[硕士论文精品]射频前馈放大器自适应检测控制模块研究与设计

硕士学位论文摘要随着第三代移动通信体制商用化的实施，相应终端设备的要求也不断提高，第三代通信体制都具有高频谱利用率和高传输速率，对射频功率放大器的线性度提出了更高的要求。前馈技术是应用于大功率放大器线性化的一种比较理想的方法，因此，射频前馈功率放大器的研究是一项十分有意义又深具挑战的课题。本文首先对射频功率放大器的非线性特性做出了分析，结合现代通信系统的变包络调制技术、多载波传送方式，重点分析了放大器在这两种输入信号情况下的非线性状态。然后对放大器的相关性能指标作具体的介绍，比如线性度、互调干扰等重要线性度参数的说明。在大信号工作模式或多载波调制的情况下，一般功率放大器都存在非线性失真，第三代移动通信对放大器的线性度有更高的要求，因此，超线性放大器的设计是很必要的。提高放大器线性度有如下几种方法功率回退、预失真以及前馈法。本文对以上方法做出简单的对比，并突出前馈法的诸多优点。结合现代移动通信对功率放大器的要求对前馈法做出了具体的分析包括工作原理、数学模型、软件仿真等。本文的重点是对前馈放大器的检测与自适应控制部分，提出了一种新型的检测方法正交音频信号的IQ调制插入导频法。重点分析该方法的工作原理，数学分析以及ADS软件相关的仿真，并设计了实现硬件屯路，对硬件电路做出了详细说明。本文另一个部分是自适应控制部分讨论了种自适应算法，设计了硬件控制电路，并做出相关分析。关键词前馈；射频功率放大器；自适应；检测控制ABSTRACT舢THEBUSINESSIMPLEMENTATIONOFTHELHIRDGENERATIONMOBILECOMMUNLCATLONSYSTEM，THEREQUIREMENT0FTHETE衄INALEQUIPMENTHAVEBEENINCREASEDALOTBECAUSE0FHIGHSPECTRALEFFICIENCYANDSPEEDINTHESESYSTEMHIGHLINEARITYOFRFAMPLIFIERISREQUIREDNECESSARILYFEEDFORWARDTECHN0109YISAGOODMETHODIMPILCATEDLNPOWER1INEARITV，THEREFORE，THERESEARCHOFRFFEEDFO刑ARDPOWERAMPLIFIERISAPRACTLCALANDCHALLENGETOPICFIRSTLVTHENONLINEARITYOFRFPOWER缸LPLIFIERHASBEENANALYZED1NTHLSTNESLS，ACCORDINGT0THECHANGEABLE七NVELOPEMODULATIONTECHNOLOGYANDMULTLCAMERTRANSMITTANCEMETHODADOPTEDINTHEMODEMCOMMUNICATIONSYSTEMWLDELY，LNENONLINE丽TYOFPAHAVEBEENDISCUSSEDBYTHESETWOMETHODIMPORTANTLYSECONDLYTHERELEVANTINDICATORSOFPAHAVEBEENINTRODUCEDSPECIFICALLYSUCHASTHEDETLMTLONOFLINEARITYDEGREE，INTEMEDIUMINTERFERENCEDE伊EEANDS0ONINTHESTATUSOTLARGESIGNALANDMUHICARRIERMODULATION，THENONLINEARDISTORTIONCXISTINALLCOMMONAMPLIFIER，ITISCRITICAL卸DNECESSARYTODESIGNHIGHLINEARITYDE莎EEAMPLLFLER1ORHEMODEMCOMMUNICATIONSYSTEMTHEREHAVESOMEWAYSTOIMPROVETHEAMPLIFLERSLINEA栅INCLUDINGFEEDFOMARD，POWERBACKWARDANDPREDISTORTIONTHEADVANTAGEOFFEEDFORWARDMETHODHASBEENEMPHASIZEDACCORDINGT0THECOMPARLSONAMONGTNESEMETHODSTHEFEEDF0州ARDMETHODHASBEENDISCUSSEDINDETAILCOMBINEDWITHTHEMODEMCOMMUNICATIONSYSTEMAPPLICATI0INCLUDINGPRINCIPLE，MATHEMA1CMODELANDSOFTWARESIMULATIONNEONEIMPORTANCEOFTHETHESISISTOANALYSLSANDDESLGNTNEADAPTIVECONTROLDETECTIONONENEWDETECTIONMETHOD0FINSERTEDLEADFREQUENCYMODULATEDQUARTERAUDI0SIGNALH弱BEENANALYZEDASTHE0NECREATIONPOINTOFTHLSTHESISNOTONLYTHEPRINCIPLE，MATHEMATICANALYSISANDADSSOFTWARESLMULATLONHAVEBEENDISCUSSED，BUTTHEHARDWAREDESIGILHASBEEN蛆ALYZEDANDREALIZEDINDETALLAILOTHERPART0FMYTHESISISADAPTIVECONTROL；AMATHEMATICMETHODLMSHASBEENDISCUSSED，THEHARDWAREALSOHASBEENDESIGNEDINDETAILKEYWORDSFEEDFORWARD；RADIOFREQUENCYPOWERAMPLIFIER；SELFADAPTIVE；DETECTIONANDCONTROLIN湖南大学学位论文原创性声明本人郑重声明所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者虢静枯眺沙夕年朋朋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。本人授权湖南大学可以将本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、不保密团。请在以上相应方框内打“”作者签名业勿诛导师签名髫文2釜日期灿7年月钼日期7叩年I砂月F乙日硕士学位论文第1章绪论11研究背景及意义功率放大器是现代通信系统中非常重要的组成部分，收发端线性放大和频率变换是保证能够正确解调调制信号的必要条件。任何幅度或者相位失真都将导致信号不能正确的传达。为了在有限的频谱范围内容纳更多的通信信道，获得较高的码片速率和频带利用率，现代通信系统均采用了QPSK，MQAM等线性调制技术，这些调制方式都是变包络调制，对功放的非线性非常敏感，对射频功率放大器有更高的线性度要求，以避免产生对邻近信道的干扰，保证调制的窄带特性。因此，设计具有高线性度的宽带功率放大器显得十分必要。近20年来，移动通信以惊人的速度迅猛发展，随着移动化、数字化、宽带化信息时代的进一步发展，加上频谱资源的日益拥护和使用者数量的迅速增长，移动通信朝着信道增加、信号频带加宽、动态范围变大、输出功率增加以及频谱效率提高的方向发展，进而促进了多载波码分多址、正交频分多址体制在现代通信系统中的应用。这些通信系统都具有共同的特点多载波、大动态范围、高峰均值比，如采用多载波调制的通信系统的峰均比可达到13DB。这些特点无疑对射频功率放大器的性能提出了更高、更严格的要求，同时也为其设计带来了更大的困难。理想的线性功放不易获得，放大器的非线性会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道带宽的要求，由于放大器的非线性产生的频谱扩展，也会对邻近信道产生干扰。设计高线性度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。在射频系统中，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其1DB压缩点回退710DB使用，这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，这种方法易于实现，在工业中广泛使用，但值得注意的是，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的输出功率，整个系统的成本大为提高。另一个可行的方法是采用不同的偏置达到所需的线性。众所周知，A类放大器具有最好的线性，但效率过低，故A类放大器一般避免使用。此外还有AB类，B类，C类偏置放大器，这些放大器通过使放大器工作在更接近截止电流的工作点上达到较高的效率。提高功率放大器线性度有三种方法一是选择满足系统线性度要求的器件，这就要求选择合适的放大器材料以及制造工艺。这种方法成本高，花费巨大，技射频前馈放人器自适戍检测控制模块研究与设计术难度高，多年来未取得重大的突破。二是使放大器工作在线性区，这种情况大大降低了电源利用率，而且放大器的功耗大部分转化成热能，因此，器件散热也是个严重的问题。第三种就是采用线性化技术，就是采用适当的外围电路或前置算法对放大器的非线性特性进行修正，从而使收发信通道总体上呈现对输入信号线性放大的效果。这种方法避免了难度很大的器件制造技术也提高了放大器的效率，而且形式多样，器件选择也比较灵活。目前，很多实用的线性化技术已经得到实际应用，功率放大器的线性化技术具有良好的发展前景。因此，有必要对功率放大器采取线性化技术，使其在不牺牲效率的前提下显著改善线性度指标。功率放大器线性化技术作为射频系统的关键技术，也是通信领域研究的热点之一。12研究现状及课题研究内容近年来，国内外对放大器线性化技术的研究也非常重视，国内包括华中科技大学、东南大学、浙江大学等单位相继开展了研究工作，提出并成功设计出一系列线性功率放大器，国内报道的最好的是东南大学朱晓维教授，在880MHZ三阶交调腿可以达到65DBC【2】【3L。但在IEEE等高层次期刊中尚未发现国内的文章，此外，相关的发明专利申请也少。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1855GHZ实现三阶交调抑制70DBC，三阶交调系数改善40DB，主要采用的线性方法是前馈法，对相位幅度的控制采用了DSP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【441。