（电路与系统专业论文）异相功率放大器系统中的信号分离技术设计与研究.pdf

摘要 摘要 功率放大器在现代通信系统中有着非常广泛的应用，它的作用在于将调制信 号放大到合适的功率大小，使得天线可以有效的将信号发射出去，因此，功放在 通信系统中有着非常重要的作用，而高线性度和高效率的功率放大器则是此领域 的一个研究热点。常用的线性化技术主要可分为反馈、前馈、异相技术等三大类。 本文首先比较了三种线性化技术的优缺点，由于异相功率放大器可以同时获 得高线性度及高效率两种特性，因此，本文分析主要针对此种结构。异相功放系 统的核心部分是信号成份分离器( s c s ) ，它可由模拟以及数字两种方法来实现。 当前，由于集成电路的大规模应用，使得基于d s p 技术的信号成份分离器实现成 为了可能，本文着重讨论了两种数字s c s 的实现算法，并对此算法进行了推导， 同时，使用a d s 工具对三种不同的调制信号进行了算法性能的仿真验证，最后分 析了信号分离过程中的路径不均衡现象对最终合成后的信号产生的影响。整个仿 真结果表明，异相功放系统确实可以同时带来高线性度与高效率性，而基于d s p 的算法是可以实现s c s 这部分功能的。 关键词：异相功率放大器，路径不均衡，信号分离 a b s t r a c t a bs t r a c t p o w e ra m p l i f i e rh a sb e e nw i d e l yu s e di nt h em o d e mt e l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m s ， a n di t sm a i nf u n c t i o ni st oa m p l i f yt h em o d u l a t e ds i g n a lt ot h ed e s i r e dp o w e rw i t h o u t d e t e r i o r a t i n gt h es i g n a lq u a l i t y ，s ot h a tt h ea n t e n n ac a l lt r a n s m i tt h es i g n a le f f i c i e n t l y t h e r e f o r e ，t h ep o w e ra m p l i f i e rp l a y sac r u c i a lr o l ei nt h et e l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m d u et ot h er e q u i r e m e n to ft h ec o m m e r c i a la p p l i c a t i o na n da c a d e m i cr e s e a r c h ，h i g h l i n e a r i t ya n dh i g he f f i c i e n c yh a sb e c o m eah o ti s s u e t h e r ea r et h r e ea p p r o a c h e sf o r p o w e ra m p l i f i e rl i n e a r i t yi m p r o v e m e n t ，w h i c ha r ef e e d b a c k , f e e d f o r w a r d a n d o u t p h a s i n g t h i st h e s i sf i r s t l yr e p r e s e n t st h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so ft h e s et h r e e m e t h o d s ，a n dt h e nd i s c u s s e st h eo u t - p h a s i n gp o w e ra m p l i f i e rs y s t e mf o ri t sh i g h l i n e a r i t ya n dh i g he f f i c i e n c ys i m u l t a n e o u s l y 。t h em a i nc o m p o n e n to fo u t - p h a s i n gp o w e r a m p l i f i e ri st h es i g n a lc o m p o n e n t ss e p a r a t o r ( s c s ) ，a n di tc a l lb er e a l i z e db yb 0 也t h e a n a l o ga n dd i g i t a lm e t h o d s u pu n t i ln o w , 埘也t h eg r e a td e v e l o p m e n to ft h el s i t e c h n o l o g y ，t h es