高速、宽带移动通信功率放大器效率提升与线性放大的超数字增强关键问题研究

Power amplifier (PA) is one of the key components in wireless communication systems. With the arrival of the era of 5G communication, PA needs to meet the high requirements of 5G. In this project, the mobile communication PA with high speed and wide bandwidth is studied. In order to reduce the power consumption, enhance the linearity, and overcome the distortion and noise, new concept of Ultra-Digital Enhancement is proposed. The design theory of efficiency enhancement and linearization is explored. Novel structure of supply modulator and its control method based on digital prediction is proposed to track the envelope of signals accurately. Meanwhile, digital signal processing and digital pre-distortion technology are introduced to improve the efficiency and linearity of PA. This project focuses on the performance improvement and design compromise of RF PA from the system level, which is essentially different from the previous researches. By examining the mutual influence and restriction of these three technologies, the theory and method of ultra-digital enhancement are obtained, which makes the performance of the whole PA system greatly improved. This research meets the urgent needs of the next generation wireless communication systems with wide bandwidth, high speed and high efficiency and has important theoretical significance and wide application value compared with the existing researches. This project will provide the theoretical basis and design methods for the design and integration of PA systems for the next generation wireless communications.

功率放大器是无线通信系统中的关键部件， 5G通信对其提出了极高的要求。本项目以高速、高带宽移动通信功率放大器为研究对象，以降低功耗、增强线性度、克服失真和噪声为目的，提出超数字增强概念，探索PA的效率增强及线性化设计理论。提出基于数字预估的电源调制器结构和控制方式，达到信号包络波形的准确跟踪，同时引入包络信号数字处理及数字预失真技术进一步提高PA的效率和线性度。本项目从系统级关注RF PA的性能提升和设计折衷，与以往研究有本质的区别。通过考察三种数字技术的相互影响和制约，获得RF PA超数字增强设计理论和方法，使得整个系统的性能得到大幅度的提升。本项研究满足下一代无线通信系统对带宽、速度及效率要求更加苛刻的迫切需要，具有重要的理论意义和广泛的实际应用价值，相对于已有的研究具有普遍的创新意义。课题的研究将为下一代移动通信射频/毫米波前端系统的设计和集成化提供理论基础和设计方法。

通信技术的迅猛发展使通信带宽与调制复杂度不断提高，在以5G、WiFi-6等为代表的先进通信协议中，最大基带带宽可达160-MHz以上，基带信号包络的峰均比PAPR突破9 dB。包络跟踪ET技术利用电源调制器SM使PA的供电电压跟随输出功率变化，降低PA在输出功率回退时的功耗，有效地提高了PA效率。数字预失真DPD技术通过提前产生预失真信号来抵消PA的失真，从而提升PA输出线性度。然而，ET PA系统在高带宽、高PAPR信号下，SM的输出功率、跟踪带宽与效率难以同步提高，使得PA的效率提升受到很大的限制，而电源调制又会使PA的失真复杂化，DPD计算量增加，校正效果受限。本项目提出了通用的基于缓存波形分析的开环数字控制新结构和设计方法，新结构使得SM的跟踪带宽突破100-MHz，SM效率的提升大于5%。提出的通用仿真设计平台对ET PA复杂系统设计提供了有效便捷的工具与方法，能够兼容复杂的DPD设计，便于新方法的提出和控制方法优选。提出了开关型SM的纹波跟踪模式及实现方法，提高了SM跟踪带宽，突破了现有模式下SM跟踪误差与SA开关频率的折中限制问题，大幅降低了SM的开关频率，有效提升了系统效率。采用0.18 μm标准CMOS工艺制造，跟踪带宽可达100-MHz，SA开关频率小于2.8 MHz，跟踪信号的PAPR达到9.3 dB，效率为88%。单SA纹波跟踪SM的跟踪误差与2 ~ 4个SA的多电平SM近似，缩减了电路拓扑复杂度，提升了系统集成度和效率。提出了HSM的平均电压对准AVA控制方法，克服了已有HSM存在的SA响应滞后、SA跟踪误差与开关频率难协调、依赖高性能电路等难题。LA采用0.18 μm标准CMOS工艺制造，SA采用分立器件制造，HSM跟踪带宽高达200-MHz，开关频率仅为7 MHz，跟踪信号的PAPR达到9 dB，HSM效率最大达到88%，ACLR达到-32 dBc。提出了DPD的自适应可变系数策略，扩展了记忆多项式模型，新方法比原有方法的ACLR校正效果分别提升10 dBc与5 dBc以上简化了DPD的复杂度，使其更加易于实施。本项目开发的功率PA具有低延迟、高效能等特性，可以显著提高我国此方向相关技术水平的提升，具有重要的理论意义和非常广阔的实际应用前景。