（电路与系统专业论文）射频功率放大器的前馈线性化方法研究[电路与系统专业优秀论文].pdf

摘要 摘要 功率放大器是无线通信中十分重要的元件，随着第三代移动通信技术的发展， 对功放输出进行线性化成为无线通信中一个非常重要的课题，也是近年来国内外 的一个研究热点。本文的研究工作就是针对其中功放的前馈线性化方法展开的。 本文首先分析了射频功率放大器的非线性特性以及a m a m 和a m p m 转换 失真，并且分析了非线性失真对无线发射机的影响。然后根据国内外最新研究进 展讨论了常用的主要线性化方法：反馈、预失真和前馈技术，探讨了决定前馈系 统增益的因素，以及主通道的延迟插损对整体系统效率的影响。 本硕士论文的主要工作是根据c d m a 系统应用需求，设计了中心频率为 8 8 0 m h z 、带宽1 0 m h z 、输出功率不低于4 0 w 的射频功放。优化了放大器结构， 构造了平衡输出功放结构，详细讨论了相关匹配电路的方案，然后用a d s 软件进 行了s 参数仿真和谐波平衡仿真设计：所得端口反射系数较小，初步设计结果得 到不劣于p l , m = 4 3 d b m 的输出，然后利用前馈技术对初步结果进行线性化处理， 针对前馈系统对幅度和相位平衡度要求比较高的情况，有针对性地引入了矢量调 制器调整幅度和相位，并用最小功率检测法对所加矢量调制器的i 、q 系数进行优 化处理，考虑了系统的自适应控制的手段，最终仿真设计出了满足实际需求的射 频功率放大器。双音谐波平衡仿真结果显示，本设计三阶交调i m d 3 改善度超过 了2 5 d b ，前馈系统输出的三阶交调抑制可达- - 6 5 d b c 。 关键词：功率放大器；失真；前馈；线性化；交调抑制 a b s 订a 吐 a b s t r a c t p o w e ra m p l i f i e ri sav e r yi m p o r t a n tc o m p o n e n ti nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s y s t e m w i t h t h ed e v e l o p m e n to ft h et h i r d g e n e r a t i o n m o b i l ec o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g y , t h el i n e a r i z a t i o no fp o w e ra m p l i f i e rh a sb e c o m eav e r yi m p o r t a n ti s s u e a n da l s oi sah o tr e s e a r c hf i e l d t h i sr e s e a r c hi sa i m e da tt h ef e e d f o r w a r dl i n e a r i z a t i o n o f t h ep o w e r a m p l i f i e r i nt h i s p a p e rf i r s tt h en o n l i n e a rp r o p e r t i e s o fr fp o w e ra m p l i f i e ra n dt h e c o n v e r s i o nd i s t o r t i o no fa m - a ma n da m p mi sa n a l y z e d ，a l s ot h ee f f e c t so f n o n l i n e a rd i s t o r t i o nt or a d i ot r a n s m i t t e r si sa n a l y z e d s e c o n dt h eu s u a ll i n e a r i z a t i o n m e t h o di sd i s c u s s e da c c o r d i n gt ot h ed o m e s t i ca n do v e r s e a sl a t e s tr e s e a r c h ，i n c l u d i n g ： f e e d b a c k , p r e - d i s t o r t i o na n df e e d f o r w a r dl i n e a r i z a t i o nt e c h n i q u e f i n a l l yt h ed e c i s i o n f a c t o r so ft h ef e e d f o r w a r ds y s t e mg a i n sa r ed i s c u s s e d ，a n dt h ee f f e c tt h a tt h ei n s e r t i o n l o s so f t h et i m ed e l a ye l e m e n t sh a so nt h eo v e r