c sb a s e do nt h ed s pt e c h n i q u eh a sb e c o m ei n c r e a s i n g l yf e a s i b l e 眦s t h e s i sf o c u s e so nt w od s pa l g o r i t h m s 、加md e t a i l e dd i s c u s s i o n sa b o u tt h e i rt h e o r e t i c a l b a s i s ，a n dt h e nv e r i f i e st h e i rp e r f o r m a n c e su n d e rt h ea d ss i m u l a t i o ne n v i r o n m e n tw i t h t h r e ed i f f e r e n tk i n do fm o d u l a t e ds i g n a l s f u r t h e r m o r e ，t h eg a i na n dp h a s ei m b a l a n c e p h e n o m e n o no ft h eu p p e ra n dl o w e rp a t h , w h i c hh a v ear e m a r k a b l en e g a t i v ei n f l u e n c e o nt h ep e r f o r m a n c eo ft h eu l t i m a t es i g n a li sa l s os i m u l a t e di nt h i st h e s i s t h es i m u l a t i o n r e s u l ts h o w st h a tt h eo u t - p h a s i n gp o w e ra m p l i f i e rs y s t e mc a l lp r o v i d et h eb e t t e rl i n e a r i t y a n dh i g h e re f f i c i e n c ys i m u l t a n e o u s l y ，a n di sf e a s i b l et ob ea c h i e v e db yt h ed s p a l g o r i t h m k e y - w o r d s ：o u t p h a s i n gp o w e ra m p l i f i e r ，p a t hi m b a l a n c e ，s i g n a ls e p a r a t i o n 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：生堑望日期：弘卢年月五日 论文使用授权 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 部和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：导师签名：主篁丝 日期：如 年乡月ze l 第一章前言 1 1 研究背景 第一章前言 随着无线通信技术的发展以及此行业激烈的市场竞争形势，无线通信系统的 低成本化和低功率化成为了一个必然的趋势，在这个过程中，微波功率放大器的 作用至关重要。比如对手机里的微波功放的要求是：最多只输出几瓦的功率，却 要求有很高的线性度，很小的功耗，而且大批量生产的卖价只有几个美元。由此 可见，这对微波功放的设计者提出了严格的要求。 一直以来，人们已提出许多方法来尽量满足以上提到的挑战，其中有一个一直 热门的研究方向，就是微波功放的线性度和效率的提升。常用的线性化技术有反 馈和前馈这两类，它们各自的优缺点都已为人所知。反馈技术未能解决的难题是 电路稳定性，而前馈技术的难点在于电路的校准精确度。 功放的第三种线性化技术是异相技术。它的关键思想，是利用信号分离( s c s ) 模块，将具有幅度调制信息的信号分离成两路恒包络信号，然后将这两路信号用 功率放大器分别地放大，再利用功率合成技术，将它们合成一路线性输出波形。 如果合成得很成功，那么得到的波形会有很高的线性度，而且由于信号放大的任 务由两条支路上的功放来承担，所以其中的每个功放都可以有很高的效率，这样， 异相技术同时兼顾了高线性度以及高效率这两个指标的要求。 尽管这种方法非常有可取之处，但是，还是有一些不可忽视的缺点抵消了它 的优势，特别是两个( 非线性) 放大器之间必须有很高的匹配度，否则会影响最 后的合成波形质量，另外，两支路合成时的功率合成网络不可避免会消耗很大的 一部分微波功率。 1 2 本文主要内容 本文主要由五个部分构成，其组织结构如下： 第一章即此前言，主要讨论了本课题的背景，以及当前功放线性化技术的发 展历史，引出了异相功放的概念。 电子科技大学硕士学位 第二章从放大器产生非线性特性的原因出发，分析了目前比较常用的几种线 性化技术的原理及其优缺点，最后主要介绍了异相功放系统的原理及其工作方式 和组成异相功放系统的主要部件。 