多载波发射机设计与实现方法

孙朝晖

（广州海格通信集团股份有限公司，广东 广州 510663）

1 多载波通信系统发射机概述

对于多载波通信系统中的发射机而言，最重要的就是保证发射机频谱质量。多载波在输出过程中经过混频器以及放大器等非线性器件时，会产生非线性失真，包括产生交调以及谐波等，输出频谱质量会受到直接影响。在精度要求较高的系统中，还会由于杂波等不良因素的影响，导致各载波的输出频谱分量丰富，影响系统通信质量和技术参数。因此，在进行发射机的设计中必须注重组合分量的控制。为提高发射机性能指标水平，需要从信号源、上变频器、功率放大器等众多方面入手，综合考虑设计，保证工作频带内各项性能指标[1]。

2 发射机结构

2.1 超差发射机

随着通信系统的发展与完善，发射机结构与系统不断发展与完善，窄带发射机结构在第二代移动通信系统中被广泛应用，超差发射机作为典型代表，能够将基带I/Q信号进行转换，转换成模拟IQ信号，通过低通滤波器进行滤波处理后，进行混频叠加成模拟中频调制信号，并通过中频滤波器送至第二级混频进行搬频处理，最终转换成射频调制信号。转换生成的射频调制信号需要进一步作放大处理，一般通过功率放大器实现，将处理完的信号最终通过天线进行发射传输。

2.2 零中频发射机

发射机不断发展和更新，模拟器件性能不断提高，电路集成度也不断提高，这些因素催生了零中频发射机。零中频发射机是在超外差发射机基础上发展改进得到的，采用和超外差发射机模拟射频相同的机理，但是进行直接上变频改进处理，省去了模拟中频级部分，和超外差变频发射机一样经过处理，得到模拟I/Q信号，最后经过正交IQ调制器混频得到模拟射频调制信号[2]。零中频发射机和超外差发射机相比，结构更加简单，而且集成度相比较更高，与其他发射机相比成本也相对较低。零中频发射机具有自身缺点：本振泄露和不必要镜像在带内，并且不能被滤除，因此要求IQ非常均衡。

2.3 数字中频发射机

如图1所示，对于数字中频发射机而言，首先是对基带I/Q信号进行预处理，数字中频模拟信号一般通过高集成度高速率DAC实现，并通过混频得到射频调制信号，同样和超外差发射机一样最终将信号通过基站天线进行发射。数字中频发射机和零中频发射机一样是在超外差发射机基础上的发展与改进。数字中频发射机对超外差发射机的前端进行改进，采用宽带收发信机前端，进一步拓宽了信号处理的动态范围，加强了可扩展性，而且数字中频发射机还进一步减少了模拟环节，直接进行中频转换。这样导致数字中频发射机的噪声和信号失真更少。与零中频结构相比，数字中频结构发射机，在混频器输出端，本振泄露和不必要镜像会抑制30 dB以上，可以降低后端带通滤波器（Band Pass Filter，BPF）设计要求。

3 线性化技术

在目前的无线通信系统中，为了充分利用有限的频谱资源、提高数据传输速率都采用了多阶的数字调制方式。这种调制方式虽然能够提高调制效率，但是同时也进一步增大了信号的峰均比，从而导致对射频部分中功放模块的非线性指标有了更高的要求。对于发射机非线性放大过程而言，存在带内信号失真以及带外交调分量和邻近信道干扰问题，这些均会影响发射机的功能及性能指标不能满足实际的要求，进而影响用户的正常使用。

图1 数字中频发射机

随着发射机的产生以及研究者对功率放大器的研究，多种不同发射机开始出现，主要针对不同功率放大器来进行线性化处理。目前比较常见的线性化技术主要包括以下5种：（1）输出功率回退法（Output Power Back-Off）；（2）负反馈法（Negative For-ward）；（3）前馈法（Feed-forward）；（4）具有非线性元件的线性放大器（ZINC）；（5）预失真法（Pre-distortion）。

