射频数字功放技术分析

【摘要】随着数字技术快速发展的技术和工艺优势，突破了在数字域对射频信号进行功率放大的核心技术，产生了数字体制射频功放（以下简称数字功放），突破了模拟功放在主要性能即频带、线性、效率间的相互矛盾、相互制约，实现了高效、高线性、宽频带。本文主要分析了四种数字功放技术的优缺点，并对技术特点进行了分析总结，对数字功放的设计具有一定的指导作用。

【关键词】数字功放；高效；高线性；宽频带；分析

1.引言

随着无线通信新标准新技术的发展，数据无线传输速率越来越快，这就要求提高射频功率放大器的性能，使之在更宽频带内，具有更高的输出功率，需要更高的效率和线性。同时在单个无线设备集成越来越多的功能，所使用的集成电路的性能和功能越来越强大，设备的功耗越来越高，这就要求想方设法降低功耗，特别是射频功放的功耗。因此有必要对高效高线性功放进行研究，数字功放技术是其中一个研究方向。

2.数字功放技术原理

2.1 LINC技术

LINC（Linear amplification using Nonlinear Components ）-采用非线性元件的线性功放技术的原理框图如图1所示。其中两个射频放大器都假定具有高效率且高非线性。通过信号分离或生成处理，射频输入信号Sin（t）被分割为两个恒包络调相信号，并分别输入各自的非线性射频功率放大器中。功放将每路信号分别放大后送入一个理想的加法器中进行重新合并。从加法器输出的信号在理论上就是输入信号的无失真放大。

输入信号可以表示为：

Sin（t）=V（t）cos[ωct+φ（t）]

其中V（t）代表信号的幅度调制，ωc为载波频率，φ（t）为信号的相位调制分量。该输入信号被分割为两个恒包络的相位调制信号，S1（t）和S2（t），如图2所示，其中：

S1（t）=Vmaxcos[ωct+φ（t）]

S2（t）=Vmaxcos[ωct+θ（t）]

这里有：

φ（t）=φ（t）+α（t）

θ（t）=φ（t）-α（t）

α（t）=cos-1[V（t）/Vmax]

LINC技术中，正交信号分量通常以数字调制的方式提供，也正因为如此，上述信号影射可以在许多实现手段上更具有优势，特别是那些基于DSP的技术。该技术把一个非恒包络信号分解为恒包络信号，因此可以使用高效非线性功放分别对两个信号进行放大，放大后再把两路功率合成，这样就可以达到较高的效率。同时数字预失真线性化的使用，使LINC发射机实现高效率的同时，维持了它的线性度指标。

2.2 Class-M调制（PWM）技术

PWM-脉宽调制技术在音频功放领域是一个很成熟的技术，使用该技术的音频功放效率可以达到90%以上，同时保持很好的线性。

PWM调制技术的原理框图如图3所示，由三角波发生器、比较器、驱动器、放大器、滤波器构成。

其输入正弦波与三角波、脉宽调制信号的关系如图4所示。

因为驱动放大器的是二进制开关信号，放大器可以达到很高的效率，但采样信号频率要比最高输入信号频率高5～10倍，如果输入信号频率较高，所需才采样信号就很高，此时的脉冲序列频率也很高，信号的上升沿和下降沿所占脉冲宽度的比例上升，导致放大器的效率下降，因此PWM调制方式不适用于高频放大。

为了解决这个问题，PWRF公司提出了Class MTM功放的概念，其原理框图如图5所示，功放由反馈回路中使用的调制器实现线性化。整个放大电路包括一个调制器、功率放大器、反馈回路和加法器。通过调整反馈信号的相位，形成负反馈，使输入信号减去反馈信号，产生误差信号，调制器对误差信号进行编码，产生二进制脉冲序列，该脉冲序列频率与载波频率相同，从而降低脉冲序列频率。

中频输入反馈回路M类功放的原理框图。该电路由开关功放、可调衰减器、加法器、乘法器、90度移相器、编码器、开关信号驱动器等组成。

反馈信号经合适的衰减后与本振信号相乘进行下变频为中频信号，该中频信号与输入的中频信号相减，产生误差信号。误差信号经低通滤波器滤除噪声后与本振信号相乘上变频为射频误差信号，进入编码器进行编码。编码器工作在异步编码方式，时钟为载波频率，产生二进制脉冲序列，驱动开关功放进行放大。

射频输入反馈回路M类功放的原理框图，与中频输入反馈不同的地方是在反馈回路中加入一个加法器，把射频输入信号与反馈信号相减，而原来中频输入的地方不接信号。其他地方就与中频输入反馈方式是一样的。

2.3 功率DAC技术

功率DAC的核心思想是功率叠加，把输入功率分离为幅度信号和相位信号，把幅度信号进行AD采样，把相位信号分离为与采样位数相等多路信号，驱动多个非线性功放输出二进制相关的功率值，把多个功放输出的功率合成后输出，由于需要功率合成，导致功率损失。同时对所有功放的开关速度、输出功率的稳定性、相位、延时等一致性要求高，难以实现。

