RF功率放大器的自適應(yīng)前饋線性化技術(shù)

1 引 言

　　常用的線性化技術(shù)有反饋法、預(yù)失真法、前饋法、笛卡爾環(huán)、非線性部件實(shí)現(xiàn)線性化（LINC）等。預(yù)失真法是最常用的，其工作函數(shù)預(yù)失真器有2個顯著的特點(diǎn)：線性修正是在功率放大器之前，其插入損耗?。恍拚惴◣捪拗菩?。數(shù)字預(yù)失真技術(shù)［1］復(fù)雜度高能提供較好的IMD壓縮，但由于DSP運(yùn)算速度使其帶寬小。笛卡爾［2］反饋復(fù)雜度想對低，能提供合理的IMD壓縮，但存在穩(wěn)定性問題且?guī)捪拗圃趲装賙Hz。LINC法將輸入信號變成2個恒包絡(luò)信號，由2個C類放大器放大，然后合成，但對元件的漂移敏感。前饋技術(shù)為另一類線性化技術(shù)，他提供了閉環(huán)系統(tǒng)的線性化精度，開環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性及帶寬。目前僅有前饋技術(shù)才能滿足現(xiàn)代多載波通信基站功率放大器的性能指標(biāo)。

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

助放大器本身的失真特性應(yīng)處在前饋環(huán)系統(tǒng)指標(biāo)的上限。系統(tǒng)內(nèi)不同元件的增益、相位跟蹤準(zhǔn)確度也必須保證，而且要穩(wěn)定。在這個頻率范圍內(nèi)，溫度 和時間的校準(zhǔn)精度完全依賴系統(tǒng)內(nèi)各元件的精度。盡管存在這些問題，前饋技術(shù)仍然是最熱門的，因?yàn)樗俏┮荒軡M足寬帶、多載波系統(tǒng)功率放大器的線性化指標(biāo)的有生命力的技術(shù)。商品前饋環(huán)指標(biāo)表明：單一的前饋環(huán)可降低多重環(huán)的多載波系統(tǒng)比開環(huán)降低50dB。本文討論自適應(yīng)前饋線性化技術(shù)的原理、實(shí)現(xiàn)方法及其仿真結(jié)果。

2 自適應(yīng)前饋法線性化原理

　　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)過適當(dāng)?shù)乃p耦合后在0°～180°合成器中比較。如果主放大器無增益和相位失真，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(yīng)，合成器輸出端就會有小的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(bǔ)償誤差放大器的延遲后與誤差放大器的輸出合成校準(zhǔn)后輸出。必須強(qiáng)調(diào)，相位與振幅的校準(zhǔn)——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(zhǔn)在最終帶寬內(nèi)進(jìn)行。最終帶寬由系統(tǒng)各種元件的相位、振幅的跟蹤特性決定。

這種系統(tǒng)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，誤差放大器的非線性貢獻(xiàn)；不完善的增益、相位跟蹤特性的影響等。最簡明的辦法是首先分析主放大器存在增益壓縮和AM-PM轉(zhuǎn)換失真時連續(xù)波掃描時環(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(tǒng)的失真特性。

　　3自適應(yīng)前饋控制方法

　　近年來，出現(xiàn)了一些自適應(yīng)性前饋系統(tǒng)的專利，這些自適應(yīng)前饋技術(shù)主要分為2類：有無控制信號的自適應(yīng)方法，即基于功率最小化的自適應(yīng)技術(shù)［3］和基于梯度信號的自適應(yīng)性技術(shù)［4］。前者的控制方案是：在信號抵消電路部分，通過調(diào)整復(fù)向量調(diào)制器來最小化參考信號所在頻帶內(nèi)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(shù)，需要加入預(yù)先準(zhǔn)備的擾動來更新系數(shù)，這些擾動減少IMD壓縮。采用梯度信號的自適應(yīng)性方法是連續(xù)計(jì)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(dāng)參考信號完全被壓縮，只剩下失真時，功率最小。誤差抵消電路中功率表面是線性器的輸出功率，當(dāng)失真在功率放大器輸出信號中完全被壓縮時，功率達(dá)到最小。梯度連續(xù)被計(jì)算，所以不需要預(yù)先準(zhǔn)備的擾動。常用的自適應(yīng)控制器有復(fù)數(shù)增益控制器、最小功率控制器。

　　典型的復(fù)數(shù)增益調(diào)節(jié)器主要有2種類型：極坐標(biāo)和直角坐標(biāo)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(diào)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(diào)制能在［0，360］內(nèi)均獲得相移。衰減器設(shè)置到一個歸一化的值，在此處電壓的梯度最大，這樣來保證快速自適應(yīng)，但必須保證沒有任何附加的非線性引入。