这些不同的方法都是在传统方法基础上进行发展与改进的，尤其是发射机性能方面得到了极大提升。其中自适应预失真系统开始在发射机中进行应用，而且开始在发射机中应用数字信号处理技术，能够最大限度地实现发射机的预失真处理，提高发射机信号处理质量。

4 多载波发射机创新设计

在前面分析也已经指出发射机中会出现杂波以及交调等问题，这些问题幅度如果较大的话，经过功率放大器后会进一步放大杂波以及交调影响，非线性问题突出，导致输出频谱质量变差。为进一步改善这些问题，需要进一步改进与优化。

4.1 数字预失真技术原理

在所有线性化技术中，数字预失真（Digital Pre-Distortion，DPD）技术由于是在基带数字域进行预失真处理，不依赖于系统的工作频率，信号的调制方式，就可获得良好的线性度和更高的功率效率、成本低廉、实现复杂度低，通用性强等优点。DPD的主要功能是在基带数字域，通过数字信号处理技术（Digital Signal Processing，DSP）使基带产生与功放失真特性相反的预失真信号，和功放进行级联响应后，系统得到线性响应，从而实现功放的线性放大，如图2所示。另外，应用DPD技术，PA可以在饱和工作点附近工作，从而可以获得最佳效率。

4.2 多载波发射机上变频器设计

对于多载波发射机而言主要构成部分中包括上变频以及功放，在本文进行上变频器的优化设计中采用进口温补晶振作为频率源，能够最大限度地保证发射机性能，频率不会发生较大的偏移。另外，还引入锁相环，保证频综输出频率的稳定性，并进一步降低杂散问题。这一设计当中混频前后滤波也有重要影响，直接决定信号频谱纯度。为进一步保证输入法信号的质量以及载波强度，引入自适应巡航控制（Adaptive Cruise Control，ACC）进行增益控制，并且对于信号进行放大，保证多载波信号的稳定性和输出质量。

在本文设计中，如图3所示，保证输出带外抑制在一定范围内，一般不应该大于-60 dBc。同样对于带内杂散抑制也有重要作用，要求其低于-70 dBc，谐波抑制也必须保证其小于-45 dBc。

4.3 功率放大器设计

前置功率放大器由多个部分组成，不仅仅包括固定衰减器，而且还有开关机电路以及稳定补偿衰减器，另外还包括LDMOSFET宽带放大器和一级LDMOSFET晶体管放大器，本文设计中采用如图3所示的设计，同时在本优化设计中采用如图4所示的末级功放。整个功率放大器的设计中引入功率合成器、功率管以及功率分配器进行优化，采用平衡式放大电路设计，和传统末级功放相比，更加容易匹配，而且可靠性提高，末级功放的稳定性也进一步提高。在实际运行的测试中发现，当某一路功率放大模块发生问题的时候输出功率也会下降，但下降程度相对较小，仅仅只有6 dB。不仅仅提高了激励承受能力，对过驻波的承受能力也增强。平衡放大式电路很好地采用了LDMOSFET功率放大器，这一电路能够很好地提高功率回退效率，而且还能够满足线性度的要求。在这一电路中对于放大器的一致程度具有要求，在保证两路放大器完全匹配的同时还应该保证耦合器的相移准确，才能够保证输出功率的完全叠加，保证最大功率输出能力。

图3 发射机上变频原理

图4 前置放大器与末级功放原理

5 结语

随着发射机以及载波系统的发展，对线性要求越来越高，但是非线性问题却难以避免，需要通过优化设计最大限度地避免非线性失真问题。本文结合实际工作对多载波发射机进行了分析，采用数字预失真进行优化，保证信号稳定的同时提高信号质量。从信号产生入手，到上变频器优化以及功率放大器优化，最终保证多载波发射机的各项指标能够满足实际应用需求。