無線電平臺數字射頻是提高現代無線電系統復雜電磁環境適應能力、機動能力、傳輸能力和綜合集成能力等基礎性能的關鍵. 本文分析了射頻技術的發展需求和國內外數字射頻領域的研究進展, 以及模擬射頻核心單元—— 模擬射頻功放主要指標相互矛盾的機理, 并將數字射頻概念擴展到綜合數字射頻, 重點論述了數字射頻核心技術—— 數字射頻功放和全數字發信機的基本原理、優勢和關鍵技術, 提出了基于系統與工藝相結合的數字射頻設計方法、數字射頻功放的物理模型和一種全數字發信機體系結構以及我國自主可控發展數字射頻的技術路線建議. 本文認為在當今時代背景下, 數字射頻對于新一代無線電平臺具有革命性和可行性; 如果不能自主可控發展該項核心技術,我國又將出現一個新的受制于人的脆弱點.

1 引言

現代無線電系統一般由無線電平臺、天線和應用軟件等組成, 無線電平臺主要包括發信機和收信機等, 直接關系到系統的信號處理能力、傳輸能力和體積重量等基礎性能。

相比于模擬射頻(analog RF) 在模擬域處理和實現無線電平臺的射頻功能, 數字射頻(digital RF)是在數字域處理和實現無線電平臺所需的射頻功能, 如數字射頻功放、數字上下變頻、數字射頻信號處理、數字射頻濾波、數字射頻信號產生等, 主要目的是實現電磁環境適應能力強的全數字收發信機.數字射頻實現的過程稱之為射頻數字化。

相比于綜合模擬射頻在模擬域綜合集成多個無線電平臺的射頻功能, 綜合數字射頻是在數字域同時實現和綜合集成多個無線電平臺的射頻功能. 綜合數字射頻是數字射頻的擴展, 數字射頻是綜合數字射頻的前提和基礎。

在過去幾十年里, 無線電技術的進步已成為信息技術迅速發展的重要推動力. 然而, 自從100 多年前無線電技術問世以來, 盡管器件經歷了電子管、晶體管和集成電路等發展歷程, 乃至上世紀后期出現軟件無線電(soft radio, SR) 概念[13], 國內外至今也僅實現了中頻以下數字化和接收機前端的部分數字化, 并似乎將較多精力集中于接收機數字化的研究, 逐步推出了一種可以實現的SR 版本, 即人們常說的軟件定義無線電(soft define radio, SDR), 但以模擬射頻功放(如: A 類、B 類及AB 類功放等, 統稱模擬射頻功放( analog radio frequency power amplifier, ARFPA)) 為核心的模擬體制發信機(analog transmitter, ATx) 至今仍沒有改變. 這種體制性的缺陷, 制約了無線電系統的信號處理能力、傳輸能力、機動能力、復雜電磁環境適應能力和綜合集成能力等基礎性能。

鑒于數字射頻和綜合數字射頻的內涵、相互關系、需求的迫切性和已有研究進展, 當前研究的重點主要是數字射頻的核心技術—— 基于數字射頻功放(digital radio frequency power amplifier,DRFPA) 的全數字發信機(all-digital transmitter, ADTx). 研究和實踐表明, 數字射頻功放具有高效率、高線性、寬頻帶等獨特優勢, 基于數字射頻功放的全數字發信機便于重構, 有望解決模擬射頻的體制性缺陷和滿足新一代無線電平臺發展的重大現實需求. 因此, 在新的時代背景下, 針對現有無線電技術體制存在的基礎性不足, 借助數字技術和微電子工藝的快速發展, 突破在數字域實現射頻信號高效功率放大的設計理論和關鍵技術, 研制全數字發信機, 實現該項核心技術的自主創新和自主可控,對于軍、民用無線電技術的發展和無線電系統基礎性能的躍升都具有十分重要的戰略意義。

