多載波發射機設計與實現方法

孫朝暉

（廣州海格通信集團股份有限公司，廣東 廣州 510663）

1 多載波通信系統發射機概述

對于多載波通信系統中的發射機而言，最重要的就是保證發射機頻譜質量。多載波在輸出過程中經過混頻器以及放大器等非線性器件時，會產生非線性失真，包括產生交調以及諧波等，輸出頻譜質量會受到直接影響。在精度要求較高的系統中，還會由于雜波等不良因素的影響，導致各載波的輸出頻譜分量豐富，影響系統通信質量和技術參數。因此，在進行發射機的設計中必須注重組合分量的控制。為提高發射機性能指標水平，需要從信號源、上變頻器、功率放大器等眾多方面入手，綜合考慮設計，保證工作頻帶內各項性能指標[1]。

2 發射機結構

2.1 超差發射機

隨著通信系統的發展與完善，發射機結構與系統不斷發展與完善，窄帶發射機結構在第二代移動通信系統中被廣泛應用，超差發射機作為典型代表，能夠將基帶I/Q信號進行轉換，轉換成模擬IQ信號，通過低通濾波器進行濾波處理后，進行混頻疊加成模擬中頻調制信號，并通過中頻濾波器送至第二級混頻進行搬頻處理，最終轉換成射頻調制信號。轉換生成的射頻調制信號需要進一步作放大處理，一般通過功率放大器實現，將處理完的信號最終通過天線進行發射傳輸。

2.2 零中頻發射機

發射機不斷發展和更新，模擬器件性能不斷提高，電路集成度也不斷提高，這些因素催生了零中頻發射機。零中頻發射機是在超外差發射機基礎上發展改進得到的，采用和超外差發射機模擬射頻相同的機理，但是進行直接上變頻改進處理，省去了模擬中頻級部分，和超外差變頻發射機一樣經過處理，得到模擬I/Q信號，最后經過正交IQ調制器混頻得到模擬射頻調制信號[2]。零中頻發射機和超外差發射機相比，結構更加簡單，而且集成度相比較更高，與其他發射機相比成本也相對較低。零中頻發射機具有自身缺點：本振泄露和不必要鏡像在帶內，并且不能被濾除，因此要求IQ非常均衡。

2.3 數字中頻發射機

如圖1所示，對于數字中頻發射機而言，首先是對基帶I/Q信號進行預處理，數字中頻模擬信號一般通過高集成度高速率DAC實現，并通過混頻得到射頻調制信號，同樣和超外差發射機一樣最終將信號通過基站天線進行發射。數字中頻發射機和零中頻發射機一樣是在超外差發射機基礎上的發展與改進。數字中頻發射機對超外差發射機的前端進行改進，采用寬帶收發信機前端，進一步拓寬了信號處理的動態范圍，加強了可擴展性，而且數字中頻發射機還進一步減少了模擬環節，直接進行中頻轉換。這樣導致數字中頻發射機的噪聲和信號失真更少。與零中頻結構相比，數字中頻結構發射機，在混頻器輸出端，本振泄露和不必要鏡像會抑制30 dB以上，可以降低后端帶通濾波器（Band Pass Filter，BPF）設計要求。

3 線性化技術

在目前的無線通信系統中，為了充分利用有限的頻譜資源、提高數據傳輸速率都采用了多階的數字調制方式。這種調制方式雖然能夠提高調制效率，但是同時也進一步增大了信號的峰均比，從而導致對射頻部分中功放模塊的非線性指標有了更高的要求。對于發射機非線性放大過程而言，存在帶內信號失真以及帶外交調分量和鄰近信道干擾問題，這些均會影響發射機的功能及性能指標不能滿足實際的要求，進而影響用戶的正常使用。

圖1 數字中頻發射機

隨著發射機的產生以及研究者對功率放大器的研究，多種不同發射機開始出現，主要針對不同功率放大器來進行線性化處理。目前比較常見的線性化技術主要包括以下5種：（1）輸出功率回退法（Output Power Back-Off）；（2）負反饋法（Negative For-ward）；（3）前饋法（Feed-forward）；（4）具有非線性元件的線性放大器（ZINC）；（5）預失真法（Pre-distortion）。

