（通信与信息系统专业论文）射频功率放大器前馈线性化技术研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 为节约频谱资源，新兴的数字通信技术常具有多载波或者高峰均功率比 等共同特点，对系统的线性化指标提出了更为苛刻的要求。因此，射频功率 放大器的线性化技术成为无线通信领域的一个重要课题，也是近年来国内外 的一个研究热点。而前馈技术是线性化效果最好，也是目前最热门的线性化 技术。 前三章回顾总结了非线性失真的特性以及常用线性化技术的基本原理及 其相互之间的异同。 第四章首先提出主放大器的反射信号是造成前馈环路中幅值失配和相位 失配的重要原因之一，并分析该反射信号对前馈两个环路中误差信号的幅值 和相位的影响及对策，然后推导出误差信号中幅值、相位的变化量与反射信 号所引起的幅值、相位失配之间的计算公式。最后针对该反射信号，设计了 一个前馈放大电路。结果显示，改进的前馈电路有效减小了前馈环路的幅值 失配和相位失配，并且有效降低了输出信号的非线性失真。 第五章先采用相关法和最小功率检测法仿真了一个自适应前馈电路。然 后针对其输出功率的不足，并结合第四章关于幅值失配和相位失配的原因分 析，通过引入一个反馈电路和一个前馈电路，对该自适应前馈电路进行改进。 测试证明，这种改进的自适应前馈电路其三阶交调失真降低了l o d b ，输出功 率增加了约2 d b 。 关键词交调失真；前馈；幅值失配；相位失配；自适应； 西南交通大学硕士研究生学位论文第页 a b s t r a c t f o rt h es a k eo f s a v i n g t h e f r e q u e n c ys o u r c 2 ，t h e f a s h i o n d i # t a l c o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g i e sa l w a y s h a v et h ec o m m o nc h a r a c t e r i s t i co f m u l t i c a r r i e ra n dh i g hr a t i oo fa p e xt oa v e r a g e ，w h i c hb r i n gf o r w a r dm u c hm o r e s t r i c tl i n c a r i z a t i o nt a r g e tt ot h ei 江s y s t e r n s ot h el i n e a r i z a t i o nt e c h n o l o g yf o rr f p o w e ra m p l i f i e r s b e c o m e so n eo ft h ei m p o r t a n ti t e m si nt h ew i r e l e s s c o m m u n i c a t i o nt h e o r y t h ef e e d f o r w a r dt e c h n o l o g yh a st h eb e s te f f e c tf o r l i n e a r i z a t i o na n db e c o m e st h em o s tp o p u l a rl i n e a r i z a t i o nt e c h n o l o g y n ec h a r a c t e r i s t i c so ft h en o n l i n e a rd i s t o r t i o na n dt h ep r i n c i p i u mo fu s u a l l i n e a r i z a t i o nt e c h n o l o g i e sh a v eb e e np r o p o s e dd u r i n gt h ec h a p t e ro n et oc h a p t e r t h r e e ，a n ds ot h ec o m m o n sa n dd i f f e r e n c e sb e t w e e nt h e m t h ec h a p t e r4f i r s ti n d i c a t e st h a to n eo ft h ei m p o r t a n tc a u s e so f a m p l i t u d e - m i s m a t c ha n dp h a s e - m i s m a t c hb a s e do nt h et r a d i t i o n a lf e c d f o r w a r d c i r c u i ti st h em a i np a se c h o t h ee f f e c to nt h ea m p l i t u d ea n dp h a s eo fb i 1 0 0 p s f c c d f o r w a r dc i r c u i t se r r o rs i g n a lb r o u g h tb yt h ee c h oa n ds o m em e a s