《電子技術(shù)應(yīng)用》
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利用集成式接收器簡(jiǎn)化數(shù)字預(yù)失真電路模擬部分
Todd Nelson
凌力爾特公司
摘要: 數(shù)字處理電源領(lǐng)域的巨大進(jìn)步引發(fā)了對(duì)高性能模擬產(chǎn)品的更大需求,。除傳統(tǒng)語(yǔ)音外,,如今的蜂窩網(wǎng)絡(luò)還能夠以前所未有的高速率傳輸重要的數(shù)據(jù)和視頻信息,,這催生了新的調(diào)制方法和依賴于復(fù)雜數(shù)字技術(shù)的新型空中接口標(biāo)準(zhǔn),。
Abstract:
Key words :

數(shù)字處理電源領(lǐng)域的巨大進(jìn)步引發(fā)了對(duì)高性能模擬產(chǎn)品的更大需求。除傳統(tǒng)語(yǔ)音外,,如今的蜂窩網(wǎng)絡(luò)還能夠以前所未有的高速率傳輸重要的數(shù)據(jù)和視頻信息,,這催生了新的調(diào)制方法和依賴于復(fù)雜數(shù)字技術(shù)的新型空中接口標(biāo)準(zhǔn)。盡管數(shù)字技術(shù)使系統(tǒng)能夠在采用更小封裝尺寸且具有更高可靠性的情況下運(yùn)行更快速,、消耗功率更少,,但是它們也對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的RF和模擬信號(hào)采集部分提出了新的要求。


調(diào)制的復(fù)雜度以及基站發(fā)送器的寬帶寬,,導(dǎo)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(yán)格的要求,PA一般尺寸很大,,能夠在線性區(qū)工作,。如果沒有數(shù)字校正,PA的效率可能在 10% 左右,,這意味著要運(yùn)行一個(gè)20W的PA需要200W功率,。在基站中,PA消耗的電功率最大,,因此就蜂窩服務(wù)供應(yīng)商而言,,PA對(duì)運(yùn)營(yíng)成本的影響也很大,。為了提高PA效率,需要采用數(shù)字技術(shù)實(shí)現(xiàn)振幅因數(shù)降低(CFR)和數(shù)字預(yù)失真(DPD) ,。


盡管驅(qū)動(dòng)放大器進(jìn)入飽和狀態(tài)時(shí)放大器的效率最高,但是在飽和狀態(tài),,放大器是高度非線性的,。復(fù)雜的數(shù)字調(diào)制需要PA提供極高的線性度,這意味著必須驅(qū)動(dòng)PA遠(yuǎn)離飽和狀態(tài),。如果有辦法補(bǔ)償放大器固有的非線性,,那么讓PA恰好在即將進(jìn)入飽和狀態(tài)時(shí)工作,可以提供高效率,。目前,,DPD已經(jīng)成為PA線性化的首選方法。


DPD是一種反饋方法,,可以對(duì)PA的輸出進(jìn)行采樣并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù),。將一個(gè)存儲(chǔ)在FIFO中的無失真發(fā)送信號(hào)與反饋信號(hào)進(jìn)行比較,并產(chǎn)生一個(gè)反傳遞函數(shù),。在CFR之后,,將其與發(fā)送數(shù)據(jù)相加,以降低PA輸出中的非線性,??梢允褂米赃m應(yīng)算法或查找表來產(chǎn)生補(bǔ)償數(shù)字信號(hào),或結(jié)合使用這兩種方法,,但是這超出了本文討論的范圍,。下面,我們將集中討論對(duì)PA輸出采樣的接收器的模擬要求,。


對(duì)數(shù)字預(yù)失真接收器的要求


該接收器是從 RF向數(shù)字化(參見圖1)轉(zhuǎn)換的信號(hào)鏈路,。關(guān)鍵的設(shè)計(jì)要求是輸入頻率范圍和功率級(jí)、中頻以及將被數(shù)字化的帶寬,。這些要求中,,有些直接來自PA規(guī)格,有些則是在設(shè)計(jì)時(shí)優(yōu)化得到的,。

