使用SC1894线性化微波发射功率放大器

本文档介绍如何使用Maxim的SC1894 RF PA线性化器（RFPAL）在4GHz至80GHz范围内对微波传输系统PA进行线性化。它包括实现线性化微波放大器的基本系统设计考虑因素，以及自动发射功率控制（ATPC）对SC1894性能的影响。

数字微波传输系统要求低误码率 （BER），并且不得传输过多的相邻信道功率 （ACP），这会干扰其他无线服务。关于发射机信号保真度，误码率直接受到调制波形误差矢量幅度（EVM）的影响。降低调制波形EVM是所有发射器设计的主要目标，当接近最大功率时，最终级功率放大器（PA）可能会降低EVM的性能，从而产生互调产物（IMD）。这些IMD产品是ACP的主要组成部分。避免IMD问题的传统解决方案是降低（降低）功率，直到IMD失真处于可接受的水平。使用回退会导致发射机设计效率低下，并且根据波形的不同，无论PA退避多远，都无法实现所需的线性度规格。

Maxim的SC1894可以在不牺牲PA输出功率的情况下改善PA线性度，最大限度地降低EVM、IMD和ACP电平。此外，与另一个以类似输出功率水平的回退工作PA相比，预失真线性化允许一个PA以更高的效率工作。对于本质上是非线性的GaN器件，预失真通常是实现所需EVM和ACP电平的唯一可用方法。SC1894器件能够以最大PA输出功率运行，同时最小化EVM和ACP，从而为系统提供更低的BER、更高的效率以及更低的系统和运营成本。

在微波传输中增加射频预失真

微波点对点制造商的产品涵盖从4GHz到80GHz的许多频率范围。这些无线电传输一个完全占用的单载波，瞬时信号带宽范围为3.5MHz至112MHz。调制模式从BPSK到1024QAM不等，峰均比（PAR）为4dB至8dB。随着信号带宽和调制复杂性的增加，为了满足系统线性度要求，对预失真的需求也在增加。系统输出功率通常通过OEM工厂校准的查找表进行控制。功率控制查找表用于控制所需序列中的各种VGA增益。然后使用这些查找表在每个工作频率、温度和功率水平下设置天线输出功率。发射输出功率通常在 25dB 功率范围内工作。

系统框图

要在工作频率大于1894.3GHz的微波系统中使用SC8，必须将SC1894放置在发射器的IF部分，如图1所示。（典型的微波系统在350MHz至3.5GHz的频率下使用IF工作。

图1.使用SC1894的简化微波应用系统框图。

图1所示的应用可以适应具有不同输出功率、增益和频率的许多不同的发射器配置。由于可能存在许多变化，ALC1、ALC2 和 ALC4 的确切实现由系统设计人员自行决定。这些功能可以作为固定或可变增益放大器/衰减器实现。主要要求是上变频和反馈下变频路径中的元件不会显著影响系统的整体失真，因此SC1894仅补偿与PA相关的非线性度。

系统级线性度指南：

反馈下变频路径的相对IMD电平应至少比PA输出端所需的IMD低10dB。例如，如果所需的PA IMD为-55dBc（许多微波系统中的典型要求），则下变频路径中的其他器件的IMD应≤-65dBc。

上变频路径的相对IMD电平应至少比未校正PA的相对IMD电平小10dB。例如，如果PA IMD为-40dBc，则上变频路径中的其他器件应具有IMD = -50dBc。

组件级说明和指南：

搅拌机。混频器的输入功率通常< <0dBm，以确保线性工作。混频器产生的IMD信号应<-60dBc。为此，IMD性能通常要求混频器的输入功率比混频器的输入IP30低3dB。

ALC1.用于在PA设置为传输最大峰值包络功率（PEP）时调整RFIN端口功率，并动态控制发射器的输出功率。当PA设置为最大功率时，RFIN BARUN输入功率应为+6dBm PEP最大值，随温度和老化变化。ALC1还用于在实施RFIN ATPC时动态控制发射器的输出功率（稍后讨论）。

ALC2.用于在实现RFOUT ATPC时动态控制发射器的输出功率（稍后讨论）。

ATPC。ATPC 功率控制最好使用 ALC1 增益控制元件完成。（在注射吸毒者/官方发展援助中1设计，ALC1通常位于IDU中。

FBatten。当发射机功率输出设置为最大 PEP 时，调整 RFFB 功率电平。在此最大发射器功率电平下，RFFB端口输入功率通常应为-4dBm PEP，并允许温度变化和老化（有关确切值，请参阅SC1894数据手册）。通过这种方式，由于ATPC用于改变发射器功率，因此可以实现SC1894的最佳动态响应。FBatten 设置一次，然后保持在同一增益，允许 RFFB 功率与输出功率成正比地变化。

ALC4.调整以在所有增益设置下将混频器输入功率保持在线性范围内。

外部数字控制器（必需）。控制 VGA 元素。控制器还与SC1894通信，以在ATPC电源更改期间发送握手命令。

BPF1 和 BPF2。上变频系统需要滤波，以消除传输信号中的镜像和LO信号。对于下变频到 RFFB，可能需要滤波器，具体取决于频率计划。SC1894可以编程为仅监视工作频率范围，而忽略图像频率。有关设置这些频率监控限值的更多详细信息，请参阅相应的SC1894数据手册、硬件设计指南和发行说明（频率最低和频率.MAX).