u r e sh a v e b e e na n a l y z e d t h u st 1 1 ee x p r e s s i o n so fv a r i a t i o n si na m p l i t u d ea n dp h a s eo ft h e e r r o rs i g n a la g a i n s ta m p l i t u d e m i s m a t c ha n dp h a s e - m i s m a t c hh a v eb e e np r o p o s e d l a t e r a t1 a s t af e e d f o r w a r dc i r c u i ta g a i n s tt h ee c h oh a sb e e nd e s i g n e dt od e c r e a s e t h en o n l i n e a r i z a t i o nd i s t o r t i o ne f f e c t i v e l y a tt h ec h a p t e r5 ，t h em e r i t sa n dd i s a d v a n t a g e so ft h eu s u a lb i 1 0 0 p sa d a p t i v e f e e d f o r w a r dc i r c u i tb yd e c r e a s i n gt h en o n l i n e a r i t yd i s t o r t i o na n de x p o r t i n ge n o u g h p o w e ra r ed i s c u s s e df i r s t w bi n t r o d u c ea n o t h e rf e e d f o r w a r dc i r c u i tb yc o u p l i n g s o m es i g n a lf r o mt h ei n p u to ft h em a i np o w e ra m p l i f i e rt ot h ei n p u ta n do u t p u to f t h ea u x i l i a r yp o w e ra m p l i f i e rt or e d u c em o r ei m 3a n di n c r e a s et h eo u t p u tp o w e r t h er e s u r ss h o wt h a t 也ei m 3r e a c h e sb e l o w 7 5 d b c w h i c hi sm u c hm o r e a c c e p t a b l et h a nb e f o r eb y10 d b ，a n dt h eo u t p u tp o w e r h a si n c r e a s e db y2 d b k e yw o r d s ：i n t e r m o d u l a t i o nd i s t o r t i o n ；f e e x l f o r w a r d ；a m p l i t u d em i s m a t c h ； p h a s em i s m a t c h ；a d a p t i v e 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本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、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 i 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密恸，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“) 互裔导嚣篙纷 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作 所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 1 、首先提出主放大器的反射信号是造成前馈环路中幅值失配和相位失 配的重要原因之一； 2 、分析主放大器的反射信号对前馈环路中误差信号的幅值失配和相位 失配的影响及对策； 3 、推导出主放大器的反射信号大小对误差提取环路所提取的误差信号 所产生的幅值失配和相位失配的计算公式。 多私寻 7 妒彤妒7 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 研究背景 第1 章绪论 2 0 世纪9 0 年代后期，数字移动通信技术迅猛发展。为增加通信容量， 频道从1 5 0 m h z 频段提高到了8 0 0 - - , 9 0 0 m h z 频段，现在又向1 8 g h z 频段发 展；为了节约频谱资源，出现了多种体制，如多载波码分多路( c d m a m c ) 、 正交频分多路( o f d m ) 体制以及新型调制q a m 等新的通信技术日趋成熟。 