2 射頻技術的發展需求

基于模擬射頻功放為核心的模擬發信機雖然在無線電歷史進程中發揮了重要作用, 但在信息化時代又成為制約無線電系統發展的重要瓶頸, 難以滿足當今軍事和社會的發展需求。

需求1： 要求射頻功放高效率、高線性和寬頻帶, 提高無線電系統的基礎性能。

射頻功放是發信機的核心. 理論和實踐表明, 傳統模擬射頻功放的效率、線性、帶寬等主要性能指標之間相互矛盾, 工程中需要根據不同的要求予以折中, 難以同時實現主要性能指標的共同提高, 嚴重制約了無線電系統尤其是便攜式無線電設備的持續工作時間、信號質量和體積重量等基礎性能. 為提高無線通信系統頻譜利用率和數據傳輸速率, 對射頻功放的線性和帶寬等性能又提出了更高要求, 這將進一步降低模擬射頻功放的效率, 從而限制了發信機綜合性能的提升. 在日益苛刻的線性和帶寬指標條件下, 如果能實現數字域射頻功率放大, 則可大幅度提高射頻功放的效率、線性和頻帶性能, 減小系統的體積重量和延長工作時間, 對于軍用可提高系統的機動性和戰場生存能力, 對于民用還可增加電池工作時間, 為節能減排、降低運營成本做出貢獻。

需求2：要求發信機射頻可重構, 以兼容不同傳輸波形, 提高復雜電磁環境適應能力。軟件化的前提是數字化, 沒有數字化就無法實現軟件化. 雖然得益于數字信號處理(DSP) 器件時鐘頻率的顯著提升以及直接數字頻率合成(DDS) 等技術的出現, 從基帶到射頻可實現部分數字化(包括中頻以下數字化), 但因位于發信機末端的射頻功放仍為模擬體制, 其參數固定, 難以可重構和可編程, 成為發信機全數字化進程和實現軟件無線電架構的最后障礙. 如果能實現通用性強的基于數字射頻功放的全數字發信機, 對于軍用無線電系統, 便于靈活使用多種通信模式(如: 不同頻段、多種復雜調制波形和可變頻帶等), 以提高系統的綜合抗干擾能力和射頻信號低截獲性能; 對于民用無線電系統, 可以支持更多的體制, 滿足多模多頻的應用要求, 降低無線終端成本, 還便于增加傳輸帶寬和支持更多的業務種類。

需求3：要求在相同裝備平臺上實現多種射頻功能的高效集成, 提高系統電磁兼容性。

隨著國家和軍隊信息化建設的逐步深入, 需要使用越來越多的無線電系統, 如: 無線通信、導航和電子對抗等. 在很多情況下, 還需要將多種無線電系統裝載于同一個平臺(如: 車載、艦(船) 載、機載、星載、彈載等平臺), 這就要求在相應平臺上同時實現多種射頻功能的綜合集成, 如: 車載平臺多種無線通信系統的射頻綜合設計、機載平臺的航電一體化等. 然而, 在模擬域進行射頻綜合集成時, 各種無線電系統的射頻單元異構, 參數固定, 只能對各自存在的射頻單元進行射頻信號合路的設計, 通用性差, 插損大, 制約了裝載平臺體積、重量和功耗等性能, 形成多種系統射頻單元的堆砌. 如果能在數字域對不同射頻功能進行綜合處理和一體化高效集成, 則可減小裝載平臺的載荷, 對于軍用便于裝備減型增效, 提高機動性, 對于民用可進一步可降低運營成本。

3 國內外研究進展

無線電平臺的數字射頻技術, 尤其是基于數字射頻功放的全數字發信機研究, 大約已經歷了十余年時間. 早期是針對模擬射頻功放主要指標之間相互矛盾, 難以同時滿足無線電系統高效率、高線性和寬頻帶等要求, 業界提出了前饋、反饋和數字預失真 等射頻功放線性化技術, 以及一些高效功放結構, 在一定程度上滿足了一些使用場合的要求, 但始終沒有解決模擬射頻功放體制存在的根本性矛盾. 隨著數字技術和微電子器件工藝的快速發展以及數字音頻功放的成功應用,為數字射頻功放的提出奠定了基礎, 有望突破射頻功放主要技術指標相互矛盾的制約。