所有滤波器在整个IMD频率范围内应具有平坦的增益和群延迟。增益或群延迟变化增加内存2影响;因此，减少校正。SC1894将“反向IMD”校正信号注入输出PA，该信号应通过上变频链，几乎没有失真。同样，SC1894使用下变频路径测量PA IMD，该路径上的任何失真都会降低IMD测量的精度。

自动发射功率控制

根据设计，点对点微波链路传播损耗标称值较低，无线电在远低于最大功率的输出电平下工作。这是根据监管要求减少干扰，同时仍保持传输完整性所需的SNR或BER水平。但是，以足够的功率运行链路以保持良好的 BER 会使系统容易受到大雨和多路径等衰落条件的影响。当检测到衰落条件时，ATPC通过将PA功率提高到100dB/s来补偿衰落条件，以保持系统所需的SNR/BER速率。

IMD是PA功率的函数。随着功率的增加，预失真系统必须尽快跟踪或调整到新的工作点。功率变化率和增益变化位置是驱动SC1894特殊处理的关键参数。有关ATPC功率斜坡序列的概述，请参见图2和图3。

配备 SC1894 的 ATPC

为了适应PA主动线性化时的ATPC功率电平变化，Maxim开发了专用固件（FW），使SC1894能够在PA功率变化期间和之后更好地校正ACP。在优化（默认）模式下，RFFB功率电平的任何变化都会启动内部SC1894增益设置的完全重新校准。Maxim开发了一种固定增益模式，称为“平滑适应”模式。在此模式下，当功率改变时，不会重新校准SC1894内部增益。

对于此讨论，微波传输系统中可能发生RF功率变化的两个位置是SC1894之前和之后。当射频功率在SC1894 RFIN端口之前发生变化时，我们称之为“RFIN ATPC”。当RFOUT端口后功率发生变化时，我们称之为;“RFOUT ATPC。”

RFOUT ATPC 和 RFIN ATPC 都需要使用平滑适应模式。

选项 1：RFOUT ATPC

使用RFOUT ATPC，PA功率使用ALC2和ALC4改变（见图1）。使用ALC2和ALC4更改PA功率也会改变来自SC1894的预失真信号，需要计算新的校正设置，并且在调整到新的功率电平时会产生延迟。为了避免每次功率电平变化时重新计算校正，Maxim开发了FW，使用工厂训练的校正系数执行查找表（LUT）功能。固件在现场运行时，还会持续保存每个功率电平的最佳校正设置，并使用这些设置更新LUT。

系统信噪比的最佳解决方案，但不是动态行为的最佳解决方案。

选项 2：RFIN ATPC（适用于 SC1894）

平滑适应模式允许SC1894继续不间断的ACP校正，但仅在使用ALC1的RFIN之前改变功率时。使用RFIN ATPC和平滑适应模式，SC1894的RF输入功率跟踪PA输入功率，dB对dB。同样，SC1894校正信号（使用Volterra级数系数乘法从RFIN生成）几乎完全跟踪PA IMD电平。此功能大大提高了SC1894预失真的动态功率性能。LUT也使用RFIN ATPC实现，但校正系数的变化（对于Volterra系列）非常小，并且在最大PA功率下具有LUT或冻结系数的RFIN ATPC的性能几乎相同。

（当系数冻结在最大功率下时，使用标准无线固件的RFIN ATPC的性能非常相似。但是，此固件无法读取和写入 LUT，因此当需要 LUT 功能时，ATPC 固件是更好的选择。

在SC1894平滑适应模式下，RFIN ATPC功率在RFIN之前使用ALC1进行功率变化，可提供最佳的动态行为，但对于系统信噪比而言并不理想。

图2.当SC1894在TRACK模式下处于活动状态时ATPC功率斜坡序列。

图3.SC1894校正在最大功率下冻结时的功率斜坡序列。

选项 3：RFIN/RFOUT ATPC（推荐）

由于功率放大器在回退状态下工作时能够满足大多数线性度要求，因此通常，只有PA功率范围的最高3dB至6dB需要预失真。低于此点，SC1894校正可以冻结，直到功率恢复到此范围。ALC1 用于从最大功率回退的至少 3dB 至 6dB PA。此后，如果适应被冻结，可以使用ALC2和ALC4。

选项3允许微波系统架构师将ATPC增益降低分配给系统的不同部分，以保持所需的最小系统信噪比并实现最佳动态范围性能。

平滑适应模式

当系统以最大RMS功率和最大PEP运行时，通过工厂校准SC1894启用平滑模式。

选择所有所需信号中峰均比（PAR）最低的测试信号。通过在最大系统 PEP 下使用最低 PAR 信号，我们可以确保在尽可能高的 RMS 功率电平下进行校准，同时仍将测试信号峰值保持在 PA 饱和点以下。事实上，测试信号的PEP控制着以良好的线性度可以实现的最大RMS电平。

将系统设置为此最大功率，然后将功率电平调整到SC1894中，以满足数据手册中规定的RFIN和RFFB（在所有温度和频率下）的PEP限制。

使用Maxim测试GUI或系统SPI命令，启动“最大功率校准”序列。SC1894可在此最大功率电平下自动找到预失真的最佳增益设置。

有关平滑模式校准的详细信息，请参阅SC6 SPI编程指南“参考”部分中的[1894]。

待机发射机操作

通常，备用系统与主系统并行部署。因此，备用系统 PA 长时间处于非活动状态，但可以驱动 P.MAX在任何时候。用于执行ATPCLUT功能的相同固件可用于这种情况，通过在启用适应之前正确设定系数种子来加快备份PA的收敛时间。任何LUT都必须将频率、调制、功率和温度作为指数。

IDU = 室内机，ODU = 室外机

记忆效应是PA传递函数在时间上发生的变化。经典传递函数理论通常是指系统应该是线性和时间不变的约束。非线性系统违反了这个约束，它们包含非线性，传递函数可以随时间变化（具有记忆效应）。

审核编辑：郭婷