它们具有共同的特点，即：多载波，或基带信号谱有较大的峰均功率比，或 两者兼之。系统所用的功率放大器对线性度要求很高，通常要求输出三阶交 调失真在8 0 - - - 6 0 d b c 以下【2 】。 随着我国经济的发展，集群通信系统在管理中的巨大优势使得人们对集 群通信系统需求不断增加，而集群通信系统的频率有限。据我国无线电管理 部门规定，我国的集群通信系统在8 0 0 m h z 频段的带宽仅为2 * 1 5 m h z ，在 3 0 0 m h z 频段的2 * 1 4 m h z ，“数字集群通信频率的使用应遵循提高频谱利用率 的原则【1 1 。 提高频率利用率的关键是采用频谱利用率更好的调制技术。欧洲 的t e t r a ( t e r r e s t r i a lt r u n k - e dr a d i o ，陆地集群无线电) 系统采用p 4d q p s k 的调制方式，在频谱利用率方面比中兴的g o t a ( g l o b a lo p e nt r u n k i n g a r c h i t e c t u r e ) 系统和华为的g t 8 0 0 系统要好。但是，频谱利用率高的调制方 式，由于信号包络的不恒定性，使得该系统对非线性很敏感。在信道带宽比 较窄的情况下，应采用线性化技术，使邻道泄露、交调失真等非线性指标降 低到合理的水平。 理想的线性功率放大器不易获得，放大器的非线性将产生包络失真和频 谱扩展。即使基带信号的频谱宽度满足信号带宽的要求，由于放大器的非线 性失真特性所产生的频谱扩展，也会对邻近信号产生干扰【2 】。设计高度线性 的宽带功率放大器存在以下几个问题：首先是功率放大器的效率问题。在射 频通信系统中，功率放大器处于大信号工作状态，存在明显的非线性失真。 为了能达到系统要求的指标，通常将功率放大器从l d b 压缩点回退7 - 1 0 d b ， 此时的功率利用效率只有5 左右，放大器功耗较大。另一个问题是所开发 产品的成本。通常使用高效率的功率放大器采用功率回退法，这种方法容易 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 实现，在实际应用广泛使用，但是值得注意的是，因为需要采用更昂贵更高 输出功率的放大器回退使用，并且需要增加级数来达到所需要的输出功率， 整个系统成本大为提高，而且随着新的通信技术对放大器提出越来越高的要 求，采用功率回退法也无法达到所需要的线性化指标要求。 为提高功率放大器的线性度，可采用线性化技术，包括前馈、负反馈和 预失真技术等。 负反馈具有较高的线性度，但在高频和微波频段，当级数多时，每级所 产生的延时将使整个放大器变得不稳定。 预失真技术是开环线性化技术中最常用的方法，无条件稳定，具有更宽 的频带，但是校准精度不如闭环技术。 前馈技术提供了闭环系统的线性化精度，开环系统的稳定性及宽带。需 要精确的相位平衡、延迟及幅度控制，要求技术高，价格高。为了增益和相 位的跟踪，校准环需附加功率放大器，因而总效率低。虽然如此，前馈仍是 目前发展最快的线性化技术，也是前途最为广阔的线性化技术。 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 】，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、自适应前馈线性化技术、自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 1 ，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 相对于其他线性化技术，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化技术。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要求。 同时，电子器件制造技术的不断进步使得使用前馈技术所需要的精确控制相 位、幅度、延迟平衡成为可能，带动了对前馈放人技术的研究和开发。国外 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 已有许多公司从事前馈线性放大器的研究，国内在这方而也进行了一定的研 究，比如华为公司从上个世纪九十年代末开始研究射频前馈功率放大器。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。 1 2 研究内容 本文的文章组织和研究工作如下： 第一章为本文的绪论部分，简单描述本文的研究背景和文章的编排； 第二章对功率放大器的非线性失真特性进行系统地介绍； 第三章对射频功率放大器的线性化技术内容及其发展情况进行了详细归 纳总结； 第四章首先提出主放大器的反射信号是造成前馈环路中幅值失配和相位 失配的重要原因之一，并分析该反射信号对前馈两个环路中误差信号的幅值 和相位的影响及对策，然后推导出误差信号中幅值、相位的变化量与反射信 号所引起的幅值、相位失配之间的计算公式。最后针对该反射信号，设计了 一个前馈放大电路。 第五章先采用相关法和最小功率检测法仿真了一个自适应前馈电路。