采用數字射頻功放, 設計實現新一代軍用通信裝備和民用移動通信設備是當前國際上的一個研究熱點, 尤其針對數字射頻功放和全數字發信機的新體制、新技術和新工藝的研究十分活躍，美國陸軍部較早資助“數字射頻信號發信機技術體系結構” 研究, 其重點是以基帶信號數字調制直接驅動高效脈沖功率放大器為核心的數字射頻功率放大器，2011 年11 月和2012 年3 月, 美國DARPA先后兩次資助“新一代高效射頻技術”, 其核心是高效寬帶射頻功率放大技術和基于高性能氮化鎵(GaN) 工藝的超高速開關功率器件， 2004 年起, 美國聯合微波公司(M/A-COM) 以聯合戰術無線電系統(JTRS) 新的解決方案為目標定位, 開展了以數字射頻功率放大為突破口的可編程數字發信機技術研究, 提出了名為“DTx” 的全數字寬帶發信機結構, 并稱其為新一代軍用無線電平臺的革命性技術， 2008 年, 美國Agilent 公司和加拿大射頻功放專家Stapleton 教授聯合撰寫了一篇研究報告, 認為基于帶通增量求和調制(BPDSM) 方案的S 類數字射頻功放具有高效率和高線性, 輸出信號質量完全能滿足相關通信體制的要求, 數字射頻功放是日益增長的手持無線通信系統的必然選擇.2009 年韓國“半導體技術與科學雜志” 的一篇文獻 提出了下一代移動手持無線通信設備功放和發信機的技術發展方向是單芯片集成工藝的數字射頻功放. 德國一研究機構采用GaN 工藝, 研制了基于帶通增量求和調制的S 類數字射頻功放原理樣片(UHF 頻段, 20 W), 其開關放大單元工作效率可達80% 以上. 2007 年至2012 年, 瑞典皇家技術學院Rong Liang 和Chen Jian 博士在ZhengLi-Rong 教授的指導下, 以SDR 為目標, 對全數字極化發信機及其關鍵技術進行了深入研究.2012 年, 美國Balasubramanian 等學者論述了全數字發信機是實現全軟件無線電“終極傳輸” 的必經之路. 2014 年, Francois 等提出了一種基于射頻脈寬調制(RFPWM) 的用于全數字發信機的可重構數字功放架構, 相比于B 類模擬射頻功放, 在功率回退(power back-off) 時, 其功放效率提高近3.5 倍. 但據現有公開的技術資料, 國外在數字射頻研究方面, 目前主要是仿真和實驗室測試結果, 還未見實用產品和應用的公開報道。

從上世紀80 年代后期開始, 國內部分高校和工業部門對開關模式的射頻功放電路和基于CMOS工藝的射頻開關功放IC 等開展了研究, 取得了一些有益的學術和實驗室成果. 近些年來, 作者所在團隊結合軍事通信的直接需求和其他無線電系統的潛在應用, 得益于國內器件水平的提高, 對數字射頻功放和全數字發信機等開展了較為系統的研究與工程實踐, 形成了初步的設計理論和方法, 針對不同的應用需求, 提出了多種數字射頻功放和全數字發信機實現方案, 并與國內具有器件工藝優勢的部門進行協同創新, 突破了主要核心關鍵技術, 研制成功相應頻段數字射頻功放和全數字發信機原理樣機及其所需的多種專用芯片, 驗證了數字射頻功放和全數字發信機高效率、高線性、寬頻帶和可重構等綜合優勢, 實現了該項核心技術的自主可控, 為實現全數字化無線電平臺奠定了技術基礎。

4 模擬射頻功放與數字射頻功放對無線電系統性能的影響

模擬射頻功放與數字射頻功放在工作機理上有重大區別, 導致了其對無線電系統的作用效果差別明顯。

4.1 模擬射頻功放主要指標相互矛盾的機理

射頻功放的主要指標有: 效率、線性和帶寬等, 其性能主要取決于實現功率放大的功率晶體管、直流偏置電路、輸入輸出匹配網絡以及輸出濾波器. 其中功率晶體管的工作狀態由直流偏置電路設定的靜態工作點決定。

4.1.1 模擬射頻功放效率與線性相互矛盾的機理

假設模擬射頻功放的輸入、輸出匹配網絡和輸出濾波器是理想無損的, 此時模擬射頻功放的性能主要取決于功率晶體管, 傳遞到負載RL 的輸出功率Pout 是從直流電源輸出功率Pdc 中獲得的,而且受輸入信號功率Pin 的控制. 但從Pdc 到Pout 的功率轉換效率不是100%, 即功放輸入總功率Pdc+Pin 中的一部分轉換為包括熱耗散和諧波、互調等輸出失真在內的耗散功率Pdis。

根據能量守恒定律, 功放輸入總功率Pdc+Pin 必須與Pout 和Pdis 的總和相等. 要實現功率放大,功率晶體管必須要能提供一個信號增益G:

這個關系式表明, 要保證功放輸入輸出信號之間的線性關系, 就要求G 為一個恒定值. 而模擬射頻功放的功率晶體管工作在線性區, 在一定的有源區域內, 功率晶體管輸出電流與輸入信號的電壓線性相關. 但由于晶體管的飽和特性, 當輸入信號的電壓幅值超過某個門限時, 功率晶體管輸出電流不再隨之增大, 同時也限制了直流電源向功放輸出電流的能力, 使得Pout 和Pdc 均不再隨Pin 的增大而同步增大, 而且Pdis 永遠不會是負數, 因此G 不再保持恒定(增益壓縮), 必定要顯示出非線性特征。

功放的功率附加效率PAE[ 表明了功放效率與信號增益G 的關系, 即

圖1 模擬射頻功放增益、效率與Pin 的關系

上式表明, 如果要保證線性度(G 恒定), PAE 將正比于Pin 或Pout 與Pdc 之比. 當Pin 一定時,要提高PAE 就要減小Pdc. 由前面分析可知, 要減小Pdc 功放需要進入飽和狀態, 而這將帶來非線性失真(增益壓縮), 因而效率與線性出現了矛盾. 為了便于理解, 圖1 給出A 類、B 類模擬功放效率與線性(增益) 定性的關系曲線, 其中PinFS 為保證G 恒定的額定輸入功率. 當Pin6PinFS 時, G 保持恒定, 對于全周期工作的A 類功放, 其Pdc 為常量, 而僅正半周期工作的B 類功放, 其Pdc 與輸入信號電壓幅值成正比, 且A 類、B 類功放的效率理論上分別與Pin 成正比例和開平方關系, 均隨Pin 的減小而降低. 但實際中, 由于功率晶體管并非是理想的線性化器件, 即使在其線性區, 還是會表現出一定的非線性特性, 且越靠近線性區的兩端非線性越嚴重. 因此, 隨著Pin 的增大, 雖然功放效率隨之增大, 但非線性失真也相應增加. 特別當Pin>PinFS 時, 功放逐漸進入飽和狀態, 開始出現由增益壓縮引起的非線性失真, 功放效率仍隨Pin 的進一步增大而增大, 但增加的趨勢變緩. 為獲得更優的效率和線性折中, 適當提高B 類功放的靜態偏置電流, 即AB 類功放設計, 成為采用最多的模擬射頻功放形式. 無論何種模擬射頻功放形式, 要改善線性均需減小輸入功率(功率回退), 而這將顯著降低功放效率, 因此以A 類、B 類和AB 類為代表的模擬射頻功放設計都要受到嚴格的線性度— 效率之間矛盾關系的影響。

4.1.2 模擬射頻功放工作帶寬與效率、線性相互矛盾的機理

由于射頻功放的工作頻率很高, 為實現功放可用功率從源到負載的最大傳輸, 就必須進行阻抗匹配, 將功率晶體管的輸入、輸出阻抗匹配到所用傳輸線的特征阻抗(一般為50 Ω), 以減小由信號反射引起的回波損耗和非線性失真. 因此即使功率晶體管工作在理想狀態, 功放輸入、輸出匹配網絡的性能仍將在很大程度上影響功放的效率和線性. 而模擬射頻功放的功率晶體管的輸入、輸出阻抗隨輸入、輸出電壓和電流的變化而變化, 增加了輸入、輸出匹配網絡的實現難度, 甚至只能針對特定工作頻段和工作方式進行專門設計, 降低了模擬射頻功放的通用性. 特別是當功放工作帶寬增加時, 需要在更寬的頻帶內進行阻抗匹配, 受阻抗匹配原理的限制, 帶寬越寬則回波損耗越大, 要實現理想的寬帶阻抗匹配十分困難, 其回波損耗與工作帶寬的關系示意圖如圖2 所示, 在工程實踐中, 為了實現模擬射頻功放的寬帶工作, 只能犧牲匹配網絡在工作頻帶內的性能, 從而降低功放的效率和線性。

圖2 阻抗匹配網絡回波損耗與功放帶寬的關系

4.2 模擬射頻功放對無線電系統性能的制約

由于模擬射頻功放主要性能指標之間相互矛盾的理論限制, 以及實際工程設計中的折中與妥協,嚴重制約了現有無線電系統的基礎性能。

4.2.1 模擬射頻功放的低效率制約了無線電系統的工作效率

如前所述, 模擬射頻功放利用功率晶體管的線性區進行功率放大, 使得模擬功放既放大功率又存在大量靜態功耗. 實踐表明, 在達到一定線性指標條件下, 其效率一般只能做到30% 左右, 有時甚至不到10%, 其功耗約占發信機功耗60%70%, 亦即發信機一半以上的功率轉換為無益的損耗發熱, 制約了系統工作效率的提高和體積重量的減小, 直接影響系統的機動性能和便攜式無線電系統的有效工作時間, 還帶來散熱問題, 甚至由于溫升保護頻繁, 影響系統的正常工作。

