采用极化调制提高移动设备功放的效率

随着蜂窝电话技术的更新换代，便携式无线设备的体积变得越来越小、重量变得越来越轻，而功能却变得越来越强大。这给本已紧张的功耗预算又增加了新的限制和困难。在便携式设备中，输出功放(PA)级消耗了电池容量的很大一部分，本文介绍通过降低PA?级的功耗可以大大延长电池的使用寿命的解决方案。

通过对偏置点的设置可以提高PA的效率，但它们不适合当前数字无线设备中采用的复杂的、动态性非常强的调制。QPSK、HPSK和DQPSK等数字调制技术的动态特性要求PA?级具有很好的线性，以不降低信号的质量，并防止信号影响邻近信道和干扰其他无线设备。

目前，有些方法可以将基带信号处理和基本的模拟/RF信号处理结合起来，使PA线性化，同时仍然维持相对较高的效率。极化调制就是当今设计人员采用的较为通用的技术之一。本文将详细阐述极化调制的工作原理，重点介绍仿真技术，以展示极化调制给整体性能带来的影响。

极化调制基础

改善功放效率的惯用方法很多，其中一种简单的方法是限制功放的导通角，使其只对受限的一部分载波周期进行放大。通过限制导通占空比，可以高效地获得较为理想的输出功率。但是，这种放大方式将破坏载波的波形，还会显著降低多种调制方式的调制质量。

一种不受这种非线性放大影响的调制方式是相位调制(PM)。如果没有受到严重非线性放大的影响，PM调制信号可以很好的效率精确再生。不过，调相分量的分离是设计人员面临的一个难题。在一般调制形式中，PM分量与调幅(AM)分量都包含在同一个波形中，这使非线性放大技术难以应用。

通过极化调制，设计人员可以从波形中分离出AM分量，而只放大剩下的调相信号。在放大级之后再重新插入AM分量，恢复原来的调制形式。为了方便AM分量的重建，可将PA的输入偏置调到最佳，使PM信号被强制限幅，PA基本处于E类状态(开关模式)。由于PM分量受到强制限幅，使PA的基本输出功率与漏极偏置电压成正比。

此时，漏极偏置电压可由AM分量进行调制，以便有效地重新将AM信息与PM信息组合在一起。正确完成上述步骤之后，即可以很小的失真精确地重建所需的调制，同时PA仍维持非常高的功率效率。图1所示的极化调制技术是一种前馈线性化类型。为了使系统正确工作，必须理解PA的增益和延迟特性，以便使幅度和相位通道正确同步，使输出的调制失真最小。数字信号处理(DSP)技术使PA特性能保存在存储器中，用来补偿温度和电压(偏置)的变化。

另一种稍微先进的结构对PA的输出幅度采用反馈回路。这种基本控制回路能够补偿由温度和老化以及幅度前馈通道中任何非线性所引起的PA增益的变化。在反馈通道中采用了Σ-Δ调制，以便为PA漏极偏置提供稳定的控制电压，重建幅度信息。图2是一个反馈系统的框图。

对一个基本极化调制系统的仿真

虽然许多数学仿真框架都可用来模拟极化调制等PA线性化系统，但选择的仿真框架应允许将一个复杂的调制波形当作基带信号精确地进行模拟，同时也能对射频处理进行精确的非线性模拟。采用不同模拟抽象层次的行为模型来促进准确有效地研究一个原型系统很有帮助。本文中的例子采用Advanced Design System(ADS)及其系统仿真器Ptolemy来验证极线性化系统。

电路级PA设计

为了验证上述线性化方法，本文构造了一个简单的PA设计。图3为仿真结果，其中给出了输出时域波形相对输入驱动电平的曲线。由图可见，大约在+5dBm输入功率之后，输出开始进入强制限幅。图4是一个仿真结果表，其中显示了驱动电平、输出功率和PAE。+10dBm驱动电平是使PA在所有需要的漏极偏置情况下进入强制限幅所需的PAE与输入驱动电平之间的折中。

PA验证的极化模板

采用PA设计以及先前的理想极化仿真原理图作为一个模板，通过极线性化仿真技术可以确定该PA设计的性能。为了进行这一分析，采用电路/系统结合仿真。在信号处理环境中创建了ETSI EDGE波形的AM和PM分量。将这两个分量作为PA电路级仿真的激励。AM分量对PA的输出漏极电压进行调制，而PM分量则用作PA输入的RF驱动信号。PA设计的调制性能用电路包络仿真器来进行评估，电路包络仿真器可用时变EDGE波形来分析非线性电路。

在使用AM分量实际调制PA的漏极偏置之前，先用一个理想的电压乘法器模型来评估使用该模板的PA的基本RF性能。执行这个中间步骤的目的是验证仿真模板，仿真中采用的是实际PA电路。PA输出和AM分量共同作为理想电压乘法器的输入，输出代表重建的波形。

本系统的输出频谱和误差矢量幅度(EVM)表明，这个设计可轻松获得较好的性能，并有一定的裕度。在这个设计中，如前所述，PA由+10dBm进行驱动，并将PM分量作为一个调制RF信号来驱动PA。此时PA的工作效率约为60％左右，同时仍然满足ETSI规范的相应要求。

作为采用极线性化方案的PA性能的一个最终证明，本文建立了一个仿真模板来调制PA电路的漏极偏置。为此，通过修改先前的仿真模板，使其在AM分量通道中包含进一个D类偏置调制器和一个可变增益DC放大器，来设置漏极偏置及后续输出功率。D类调制器主要包括一个积分器和一个位量化器，它们位于一个类似于一级Σ-Δ调制器的简单一阶反馈回路中。这个网络可以对漏极偏置进行高效控制，其功耗比高电流线性偏置方案低得多。

本文小结

当体积和电池寿命很重要时，极化调制是提高无线发送器效率和稳定性的一种非常有用的技术。本文采用极化技术对一种典型PA设计的性能进行了评估。然后采用一个EDGE 3/8-DQSK波形的幅度和相位分量作为PA电路级仿真的激励，评估和展示了该PA的调制性能，它在输出RF频谱(ORFS)和误差矢量幅度(EVM)方面都满足ETSI的要求。

参考文献

1. David Su and William McFarland, "An IC for Linearizing RF Power Amplifiers Using Envelope Elimination and Restoration," HPL-98-186.

作者：Frank Ditore

安捷司

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