然 后针对其输出功率的不足，并结合第四章关于幅值失配和相位失配的原因分 析，通过引入一个反馈电路和一个前馈电路，对该自适应前馈电路进行改进。 其中，核心部分是第四章和第五章。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 第2 章射频功率放大器的非线性分析 2 1 非线性基本概念 严格意义上说，所有的电子电路都是非线性的，而构成现代电路与信号 理论的线性假设只是一种工程近似。小信号放大器由于较弱的非线性特性， 因此可以看成是线性的。b j t 的基极、发射极电压与发射极电流之间的关系 是指数特性，这个特性用级数展开，在小信号情况下，忽略平方项，三次项 等等，近似可认为发射极电流与控制电压之间是线性关系。小信号工作情况 下的f e t 也是如此。但另外一些电路，如混频器、倍频器等，则利用了电路 的非线性特性，完成了上下混频和倍频。在通信电路中，电路的非线性特性 就像一把双刃剑，既有害亦有利，我们要做的就是扬长抑短，发挥其最大的 作用。 我们常说的线性电路满足叠加原理。如激励x l 和娩分别作用于线性电路， 产生的响应为y 1 和耽。对于任意常量的a 和b ，如果激励为a x l + b x 2 ，则线性 系统的响应为a y l + b y 2 ，( a 和b 可为复数，失真是时变的) 。线性系统的响应 中仅包含激励信号的频率，不会产生新的频率分量，而非线性系统会产生大 量的新的频率分量。因此，是否有新的频率产生就成为严格区分线性和非线 性电路的界刚引。 而非线性电路常常被分为强非线性和弱非线性电路。两者之间没有明确 的界限。一般认为，如果电路的特性( z a r , q 仍f y ) 如果用幂级数展开就可 以充分描述该电路特性，则可以认为是弱非线性【5 】。这意味着弱非线性特性 的电路信号是连续可导的。但对于大功率驱动的晶体管，肖特基势垒二极管 等，就不满足弱非线性条件，不能用幂级数很好描述该电路的非线性特性。 强非线性只能通过谐波平衡法或者时域法来分析。如果强非线性电路中含有 分布参数元件和多载波激励，那么该电路的非线性特性分析将十分困难。 2 2 非线性现象 理想线性系统满足叠加原理，多种频率分量输入，输出端口不会产生新 的频率分量。但实际的线性系统不是理想的，总会产生失真。通信系统的功 率放大器总是应用在大信号状态，或者说工作在l d b 压缩点附近，此时非线 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 性失真变得更为严重，会出现如交调失真、谐波失真、幅度调制转移失真、 调幅调相转移失真等 6 - - 1 0 1 。当多载波输入时，影响较严重的是三阶交调失真嘲。 2 2 1 谐波失真 m ( f ) = v c o s r o t 设放大器输入信号如式2 1 所示，则输出信号可以表示为： v o ( t ) = 九m ) 】 把式2 1 代入式2 2 ，得到： ( 2 - 1 ) ( 2 - 2 ) v o ( t ) = 毛u 0 ) + 屯h 2 ( t ) + k 3 v i 3 ) 4 - = 毛矿c o s 耐+ 岛( y c 0 s 耐) 2 + k 3 ( v c o s r o t ) 3 + ( 2 3 ) = 吉乞矿2 + ( 毛矿+ 三屯y 3 ) c 。s o ) t 4 - 丢如y 2c o s 2 0 x 4 - 丢屯y 3 c o s 3 ( t x + 非线性系统最为明显的特征之一是能产生激励频率的谐波，其中谐波频 率是基波频率的整数倍，如式2 3 所示。在许多窄带接收机系统中，谐波对 其影响很小，可以被滤波器滤除掉。但在宽带系统中，谐波会对系统产生严 重的干扰。任何放大器都会产生谐波，仅仅是大小的差别而已，谐波越大， 放大器的非线性失真现象越严重。 2 2 2 幅值失真 如式2 - 3 所示，基波分量的振幅值为( 白矿+ 号毛矿3 ) ，即毛矿( 1 + 丢鲁矿2 ) 。其中， 毛为线性增益，由于非线性，增益为毛( 1 + 三蔓y z ) ，可见电压增益与y ，即输入 4 局 信号的幅值有关。当y i 时，矿：项的影响很小，可以忽略，此时处于准线 性状态；但随着矿的增加，特性逐渐偏离准非线性状态。若毛 0 ，则 毛( 1 + 3 k 。, v ：) 白，这一特性可称为增益扩张；若七3 o ，则毛( 1 + 3 k ，, v ：) 毛，称 碍而4 最 为增益压缩。增益的表达式如式2 4 所示： 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 = 2 0 l g 加弓鲁昀( d b ) ( 2 - 4 ) l d b 增益压缩点可定义为信号电平的增益比线性增益小l d b ，即： 2 0 l g 向【1 + 三4 蔓1 q y 2 】= 2 0 l g 毛一l ( 2 5 ) 由式2 - 5 解得l d b 增益压缩点对应的v 值： y 2 圭_ o 1 4 5 ，q，岛0(2-6) 屯 设两端口网络的输入输出阻抗为乙= z 倒= r ，则： 弓= 1 0 l g 哼1 百v 2 1 0 3 ) ( d b m ) ( 2 - 7 ) ：。，g。三罕+3 k 3 v 2 ，。，。d b m ，。