4.2.2 模擬射頻功放的非線性制約了無線電系統的信號質量和電磁兼容性

模擬射頻功放的非線性主要來源于輸出功率增大時的過載失真、小信號時的過零失真和推挽功率器件特性不一致時的失配失真等, 這些非線性降低了輸出信噪比, 增加了帶外雜散, 不僅制約了無線電系統的傳輸速率、射頻信道線性范圍, 而且成為無線電系統間互擾的主要來源, 影響了系統的組網效率、頻譜利用率和網系運用能力. 業界近年提出的功放線性化等技術, 雖然使模擬功放的線性得到改善, 但帶來了系統復雜度的增加。

4.2.3 模擬射頻功放的頻帶特性制約了無線電系統工作帶寬的拓展

由于模擬射頻功放中放大器件的阻抗特點和寬帶阻抗匹配機理的限制, 展寬模擬射頻功放的工作帶寬將影響功放的輸出功率、工作效率、穩定性和輸出負載適應性等性能. 現代無線電系統既希望在一定頻段內能帶寬工作, 以提高數據速率, 又希望工作頻段可以靈活設置, 但模擬射頻功放的頻帶特性不僅難以適應寬帶工作的需要, 而且只能針對特定工作頻段和工作方式進行定制設計, 使得模擬射頻功放的通用性和應用范圍受到很大的限制。

4.2.4 模擬射頻功放技術體制制約了無線電系統的射頻數字化進程

由于模擬射頻功放在模擬域實現射頻信號功率放大, 難以滿足軟件無線電架構對射頻數字化的要求. 按照常規的通信原理與技術, 射頻功放的數字化是難以實現的. 在中頻以下數字化的發信機中, 已調數字中頻信號必須經過數模轉換和模擬混頻后才能經模擬射頻功放進行功率放大, 增加了系統復雜度. 近些年來, 射頻信號的直接數字調制技術發展迅速, 但仍然需要采用高速數模轉換和模擬射頻功率放大, 阻礙了無線電系統發信機的全數字化。

4.3 數字射頻功放提高無線電系統性能的機理

得益于先進DSP 技術和高效開關功放技術, 數字射頻功放的主要性能指標之間在理論上不存在制約關系, 可明顯提高無線電系統的基礎性能。

4.3.1 數字射頻功放的工作效率高

與模擬射頻功放不同, 數字射頻功放的功率晶體管在飽和區和截止區之間進行開關切換, 不需要直流偏置電路提供靜態偏置電流, 因此幾乎沒有靜態電流消耗, 電源功率直接轉換成輸出功率, 理論效率可達100%. 同時, 當功率晶體管導通時, 有輸出電流而幾乎沒有輸出電壓, 當晶體管截止時, 有輸出電壓而幾乎沒有輸出電流, 因此數字射頻功放由輸出電壓、電流交疊而帶來的器件損耗遠小于模擬射頻功放. 由于損耗的減小, 數字射頻功放功率晶體管的發熱大幅減小, 降低了對散熱的要求. 實際效率與數字射頻調制的編碼效率、驅動和功率晶體管性能以及開關功放電路的拓撲結構等因素有關. 數字射頻功放工作效率的提高, 可延長由電池供電的無線電系統的持續工作時間, 減小系統的體積、重量,提高系統的機動性。

4.3.2 數字射頻功放的線性性能好

數字射頻功放的功率晶體管雖然工作在飽和區和截止區, 理論上存在比模擬射頻功放更嚴重的非線性, 但由于數字射頻功放的工作狀態固定且已知, 其功率晶體管要么導通, 要么截止, 其工作狀態不隨輸入功率的變化而變化, 因此經數字射頻調制處理后可抵消其非線性, 達到遠優于模擬射頻功放的線性性能. 理論上輸出信號線性范圍主要取決于數字處理器的位數和工作頻率, 只要其位數和工作頻率合適, 就能保證功放所需的線性性能. 實際線性性能與數字射頻調制算法、實現工藝和輸出濾波電路性能等因素有關. 數字射頻功放線性性能的提高, 可改善信號質量, 減小帶外雜散, 提高無線電系統的組網效率和頻譜利用率等系統級電磁兼容性能。

