（无线电物理专业论文）uhf前馈功率放大器的研究.pdf

电子科技大学硕士学位论文 摘要 在现代微波无线通信系统中，信息传输正朝着多载波、大容量、高速度方向 迅猛发展，通信系统对射频部件的线性提出了更高的要求。尤其是功率放大器， 其线性程度将直接影响系统的性能。前馈法是目前微波通信领域研究较多的线性 化技术。 本文介绍了8 8 0 m h z 前馈功率放大器的工作原理；利用a d s 仿真软件完成了 系统仿真及各部件的指标分配；根据系统中各部件的指标要求进行了单独设计并 加工出产品进行测试。文中讨论并分析了在设计前馈功率放大器时可能遇到的问 题以及可采用的解决措施。 当系统的工作环境发生变化时，放大器的参数会因此发生改变，从而造成前 馈修正环路的误差。鉴于此，本文在传统前馈功率放大器中增加了实时检测系统， 预留了最小功率检测法自适应控制器接口，为最终实现自适应前馈功放打下了孥 实基础。 最终实现了功率放大器的前馈线性化实验，其双音测试表明：放大器的三阶 交调失真改善了2 6 d b 。 关键词：前馈：线性化；功率放大器； 最小功率检测 电子科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nt h es y s t e mo fm o d e mw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n ，t h et r a n s m i s s i o no f i n f o r m a t i o ni sd e v e l o p i n gt o w a r dm u l t i - c a r r i e r , g r e a t c a p a c i t ya n dh i g h s p e e d t h i s n e e d st h er fc o m p o n e n t st op r o v i d el l i g h e rl i n e a ri nt h es y s t e m so fc o m m u n i c a t i o n e s p e c i a l l yt h el i n e a r i t yo fp o w e ra m p l i f i e rw i l la f f e c tt h ep e r f o r m a n c eo ft h ew h o l e s y s t e mf e e d - f o r w a r dp o w e ra m p l i f i e r sa r em o r ec o n c e r n e db yr ee n g i n e e r sb e c a u s e o fi t sh i g h l i n e a r i t y a n ds t a b i l i t y , a n d e s p e c i a l l yb e c a u s ei t su n i v e r s a lt o c o m m u n i c a t i o ns y s t e m s t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ep r i n c i p l eo ft h ef e e d f o r w a r da m p l i f i e r s ，s t u d i e si t s w o r k i n gp r o c e s sa n da c h i e v e st h ea n a l y s i sa n ds i m u l a t i o no ft h es y s t e m i nt h er e a l o p e r a t i o n ，t h ew o r k i n gs t a t e sa r ci n f l u e n c e db yt e m p e r a t u r e ，v i b r a t i o n ，h u m i d i t ya n d w o r k i n gh o u r s ，e t c s oad e t e c t a b l es y s t e mi si n t r o d u c e dt of e e d f o r w a r da m p l i