2 8 ， 功率增益为： 4 = 鲁io = 2 0 1 9 k l + ；妒】( d b ) ( 2 9 ) 4 2 了2+ 云岛矿2 】( d b ) ( 2 9 所以i d b 压缩点的输出功率点的输出功率为： = 4 1 + 弓( d b m ) ( 2 - 1 0 ) 把式2 - 6 ，2 - 7 和式2 - 9 代入式2 1 0 ，并令输出的负载r = 5 0 f 2 ，得到： _ 1 o l g 篙+ o 6 2 m ) ( 2 1 1 ) 式2 1 1 说明，p l 曲与输入信号v i ( 0 无关，仅是七l 和岛的函数，七1 是描述晶体 管转移特性的线性增益，岛描述三阶非线性特性。因为尸l 仅取决于晶体管本 身的特性，所以尸l 曲可用于描述晶体管的非线性特性。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 2 2 3 交调失真 v a t ) = kc o s o 嘎t + c o s 咤t( 2 1 2 ) 设放大器输入信号如式2 1 2 所示，则输出信号可以表示为： 以力叫絮2 ， ( 2 1 3 ) m a y i + b y , 2 + q 3 、 v o = a v i = a v , c , o s o 喁t + a 圪c o s r a 2 t 屹= 2 = 冬 巧2 + 匕2 + k 2 c o s 2 q f + 匕2 0 a s 2 t 0 2 t + 2 巧圪【c o s ( q + t o ：) t + c o s ( o 嘎一吧v 】 屹= q 3 = 三 巧3 c o s 3 q f + k 3 c o s 3 t 0 2 t + 3 巧2 匕 c o s ( 2 q + 伤弘( 2 - 1 4 ) + c o s ( 2 0 q t o o t 】+ 3 k 吃2 c o s ( 2 c 0 2 + q 弦 + o a s ( 2 a 如一q ) f 】+ 3 ( k + 2 巧圪2 ) c o s c o l t + 3 ( ：2 + 2 k 2 吃) c o s 哆f 式2 1 4 只计算到三阶，其实产生的频率分量可归纳如下： c o , 。n2 m q + 刀哆 ( 2 1 5 ) 这里的聊，刀= - 3 ，一2 ，一1 ，0 ，l ，2 ，3 ，。称为组合频率。 从式2 1 4 可知，组合频率l 和c 0 2 的线性组合输入非线性系统时，会产 生交调分量。交调分量代表的是对有用信号产生的干扰，并有可能会被错误 地认为有用信号，从而对通信系统产生很大的影响。特别是三阶交调信号 ( i m 3 ) ，2 c 0 1 0 9 2 和2 c 0 2 t o l 这两个频点的i m 3 ，是奇次项中的最强信号，而且 与基波信号的频段很接近，比较难用滤波器滤除掉。因此三阶交调信号是衡 量系统非线性特性的一个重要指标。 2 2 4 相位失真 任何一个通信系统理论上都存在时延，只是时延的大小区分而已。而一 种频率从该通信系统输入，经过一定的时延之后，信号输出时的相位通常会 发生变化，与信号输入时的相位有所不同。那么信号相位的变化就是该时延 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 的函数，而信号的周期直接影响了该信号的相位变化，因此信号相位的变化 又是频率的函数。还有一种影响相位失真的重要因素就是信号的幅值，这就 是所说的调幅一调相( a m - p m ) 转移失真。因此，信号的相位失真是信号自 身频率、幅值以及系统时延的函数，可表示为式2 1 6 ： a 0 = 厂( ，彳，f )( 2 1 6 ) 式2 1 6 括号里面的厂表示频率，彳表示幅值，f 表示相位。相位失真会 使信号的包络发生形变，而且会使一些线性化系统产生相位失配，例如前馈 系统，阻碍失真信号的抵消。如果要准确地分析相位失真产生的原因，那将 十分困难【2 】。微小的相位失真会对系统的非线性特性产生很大的影响( 相位 失配的影响将在第四章详细分析) ，而且因素来源比较多，因此微小的相位失 真却难以察觉或者判断其起因。与分析相位失真的原因相比，分析相位失真 的影响要显得容易得多。相位失真所引起的相位失配，也会增加额外的幅度 失真。被相位失真影响最大的是交调产物，特别是三阶交调，因为如果要比 较彻底地消除失真信号，那么对相位匹配的要求就非常高【1 5 1 7 】，也许达到1 度的相位失配就可以使整个线性化系统功亏一篑。 2 3 线性化指标 根据系统的非线性现象，可以引入相关的非线性指标。因此表征射频功 率放大器线性化特性的指标有尸l 曲压缩点、三阶交调系数m 3 、三阶输出截 止点i p 3 和邻近信道干扰率a c p r t l 3 , 1 4 。 l 、l d b 压缩点输出功率 皿 由于系统的非线性特性会产生幅值失真，从而引入相应的非线性指标 尸l 曲。图2 1 是功率放大器输出功率和输入功率之间的关系曲线。当输入功率 较小时，输出功率与输入功率的比值可看作一个常数，即为线性关系。因此， 当功率放大器在小信号工作时，其增益与输入功率大小无关。但是随着输入 功率的增大，输出功率与输入功率的比值将减小，即出现增益压缩的现象。 它们的关系曲线逐渐弯曲；当输入功率增大到某一数值，功率放大器的增益 比小信号工作时的线性增益低于l d b 时，这一点通常称为l d b 压缩点，对应 于该点的输出功率称为输出l d b 压缩点功率，记为尸l 血。