<4D6963726F736F667420576F7264202D20CEDECFDFCDA8D1B6B5C4CFDFD0D4BBAFBCBCCAF52E646F63>

无 线 通 讯 的 线 性 化 技 术 Linearity Technology in Wireless Communication 摘 要 : 本 文 介 绍 了 线 性 化 技 术 在 通 信 基 站 及 手 机 等 领 域 中 的 应 用, 重 点 介 绍 在 CDMA, W-CDMA 等 通 信 基 站 中 的 应 用 在 各 类 应 用 中 应 该 按 照 各 自 系 统 的 特 点 分 别 选 用 不 同 的 线 性 化 技 术 关 键 词 : 邻 道 泄 漏 功 率 比 (ACLR),EVM( Error Vector Magnitude), 前 馈 (feedforward), 预 失 真 (predistortion), 线 性 功 放 (LPA), 多 载 波 线 性 功 放 (MCPA). 1 引 言 数 字 通 信 技 术 的 发 展, 尤 其 是 CDMA 和 第 三 代 移 动 通 信 技 术 的 发 展, 对 线 性 功 放 提 出 了 新 的 要 求 在 移 动 通 讯 系 统 中, 为 了 保 证 一 定 范 围 的 信 号 覆 盖, 我 们 通 常 使 用 功 率 放 大 器 来 进 行 信 号 放 大, 进 而 通 过 射 频 前 端 和 天 馈 系 统 发 射 出 去 在 CDMA 或 W-CDMA 的 基 站 中, 即 使 是 单 载 频, 也 需 要 采 用 线 性 功 放 这 是 因 为 CDMA 技 术 是 随 机 包 络 的 宽 带 信 道, 如 果 采 用 一 般 的 高 功 放 ( 通 常 工 作 于 AB 类 ) 将 由 于 交 调 失 真 的 影 响 产 生 频 谱 再 生 效 应, 如 图 1 所 示 因 此, 在 高 功 放 的 基 础 上 必 须 对 其 进 行 线 性 化 处 理 (Correct), 这 就 称 为 线 性 功 放, 它 可 以 较 好 地 解 决 信 号 的 频 谱 再 生 问 题 不 仅 如 此, 线 性 功 放 在 基 站 中 的 成 本 比 例 约 占 1/3, 如 何 有 效 低 成 本 地 解 决 功 放 的 线 性 化 问 题 就 显 得 非 常 重 要 线 性 化 问 题 在 卫 星 通 信, 数 字 化 广 播 发 射 机, 蜂 窝 基 站, 直 放 站 甚 至 手 机 中 都 存 在, 只 要 单 元 电 路 输 入 信 号 中 存 在 多 个 频 率 分 量 和 非 衡 包 络 调 制 信 号, 就 必 须 考 虑 线 性 化 问 题 只 是 由 于 不 同 的 信 号 电 平 和 不 同 的 使 用 场 合, 使 得 其 难 易 程 度 会 有 很 大 的 差 别 P 主 载 频 频 谱 再 生 分 量 图 1 HPA 产 生 的 频 谱 再 生 f 2 移 动 通 信 基 站 的 线 性 化 2.1 GSM 功 放 的 线 性 化 GSM 是 一 种 成 熟 的 技 术, 下 行 工 作 频 段 为 925-960MHz 和 1805-1880MHz 是 一 种 TDMA 的 工 作 方 式, 其 信 道 带 宽 是 200KHz, 采 用 GMSK 调 制 GMSK 调 制 是 衡 包 络 调 制, 所 以 主 功 放 的 利 用 率 较 高, 即 系 统 效 率 也 容 易 做 的 比 较 高 尽 管 信 道 频 带 窄, 工 作 频 率 相 对 较 低, 但 GSM 多 载 波 线 性 功 放 的 困 难 是 显 而 易 见 的, 其 三 阶 交 调 分 量 的 11

抑 制 要 求 -70dBc 目 前 多 数 产 品 都 采 用 高 功 放 技 术, 进 而 在 功 放 的 输 出 端 合 路 其 好 处 是 简 单, 但 合 路 损 耗 大, 理 论 上 二 路 的 合 路 损 耗 达 3dB EDGE 是 GSM 系 统 的 一 种 重 要 的 演 进, 它 采 用 8PSK 调 制, 有 一 定 的 峰 均 比 所 以 需 要 考 虑 线 性 问 题 一 般 情 况 下,GSM 功 放 同 时 兼 容 EDGE, 但 用 在 EDGE 的 情 况 下 会 降 低 功 率 约 3dB 左 右 使 用 2.2 PHS 系 统 的 线 性 化 PHS 系 统 即 我 们 通 常 说 的 小 灵 通, 其 工 作 频 率 是 1895-1920MHZ, 信 道 带 宽 300KHz PHS 系 统 的 特 点 是 基 站 数 量 多, 但 输 出 功 率 小, 小 基 站 为 几 十 mw, 大 基 站 也 仅 几 百 mw 至 几 瓦. 