　　最小功率控制器，這種自適應(yīng)性控制器是“最小功率”原理運(yùn)用到前饋線性化技術(shù)中的典型代表。圖2是最小功率控制器的框圖。通過調(diào)整控制電壓“I”和“Q”來最小化端口“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(dá)最小值時，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間。功率最小化原理也運(yùn)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的時間。有2種方法用來減輕這個問題。一種方法是采用可調(diào)接收器來選擇只包含失真的頻帶，且采用控制器來最小化這個頻帶。另一種方法是輸出減去輸入端的相位和增益的復(fù)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(yīng)性的另一個方法。信號抵消電路、誤差抵消電路可采用復(fù)數(shù)基帶相關(guān)器或帶通相關(guān)器。最簡單的迭代法是最速下降算法，在二次誤差面的環(huán)境下，可以任選一個初始值α（定義在誤差面的一些點(diǎn)），然后計(jì)算在那點(diǎn)的誤差面梯度，并且相應(yīng)地α被修正。二次誤差面是經(jīng)典的估計(jì)理論，基數(shù)vr（t）和估計(jì)誤差ve（t）之間的相關(guān)等于誤差面的梯度，這個相關(guān)用來驅(qū)動自適應(yīng)性算法。最速下降法處理的隨機(jī)梯度信號（ve（t）vm（t）＊）表明上述算法在調(diào)整α和β。當(dāng)vr（t）和ve（t）不相關(guān)時，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(diào)。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(dǎo)致誤差抵消電路中收斂時間較長，這可通過在相關(guān)前壓縮輸出信號線性部分來減輕。

　　4仿真過程及結(jié)果

性前饋線性器。這種方法主要是計(jì)算到達(dá)最小點(diǎn)的曲面的梯度，采用復(fù)相關(guān)器用來計(jì)算梯度。前饋線性器有2個環(huán)路：信號抵消電路和誤差抵消電路。線性抵消電路目的是消除功率放大器輸出信號中線性部分，只剩下失真。復(fù)系數(shù)α驅(qū)動直角坐標(biāo)形式的復(fù)增益調(diào)節(jié)器，采用復(fù)相關(guān)器來優(yōu)化復(fù)系數(shù)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性部分，剩下的失真信號進(jìn)入第二個環(huán)路。下支路的失真信號和功率放大器上支路的輸出構(gòu)成了誤差抵消電路。系數(shù)β調(diào)整下行支路的復(fù)增益調(diào)節(jié)器，以便與上行支路的失真的相位相反。采用兩路調(diào)制信號輸入，間隔100 MHz，載波的頻率取1．0 GHz，α取－0．1，β取－0．01，并采用迭代最小均方進(jìn)行尋優(yōu)，采用直角坐標(biāo)向量調(diào)制器，為簡化起見，采用理想無源元件。仔細(xì)選擇適61應(yīng)參數(shù)，最好的方法是確保信號抵消電路環(huán)（α適應(yīng)系數(shù)）在誤差抵消電路環(huán)（β適應(yīng)系數(shù)）開始收斂前收斂到一個較小的范圍內(nèi)。

利用ADS2003進(jìn)行系統(tǒng)級的仿真，在功率回退5 dB的情況下其仿真結(jié)果如圖3～圖8所示。圖3表示自適應(yīng)調(diào)整過程中α、β實(shí)部和虛部的變化情況，由圖可以看出α的調(diào)整過程要先于β的調(diào)整。三階、五階交調(diào)總的變化趨勢可以從圖4看出，由圖可知當(dāng)調(diào)整繼續(xù)進(jìn)行下去三階交調(diào)改善40 dBc，而五階交調(diào)穩(wěn)定后改善65 dBc。圖5表示初始的誤差頻譜，圖6表示調(diào)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(diào)功率和諧波。圖8表示經(jīng)過自適應(yīng)處理后前饋線性化器的輸出。仿真結(jié)果表明經(jīng)過自適應(yīng)前饋處理，三階交調(diào)和五階交調(diào)均得到明顯改善，功放的線性度明顯提高。

　　5 結(jié)語

　　射頻功率放大器的線性化技術(shù)可以明顯地改善放大器的線性度，同時提高輸出功率和效率。在負(fù)反饋、預(yù)失真和前饋這三種線性化技術(shù)中，前饋技術(shù)提供了反饋的優(yōu)點(diǎn)，但沒有不穩(wěn)定和帶寬受限的缺點(diǎn)。本文利用梯度法實(shí) 現(xiàn)自適應(yīng)性前饋線性器。仿真結(jié)果表明較之沒有進(jìn)行自適應(yīng)前饋調(diào)整，在功率回退5dB的情況下，功放的三階交調(diào)可以改善40dBc，五階交調(diào)可以改善65dBc，功放的線性度得到明顯的改善，從而實(shí)現(xiàn)了大功率、高線性的輸出，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(tǒng)中，前饋放大器可以很好地解決鄰近信道干擾，提高系統(tǒng)ACPR值，保證系統(tǒng)工作的有效、可靠性。