p l , m 越大，说明功 放的上限功率就越大，动态范围越大，线性度好，非线性失真小。关于p l d b 的相关分析和计算参见2 2 2 小节。 2 、输出三阶截止点i p 3 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 图2 - 1 中的关系曲线中，将基波信号的曲线与三阶分量曲线线性延长并 相交，交点就是i p 3 。实际上，放大器并不可能工作在这点状态，i p 3 是由厂 家给出的反映放大器线性工作能力的一个重要指标，是放大器本身固有的一 个特性。在多级级连放大器中，三阶截止点的表达式如式2 1 7 所示： 1 鹏= 工j 盘刁丕互h - 1 2 3 。( 2 - 聊 p 3 l i p 3 2 。i p 3 3p 3 1 图2 - 1 功放的输入输出关系曲线 3 、三阶交调系数i m 3 石 正 jiji 劲历荔历 新现。 ij 鞔新 十 卜一 一 l l 图2 2 交调系数图示 i m 3 有时也写成i m 3 。2 2 3 节的分析计算已经说明，如果有两个相近的 频率l 和2 信号，通过放大器，则将产生新的组合频率，一般表示为m0 2 + n 西南交通大学硕士研究生学位论文第l o 页 0 ) 1 ，最靠近国l 和0 ) 2 的频率分量为2 m 1 0 ) 2 和2 0 ) 2 l ，由于这两个频率分量在 放大器的通道内，难以用滤波器滤除，故以它们的幅值与基波幅值之比衡量 放大器的非线性失真程度。一般称2 c 0 1 2 和2 0 ) 2 1 这两个频率分量的幅值为 三阶交调幅值，定义三阶交调系数i m 3 的表达式如式2 1 6 所示： m 3 = 2 0 l g 瓣d b c 4 、邻近信道干扰率a c p r ( a d j a e e n t c h a n n e lp o w e rr a t i o ) 邻近信道干扰率也可以叫邻道泄漏。射频信号非线性很大程度上由带外 辐射水平决定，各种协议都对频谱再生做出了严格的规定，通常用a c p r 表 示。实际上任何功放的输入载波的频带不是绝对意义上的一个频点或一根线， 而是一个有宽有窄的频带，如图2 3 所示。a c p r 的含意是泄漏到相邻信道的 总功率与主信道总功率的比值取对数，它是衡量c d m a 放大器线性性能的一 项重要指标，不同的通信标准对a c p r 有不同的具体要求。在多信道通信系 统中，功放产生的非线性信号对邻道的干扰与i m 3 有密切的关系，a c p r 可 以由i m 3 推算出，如式2 1 9 所示【l o j ： 砑 耻 i 一耐。 l 图2 3 交调信号频谱图示 a c p = 脚3 - 6 + 1 0 培( 熹) ( 2 - 1 9 ) 式2 1 9 中： 么：2 n 3 - 3 n _ 2 一- 2 n + r o o d ( - n 2 ) ；召：n 2 - - m o _ d ( 一n 2 ) 。n 为信道个数，m o d 2 4 84 一 是取余函数。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 第3 章功率放大器线性化技术 由于功率放大器的非线性特性，输出信号中影响最为严重的是交调信号 中的三阶交调失真，即i m 3 。线性化技术一般用附加电路来消除i m 3 。但必 须指出的是，线性化技术不会增加放大器本身的功率能力，仅能给出更“硬 的饱和特性，一旦放大器超过饱和点后，线性化技术并不能产生很好的效果。 如图3 1 所示，使用了线性化技术以后，功放的线性范围有所增加。采用线 性化技术，功放的工作点也要比尸l 佃点有所降低。 功放的线性化技术，其基本原理一般都以功放输入或输出的r f 包络的 振幅和相位作为样本，经适当的算法，进行适当的校准，目的使功放输出的 失真最小化。常用的线性化技术主要有三种：负反馈法【1 8 磁】、预失真、法【2 3 锄】、 前馈法 2 9 - 3 4 。 图3 1 线性化图示 3 1 负反馈法 反馈技术是一种传统技术，已沿用了近一个世纪。反馈技术几乎可用于 所有波形校正，常应用于设备的过程控制，在音频功率放大器中应用更为广 泛。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 负反馈线性系统的简化框图如图3 - 2 所示。负反馈是闭环系统，功放输 出端的失真被反馈到功放的输入端，并进行合成，从而在输出端消除失真， 达到改善功放线性度的目的。根据复包络信号的表示方法和反馈信号控制环 路的方法，复反馈线性化技术可分为笛卡尔( 直角坐标) 调制反馈、极坐标 调制反馈等其它一些类型。 但是功放的增益必须足够大，以实现高增益和高失真抑制，实际上负反 馈技术是用增益换取失真抑制，意味着如果要降低更多的失真，那么也要相 应地减小更多的输出功率。 图3 2 放大器的反馈系统 负反馈线性化技术除了上述的增益问题外，还存在两个主要问题。一是， 环路延时是负反馈的主要限制因素。在r f 频段，环路延迟可达到几个载波 周期或电长度，这就限制了该线性化器的工作带宽，因为延迟因素对不同的 频率的相位影响不一样，因而产生相位失真。二是，反馈存在稳定性问题。 