摘 要：先分析常用双环自适应前馈电路降低非线性失真及输出功率的特点和不足,通过引入另一个前馈电路,从主功率放大器的输入端耦合部分信号到辅助功率放大器的输入和输出端,经适当调节,进一步改善电路的三阶交调失真(IMD3),并增大输出功率。结果显示, 这种改进的自适应前馈电路,IMD3低于信号功率-75 dBc,线性度改善效果明显,而且输出功率增大了2～3 dB。
关键词：交调失真；线性化技术；前馈；自适应
Design of an Adaptive Feedforward Circuit for RF Power Amplifier
QIU Chunhui,CHEN Xiangdong,WANG Hongyan
(Information Science and Technology Academy,Southwest Jiaotong University,Chengdu,610031,China)
Abstract：In this paper,the merits and disadvantages of the usual bi-loops adaptive feedforward circuit by decreasing the nonlinearity distortion and exporting enough power are discussed first.Another feedforward circuit by coupling some signal from the input of the main power amplifier to the input and output of the auxiliary power amplifier to reduce more IMD3 and increase the output power are introduced.The results show that the IMD3 reaches below -75 dBc,which is much more acceptable than before,and the output power is increased 2~3 dB.
Keywords：intermodulation distortion;linearization method;feedforward;adaptive
1 引 言
多载波码分多路(CDMA-MC)、正交频分多路(OFDM)体制以及新型调制QAM等新的通信技术日趋成熟。它们具有共同的特点,即：多载波,或基带信号谱有较大的峰均功率比,或两者兼之。系统所用的功率放大器对线性度要求很高,通常要求输出三阶交调失真在-80～-60 dBc以下［1］。为提高功率放大器的线性度,可采用线性化技术,包括前馈、负反馈和预失真技术等。
负反馈具有较高的线性度,但在高频和微波频段,当级数多时,每级所产生的延时将使整个放大器变得不稳定。
预失真技术是开环线性化技术中最常用的方法,无条件稳定,具有更宽的频带,但是校准精度不如闭环技术。
前馈技术提供了闭环系统的线性化精度,开环系统的稳定性及宽带。需要精确的相位平衡、延迟及幅度控制,要求技术高,价格高。为了增益和相位的跟踪,校准环需附加功率放大器,因而总效率低。虽然如此,前馈仍是目前发展最快的线性化技术,也是前途最为广阔的线性化技术。
当通信系统使用多载波技术时,影响较严重的是三阶交调失真［1］。为了保证功率放大器的线性度,放大器输出往往设置在远离P1dB处,其结果是效率降低,输出功率减小。因此本文的目的是在常用自适应前馈电路基础上改进,降低三阶交调失真,并增大输出功率。
2 自适应前馈控制原理
前馈法电路结构复杂,受环境影响大,因此为了保证良好的线性化效果,必须附加一定的自适应电路。前馈线性化功放一般由信号抵消环和误差抵消环两个环路组成,所以自适应控制也分为两环分别控制,即误差提取环路和误差消除环路的自适应控制,如图1所示。
整个自适应技术包括两部分：反馈策略的选择和最优权重系数的计算［2］。自适应前馈技术一般有三种反馈策略,即导频信号法、相关检测法和能量最小法(也称作最小功率检测法)。最优权重的计算一般是关于多维极值的计算,分为解析法和直接法。解析法包括最速下降法(梯度法)、牛顿法及共轭梯度法等。直接法包括变量轮换法,单纯形替换法等。
图1的误差提取环路采用相关检测法。相关检测法根据非线性失真信号与基波信号的相关特性调节矢量调制器的控制系数。在误差提取环路,功分器A和功分器C分别耦合部分信号至相关器,经适当的处理后进行相关运算,以两者之间的最小相关度为目标,调节矢量调制器的控制系数。因为误差提取环路所得到的误差信号质量会影响误差消除回路的自适应控制性能,所以相关检测法比较适用于误差提取回路。
图1中的误差消除环路采用最小功率检测法。最小功率检测法通过调节矢量调制器的控制系数,使提取的失真信号能量最小化,以达到使非线性失真信号最小化的目的。图1中的耦合器4耦合出部分信号,经过混频和滤波之后,输出的误差信号就被提取出来,以该误差信号的功率最小化为目标,调节矢量调制器的控制参数。最小功率检测法比较简单,不会引入新的失真信号,但是该方法易受测量噪声的影响。
另外,导频法也是反馈策略中一种常用的自适应方法。在主放大器和误差放大器前注入一个附加的导频信号,通过控制矢量调制器使导频信号最小化,从而得到最小的非线性失真,但是导频信号法会引入新的交调失真。
