（微电子学与固体电子学专业论文）射频前馈功率放大器研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 全球无线用户飞速增长，使频谱资源越来越稀缺，与此同时，新兴的包 络变化的线性调制技术q a m 、q p s k 等相继出现和应用，进而对系统的线性 化指标提出了更高的要求，使得有效降低失真分量的线性化技术逐渐发展起 来。具有稳定性好、带宽较宽、失真抵消较好等优点的前馈技术是一种广泛 使用的线性化技术。基于前馈技术的线性化系统正逐步成为研究热点。 本文分析研究了大量关于射频功放的输出功率和线性化的技术资料，进 而概述了非线性失真的基本知识，总结了非线性失真的基本表现形式及其常 用的线性化技术。传统的前馈功放系统已经经过了很长时间的发展和研究改 进，但是还存在一些需要解决的问题，如：系统会衰减输出信号功率、对误 差信号放大器的线性度和增益要求很高、整个前馈功放系统的调试不够简便 和灵活等。 针对上述问题，本文提出传统的前馈系统各器件的固有损耗和非线性是 影响系统输出功率和线性度的重要原因之一。首先，指出基波信号消除环路 对消电平低，容易受外界干扰而引起波动，而且对消完以后合成器的输出信 号更小，不易检测控制，增加了相关检测法或最小功率检测法的难度；同时 增大了误差信号放大器增益和线性度要求。本文提出在“l o o p l ”的输出信号中 要保持反相基波信号和误差信号并存的思想。其次，分析了器件本身的损耗 和非线性对基波信号消除环路和误差消除环路的幅度和相位的影响，并分别 推导了两环路中各器件本身的损耗和非线性对功率和线性度的影响公式。最 后，设计了一个含基波放大器的前馈功率放大器系统。改进的前馈系统提高了 前馈功率放大器的输出功率，减小了对误差功率放大器的增益要求，并且有 效降低了输出信号的非线性失真，使整个前馈系统的调节更加灵活。 关键词：前馈；基波放大器；交调失真；幅值失配；相位失配 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 a st h en u m b e ro fg l o b a lw i r e l e s su s e r e si n c r e a s i n gr a p i d l y , t h ef r e q u e n c y s o u r c eb e c o m e sm o r ea n dm o r ec r o w d e d a tt h es a m et i m e t h en e wl i n e a r m o d u l a t i o nt e c h n i q u e sw i t hv a r y i n ge n v e l o p ，s u c ha st h eq a ma n dq p s k ，a r e e m p h a s i z e di nr e c e n ty e a r s ，w h i c hb r i n gf o r w a r dm u c hm o r es t r i c tl i n e a r i z a t i o n t a r g e tt ot h er fs y s t e m f e e d f o r w a r dh a sb e e nd e v e l o p i n ga n db e c o m e st h em o s t p 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 yd u et oi t sm a n ym e r i t s ，s u c ha sh i g hs t a b i l i t y , w i d eb a n d w i d t h , g o o dc a n c e l l a t i o ne 伍c i e n c y t h r o u g ht h er e s e a r c ha n da n a l y s i sa b o u tm a n yp a p e r so ff e e d f o r w a r d a m p l i f i e rs y s t e m ，t h i sp a p e rp r o p o s e dt h eb a s i ck n o w l e d g eo ft h en o n l i n e a r , t h e c 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 ll i n e a r i z a t i o n t e c h n o l o g i e s i nt h ep a p e r t h et r a d i t i o n a lf e e d f o r w a r da m p l i f i e rh a sb e e n d e v e l o p e df o ra1 0 n gt i m e b u tt h e r ea r es t i l ls o m ep r o b l e m sn e e d i n gb es o l v e d n o w f o re x a m p l e ：t h eo u t p u tp o w e ra t t e n u a t i o n , t h es t r i c td e m a n d sf o rt h ee r r o r a m p l i f i e ra n dt h ec o m p l i c a t e da d i u s t m e n t i nr e s p o n s et ot h e s ei s s u e s t h i sp a p e ri n d i c a t e st h a to n eo ft h ei m p o r t a n t c a u s e st h a ta f f e c tt h eo u t p u tp o w e ra n dl i n e a rb a s e do nt h et r a d i t i o n a lf e e d f o r w a r d c i r c u i ti st h ec o n s u m ea n dt h en o n l i n e a rd i s t o r t i o no fc o m p o n e n t e s f i r s t , t h e r ei sa l o w e rs i g n a lp o w e ri nl o o plw h i c hi sd i s t o r t e de a s i l yb yt h eo u t p u tn o i s e n l i s s m a l ls i g n a la f t e rt h es y n t h e s i z e r1i sac h a l l e n g ef o rt h ea d a p t i v ec o n t r 0 1 t m s p a p e rp r o p o s e sa ni d e at h a tt h ep r i n c i p a ls i g n a la n de r r o rs i g n a lm a i n t a i ni nt h e i n p u ts i g n a l so fe r r o ra m p l i f i e ra tt h es a m et i m e s e c o n d l y , t h ep a p e ra n a l y z e st h e r e l a t i o nt h a tt h el o s sa n dn o n l i n e a ro fd e v i c ea g a i n s ta m p l i t u d e m i s m a t c ha n d p h a s e m i s m a t c hb a s e dl o o p la n dl o o p 2 t h ee x p r e s s i o nw a sp r o p o s e dw h i c hc a n d i s p l a yt h ec o n e c t i o n i nt h ee n d , t h ep a p e rd e s i g naf e e d f o r w a r dp o w e ra m p l i f i e r s y s t e mw i t hap r i n c i p a lw a v ea m p l i f i e r i nt h ed e v e l o p e da m p l i f i e rs y s r e m ，t h e o u t p u tp o w e rh a sag r e a ti m p r o v e m e n t ；t h eg a i no fe r r o ra m p l i f i e rh a sb e e n d e c r e a s e de f f e c t i v e l y ；t h es y s t e mh a sal o w e rn o n l i n e a rd i s t o r t i o na n dm a k e sa f l e x i b l er e g u l a t i o no f f e e d f o r w a r ds y s t e m k e yw o r d s ：f e e d f o r w a r d ；p r i n c i p a l a m p l i t u d em i s m a t c h ； w a v ea m p l i f i e r ；i n t e r m o d u l a t i o nd i s t o r t i o n ； p h a s em i s m a t c h 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： 本文提出了误差提取环路的作用不仅仅是用来提取纯净的误差信号，还用来 提取部分反相的基波信号的思想。在此思想的指导下，设计了一个含基波放大器 的射频前馈功放系统，仿真结果显示各项数据与设计思想基本吻合。 到寺次 御o6 。