第三章介绍了异相功率放大器系统中的信号成分分离器( s c s ) 的设计方法， 以及设计过程中需要考虑到的一些关键问题，比如路径不均衡问题、正交调制误 差、s c s 量化误差等问题。 第四章介绍了本文仿真过程中要设计的几种数字调制模式的基本理论，以及 与此相关的基带滤波知识。 第五章推导了两种信号成分分离器( s c s ) 算法，它们均可采用现代d s p 技 术来实现，并且对三种数字调制模式的信号进行了a d s 仿真，验证了此算法的性 能，同时还仿真并分析了异相放大器工作过程中的路径不均衡现象对最终合成的 信号质量产生的影响。 2 第二二牵功率放人器线性化理论 第二童功率放大器线性化理论 2 1 功率放大器波形质量的测量 不同的无线通信标准，其对于发射机的线性度的要求是不同的，它规定了发 射功率泄漏或者干扰( 或者两者均有) 到邻近信道的特性。对于邻道泄漏( 干扰) 作出明确的规定是必要的，因为放大器的非线性失真会导致输出的频谱比输入的 频谱更宽。变宽之后的频谱会干扰到使用邻近信道的用户。本节将详细讨论这种 失真的产生机理，以及放大器的特性、放大器的输入信号的特性对它的影响。 放大器的非线性失真通常是由于放大器所采用的晶体管的非线性失真特性引 起的【i 】。它的传输特性可以使用一个幂级数展开式来准备描述。因此，一个电路的 瞬时输出可以用下面的式子来表示： s o ( t ) = q 岛( f ) + 呸( f ) + a 3 9 c t ) + ( 2 一1 ) 其中，s o ( t ) 是电路的输出信号，s 愈) 是该电路的输入信号。q ，a ：，a 3 是输出 的级数展开式的系数。口- 1 的数值与电路的线性增益相关，而a p 圾表征了这个电路 由于非理想元件而引起的非线性特性。图2 1 是电路非线性特性的示意图。 v 一 图2 - 1 普通功率放大器的输入输出功率之间的非线性关系 可以从上面的式子中立即看出由于电路的非线性引起的系列结果。一个单 音正弦，频率为，的输入信号，对于一个具有1 1 阶非线性特性的电路，将会产生 输出的频率为：妣，2 ( 0 ，如伊，砌。但是，一个典型的发射信号中往往包含很多不 同的频率，这种情况下所产生的输出频率将会更为复杂。为了更加直接地描述这 种特性，通信工程师们使用“双音测试”模型来对电路的行为进行建模。这种情 况下，输入到电路的信号包含有两个单频率正弦信号，比如下面这个信号： 电子科技大学硕十学侥论文 s ，( f ) = sc o s ( 0 1 f ) + 是c o s ( 0 3 2 f ) ( 2 2 ) 如果只看级数展丌式的前三项( 假定口4 ，口5 ，a 6 = 0 ) ，然后将输入信号代入表 达式( 2 1 ) 中将有输出信号为： s 。( r ) - a l s ，9 ) + 口2 # ( f ) + 口3 s ? ( f ) ( 2 3 ) 然后展开这个式子，得到： 直流项 ，_ 。： s o ( 矿) = ( 1 2 ) a 2 ( 鲜+ s ；) 在理想频率处的输出 + a l s l + ( 3 4 ) a 3 ( s i + 2 s l 簧) c o s ( 0 1 f ) 在理想频率处的输出 + a l s 2 + ( 3 4 ) a 3 ( $ 3 2 + 2 s 2 并) c o s ( 0 2 f ) 互调项 + a 2 s 是 c o s ( o l + c 0 2 ) f + c i s ( c o l 一2 ) f 】 互调项 ( 2 4 ) + ( 3 4 ) a 3 s ；是e o s ( 2 0 l 一2 ) f 互调项 + ( 3 4 ) a 3 s i 墨c o s ( 2 0 2 一1 ) f 2 倍频项 + ( 1 2 ) a 2 i s ；c o s ( 2 0 l f ) + s ；c o s ( 2 0 2 f 】 互调项 + ( 3 4 ) a 3 s ；蔓c o s ( 2 0 l + 2 弘 互调项 + ( 3 4 ) a 3 s i sc o s ( 2 0 2 + ly 3 倍频项 + ( 1 4 ) a 3 i s ；c o s ( 3 0 1 t ) + s ；c o s ( 3 0 2 t ) 这个展开式的更高项无需再写出来，一般情况下可使用计算机软件来得到， 不过，对于实际中应用的电路，这些更高阶项所起的作用往往非常小。图2 2 给出 了这些项的幅度以及频率的一个示意图。 4 第二章功率放人器线性化理论 侣 孽 獭军i p a ) 图2 - 2 双音测试下的谐波失真和互调失真。 式( 2 - 4 ) 揭示了输入信号在经过非线性失真之后所得到的结果。这里总结如 下： 1 电路的偏置点发生了变化，这是由其中的直流项引起的。 2 所需频率点上的增益发生了压缩或扩大( 依赖于级的符号为正或负) 。 3 产生了一系列输入信号的谐波分量孙。，硒。，孙2 ，孙2 。 4 产生了一些由输入信号频率相组合的频率分量。这些互调分量为：2 0 ，：， 2 0 ，1 以及2 l 。 5 其中非线性所产生的输出的频率是输入信号频率的线性组合。 综合之后的输出频率表达式为： 。