图1中自适应前馈的最优权重系数的计算方法采用最速下降法(梯度法)。在二次误差面的环境下,任选一个初始的权重系数α,然后计算该点的误差面梯度,并且相应地修正α。二次误差面是经典的估计理论,基数vr(t)和估计误差ve(t)之间的相关等于误差面的梯度［3］,根据这个相关驱动自适应算法,当vr(t)和ve(t)不相关时,梯度为0,这表明误差信号只包含失真。
3 改进的自适应前馈
自适应前馈要注意以下三个方面：一是自适应前馈的附加电路不能引入新的失真信号；二是误差提取环路中最优权重系数的收敛要比较快,而误差消除环路的最优权重系数的收敛可以相对慢些［3］；三是因为前馈的输出功率效率比较低,所以要尽量提高前馈的输出功率效率。
本文在原双环自适应前馈的基础上,增加了两处改进。
改进一：从输入端耦合部分基波信号到辅助功率放大器的输入端,如图2所示。目的是增大输出功率,提高自适应前馈附加电路的利用率。
在误差消除环路,辅助功率放大器至少要将提取的误差信号线性放大到与主功放输出误差信号相同的功率电平,因此要求辅助放大器的功率输出能力与主功放相差不大。如果辅助功放只用于放大误差信号的话,那么该前馈附加电路的利用率不高。所以可以从信号输入端耦合部分基波信号到辅助功放的输入端,放大后合成到输出端。此类方法已经在文献［4,5］中有所提及,但是本文不仅是在自适应前馈的基础上分析,而且增加以下四点讨论：
(1) 为了防止增加额外的失真信号,辅助功放一般工作在A类；
(2) 耦合到辅助功放的基波信号与误差信号的合成位置不能在矢量调制器2之前,而应该在矢量调制器2之后,如图2所示,否则耦合的基波信号容易被该矢量调制器衰减,达不到增大输出功率的目的；
(3) 应把辅助功放的输出功率全部合成到输出,这样才能有效增大输出功率,而原双环自适应前馈的误差消除环的输出功率的合成系数通常比较低。
(4) 主功放的S12参数不可能无限小,因此主功放的输入端必然含有非线性失真信号,从信号输入端耦合的基波信号也必然含有该失真信号。该失真信号虽然小,但是增加了自适应控制中相位调节的困难,容易使输出的交调信号增大。这个新出现的问题可以由下面的改进二改善。
改进二：从主功放的输入端耦合部分信号,并在辅助功放的输出端进行功率合成,如图2所示。目的是通过最小功率法调节矢量调制器3的控制参数,使输出的IMD3最小。
在误差消除环路,辅助功放输出的误差信号和主功放的初始失真同在一个数量级,经相互抵消之后的IMD3一般可以降低30 dBc,即辅助功放输出的误差信号和最终的交调信号相差30 dBc以上,功率相差太大,因此难以进一步降低IMD3。不妨把这种效果较好的降低失真的行为称为“粗调”,而“粗调”的初步效果好,但是易残存一定的失真。如果在“粗调”的基础上,增加“微调”,就可以使失真再降低几个dBc,也许是关键的几个dBc。自适应前馈的IMD3一般低于-60 dBc,因此应提取小误差信号以进一步抵消该小失真。
上面已经提到,主功放的输入端其实也含有非线性失真信息,因此可以从主功放的输入端提取部分信号,经矢量调制器3,合成到辅助功放的输出端,如图2所示,步骤如下:
(1) 通过误差提取环路和误差消除环路的自适应算法,确定矢量调制器1和矢量调制器2的控制参数；
(2) 通过最小功率法,调节矢量调制器3的控制参数,使输出的交调失真最小化。因为是“微调”,所以收敛时间可以长些。
4 仿真结果
采用ADS2006进行仿真,功率源采用相隔2 MHz,中心频率850 MHz的双频率源,可以较好地观察IMD3。图4是以图1的自适应前馈框架为基础的仿真结果。结果显示比未加功放的三阶交调失真降低了40 dBc左右,但是功率降低了1 dB左右。图5是以图2的改进自适应前馈框架为基础的仿真结果。结果显示与未加前馈的输出相比,功率提高了2～3dB,三阶交调失真的优化超过50 dBc。与未改进的自适应前馈相比,输出功率提高了3～4 dB,IMD3的优化超过10 dBc。
5 结 语
仿真结果表明,改进的自适应前馈电路,在降低IMD3和提高输出功率方面都改善明显。自适应前馈电路可以实现信号的超线性稳定输出,非常适用于多载波,宽带射频功率放大器。
参 考 文 献
［1］张玉兴,赵宏飞,向荣,等.非线性电路与系统［M］.北京:机械工业出版社,2007.
［2］Stephen J,Grant,James K,Cavers.A DSP Controlled Adaptive Feedforward Amplifier Linearizer［D］.School of Engineering Science,Simon Fraser University,1996.
［3］Cavers J K.Adaptation Behavior of a Feedforward Linearizer［J］.IEEE Transactions on Vehicular Technology,1995,44(1):31-40.
［4］陈建新,谢万波,杨维民,等.射频放大器前馈技术仿真［J］.北京工业大学学报,2006,32(10):870-873,912.
［5］严福兴.射频功率放大器前馈线性化技术研究［J］.现代电子技术,2007,30(4):6-8.
作者简介 丘春辉 男,1981年出生,福建长汀县人,西南交通大学硕士研究生。主要从事射频电路设计,无线通信方向的研究。
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