a l le f f i c i e n c yi st h e o r e t i c a l l ya n a l y z e d t h em a i nw o r ko ft h i sp a p e ri st od e s i g nat h r e e s t a g ep o w e ra m p l i f i e rw i mt h e c e n t e rf r e q u e n c yo f8 8 0 m h z ，10 m h zb a n d w i d t h ，t h eo u t p u tp o w e ro f4 0 wf o r c d m as y s t e m t h eo u t p u ts t a g eo ft h i sa m p l i f i e rc o n s i s t so ft w os i n g l e s t a g e a m p l i f i e r sc o n n e c t e d i np a r a l l e l w ed i s c u s st h em a t c h i n gc i r c u i to f t h eo u t p u t s t a g ei n d e t a i l e d ，t h e nm a k esp a r a m e t e rs i m u l a t i o na n dh a r m o n i cb a l a n c es i m u l a t i o nu s i n g a d s ，t h er e s u l ti sp 1 d b = 4 3 d b mw i t hv e r yl o wp o r t sr e f l e c t i o nl o s s t h i sp o w e r a m p l i f i e ri sl i n e a r i z e du s i n gf e e d f o r w a r dl i n e a r i z a t i o nt e c h n i q u e b e c a u s eo ft h eh i g h r e q u i r e m e n t so fa m p l i t u d ea n dp h a s eb a l a n c e ，v e c t o rm o d u l a t o ri su s e dt oa d j u s tt h e a m p l i t u d ea n dp h a s eb a l a n c e ，a n dt h el e a s tp o w e rd e t e c t i o nm e t h o di su s e dt ot u n et h e t qc o e f f i c i e n to ft h ev e c t o rm o d u l a t o r c o n s i d e r i n gt h ea d a p t i v ei n s t r u m e n t ，t h er f p o w e ra m p l i f i e rw h i c hf u l f i l st h ep r a c t i c nr e q u i r e m e n ti sf i n a l l yd e s i g n e da n d s i m u l a t e d t w o t o n eh a r r n o n i cb a l a n c es i m u l a t i o ns h o w st h a ti m d 3h a sar e d u c t i o n o f2 5 d b ，t h et o t a li m d 3c a n c e l l a t i o no ft h ep o w e ra m p l i f i e ra c h i e v e sa n t i c i p a t e d 一6 5 d b c k e yw o r d s ：p o w e ra m p l i f i e r ：d i s t o r t i o n ；f e e d f o r w a r d ；l i n e a r i z a t i o n i n t e r m o d u l a t i o nd i s t o r t i o nc a n e e l l a t i o n 厦门大学学位论文原创性声明 兹呈交的学位论文，是本人在导师指导下独立完成的研究成果。 本人在论文写作中参考的其他个人或集体的研究成果，均在文中以明 确方式标明。本人依法享有和承担由此论文产生的权利和责任。 声明人( 签名) ：虱乏习习 础5 月面日 厦门大学学位论文著作权使用声明 本人完全了解厦门人学有关保留、使用学位论文的规定。厦门大 学有权保留并向国家丰管部门或其他指定机构送交论文的纸质版和 电子版，有权将学位论文用于非营利目的的少量复制并允许论文进入 学校图书馆被查阅，有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检 索，有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文在解密 后适应本规定。 