在3G通信已经进入应用阶段的今天，对高功率射频放大器的设计与研究需求显得格外紧迫，PA线性化技术的研究有待进一步的深化和拓展。那么，对射频功率放大器的设计究竟困难在哪里众所周知，要想获得大功率输出信号，则必然会在一定程度上增加射频功率放大器的输入功率，然后，随着射频功率放大器输入功率的增加，其各项性能指标都将随之发生改变，其中最严重的问题就是使输出信号线性度变差，即输出信号发生了一定程度的失真。为了减小这种失真，同时又能保证射频放大器有足够的输出功率，最简单的办法就是降低射频功放的效率，用更大的直流功耗来换取对信号的输出功率及线性度指标的要求，然而这种方法对高功率射频功率放大器设计来说是不合适的，因为高功率放大器的功耗本来就比较大，如果放大器的效率很低的话，那么它占用的系统功耗将非常巨大。因此，对于高功率射频功放而言，在保证其获得较高工作效率的前提下，去协调信号输出功率与线性度之间的关系，成为了设计高功率射频放大器时，最常用也是最经济、最有效的方法。目前，国内外对于射频功放的高输出功率与高线性度间的问题还没得到很好的解决，信号的高输出功率及其高线性度的矛盾成为了射频功率放大器设计过程2硕士学位论文中始终尚未解决的问题。现代通信的发展不仅仅满足于让射频功率放大器提供大功率的输出信号，更要求其能提供一种高线性度，能处理多载波、变包络、宽频带信号的解决方案。本课题就是研究设计一种新型自适应检测控制前馈技术来改善功率放大器的非线性特性。射频功率放大器常用的线性化方法主要有以下几种功率回退，预失真和前馈法本课题研究并设计的是一种自适应检测控制前馈放大器，本方案的思想可以应用于不同功率等级要求的前馈线性放大器系统的检测本文分析设计的是一种自适应检测控制双环前馈系统，本文主要包括以下几个方面的内容1射频放大器非线性特性分析，主要分析了多载波与变包络调制信号的非线性特性。2对比分析了三种线性化技术的特点，重点分析了双环前馈模型，并对双环前馈原理作出了具体的数学分析，分析了达到矢量抵消的条件，以及幅度与相位偏移对抵消程度的影响。3基于双环前馈系统模型设计分析了课题设计方案自适应检测控制前馈放大器系统原理图，并对本方案的工作原理作出了分析与讨论。4射频放大电路的设计是前馈放大器系统的基础，本文对射频放大电路的前置放大级、驱动功放级、输出级作出分析并基于ADS2005A作出相关软件仿真，重点在输出功放级的阻抗匹配设计以及大信号双音互调仿真分析。5检测电路的控制是本文的一个重点，本文设计并采用一种调制信号插入导频信号法，取代了一般的导频信号法该插入导频法调制了正交低频信号，可以提高适量调节的控制精度与调节敏感度，而且更加方便的从输出信号中检测出导频调制信号，这相比于直接导频信号检测更容易检测输出信号中的失真信号分量，该方法也是相文的一个创新点。6本文从自适应均衡算法讨论了最小均方算法LMS原理，并分析设计了一种查表自适应调整步长的方法，以实现收敛速度与步长选择之间的优化控制。对于控制部分的硬件电路部分作出设计说明。13放大器非线性特性131放大器的非线性分析一般功率放大器，在小信号工作模式下，可以将放大器看作理想状态，即放大器工作在线性放大状态。但是在现代通信系统中，由于系统容量及通信覆盖面积的扩大，通信系统中的放大器都工作在大信号状态，这时放大器就会产生非线性失真，该失真是由放大器自身工作特性的局限性产生的。任何非线性的输入输出关系都可以用泰勒级数来描述，只是展开系数不同，因此建立放大器的非线性3射频前馈放大器自适应检测控制模块研究与设计模型圪F一口1F口220口33011以两路载波为例来分析放大器的非线性模型，有两路等幅恒包络载波信号输入，矢量合成信号为圪O圪COS唧圪COS雌12将上式代入11式运算得KO口2口2圪2COSQ一弘口2吃2COSQYO儿署口儿3COS吖口。圪三口以3C0S啄丢口以ZCOS2Q丢口圪ZC。S213丢口。圪3COS3Q丢口。圪3C。S3罢口S圪3COS2Q一号口，圪3COS2一Q詈口，圪3COS2Q哆三口虬3COS2Q由式13可以看出当两路载波信号经过放大器的非线性作用后，输出信号中有直流分量、谐波分量、互调分量。上下边频分量和谐波分量可以用滤波器除掉，但是三阶互调分量2LM2或2皑一Q如果想通过滤波器除掉的话则对滤波的要求很高，特别是当两个载波信号频率间隔不大的时候，则三阶互调分量与信号频率间隔很小，这时就要滤波器有理想的选择性能，而这样做成本高而且技术难度大。故线性化技术不失为一种减小三阶互调干扰的一种好方法。132多载波传送系统的非线性分析以现代通信的多载波传送系统为例，分析有N路幅度相等、频率间隔相同、初始相位相同的载波信号，放大器的输入信号是N路载波信号的矢量和，即圪二Y13FCOS耐刀研驴则该入信号的幅度为【24】YF由上式可以看出，多载波信号的矢量合成信号为变包络信号。而信号和放大器都有各自的峰均值比，矢量合成信号的峰均值比定义为信号包络的峰值功率与4硕士学位论文平均功率之比，而放大器的峰均值比为1DB压缩点对应的功率与平均功率之比。当信号峰均值比大于放大器的峰均值比时，矢量合成信号经过放大器放大后就会产生非线性失真。