= 口1 + 硒2 + c 3 + d o t ( 2 5 ) 其中a ，b ，岛d 是从一n 到尥的整数，n 是非线性的最高阶在上面这个例子中 刀= 3 。电路的输入信号频率为：1 ，0 2 c o l ，输出的信号频率为国。 电路偏置点的变化是由于二阶项( 以及所有的偶次项) 谐波失真所产生的d c 项所引起的，其数值一般比较小。对于电路线性增益的压缩或者是扩大是由( 2 1 ) 式中以项的符号所决定的，对于典型压缩非线性电路来讲，口3 是一个负数。这种 影响通常用功率放大器的1 d b 压缩点( 电路对信号的增益减小了1d b ) 来描述。 1 d b 压缩点的幅度可以由式( 2 4 ) 估计出来。如果假设& 是0 ，那么这个时 候输出信号在频率点，处的幅度为： s o ( t ) = h s + ( 3 4 ) a 3 s ? c o s ( 0 1 t ) ( 2 6 ) 将它与所需要( 无压缩) 的增益相比较，在1 d 髟压缩点处有： 一1 ：2 0 l o g a l s i + ( 3 4 ) _ a 3 s i ( 2 7 ) q s 解出s 在输入1 d b 压缩点的值为： 5 电子科技入学硕七学位论文 ，谚：k 粤l 瓜 ( 2 - 8 ) l jc 3j 这个表达式可以用来计算放大器的1 d b 压缩点，当然前提条件是这个放大器 增益级数展开式的系数是知道的。 影响放大器性能的两种形式为a m a m 转换以及a m p m 转换。a m a m 转换 是指系统增益的变化将会随输入信号幅度的变化而变化。a m p m 转换是一个非线 性电路行为，一个幅度变化的输入信号通过一个非线性电路，将会导致输出信号 的相位发生变化。这对于相位调制数字信号尤其有害，当接收或发射信号的相位 发生变化会导致b e r ( 误码率) 的增大。这种现象可以由一个式( 2 1 ) 所表述的无 记忆非线性级数展开式( 它本身不包含有任何相位信息) 来预测。 若假定输入的信号为单音正弦信号，同时，a i 口：，是相位复数矢量，而不 是标量，且每一个幅值为i i ，相位为o 。，可以知道这个影响的一些简单的知识。 这是对精确的伏尔特拉级数分析结果的一个很好的近似。输出信号矢量在所需的 频点上( 式2 6 ) 的值为： s o ( t ) - - ( 1 a , + ( 3 4 ) l 口3 l 扩3 霹) ( 2 - 9 ) 很明显，整个输出信号的相位将会随着输入信号的幅度s 的值变化而变化， 从而产生了a m i p m 转换。因此，a m p m 是幂级数展开式系数之间相位关系所产 生的结果。 谐波失真( n o ) 和砌，) 是当输出的信号频率是在输入信号的整数倍上的失真， 而互调失真是由多频率输入信号之间通过线性组合而成的。其中的三阶互调产物 ( 2 x o 。：和2 0 ) ：+ 0 3 ，) 更是在通信系统中需要避免的，一旦失真的产物刚好落入 信号的同一频段内，它将难以被滤除。从式( 2 4 ) 中可以看到谐波失真和互调失 真项之间的联系。 互调失真典型由幅度相同( s = 是) 的双音测试信号来描述的。其二阶交调 项的产物如下： s o ( t ) = a 2 砰 c o s ( c o l + c 0 2 ) t + e o s ( m 1 一2 ) 明 ( 2 - 1 0 ) 三阶互调产物如下： s o ( t ) = ( 3 4 ) a 3 s ? c o s ( 2 z o l 一2 ) t + c o s ( 2 0 ) 2 一1 弦】 ( 2 - 11 ) 可以定义二阶互调系数( 脚，) 为： 6 第二二章功率放人器线性化理论 啦= 驾悉器 一i 口：i s ? s l a ：i s , l a l l ( 2 - 1 2 ) 而三阶互调系数( 姒) 为： i m 3 = 驾惹筹 ：3 t a ，1 s 一( ( 2 - 13 ) 4 1 a l i s 3 1 a 。l 蚤 4 1 0 l i 这里腑：的值会随着输入信号的强度增加而线性增长，因此当s 增大ld b 的 时候，必也会随之增大1d b 。同样，批的值随着输入信号强度的平方而线性 增大，因此，每当s 增大1 佃时，姒将会随之增大2d b 。 现在，在双音测试的性能中，如果只考虑表达式中的二阶，三阶非线性项， 输入的频率是l 和2 ，输出频率为1 + 2 和l 一2 ( 二阶互调失真) ，2 0 1 一2 和 2 0 ：一q ( 对于三阶互调失真) 。只要给定非线性度与输入信号幅度相关的函数， 可以画出所需信号的幅度，二阶产物的幅度以及三阶产物的幅度值，如图2 3 所示。 在这种情况下，所需信号的幅度有一个单位的倾斜，二阶互调产物有两个单位的 倾斜，而三阶互调产物有三个单位的倾斜。由于互调产物的曲线斜率高于所需信 号的幅度，因此可以理想地预测它们应该有一个相交点，在此交点处他们的信号 值相同，如图2 3 所示。 图2 3 用外推法计算非线性功放的交截点 7 电子科技人学硕十学位论文 当理想预测的1 1 阶互调产物与理想的所需信号的输出值相等时，这个时候的 输入信号被称为n 阶输入交截点( s ，j p ) 。