对 邻 道 功 率 的 要 求 是 : 800nW@600KHz, 250nW@900KHz. 由 于 其 输 出 功 率 小, 线 性 化 比 较 简 单, 但 要 重 视 高 阶 交 调 的 影 响 2.3 CDMA 和 CDMA2000 系 统 的 线 性 化 CDMA 和 CDMA2000 下 行 的 工 作 频 段 在 869-894MHz 和 1930~1990MHz, 信 道 带 宽 1.2288MHz, 邻 道 功 率 比 和 带 外 频 谱 的 要 求 : < -45dBc @±750kHz offset Center Freq (RBW 30kHz) < -60dBc @±1.98MHz offset Center Freq(RBW 30kHz) < -60dBc @ other out-band( RBW 30kHz) CDMA 系 统 采 用 QPSK 调 制, 属 于 非 衡 包 络 调 制 对 这 类 系 统, 功 放 设 计 时 要 考 虑 到 输 入 信 号 的 峰 均 比 一 般 来 说, 峰 均 比 会 大 于 10 对 一 个 功 放 而 言, 当 输 出 的 平 均 功 率 一 定 时, 峰 均 比 越 大, 线 性 指 标 就 越 难 以 达 到, 设 计 时 较 之 衡 包 络 信 号 就 需 要 更 大 的 功 率 容 量 CDMA 功 放 线 性 化 的 难 度 是 在 几 MHz 处 满 足 规 范 的 要 求 2.3 WCDMA 系 统 的 线 性 化 WCDMA 的 频 率 高, 频 带 宽, 指 标 也 比 CDMA 或 CDMA2000 高, 对 功 放 的 线 性 化 问 题 是 一 个 挑 战, 在 这 里 作 重 点 介 绍 一 个 典 型 的 多 载 波 线 性 功 放 的 参 数 如 下 : 参 数 规 格 频 率 2110-2170MHz 输 出 功 率 30W( 每 模 块 ) 增 益 50±1dB( 在 整 个 频 率 范 围 内 ) 增 益 平 坦 度 ±1dB( 在 整 个 温 度 和 频 率 范 围 内 ) 信 道 带 内 平 坦 度 ±0.2dB( 在 任 一 5MHz 信 道 内 ) 输 出 取 样 增 益 -50±2 db 输 入 / 输 出 回 损 > 15dB 邻 信 道 泄 漏 功 率 比 48dBc@5MHz 53dBc@10MHz 频 谱 辐 射 模 板 见 规 范 3gpp25.104 谐 波 2 nd :<-45dBc,3 rd :<-60dBc 带 外 杂 散 < -60dBc 直 流 电 压 -48V(-40 ~ -57V),or 28V 工 作 温 度 -20 C ~ +55 C 第 2 页 共 5 页

储 存 温 度 -40 C ~ +80 C 效 率 > 10% 动 态 范 围 25dB 内 波 动 小 于 ±0.5dB MTBF >100000 小 时 WCDMA 系 统 的 信 道 带 宽 达 5MHz, 对 于 两 载 波 的 线 性 功 放 就 要 求 工 作 带 宽 达 10MHz 而 线 性 化 技 术 是 有 带 宽 限 制 的 适 用 于 WCDMA 的 线 性 化 技 术 是 前 馈 (feedforward) 和 预 失 真 (predistortion) 技 术, 下 面 我 们 来 比 较 一 下 这 两 种 技 术 的 特 点 : 表 1 前 馈 及 预 失 真 技 术 比 较 技 术 抵 消 能 力 带 宽 优 点 缺 点 成 本 前 馈 20~30dB >25MHz 改 善 线 性 最 好, 带 宽 最 宽 结 构 复 杂, 改 善 量 受 制 于 控 制 电 路 及 射 频 电 路 高 模 拟 预 失 真 3~10dB >25MHz 简 单, 微 波 段 和 中 频 段 均 能 实 现 数 字 预 失 真 10~20dB 10~15 MHz 生 产 成 本 低, 效 率 高 抵 消 能 力 有 限, 且 对 IM3 比 较 有 效 果 较 复 杂, 不 如 前 馈 成 熟 低 中 从 表 1 可 以 看 出, 前 馈 和 数 字 预 失 真 技 术 都 有 良 好 的 效 果, 这 是 