对于上式载波信号的矢量合成信号，其峰值功率为ARR由功率的定义电压幅度平方与电阻的比值，这里的电压幅度值就是多载波的合成矢量，而载波信号幅度相等，故可以表述为上式和的形式。而合成信号的平均功率由定义得。知毕出；南YOI出对上式进一步运算得到的结果为Y巡甜R由峰均值定义则可求矢量合成信号的峰均值比为，当多载波数量越多时，矢量合成信号的峰均值比越大，如果载波信号的平均功率一定，则矢量合成信号的峰值功率与载波数成正比。当合成信号的峰值功率大于放大器的峰值功率时，输出信号就会产生失真。133变包络调制的非线性分析现代通信系统中都采用QPSK、MQAM等线性化调制方式，这种方式产生的信号是变包络信号，其信号的一般表现形式是戈O彳FCOS【啦F妒O】14当I彳OI不随时间改变而变化时，为恒包络调制，反之则为变包络调制。将上式代入11计算得圪P口1XF口2X2R口3X3F竿小抛华】C0S吨州纠雩华C。S【2。F29F】华COS【3吐M】匕式是变包络调制信号经过放大器处理后的输出信号输出信号当中除了包5射频前馈放大器自适应检测控制模块研究与设计括直流分量和变包络基带信号，还有高次谐波分量。经过上式分析知道，当变包络信号通过非线性系统，频谱会展宽，产生信号失真。因此，对变包络调制信号必需采用线性化技术，以减小对邻近信道的干扰。14射频功率放大器的性能指标在无线通信系统基站或直放站中，射频功率放大器是一个很重要的部件，评价一个射频功放性能的好坏得通过一系列的指标参数来衡量。设计任何一个射频功放首先得关注它的工作频率及带宽、稳定性、直流输入功率等基本参数，此外，由于其工作在极高的频率，并且需要输出较大的功率，因此，我们通常还会从以下几个指标来评价射频功放的性能1输出功率匕及功率增益G射频功率放大器输出功率指的是功放输出最大功率，而最大输出功率视用途而定。射频功率放大器用于发射机的最后一级或最后几级用来增加天线的发射功率【51，手机功率放大器的典型输出功率在03W到06W，而移动通信基站和直放站的功率可达1W到100W。功率增益是指放大器输出功率与对应输入功率的比值，单位用DB来表示。功率增益的定义为G一埘。G专扭功率增益并不是越大好，为了保证输出功率的稳定性，避免输出信号出现非线性失真，通常在放大器设计过程中增加自动增益控制电路，以便获得一定的功率调节范围。2增益平坦度G增益平坦度指在一定温度条件下，工作频率范围内放大器的增效变化范围，主要用来衡量功放在工作频带内的稳定性，用下式表示，、，、G。堡坚二也棚2其中，GM积、G曲是整个工作频带内功率增益的最大值和最小值。3效率刀功率放大器是通讯系统中耗能最多的部件，因此其效率是很重要的。功率放大器的效率可以用输出功率与输入功率的比值来衡量栌嚣这种定义方法的缺点是没有考虑到功放的输入功率，即没有考虑到功放的增益。有的放大器的增益比较小，而用上式表示的功放效率反应的就不是真实效率。因6硕士学位论文此，通常采用功率增加效率POWERADDEDEFFICIENCY刀眦来定义射频功率放大器的效率叩眦警廿争叼可见，功率增加效率反应出为达到一定的输出功率，对输入功率的要求，很好的反应了器件特性，是衡量射频功率放大器将直流功率转化成射频功率的重要指标。功放的功率增加效率越高，表明将直流电源功率转换成射频信号的输出功率就越高，即转换的耗散功率就小，这样会在很大程度上提升系统的性能。41DB压缩点互扭当功率放大器的输入信号较低时，输出和输入成线性放大关系；当输入信号增加到使放大器进入饱和状态时，输出信号与输入信号不再成线性放大关系或者输出功率减小，即出现功率压缩。当功率放大器的增益比线性放大时的增益低1DB时，即出现了功率的1DB压缩点，见图11。POUTFDBMLPP1图111DB压缩点该点对应的功率就是号扣。也就是在1DB压缩点处的功率增益与放大器线性放大时的功率增益存在1DB的关系一GO一坳其中GO为放大器线性放大时的功率增益。5三阶交调截断点吧图12三阶交调截断点三阶交调截断点是衡量功率放大器线性度和输出功率的一个重要指标，是指7射频前馈放大器自适应检测控制模块研究与设计频率为2伽一触的三阶交调输出功率曲线，与主信号频率为劬的输出功率曲线线性延伸的交点，见上图12。由式13知，当输入功率较小时，输出基波信号的功率与输入信号的幅度成正比，而三阶交调输出信号与输入信号幅度的三次方成正比，反应在曲线的斜率上就是三阶交调输出信号曲线的斜率是基波信号的3倍。但是，值得注意的是三阶交调截断点职与输入功率并无关系，完全是放大器非线性造成的，是系统非线性一种有用的度量指标。产品手册上可以查到放大器的1DB压缩点只JR，因此可以通过下式估计三阶交调截断点的功纠7】皿1063豳功6三阶互调失真岫现代无线通信系统采用了多载波调制，当多载波经过放大器非性线作用后就会产生互调失真。以两路载波信号为例放大器的两路输入信号的频率似、十分接近，经过放大器的非线性作用，输出信号会产生新的组合频率分量，其中带外的谐波分量可以通过滤波器去掉，而带内信号除了基带信号外还可能有M弛，Z鸭的互调分量，以功为互调阶数，当等于三的时候就是我们定义的三阶互调失真，可以用下面式子表达蝎20LOG糍篙辫馨投7邻近信道功率比ACPR邻近信道功率比是衡量非线性度对邻近信道的干扰程度，定义为泄漏到邻近信道的总功率与主载波信道信号功率的比值，见图13。