g 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 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密。使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名：式考多良指导老9 磁名：铲彦钐 日期：聊9 口多口g 日期：渺夕口l - o 易 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 本课题提出的背景 近几年，无线通信技术和移动通信技术迅猛发展，不仅改变人们的通信 方式，还从某种程度上改变了人们的生活方式。从全球范围来看，无线通信 用户量都在持续逐年大幅度增长，为增加通信容量，频道从原有1 5 0 m h z 频 段提高到了8 0 0 - - 一9 0 0 m h z 频段，现在又向1 8 g h z 频段发展；与此同时，为 了提供更加灵活的通信服务，还出现了多种体制，如w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 体制以及t d s c d m a 等。这些新的通信技术日趋成熟，并逐渐成为推动社 会经济发展的强劲动力。 所有的无线通信系统都要求对相邻频段的用户产生最小的干扰，也就是 必须在所规定的频段范围内传送信号。但随着无线用户的飞速发展和宽带通 信业务的发展，通信频段变得越来越拥挤，在频谱效率和功率效率这两个重 要指标之间更趋向于选择频谱效率。为了在有限的频谱范围内容纳更多的通 信信道，要求采用频谱利用率更高的传输技术，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 r ep h a s e s h i f t k e y i n g ) t ：j 等相继出现，并在现代无线通信系统中被广泛采用。但通信系统中 的非线性器件必定会使发送信号产生非线性失真，从而对相邻信道产生不同 程度的干扰d 4 。 对于采用恒包络调制如f m ( f r e q u e n c ym o d u l a t i o n ) 、m s k ( m i n i m u ms h i f t k e y i n g ) 的无线通信系统，可以采用滤波技术等来消除谐波干扰。但对于包络 变化的线性调制技术q a m 、q p s k 等，滤波并不能消除交调产物，因此必须 采用线性化的发射机系统。 1 2 发射机系统与射频功率放大器介绍 1 2 1 发射机系统简介 在无线系统中，发射机是重要的子系统。无论是话音、图像还是数据信 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 号，要利用电磁波传送到远端，都必须使用发射机产生信号，然后经调制放 大送到天线。发射机的特性与使用场合有关。远距离系统中，大功率低噪声 是首要指标。空间和电池供电系统中，效率必须要高。通信系统中，要求高 稳定性。发射机系统一般由激励源模块、滤波器模块、射频功率放大模块和 双工模块组成f 3 】。由于信号传播距离较远，造成的衰减也很大，所以要求从发 射端出来的信号有足够的功率。在移动通信系统基站和移动台的发射机中， 射频功率放大器的主要任务是线性放大射频信号并将它发射出去，且这一信 号能够被正确地接收，不会被邻近信道的信号所干扰。射频功率放大器是射 频发射机系统功率放大模块的核心器件，也是发射机系统中非线性最强的器 件，无论是在无线通信还是有线通信领域，在发射系统中，功率放大器都是 必需的器件。功率放大器的工作性能直接影响着发射机系统的性能，牵动着 整个通信系统的质量与效率。功率放大器的效率和线性化技术成为一个广泛 而活跃的研究领域，对通信技术的快速发展具有重要的促进作用。 1 2 2 功率放大器的分类及主要技术参数 从功率放大器的输出功率和效率这个角度出发，可将功率放大器分成a 、 b 、c 、d 、e 、f 【4 s ：】类。归纳这些分类原则，大致可以分为两种：一是按照 晶体管的导通情况分，二是按晶体管的等效电路分。按照信号一周期内晶体 管的导通情况，即按导通角大小，功率放大器可分为a 、b 、c 三类。在信号 的一周期内管子均导通，导通角0 = 1 8 0 0 ，叫做为a 类。晶体管在一周期内只 有半周期导通的称为b 类，即0 = 9 0 0 。导通时间小于一半周期的称为c 类， 此时0 0 ，则 咔 ， ( k l + j - k 3 3 ) 毛，这种特性称之为增益扩张，反之若k 。 0 的增益扩张效应，这样也可以用来作为预失真器件。 2 2 2 交调失真 当在一个非线性放大器或任意一个非线性网络的输入端加入两个或两个 以上不同频率的信号时，在其输出端会产生的除这些单频外的新频率信号。 这些新出现的单频信号就是非线性系统交调失真的产物。假设双音输入信号 是幅度相同，频率是c o ，和0 3 2 的两个单频信号，如式2 1 4 所示： y 心) = c o s ( 2 砺f ) + c o s 【2 矾t ) ( 2 - 1 4 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第l o 页 放大电路的非线性幅度响应应用幂函数逼近表示为： y 。