目 前 的 两 种 主 流 技 术 对 比 来 说, 前 馈 比 较 成 熟, 性 能 稳 定 可 靠, 但 相 对 复 杂 预 失 真 由 于 功 放 本 身 的 记 忆 效 应 使 得 带 宽 和 改 善 量 方 面 不 如 前 馈 2.4 TD-SCDMA 功 放 低 噪 放 模 块 的 线 性 化 TD-SCDMA 功 放 低 噪 放 模 块 是 TD-SCDMA 系 统 中 重 要 的 部 件 其 特 点 是 功 率 小, 峰 均 比 高, 体 积 总 量 效 率 和 环 境 适 应 性 要 求 高 一 个 基 站 用 典 型 的 TD-SCDMA 功 放 低 噪 放 模 块 的 几 项 重 要 指 标 如 下 : 工 作 频 率 2010.0MHz - 2025.0MHz 额 定 输 出 功 率 六 载 波 或 三 载 波 : 总 功 率 :>35dBm(AVG) 增 益 常 温 下 : 45±1dB( 整 个 频 率 内 ); 通 道 带 内 波 动 信 道 带 内 波 动 邻 道 泄 漏 功 率 比 (ACLR) 谐 波 抑 制 杂 散 抑 制 频 谱 辐 射 模 板 矢 量 误 差 EVM 发 射 关 断 时 隙 模 板 1.5dB@15MHz/ 1dB@10MHz 0.2dB@1.6MHz 整 个 温 度 范 围 内,42dBc/1.6MHz;47dBc/3.2MHz 45dBc 70dBc 输 入 输 出 驻 波 比 1.5 直 流 电 源 电 压 1 +28V 满 足 频 谱 辐 射 模 板 额 定 输 出 功 率 下,EVM 3%(RMS) 满 足 3GPP 指 标 第 3 页 共 5 页

温 度 范 围 效 率 7% 工 作 温 度 范 围 :-40 ~+60 其 难 点 在 于 效 率 和 体 积 等 指 标 还 有 一 点 在 于 其 TD 方 式 工 作, 所 以 电 源 管 理 等 要 考 虑 上 升 下 降 沿 的 要 求 由 于 其 体 积 受 限, 加 上 功 率 较 小, 可 以 用 回 退 的 方 法 来 实 现 如 果 能 加 上 简 单 的 预 失 真 技 术, 那 将 大 大 提 高 其 性 能 但 难 点 是 大 多 数 模 拟 预 失 真 技 术 并 不 能 用 简 单 的 电 路 实 现 还 有 就 是 体 积 等 受 限, 工 艺 上 的 要 求 就 非 常 高 再 加 上 它 是 功 放 低 噪 放 一 体 的 模 块, 有 的 LNA 要 求 增 益 高, 如 果 不 重 视 LNA 的 设 计, 就 会 导 致 模 块 工 作 的 不 稳 定, 尤 其 在 低 温 环 境 2.5 第 四 代 移 动 通 信 系 统 的 线 性 化 如 果 说 3G 数 据 的 最 高 传 输 是 2Mbps 的 话, 而 4G 可 以 达 到 100Mbps 而 要 实 行 此 目 标 就 有 可 能 采 用 高 速 调 制 与 快 速 链 路 自 适 应 等 技 术 采 用 16QAM 和 64QAM 等 高 阶 调 制 技 术 可 以 达 到 在 5MHz 带 宽 中 提 供 10Mb/S 的 水 平 但 高 阶 调 制 将 明 显 降 低 噪 音 干 扰 和 其 他 信 道 损 伤 的 抵 抗 力 对 16QAM 调 制 来 说,ACP 会 变 得 次 要, 而 EVM( Error Vector Magnitude) 作 为 线 性 化 指 标 会 成 为 主 要 指 标 在 4G 中, 接 入 方 式 除 CDMA 或 DS-CDMA 外, 还 有 一 个 选 项 是 OFDM, 同 样 也 是 需 要 对 功 放 进 行 线 性 化 可 以 预 见, 在 4G 中, 功 放 的 要 求 会 越 来 越 高, 性 能 会 越 来 越 好, 但 成 本 会 越 来 越 低 因 为 功 放 的 线 性 化 技 术 与 其 他 无 线 系 统 中 的 技 术 一 样, 面 临 着 一 个 飞 跃 3 手 机 的 线 性 化 手 机 的 输 出 功 率 较 小, 指 标 要 求 也 较 基 站 低, 但 对 于 CDMA 和 WCDMA 手 机 来 说, 线 性 化 的 问 题 也 是 不 容 忽 视 的 下 面 是 3gpp 规 范 对 WCDMA UE 的 一 些 要 求 : 码 片 速 率 : 3.84Mcps 发 射 频 率 : 1920 1980MHz 频 道 带 宽 : 5MHz 单 载 频 最 大 输 出 功 