圖 1:數(shù)字預(yù)失真信號(hào)鏈路
圖 1:數(shù)字預(yù)失真信號(hào)鏈路


基帶發(fā)送信號(hào)上變頻至載波頻率,,該信號(hào)頻率由WCDMA、TD-SCDMA,、CDMA2000,、LTE等新空中接口標(biāo)準(zhǔn)定義。因此,,被采樣的輸出頻譜存在于定義好的頻率范圍(及期望信道)內(nèi),。既然DPD環(huán)路的目的是測(cè)量PA的傳遞函數(shù),,那么就不必在多載波系統(tǒng)中分離載波,或調(diào)制數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù),。唯一必要的,,是捕獲有關(guān)整個(gè)期望信道的信息。


PA非線性會(huì)產(chǎn)生奇數(shù)階互調(diào)分量,,在相鄰和相間信道中形成頻譜再生,。按照定義,三階分量出現(xiàn)在2fa + fb,、2fb + fa,、2fa – fb和2fb – fa,其中的fa和fb是位于期望信道之內(nèi)的兩個(gè)信號(hào)頻率(在信道外會(huì)引起互調(diào)失真),。對(duì)于一個(gè)已調(diào)制信道,,三階分量出現(xiàn)在期望信道三倍帶寬的范圍(見圖2)。同樣,,五階分量出現(xiàn)在五倍帶寬的范圍內(nèi),,而七階分量則出現(xiàn)在七倍帶寬的范圍內(nèi)。因此,,DPD接收器必須獲得發(fā)送帶寬的倍數(shù),,該倍數(shù)與正在進(jìn)行線性化處理的互調(diào)分量的階次相等。

圖 2:互調(diào)分量

圖 2:互調(diào)分量


目前的發(fā)展趨勢(shì)是,,將期望信道與中頻 (IF) 混合,,并獲得所有互調(diào)分量的完整帶寬。選擇恰當(dāng)?shù)腎F以減少濾波負(fù)擔(dān),,避開已經(jīng)根據(jù)規(guī)格要求固定了的其它頻率,。類似地,選擇整倍于數(shù)字調(diào)制芯片速率的值為采樣速率,,例如,,在 WCDMA 中為 3.84MHz。最后,,奈奎斯特定理決定,,采樣速率必須至少是被采樣帶寬的兩倍。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 采樣率和122.88MHz 帶寬。


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(jìn)入接收鏈路混頻器的平均輸入功率設(shè)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(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的PA帶內(nèi)噪聲最大,,為 -13dBm/MHz(-73dBm/Hz) 。因此,,耦合器,、衰減(-58dB)以及PA噪聲限制(-13dBm/MHz)的結(jié)合,產(chǎn)生必須低于 -71dBm/MHz (-131dBm/Hz) 的接收器靈敏度等級(jí),。為了提供充足的裕度,,應(yīng)該在所期望的數(shù)字上再加上 6dB至10dB的裕值。這為DPD接收器設(shè)定了頻率計(jì)劃,、功率級(jí)和靈敏度要求。

集成式數(shù)字預(yù)失真接收器


一旦定義了系統(tǒng)要求,,接下來的任務(wù)就變成了用一個(gè)混頻器,、IF放大器、ADC,、無源濾波,、匹配網(wǎng)絡(luò)和電源旁路來實(shí)現(xiàn)電路。盡管計(jì)算和仿真有所幫助,,但是其無法取代對(duì)真實(shí)硬件的評(píng)估,,硬件評(píng)估通常會(huì)一次一次反復(fù)產(chǎn)生多個(gè)PCB。然而,,一類新型基于系統(tǒng)級(jí)封裝(SiP)的集成式接收器極大簡(jiǎn)化了這一任務(wù),。例如凌力爾特的LTM9003數(shù)字預(yù)失真uModule接收器,該產(chǎn)品是一款全集成化DPD接收器,,實(shí)質(zhì)上是“射頻到比特流”架構(gòu),。


