍(及期望訊息通道)內。既然DPD迴路的目的是測量PA的傳遞函數,那麼就不必在多載波系統中分離載波,或調變數位數據。唯一必要的,是擷取有關整個期望訊息通道的資訊。

PA非線性會產生奇數階互調分量,在相鄰和相間訊息通道中形成頻譜再生。按照定義,三階分量出現在2fa+fb、2fb+fa、2fa每fb和2fb每fa,其中的fa和fb是位於期望訊息通道之內的兩個訊號頻率(在訊息通道外會引起互調失真)。對於一個已調變訊息通道,三階分量出現在期望訊息通道三倍頻寬的範圍(見圖2)。同樣,五階分量出現在五倍頻寬的範圍內,而七階分量則出現在七倍頻寬的範圍內。因此,DPD接收器必須獲得發送頻寬的倍數,該倍數與正進行線性化處理的互調分量的階次相等。

圖2:互調分量
圖2:互調分量

目前的發展趨勢是,將期望訊息通道與中頻(IF)混合,並獲得所有互調分量的完整頻寬。選擇恰當的IF以減少濾波負擔,避開已經根據規格要求固定了的其它頻率。類似地,選擇整倍於數位調變晶片速率的值為採樣速率,例如,在WCDMA中為3.84MHz。最後,奈奎斯特定理決定,採樣速率必須至少是被採樣頻寬的兩倍。很多配置可以被接受的,其中滿足上述限制的一種配置是:184.32MHz中頻、245.76MHz ADC採樣率和122.88MHz頻寬。

在20W PA情況下,平均輸出功率是43dBm。峰值/均值(PAR)約為15dBm。為了將進入接收鏈路混頻器的平均輸入功率設置為-15dBm,耦合器和衰減器合起來的插入損耗必須是58dB(參考圖1)。WCDMA標準中規定的PA帶內雜訊最大,為-13dBm/MHz(-73dBm/Hz)。因此,耦合器、衰減(-58dB)以及PA雜訊限制(-13dBm/MHz)的結合,產生必須低於-71dBm/MHz (-131dBm/Hz)的接收器靈敏度等級。為了提供充足的裕度,應該在所期望的數字上再加上6dB至10dB的裕值。這為DPD接收器設定了頻率計劃、功率級和靈敏度要求。

整合式數位預失真接收器

一旦定義了系統要求,接下來的任務就變成了用一個混頻器、IF放大器、ADC、被動濾波、匹配網路和電源旁路來建構電路。儘管運算和模擬有所幫助,但是其無法取代對真實硬體的評估,硬體評估通常會一次一次反覆產生多個PCB。然而,一類新型基於系統級封裝(SiP)的整合式接收器極大簡化了這一任務。例如凌力爾特的LTM9003數位預失真uModule接收器,該產品是一款全整合化DPD接收器,實質上是‘射頻完整位元串流’架構。

由凌力爾特公司倡導的uModule技術利用了一種由雙馬來 亞胺三 (BT)材料製成的薄型多層壓合基底。該多層基底允許採用RF組件、標準接腳鍵合IC晶片和傳統的被動元件進行複雜電路設計。電路採用標準IC封裝模塑料進行封裝,而且,LGA焊盤佈局也與目前的表面安裝方法相符。這樣就造就了一個外形與直觀感覺酷似傳統IC的子系統,其經過全面測試,確保了IC的高可靠性,並把採用不同半導體製程的元件與被動元件結合,與傳統實現方案相較,占位面積更小。

LTM9003由一個高線性度RF下變頻混頻器、一個IF放大器、一個L-C帶通濾波器和一個高速ADC組成(參見圖3)。導線連接的晶片組裝確保總的外形尺寸高度緊密,而且還允許基準和電源旁路電容與傳統封裝方法相較更加靠近晶片。這樣做降低了雜訊使ADC精密度下降的可能性。該理念擴展到了高頻佈局方法中,並在LTM9003接收器鏈路中得到了貫穿使用。

圖3:LTM9003整合式數位預失真接收器
圖3:LTM9003整合式數位預失真接收器


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