可以通过令必= 1 来定义，那么， 由式( 2 1 2 ) 和式( 2 1 3 ) 可以得n - r 一盥 一蚓 s j l 气。 ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) 还有一个简洁有效的表达式可以用来表达1d b 压缩点与三阶互调点姒的关 系，如下： = 墨l 船( 如) + 9 6 ( 2 1 6 ) 在高功率放大器应用中，更常用的是用输出交调点( o i p ) 来表述系统性能， 而不是使用输入交调点( i i p ) 。这可以通过由式( 2 1 4 ) 和式( 2 1 5 ) 直接推导得 到： = 臀 s o l p 3 5 ( 2 1 7 ) ( 2 一1 8 ) 现在，双音测试在弱非线性电路中已经成为一个了解非线性功率放大器行为 的起点。但是，在数字无线应用中的典型放大器是强非线性的，并且信号是数字 调制的。在这些限制条件下，对于频谱再生的精确表达式更为复杂。这些条件虽 然是密切相关的，但仍会产生细微的不同。 一个大信号功率放大器在多数情况下可以使用限幅非线性来描述它的特性， 如图2 4 所示。这种情况下，放大器的输出是呈现良好线性特性，同增益一致，直 到达到饱和点，此时输出将不再增长。 v u - 图2 - 4 简单功放的限幅非线性特性 8 第二章功率放人器线性化理论 限幅非线性对于产生的输出频谱模型的影响是动态的，如图2 5 所示。在这种 情况下，对于一个8 - p s k 调制波，使用个升余弦滤波器( 0 【= o 3 5 ) 以及符号率 近似为1m s s 的信号输入到放大器，资用信号功率为0d b m 。如图2 5 所示，窄 带输入波形由于放大器的限幅非线性所引起的互调失真而导致输出频谐很明显的 被破坏。 o n z e t f r e q u 蚰w ( m 嘲 图2 5 限幅功放的输入输出频谱 这个结果也可以通过对比输入与输出波形的星座图来得到。如图2 6 所示。在 图2 - 6 ( a ) 中，理想的输入信号星座图的幅度在时域上面呈现出很宽的变化范围， 而在频域上面呈现出很窄的频谱。输出信号的幅度限制了之后如图2 6 ( b ) 所示， 将会导致信号在时域上面的压缩以及相应的频谱上面出现了频谱再生。 i n p h a s ec o m p o n e n t 佃 i n - p h a s ec o m p o n e n t i 嘲 图2 - 6 ( a ) 经理想滤波器之后的8 - p s k 星座图( b ) 经限幅后，受到压缩的信号星座图 送入放大器的信号可以由功率的峰均比( p a p ) 以。及补充累积分布函数 ( c c d f ) 来描述，这都是对发射信号时域波形包络的统计测量。p a p 比值是信号 包络的尖峰功率与平均包络功率在一系列时域周期( 通常越长越好) 里面的比值。 9 电子科技人学硕+ 学位论文 举例来说，峰值的包络功率在这种情况下不是由一个绝对峰值功率给定，而是以 一定的时间为界，在这个时间段的典型值为9 9 9 或者9 9 9 以内的时间里面，其 余的功率值是低于此点的功率值来做为峰值功率的。 信号功率的统计特性也可以在图形上以c c d f 函数来描述。c c d f 曲线表示 了功率等于或者大于一定p a p 值的概率。p a p 比值和c c d f 图形在数字通信发射 机里面是非常有用指标。比如，在i s 9 5c d m a 系统中，信号的统计特性将会依 赖于信道数目或者载波( 或者两者均有) 来同时描述。 当一个给定p a p 比值以及c c d f 的调制信号通过一个非线性的功率放大器 时，它的线性度通常由邻道功率抑制比( a c p r ) 和相间信道功率抑制比( a l ta c p r ) 来描述。a c p r 通常定义为从信道中心频率点，：，向外偏移一定频率点处落入邻 近信道一定带宽蛾。的失真信号功率，与以疋为中心频率，在所需频带内带宽为e 。 范围内的信号功率的比值。a l ta c p r 是由落入相间信道的功率与落入所需频带的 信号功率的比值来定义的。这两个指标在图2 7 中示出。最。与e 。两个带宽在大多 数情况下都是不相等的。频谱的再生是由于功率放大器的非线性( 比如a m a m 和 a m p m 转换) 以及会导致干扰到邻近频道或者相间频带的用户引起的。通常来说， 放大器中的三阶非线性项主要产生邻近频道的频谱再生，而五阶非线性项同时产 生了邻近频道的再生以及相间频道的泄漏。图2 7 也同时表示了信道内失真。 图2 7 理想传输调制信号和失真传输信号的a c p r 、相间信道抑制比和带内失真 不同的通信标准下，对a c p r 的要求是不同的，此外，每个标准都有它自己 的调制格式，波形的分布函数可以改变a c p r 值。虽然邻近信道和相间信道的最 大功率值通常是由无线通信标准来规定，但在对放大器线性度进行仿真的实际操 作中，一个更明了且方便的测量标准就是邻近信道干扰( a c i ) ，即信道外残余量 的最高频谱密度与调制波的峰值频谱密度的比值。 1 0 第二章功率放人器线性化理论 还有些备选的指标可以用来描述功放的线性度和精确度。上一段所提到的 邻道功率抑制比a c p r 描述已调信号的线性度。