( f ) = av ，( f ) + by2 ，( f ) + c 矿3 ，( f ) + ( 2 1 5 ) 其中彳、召、c 为常数。如果只取到二次方项，则输出电压为： y 。( f ) = ae o s ( 2 n f l t ) + ac o s ( 2 f f z t ) + be o s 2 ( 2 9 t ) + b c o s 2 ( 2 n f 2 t ) + 2 b c o s ( 2 n s l t ) c o s ( 2 z t f z t ) ( 2 1 6 ) 将上式2 - 1 6 展开后，可以发现输出电压圪包含频率d c 、乃、正、劲、现、 石奶。如果放大电路的非线性幅度响应中取到三次方项，除二次方展开输出 电压得到的频率外，还得到包含葫、坜、新坜、j 5 i 2 昵的频率。这些频 率可分类为：二次谐波劲、现( v 2 项引起) ；三次谐波斩、3 j ；( v 3 项引起) ； 二阶交调力场( v 2 项引起) ；三阶交调劲场、j i 士2 j ( v 3 项引起) 。 氏矗 可 新 降卜一厂 图2 - 1 前5 阶失真分量频率 这些频率中距离输入信号乃和正最近的频率是三阶交调产物2 力历、现历。三 阶交调失真 2 0 l 是射频功率放大器电路的一项主要失真，也是衡量功率放大器 电路性能的一项重要指标。 由图2 - 1 不难发现，奇数阶交调分量以相等间隔对称出现在两个信号频 率的两边，形成旁瓣，奇数阶i m d 是放大器产生的失真分量，对有用信号是 很有害的。此外也可以看出，随着i m d ( n + 1 ) 鳓一，z 纰1 和 肌f ( 刀+ 1 ) c o ，一，2 触1 奇数阶的增加，其他频率距离基频较远，其幅度相应地 减小，很容易使用滤波器滤除。所以，在一般的实际应用中，i m d ，及其以后 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 的频率失真分量可以忽略。求得交调分量幅度后，就可以确定功率放大器的 交调截断点( i n t e r c e p t p o i n t ) 。交调截断点是功率放大器一个非常重要的参数， 很多半导体公司以其生产的放大器的交调截断点的大小来说明其产品的性 能。交调截断点指放大器输出信号的电平和交调失真成分的电平相等的点。 显然，放大器的信号电平一般情况下是不会与交调分量的电平相等，而是通 过把信号功率直线和交调分量的功率直线延长，使它们相交，此相交点即为 交调截断点，如图2 - 2 所示。 p o u t ( d b m ) p i 图2 2 三阶截断点 p i n ( d b m ) 各阶交调失真都会有相应的交调截断点与之对应。但三阶交截点对系统 性能影响较大，是功率放大器性能的重要指标。而1 m d 5 的电平往往比1 m d 3 的电平小很多，所以与1 m d 5 相对应的以很少考虑，按收敛序列展开理论， 更高阶的p 完全可以忽略。由于上述原因，在一般情况下只需用i p s 表示放 大器工作在弱非线性区的线性性能。然而当放大器工作在饱和的强非线性区 时会出现这样的情况：i m d 3 微小的幅度也会引起i p s 发生很大的变化，进而 使得双频测试误差急剧增加。 从实际应用来说，功率放大器属于一种非线性器件，无论工作在线性区 还是在非线性区，其都会或多或少地产生非线性产物，只不过工作在线性区 时，其表现出的非线性特性比较弱而已，已经证明当功率放大器工作在远离 l d b 增益压缩点时，即工作在线性区时，其表现出较弱的非线性，此时，三 阶交调失真一般低于一3 0 d b c 。而在接收机的功率放大器或低噪声放大器的设 计中很小的交调失真产物也能使弱信号发生较大的失真，而此时的放大器一 般都工作在弱非线性区，故用双频信号分析这些情形很有效。由于双频分析 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 可以定性比较放大器线性性能的优劣，故其在功率放大器的设计中也是很重 要的。当功率放大器工作在l d b 压缩点附近或超过l d b 压缩点的时候，放大 器就会表现出很强的非线性，此时再用双频分析就显得就很不方便了。 2 2 3a m - p m 转换效应 除了由作为频率函数的非线性相位特性引起的失真以外，放大器可能有 另一种相位失真，即信号通过功率放大器时会产生一定的相移，相移的大小 随输入功率的大小而变化。相位失真是增益压缩的表现结果。电路进入饱和 后，相位失真将非常的严重。在通信系统中，相位失真将使系统的群时延失 真，微分相位、微分增益和交调失真变坏。同时，相位失真的存在将使输出 的信号中存在调相分量，产生杂波干扰。由于作为频率函数的非线性相位特 性引起的相位失真，信号通过功率放大器时会随输入功率的大小而变化。增 益压缩饱和后相位失真将更加严重。在通信系统的群时延失真，微分相位、 微分增益和交调失真变坏的信号中存在调相分量，产生杂波干扰。 由于系统传递函数h ( j c o ) = l h ( j c o ) e x p j z ( c o ) 的相位与频率间的非线性 关系，使输出信号产生了群时延差异和a m p m 转换失真。 