本学位论文属于 1 、保密() ，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密( ) 作者签名：敬羽。 翩签名：f 乏 一 日期：7 顼镀年s 月2 0 日 日期：百石年 月2 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究的目的和意义 通信技术在过去数年的进展是有目共睹的，尤其在过去十年中无线通信技术 方面的飞速发展，不仅改变了日常通信方式，也某种程度上改变了人们的生活方 式，逐渐成为了我们生活中的组成部分之一。据统计无线通信用户的年都以1 0 的速度大幅度增长【”，相关的无线通信产业已经进入规模化发展的阶段。快速发 展的无线通信已经成为信息产业中最为耀眼的亮点，并成了推动当今社会经济发 展的强劲动力之一。 无线通信系统的目的是用最小的功率来保持每个信道的有效链接，但随着无 线用户的飞速发展和宽带通信业务的开展，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，要求采用频潜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 es h i f t k e 弭n g ) 等在现代无线通信系统中被广泛采用 2 】。 理想情况下，无线通信系统都要求对相邻频段的用户干扰最小，以确保在所 规定的频段范围内能f 确传递信号。但实际通信系统中的非线性器件、系统的不 完善、相移等因素必定会造成原始信号产生各类非线性失真，从而对相邻信道产 生不同程度的干扰。对于一个高功率的射频发射机而言，这些失真信号虽然会比 所要输出的信号小许多，但它的绝对值还是很大，会对系统产生干扰，因此必须 将其控制在一定的范围以内。 对于利用恒包络调制如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。而对于包络变化 的线性调制技术，滤波是无法消除交调产物的，只能采用线性化的发射机系统来 抑制。而本文所讨论的射频功率放大器是发射机系统中非线性最强的器件，特别 是通常情形下，为了提高整个系统的功率因素，射频功放会不知不觉地进入非线 性状态，使得系统的整体性能下降。因此设计制造线性功率放大器设计的研究已 经成为线性化发射机系统的关键技术 2 ，也成为从根本上提高移动通讯硬件系统 射频功率放大器的前馈线性化方法研究 性能的关键点。 1 2 国内外研究状况和进展 最早的功率放大器的线性化技术方面的研究可以追溯到上个世纪二十年代 末。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 并应用到放大器设计中，有效地减少了放大器失真，可以认为是功放线性化技术 研究的开端。但那时主要是从器件本身的角度来提高功率放大器的线性度，所研 究的功率放大器频率也较低。到上个世纪七八十年代，随着无线通信技术的兴起 和飞速发展，射频功率放大器的线性化技术也随之迅速发展。一些新兴的功放线 性化技术，如笛卡尔环路反馈技术、自适应前馈线性化技术、基于多项式拟合的 自适应预示真技术，基于查找表的数字预示真技术、l i n c ( l i n e a ra m p l i f i c a t i o n u s i n gn o n l i n e a rc o m p o n e n t s ) 技术、c a l l u m ( c o m b i n e da n a l o g u el o c k e dl o o p u n i v e r s a lm o d u l a t o r ) 技术等得到广泛的重视和发展，出现了一系列的实用专利。 在当今国际上的相关领域，无论是在学术界还是在工业界，对功率放大器的 线性化技术研究都得到广泛重视。近年来，i e e e 每年这个领域方方面面的各类论 文多达六七十篇以上。与此同时，由于该技术较强的实用性，每年都有上百个相 关的发明专利被申请。而国内对该技术的研究是近几年才开始的，随着越来越多 的研究所、高校和知名的通信企业开始重视此项技术，相信伴随国内通信业的发 展，会有越来越多的人从事这个领域的研究开发和应用。 实现功率放大器的线性化方法很多 3 1 ，其中较为常用的有功率回退、负反馈、 预失真和前馈等。负反馈和预失真技术电路结构较为简单，在过去广泛应用于各 种商业用途。然而由于负反馈同有的窄带特性和预失真有限的性能制约了其在某 些现代数字通信系统中的应用，在这些系统中，需要使用宽带、高效率、超线性 功率放大器。目前前馈线性化技术已成为极具吸引力的技术之一，因为它可以在 较宽的频带内有效地抑制线性失真产物，更适合动态信道分配的需要。现在蜂窝 系统的带宽一般都要求大于3 0 m h z ，使用前馈技术的宽带线性功率放大器，就可 以避免使用高功率、有损耗的合成器，及大量的单通道放大器，提高了系统功效。 