其他的性能系数描述已调信号的 精确度。它们常常与传输信号的精密解调有关，随后将解调后的信号与一个理想 的参考信号进行比较。性能参数主要取决于调制方式和无线标准。过去的p d c 系 统采用了误差矢量值( e v m ) 来衡量，而g s m 采用了相位和频率误差来度量， i s 9 5 c d m a 系统则引入了参数p 作为波形质量的度量。 作为一个衡量调制质量的参数，e v m 在数字射频通信系统中得到了广泛的应 用，特别是在j 下在高速发展的第三代( 3 g ) 通信系统和无线局域网( w l a n ) 。 从本质上说，e v m 是发射波形的精确度的一个度量。e v m 的数学定义式为【2 j ： e v m = 土卫一 ( 2 - 1 9 ) 、) 1 2 其中e ( k ) 是在符号时刻k 的误差矢量的归一化大小，1 1 是这次测量所使用的样 本数。典型的e v m 指数在5 1 5 的范围之内。 从另一个角度来看，e v m 就是在符号时钟发生转移时误差矢量的均方根值。 它的示意图在图1 1 0 。误差矢量是一个复数，它包含了大小和相位两个分量。因 为这个理由，当功放的输入信号中有微小的失真和噪声时，功放输出信号的e v m 与a m - a m 和a m - p m 特性之间就有了一个简单的关系。 图2 - 8e v m 是理想发射波形与实际发射波形之间的矢量差的度量 波形质量参数( p ) 是传输波形的保真度的另一个度量，它主要被c d m a 系 统采用。在这个例子中，p 是传输信号与理想基带信号的互相关的，其表达式如下： d 。s 七 p 2 百蛆r ( 2 2 0 ) d 。匹& 电子科技人学硕士学位论文 其中瓯是发射信号的第k 个样本，色是理想基带信号的第k 个样本，m 是半 片时间间隔的测量周期。在大多数情况下，波形质量因子的测量值通常为0 9 8 ， 甚至更好。 2 2 功率效率的测量 与恒包络的应用情况相比，线性功放本质上需更高的静态电流。这一特性， 再加上线性功放不能够进入深度饱和工作状态这一要求，是线性功放效率低于恒 包络技术的两大原因。3 g 无线标准，如w c d m a 和c d m a2 0 0 0 对功放的线性度 就提出了更苛刻的要求【3 】。 有一个相关的问题就是：当输入的射频功率从最大功率水平处“回退”时， 放大器的“直流一射频”效率也会随之大幅度下降。典型放大器的“功率附加效 率 ( p a e ) ，可用来衡量从输入功率( 既包括来自直流电源的，也包括来自输入 信号的) 到输出功率的转换效率，其表达式如下： 以e = r l2 i 忑 o u t ( 2 - 2 1 ) n 这里的是放大器的射频输入功率，p o m 是想要的在所关心的频带内的输出 功率，p d 。就是直流源向电路提供的功率。如果这个电路的增益比较高，那么射频 输入功率就会远小于直流功率，此时p a e 就可以用来衡量从直流电源到发射信号 的转换功率。 在现代无线通信系统中，放大器的输出功率会随许多因素的影响而变化，比 如移动设备在网络中的位置，这样做的目的是为了让基站所接受的信号尽量维持 在一个稳定的水平，以对抗“远近效应 带来的麻烦。因此，放大器所消耗的直 流功率也就会自然地随着射频输出功率的变化而变化，所以一个更实用的放大器 性能指标就是“长期平均效率 ，其表达式如下： 巴 i 电( 乞 百= i 童一 ( 2 2 2 ) i 圪( 炫( ) 呢 其中g ( e o 埘) 表示放大器的输出功率为的概率，圪( ) 表示当输出功率为 时的直流功耗。 由于( 2 2 2 ) 这个式子的简洁性，它并没有清楚地说明：在实际应用情况下，典 型线性功放的长期p a e 值不可能达到1 0 0 ( 在理想情况下，全部的直流功率都 1 2 第二二章功率放人器线性化理论 能转换成发射功率) ，实际上，在线性发射机应用中的典型功放的平均p a e 值在 5 左右甚至更少，而在基站的应用中这个值通常会更低1 4 j 。 实际应用情况下效率如此之低是有原因的。比如，对于一个简单的双极性晶 体管放大器，如图2 - 9 所示。在这个例子中，由电流一电压特性曲线可以得知，这 个器件的集电极的直流偏置电压是吃，通过它的直流电流为i 。2 。所以，该放 大器的直流功耗就是圪i 。2 。再考虑在最大输出功率的情况下，集电极电压从o 摆动, m j 2 v = ，其电流从o 摆动到i m 甜，于是输出到负载的最大功率为吃i 。4 。因 而，在这种情况下，放大器的最大效率为5 0 ，其相应的( 对器件来说的) 负载 阻抗就为2 圪i 。在本例中，对于这个器件来说，负载阻抗为5q 。 毒 氏= 5 0 q k l 硼。鼬w 咱m 妇盱嘲口 l b i 图2 - 9 功放的简化图( a ) 输入输出阻抗都匹配、能够最大传输功率 ( b ) 典型晶体管的特性曲线以及负载线 然而，在大多数情况下，实际的效率远小于这个最大值，而且输送到功放的 直流功率中有很大一部分都留在了管子内，成为热能，被浪费掉。效率如此之低 是因为：对于所有的输出功率来说，放大器的直流功耗一直都维持在吃i m 戤2 ， 所以效率就随着输出功率的下降而线性地下降。 