由凌力爾特公司倡導(dǎo)的uModule技術(shù)利用了一種由雙馬來酰亞胺三嗪(BT)材料制成的薄型多層壓合基底。該多層基底允許采用RF組件,、標(biāo)準(zhǔn)引線鍵合IC裸片和傳統(tǒng)的無源元件進(jìn)行復(fù)雜電路設(shè)計(jì),。電路采用標(biāo)準(zhǔn)IC封裝模塑料進(jìn)行封裝,而且,,LGA焊盤布局也與當(dāng)前的表面貼裝方法相符,。這樣就造就了一個(gè)外形與直觀感覺酷似傳統(tǒng)IC的子系統(tǒng),其經(jīng)過全面測(cè)試,,確保了IC的高可靠性,,并把采用不同半導(dǎo)體工藝的元件與無源元件結(jié)合,與傳統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案相比,,占位面積更小,。


LTM9003由一個(gè)高線性度 RF 下變頻混頻器、一個(gè)IF 放大器,、一個(gè)L-C 帶通濾波器和一個(gè)高速ADC組成 (參見圖 3) ,。導(dǎo)線連接的裸片組裝確??偟耐庑纬叽绺叨染o湊,而且還允許基準(zhǔn)和電源旁路電容與傳統(tǒng)封裝方法相比更加靠近裸片,。這樣做降低了噪聲使ADC精度下降的可能性,。該理念擴(kuò)展到了高頻布局方法中,并在LTM9003接收器鏈路中得到了貫穿使用,。

圖 3:LTM9003 集成式數(shù)字預(yù)失真接收器


圖 3:LTM9003 集成式數(shù)字預(yù)失真接收器 集成消除了驅(qū)動(dòng)高速ADC面臨的很多挑戰(zhàn),。線性電路分析無法解決ADC采樣和保持切換動(dòng)作導(dǎo)致的電流脈沖。傳統(tǒng)電路布局需要多次重復(fù),,來定義一個(gè)輸入網(wǎng)絡(luò)吸收這些脈沖,,該網(wǎng)絡(luò)在帶外也有吸收性,但是要與前述放大器一起無縫工作,。IF放大器還必須在不增加失真的情況下驅(qū)動(dòng)這個(gè)網(wǎng)絡(luò),。克服這些挑戰(zhàn)也許是LTM9003 μModule接收器潛在的最突出的屬性,。

 


無源帶通濾波器是一個(gè)通帶非常平坦的3階濾波器,。在中心頻率為25MHz的頻帶內(nèi),它呈現(xiàn)了不到 0.1dB的紋波,,而且在整個(gè)122MHz內(nèi),,通帶紋波僅為0.5dB。三階配置可確保頻率響應(yīng)曲線的肩峰部具有單調(diào)特性,,這一點(diǎn)對(duì)于許多DPD算法來說非常重要,。


LTM9003的總體性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了上述系統(tǒng)要求。當(dāng)使用一個(gè)-2.5dBm單音信號(hào)(相當(dāng)于在ADC上的-1dBFS),,信噪比的典型值為-145dBm/Hz,。這個(gè)數(shù)字低于WCDMA標(biāo)準(zhǔn)定義的-131dBm/Hz目標(biāo)值。最壞情況下諧波是60dBc,。25.7dBm的IIP3數(shù)字意味著,,如果PA具有足夠的線性,那么LTM9003能夠支持一個(gè) 87dBc 的 ACPR,。相對(duì)于系統(tǒng)要求和可用最佳PA的功能而言,,LTM9003遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了要求。整個(gè)鏈路供電電壓為3.3V或2.5V,,功耗1.5W,,而且電路板面積僅為11.25mmx15mm。