前馈放大器还具有无条件稳定、线性度高、线性度与增益无直接关系、良好 的噪声特性等系列优点。利用前馈技术不仅可以大大的提高蜂窝系统多通道的性 能，而且可免去昂贵的滤波器和功率合成器，具有广泛的应用前景和潜在的经济 第一章绪论 效益，近来它已经成为国内外放大器线性化技术研究的主流发展方向之一 4 。 理论上来说，前馈线性化技术可以用于宽带并可以得到极好的抑制失真性能， 但实际应用中，特别是在宽带应用以及大动态范围性能要求都较高时，前馈系统 所要求的抑制环路的相位、延迟和幅度平衡就很难精确获得了，而且系统对环境 温度变化和器件老化很敏感，从而在一定程度上制约了目前前馈放大器在实际应 用中性能。另一方面前馈系统相对其它线性化方法的电路结构更为复杂，因此尽 管前馈技术的思想早在上个世纪七十年代就已提出，但其实际应用发展却远远落 后于失真补偿式的线性化技术。 随着以码分多址( 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，传统的线性放大器技术越来越显得力不从心。而从另一个角度，随着电子 器件制造技术以及数字信号处理技术不断进步，使得实现前馈线性化技术所需要 的核心硬件：精确控制相位、延迟和幅度平衡等已经成为可能，从而再次带动了 对前馈放大系统的系列研究与开发。据国内外资料检索，国外报道的对功率放大 器的线性化技术做得比较好的是韩国一家大学，在1 8 5 5 g h z 实现了三阶交调抑 制7 0 d b c ，三阶交调系数改善了4 0 d b ，主要采用的线性化方法就是前馈法，对相 位幅度的控制采用了d s p 技术，对信号的采样用混频、检波的方法，混频的本 振采用了锁相频综，使对相位、幅度能够精准控制 4 。国内报道的最好的是东南 大学朱晓维教授，在8 8 0 m h z 实现三阶交调抑制一6 5 d b c ，方法也是前馈法加d s p 技术，用四点对消法对输出信号进行采样 5 l 。 1 - 3 本论文的主要工作和内容安排 本论文的主要工作是对微波功率放大器的自f 馈线性化技术进行探索和研究。 论文首先系统的讨论了线形化技术的要点及实现方法、基本参数及相互关系，给 出了基本系统的设计方案，在此基础上用a g i l e n t 仿真软件a d s 仿真设计了个 中心频率为8 8 0 m h z 、带宽1 0 m h z 、输出功率4 0 w 的可用于c d m a 系统的实际 放大器。然后利用前馈方法对其进行了线性化的仿真研究，讨论了前馈系统中每 个器件的型号、仿真模型以及优化设计原则，最后利用a d s 中的“优化”功能， 实现了自i 馈系统的自适应控制。 具体研究内容安排如下： 1 、功率放大器的非线性特性及各种常用的线性化技术。 1 射频功率放人器的前馈线性化方法研究 2 、详细分析前馈功率放大器的增益及系统效率，设计了系统的工作方案。 3 、设计中心频率8 8 0 m h z 、带宽1 0 m h z 、输出功率4 0 w 的主功率放大器， 并使用a d s 软件对设计的匹配电路进行s 参数和谐波平衡仿真。 4 、设计前馈系统中其他重要元件，包括：功率分配器、定向耦合器、可调衰减和 移相器以及辅助功率放大器，并分别进行了s 参数仿真。 5 、进行整个前馈系统仿真，对于前馈系统幅度和相位平衡度要求比较高的情况， 引入矢量调制器，利用最小功率检测调整矢量调制器的i 、q 系数，并利用 a d s 软件“优化”的功能实现自适应控制。 研究成果如下： 设计出了中心频率8 8 0 m h z 、带宽1 0 m h z 、输出功率4 0 w 的功率放大器， 输出端采用平衡功率放大器结构，提高了输出功率，减小功放的噪声系数，有 助于提高系统的稳定性。引入矢量调制技术，通过矢量调制器成功的控制了衰 减和相移量，利用最小功率检测法实现了幅度和相位的优化控制，并利用a d s 的“优化”功能实现自适应控制设计。最后获得了输出功率4 0 d b m ，i m d 3 达 到- - 6 5 d b e 的高性能实用模型。 第二章射频功率放大器的非线性分析 第二章射频功率放大器的非线性分析 2 1 射频功率放大器的非线性模型 本论文的研究对象是高功率的射频功率放大器，本质上射频功率放大器都是 非线性的，也就是输出信号中包含非线性引起的失真分量。此外这些功率放大器 都具有或多或少的记忆效应，也就是其输出不仅与当时在输入端的信号相关，也 同过去某个时段的信号有关。这种现象当输入信号的带宽足够小时会得到缓解， 这样就可以把其看成无记忆非线性系统，在本文的所有分析中都假设所研究的射 频功率放大器没有记忆效应。 2 1 1 极坐标非线性模型 如果不考虑记忆效应，可以把输出信号中的幅度和相位失真看成是由输入信 号幅度变化引起的。这种模型实质上考虑功率放大器两种类型的非线性特性，即 幅度一幅度( a m - - a m ) 转换特性和幅度一相位( a m - - p m ) 转换特性。由于功 放的这两个非线性特性可以通过矢量网络分析仪直接测量得到，因此用a m - - a m 和a m p m 特性来描述非线性功放是实际中经常采用的方法。 