f i e r ， w h i c hi n d i c a t e st h eo u t p u td i s t o r t i o no f t h ea m p l i f i e r i nt h ep a p e r , t h ea p p l i c a t i o no ff e e & f o r w a r da m p l i f i e ri sd e s c r i b e d r e s u l t sa r e g i v e nf o ras e r i e so ft w o t o n e si n t e r - m o d u l a t i o nd i s t o r t i o nm e a s u r e m e n t s i ti ss h o w n t h a ta2 6 d bi m p r o v e m e n ti nt h ei n t e r - m o d u l a t i o nm a r g i nc a l lb ea c h i e v e d k e y w o r d s f e e d f o r w a r d ，l i n e a r i t y , p o w e ra m p l i f i e r , m i n i m i z i n gt h em e a s u r e d p o w e rs i g n a l i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名： m 期：力莎年岁月桫日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：盘璺主 导师签名： 日期：2 舫年占月胗日 电子科技大学硕士学位论文 第一章引言 1 1 课题研究的目的及意义 无线通讯的飞速发展，不仅改变了人们的通讯方式，在某种意义上也改变了 人们的生活方式【”。从全球范围来看，无线通信用户的数量正在逐年增长。随着 无线用户的飞速增长和宽带通讯业务的开展，通讯频带变的越来越拥挤，为了在 有限的频谱内容纳更多的通信信道，要求采用频谱利用率更高的调制技术，因此 线性调制技术如q a m ( q u a d r a t u r ea m p l i t u d em o d u l a t i o n ) 、q p s k ( q u a d r a t u rp h a s e s h i f tk e y i n g ) 等在无线通信中得到广泛应用。所有的通信系统都要求对相邻频 段的用户产生最小的干扰，电就是要在所规定的频率范围内传送信号。但是通信 系统中的非线性器件必定会产生非线性失真，从而对相邻的信道产生干扰，而功 率放大器是发射机系统中非线性最严重的器件。因此，线性功率放大器设计技术 也就成为提高发射机系统线性化的关键技术。 该技术得到广泛的研究并迅速发展主要有以下几个原因1 2 j ： 1 出于对通信系统功率效率的要求，不能采用功率回退法来提高功率放大 器的线性度。所谓功率回退法是指采用大功率管子，然后通过功率回退使之工作 在线性放大区的方法。如果采用此方法，一方面降低了电源的利用率，增加了供 电系统的能量消耗，给基站热管理带来了困难；另一方面不能充分发挥出功率管 的潜能，增加了制造成本。 2 多载波调制技术的应用也要求线性化的功率放大器。如多载波码分多址 ( c d m a m c ) 以及正交频分多址o f d m ( o r t h o g l n a lf r e q u e n c yd i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ) 。 3 基带信号频谱有较大的动态范围。例如，在第三代g s m 系统中，同时 进入系统不同载波的电平之间可能有高达l o o d b 的差别。 4 自适应天线系统的要求。发射机非线性导致波束带宽、旁瓣抑制、零位 深度等一系列天线的性能指标变差。 目前，在功率放大器的线性化技术中，前馈技术是极具吸引力的技术之一， 因为它可以在宽频段内有效的抑制非线性失真产物，具有无条件稳定、线性度高、 线性度与增益无直接关联、良好的噪声特性等优点。应用前馈技术不仅可以大大 提高蜂窝系统多通道的性能，且免去了昂贵的滤波器和功率合成器，具有良好的 应用前景和实际经济效益。