线性化微波功放现状及发展趋势

线性化微波功放现状及发展趋势1引言些应用中它通常被用作发射机的末级，而末级是电子设备功耗的主要部分,也是成本最高的部分。B类或C类放大器效率较高，但有严重的非线性特性。一般来说，在2PSKMSK调制方式的系统中，由于通过信道的信号是恒包络调制信号，系统的主要质量指标对信道的非线性失真不敬感。为了获得高输岀功率和高电源效率，微波功率放大器通常工作在饱和状态。但是，在数字微波通信和多载波传输扩大通信容量，提高频谱利用率，通常都要采用正交调制技术和多电平调制技术。为了保证质量指标，系统对信道的非线性指标有严格要求。一般地，系统的频谱利用率真，使信号质量变坏，增加误码率,产生的交调产物增加了信号频谱，对邻近频道产生干扰。功率放大器的线性化技术是解决这个问题的一个有效的方式，它是使功率放大器在输出功率和效率达到最高的同时具有线性的特性。常用的方法有前馈法（feedforward）＞反馈法（feedback）、预失真法（predistortion）用非线性部件实现线性化（LINC）等。数字信号处理技术（DSP）的飞速发展为线性化技术提供了有效手段，相应出现了自适应线性化技术。微波功放线性化技术的发展及现状功率回退法1121分贝压缩点输出功率10瓦的功率放大器，对应的三阶交调系数为-20分贝，若限制输入功率，使输岀功率仅1瓦，则三阶交调系数变为-40分贝。功率回退法是一种最简单、最可靠的线性化措施，但它限制了功率放大器器件的实际应用功率，当需要高功率输出，用单管不能达到要求的功率时，可釆用功率合成技术，不过，这将增加放大器的复杂性和成本。一般来说，放大器工作在饱和或接近饱和状态时效率最高，当要求载波交调分量比（C/I）355.565分贝时，功15分贝，这是一个可观的量。2.2反馈法在较低频段，改善微波功率放大器线性性能最常见的办法是釆用负反馈。在原理上，要实现负反馈必须使输出信号和输入信号相位完全相同，但在微波频段,放大器件的渡越时间与信号周期相比，不能忽略，使负反馈技术难于直接应用于微波放大器电路。此外，微波功率放大器的增益有限，如果负反馈用于单级，则增益损失太大，用于多级电路，又难于保持稳定。2.2.1直接反馈法反馈法有多种方式，其中直接反馈法（IFB）应用较广。在这种方法中，将放大器的输入和输出信号耦合一部分，检波后的差作为误差信号通过电控衰减器和移相器控制放大器的增益和相位。IFB难使反馈系统在儿兆赫兹的范围内适应信号包络的变化。愉入5<愉入5<—.2.2.2间接反馈法后送入视频差动放大器，形成的振幅误差校准信号进行增益控制。这种简单的方法只能在VHF及UHF频段改善儿个分贝的交调性能，而不能增加器件内在的饱和功率，当包络进入压缩区，效果显著下降，并且这种方法也有很严重的带宽和稳定性问题2.2.3极坐标法法上是振幅与相位同时进行。2.2.4笛卡尔反馈法IFB的一种改进方法称为笛卡儿反馈法，它将信号分成同相和正交分量，因而不馈法常用于QPSK调制系统，检波分量从同相和反相调制信号取出。在基带采用数字信号处理技术修正使IFB的一种形式，相比于极坐标环法，它的主要优势在于两条正交信道的对称性减少了AM-AM、AM-PM2.3前馈法前馈技术起源于“反馈S（反馈）馈S优点，但乂没有不稳定和带宽的限制，当然这样的优点是通过增加成本换来的。放大器的输出使用了反馈校准，但是山于功率放大器的输出功率电平较大，因此校准信号需要放大到一个较高的功率电平，这就需要用到一个辅助放大器，并且对这个辅助放大器的非线性失真特性有严格的限制，即其失真特性指标应处于前馈环系统指标的上限。另外，系统内不同元件的增益、相位跟踪的准确度也有很严的限制，并且还要保持其稳定性。在整个频率范圉内，温度和时间的校准精度完全依赖于系统内各元件的精度。尽管存在上述的问题，但前馈技术仍是一个非常热门的技术，特别是在宽带、多载波系统功率放大器中应用其广。山于宽带通信的迅速发展，前馈法受到特别关注。这种方法的基本原理与反馈法类似，也是将放大器的输入和输出信号进行比较，从而得出误差信号，再从输岀信号中减去误差信号，得到无非线性失真信号。不同的是，它不是在同一放大器中减掉误差信号，而是用一个辅助放大器在专门的耦合器中去抵消。如图是前馈法原理框图，其中包括两个环：👉SoutlSin,得到主放大器的失真样品。Soutl包含被放大的输入信号和放大器引入的任何失真（IMD）。Soutl=GSinZ①amp+lMD式中G=的取样SSin和Soutl的取样分别是SSin=KoSin,SSoutl=K1Soutl其中K。和KI分别是用于对Sin和SoutlSSin衰减和延时，使得AoSSinZ①o=—SSoutlAoKoSinZo二GK1SinZ（①ainp+180。）