RF功率放大器的自適應前饋線(xiàn)性化技術(shù)

1 引 言

　　常用的線(xiàn)性化技術(shù)有反饋法、預失真法、前饋法、笛卡爾環(huán)、非線(xiàn)性部件實(shí)現線(xiàn)性化（LINC）等。預失真法是最常用的，其工作函數預失真器有2個(gè)顯著(zhù)的特點(diǎn)：線(xiàn)性修正是在功率放大器之前，其插入損耗??；修正算法帶寬限制小。數字預失真技術(shù)［1］復雜度高能提供較好的IMD壓縮，但由于DSP運算速度使其帶寬小。笛卡爾［2］反饋復雜度想對低，能提供合理的IMD壓縮，但存在穩定性問(wèn)題且帶寬限制在幾百kHz。LINC法將輸入信號變成2個(gè)恒包絡(luò )信號，由2個(gè)C類(lèi)放大器放大，然后合成，但對元件的漂移敏感。前饋技術(shù)為另一類(lèi)線(xiàn)性化技術(shù)，他提供了閉環(huán)系統的線(xiàn)性化精度，開(kāi)環(huán)系統的穩定性及帶寬。目前僅有前饋技術(shù)才能滿(mǎn)足現代多載波通信基站功率放大器的性能指標。

　　前饋技術(shù)起源于“反饋”，應該說(shuō)他是一種老技術(shù)，除了校準（反饋）是加于輸出之外，概念上是“反饋”，不過(guò)是不同的執行方法。前饋克服了延遲帶來(lái)的影響。他提供了反饋的優(yōu)點(diǎn)，但沒(méi)有不穩定和帶寬受限的缺點(diǎn)。放大器的輸出應用了反饋校準。由于在輸出校準，功率電平大，校準信號需達到較高的功率電平，這就需要額外的輔助放大器，而且要求這個(gè)輔

助放大器本身的失真特性應處在前饋環(huán)系統指標的上限。系統內不同元件的增益、相位跟蹤準確度也必須保證，而且要穩定。在這個(gè)頻率范圍內，溫度 和時(shí)間的校準精度完全依賴(lài)系統內各元件的精度。盡管存在這些問(wèn)題，前饋技術(shù)仍然是最熱門(mén)的，因為他是惟一能滿(mǎn)足寬帶、多載波系統功率放大器的線(xiàn)性化指標的有生命力的技術(shù)。商品前饋環(huán)指標表明：?jiǎn)我坏那梆伃h(huán)可降低多重環(huán)的多載波系統比開(kāi)環(huán)降低50dB。本文討論自適應前饋線(xiàn)性化技術(shù)的原理、實(shí)現方法及其仿真結果。

2 自適應前饋法線(xiàn)性化原理

　　圖1所示是基本的前饋環(huán)框圖。未失真的抽樣信號經(jīng)延遲后與主放大器放大的信號經(jīng)過(guò)適當的衰減耦合后在0°～180°合成器中比較。如果主放大器無(wú)增益和相位失真，合成器產(chǎn)生零輸出。若主放大器有任何增益和相位失真、壓縮或AM-PM效應，合成器輸出端就會(huì )有小的RF誤差信號，輸入到誤差放大器放大到輸出抽樣信號的電平，主信號經(jīng)延遲并補償誤差放大器的延遲后與誤差放大器的輸出合成校準后輸出。必須強調，相位與振幅的校準——加或減，全都在RF下進(jìn)行，而不是在視頻或基帶進(jìn)行。即校準在最終帶寬內進(jìn)行。最終帶寬由系統各種元件的相位、振幅的跟蹤特性決定。

這種系統的工作原理很好理解，定量分析則要深入討論，主要包括主功率放大器和誤差功率放大器功率容量的分析，誤差放大器的非線(xiàn)性貢獻；不完善的增益、相位跟蹤特性的影響等。最簡(jiǎn)明的辦法是首先分析主放大器存在增益壓縮和AM-PM轉換失真時(shí)連續波掃描時(shí)環(huán)路的靜態(tài)特性。所謂“靜態(tài)”，定義為在可變包絡(luò )激勵下，系統的失真特性。