近几年来它已经成为放大器线性化研究的主流方向。 电子科技大学硕= 学位论文 1 2 国内外发展动态 功率放大器线性化技术的研究可以追溯到上个世纪二十年代。1 9 2 8 年在贝 尔实验室工作的美国人h a r o l d s b l a c k 发明了前馈和负反馈技术并应用于放大器 的设计中【3 j ，有效的减小了放大器的失真，可以认为是功放线性化技术的开端。 但那时主要是从器件的本身来提高功率放大器的线性度，所研究的功率放大器的 频率也比较低。直到上个世纪七八十年代，随着无线通讯技术的兴起和发展，功 率放大器的线性化技术才得以飞速发展。一些新兴的功放线性化技术得以广泛研 究和应用，如：预失真技术、自适应基带预失真技术、白适应前馈线性化技术、 白适应前馈预失真技术、l i n c ( l i n e a ra m p l i f i c a t i o nu s i n gn o n l i n e a rc o m p o n e n t s ) 等。 前馈线性化技术是线性功率放大器最成功和最广泛使用的技术，能改善互调 性能达2 0 d b 以上【4 j ，代表当今功率放大器线性化技术的最先进水平，但在实际 应用中，特别是在宽带应用和大的动态范围时，前馈系统所需要的抑制环路的相 位、幅度、延迟平衡的精度在以前很难实现，且对环境温度和器件的老化很敏感， 从而限制了实际应用中前馈放大器的性能。同时前馈技术相对其他线性化技术， 电路结构比较复杂，因此，尽管前馈思想早在上个世纪七十年代就已提出，但它 的发展却远远落后于预失真等线性技术。直到上世纪九十年代后期，移动通信的 迅猛方展，以码分多址( c d m a ) 技术为基础的2 5 g 和3 g 通信技术迅速进入应用 领域，对线性功放提出了更高的：同时，电子器件制造技术的不断进步使得使用 丽馈技术所需要的精确控制相位、幅度、延迟平衡成为可能，带动了对前馈放大 技术的研究和开发。国外已有许多公司从事前馈线性放大器的研究，比如，美国、 英国、韩国等十几个公司得以技术实现，并推出产品；国内在这方面也进行了一 定的研究。由于前馈放大器自身的特点，即系统的调试工作量相当大，产品成本 构成中人工费用占的比例远比一般产品高，而且对调试人员有较高的技术要求。 因此，在系统掌握设计和调试技术后，在产品生产的人工成本方面我国将具有明 显的国际竞争优势。 电子科技大学硕士学位论文 第二章功率放大器及其非线性化原理 本章首先分析了非线性的基本原理。在2 2 节和2 - 3 节将分别介绍功率放大 器的特点及功率放大器的主要技术参数。最后利用2 4 节介绍非线性功率放大器 对发射机性能的影响。 2 1 非线性原理 所有的电子电路都呈非线性，这是电子工程中的一个基本事实。作为现代电 路理论基础的线性假设，实际上仅仅是一种近似。有些电路，由于其具有非常弱 的非线性，才把它们视为线性的，如小信号放大器，但是当这类电路应用到微波 和毫米波通信系统时，其非线性肯定会影响系统的性能，因此必须设法减小它对 系统性能的影响。实际放大器的传输特性都是非线性的，其传输特性可以用下式 表示【5 】【6 】： e o = j l p + 七2 e2 + k 3 e 3 r + k ，p ( 2 1 ) 这里，k ，是常系数，e 。e 。分别表示放大器的输入和输出信号。 通常用幂级数表示时，越高项的系数越小，对器件的传输特性影响也越小，一般 仅考虑前三项，即： e o u l = k l e 。十k 2 e2 ，一+ k 3 e 3 ( 2 - 2 ) 如果输入的信号是单音信号，二阶失真表现为正弦波波峰的伸长和波谷的压缩， 三阶失真表现为正弦波的波峰和波谷同时伸长和压缩。由于实际的系统往往是多 信号的，现以三信号为代表来说明。假设瞬时输入电压为： e 。= ac o s a + b c o s b + c c o s c ，( a 只q - 1 0 8 ；t o i 只。+ 8 6 ： 巴， 只+ 3 八输入输出驻波比( v s w r ) 输l 输出驻波比表示放大器输入端阻抗和输出端阻抗与系统要求阻抗( 通 常为5 0 q ) 的匹配程度。可以用下式表示： v s w r 2 篇，舯r - z z - + z o z o z 为放大器输入或输出端的实际阻抗； 毛为系统要求的阻抗。 九工作电压电流 指放大器工作时需要供给的电源电压和电流值。 