圖4:LTM9003 采用節(jié)省空間的 11.25mm x 15mm LGA 封裝,,運(yùn)用多層基片屏蔽敏感模擬線路免受數(shù)字走線影響,。

 


圖4:LTM9003 采用節(jié)省空間的 11.25mm x 15mm LGA 封裝,運(yùn)用多層基片屏蔽敏感模擬線路免受數(shù)字走線影響。

 

無需折中的靈活性


μModule技術(shù)還提供了意想不到的靈活性,。傳統(tǒng)的高集成電路,,可能會(huì)在可編程模式或可選功能方面提供靈活度,但會(huì)增加復(fù)雜性,,并常常導(dǎo)致某些性能缺失,。通過改變無源元件的參數(shù)值或替代IC(作為一個(gè)組進(jìn)行優(yōu)化),LTM9003提供特殊版本,,而且不會(huì)帶來性能缺失或復(fù)雜性的增加,。


例如:LTM9003-AA使用了一個(gè)3.3V電壓供電的低功率、SiGe有源混頻器,。2xRF-2xLO分量產(chǎn)生了一個(gè)60dBc的二次諧波,,這是頻譜中的最差寄生干擾。這種情況可以通過使用相似的5V器件替換該混頻器得到改善,,但代價(jià)是功耗有所增加,。于是,在LTM9003-AB中,,二次諧波改善為6dB。同樣,,在LTM9003的另一版本中,,可通過換用一個(gè)210Msps ADC(其功耗較小)來降低采樣速率,并改變L-C濾波器的元件參數(shù)值實(shí)現(xiàn)100MHz帶寬濾波器,。該濾波器將針對(duì)通帶平坦度和最佳信號(hào)鏈路性能進(jìn)行優(yōu)化,,而且無需使用有損開關(guān)。更喜歡不同的IF嗎? 只需變更少量無源元件參數(shù)值就可以如愿以償,。


綠色,、小型化且易于使用


用LTM9003實(shí)現(xiàn)PA線性化的好處體現(xiàn)在幾個(gè)不同的層面。在較高層面上,,DPD使您能夠以較少的補(bǔ)償(back-off)運(yùn)行PA,。PA效率越高,就同樣輸出功率級(jí)別而言,,消耗的功率就越少,。正如之前討論的那樣,PA是基站中最重要的電消耗因素,。如果你的公司有“綠色計(jì)劃”,,那么DPD能夠?yàn)樽鲂┴暙I(xiàn)。不管怎樣,,用更少的電可以降低服務(wù)供應(yīng)商的運(yùn)營(yíng)費(fèi)用,,從而使其產(chǎn)品更具競(jìng)爭(zhēng)力。


在電路板層,μModule封裝將所有關(guān)鍵組件集成到非常小的面積上,,其中包括用于濾波和去耦的無源組件,。這節(jié)省了電路板空間、簡(jiǎn)化了布局并為能夠進(jìn)一步提高產(chǎn)品價(jià)值的其他功能留出了空間,。


在工程層面上,,LTM9003能夠節(jié)省時(shí)間。濾波器設(shè)計(jì)和元件匹配處理可以在仿真過程中完成,,但是在大多數(shù)場(chǎng)合中,,需要進(jìn)行重復(fù)以保證正確。設(shè)計(jì)一個(gè)不受 ADC采樣和保持電路開關(guān)動(dòng)作干擾的濾波器尤其具有挑戰(zhàn)性,。甚至如放置電容器來實(shí)現(xiàn)電源去耦這樣常規(guī)的事情也可能影響整體性能,,并可能導(dǎo)致電路板布局的修改。這些任務(wù)可能很容易耗掉幾個(gè)月的工程設(shè)計(jì)時(shí)間,,以對(duì)每一次修改進(jìn)行調(diào)試,,并評(píng)估這些改變。用LTM9003可以直接節(jié)省時(shí)間和資源,。

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