這些不同的方法都是在傳統方法基礎上進行發展與改進的，尤其是發射機性能方面得到了極大提升。其中自適應預失真系統開始在發射機中進行應用，而且開始在發射機中應用數字信號處理技術，能夠最大限度地實現發射機的預失真處理，提高發射機信號處理質量。

4 多載波發射機創新設計

在前面分析也已經指出發射機中會出現雜波以及交調等問題，這些問題幅度如果較大的話，經過功率放大器后會進一步放大雜波以及交調影響，非線性問題突出，導致輸出頻譜質量變差。為進一步改善這些問題，需要進一步改進與優化。

4.1 數字預失真技術原理

在所有線性化技術中，數字預失真（Digital Pre-Distortion，DPD）技術由于是在基帶數字域進行預失真處理，不依賴于系統的工作頻率，信號的調制方式，就可獲得良好的線性度和更高的功率效率、成本低廉、實現復雜度低，通用性強等優點。DPD的主要功能是在基帶數字域，通過數字信號處理技術（Digital Signal Processing，DSP）使基帶產生與功放失真特性相反的預失真信號，和功放進行級聯響應后，系統得到線性響應，從而實現功放的線性放大，如圖2所示。另外，應用DPD技術，PA可以在飽和工作點附近工作，從而可以獲得最佳效率。

4.2 多載波發射機上變頻器設計

對于多載波發射機而言主要構成部分中包括上變頻以及功放，在本文進行上變頻器的優化設計中采用進口溫補晶振作為頻率源，能夠最大限度地保證發射機性能，頻率不會發生較大的偏移。另外，還引入鎖相環，保證頻綜輸出頻率的穩定性，并進一步降低雜散問題。這一設計當中混頻前后濾波也有重要影響，直接決定信號頻譜純度。為進一步保證輸入法信號的質量以及載波強度，引入自適應巡航控制（Adaptive Cruise Control，ACC）進行增益控制，并且對于信號進行放大，保證多載波信號的穩定性和輸出質量。

在本文設計中，如圖3所示，保證輸出帶外抑制在一定范圍內，一般不應該大于-60 dBc。同樣對于帶內雜散抑制也有重要作用，要求其低于-70 dBc，諧波抑制也必須保證其小于-45 dBc。

4.3 功率放大器設計

前置功率放大器由多個部分組成，不僅僅包括固定衰減器，而且還有開關機電路以及穩定補償衰減器，另外還包括LDMOSFET寬帶放大器和一級LDMOSFET晶體管放大器，本文設計中采用如圖3所示的設計，同時在本優化設計中采用如圖4所示的末級功放。整個功率放大器的設計中引入功率合成器、功率管以及功率分配器進行優化，采用平衡式放大電路設計，和傳統末級功放相比，更加容易匹配，而且可靠性提高，末級功放的穩定性也進一步提高。在實際運行的測試中發現，當某一路功率放大模塊發生問題的時候輸出功率也會下降，但下降程度相對較小，僅僅只有6 dB。不僅僅提高了激勵承受能力，對過駐波的承受能力也增強。平衡放大式電路很好地采用了LDMOSFET功率放大器，這一電路能夠很好地提高功率回退效率，而且還能夠滿足線性度的要求。在這一電路中對于放大器的一致程度具有要求，在保證兩路放大器完全匹配的同時還應該保證耦合器的相移準確，才能夠保證輸出功率的完全疊加，保證最大功率輸出能力。

圖3 發射機上變頻原理

圖4 前置放大器與末級功放原理

5 結語

隨著發射機以及載波系統的發展，對線性要求越來越高，但是非線性問題卻難以避免，需要通過優化設計最大限度地避免非線性失真問題。本文結合實際工作對多載波發射機進行了分析，采用數字預失真進行優化，保證信號穩定的同時提高信號質量。從信號產生入手，到上變頻器優化以及功率放大器優化，最終保證多載波發射機的各項指標能夠滿足實際應用需求。