由于功率DAC技术采用功率叠加的方法，当每次开关功放时都会产生信号干扰，因此该技术对每个功放的功率上升时间和下降时间有严格的要求，公式如下：

比如，当信号调制带宽为4MHz时：

TRISE=TFALL<1/（20*4*106）=12.5nS

要在这么短的时间内实现功率的上升和下降，对功放是一个很大的挑战。

该改进把低功率值的多少个功放用D/A变换器实现，输出的包络调制信号经一个线性功放放大后，与高功率值的几个非线性功放输出的功率合成需要的信号输出，这样就只需要几个功放就能实现较多位数的功率DAC。

2.4 极坐标调制技术

极坐标调制技术把输入的IQ信号分离为相位信号和幅度信号，相位信号是恒包络信号，作为放大器的激励信号，用幅度信号调整放大器的供电电压，恢复输出信号的包络调制信息。

一个射频信号可以表示为：

Sin（t）=V（t）cos[ωct+φ（t）]

也可以用极坐标表示为

Sin（t）=c（t）ejρ（t），其中0≤c（t）≤Cmax

其中c（t）为低频幅度幅度，ρ（t）为高频载波信号相位。

极坐标的基本原理就是把输入信号分离为幅度信号c（t）和相位信号ρ（t），然后分别放大两个信号，最后把两个信号合成输出，极坐标调制技术包括射频输入极坐标调制和IQ输入极坐标调制技术。

射频输入极坐标调制技术把射频输入信号被分为两路。一路为包含输入信号包络信息的基带通道；另一路为包含有相位调制信息的恒包络载波信号的射频通路。后一信号可以通过对射频输入进行限幅实现，以消除幅度调制分量而只留下原始输入信号的相位（或频率）调制信息。随输入信号包络幅度变化的基带信号既可以采用对输入信号进行二极管检波得到，也可使用上述限幅器得到的载波信号进行相干检波得到。相对而言，后一种方法可以得到更精确（低失真）的结果，但会增加整个系统的复杂性。因此，基于二极管包络检波的技术在许多文献中都有提到。

恒定包络的调相载波信号由一个高效的射频放大器进行放大，例如C类、D类或E类放大器。这将保留相位调制信息，并将其传送到系统的输出端。基带AM信号由一个效率适当的音频功放放大，或用于脉宽调制器的输入，随后送入D类功放。最后，使用所得到的大功率音频信号对集电极或最后级RF功率级的供电进行调制。假定两个通路上的延时相等，这种高电平调制过程还原了信号的包络，并实现了输入信号在输出端的功率放大。

这种调制方式需要在射频域上精确的分离幅度信号和相位信号，同时还要精确控制延时，实现技术难度大。

输入的IQ信号先进入基带电路，分离出相位信号和幅度信号，相位信号进入调制芯片与高频载波进行调制，产生恒定包络的射频信号，该信号推动大功率射频信号进行放大。另一方面，分离出来的幅度包络信号，经过低通滤波器滤除杂波后进行PWM调制，驱动一个高效开关功放，放大后作为射频功放的供电，同时电路中还有一个线性补偿放大器，对开关功放的线性进行补偿。

这种调制方式的优点是，信号的分离在基带中完成，可以精确控制各个信号的相位、幅度、延时等信息，有利于功能的实现。

3.数字功放技术比较

数字功放技术比较如表1所示。

从表1可以看到，对于LINC技术分离后的两路信号带宽很宽，造成功放设计要求高，同时两路信号的相位差和幅度差要求很小，这就对两路功放的一致性要求很高，同时放大后两路信号合成会有功率损耗，造成效率下降。

M类功放的编码算法复杂，调制器难于实现，同时PWM调制技术输出的二进制序列在高频率时，考虑到信号的上升沿和下降沿时间是恒定的，此时所占脉冲宽度的百分比上升，而开关功放的功率损耗主要在信号的上升沿和下降沿，所以当频率上升时，会导致开关功放的效率下降，因此该系统在高频率时效率较低。根据文献资料，PWRF公司的采用M类功放技术的PW18200和PW21200放大模块效率只有25%。

功率DAC技术对每个功放的功率稳定度要求很高，采用功率合成的方式会导致功率损耗，降低系统效率，同时由于对功放开关速度要求高，特别是当调制带宽较宽时，功放很难达到这么高的开关速度。

极坐标调制技术对相位信号和幅度信号间的时间同步性要求高，需要大变化范围高功率供电电路，而且信号分离算法较复杂。极坐标调制技术可以在基带完成幅度信号和相位信号的分离，同时在基带上完成两个信号输出相位的调整以适应两路信号分别放大时的不同延时，快速大包络变化开关电源可以通过PWM技术解决，高效放大器使用开关功放即可。目前已有相关技术产品的报道，据了解Nujira为3G、WiMAX设计的极坐标调制技术功放效率可达到80%以上。

4.总结

通过对数字功放技术的对比分析，不同的数字功放技术具有各自的优缺点，实际设计中需要根据功放的工作频率、线性度要求、输出功率、调制信号带宽等要求选择合适的技术进行设计开发。

作者简介：萧赞亮（1980—），大学本科，工程师，现供职于中国电子科技集团公司第7研究所，从事移动通信和无线电领域研究。

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