考虑如下形式的单频输入信号： s = a c o s ( 2 万l t + 庐) ( 2 1 ) 当该信号通过非线性功放后，输出信号变为： s o = f ( a ) e o s ( 2 n f c f + 庐+ g ( d ) ) ( 2 2 ) 上式中f ( a ) 和g ( a ) 分别代表功放的a m - - a m 和a m - - p m 非线性转换特性。 m i n k o f f 的研究表n t9 1 ，对于调制输入信号，式( 2 - - 1 ) 和式( 2 - - 2 ) 所描述的关 系也同样适用，即对于如下调制输入信号： s i = f ( a ) e o s ( 2 n f d + ( f ) ) ( 2 3 ) 输出信号可表示为： s o = 厂 口o ) e o s ( 2 z r 工f + 庐( f ) + g 口o ) ) ( 2 4 ) 2 1 2 正交坐标非线性模型 对式( 2 4 ) 所示的极坐标非线性模型变形，可以得到正交形式的模型。这 射频功率放大器的前馈线性化方法研究 种模型建立了两种幅度模型i a ( t ) ) 和q a ( t ) j ，从而避开了较复杂的a m p m 转 换特性。 对式( 2 4 ) ，三角展开后可表示为： s o = f a ( t ) c o s g a ( t ) c o s ( 2 7 r f d + # ( t ) ) 一， 日o ) ) s i n g 口( f ) ) ) s i n ( 2 ，r 丘f + ( f ) ) ( 2 - - 5 ) 式( 2 5 ) 可写为如下正交形式： s o = i a ( t ) c o s ( 2 x f d + o ( t ) ) 一q 口0 ) s i i l ( 2 丌z f + ( f ) ) ( 2 6 ) 上式中j 和( f ) 和q 4 ( f ) ) 分别定义为： ，扣( f ) = ， 口( f ) ) c o s g a ( t ) ) ) q 缸( f ) = ，扣o ) ) s i n g 扣o ) ( 2 7 ) 根据式( 2 6 ) 可得到如图所示的正交非线性模型框图。 a c t ) 水( f ， c o z 彳正f + ( f q 口( f ) c a 2 f 正f + p ) ) 图2 1 正交坐标非线性模型框图 2 1 3 序列展开非线性模型 对于极坐标或正交坐标形式的非线性模型，都需要通过测量得到a m - - a m 或 a m - - p m 信息，而a m p m 一般较难直接测得。对于非线性系统，一种分析方 法是通过序列函数展开，得到简单描述的参数模型。 目前对射频功放非线性模型的展开方法有许多，如泰勒序列、功率序列、 s a l e h 函数和考虑记忆效应v o l t e r r a 级数等。本章用功率序列展丌得到射频功放的 带通无记忆非线性模型7 1 ，这种模型适合通信系统中带通信号的情况。 对于一个无记忆非线性系统，其输出信号可以用输入信号的功率序列表示， 如下所示： 第二章射频功率放大器的非线性分析 s o ( t ) = c j s f ( t ) = c o + c l s ( ) + c 2 s ( f ) 2 + c j s ( ) 3 + ( 2 8 ) j = o 上式中芝( f ) 是输出信号，s a t ) 是输入信号，0 是各项展开系数。当输入信号为 固定频率正的单载波正弦信号时，式( 2 - - 8 ) 所描述的非线性系统会产生频率为z 倍数的信号分量，这些信号分量称为基准频率的谐波失真分量。 2 2 放大器非线性引起的失真 2 2 1a m - - a m 和a m - - p m 失真 前面已经提到，式( 2 - - 4 ) 中的f ( a ) 和g ( a ) 分别代表功放的a m - - a m 和a m p m 失真特性。图2 2 ( a ) 示出了典型的放大器的幅度响应。注意到在接近功放的 饱和区域增益的减小，这就是a m - - a m 失真。比完全线性时小l d b 的输出功率 点称为l d b 压缩点。l d b 压缩点是作为放大器容量的一个非常重要的性能指标。 相位响应，如图2 2 ( b ) 所示，也随着输入功率水平的变化而改变，也被称作a m p m 失真。 r 。、$ t p i n ( b ) a m _ _ p m 失真 pi“all-li ( a )失真 ”7 “7 ” 图2 2 功放的增益和相位响应 2 2 2 交调失真o m o ) 前面已经提及，一个非线性功率放大器的传输特性可以由泰勒级数展开式表 示： 射频功率放大器的前馈线性化方法研究 v d o ) = 勺v f o ) = c l v i ( t ) + c 2 v i ( t ) 2 + c 3 一( f ) 3 + ( 2 9 ) v ( f ) 是放大器的输入信号，心o ) 是放大器的输出信号，对于双音等幅输入情形， 输入信号为： v f ( f ) = a c o s ( ) i t + a c o s o ) 2 t ( 2 - - 1 0 ) 将( 2 1 0 ) 代入( 2 9 ) ，得到放大器的输出为： v o ( t ) = 巳( 爿c o s 唧+ 爿c o s 吡f ) = q ( a c o s o d l t + a c o s c 0 2 t ) + c 2 ( a c o s ( o j t + a c o s c 0 2 t ) 2 坞( a c o s c o l t + a c o s ( 0 2 t ) 3 + ( 2 - - 1 1 ) 把式( 2 1 1 ) 展开，并忽略第五项以后高阶项的影响，结果如表1 所示。 