电子科技人学硕七学位论文 2 3 功放线性化技术和效率提高技术 接下来将简要地概述微波功放的线性化技术和效率提高技术，再接下来将介 绍异相功放技术的历史概况。尽管它需要现代数字信号处理( d s p ) 技术的发展作 为支撑，而后者又需要实际地应用许多复杂的数字控制算法，然而与其他方法相 比，异相功放的设计方法仍然有着许多优势。 在过去的许多年中，人们提出了许多种功放线性化技术和功放效率提高技术。 有些技术可以兼顾线性化和效率的提高，而还有一些技术则是专门以线性化或效 率提高作为主要目的。最常被讨论的线性化技术有：卡特生反馈，简单预失真， 自适应数字预失真，前馈，以及异相放大器。效率提高技术包括：d o h e r t y 放大器， 包络消除和恢复( e e r ) ，偏置自适应。以上这些技术已被许多文献证明和记录， 而且它们在现代无线通信系统中发挥了很重要的作用，不论是在移动终端，还是 在基站的功放里。 2 3 1 预失真技术 改进发射机功放的线性度的常用方法之一，就是预失真。一个典型功放会产 生增益压缩而引起a m - a m 失真。而由于a m p m 转换，在输入功率很大时，这 个功放还会产生额外相移。综合地看，在功放产生高功率输出时，以上这些效应 会造成失真和互调，以致损害功放的a c p r 和e v m 指标。 若对功放的输入信号进行了预失真，而这个预先的失真正好抵消了放大器本 身的非线性失真，那么全部的非线性效应就被抵偿掉了。如图2 1 0 所示，图中， 模拟或射频预失真电路补偿了放大器电路的增益和相位的双重非线性失真。典型 的预失真电路是这样运作的：当输入功率很大时，正常的功放都会产生增益和相 位的双重压缩，于是预失真电路就要产生相应的增益和相位的双重扩张来抵消这 种压缩。 虽然预失真技术的原则很简单，但在实际应用中还是有几个缺陷。首先，很 难确切地知道温度、时间推移、电源波动这些因素对功放的非线性特性到底有多 大影响。这是个严重的缺陷，因为在无线通信的2 g 或3 g 标准中，所允许的失真 量是非常低的，而且在功放特性和预失真电路上的微小偏移量，都会造成潜在的 带外干扰。 另一个可用的方法，就是在基带利用数字技术来实现预失真，前提是可以预 先得知预失真器的确切传输特性。图2 1 l 所示的技术被称为自适应预失真【5 j 。在 1 4 第二二章功率放人器线性化理论 这个例子中，功放的a m a m 失真量和a m p m 失真量预先被计算了出来，随后 这个失真的数据被馈入数字信号处理器( d s p ) ，而后者用来为基带上变频器的同 相信号和j 下交信号提供恰当的预失真。当然，还有个问题，就是预失真器的理想 传输特性会随时间而变化，于是预失真的算法也必须定期更新。 姒匕心妇b 瞰匕 图2 1 0 预失真的概念示意图 图2 - 11 自适应预失真原理及其实现电路 预失真概念在实际应用中的局限性，催生出了一些更优良的功放线性化技术。 对于非线性模拟系统，其传统的线性化技术就是线性反馈。当引入了适当大小的 反馈时，环路会自然地补偿功放的非线性传输特性。 2 3 2 卡特生( c a r t e s ia n ) 反馈技术 图2 1 2 展示了一个假想的线性反馈方法。在这个系统中，基于( 失真的) 输 出波形和想要的输入波形之间的差异，运算放大器提供了必要的预失真量。这种 看起来简便的方法却有一个显而易见的局限，那就是在所需的带宽和驱动能力的 条件下，这种运放根本不可能存在于微波频段。此外，典型功放的相移量会有非 电子科技大学硕十学位论文 常大的变化，这对在一个很宽的频带范围内实现反馈电路的无条件稳定来说，是 一个很大的挑战。 ( c ) 图2 12 几种使用反馈方法的功放线性化技术 还有一个可能的方法，如图2 1 2 ( b ) ，就是先将功放信号下变频到基带，然 后提供反馈，因为运放在较低的频段是有足够带宽的。这种方法有个问题，就是 1 6 第二二章功率放火器线性化理论 下变频器线性度必须和想要的输出信号的线性度一样高。大多数情况下，这并不 是个大问题，因为只需要用输出信号的一小部分来进行反馈。另一个问题是，经 过了功放、下变频器和低通滤波器组合之后，微波频段的额外的、可变的相移是 很难控制的，而且这个相移量的变化依赖于功率电平。因此常常会将一个额外的 相移量叠加在变频器的输入端，以确保该系统在任何情况下都具有稳定性，而这 个相移量的大小必须根据处理方式、温度和电源功率的变化来仔细的控制。反馈 技术还可能会带来其他问题，比如功放饱和，输出电压驻波比( v w s r ) 的快速变 化【6 j 。数字调制技术总是要求对i 和q 这两路基带信号都进行上变频处理。其结果 就是，在功放的这两条输入路径上都要施加反馈，这一技术就被称为卡特生反馈， 如图2 1 2 ( c ) 所示。卡特生反馈多年来都是一个活跃的研究方向。 2 3 3 前馈技术 预失真技术，不管是开环也好，反馈也好，问题和缺点总是有不少，这就给 其它可供选择的方案带来了发展的生机。相较于对输入波形进行预先的失真处理， 一个可能更有效的方法就是直接将功放的非线性程度测量出来，再将那些由于非 线性而造成的错误( 或误差) 从理想的信号中减去，随后将这个差值放大，然后 再从功放的输出量中减去这个差值( 误差) 。