4.3.3 數字射頻功放的工作頻帶寬

數字射頻功放的功率晶體管本質上為一個開關, 可以不需要進行輸入、輸出阻抗匹配, 從而避免了阻抗匹配網絡對工作帶寬的制約, 其工作帶寬理論上僅取決于數字處理器件的處理速率和功率晶體管所能達到的最高開關頻率. 在功率晶體管的最高開關頻率滿足要求的情況下, 只要選擇合適數字處理速率的器件, 或數字處理速率足夠高, 就能保證射頻功率放大所需的工作帶寬. 實際工作帶寬與處理器最高頻率、驅動速度和功率器件寄生參數等因素有關. 數字射頻功放帶寬性能的提高, 便于無線電系統寬帶工作, 提高系統的數據速率和抗干擾性能以及功放的通用性和靈活性等。

4.3.4 數字射頻功放便于射頻可重構

數字射頻功放是在數字域實現射頻信號的功率放大, 增加數字上變頻等處理后, 可實現基帶數字信號輸入、大功率模擬信號輸出的全數字發信機, 簡化信道機設計, 通過設置功放、濾波等參數, 便于射頻可重構. 實際可重構性能主要與數字射頻調制和成形濾波等因素有關. 實現全數字發信機和射頻可重構, 可更好地滿足軟件無線電架構、多模式、射頻信號低截獲和射頻信號識別等電磁環境適應能力需求。

5 數字射頻功放及全數字發信機基本原理

數字射頻功放是全數字發信機的核心和基礎, 沒有射頻功放的數字化, 發信機的全數字化就不可能實現。

5.1 數字射頻功放基本原理

相對于數字音頻功放和模擬射頻功放, 數字射頻功放是指在數字域實現對射頻信號的功率放大,從而得到預期射頻功率的放大器. 我們提出的一種數字射頻功放方案主要由數字射頻調制、射頻開關功放和射頻成形濾波等單元組成, 原理框圖如圖3 所示. 其工作流程為: 將輸入的數字射頻信號通過數字射頻調制轉換成脈沖信號, 控制有源開關器件進行功率放大, 經成形濾波輸出得到所需功率的模擬射頻信號。

圖3 一種數字射頻功放的原理框圖

數字射頻調制單元的主要原理是: 對輸入數字射頻信號進行脈沖密度和幅度調制, 輸出多電平非周期脈沖調制信號. 其中, 通過多電平幅度量化和噪聲整形, 將調制信號帶內均勻分布的量化噪聲轉移到工作頻帶以外, 再經邏輯綜合輸出適合驅動功率晶體管高速開關工作的脈沖信號. 目的是降低射頻量化噪聲和保證在開關功率放大條件下應有的線性性能。

射頻開關功放單元的主要原理是: 對多路多電平非周期脈沖信號進行電平轉換和高速驅動, 控制有源高速開關功放進行高效開關功率放大. 其中, 有源高速開關功放可設計成陣列, 以滿足多電平脈沖信號開關功率放大的要求. 目的是大幅提高功放效率。

射頻成形濾波單元的主要原理是: 將開關功率放大后的脈沖信號經帶通濾波器還原成適合天線發送的大功率模擬射頻信號, 實現數字到模擬的轉換. 其中, 可調帶通濾波器中心頻率根據頻率控制信息可調整, 以滿足工作頻段內任意頻率信號的成形濾波要求. 目的是減少帶外頻譜污染。

可借鑒數字音頻功放的原理, 進一步理解數字射頻功放的基本原理. 首先, 數字射頻功放相當于一個射頻調制解調器, 即: 先對數字射頻信號進行脈沖密度和幅度調制, 經多電平開關功率放大后, 再由成形濾波解調成模擬射頻信號, 從而在保證高效率的同時, 彌補開關功放工作在飽和、截止區帶來的非線性失真. 其次, 數字射頻功放又可以理解為一個射頻功率D/A 轉換器, 即: 輸入為數字射頻信號, 輸出為大功率模擬射頻信號, 其物理模型如圖4 所示. 相比于該物理模型, 模擬射頻功放是一個輸入、輸出均為模擬射頻信號的功率放大器. 射頻功放物理模型的這種變化直接關系到全數字發信機與模擬發信機體系結構的重大差別, 也是數字射頻功放不宜在模擬發信機中直接替換應用的重要原因。