群时延定义为： f ：一掌( 2 1 7 ) f = 一l ( 2 一i7 ) a o ) 当系统相移特性是线性的，意味着对信号所有频率分量有着固定的时延，群 时延是一和频率无关的常数；若系统是非线性的，则信号的各个频率分量将 受到不同的延迟，导致相位失真，群时延是和频率有关的函数。图2 3 是线 性、非线性系统相移与频率的关系图。 a ) 线性系统b ) 非线性系统 图2 3 两种系统相移与频率的关系 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 a m p m 转换效应，即输出信号的相位随输入信号幅度的变化而变化。直 到现在，测量a m p m 转换仍是一个复杂的问题，用老一代的矢量网络分析 仪测量时必须校准在非常低的功率电平下，一旦电平发生变化，仪器产生的 相位测量误差将大于被测量器件a m p m 的变化，现代的仪器对这种变换的 敏感性小得多，在相同的功率范围内对转移特性的相位进行扫描测量，但仍 缺乏精确的校准点。这类似于三阶截断点或l d b 增益压缩点，它仅能提供幅 度失真的粗略估算。 2 3 射频功率放大器线性化方法 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2 4 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p 1 血点有所降低。 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：负反馈法、e e & r 法、预失真法、l i n c 法、前馈法等。 图2 4 线性化图示 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 2 3 1 负反馈法 负反馈法 r t - 1 9 1 是改善放大器线性度的一种较早的方法，在线性化系统中， 负反馈对失真也有很好的抑制作用。负反馈法是将放大器的非线性失真信号 反馈到输入端，与原输入信号一起作为功放的输入信号，以减少功率放大器 的非线性的一种方法。负反馈系统基本框图如图2 5 所示，反馈增益表达式 为：a f = a ( 1 + a b ) ，保证是负反馈的条件是：a b 为正数，其中，a 为放大器 的开环增益，b 为反馈系数。通常情况下，a b 远远大于1 ，这时放大器的反 馈增益仅依赖于反馈网络的反馈系数，而与放大器的开环增益无关，反馈网 络可由高准确度的线性无源元件构成。 图2 5 负反馈线性化法系统框图 从功放线性化的角度考虑，负反馈系统是牺牲功放增益来达到压缩失真 信号的目的。负反馈法可以控制功放输入输出阻抗，减小噪声的影响和功放 对电路元件特性变化的敏感性，通常指的是温度变化的敏感性。由于基于反 馈原理，负反馈线性化法受反馈网络延迟的限制，带宽有限，这种技术使得 放大器带宽很窄，不适合宽频带放大。若相位控制不好，容易产生正反馈而 引起不稳定，因此稳定性问题是其主要缺点。当系统频率较高时，必须减小 环路增益，否则系统的稳定性则很难保证。但减小环路增益又影响到失真的 抑制。为了使系统工作在低频状态，一般不采用直接的r f 反馈，而是采用调 制反馈技术。 利用负反馈改善放大器线性的方法很多，常用的反馈方式有：包络反馈， 极坐标负反馈、笛卡尔负反馈。不同反馈系统的复杂度相差很大，主要区别 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 是反馈信号取得的方式不同。但是负反馈电路以降低放大器的增益为代价， 并且实际电路很难保证反馈网络在高频段的很宽频带内使反馈信号与输入信 号反相，相移控制很困难，因此负反馈一般只用在低频场合。 2 3 2e e & r 法 e e & r 法f 2 l 埘】是英文e n v e l o p ee l i m i n a t i o na n dr e s t o r a t i o n 的缩写，即包络 消除与恢复法。这种技术最早由k a h n 提出。e e & r 把输入信号分解成幅度和 相位表示的形式，但只有相位信息通过非线性功放，而幅度信息则用来控制 功放的供给电压，通过此方式达到线性化目的。其基本原理图如下图2 - 6 所 示，该方法基本思想是：下支路主要是采用一个限幅器，把输入的射频信号 进行限幅，使之成为恒定包络的信号，再对这恒定包络的信号进行放大。由 于下支路是对恒定包络信号进行放大，在这里就可以采用高效率的开关模式 放大器，并且放大的线性度比较高，也可以较好的保留相位信息。上支路采 用包络检波器对输入的射频信号进行包络检波，检波后输出的低频幅度信号 的放大电压直接作为下支路开关功放的电源驱动，这样就相当于用它增量 调制射频相位信息，于是就将幅度信息和相位信息重新有机的结合起来了， 达到恢复并线性放大原来信号的目的。 图2 - 6e e & r 线性化法系统框图 e e & r 的主要优点在于它可以让射频功率放大器总是工作在比较高效的 开关模式状态，在输出功率很宽的范围内都有比较高的功率效率。这一点对 于在无线系统中有效的利用功率控制是非常重要的，由于利用功率控制技术 时，放大器往往会在比最大输出功率低很多的状态下工作，例如3 g 技术中广 泛采用的码分多址技术，本身是一个互干扰系统，为了降低手机终端对其他 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 用户的干扰，要利用功率控制技术来调整手机的发射功率，这类情况下，在 输出功率比较宽广的范围内都有很高的效率就显得尤其重要了。 