2 4 功率放大器的非线性对发射机性能的影晌 图2 - 3 是一个典型的无线发射机系统框图，信号源发出信号，经矢量调节 器形成脉冲信号，这个脉冲信号经滤波器后得到所需要的时域和频域特性，形成 电子科技大学硕士学位论文 基带信号，再经过上变频器将基带信号线性地搬移到所需的频段，然后由功率放 大器放大到所需的功率，通过天线发射出去，这样完成了整个发射过程。 图2 - 3 无线发射机系统框图 所谓的线性发射机是指发射机系统保持了基带信号在时域和频域下的线性， 只有上变频器在频域上有个线性搬移的发射系统。发射机可以包含非线性元件， 但是整个系统必须呈现线性，因此必需对发射机系统中非线性最为严重的功率放 大器进行线性化处理。 在无线通信系统中，通常利用输出信号频谱对相邻信道信号的干扰程度来衡 量发射机系统线性化性能的好坏。相邻信道于扰比a c i ( a d j a c e n tc h a n n e l i n t e r f e r e n c e ) 是描述发射机系统输出频谱纯度的重要指标，它定义为主信道信号 功率与相邻信道信号功率的比值。下图2 4 示出了器件非线性产生的邻道功率 蛆最幽蝰融 i n p u tq u t p u t 图2 4 器件非线性产生的邻道功率 描述发射机线性化性能的另一个重要指标是信号矢量误差，定义为实际信号 源与发射后信号之间的矢量误差。发射机的非线性或多或少的产生矢量误差，但 不会对传输性能产生很大的影响，但当接收机的信噪较高时，由于功放的非线性 产生的矢量误差也会产生一定的误码率。 通常采用双音测试法来测量射频功率放大器的非线性指标，这种方法不需要 调制信号源，操作比较简单，而且能够在频谱分析仪上方便的得到各种量化指标， 因此得到广泛的应用。然而作为一种替代的方法，双音测试法得到的结果和采用 实际调制信号测试得到的结果是不同的。通常情况下，双音测试结果比实际调制 信号测试结果要差【m 1 。 9 电子科技大学硕士学位论文 第三章功率放大器线性化技术 在通信系统中，功率放大器总是工作在大信号状态( 只。点附件) ，此时非 线性失真变得更为严重：交调失真、谐波失真、调幅调相转移失真等。当多载波 输入时，对系统传输信号影响最大的是三阶交调失真。在传统设计中，为了保证 功率放大器的线性度，人们往往使用超线性的大功率器件，再结合功率回退等措 施来得到满足要求的功放线性度。这不但使得系统的效率降低，而且当需要较大 的发射功率时，往往受当前功率器件输出能力的限制无法实现。 当前提高放大器的线性度的常用方法有：负反馈法、预失真法、前馈法。 3 1 负反馈法 负反馈是一种应用比较多的方法，其基本原理如图3 - 1 所示。 将放大器的输出信号输入负反馈网络后在放大器的输入端产生反馈信号 z ，该反馈信号与源信号z ；经过变换网络所得的输入信号x ，共同控制放大器 的输入，构成负反馈放大器。负反馈电路对放大器输出信号的稳定性、增益的稳 定性、非线性失真等指标都有改善作用。但是，负反馈电路以降低放大器的增益 为代价的，并且它对非线性失真的改善是很有限的。 3 2 预失真法 预失真技术是一种广泛使用的功放线性化技术，图3 - 2 是一种典型的预失真 系统。根据预失真器所在发射机的位置不同，可以分为射频预失真技术、中频预 失真技术、基带预失真技术：根据预失真器处理的信号不同，可以分为模拟预失 真技术和数字预失真技术。 电子科技大学硕二匕学位论文 n o n i l j 蝴f 图3 - 2 典型预失真系统 预失真技术是在信号输入放大器之前对信号按照一定的规律进行“预先失 真”，以便尽可能的减小放大器输出中的失真信号。用预失真法设计的放大器， 其工作频带较宽，调试方便，但对交调性能改善有限，不适应交调要求很高的系 统( _ 5 0 d b c ) ，并且它的应用受限于载波或信号的频率【4 】。用传输函数表示的原 理框图见图3 3 。其中，a 为待补偿的非线性放大电路，b 为补偿放大器非线性 的校正网络预失真电路。 h 月= h ( j c o ) e 9 。 卟高盹数 则总的传递函数h = h 。h 。= k ( 3 一1 ) ( 3 2 ) ( 3 3 ) 图3 - 3 用传输函数表示的预失真系统原理图 最简单的预失真电路是将一个非线性放大器输出特性一一记录下来存储在 预失真电路中，借助于查表技术检出误差信号，对信号一一进行补偿。