表2 1 q ac 2 a 2岛c 4 a 4c s a 5 i ( d c ) l9 4 6 3 1 19 4 2 5 4 c 0 2 19 42 5 4 2 c o l l 22 2 c 0 2 l 22 6 2 1 士2 1 3 2 c o l 2 3 42 5 8 2 0 0 2 o i 3 42 5 8 3 c o l 1 42 5 1 1 6 3 c 0 2 1 42 5 1 6 2 ( c o i _ + c 0 2 ) 3 4 3c o i _ + 6 0 2 1 2 3 c 0 2 j r c 0 2 1 2 4 j 1 8 4 2 1 8 36 0 1 _ + 2 6 0 25 8 3 9 2 _ + 2 c o i 5 8 4 奶- + c 0 2 5 1 6 4 c 0 2 _ + c o i 5 1 6 5 l l 1 6 5 2 1 1 6 第二章射频功率放人器的非线性分析 由表2 1 可以看出，功率放大器的输出信号包含了直流、：、，、2 6 ) 。、2 6 ) 。、 3 啦、3 2 、2 6 9 i n2 6 ) 2 ”2 ( i 士2 ) 、3 6 ) i 2 、3 6 ) 扛等丰富的频率成分。这 些频率成分经过滤波后，落在通带内的频率成分除了信号频率、。外，还有 2 6 ) i 一”2 6 9 2 一l 、3 6 ) 2 2 6 ) 】、3 6 9 i 一2 6 ) 2 等奇阶交调失真分量。由于此时的功率放 大器工作在弱非线性区，五阶交调以上失真分量的功率电平较小，故在一般情况 下用三阶和五阶交调失真分量来表示其非线性就足够了。如图2 3 所示。由图不 难发现，奇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， 所以奇阶l i v i d 对有用信号是很有害的。此外也可以看出，随着i m d ( n + 1 ) c o i n 2 和m + 川m 2 一n 。，j 阶数的增加，其幅度相应地减小。双音分析的结果已经能很好的 表征功放的非线性特性，因此对于多音等比较复杂的情况我们在这里就不再加以 分析，有兴趣的读者可以查阅参考文献 6 提供的论文。 | | 3 嘲一 【上 啦吗 输入 2 噬一她q 皑2 吗一q 输出 一2 q 图2 3 双频检测失真信号的输出频谱 一旦求得交调分量的幅度后，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指标，很多半导体公司以其生产 的功率放大器的交调截断点的大小来说明其产品的性能。交调截断点定义为放大 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，也就是说，交调截断点并不是客观存在 的。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 4 所示( 三阶交调实例) 。 射频功率放大器的前馈线性化方法研究 p o u t ( d b m ) i p 3 p l d b ， ，二一 万： p i n ( d b m ) 图2 4 三阶交调截断点( i p 3 ) 理论上来说，各阶交调失真都会有相应的交调截断点与之对应。但一般人们 仅对会显著影响系统性能的三阶交调截断点( i p 3 ) 感兴趣，并把它当作重要的性 能指标列在放大器的数据手册中。而与i m d 2 相对应的i p 2 则很少被考虑，这是 由于i m d 2 落在通带以外，可被滤除的缘故；而i m d 5 的电平往往比i m d 3 的电 平小很多，所以与i m d 5 相对应的i p 5 也很少考虑，按收敛序列展开理论，更高 阶的i p 完全可以忽略。由于上述原因，在一般情况下只需用i p 3 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 3 发生很大的变化，进而使得双频测试误差 急剧增加。此时，若仍然仅使用双频测试就不能准确地分析工作在强非线性区的 功率放大器的性能。因此，i p 3 在功率放大器的设计中并不是很常用。 由于总体上看，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 - - 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 分析就显得很不方便，必须采用其它更加有效的方法( 如a c p r 方法) 来进行分 析。 第二章射频功率放大器的非线性分析 2 2 3 相邻信道功率比( a c p r ) 当功率放大器工作处于弱非线性区时，用双频测试来分析功率放大器的非线 性是很有用的。