除了上述优点之外，e e & r 系统还存在一些缺点：其系统本身调制的精 确度不高、系统整体性能随时间和温度的变化而变化、还有限幅器的非理想 性和调制器的a m p m 转换等，这些因素都将影响放大器输出的失真产物， 有时会产生附加的高阶产物。e e & r 技术己经在高功率的s s b 和t v 广播系 统中使用，但是对于现代数字无线通信应用，暂时还处于研究阶段。 2 3 3 预失真线性化法 预失真技术1 2 - 3 2 是一种广泛使用的功放线性化技术，图2 7 是一种典型的 预失真系统框图。根据预失真器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。 p r e d i s t o r t e r 图2 7 预失真线性化法系统框图 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。从传输函数的角度考 虑，预失真器的传输特性就与功率放大器的非线性特性相反，如图2 8 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 码 纡婚野 a ) 预失真器特性b ) 非线性放大器特性c ) 系统特性 图2 8 预失真线性化的传输特性 假设系统传递函数流程图如下图2 - 9 所示： ba 颢八 h | 0 确h _ u 回 图2 - 9 预失真系统传递系统框图 图中，a 为非线性放大网络，b 为放大器补偿网络。他们各自传递函数如下： 日一= 日。( ，缈) f 胛细 ( 2 一1 8 ) 船而 ( 2 - 1 9 ) 式中，七为常数。则总的传递函数为： 日= 日。h 占= 七 ( 2 2 0 ) 借助于上面的分析，我们就可以设计出预失真器。常见的预失真有立方 预失真、谐波预失真、单二极管预失真、二极管反相平行对预失真、场效应 管预失真等。本文主要是对前馈技术的研究，就不对预失真做详细描述了。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 2 3 4lin c 线性化法 l i n 0 1 6 , 2 7 ，4 8 】法是英文l i n e a ra m p l i f i c a t i o nw i t hn o n l i n e a rc o m p o n e n t s 的缩 写，即非线性器件的线性放大法，1 9 7 4 年由c o x 提出。它不用反馈环，保证 了整个电路工作稳定。类似于e e & r ，l i n c 也是采用两个支路把输入信号分 离，但不同的是分离的两路信号都是等幅的恒定包络信号。l i n c 线性化原理 框图如图2 1 0 所示。 图2 - 1 0l i n c 系统框图 其工作原理是对任意幅度和相位变化的带通信号用恒定幅度和只有相位 变化的两路信号q ，( f ) 和s ，( f ) 来表示，这两个角度调制信号可以使用功率效率 高的非线性放大器进行分别放大，由于两支路的信号均为恒定包络信号，经 放大器放大后的非线性失真很小，最后将两路放大的信号合成产生期望的放 大信号a s ( t ) 。 所设输入信号为： s ( t ) = v ( t ) c o s ( d 。f + 秒( f ) 】 ( 2 - 2 1 ) 式中，例表示信号的幅度调制部分，乡( f ) 表示信号的相位调制部分，织 为载频。输入信号被分离成幅度相同且相位不同的两路信号s ，( f ) 和s ：( f ) ： s l ( f ) = k 地，c o s o ) 。f + 秒 ) 一a o ) ( 2 2 2 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页 s 2 0 ) = y | 徽c o s o ) 。f + 口o ) + 口o ) 】 式2 2 1 中，有 2 s ( t ) = s 1 ( f ) + s 2 ( f ) 国( f ) = c o s 。1 矿( f ) 】 ( 2 2 3 ) ( 2 - 2 4 ) ( 2 2 5 ) 信号的分离技术早期在射频频段用模拟技术实现，但硬件的复杂性和高 代价阻碍了该技术的发展和应用。d s p 技术的发展使得信号分离完全可以采 用d s p 设备用软件实现。l i n c 技术对两条路径上的增益和相位差异极其敏 感，增益和相位匹配的任何误差都会导致失真信号的不完全消除，将会严重 影响系统的线性性能。目前在实际中此方法较少应用。 2 3 5 前馈线性化法 前馈法【，删】的工作原理如图2 1 1 所示，它由环l 和环2 的两个环路组成， 环1 是信号对消环路，环2 是失真对消环路。将功率放大器( p a ) 输出1 2 1 耦合 部分信号能量与延时后的输入信号相减，若通过调节使两通路时延及增益相 同，输出信号为两路信号相减所得，即为放大器失真值大小。然后将此失真 值经放大器放大后与经同样时延后和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 5 1 1 。 