W-CDMA模擬預失真功率放大器設計
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隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的發(fā)展，各種用于射頻功率放大器的線(xiàn)性化技術(shù)被進(jìn)一步研究和應用。尤其是窄帶CDMA和第三代移動(dòng)通信等技術(shù)的發(fā)展，對功放的線(xiàn)性度提出了更高的要求。在W-CDMA等無(wú)線(xiàn)通信系統中，如果采用一般的高功率放大器，由于功率放大器的交調失真，將會(huì )出現頻譜再生效應，從而干擾相鄰信道，甚至產(chǎn)生誤碼。因而，功率放大器的線(xiàn)性化技術(shù)越來(lái)越受到關(guān)注。目前常用的三種技術(shù)分別是：前饋技術(shù)(Feedforward)、反饋技術(shù)(Feedback)和預失真技術(shù)(Pre-Distortion)。
在這些線(xiàn)性化技術(shù)中，前饋法可以得到很高的線(xiàn)性度，但結構復雜而且昂貴。反饋法有其致命的缺陷，如不穩定，帶寬有限。預失真技術(shù)中，基帶信號中預失真系統需要正確對比源信號和反饋信號，對環(huán)路延時(shí)補償有很高的要求，同時(shí)系統結構比較復雜；而模擬預失真技術(shù)有其結構簡(jiǎn)單，成本低，線(xiàn)性度較好等優(yōu)點(diǎn)，因而已成為中小功率放大器進(jìn)行線(xiàn)性化的理想技術(shù)。
針對W-CDMA直放站下行鏈路的線(xiàn)性度要求，利用預失真技術(shù)設計了一個(gè)平均發(fā)射功率為41 dBm的功率放大器。該設計采用一對反向并聯(lián)的二極管產(chǎn)生非線(xiàn)性失真分量，并利用這個(gè)非線(xiàn)性分量補償功放的非線(xiàn)性失真。
1 放大器的非線(xiàn)性
如圖1所示，理想線(xiàn)性放大器的輸入和輸出關(guān)系可以表示為Vout=K1Vin，其中K1為放大倍數。但是作為半導體器件，當功率放大器的輸入信號較大時(shí)，管子出現飽和現象，于是導致了輸出信號壓縮，產(chǎn)生高次諧波，引起失真。所以輸出應該包括平方律項和三次項等高次分量，它的輸出可以用冪級數式(1)表述：
從式(2)可以看出，由于系統的非線(xiàn)性特性，在輸出信號中，除了有輸入信號的頻率外，還會(huì )出現新的直流分量和如同2ωi，3ωi，…等的諧波分量。如果輸入的信號為雙頻信號Vin=A1cos(ω1t)+A2cos(ω2t)，通過(guò)同樣的分析可以發(fā)現，最終輸出口的成分由支流成分、基波ω1和ω2、二次和三次諧波2ω1，2ω2及3ω1，3ω2、二階互調分量ω1±ω2、三階互調分量2ω1±ω2及ω1±2ω2等分量組成。一般情況下，僅2ω1-ω2和2ω2-ω1落在通帶內。雙音三階互調是非線(xiàn)性中三次方項產(chǎn)生的，由于落在帶內，故主要考慮的是非線(xiàn)性產(chǎn)物。這些非線(xiàn)性產(chǎn)物都會(huì )干擾載波信號，造成交調失真、諧波失真等非線(xiàn)性失真。當多載波輸入時(shí)，影響較嚴重的是三階交調失真。
2 模擬預失真原理
從原理上看，預失真線(xiàn)性化技術(shù)是改進(jìn)線(xiàn)性特性的一項最簡(jiǎn)單的技術(shù)，其原理如圖2所示，即在RF放大器的前面加入預失真器，預失真器的特性與RF放大器的特性精確匹配，當信號經(jīng)過(guò)預失真器和RF放大器組成的級聯(lián)系統時(shí)。由于預失真器與RF放大器的特性相互補償效果，使得輸出信號為完全無(wú)失真信號，從而達到線(xiàn)性化目的。這種補償原理如圖3所示，圖3(a)與圖3(b)曲線(xiàn)互相補償，得到圖3(c)完全無(wú)失真的輸出信號。
3 模擬預失真的實(shí)現
W-CDMA直放站下行鏈路要求實(shí)現41 dBm的功率輸出，IM3和IM5均小于-50 dB，故設計如下電路以滿(mǎn)足上述要求，整個(gè)設計如圖4所示。
由圖4可以看到，該方案采用的是一種雙環(huán)結構。第一個(gè)環(huán)路由功分器將輸入信號分成兩路，一路經(jīng)延遲器延遲；另一路經(jīng)預失真發(fā)生器失真、衰減、再移相后，與延遲信號耦合，形成預失真信號產(chǎn)生部分的環(huán)路。第二個(gè)環(huán)路則是將預失真環(huán)路生成的信號再進(jìn)行衰減，移相后與功放輸入的延遲信號耦合，形成整個(gè)功率放大器部分。這種結構有效地減小了所需主信號受環(huán)路的影響，而失真部分又能夠得到充分的補償。同時(shí)，該電路在實(shí)際調試中比較容易調節，是一種實(shí)用性很好的電路結構。
由于二極管是一種非線(xiàn)性半導體器件，對于一個(gè)輸入余弦信號，二極管的輸出是包含了非線(xiàn)性失真分量的余弦信號。所以，非線(xiàn)性發(fā)生器部分的設計采用反向并聯(lián)的二極管來(lái)實(shí)現。實(shí)現電路如圖5所示。
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