关于自适应预失真射频功率放大器线性化研究

摘要: 本文介绍了一种新的带外信号检测方法和自适应模拟预失真线性化技术,并应用于CDMA直放站的5W自适应射频线性功率放大器。为了有效抑制临信道频谱再生,通过自适应检测和自适应预失真控制使输出信号的3阶和5阶交调失真分别改善8dBc和6dBc。

关键词: 　预失真线性化技术, 内部交调失真, 对数检测器, 幅度调制2幅度调制, 幅度调制2相位调制, 载波抵
消, 射频功率放大器

引　言

近年来,为了在有限的频率范围内容纳更多的通信信道,广泛采用具有频谱利用率较高的线性调制和宽带通信的传输技术。在现代数字通信系统中,多采用QPSK (四相移相键控)或16QAM (十六状态正交调幅)的调制方式。这些调制方式要求射频系统具有很好的线性特性,否则将会出现交调失真。这种失真表现为AM-AM/AM-PM失真,导致已调制矢量信号的幅度和相位出现偏差,同时导致频谱扩展,对邻道信号干扰,导致误码率的恶化。功率放大器是射频系统的关键部件,也是产生非线性的主要部件,因此改善功放的线性具有重大意义。

功放线性化方法主要有三种: 前馈 ,负反馈和预失真方法。其中,预失真法具有电路形式简单、调整方便、效率高、造价低等优点。目前,预失真线性化技术大体可分为数字预失真和射频模拟预失真两种方法。数字预失真技术广泛采用了数字信号处理的硬件和软件来实现,大多数是在基带信号频谱内进行的预失真处理。设计者需对信号发射和接收传输系统结构非常了解。

数字预失真非常适合于基站和手机等功放设计。模拟信号预失真通常是在输入射频信号和功放之间插入一个非线性发生器,通过控制其相位和幅值,可以有效删除射频功放的交调失真。但是,随着工作条件和工作环境的变化,信号预失真的幅度和相位会发生变化,线性效果将会下降。为了保持好的线性效果,就需对预失真信号发生器的幅度和相位进行自适应控制。本文采用一对二极管作为多次谐波预失真发生器,并引入一个前馈环路技术进行载波对消,通过带通滤波器和对数检测器检测交调信号或带外信号,并以此作为评估值,自适应控制模拟预失真发生器的幅度和相位。

本文采用单片机自适应控制预失真线性功率放大器,并应用在CDMA直放站中。自适应预失真后5W功率放大器取得了很好的线性度改善效果,使IMD3改善了8dBc, IMD5改善了6dBc。

设计方案与理论分析

本系统采用的单片机控制模拟预失真线性功率放大器如图1所示。

图1　自适应预失真系统框图
　
该系统主要有两个环路组成。第一环路是预失真发生器和幅度相位控制部分。它是将射频输入信号分为两路,一路经预失真发生器,可变衰减器和相移器与另一延时的射频输入信号相合成。第二环路是带外交调信号提取部分。由于系统最后经主功放输出,信号的交调分量随着线性化的改善会降得很低,与主载频信号的幅度相差很大,用滤波器无法滤除主信号。传统的方法有导频信号法和变频解调法等,无论哪种方法,都需采用混频器解调,结构较复杂。而且,由于变频误差,将影响交调信号提取的精度。本系统通过控制第二个环路的主功放输出的采样信号幅值和相位,对载波主信号进行对消,使功率检测点的输出功率最小。这样就能保证载波信号对消的功分器输出端的两个载波信号的功率或幅值相同。具体理论分析如下:设图中的输入信号x( t)是二个相同功率的双音信号,可以表示为:

其中: A是双音信号的幅值,ω_c是中心频率,Δω是双音信号的频差。假设,功率放大器非线性特性AM-AM变换可以由二阶多项式近似,并忽略AM-PM的影响,在不考虑线性补偿的条件下,输出信号y( t)可以表示为:


假设耦合器具有一个理想的载频带通特性,并能有效抑制直流、2ω_c、3ω_c等带外信号。则有,


设C_in和C_out分别表示输入和输出信号的耦合系数,通过控制载波对消环路,即选择合适的C_in和C_out耦合系数可以得到:

这时,未抵消的带外信号可以定性表示为:


Pd(t)就可以作为主射频功率放大器输出信号的交调失真评估值,实际仿真结果也证明了这一点。这种检测方法,结构简单,同时也克服了变频方法所具有的误差。两个环路的自适应控制均采用LMS算法。在第二环路中以对消载波功率信号Pd(t)的检测作为目标函数。通过自适应控制第二环路的可变衰减器和可变相移器,使Pd(t)功率值达到当前预失真器参数下最小值。由于相移器灵敏度最高,所以在矢量调制中,先调节相移器,然后调节衰减器,使Pd(t)达到最小值。第二步再调节衰减器使Pd(t)达到最优。当完成带外信号检测之后,再自适应调节第一个环路预失真器参数,也就是可变衰减器和可变相移器的衰减与相移值,使Pd(t)功率值达到当前电路所能达到的最小失真,这个优化运算过程是一个循环的过程。第二环路的载波对消电路还有它的另外一个特点,它可以始终维持主功放电路的增益为恒定值,并随时跟踪由于器件老化,温度变化等因素所造成的变化漂移,得到当前电路所能达到的最优结果。

　仿真试验

对带外失真信号的检测,我们通过单片机采样对数检测器输出电压幅度信号来实现。不同功率大小IMD3的主功率放大器输出信号经过带外信号检测环与射频输入载波主信号对消之后,得到不同功率大小的射频信号Pd,仿真结果如图2所示。

图2　功放输出信号IMD3与载波对消之后信号功率关系

从图中可以看出IMD3从-15dBm到-3dBm 范围,检测出的带外功率动态范围为3dBc , IMD3从-25dBm到- 15dBm范围,对应检测出的带外功率动态范围为0. 9dBc,这说明本文提出的检测方法是十分有效的。通过自适应预失真控制,其IMD3自适应收敛速度如图3所示,可以看到20ms之后,三阶交调失真基本收敛于-24dBm。其IMD5自适应收敛速度如图4所示,可以看到20ms之后,五阶交调失真基本收敛于-21dBm。

图3　IMD3自适应收敛图


图4　IMD5自适应收敛　
　
结论

本文将前馈载波抵消技术应用于交调失真带外信号检测,通过实验发现效果十分明显。该电路结构简单,可靠性较好,并以此为依据控制预失真发生器,使功放的非线性度得到了有效改善。本方案应用于CDMA 5W射频功率放大器的设计之中,有效改善了线性功放的结构和性能,并使功放的三阶和五阶交调失真分别降低了8dBc和6dBc。该技术今后将应用于大功率多载波射频功率放大器的设计中。