此类方法 简单，但系统长期工作后，由于非线性放大器输入输出特性发生变化，致使预失 真电路变差，甚至失效，恶化系统。 3 3 前馈法 前馈法是目前放大器线性化技术中最先进、发展最为迅速的方法。前馈法在 国外已经得到了广泛的应用，国内近几年也在广泛的研究，已经取得了一定的成 效。新代通讯体制及h d t v 的发展对功率放大器的线性度的要求越来越高， 积极深入地研究线性技术势在必行。前馈法比预失真法更为先进的是其稳定性和 通用性。 前馈法的工作原理如图3 - 4 所示，它由环l 、环2 两个环路组成，环l 是误 电子科技大学硕士学位论文 差提取环路，环2 是误差消除环路。在放大器( a i ) 输出口耦合部分信号与延时 后的输入信号相减，即得放大器失真的失真信号。将此失真值经放大器( a z ) 放大 后与经同样时延后原输出信号相减即可大大抵消输出信号的失真成分。此方法要 求的技术高，控制系统复杂，但由于其稳定的高线性，前馈技术是目前发展最快 的线性化技术，也是最有前途的线性化技术。 延迟单元功放a 2 图3 - 4 前馈线性化工作原理图 3 3 1 传统前馈功率放大器 传统前馈功率放大器原理图见图3 5 ，该放大器由失真信号( i m 3 ) 提取环路 ( 环1 ) 和失真信号消除回路( 环2 ) 组成。环l 包含定向耦合器1 、主放大器、 定向耦合器2 、可调衰减器l 、可调移相器1 、延迟线1 、9 0 度电桥，它们完成从 主放大器的输出信号中提取失真信号。环2 包含可调衰减器2 、可调移相器2 、 误差放大器、延迟线2 、定向耦合器3 ，它们完成放大输入的失真信号，并将放 大后的失真信号与经延迟线2 的输出信号进行失真信号对消的功能。 隔离端口 图3 - 5 传统前馈功放原理图 1 2 电子科技大学硕十学位论文 下面以传统前馈功率放大器为例说明为什么前馈法是通用的，与具体通讯系 统的调制方式无关。 输入信号( f 1 1e ) 经定向耦合器1 分成m 和n 两部分 其中，m = ( 1 一c ，) ( e 十e ) ，n = c 。( e + 五) ，m 、n 的相位差9 0 度) ，m 经主放大器变为a 。m + b ( 其中b = a 鼻b 五是主放大器产生的交调信号，f a l + l b i 是i m 的阶数) ，再经过 定向耦合器2 分成p 和q 两步分 p = ( 卜c ：) ( 一m + b ) ，o = c ：( a 。m + b ) ) ，通过适 当的调节可调衰减器、可调移相器和延迟线1 ，使信号q 和n 在9 0 度电桥的输 入端幅度相等，相位差9 0 度，即c ( 鼻+ ) = c ：( a 。m + b ) ，那么经过9 0 度电 桥使得e + f 2 分量得到完全抵消，输出成分只有失真信号c ：b 。得到失真信号再 输入误差消除回路中，从图3 5 可以看出，只有失真信号c ，b 被误差放大器适当 的放大，再经过适当的幅度和相位调整，就可以使信号p 中的失真信号得以抵消， 最终得到比较理想的信号圪。( 理想情况下圪。= a 。( 卜c 。) ( 卜c ：) ( e + 五) ) 。 从传输函数的角度来看，传统前馈功率放大器的工作原理图可进一步用图 3 - 6 进行简化。 业罐要。蟛广酬( f + 囝 图3 6 用传输函数表示的前馈功放图 其中，h ( j c o ) = a ，( 1 - c ) ( 1 一c 2 ) 是一个常数。所以说前馈功率放大器的线性 度很高，且对输入信号的特性没有任何限制，与具体通讯系统的调制方式无关。 从传输函数h ( j c o ) 容易看出，前馈功率放大器的放大特性与主放大器的放 大倍数a 。有关，而与误差放大器的放大倍数a ，无关。主放大器的作用就是对输 入的信号进行放大，它决定了输入信号被放大的倍数；误差放大器主要是将环路 1 提取的误差信号放大到一定的大小，与主放大器产生的失真信号进行抵消，它 直接影响了最终输出信号的失真特性；可调移相器和可调衰减器是用来调节即将 用于抵消的信号的幅度和相位，使欲抵消的两路信号幅度相等相位相反，所以， 电子科技大学硕士学位论文 从理论上讲，只要主、误差放大器、衰减器和移相器选择的合理，前馈功率放大 器的增益和线性度可以非常理想。 3 3 ，2 自适应前馈功率放大器 传统前馈功率放大器虽然有很高的线性度，但是传统前馈功率放大器性能会 随着环境温度的改变、器件的老化、输入功率的变化以及频率的漂移而变化，因 此对系统的控制显得尤其重要。