Sin被抵消，👉KJMD。Ao和①o分别是用于调整载波对消的一个环引入的衰减和相移。👉二个环用来从经过延时的Soutl取出经👉想的无失真输岀信号Sout2o👉一个环输岀信号被增益为GA相移为①绎的放大器放大，得到足以对消主放大器引入的失真校正信号ScoreScor在耦合系数为K：的最后一个定向耦合器中与主放大器信号合成，如果Scor=A】GAK】KJMDZ(①aux+1)=IMDZ(4>m+180°)则放大器的输出将是无失真的。其中A,和①］分别是笫二个环为调整失真而引入的衰减和相移。Om是主放大器之后为均衡辅助放大器引入的相移而附加的时延,以使Sout2=SoutlZC>ni+Scoi从以上讨论可见，前馈法可使放大器的无失真输出功率达到饱和功率，但实际上是不可能的。这是因为在主放大器之后的移相器和耦合器有损耗。前馈放大器输岀功率是主放大器和辅助放大器输岀功率之和，是否可以增大辅助放大器的功率来增大总输出功率呢？实际中，辅助放大器的输出功率是受限的，因为它必须工作在线性状态才不致于将自身的失真引入系统。2.3.1EER法EER法(EnvelopeEliminationnadRestoartion)是一种形式的前馈，但匸作原理与节论述的基本前馈法截然不同，框图见图调制后的盯信号通过藕合器或功分器分离出一RF山高效率的非线性放大器放大，然后利用前面取出的包络信息控制最后一级功放的RFin

直流偏置控制直流偏置，进行幅度调制来恢复出信号本身的包络EER线性化技术除了用模拟方法实现还可以用DSP技术来实现〃山于固定包络C、DE类其至F100%员然这种情况在现实中是不可能的EER法的缺视频放大器点在于肖信号包络变化大时，主功放偏置可能进入截止区造成明显的失真,因此只适用一于信号包络变化小的场合。2.4预失真技术法

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Rfout器中而得到广泛应用。但它很难应用于线性度要求非常高(C/I>50dB)知信道的非线性失真特性，然后模拟一个失真特性与信道的非线性失真特性恰好相反的网络，插入信道中，使它们的特性互相补偿，得到线性较好的信道特性。预失真技术是开环线性化技术中最常用的一种方法，虽然开环系统的校准精度不如闭环系统，输入 软出预失真级产生一个非线性失真信号，并输入功率放大器，以抵消功率放大器所产生的非线性失真。预失真可以在微波波段和中频频段实现，也可以在基带实现。根据预失真对象（信号）的不同可以把预失真法分为基带预失真中频预失真和射频预失真基带预失真的调整是在基带上实现的，它是利用复数增益调整器来调整输入信号的AM-AM和AM-PM非线性控制。这个匸作函数表的输入量是经过时延的输入信号，输出量是输出信号减去输入信号（即失真量）。自适应的过程就是借助DSP不断调整工作函数表中的值使失真量最小。DqitaOomain AnalogDomain中频预失真的调整是在中频上实现的，基带信号在中频上完成调制，经上变频输出已调射频信号，将已调中频信号的包络作为工作函数表的输入量和功放输岀信号的参考标准。耦合器对功放输出取样，经带通滤波器得到需要抑制的边带信号（邻频道干扰），检波输出与未失真的参考标准比较得到失真量。这种方法可以同时补偿上变频器引入的非线性。射频预失真的调整相应的在射频上完成，其实现的原理框图如图所示。预失真器的两个复数增益调整器分别按工作函数的输岀调整幅度和相位。输入信号的包络作为（取样，并借助DSP调整工作函数的输出参数使不需要的信号最小。InPWR TABLEDE 4T DSP射频和中频预失真电路则存在调整比较方便，并且可以把上变频器和功率放大器的非线性失真信号一同抵消掉的优点，因此应用比较广泛。2.5LINC法LINC法将输入信号变成两个恒包络信号，由两个C类放大器分别放大，然后合因此对于元器件的漂移非常敬感，不适合温度、湿度等环境参数变化比较大的场合。2.6自适应线性法前面儿种线性化措施存在一定缺陷，例如功率回退法使功率放大器的利用效率太低，增加了功率放大器部件的成本。预失真法和前馈法不能校正由于环境温度、直流偏置和元器件老化等原因引起的信道非线性漂移，而这些漂移可能导致非线性失真指标恶化。自适应线性法能“自动适应”这些变化，它可以看成是将反馈加到预失真法中的校正网络或前馈法中的校正网络的一种直接反馈方法。在前馈法中，微计算机或数字信号处理器(DSP)Ko和相位①。以及对消环路的A1和ei,在微计算机或数字信号处理器(DSP)从而使误差最小。