ACPR是放大器线性度的一个重要指标，不同的通信系统对ACPR值有不同的要求。F7F、了1入八旷八一厂图13邻近信道功率比ACPR在多信道通信系统中，放大器的非线性失真对邻近信道的干扰与放大器的三阶互调失真有很大的关系，ACPR值可由Z峨推算出【5】8硕士学位论文彳C职蚴一61。G熹其中彳。垫二翌二垫竺皇垒垄；召之二些垄；MDDO是取余函数。如上2484节分析可知，当变包络信号经过非线性放大器后，将会有部分信号泄漏到邻近信道，即信号的频带被展宽。8AMAM和AMPM曲线射频功率放大器的线性度指输出信号线性跟随输入信号变化的程度。当功率放大器工作在线性状态时，主要说明两点输出信号中仅有与输入信号频率相同的信号成分，二是功率放大器的增益与输入信号大小无关。当放大器输入端作用一个正弦信号时，其输出信号的线性特性可以用AM剐M和AMPM曲线来表示。AMAM曲线是衡量放大器的输出随着输入变化的曲线。放大器的非线性作用体现在当输入信号增大到一定程度时，输出信号增益出现饱和，如上节所讨论的一样，进一步出现增益压缩的现象。AMPM曲线是衡量放大器输出信号的相位变化随着输入信号功率变化而变化的曲线。放大器的非线性作用体现在当输入信号的功率增加到一定程度，输出信号的相位开始变化，即出现相位的漂移。15本章小结不难发现放大器工作状态的选择对输出信号线性度将产生非常重要的影响，而且还关系到整个系统的效率要提高系统的效率，必然要牺牲输出信号的线性度。因此，效率与线性度是功放设计中一对不可调和的矛盾。现代通信系统对放大器的线性度要求越来越高，放大器的线性度不仅与工作状态的选择有关，还与工作环境、温度变化、偏置网络的选择等相关，更关键的是与输入输出的阻抗匹配有关，负载的变化也会造成放大器线性度的变化，因此，设计高线性度的射频功率放大器是一项充满挑战的任务。本章分析了放大器非线性产生的原因，并对多载波传送系统、变包络调制信号的非线性特性进行了数学分析当功率放大器的输入信号增加时，将会出现谐波失真、增益压缩、互调失真、频谱扩展等各种非线性效应J非线性效应是由很多系统的和非系统的因素共同作用产生的，而对衡量非线性特性的相关参数也做出了具体的定义与说明，为接下来具体的分析设计打下基础。9射频前馈放大器自适应检测控制模块研究与设计第2章自适应射频线性功率放大器21常用线性化技术功率放大器存在非线性特性，由上章分析可知，特别是现代通信系统中，功放的非线性对整个系统的影响更大。从新器件新材料方面改善放大器线性度存在成本和技术难度问题，因此，线性化技术对于提高功放的线性度是一个能够实际应用的方法。本章介绍三种线性化方式功率回退、预失真、前馈线性化技术，并对各种方式的基本特点和各自应用领域做出说明，最后重点分析本课题采用的线性化方式前馈线性化技术。211功率回退线性化技术当放大器的输入信号较弱，此刻又存在着一个相对较强的干扰信号，而且干扰信号是已调信号，则干扰信号的调制信息将转移到有用信号的幅度上，也就是出现了新的不希望得到的调制，这种调制称之为交叉调制。基于式11建立的放大器非线性模型，研究两个等幅度的输入信号，一个是小信号输入的有效信号，另一个是振幅调制的已调信号，即QP钟M00S哪00S呼彳00S哆那么可得到放大器的相应三阶交调系数【4】伽，。墼口儿吾口以3由于输入的为小信号，可以看作满足条件导口以3A故上式可以简化为伽，；型垡。口L化为对数的形式C膨，D8C；20LOG望；201。G三竺兮201。G吃221L口1由21式可以看出，当输入功率减小拟曰时，三阶交调系数可以改善姒B。这种通过减小输入信号的功率，来改善放大器的非线性度的方法就是功率回退法，原理示意图见21。功率回退法的基本原理就是把功率放大器的输入信号功率从1DB压缩点回退几个DB，使放大器工作在远小于1DB压缩点的电平上，这时放大器远离饱和10硕士学位论文工作区，进入线性工作区，改善放大器的三阶交调系数。简单说来就是将大功率放大器当作小功率放大器使用，使输入信号远离放大器的非线性工作区。功率回退法原理简单、电路实现比较容易，是改善放大器线性度常用的有效方法。但是，功率回退法也存在诸缺点其一是功率放大器效率低，这种方法实际上是以牺牲直流功耗来提高功放的线性度；其次关键的是，由于受到器件动态范围的限制，当功率回退到一定程度时，如三阶交调系数达到50DBC以下时，继续进行功率回退功放的线性度将得不到进一步的改善【16L。因此，在要求输出大功率、高线性度的场合，功率回退法就有很大的局限性。POU“DBMP图21功率回退示意图212预失真线性化技术改善放大器线性度就是必须尽量减小放大器输出信号的非线性失真，因此，如果能够用一个非线性电路对这种失真进行最大程度的矢量抵消，就可以改善放大器的非线性度。而这样的一个非线性电路必须满足能够对放大器的非线性特性进行准确有效的“跟踪”，经过自身的非线性特性，产生一个与放大器非线性特性的幅度相等、相位相反的非线性信号，矢量合成后对放大器的非线性最大程度的抵消。预失真线性化技术就是基于这种思想产生的，原理图可以通过图22说明。预失真电路非线性特性图22预失真线性化原理预失真线性化技术就是通过产生与输入信号互补的信号，来消除RF功放非线性失真的技术。预失真技术在电路中表现为增加了一个预失真器，此预失真器射频前馈放人器自适应检测控制模块研究与设计的作用是产生与放大器非线性特性矢量对称互补的信号。