自适应前馈放大器能实时地对前馈放大器系统进 行控制，使放大器始终工作在最佳状态。自适应前馈系统是通过算法不断地修正 权重系数，以适应外界环境的变化。整个自适应技术包括两部分：反馈策略的选 择和最优权重系数的计算【1 “。自适应前馈技术一般有三神反馈策略，即导频信号 法、相关检测法、能量最小法( 也叫最小功率检测法) 。 导频信号法【幢1 1 3 1 是种常用的自适应控制策略，该方法要在主放大器和误 差放大器前注入一个附加的导频信号，在主放大器前注入的导频信号的幅度一般 比输入的基波信号小1 0 2 0 d b ；在误差放大器前注入的导频信号幅度应满足在误 差消除环路中，误差放大通路的导频信号与失真信号的比值与主路中二者的比值 一致，这一结果是通过调节矢量调节器来实现的。 圈 图3 - 7 导频信号前馈功放原理图 如图3 7 所示，同传统前馈功率放大器相比，导频前馈功率放大器中增加了 审 电子科技大学硕士学位论文 一个导频信号源，它用来提供导频信号：增加了两个“同步检测回路”( 由混频 器、低通滤波器、放大器构成) ，它们提供有关输出信号中误差分量的信息；温 度传感器，用于提供有关环境温度变化的信息；另外，增加了控制系统。控制系 统作为“中枢机构”，根据同步检测回路和温度传感器输出的信息时时地调节误 差提取环路和误差消除环路的矢量调节器，使误差提取环路的失真信号尽可能地 提取出来，同时使误差消除环路的误差信号尽可能地消除掉，从而使前馈功率放 大器工作在最佳状态。 下面以误差提取环路为例具体地说明导频信号在导频前馈功率放大器中是 如何工作的。如图3 7 ，a 、c 分别表示进入误差提取环路的基波信号和导频信 号。n 、n ，分别表示功分器1 、2 的分配比。功分器1 将输入信号( a + c ) 按 比例分成两路n ，( a + c ) 和( 1 一n ，) ( a + c ) 。其中n l ( a + c ) 信号 被主放大器放大，假设主放大器的放大倍数是m ，附件产生的失真信号记为b ， 主放大器的输出信号为m n ( a + c ) + b ，然后经过定向耦合器2 ( 假设祸 台度为c ，) 耦合一部分信号输入到功率合成器的一个输入端；功分器1 输出的 另一路信号( 1 一n ，) ( a + c ) 经过延迟线和矢量调节器1 进行幅度和相位的 调整，使调整后的信号与耦合器2 耦合出来的信号满足幅度相等、相位相反。理 想情况下，两路中的基波信号和导频信号在功率合成器相加时得以完全抵消。此 时，功率合成器的输出信号中只有失真信号b ，大小为c ，b 。 但实际输出分量中还含有基波信号a 和导频信号c ，用c ，b + m ( a + c ) ( 其中m 很小) 。应为基波信号a 和导频信号c 是成一定比例的，因此控制了导 频信号的大小也就控制了基波信号的大小。 如何知道导频信号的大小昵? 合成后的导频信号被耦合器5 耦合一部分输入到同步检测回路。在同步检测 回路中，耦合输出的导频信号与导频信号源提供的信号进行混频，经低通滤波器 和放大器后输出的直流信号就代表了合成后的导频信号大小的信息。 输出的直流信号( 假设的大小是k c ) 进入控制系统，控制系统将k o c 与 预置的置占进行比较，如果k c s 占，说明误差提取环路的矢量调节器1 的值设 电子科技火学硕士学位论文 置的合理，失真提取环路能很好地将主放大器输出信号中的失真信号提取出来。 如果k c 万，控制系统就会发出控制指令，分别控制矢量调节器1 中的移 相器和衰减器的值，直到满足k c 8 为止。 误差提取环路调节成功之后，即刻转而调节误差消除回路，其工作原理与调 节误差提取环路的原理一样。 应当指出的是导频信号频率是如何确定的。从前面的讨论可知，导频信号在 控制误差消除回路过程中作为“失真的量度”出现的，要求最终输出信号中的导 频信号越小越好，因此导频信号不能与输入信号中的任一分量的频率相等。同样， 在误差提取回路中，导频信号反映了基波信号的信息，输出的基波信号越小越好， 所以导频信号也不能等于任何失真信号的频率。 现代通信系统多是多载波输入，信号频率不止一个，所以要求导频信号的频 率与所有的基波信号都相近。一般取输入信号频率的平均值或近似平均值作为导 频信号的频率。例如，若输入双音信号一8 7 0 m h z ，五= 8 9 0 m h 乙那么可以用兀 = ( 工+ ) 2 = 8 8 0 m h z 作为导频信号的频率。