然而当功率放大器工作在l d b 增益压缩点附近甚至超过压缩点时， 高阶i m d ( 如i m d 5 和i m d 7 ) 的功率电平会明显增加，所以高阶交调失真分量 也必须予以考虑。此时在设计中用双频测试就不准确了。必须使用其他方法来分 析功率放大器的非线性特性。 当功率放大器工作在强非线性区时，相邻信道功率比( a d j a c e n tc h a n n e lp o w e r r a t i o ，a c p r ) 是用来分析其非线性特性的有力工具。所谓相邻信道功率比是指在 一定的带宽内所测得相邻信道的功率与主信道的信号功率之比。如图2 5 所示。 由于通信技术的飞速发展，多载波数字调制系统得到越来越广泛的应用，而通信 信道变得越来越拥挤，由于a c p r 可以有效地表征信道间的相互干扰情况，所以 a c p r 成了功率放大器设计的重要指标之一。前一节的双频分析假定两个信号的 频率差是固定的，然而，在现代通信系统中情况往往并非如此简单。可以想象， 在多载波的系统中，频率之间交叉调制的情况是非常复杂的，用简单的双频分析 远远不够准确。这正是a c p r 分析功率放大器非线性的原因。而用a c p r 的另一 个原因是a c p r 越小，说明在一定的带宽内信道间的相互干扰就越小。因此，在 相同误码率的条件下，a c p r 越小说明频带的利用率就越高。所以，当功率放大 器工作在强非线性区时用a c p r 分析其非线性特性更加合理。 图2 5a c p r 示意图 2 3 非线性射频功放对发射机性能的影响 图2 6 是一个典型的无线发射机系统框图。信号经矢量调制器后形成脉冲信 射频功率放大器的前馈线性化方法研究 号，这个脉冲信号经过成形滤波器后得到所需要的时域和频域特性，形成基带信 号。上边频系统把基带信号线性地搬迁到制定的射频频段，最后由射频功放放大 到指定功率后输出，这样就完成整个发射过程。 图2 6 无线发射机基波框图 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中的特性，只是由 上边频器在频域上有个线性搬迁的发射系统。发射机系统可以包含非线性器件， 但对整个系统必须呈现线性。出于对更高频频效率的要求，线性发射机系统是无 线通信技术的发展趋势，因此必须对发射机中非线性最严重的功率放大器进行线 性化处理。 对于无线通信系统，通常用输出信号频谱对相邻信道的干扰程度来衡量发射 机系统的线性化性能的好坏。相邻信道干扰比( a d j a c e n t c h a n n e li n t e r f e r e n c e ，a c i ) 是描述发射机输出频谱纯度的重要指标，定义为调制信号的频谱和带外最大频谱 的比值。 描述发射机线性化性能的另外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会产生矢量误差， 但不会对传输性能产生较大影响。但是当接收机系统信噪较高时，由于功放非线 性引起的矢量误差也会产生一定的误码率。通常采用双音测试方法来测量射频功 放的非线性指标。这种测试方法不需要调制信号源，操作比较简单；而且能在频 谱分析仪上方便地得到各种量化指标，因此在实际得到广泛应用。然而作为一个 替代方法，双音测试结果和采用实际调制信号测试的结果是不同的，通常情况下 双音测试的结果比调制信号测试时更差。 对非线性射频功率放大器，如果输入信号幅度使功率放大器工作在截止区域 或者饱和区域，则会比工作在放大器区域的功率放大器产生更多的交调失真分量， 因此输入信号的幅度是一个重要参数。从星座图上看，输入信号幅值是由星座图 上信号的位置和其偏移量共同决定的，因此不同调制方式会有不同信号幅度变化 第二章射频功率放人器的非线性分析 情况。图2 7 给出了三种不同调制方式下信号幅度的变化范卧乱9 1 。 u 、 vv 1n u 回钠 固杉 c， ju 一 、 厂 、 ( a ) o q a mc o ) 蚋- d q p s k( c ) 4 - q a m 图2 7 不同调制方式下输入信号的幅度 霹韧。 飚莎一j ( a ) ：口= 1 0 0 ( b ) ；口= o 5 0( c ) ： 口= 0 2 5 图2 8 不同滚降系数下p i 4 一d q p s k 调制信号轨迹图 从图2 7 可以看出，在o q a m ( o f f s e t q a m ) 不hp i 4 d q p s k 调制方式下输入 信号的变化幅度比4 - q a m 调制方式小，而且前两种调制技术都可以避丌了功率 放大器的截止区域。此外，成形滤波器的性能也会对输入信号幅度产生影响，图 2 8 描述了升余弦滤波器在不同滚降系数下输入信号幅度的变化情况。 2 4 本章小结 本章分析了射频功率放大器的非线性特性，主要介绍了正交坐标、极坐标和 序列展开非线性模型。同时介绍了功放非线性引起的a m a m 以及a m p m 失真， 介绍了描述放大器非线性的几个重要参数：l d b 压缩点输出功率、三阶交截点 i p 3 、三阶交调失真、临道功率抑制( a c p r ) ，最后介绍了射频功率放大器的非 线性对发射机性能的影响。 