预失真技术按预失真模块在信号流程中的位置，可以分为RF射频预失真、IF中频预失真、基带预失真。RF射频预失真、IF中频预失真一般借助模拟电路来实现，而基带预失真是利用数字信号处理来实现的，可以称为数字预失真。在TV发射机IF预失真、TWT放大器RF预失真中已经成功的运用预失真技术来改善三阶交调失真【14J。由于本文是基于射频功率放大器线性化技术的设计，仅分析RF射频预失真线性化技术。RF射频预失真最基本的特点就是方便集成，并能同时线性化整个系统带宽内的信号，因此，它比较实用于宽带多载波通信系统。目前最常用的射频预失真网络是消除功率放大器的三阶互调失真分量，对于一个通信系统，三阶互调分量是主要的失真信号，当把三阶互调失真降低到与高阶互调分量相等或者更低时，则就达到了比较好的线性化效果。一种实现RF射频预失真的方法就是借助非线性放大器产生互调失真的互补信号，来抵消放大器的非线性失真。这种技术的实现有几种一是在主功放之前放置由二极管或者晶体管组成的非线性网络对放大器的三阶失真进行校正，另一种就是预失真网络由有相同失真特性的低功率晶体管做成非线性放大器，该放大器的非线性与主功放的互补。在实际应用中这种方法实现起来要复杂得多，因为它必须抵消输入的RF信号，而且还得对主路和支路的幅度、相位及延时进行匹配，见图23。位调节功放图23RF预失真电路非线性电路另一种预失真电路实现的方式就是增益与相位补偿，见图24。将矢量调节器幅度与相位调节置于主功放前，然后利用RF信号包络进行动态调节，来消除与输入信号电平相关的功率放大器的幅度AMAM与相位AMPM转换失真。若信号处理模块的带宽比调制信号带宽大得多，则该预失真电路的工作频带也会很宽。但由于预失真电路为开环，电路的抵消性能还受工作温度、放大器增益变化等因素的影响，因此必须加一些控制电路。此外，增益与相位补偿预失真电路的性能还要受检波模块性能与控制电路的影响。但是本电路与上一种预失真电路比较具有电路结构简单，而且如果忽略检测电路带的影响，增益与相位补偿电路将工作在更宽的频带上，而图22所示预失真电路的工作频带由于受到预失真模块中的非线性放大器工作频带的影响，而限制了整个系统的工作频带。12硕士学位论文检波信号处理图24RF预失真电路幅度与相位补偿上面分析了两种典型的预失真电路模型，但是不论那种实现形式，其工作原理都是利用非线性电路来提供一个非线性输入输出特性，而该输入输出特性与放大器的非线性特性相位“相反”，经过矢量合成抵消放大器本身的非线性特性。预失真的原理与实现都非常简单，但预失真信号的产生很困难，特别是要获得很高的交调抑制更加困难。用预失真方法设计的放大器，工作频带较宽，便于调试，但对交调干扰的改善程度有限，不适用于对交调系数要求很高的系统，并且它的应用受限于载波或信号的频率。213前馈线性化技术前馈技术是由美国的HSBLACK于1928提出的【1171，但这之后前馈技术几乎被人遗忘，直到1970年之后，贝尔实验才最早开始了在射频领域应用前馈技术提高线性度的研究【18】【191，到80年代后，前馈技术才受到人们的重视，现在前馈放大器已经应用于多载波通信系统、峰窝系统基站和终端。前馈法在国外已经得到了广泛的应用，在国内也取得了一些成就，是目前发展最迅速、技术最先进的方法，比之预失真法有着更好的稳定性和宽频带特点。前馈技术的基本原理就是通过信号抵消环路提取放大器的非线性失真信号，然后经过误差信号抵消环路实现与放大器的非线性失真信号的抵消，从而最大程度的保证输出信号对输入信号的线性放大，原理说明见图25。LI7Y7LJJ”吣延时线1U卜II图25前馈控制原理图示意图现在对前馈放大器原理示意图做出分析前馈线性化技术的原理就是基于幅度相等、相位相差180。的两路信号矢量合成相消的原理。基本前馈放大器原理示射频前馈放大器自适应榆测控制模块研究与设计意图由两个环路构成信号抵消环和误差信号抵消环路。输入信号进入前馈电路后经功分器分为两路信号，一路进入主功放，经放大器作用后产生非线性失真信号分量，见图中频谱示意。失真信号经过耦合器耦合部分信号作为合成器的一个输入信号，而下支路信号经过一定的延时后与失真信号同时到达合成器，合成器将两路信号进行矢量合成，如果两路信号能够保持载波信号幅度相等，则经过合成器作用后将输出失真信号，载波信号完全被抵消掉。第一环的作用是抵消输入载波信号，故称为信号抵消环路。在理想情况下，经过信号抵消环路的作用，只有失真信号进入第二环，经过幅度与相位调整输入到误差线性功放，由于失真信号幅度要比载波信号幅度小得多，故可认为误差功放工作在小信号模式下，失真信号经过误差功放处理后，输出量是对失真信号的线性放大。然后该信号与主功放延时信号经过耦合器进行矢量合成，失真信号得到最大程度的抵消，体现在输出信号上就是对输入信号的线性放大，第二环实现的功能是对失真信号的抵消，故称之为误差信号抵消环。为了提高线性化的程度，还可以进行环路的多层嵌套，也就是多环前馈系统，但相应系统的复杂度也会更高。前馈技术具有较高的线性化能力，传统前馈线性电路，能够实现20到30DB线性度的提高。