如果功放电路的级数比较多，各级功放的延迟使得系统的稳定性迅速下降。 在音频范围，反馈对功放的增益和稳定性影响很小，反馈引起的时延与信号 周期相比微不足道。 因此在r f 频段，功放使用反馈会产生很多问题。r f 放大器所涉及的频 带宽度远大于音频放大器，信号周期短得多，正向增益难以得到高数值等因 素都必须考虑。最为重要的是，r f 放大器的线性要求比音频放大器的线性要 求高得多。很多r f 系统要求双音互调的三阶产物达到7 0 d b c ；载波数目增加， 指标更高。 因此对r f 系统而言，环路增益中等，无法直接采用负反馈来提高线性 度，而应该使用一些效果更好的线性化技术，如预失真、前馈线性化技术， 或者一些综合性的线性化技术，如前馈一预失真技术等。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 3 2 预失真法 预失真技术是开环线性化技术中最常用的方法，是r f 功率放大器线性 化技术中最简单的方法，价格相对便宜。开环系统的校准精度不如闭环系统， 但它的优点是不存在稳定性问题，频带宽。虽然任何线性化器件都必须处理 幅值失真及相位失真的问题，但是预失真器主要是用于a m p m 的校准。预 失真在降低非线性失真的能力方面，与负反馈、前馈相比没有优势，如果单 独用于固态功率放大器的a m 及p m 校准，那是很困难的，最好作为其它线 性化技术的一种辅助手段。在移动通信系统中，基站和手持机中的功率放大 器就辅助采用了预失真技术，仅用少量的附加元件就使交调产物降低了几个 d b ，但这是关键的几个d b 。 预失真技术根据输入信号可分为r f 预失真、环预失真和基带预失真三 种。 r f 和预失真的基本优点是：预失真技术可同时进入系统或者功放的 整个频带内。在多载波宽带系统中，使用这种技术是最理想的。例如，在卫 星通信系统或者蜂窝p c n 基站应用。其基本形式如图3 3 ，输入信号先经过 预失真器，其中，该预失真器的非线性特性与该非线性系统的非线性特性相 反，因此，输出信号通过预失真器和非线性功放的一正一反地“扭曲”之后， 反而恢复到原先输入时的模样，如图3 4 所示。预失真技术通过产生失真信 号，来消除r f 功放的非线性失真的线性化技术。 凡 p o u t 预失真器非线性系统 图3 - 3 预失真系统的简单图不 基于r f 和预失真使用模拟预失真网络，对振幅和相位的校正精度有 很高的要求，降低非线性失真的能力还比较有限的情况，使用查表法的预失 真技术的研究和应用不断得到发展。为了提高预失真技术的校正精度，可通 过精确测量功放的非线性特性，记录并对输入信号包络进行合适地补偿来实 现。使用查表法的预失真系统框图如图3 5 所示，先提取输入信号的振幅信 息，再寻址找到该振幅信息所对应的振幅、相位控制信息，并将该控制信息 反馈回功放的输入端信号，使其振幅和相位作出相应地调整，最终输出经过 线性化以后的信号。该查表法的关键是校正矩阵，包括矢量( 振幅和相位控 制信息) ，并由标量( 提取的振幅信息) 寻址。在合适的信号范围内，每个振 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 幅指令寻址唯一的振幅和相位校正。d s p 芯片最适合执行该任务，目前的d s p 芯片存储容量越来越大，已经有能力存储足够的矩阵点数，并有适当的精度， 但缺乏所需的速度，甚至在单载波应用时也是如此。d s p 芯片的运行速度必 定越来越快，相信今后d s p 预失真技术的性能会不断地改进和发展。 r f 信号 输入 图3 - 4 预失真系统的工作原理 提取输入信号i 取信息 振幅提 的振幅信息i 上藉夏釜 对要堡妻塑位1 甚塑 进行校准 l 功放 失真表 r f 信号 输出 p a 图3 5 使用查表法的预失真系统 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 3 3 前馈法 3 3 1 传统前馈法 前馈技术起源于“反馈”，从这个角度看，它是一种古老的技术。上世纪 2 0 年代h s b l a c k 发明了前馈和负反馈这两种降低功放非线性失真的技术。 但由于前馈对两支路的幅度和相位的匹配要求非常高而受到冷落，直到最近 宽带多载波通信系统的出现，前馈技术又重新得到了发展。前馈线性化技术 在p a 的输出端对消非线性失真，从而降低p a 的频谱扩展。前馈具有反馈的 优点，理论上它能完全消除i m 3 。 前馈线性化技术具有很高的线性化效果。前馈技术不仅可以得到与闭环 系统差不多的线性化水平，而且还具有开环系统的稳定性和宽带。 图3 石传统前馈法简要框图 图3 6 显示的是前馈法基本前馈环的简要框图。图中显示，经延迟后未失 真的抽样输入信号与经主放大器放大并经适当衰减后的信号在合成器中合 成，提取出误差信号。如果主放大器无增益和相位失真，则合成器产生零输 出。若主放大器有任何增益和相位失真，如增益压缩或者a m p m 转换效应 等，合成器输出端就有小的r f 误差信号，该误差信号输入到误差放大器进 行放大，放大到主放大器输出信号中同样的失真信号电平。两信号在定向耦 合器中校准后输出。注意这里不考虑辅助功率放大器的延迟。必须强调的是： 相位和振幅的校准，加或减，都是在r f 下进行，而不是在射频或者基带信 号下进行。