率 : 1W 邻 道 功 率 泄 漏 抑 制 比 (ACLR): ( 如 邻 道 功 率 大 于 -50dBm, 则 ACLR 应 高 于 下 表 值 ) 表 2 WCDMA UE 邻 道 泄 漏 要 求 功 率 等 级 邻 波 道 频 偏 邻 波 道 抑 制 3 + 5 MHz or 5 MHz 33 db 3 + 10 MHz or 10 MHz 43 db 4 + 5 MHz or 5 MHz 33 db 4 + 10 MHz or 10 MHz 43 db 从 表 2 看 出, 在 5MHz 处 邻 道 抑 制 的 最 低 要 求 是 33dB, 设 计 时 应 考 虑 在 35dB 以 上, 如 果 功 放 本 身 的 ACLR 是 25dBC@1W, 则 需 要 有 10dB 以 上 的 抵 消 要 求, 由 于 手 机 的 体 积 小, 不 可 能 把 线 性 化 电 路 做 的 太 复 杂, 通 常 会 选 用 EE&R(The Envelope Elimination and Restoration) 此 类 的 技 术, 所 以 10dB 的 指 标 并 不 是 一 个 低 的 要 求 一 般 来 说, 国 外 厂 家 会 推 出 一 些 线 性 化 的 集 成 块, 但 器 件 的 选 择 使 用 上 也 必 须 正 视 此 问 题 第 4 页 共 5 页

电 源 效 率 是 WCDMA 和 TD-SCDMA 手 机 面 临 的 一 个 难 题 4 直 放 站 和 BOOSTER 的 线 性 化 直 放 站 和 BOOSTER 的 线 性 化 问 题 就 其 技 术 上 来 讲 与 基 站 相 类 似, 如 目 前 比 较 热 门 的 CDMA 直 放 站, 其 指 标 与 基 站 是 相 近 的 区 别 是 联 通 用 的 直 放 站 还 定 义 了 对 三 阶 交 调 分 量 的 要 求, 指 标 是 不 大 于 -14dBm, 这 提 高 了 对 其 线 性 度 的 要 求 另 外, 由 于 直 放 站 的 增 益 高, 在 系 统 设 计 时 需 要 特 别 考 虑 信 号 的 隔 离 等 问 题 因 为 稳 定 性 是 线 性 化 的 前 提 目 前 使 用 的 直 放 站 基 本 上 是 单 载 波 的, 所 以 相 对 比 较 简 单 多 载 波 的 情 况 会 困 难 的 多 5 数 字 化 广 播 发 射 机 的 线 性 化 数 字 化 电 视 系 统 已 经 在 国 内 启 动, 数 字 化 电 视 发 射 机 就 必 须 解 决 其 线 性 化 问 题, 另 外 广 播 发 射 机 较 之 普 通 通 信 基 站 对 EVM( Error Vector Magnitude) 有 更 高 的 要 求 3gpp25.104 中 规 定, 对 仅 为 QPSK 调 制 的 信 号, 基 站 系 统 的 EVM 小 于 17.5 % ; 而 包 含 16QAM 调 制 信 号, 基 站 系 统 的 EVM 应 小 于 12.5 % 6 总 结 以 上 简 单 地 介 绍 了 线 性 化 技 术 在 无 线 通 信 和 广 播 电 视 领 域 内 的 广 泛 应 用, 实 现 线 性 化 技 术 有 一 定 的 难 度, 但 它 给 系 统 带 来 的 好 处 是 提 高 效 率, 节 省 体 积, 降 低 成 本 针 对 每 一 类 系 统 的 特 点 和 要 求, 应 该 采 用 相 应 的 技 术 如 CDMA 单 载 频 线 性 化 可 选 用 较 简 单 的 预 失 真 技 术 来 达 到, 而 WCDMA 高 功 率 多 载 频 线 性 化 就 应 该 用 前 馈 或 数 字 预 失 真 等 较 复 杂 的 技 术 线 性 化 是 系 统 实 行 中 一 个 十 分 重 要 的 方 面, 必 须 引 起 设 计 者 的 重 视 参 考 文 献 1. TS 25.104 V5.3.0(2002-6), UTRA(BS)FDD; Radio transmission and Reception. 3GPP,Technical Specification Group (TSG) RAN WG4. 2. TS 25.101 V5.3.0(2002-6), UTRA(UE)FDD; Radio transmission and Reception. 3GPP,Technical Specification Group 第 5 页 共 5 页