前馈系统最大的特点就是带宽比较宽，理论上可以不受带宽限制，主要有以下几个原因前馈系统是按时间进行调整的，因此不存在时间延时的问题，其二是，系统没有数模、模数转换带来的带宽问题，另外就是前馈系统是个开环系统，不存在系统稳定性问题。前馈电路的另一优点就是系统噪声系数全部由误差放大器决定【”】，通常情况下误差功放工作在线性状态，噪声系数比较小，因此，在没有改善主功率放大器噪声特性的情况下，前馈系统也有比较好的噪声性能。以下是对三种方法性能的直观比较，见表21。表21线性化技术性能比较线性化技术带宽线性改善度效率功率回退宽低低预失真技术一般一般高前馈技术宽高一般22前馈法分析基本前馈放大器原理与实现电路见图25。本节主要对基本前馈系统做出定量分析，前馈系统对相位与幅度要求很高，相位与幅度的失配将决定整个前馈系统的总体性能，因此分析相位与幅度对线性度的影响是很必要的。221前馈系统分析本节的分析是基于图25示的前馈系统，假设输入信号为圪F，主放大器的14硕士学位论文输出信号为圪O，则输入信号经过分路器作为放大器的输入信号，经过放大器的作用后输出信号可以表示为圪O争圪F弦一慨圪F22其中以为主放大器的增益，为放大器对信号产生的延时，也就是对信号相位的改变，而圪O为放大器输出的非线性失真信号，这里假设输入信号用的分路器为3DB功分器。放大器输出信号经过耦合器1耦合部分信号到信号抵消环路，设耦合器1的耦合系数为CL、插入损耗为Q，则放大器输出信号经耦合器1取出的信号可以用下式表示MC1争F弘帆吼O23该信号作为合成器的一路输入信号。而下支路信号经过延时处理后到达合成器，；R计数器输入控制字UCHARNCOUNTER【】OX20，0X67，OX5E】N计数器输入控制字数据输入端口输入的串行数据，控制锁存器数据输入锁存FORI0；I3；ILEO；锁存信号置0CLKO时钟输入信号置0P10UTCONTROL【I】；MSP430单片机10口输出寄存器CLK1；LE1R计数器输入数据锁存FORI0；I3；ILEO；CLK0P10UTRCOUNTER【I】；CLK1；LE1心计数器输入数据锁存FORI_O；I3；ILE0；CLK0P10UTNCOUNTER【I】；CLK1；LE1通过以上程序设置可以产生847MHZ的上边频导频信号，而下边频导频信号硕士学位论文可以通过该芯片采用定的延时来实现，当检测到上边频三阶互调信号抵消到最小的时候，就通过SPI接口编程来改变导频信号频率，产生834MHZ的下边频导频信号，实现对下边频三阶互调失真信号的检测，此时相关分频器参数的设置为R16，P8，A10，B103此时N计数分频器数据输入变为UCHARNCOUNTER】0X20，0X67，0X2A；再调用上述程序段就可以产生下边频导频信号。因为前馈系统的检测控制不要求严格的实时检测控制，因此利用时间延时来产生上下边频导频信号，简化了硬件电路的设计。以上从硬件设计以及软件控制方面详细分析和设计了上下边频导频信号的产生，是实现导频信号插入法检测的重要基础，也是本节的重点内容。43调制信号产生电路本检测模块方案采用的是导频调制信号插入法，上节已经详细分析设计了导频信号的实现电路，本节主要分析设计正交调制信号产生电路。这里的调制正交信号是通过移相网络来实现的，用芯片设计了一个正弦信号发生电路，输出信号频率为2KHZ，然后通过90度移相得到正交信号。这里选用的正弦信号发生器是芯片MAX038，该芯片一款高频率，高精度函数发生器，能够产生三角波、锯齿波、正弦波、方波以及脉冲波，而且外接器件也很少，输出信号频率范围为O1HZ20MHZ。输出波形可以通过对两个兼容TTL电平的引脚设置合适的数据来选择，输出信号有20MA的输出电流。本芯片不要用于高精度信号发生器、调频电路、脉冲宽度调制、PLL电路以及频率合成器。输出频率由IIN引脚输入电流、COSC电容值以及FADJ引脚的电压值来确定。当FADJ引脚输入信号为0时，控制频率范围的输入信号IIN调节范围为25UA750UA，REF输出信号波动范围为2MV，输出信号频率稳定度为加耐C，基本输出频率可以通过下面的公式来确定EM眈一L剃CF胪43当，。在范围10UA400UA内时可以有一个最好的效果，对于固定输出频率信号的电路，可以将选择。为100UA，然后确定合适的电容值，电容值范围在20PF到100UF。内部一个闭环放大器将引脚IIN强制接到虚拟地，该放大器差分输入信号2MV。引脚IIN可以是电流源驱动，也可以是电压输入串连电阻的形式驱动，该电阻串接在REF引脚和IIN之间，且满足关系式，。竺星量，在这种情况“尺细下，输出公式可以表示为射频前馈放大器自适席检测控制模块研究与设计易【砖G】44芯片MAX038信号输出频率是输入电压值的函数，如表达式43。三三一图410调制信号产生电路低频调制信号产生电路如图410示引脚2、6、9、11、18为模拟信号地，15脚为数据信号地，这些引脚的接法如图中设计所示；REF引脚为差分信号输出端口，通过串接电阻可以驱动IIN端口，可以控制整个芯片的输出信号频率；引脚3、4为输出信号波形选择位，当A11时，输出信号为正弦波，在设计的时候将A1直接拉高到电源值，则本设计的输出信号为正弦信号；DADJ为占空比调节端口，主要针对方波信号输出调节；FADJ引脚为频率输入调节，其内部包括一个锁相电路，在中心频率被IIN信号确定以后，通过调节FADJ引脚电压可以实现输出信号频度的进一步微调，FADJ引脚电压调节范围为24V24V，对应的输出信号频率变化范围是FADJ引脚电压为0时对应输出频率的0713倍，FADJ引脚电压与输出信号频率变化范围的关系可以用下式表示圪。