换句话说，校准在最终宽带内进行，最终宽带由系统各种元件的 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 相位、振幅的跟踪特性决定。 3 3 2 自适应前馈法 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等 因素而发生改变，因此对系统的自适应控制就显得尤为重要。自适应前馈可 以实时地对前馈功率放大器系统进行自适应控制，使放大器始终工作在最佳 状态【3 1 】。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。整个自适应前馈技术包括两部分：反馈策略的选择和最优权重系数 的计掣3 6 1 。自适应前馈技术一般有三种反馈策略【4 l 郴】，即导频信号法、相关 检测法和能量最小法( 也叫最小功率检测法) 。 导频信号法是一种常用的自适应控制策略【明，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值 一般比输入的基波信号的幅值小1 0 2 0 d b ；在误差放大器前注入的导频信号 幅值应满足在误差消除环路，误差放大通路的导频信号与失真信号的比值与 主放大器通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。 图3 - 7 导频信号法简要框图 如图3 7 所示，与传统前馈电路相比，导频法自适应前馈电路中增加了 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 一个导频信号源，它用来提供导频信号；而且还增加了两个同步检测电路( 由 混频器、低通滤波器及低频放大器组成) ，它们提供了误差信号的相关信息。 另外，控制系统根据同步检测电路反馈的信息，对两个矢量调节器进行自适 应控制，使前馈电路保持在最佳工作状态( 注：图中未考虑主功放和辅功放 的延迟) 。 另外一个应当关注的问题是导频信号频率的确定。要用导频信号去间接 度量基波信号或者误差信号，那么导频信号就应该与基波信号越接近越好， 但是如果频率太接近，导频信号又成为滤除不掉的干扰信号。现代通信系统 很多是多载波输入，信号频率不止一个，所以要求导频信号的频率与所有的 基波信号都接近，一般取输入信号频率的平均值或者近似平均值作为导频信 号的频率。这样的话，也存在负面作用，因为导频信号与输入信号会相互影 响，产生新的交调失真信号。 图3 8 相关检测法简要框图 图3 8 的误差提取环路采用相关检测法。相关检测法根据非线性失真信 号与基波信号的相关特性调节矢量调制器的控制系数 3 8 , 3 9 。在误差提取环路， 从主功放输入端和输出端的功分器中分别耦合部分信号至相关器，经适当的 处理后进行相关运算；控制系统根据相关运算结果，以两者之间的最小相关 度为目标，调节矢量调制器的控制系数。同理，在误差消除环路，也是以所 提取误差信号和基波信号之间相关度最小为目标，调节矢量调制器的控制参 数。因为误差提取环路所得到的误差信号质量会影响误差消除回路的自适应 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 控制性能，所以相对于误差消除环路，相关检测法比较适用于误差提取回路。 图3 9 最小功率检测法简要框图 图3 - 9 中的误差提取环路和误差消除环路采用最小功率检测法。最小功 率检测法通过调节矢量调制器的控制系数e 4 0 ，使提取的失真信号能量最小化， 以达到使非线性失真信号最小化的目的。分别从误差提取环路和误差消除环 路的输出端，耦合出部分信号，经过混频和滤波之后，输出的误差信号就被 提取出来；以该误差信号的功率最小化为目标，调节矢量调制器的控制参数。 最小功率检测法比较简单，不会引入新的失真信号，但是该方法易受测量噪 声的影响，精度不高。 3 3 3 前馈预失真法 虽然前馈放大器能够把系统的非线性失真降低到很低的程度，但是，因 为附加了辅助功率放大器而且多次从主支路进行耦合，分流了部分功率，所 以前馈放大器的效率一般比较低，甚至低至百分之十几的水平，这样对于电 池的使用寿命、输出功率的利用、放大器的体积以及散热都有着不利的影响。 因此，可以采用前馈与预失真相结合的方法来提高整个系统的效率。前馈预 失真功率放大器的工作原理如图3 1 0 所示，与传统前馈电路相比，前馈预失 真功率放大器在主功放的前面增加了一个预失真器。该预失真器可以使得主 功放的输出端的误差信号的功率降低到比原来低得多的水平，减轻了辅助功 率放大器的“负担 ；而且对于一个前馈电路来说，抵消小的非线性失真信 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页 号显然比抵消大的非线性失真信号来得轻松，而且可以提高整个系统得线性 化指标。因为前馈预失真降低了对辅助功放的放大能力要求，又减小了所要 抵消的目标误差信号，所以前馈预失真比单单前馈的效率更高，但是前提是 要增加一个预失真器，提高成本。 图3 1 0 前馈预失真法简要框图 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 第4 章前馈电路的