信号对消环失真对消环 图2 - 11 前馈线性化法系统框图 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 前馈功率放大器系统也有一些不良之处：整个系统结构复杂、增益、相 位调整困难、硬件实现成本高，在温度、电源电压、工作频率等周围环境变 化时，电路的参数变化不可能完全一致。从而使放大器的线性度变坏，影响 放大器的性能。对于线性度要求较高的系统，必须加自适应电路才能满足要 求。因此，必需在此基础上采取其它辅助措施，如加自适应电路，矢量控制 电路等。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 l 页 第3 章传统前馈系统的问题分析 3 1 传统前馈功放架构解析 2 0 世纪2 0 年代，贝尔室验室的h s b l a c k 提出了前馈和负反馈等两种降 低p a 非线性失真的技术【2 5 】。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。新一代通信体制及调制技术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化技术势在必行。前馈法和其他线性化方 法相比，更为先进的是其稳定性和通用性【2 6 4 9 1 。此外前馈还有许多优点： 1 ，可以大大改善功放的线性度；( 前馈线性化技术u 在p a 的输出端对消 非线性失真，降低p a 的频谱扩展，理论上可以完全消除i m d 。) 2 ，工作频带的带宽较宽，不损失器件的增益带宽； 3 ，误差信号放大器是低噪声的放大器，使系统的总噪声性得到改善； 4 ，前馈是无条件稳定的电路。与负反馈法比较，前馈法需要两套完全相同 的放大器和延时线，其误差信号不是在同一个环路中抵消掉，而是在一个辅 助环路中将失真信号抵消掉。 双环前馈法是提高功放线性化的技术之一，其宽带、高效率、高线性度、 无条件稳定的特点使其成为近年来放大器线性化研究的主流r 蛔。经过前馈线 性化的c 类功率放大器，其线性度甚至好于a 类功放。一般的前馈功率放大 器主要由“l o o p l ”、“l o o p 2 ”两个环路组成。本小节不妨令误差信号放大器为 线性、无延迟的功率放大器，耦合器、合成器、衰减器、延时器均为理想器 件。双环前馈电路的基本原理框图如图3 1 所示： 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 2 页 图3 1一般的前馈功率放大器结构 “l o o p l ”是基波信号消除环路( 或称为误差信号提取环路) ，输入信号经耦 合器c 1 后分成两路：一路信号经主放大器放大，由耦合器c 2 分出部分信号功 率送至合成器h 1 ；另一路作为参考信号，经延时器t 2 适当延时、矢量调节器 m ，后与第一路信号同时到达合成器h l ，并以基波信号彼此幅度相等而相位相 差为1 8 0 0 ，基波信号才能完全被抵消，并提取出失真信号。 “l o o p 2 ”为误差信号消除环路，“l o o p 2 ”的工作原理与“l o o p l ”相似，经过 误差放信号放大器a 2 放大后的失真分量，在耦合器c 3 处与输入信号经过主 功率放大器a 1 产生的的失真分量相互抵消，从而使输出信号中的失真分量被 很好地抑制，理论上得到纯净的基波信号。 设输入双音信号为z ，。( f ) ： x 加( f ) = c o s q f + c o s c o ：t 经过功率放大器a l 后，设其输出信号硝，( f ) 为： x a i ( ，) = g 4x , ( t ) + a c o s ( 2 c 0 1 一c 0 2 ) t + c o s ( 2 c 0 2 一c o j ) t 】 ( 主要讨论对基波信号影响较大的三阶交调) e ( t ) = a c o s ( 2 c 0 1 一c 0 2 ) t + c o s ( 2 c 0 2 一c 0 1 ) t 则此输出信号可简写为： ( 3 - 1 ) ( 3 2 ) ( 3 3 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 3 页 x l = g _ 。x 加( f ) + e ( f ) 下路信号到达合成器h l 时为： x ( f ) = k 丁k 肘，k 。clx 嘲( f ) 有上面3 - 2 式和3 5 式可推出前馈的输出信号为： x o , ( t ) - - k 。2 砗匠g o ) + 酏) 】- 呸g g q 隅鲍) 调节3 - 6 式中的参数使： k 一q g g g 挺晚= o 最后的输出信号( f ) 为： ( 3 - 4 ) ( 3 - 5 ) ( 3 - 6 ) ( 3 - 7 ) x o 材购= g g & 和4 ( 3 8 ) 但实际上因为耦合器、衰减器、合成器、矢量调节器都存在一定的信号 损失和延时，进而使最终的输出信号功率达不到理论设计时的功率要求。同 时上述器件的损耗也会带来基波信号消除环路和误差信号消除环路产生幅值 失配以及相位失配的情况，不可能达到完全抵消失真信号的理想状态，进而 对实际的设计工作带来很多困难。 