圖4 數字射頻功放物理模型

根據以上基本原理, 一種基于4 電平開關功率放大的數字射頻功放各單元時域、頻域波形示意圖，如圖5 所示。

圖5 一種數字射頻功放及各單元的輸出時域、頻域波形示意圖

5.2 全數字發信機基本原理

一種適應于較低通信頻段的基于數字射頻功放的全數字發信機體系結構如圖6 所示. 對于較高工作頻段, 其具體方案尤其是數字射頻功放技術方案應作相應變化。

圖6 一種全數字發信機體系結構

根據圖6 的體系結構, 數字基帶調制信號直接上射頻, 不僅可省略傳統模擬發信機的中頻調制以及射頻調制(模擬混頻) 等單元, 大幅簡化發信機系統構成, 還便于實現高速跳頻控制, 從而簡化輸出濾波器設計. 數字基帶調制信號經數字射頻處理和功率D/A 放大后直接輸出到天線口, 從而更好地滿足軟件無線電架構的要求. 可見, 全數字發信機顛覆了傳統模擬發信機的結構。

根據公開資料報道和工程實踐體會, 全數字發信機與模擬發信機主要功能與性能對比如表1 所示. 由此表可見, 與傳統模擬發信機相比, 全數字發信機在保證更優的線性和效率等性能條件下, 傳輸帶寬更寬, 且可在最高工作頻率(fMAX) 以內重構工作頻段和實現綜合射頻集成, 但目前的全數字發信機技術還有待成熟, 尤其是工作頻段、輸出功率和雜散抑制等性能與器件水平和功率合成電路等有關, 還需經歷一個逐步發展的過程。

表1 全數字發信機與模擬發信機主要功能、性能對比

綜上所述, 基于數字射頻功放的全數字發信機不僅有利于系統基礎性能的躍升, 更是無線電通信技術體制的突破。

6 數字射頻功放主要關鍵技術

盡管數字音頻功放已經實用, 但是數字音頻功放的技術和工藝遠不能支撐數字射頻功放的研制需求. 基于國內現有器件工藝條件, 需要運用系統設計與工藝相互彌補的科學方法, 以突破數字射頻調制、射頻高速驅動、射頻開關功率放大和射頻成形濾波等關鍵技術。

6.1 低工作頻率的數字射頻調制技術

數字射頻調制是數字射頻功放實現高效、線性放大的前提, 它既要通過一定算法對輸入的數字射頻源信號進行脈沖編碼, 形成適合開關功率放大的脈沖信號, 又要便于功率放大后的脈沖信號能通過成形濾波器恢復線性性能好的大功率模擬信號, 其調制性能主要由調制器的工作頻率決定. 為保證所需的線性性能, 通常要求其工作頻率遠高于源信號載波頻率, 這對數字處理器的處理性能提出了很高要求, 現有數字處理器和工藝水平難以實現. 主要難點是在降低工作頻率的同時, 還要提高數字射頻調制信號編碼效率和改善量化噪聲抑制能力。

6.2 射頻開關功率放大技術

為了降低調制器的射頻采樣頻率, 提高編碼效率, 數字射頻調制算法往往需要采用多比特調制, 以增加量化電平數量, 減少量化誤差, 這就要求開關功放電路具有多電平輸出能力, 而不僅僅是2 電平輸出, 但現有開關功放電路結構一般都不具備這種能力. 同時, 還要考慮在射頻條件下功放電路和功率晶體管寄生參數的影響. 因此, 必須研究射頻應用的高速驅動、多電平開關功放電路、控制策略、功率分配與合成等問題. 主要難點是設計適合于高速開關應用的射頻功率器件及其實現工藝, 進一步降低功率器件的靜態和瞬態功率消耗, 以實現對多比特數字射頻調制信號的高效放大。

6.3 射頻成形濾波技術

射頻成形濾波的性能直接影響數字射頻功放輸出信號質量和工作效率, 其作用內涵主要有三個方面: 一是濾除開關功放輸出功率信號中的帶外噪聲和雜散分量,二是實現開關功率放大電路與輸出負載間的寬帶匹配, 三是提供中心頻率可變的帶通濾波, 實現D/A 轉換. 主要難點是突破單一固定頻率濾波器設計思路, 在中心頻率切換時濾波的主要性能基本保持不變, 且濾波器阻抗特性滿足開關功放輸出所要求的阻抗特性, 以實現開關模式下低功耗、中心頻率可調的寬帶阻抗匹配和噪聲及諧波抑制。