若输入三基波信号z = 8 7 0 m h z ， 2 8 9 0 m h z 、 = 8 8 0 m h z ，那么输入信号频率的平均值为f o = ( z + 十a ) 3 = 8 8 0 m h z 。但是8 8 0 m h z 不能作为导频信号的频率，因为它与疋相等。可以在 平均值附件取值，如取工= 8 8 5 m h z 作为导频信号的频率。 但导频信号法自身也存在缺陷，导频信号与输入信号会相互影响，产生新的 交调失真信号。 另一种常用的自适应策略是相关检测法【2 1 ，它根据误差信号与有用信号之间 相关特性来控制矢量调节器完成自适应调节的。图3 - 8 是其控制原理图。在误差 提取环路中，通过对耦合器5 祸合出的误差信号与耦合器l 耦合出的基波信号进 行相关运算，以二者之间的相关度最小为目标，控制矢量调节器。在误差消除回 路中，以输出信号和误差信号的相关特征为目标，控制误差消除环路中的矢量调 节器。显然误差提取环路所得到的误差信号会影响误差消除回路的自适应控制性 能，因此该方法比较适用于误差提取回路。 电子科技大学硕士学位论文 图3 - 8 相关检测法前馈系统原理图 最小功率检测法【1 4 】是分别对误差提取环路和误差消除环路输出的信号能量 进行测量，以整个频带内信号能量最小为目标，自动调节矢量调节器，达到自适 应控制功率放大器的目的 图3 - 9 最小功率检测前馈功率放大器原理图 图3 9 是最小功率检测前馈功率放大器的基本框架图。同传统前馈功率放大 器相比，最小功率检测前馈功率放大器多了一段延迟线，它是用来抵消误差消除 环路产生的时间延迟；定值衰减器、矢量调节器是用来调节从输入基波信号中耦 电子科技大学硕十学位论文 合出来的基波信号和从误差消除环路耦合出来的基波信号，使它们幅度相等、相 位相反；功率合成器，是将从误差消除环路耦合出来的基波信号和从输入基波信 号中耦合出的基波信号进行功率合成，提取误差信号进行检测；两个功率检测系 统，它们用来检测误差提取环路和误差消除环路的信息；温度传感器，用来提供 有关环境温度变换的信息：另外增加了一个控制系统，它是整个系统的中枢系统。 在最小功率检测前馈功率放大器中，能量检测器可以采用任何形式宽带检测 设备，本系统采用了功率检波器。在误差提取环路中，可以将提取的失真信号直 接输入功率检波器中进行检测，因为此时失真信号和基波信号可比拟，基波信号 地微小变化，功率检波器都能检测出来，可以实时地反映误差提取环路的工作情 况。对误差消除环路进行检测时，需先将由耦合器3 耦合出的信号与由耦合器4 耦合出的基波信号进行对消，再输入到功率检波器中进行检测。因为在误差消除 环路输出信号中基波信号占主导地位，失真信号的微小变化并不能在功率检波器 中体现出来，所以必须先将误差消除环路输出信号中的基波信号抵消到比失真信 号小的情况下，功率检波器才能灵敏地跟踪失真信号幅度的变化，实时地调节误 差消除环路中的矢量调节器，使功率放大器工作在最佳状态。最小功率检测法虽 具有精度不高，收敛慢的缺点，但其比较简单易于实现，又不会引入新的失真信 号。本系统最终采用最小功率检测法来实现前馈功率放大器的自适应控制。 3 3 3 前馈预失真功率放大器 众所周知，前馈放大器的效率一般比较低，这样对于电池的使用寿命、输出 功率、放大器的体积及散热都有不利的影响，可以采用前馈和预失真结合的方法 来提高整个系统效率。前馈预失真功率放大器的工作原理图见图3 1 0 ，同传统 前馈功率放大器( 图3 5 ) 相比，前馈预失真功率放大器分别在主放大器和误差 放大器的前面各增加了一个预失真器，这两个预失真器可以提高这两个功率放大 器的线性化性能，从而提高整个系统的线性化指标外。此外预失真器还可以提高 整个系统的功率效率，具体分析过程见参考文献1 2 1 。 分析结果如下： 。磊瓦丽r a i 面r a 2 c 再v c ( 瓦1 - - 瓦c o c 而) ( 3 4 ) 电子科技大学硕士学位论文 对于输出耦合器( 定向耦合器3 ) 的耦合系数，可以求得一个最优值，此时 前馈系统的效率可以达到最高。将式3 - 4 对c 。求导并令为零， 吼器= 。 c s - s ， 其中，f k = l o 一乩t m ，c = 1 0 一岛，工= 1 0 一：儿0 1 ( 3 6 ) 玑，为主放大器的功率效率；r l 。