这种方法被称为前馈技术r 7 1 。图2 1 3 是它的示意图。 止h 队上h 队 且 ，。一 j 嬲o 扫q 弗。毒r 一_ _ - - 一_ _ l ；w c t o r m e d u l a 船 小_ 四哆lv e c a x 眦： n u l l i n gl o o p e r r o rl o e p 图2 1 3 非线性功放的前馈预失真技术 但是，图2 1 3 详细地阐明了为什么在大多数较低频率的功放里，反馈技术很 快地就取代了前馈技术。首先，为了使失真产物之间充分地相减，要求输入减法 器的两路信号之间的增益和相位的匹配都必须做得很精确。其次，误差放大器的 增益必须精确地跟踪功率放大器的增益。最后，从最终相移网络和混合型耦合器 1 7 电子科技火学硕士学位论文 中通过的相移量必须精确地跟踪功率放大器的增益偏移量和相移量。尽管表面上 看来有诸多缺点，但前馈技术也有其长处，虽然它往往只是用在基站和更高频率 的电路里，在这两种情况下，功率效率的重要性稍低于线性度。 以上介绍的这几种技术，以及它们自身的一些显著的问题和缺陷，都在呼唤 一种更好的功放线性化技术。异相技术尽管是起源与1 9 3 0 年代的“老古董 ，但 随着近年来d s p 和集成电路( i c ) 技术的进步，它又重新被提了出来。 2 4 异相微波功率放大器 异相放大器的技术具有很长的历史，它是随着非线性元件构成的线性放大器 ( l i n c ) 的走红而复兴的，目前，它己在多种无线应用中发挥了作用。异相放大 器的概念比较简单：两个放大器分别放大输入的两路恒包络波( 功率放大器可工 作在强非线性态，因此效率高) ，而这两路的输出相加就得到想要的放大信号。 只需通过调整两路信号的相关相位就可以得到输出信号的包络和相位值，如图 2 1 4 中所示。所需的相关相位的变化量可采用模拟技术或数字技术来得到。 删溅 图2 1 4 异相放大器的简单框图 2 4 1 异相放大器的发展历史 c h i r e i x 曾对放大器的概念进行了极为精致的概括：“现今的所有调制系统都 可归结为两类：一，以具有适当功率值的低频放大器来控制高频功率“级 的阳 极电压，通过这种方式，能够改变这个“级”上的输出；二，阳极电压保持不变， 在高频功放的栅极上进行操作，来控制输出功率1 8 】。在这里，c h i r e i x 总结了功 放领域已有的两种技术，一是通过低频信号来直接调制电源，二是通过调制输入 量来得到a m 载波。尽管现在采用的都是晶体管放大器而非真空管放大器，但这 1 8 第二章功率放人器线性化理论 两种技术仍被广泛使用着。这两种技术都有明显的缺点，而且这些缺点和问题在 今天依然存在着。c h i r e i x 的论文接下来就开始谈论第三种方法：“要得到同样的 结果，还有一种方法，即将放大器分成两部分，每部分都有( 根据功率的需要) 一个或几个真空管，而且每部分都有其输出电路，但请注意，负载对两者的耦合 是不同的。然后，操纵这个“最终放大器”的两放大器栅极激励之间的相位差， 来得到可变负载，1 8 1 。异相调制的称呼便由此而来。通过异相技术来对功放进行线 性化改进的思想由c h i r e i x 最早提出，然而由于当时用模拟电路来实现三角函数以 及开方等运算比较复杂，导致异相技术没有得到充分的重视，直到1 9 7 4 年c o x 首 次以l i n c 为名来作出阐述桫q 训。 2 4 2 异相放大理论的介绍 异相放大器的基本原理是将一个调制信号( 幅度调制或幅度、相位同时调制) 分解成两个异相的恒包络信号，这两个恒包络信号注入到两个高效率、高非线性 度的功率放大器，然后将这两个输出信号相加，即可得到一个经线性放大的输入 信号，图2 1 4 是它的框图。 调制信号的分解由s c s 模块完成，其数学表达式下面给出【1 1 】。一个带限信号 的复数表达式可以写成： s q ) = 厂弦月，0 ，) 戤 ( 2 2 3 ) 这个信号将被s c s 分解成两个相位调制的恒包络信号，如图2 1 4 所示。 s o ) = s o ) - e ( t ) ( 2 - 2 4 ) s 2 ( f ) = s ( f ) + p ( f ) ( 2 - 2 5 ) 其中e ( t ) 是正交信号，它的定义式如下： p ( f ) = 声( 力 ( 2 2 6 ) 然后，两路信号被单独放大，然后送入功率合成器。经过功率合成，同相信 号分离叠加，异相信号分量被抵消，最终的合成信号就是想要的、形状与原始信 号一模一样、只是幅度被放大了的“复制品 。 1 9 电子科技人学硕十：学位论文 q 。 一，一一一 ，尜 磷。刚 k 图2 1 5 原始信号被分解成两个信号分量。 这种技术利用了两路异相信号分量的恒包络特性。首先，恒包络波对功放的 非线性特性不敏感。即便功放是非线性的，最终的输出波形也会具有很高的线性 度，而且没有互调现象这在带宽高效无线通信中是个很关键的事项。另外， 这两个功放都可以工作在耗电量较低的模式下，所以整个系统的总效率就比较高。 简言之，异相功率放大器是一个很有前景