7 我國自主可控發展數字射頻的技術路線建議

基于無線電平臺射頻數字化的戰略意義和技術難度, 需要結合我國的國情和基礎, 制定科學的技術路線, 明確發展思路、方向、途徑和重點。

7.1 制定數字射頻技術發展路線圖

數字射頻的技術遞進路線建議為: 數字射頻功放、全數字發信機、全數字收發信機、綜合數字射頻等, 由模擬射頻功放到數字射頻功放, 由較低頻段到較高頻段, 由較小功率到較大功率, 由模擬發信機到全數字發信機, 再到全數字收發信機以及多種功能和多種系統數字射頻的綜合等. 目前, 已突破了最核心的瓶頸關鍵技術, 具備了后續發展的技術基礎。

7.2 堅持系統設計與工藝相互彌補

該項核心技術的攻關, 涉及到諸多電路、算法、指標分配等系統設計和集成芯片、微系統封裝等工藝, 單靠一個部門是很難完成的. 基于我國現有集成電路設計和制造條件, 需要系統設計與工藝相結合并相互彌補, 當工藝難以解決或成本較高時, 即在電路、算法設計上提高要求, 不追求全部指標的先進性, 分析、研究和驗證多種可能的工藝, 最終得出優化設計方案。

7.3 立足國內主渠道實現自主可控

目前, 我國雖然在該領域的系統級設計方面, 與發達國家幾乎處于相同起跑線上, 但發達國家的基礎和工藝具有明顯優勢, 并對我國進行技術封鎖. 基于此, 如果不能抓住數字射頻技術自主可控的發展機遇, 我們又將出現一個受制于人的重大脆弱點. 實踐表明, 基于國內器件和工藝發展水平, 只要需求明確, 指標合理, 方法得當, 是可以實現一定頻段內該項核心技術自主可控的。

7.4 大力推進已有成果實用化進程

我們雖然突破了主要核心關鍵技術, 取得了一些可喜的進步, 標志著我國在該前沿領域占了一席之地, 但離實用化要求還有不少工程問題需要解決和完善, 如: 技術和工藝最高性價比的匹配、環境適應性、與系統的聯合設計等. 需要通過有效途徑進行推廣應用, 進一步暴露問題, 積累經驗, 大力推進其實用化進程, 尤其要關注系統內部的電磁兼容問題。

7.5 以全數字發信機形式推廣應用

根據圖4 所示的數字射頻功放物理模型, 由于輸入為數字信號, 輸出為模擬信號, 如果僅在模擬發信機的基礎上更換功放單元, 不僅要增加多余的模數轉換, 而且還要保留原模擬發信機的其他單元,難以做到系統的優化設計, 多余的單元仍然占據體積和功耗, 使得其系統性效益不高. 為使其應用效益最大化, 必須要以全數字發信機形式應用, 乃至全數字收發信機聯合應用。

7.6 加強核心技術知識產權的保護

數字射頻是一項涉及到戰略前沿的核心技術, 成為不同國家在無線電領域的一個新的競賽點. 在我國器件制造水平尚有差距條件下, 實現該項核心技術自主管控是需要付出極大代價的, 因此需要嚴格保護其知識產權, 以鼓勵科研單位進行技術攻關及其投入的積極性. 同時, 為使該項核心技術有序推廣應用, 要加強標準體系建設, 以擴大其應用范圍和受益面。

8 結束語

經過幾年的攻關, 我們在相應頻段實現了從模擬射頻功放到數字射頻功放、從模擬發信機到全數字發信機的兩項核心技術的轉變, 為實現和推進無線電平臺的射頻全數字化奠定了基礎. 工程實踐表明, 只有理論進步與實際需求相結合, 才能推動技術創新; 只有原始創新與國內主渠道相結合, 才能實現自主可控. 數字射頻將給軍、民用無線電平臺帶來高效率、高線性、寬頻帶、可重構和綜合數字射頻集成等革命性進步. 然而, 這還是一個處于發展中的新技術, 不少理論問題、工藝問題和實用化問題還需進一步深入研究, 文中所述僅是初步的實踐體會和建議, 錯誤之處在所難免, 歡迎各位同仁批評指正和共同研究。