射频功率放大器的前馈线性化方法研究 第三章射频功率放大器的线性化技术 射频功率放大器的线性化技术是为了消除微波功率放大器的非线性失真而采 用的基本手段。提高放大器线性度最直接、简单的方法是将放大器工作点定在甲 类，并降低工作电平，直到输出特性达到线性度要求，此即功率回退法。 在典型的甲类功率放大器中，n 阶交调分量输出功率随输入功率变化为 n d b d b ，而线性输出变化为l d b d b 。所以少许的功率回退可以使i m d 产物大幅 压缩，特别是对高阶非线性产物。功率回退技术常用在低功率电路中，也可用于 u h f 频段的t v 发射机中。这项技术简单易行，但效率低，并且，r f 晶体管的选 用需要留有一定回退容量。对线性要求较高的系统，单纯功率回退技术则难咀满 足要求，需要采用更为复杂的线性化技术。 目前主流的线性化技术主要有三大类，即反馈技术、预失真技术与前馈技术， 下面就先回顾一下这些技术的机理及其发展。 3 1 反馈技术 将r f 输出信号直接反馈到输入端，通过控制反馈量来达到对i m d 产物的抑 制，即r f 直接反馈法，常用于低功率放大器，其应用受到工作频率和输出功率 的很大限制，反馈环上的有限时延限制了带宽，而且，这种方法难以实现多级反 馈。在更高电平卜，反馈网络耗散很大，不得不使用高功率电阻，增加了成本和 结构复杂性 1 0 - 1 1 。另外，u h f 频段一k 单个r f 放大器一般仅有1 0 d b 左右的增益， 这使得通过直接反馈，减少增益来提高i m d 受到一定限制。 调制反馈技术是利用检波或解调来恢复基带调制信号和功放输出信号，然后 利用基带信号与输出信号之间的误差来校正放大器的驱动或控制信号。简单的调 制反馈系统一般仅仅足幅度反馈，较高级的系统则幅度和相位都需要校正。与前 面提到的直接反馈技术相比，由于调制反馈系统反馈到输入端的信号是用于调制， 所以，在反馈程度教深的情况下，仍然可以得到稳定的工作点。调制反馈技术具 体的实现方法有很多，目前多用的方法有包络反馈技术、包络抵消与恢复技术、 极化环技术和笛卡儿环技术等等，下面将逐步分析各自的优劣，为我们的系统设 计做准备。 1 4 第三章射频功率放大器的线性化技术 3 1 1 包络反馈技术 首先值得一提的是包络反馈技术。它是校正幅度失真的一项比较简单的技术， 在t d m a 发射机的a g c 环中，有时使用这种技术来补偿放大器的增益变化和控 制脉冲整形。图3 1 给出了包络反馈系统的一般结构。可以看到，功率放大器输 出的幅度分量通过检波器检测出来，并反馈到差分放大器中，与被检波后的输入 信号样本作比较，误差信号( 即放大器失真) 被放大、滤波后，再对功率放大器 的驱动进行调制，从而对功率放大器输出的幅度分量进行了校正。 图3 1 包络反馈 出 使这种包络反馈系统正常运转的基本要求是检波器必须有较宽的动态范围和 准确的跟踪。如果这一点不能实现，环路增益和误差信号的准确度将受到信号的 影响，致使校正程度降低，甚至增大了高阶失真产物。包络反馈技术没有补偿相 位失真。如果在信号处理过程中时延较大的话，信号可能会产生相位差，使校正处 理被削弱或变得不对称。通常，校正电路的带宽必须是信号包络带宽的1 0 倍以上。 3 1 2 包络消去与恢复技术 包络消去与恢复技术( e e & r ) 是常用反馈方法的第二种。它起初是用在s s b 和 t v 发射机中，如图3 2 所示，利用检波器和限幅器，r f 输入信号被分别分成幅 度和相位分量，相位分量在丙类放大器中被放大。在电子管设计中，幅度分量常 被用来进行末级调制；而在固态电路中，幅度分量则可以通过调制器直接加在丙 类放大器上。由于r f 功率放大器工作在丙类，可以得到非常高的效率，一般大 于5 0 ，i m d 失真抑制约一3 0 d b c 3 6 】。但是，限幅器的非理想性和调制器的a m p m 转换等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。 射频功率放大器的前馈线性化方法研究 3 1 3 极化环 图3 2 包络消去与恢复 出 极化环( p o l a rl o o p ) 与e e & r 有某种程度上的类似，r f 信号页被分解成幅 度和相位分量。不过，极化环境更复杂些，它要用到幅度和相位调制反馈。如图 3 3 所示，极化环系统实际上也是包络反馈系统的一种扩展形式，它不仅通过一个 a g c 环对功率放大器的幅度失真进行校正，它还通过鉴相器( p d ) 和压控振荡器 ( v c o ) 构成的锁相环( p l l ) 来保持放大器稳定的相位转移特性。极化环系统 的平均效率大于4 0 ，i m 3 约- - 5 0 d b c 左右，若使用性能非常好的晶体管，效率 还可达到5 0 以上。极化环技术已经被用在高功率的商业中波发射机中，若在要 求的带宽上降低假响应电平，并有足够反馈，则它还可以用在v h f 和u h f 高效 多载波放大器中。不过，由于宽带信号用幅度和相位表示有困难，它通常应用在 单载波系统中【。 图3 3 极化环 1 6 第三章射频功率放大器的线性化技术 3 1 4 笛