　　3自適應前饋控制方法

　　近年來(lái)，出現了一些自適應性前饋系統的專(zhuān)利，這些自適應前饋技術(shù)主要分為2類(lèi)：有無(wú)控制信號的自適應方法，即基于功率最小化的自適應技術(shù)［3］和基于梯度信號的自適應性技術(shù)［4］。前者的控制方案是：在信號抵消電路部分，通過(guò)調整復向量調制器來(lái)最小化參考信號所在頻帶內的誤差信號的功率，在誤差抵消電路部分，選擇只包含失真部分的頻帶。一旦取得最優(yōu)參數，需要加入預先準備的擾動(dòng)來(lái)更新系數，這些擾動(dòng)減少I(mǎi)MD壓縮。采用梯度信號的自適應性方法是連續計算三維功率表面的梯度。信號抵消電路中功率表面是誤差信號的功率，當參考信號完全被壓縮，只剩下失真時(shí)，功率最小。誤差抵消電路中功率表面是線(xiàn)性器的輸出功率，當失真在功率放大器輸出信號中完全被壓縮時(shí)，功率達到最小。梯度連續被計算，所以不需要預先準備的擾動(dòng)。常用的自適應控制器有復數增益控制器、最小功率控制器。

　　典型的復數增益調節器主要有2種類(lèi)型：極坐標和直角坐標形式。前者由衰減器和移相器組成。后者由功分器、合成器、移相器和混頻器組成，其中混頻器可以用雙相壓控衰減（VCA）代替。向量調制的2條支路是相位積分，且VCA能夠雙相位工作，這樣保證了向量調制能在［0，360］內均獲得相移。衰減器設置到一個(gè)歸一化的值，在此處電壓的梯度最大，這樣來(lái)保證快速自適應，但必須保證沒(méi)有任何附加的非線(xiàn)性引入。

　　最小功率控制器，這種自適應性控制器是“最小功率”原理運用到前饋線(xiàn)性化技術(shù)中的典型代表。圖2是最小功率控制器的框圖。通過(guò)調整控制電壓“I”和“Q”來(lái)最小化端口“P”的功率，端口P是信號抵消電路中誤差信號的抽樣。這種方法的缺點(diǎn)是在快到達最小值時(shí)，收斂慢且對測量噪聲敏感。而功率測量不可避免的存在噪聲，為了減少測量的變化，在每一步需要停留足夠的時(shí)間。功率最小化原理也運用到誤差抵消電路中，然而，端口P的輸出信號既有放大信號也有殘留的失真。因這些失真信號的 幅度比放大信號小幾階，故最小化算法在每一步需要停留較長(cháng)的時(shí)間。有2種方法用來(lái)減輕這個(gè)問(wèn)題。一種方法是采用可調接收器來(lái)選擇只包含失真的頻帶，且采用控制器來(lái)最小化這個(gè)頻帶。另一種方法是輸出減去輸入端的相位和增益的復制品，理想上就只剩下失真，這些失真反饋到端口P用于最小化算法。

梯度法是自適應性的另一個(gè)方法。信號抵消電路、誤差抵消電路可采用復數基帶相關(guān)器或帶通相關(guān)器。最簡(jiǎn)單的迭代法是最速下降算法，在二次誤差面的環(huán)境下，可以任選一個(gè)初始值α（定義在誤差面的一些點(diǎn)），然后計算在那點(diǎn)的誤差面梯度，并且相應地α被修正。二次誤差面是經(jīng)典的估計理論，基數vr（t）和估計誤差ve（t）之間的相關(guān)等于誤差面的梯度，這個(gè)相關(guān)用來(lái)驅動(dòng)自適應性算法。最速下降法處理的隨機梯度信號（ve（t）vm（t）＊）表明上述算法在調整α和β。當vr（t）和ve（t）不相關(guān)時(shí)，梯度為0，這表明誤差信號只包含失真。梯度法比最小功率法收斂快，且不需要為了確定改變方向而不斷地進(jìn)行失調。然而，在混頻器的輸出端對DC偏置敏感。如最小功率法一樣，基于同樣的理由導致誤差抵消電路中收斂時(shí)間較長(cháng)，這可通過(guò)在相關(guān)前壓縮輸出信號線(xiàn)性部分來(lái)減輕。

