RF功率放大器的自適應(yīng)前饋線性化技術(shù)

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(gè)顯著的特點(diǎn)：線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(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(duì)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(hào)變成2個(gè)恒包絡(luò)信號(hào)，由2個(gè)C類放大器放大，然后合成，但對(duì)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(hào)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(gè)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(gè)頻率范圍內(nèi)，溫度和時(shí)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：?jiǎn)我坏那梆伃h(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(hào)經(jīng)延遲后與主放大器放大的信號(hào)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(huì)有小的RF誤差信號(hào)，輸入到誤差放大器放大到輸出抽樣信號(hào)的電平，主信號(hào)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(jiǎn)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(shí)連續(xù)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(lì)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(hào)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(hào)的自適應(yīng)性技術(shù)［4］。前者的控制方案是：在信號(hào)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(hào)所在頻帶內(nèi)的誤差信號(hào)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(dòng)來更新系數(shù)，這些擾動(dòng)減少IMD壓縮。采用梯度信號(hào)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(hào)抵消電路中功率表面是誤差信號(hào)的功率，當(dāng)參考信號(hào)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性器的輸出功率，當(dāng)失真在功率放大器輸出信號(hào)中完全被壓縮時(shí)，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(dòng)。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(gè)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(hào)抵消電路中誤差信號(hào)的抽樣。這種方法的缺點(diǎn)是在快到達(dá)最小值時(shí)，收斂慢且對(duì)測(cè)量噪聲敏感。而功率測(cè)量不可避免的存在噪聲，為了減少測(cè)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(yùn)用到誤差抵消電路中，然而，端口P的輸出信號(hào)既有放大信號(hào)也有殘留的失真。因這些失真信號(hào)的幅度比放大信號(hào)小幾階，故最小化算法在每一步需要停留較長(zhǎng)的時(shí)間。有2種方法用來減輕這個(gè)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(gè)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。