为误差放大器的功率效率；l 。：为延 迟线2 引起的插损；s a i 三阶交调分量与基波功率比。 隔离端口 图3 1 0 前馈预失真线性化系统图 在主功率放大器的前面增加一个射频预失真器，可以提高主功率放大器的三 阶交调压缩水平，从而有效地提高整个前馈系统的功率效率。典型的预失真器 可以达到1 0 d b 左右的三阶交调压缩，在这里假设玑= 3 5 ，玑：= 1 ， s 。，= 2 5 d b c ，l m ：= l d b ，则通过式3 - 4 可以计算出前馈系统输出效率同三阶交调 分量i m d 压缩量之间的关系。 铲粉 电子科技大学硕士学位论文 阳懒t 嘶i 琊l 忡r m m e mt d 蜀 图3 - 11 前馈系统功率效率同i m d 压缩值之间的关系 从图3 1 l 可以看出，如果射频预失真器将三阶交调分量i m d 压缩1 0 d b ， 整个前馈系统的效率可以从2 0 提高到2 9 ，对于一个3 0 0 w 输出功率的系统， 那么直流功率消耗就会降低4 6 5 5 w ，这会极大的降低整个系统的成本，因此前 馈预失真系统对功率效率的提高是很明显的。 电子科技大学硕士学位论文 第四章前馈功率放大器的仿真及实现 前面简要地叙述了传统前馈功率放大器以及最小功率检测前馈功率放大器 的基本工作原理。本章将具体地介绍最小功率检测前馈功率放大器的仿真设计 以及应注意的问题。 4 1 主要技术指标 ( a ) 双音输入：中心频率8 8 0 m h z ，带宽2 0 m h z ； ( b ) 输出功率：2 0 w ( 4 3 d b m ) ( c ) 交调失真：6 0 d b c 增益：5 0 d b 4 2a d s 建模 在a d s 仿真系统中，通过“c r e a t ean e wp r o j e c t ”键建立“a n a l o g r f n e t w o r k ”新文件，并设定文件名为“a m p l i f i e r - - f e e d f o r w a r d ”。在该文件中 建立各种器件的模型j 并用这些模型搭建系统。 一系统中各个部分参数分配时应遵循的规则： 1 可实现性。参数设置尽量与工程实际结合起来。 2 合理性。结合系统性能合理搭配前后参数。 3 最优性。围绕各部分的最佳工作性能选择参数。 4 最恶化性。考察当参数按照最恶化情况下系统的工作状况。 当然，以上标准不能同时得到满足。在仿真设计中，可以根据实际的需要合 理组合进行仿真设计。 二传统前馈功放系统的搭建及各器件参数的设定 1 ，主放大器 在前馈功率放大器系统中，主放大器是主要部件，它将基波信号放大到一定 的输出电平。因为放大能力有限及非线性的存在，放大产物中存在交调分量。在 一一定的输出电平下放大器固有的交调性能由所选用的功率器件决定。另外，由于 放大器的a m - - p m 变化特性随饱和程度的深入而迅速加剧，因此主放大器也要 满足一定的线性，包括幅度线性和相位线性。 如果放大器的工作点在只。回退不小于1 0 d b ，一般认为，此时的放大器对 电子科技大学硕士学位论文 信号是线性放大f 1 6 】。否则，认为该功率放大器工作在非线性状态，t o i 产物 不能忽略。 主放大器是由多级放大器组成的，其中最后一级放大器是主放大器的核心， 因此选好最后一级管子是主放大器设计的关键。 下面根据系统指标来确定主放大器的指标。 欲最终输出4 3 d b m 的功率，主放大器的输出基波功率要高于4 3 d b m ，因为 后面的功率检测和其它器件要有一定的功耗。 理论上，如果选择主放大器的= 4 6 d b m ，根据t o i 、匕，与丑。的关系式， t o i 暑+ 1 0 8 ；t o i p 。+ 8 6 ： 匕， 鼻+ 3 可以确定t o i 和圪，的值。 实际上，本系统选用了摩托罗拉m r f 9 0 8 5 作为主放大器的最后一级输出。 m r f 9 0 8 5 是一只9 0 w 用于输出2 0 w 功率的管子( 功率回退了6 5 d b ) ，所以在 此采用功率合成技术来实现4 0 w 的功率输出。 主放大器及其输出特性( 双音输入) 见图4 一l 。 & m p l i f i e f a m p l $ 2 1 = d r ) p 0 1 a t ( 5 6 0 ) s 11 = p o l a r ( o 0 ) s 2