N，一O0343D，其中K。N，为引脚电压值，N为输出信号频率变化量，通常是百分数形式。FADJ内部有一个放大器电压源，使该端口有一个250UA的拉电流，利用这个拉电流，在本设计中我们外接了一个12K的电阻，以实现引脚FADJ产生3V的电压，这样做有两个好处一个是改善了山J电路给输出信号频率带来频率漂移，第二个就是振荡器频率加倍，则表达式54的输出信号频率加倍。COSC引脚为外接电容端口，此电容值是确定输出信号频率一个因素，其与输出信号频率关系如表达式54示；引脚夫10为频率控制电流输入端口；引脚12、13为鉴相器输出端口和参考时钟输入信号端口，在不用到鉴相器的情况下，这两个引脚直接连接到地；SYNC引脚为TTUCMOS电平兼容输出端口，允许内部振荡器由外部输入硕士学位论文信号来合成控制，当不使用的时候该引脚可以不接；DV引脚数字电路部分5V电源供电输入端口，当SYNC端口没有被使用的情况下，该端口不接。低频调制信号实现电路见图410，这里产生的调制信号为2KHZ的正弦波信号，而REF输入端外接的电阻为25K，因此结合式44可以确定CF1UF。以上设计电路可以产生2KHZ正弦波，还需要产生与该信号正交的信号，可以通过一个移相网络来实现90度移相，从而得到需要的两路IQ输入信号，这里就不再另详细设计一个调制信号产生电路。44调制导频信号设计与仿真导频产生电路与低频调制信号产生电路已经设计完成，本检测方案的思想是导频调制信号作为插入导频信号，因此，正交调制信号电路的设计也是很必要的。设计采用的正交调制芯片是RF2422，该芯片是RFMD公司的一款集成正交调制芯片，5V单电源供电，可控功率关断模式。主要应用于高频调幅、调相及复合载波调制，采用的是差信号输入，工作频度范围为800MHZ25GHZ。其原理见图411，现将相关功能脚作为说明1、2引脚为混频器的参考电压输入脚，应该和直流供电电压相等，推荐值为30V；6脚为相移网络输入脚，即载波信号输入后经过一个移相网络输出两路正交的载波信号；9脚为调制信号输出接口；15、16脚为混频器基带信号输入端。本文中就是基于芯片RF2422来实现IQ信号的调制，并用该调制信号作为导频信号耦合到主放大器回路，然后在前馈网络输出端检测导频信号，最后经过IQ解调，比较基带信号的变化并控制矢量调节器的改变量。LSIGQSIGGNDLGNDLGNDLVCC2GNDLRFOUT图411RF2422原理图441基于RF2422芯片IQ调制分析建立图412的IQ调制模型该项模型由两个混频器MIXL，2、一个正交功分器HYBL、和一个功率合成器组成。原理简要介绍同相输入信号和正交输47射频前馈放人器自适应柃测控制模块研究与设计入信号由两个信号源产生；载波输入信号LO经过正交功分器产生两个幅度相等、相位相差90度的正交信号A、B，分别与低频信号I、Q相乘然后经过功率合成器输出IQ调制信号。MIXLMIX2图412IQ调制模型载波信号经过正交功分器后输出两路正交信号A、B，实际信道中由于信道或放大器的增益误差等原因，造成实际信号的幅度不完全相等，相位不完全正交，还可能存在直流偏差的情况，故上述信号模型定义如下S4FJ1乞事SIN气S丑F目1COS气相应的IQ调制信号可以定义如下IOI1QSIN七QGF_1口口COSCF其中口为直流偏移量，口、Z分别为载波信号和调制信号幅度偏移量。上述实际信号经过混频之后的C、D输出信号分别可以表示为SCS彳OFF一1口F1，4FOS爿FF1，口S彳OAF口口口口1口FFF一S口F口F1口GXL串吁FF口G1宰SBF1口粤宰口F则功率合成输出为SSC墨S2屯S4其中墨、S2、分别为硕士学位论文鼍。1Q1乞SIN七SIN气“1COS七C08气S2。Q1乞SIN气1COS气5A口1口FS缸七14口COS七S表示的是调制输出信号，岛为输出端的载波泄漏信号，表示输出端基带泄漏信号，配表示输出信号中的直流分量。通过上述调制输出信号表达式的分析可知，该基带信号经过混频器与载波信号混频产生调制信号S，也就是要求的IQ调制理想输出调制信号，但是由于基带信号存在直流偏移量口F、口疗，输出信号存在泄漏的载波信号岛。而泄漏的载1波信号会对调制输出信号形成串扰，并由于泄漏的载波信号与调制输出信号的频率很接近，故一般很难用普通的滤波器去掉。本文选用的RF2422为差分信号输入，可以有效的除掉基带信号中的直流分量，消除输出信号中的载波泄漏信号，得到接近理想的IQ调制输出信号。同样由于载波信号存在直流分量，由上式分析可知输出会产生基带泄漏信号，而该信号可以通过滤波器有效的过滤掉，不会对输出调制信号产生干扰。岛是输出信号的直流分量，该直流分量会增加系统的功耗，给系统的稳定性及工作效率带来影响，当然也可以通过滤波器去除。选用RF2422可以解决这个问题，由于基带信号采用的是差分输入，即基带信号的直流分量促；口。O，输出信号中可以有效的抑制直流分量，实现IQ调制后的譬输出信号可以简化为S。墨。1口F1乞宰咖嘭枣如嘭1勺X1事