在预失真方法中，预失真网络要求的非线性可以用幕级数表示Vout=k,Vin+k2Vin2+ksVm3+上式中包含的项数与要求的C/I有关，Vin2.Vin3等可用双平衡混频器产生，将VinVin2,若有必要，可以再加一个混频器从而得到更高阶的kl.k2等可以通过微il算机机或数字信号处理器(DSP)因温度和器件老化等所引起的缓慢的渐变特性进行修正。2.7自适应预失真线性化方法辅助放大器而使设备复杂、价格高、效率低。反馈法包括射频反馈法和包络反馈法，设备简单，但频带窄且难以获得高的线性特性。LINC法将输入信号变成两个恒包络信号，山两个C类放大器放大，然后合成。这种方法效率高，但实现信号分离复杂，要求两个放大器一致性好且合成效率高。自适应预失真法在功放前插入非线性元件（预失真器），能自动修正输入信号，使功放输出具有线同时山于预失真器接在末级功放之前，对高功率放大器输出功率影响小，因此自适应预失真法是一种广泛采用的线性化方法。自适应预失真线性化方法属于预失真方法的一种，也就是说它是在预失真线性化的基础上加入了自适应技术而形成的一种综合性的线性化方法。2.7.1査表法查表法是一种简单而有效的技术，其基本原理是，将适当的预失真值储存在表格中，以输入信号的大小作为地址，借助DSP使用迭代算法自动更新LUT中的内容，如图所示。在查表法中，有复数矢量保角变换（Complexvectormapping）>极坐标查表（Polarlookup）和直角坐标查表（Rectangularlookup）。复数矢量保角变换法中，误差矢量储存在表格中，釆用内插法连续计算三维功率表面的梯度。这些功率表面是输入信号与输出信号之间的差（即误差信号），当误差信号被完全抑制时，失真信号功率最小。可用线性收敛法或牛顿法求梯度。Look-upTabicBasedPredistortcrI叶gLI复数增益查表法可以用直角坐标查找表（LUT）和极坐标查找表。表的查找地址可以是输入信号的幅度也可以是输入信号的功率因小信号检波器是平方律特性，其输Im|的值较小时,|m|:利用ImlCompandingfunctionsLI的是使表格非等间距分布，在强烈的非线性区表格更密。但是，很难找到这种函数，即使找到了，其硬件实现也很困难。引入虚拟LUT和真实LUT2n,2m,m<no将LUT的元均匀sLUTs段，但其每个元间的间距2的幕，在每个区域，放大器s个字存储器包含真实LUT和虚拟LUT长度的比值，使表格简化。多项式法是把功放和预失真器的AM—AM与AM—PM特性用系数为复数的多项式幕级数表示。因放大器的失真主要山奇数项产生，因此我们主要考虑奇数次的系数多项式，令IDX=Vi1失真器信号为鼻，则预失真器输出为9=%（匕+冬九+冬尤+）功放输出为a=S+PR+Pd+…）将预失真器与功放级联得到组合放大器的特性r（弘十仏入十仏兀:十）式中,%=Q\0\%二aj|a『0s203ReGa；）］aj+选择预失真器特性多项式的非线性系数ci」，a:,o3使放大器输出的带外功率最小。为使求解简化，可以假定a」为常数，这样，变为寻优问题。模型越精确，多项式结272神经网络法1995年首次提出将神经网络算法用于数字基带预失真，应用多层感知来近似放大器响应的反函数。山于要求太多的参量使计算量太大，随后做了改进。借助功放的近似非线性特性将复函数变为两个实函数，从而减少了讣算量。当放大器的失真特性未知时，利用神经网络算法，直接从放大器的输出数据估计要求的预失真函数。如图表示神经网络预失真训练原理框图。Demod.图中，放大器输出样本作为神经网络的输入，放大器的输入幅度作为训练数据。当神经网络收敛时，其响应将是放大器AM—AM失真函数的反函数。👉络使用放大器的输入幅度作为神经网络的输入，训练数据是放大器的输岀与输入之间的相位差。当神经网络收敛时，它近似为放大器的AM-PM失真函数。2.7.3自适应控制方法随着技术的进步和发展，特别是八十年代以来出现了许多自适应预失真方面的专利技术，归纳起来主要有两种：一种是基于功率最小化的自适应技术，另一种是基于梯度信号的自适应技术。功率最小化自适应技术是通过调整复数增益调整器的方法使得所测的带外误差信号的功率最小，一旦复数增益调整器取得最优参数，就需要加入IMD的压缩。梯度信号的自适应技术是通过连续计算三维功率表面的梯度的方法实现的。在自适应预失真电路中，误差信号的功率表面是指用输入信号减去归一化的输出信号得到的差值信号。当误差信号被完全抑制时，交调功率达到最小。因为功率信号表面的梯度的计2.7.3.1基于功率最小化的自适应技术4—4所示，图中，通过调整控制电压I、Q00种方法的缺点是在快达到最小时收敛速度变慢，且对噪声异常敬感。而功率测量却不可避免的存在噪声，为了减少测量的误差，就需要在每次测量时停留足够长的时间，