　　4仿真過(guò)程及結果

性前饋線(xiàn)性器。這種方法主要是計算到達最小點(diǎn)的曲面的梯度，采用復相關(guān)器用來(lái)計算梯度。前饋線(xiàn)性器有2個(gè)環(huán)路：信號抵消電路和誤差抵消電路。線(xiàn)性抵消電路目的是消除功率放大器輸出信號中線(xiàn)性部分，只剩下失真。復系數α驅動(dòng)直角坐標形式的復增益調節器，采用復相關(guān)器來(lái)優(yōu)化復系數的相位，并衰減相位相反的上下支路，這樣就抵消了功率放大器輸出信號的線(xiàn)性部分，剩下的失真信號進(jìn)入第二個(gè)環(huán)路。下支路的失真信號和功率放大器上支路的輸出構成了誤差抵消電路。系數β調整下行支路的復增益調節器，以便與上行支路的失真的相位相反。采用兩路調制信號輸入，間隔100 MHz，載波的頻率取1．0 GHz，α?。?．1，β?。?．01，并采用迭代最小均方進(jìn)行尋優(yōu)，采用直角坐標向量調制器，為簡(jiǎn)化起見(jiàn)，采用理想無(wú)源元件。仔細選擇適61應參數，最好的方法是確保信號抵消電路環(huán)（α適應系數）在誤差抵消電路環(huán)（β適應系數）開(kāi)始收斂前收斂到一個(gè)較小的范圍內。

利用ADS2003進(jìn)行系統級的仿真，在功率回退5 dB的情況下其仿真結果如圖3～圖8所示。圖3表示自適應調整過(guò)程中α、β實(shí)部和虛部的變化情況，由圖可以看出α的調整過(guò)程要先于β的調整。三階、五階交調總的變化趨勢可以從圖4看出，由圖可知當調整繼續進(jìn)行下去三階交調改善40 dBc，而五階交調穩定后改善65 dBc。圖5表示初始的誤差頻譜，圖6表示調整后的誤差頻譜。圖7表明功率回退5 dB的情況下產(chǎn)生較大的交調功率和諧波。圖8表示經(jīng)過(guò)自適應處理后前饋線(xiàn)性化器的輸出。仿真結果表明經(jīng)過(guò)自適應前饋處理，三階交調和五階交調均得到明顯改善，功放的線(xiàn)性度明顯提高。

　　5 結語(yǔ)

　　射頻功率放大器的線(xiàn)性化技術(shù)可以明顯地改善放大器的線(xiàn)性度，同時(shí)提高輸出功率和效率。在負反饋、預失真和前饋這三種線(xiàn)性化技術(shù)中，前饋技術(shù)提供了反饋的優(yōu)點(diǎn)，但沒(méi)有不穩定和帶寬受限的缺點(diǎn)。本文利用梯度法實(shí) 現自適應性前饋線(xiàn)性器。仿真結果表明較之沒(méi)有進(jìn)行自適應前饋調整，在功率回退5dB的情況下，功放的三階交調可以改善40dBc，五階交調可以改善65dBc，功放的線(xiàn)性度得到明顯的改善，從而實(shí)現了大功率、高線(xiàn)性的輸出，他降低了對功率放大器末級器件的要求，提高功放的電效率。在多載波、高速度、大容量通信系統中，前饋放大器可以很好地解決鄰近信道干擾，提高系統ACPR值，保證系統工作的有效、可靠性。