3 2 前馈功放系统架构的问题分析 3 2 1 基波信号消除环路的问题分析 任何一个非理想的电子器件都是非线性的，并且对经过它本身的信号的 功率都不可避免的产生一定的损耗；任何一个非理想功率放大器，其输入至 输出的转移函数必然为有限值且其经常工作在非线性状态；因此非线性功率 放大器的输出端必然含有非线性失真信号。功率放大器是便携式移动通信设 备上功耗最大的部分，业界对其效率的要求很高，通常工作在c 、d 、e 类及 高电平状态，因而必定会产生明显的非线性失真。图4 是实际的前馈原理框 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 4 页 图。其中，提取的误差信号涵盖几部分失真信息，即由主功放的输入端失配、 电子器件的非理想性和功放非线性等所产生的失真信息。虽然，主功放输入 端的失真信号幅值远低于其输出端的失真信号幅值，但经非理想的耦合器叠 加之后，其输出信号足以使后者产生一定的幅度失配和相位失配，从而阻碍 非线性失真的进一步降低。 为了便于分析“l o o p l ”的非线性对基波信号消除电路非线性失真特性的 影响，文中只讨论非线性影响较大的“三阶交调 信号，而且把三阶交调信 号分为上边带和下边带两部分进行分析。 “l o o p l ”的作用是通过抑制基波信号，提取由主放大器引入的失真分量。 图3 2 一般的前馈功率放大器结构 如图3 - 2 所示，设输入双音测试信号为x m ( t ) ，双音频率为f 0 1 、晚则： ( f ) = c o sc o l t + c o sc o z t( 3 - 9 ) 与此同时，上边带信号经过非理想的耦合器c 1 和主放大器a 1 后，设其输出 信号为( ，可写为下式： 。( f ) = k q ，o + q ) + k 讲c o s ( 2 q c 0 2 + a t ) t + c o s ( 2 c 0 2 一q + ) 明( 3 - 1 0 ) 设： 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 5 页 鲍) = 迸c o s g q 0 4 + a ) t + c o s e c 0 2 一q + 弦】 为上边带的误差信号，则： _ 。( f ) = k q 。x m ( t + r 1 ) + k p ( f ) ( 3 1 1 ) ( 3 - 1 2 ) 其中k 为非理想电子器件的传输损耗系数，g 为放大系数，c 为耦合系数。 未使用前馈技术的主功率放大器输出仿真图如下图3 3 所示： 瓮 e e e d m 2 1 m 1 t 一一 e v 。o 斗，if 啊兀 i i i o q l h p - 1 1 , 1 1 1 1 1 1 1i a c , d b m i a r n 0 1= - 1 3 2 7 ld b m ( a m l ) ) = 2 0 7 ：z 7 哪1 1 m 2 p m h z 图3 3 主功率放大器输出信号 ( f ) 信号经耦合器c 2 、衰减器后到达合成器h l ，设其信号为_ ，( ，则： x r ( t ) = c2g rx 一( t ) = c 2g ， 菇。g 彳石折( f + f ，) + k 。p ( ，) 】( 3 - 1 3 ) 下边带部分由耦合器c l 耦合部分输入信号，经过延时器t 。的延时和矢量 调节器m 1 的调节后到达合成器h 1 ，设其信号为x u 。( f l ，可写为下式： o ) = 砗k m k 。c 2 x i c t + r 2 ) + b c o s ( 2 0 q 一咤+ y ) t + c o s ( 2 皑一q + 纠r 】) ( 3 1 4 ) 设e ( f ) 为下边带的误差信号： 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 6 页 则： e ( t ) = b c o s ( 2 c _ q 一哆+ y ) t + c o s ( 2 q q + 够弦( 3 1 5 ) 嘞。o ) = k 7 k m 。k 。c l x 。o + r 2 ) + k r k m 。e ( ，) ( 3 1 6 ) 其中，小写字母如a ，b 等表示实数；罗马字母仅，丫，9 表示相位。 基波信号消除环路的主要目的是通过上下两路信号在合成器h 1 中合成， 消除基波信号，提取出误差信号。理想状态下，“l o o p l ”中上路信号( 虚线) 下路信号( 实线) 在到达合成器h 1 时的信号仿真图如图3 4 所示： i m 2il m l f f 嘲：8 4 7 ：o m h z k 秤= 8 47 0 1 v l h z j i d b m ( o u l ) = - 2 0 9 2 7 1j d b 最( o u 2 】：一3 3 8 5 7 】 m 2 ， 讯1 j 1r l ft 8 4 _ d8 4 58 5 08 5 58 6 0 f r e q m i - l z 图3 4 “d o o p l ”中上下两路信号对比 实际上，要想在“l o o p l ”中完全消除基波信号是不可能的，只能尽量调节各部 分，使其尽量完全对消。调节失量调节器、延时