前饋式線性功率放大器的自適應(yīng)控制

胡穎娟 李維剛

（中科芯集成電路有限公司，西安 710065）

1 引言

隨著通信領(lǐng)域的新技術(shù)的飛速發(fā)展和應(yīng)用，通訊系統(tǒng)對射頻功率放大器線性度提出新的要求。伴隨著功放性能的不斷提升，各種提高放大器線性度的方法逐漸應(yīng)用于實踐中，極大地改善功率放大器的線性指標(biāo)。本文主要介紹前饋式放大器的原理和實現(xiàn)方法。前饋技術(shù)適用于寬帶和多載波場合，對于第三代移動通信系統(tǒng)十分有利。前饋技術(shù)提供了較高校準(zhǔn)精度，具有系統(tǒng)穩(wěn)定和帶寬不受限的優(yōu)點。

2 前饋式線性功放的原理

前饋線性化技術(shù)原理如圖 1所示[1]。射頻信號輸人后，經(jīng)功分器分成兩路。一路進(jìn)入主功率放大器MA，由于其非線性失真，輸出端A點除了有需要放大的主頻信號外，還有交調(diào)干擾。從主功放的輸出中耦合一部分信號與另一路經(jīng)過延時線TD1延時的輸入信號在疊加器中疊加，使主載頻信號完全抵消，只剩下交調(diào)分量。交調(diào)分量經(jīng)誤差放大器放大后與延時線 TD2延時的主功放輸出信號在疊加器中疊加，抵消主功放的交調(diào)干擾，從而得到線性的放大信號。

圖1 前饋線性化技術(shù)原理

圖1中：VA=VinG+Verr

3 自適應(yīng)控制的數(shù)學(xué)模型

信號抵消即是將兩路頻率相同、幅度相等、相位相反的信號相加，從而得到零輸出的效果。前饋式線性功放就是利用交調(diào)信號的抵消達(dá)到線性輸出的技術(shù)[2]。但是，實際的通訊系統(tǒng)中，工作頻帶比較寬，對消環(huán)路的幅值和相位因為溫度、頻率、功率甚至濕度發(fā)生變化使得信號抵消達(dá)不到理想的效果。實際的信號抵消可表示成信號的矢量加法。圖2示意兩個矢量a和b相加的情況，參考信號幅度A，另一路信號幅度B，兩者相位差1800+φ，合成矢量幅度Y，則：

圖2 矢量信號合成示意圖

(1)式同時適用于描述主環(huán)和誤差環(huán)信號對消時的數(shù)學(xué)模型，在主環(huán)和誤差環(huán)中實現(xiàn)理想的載頻或交調(diào)對消就是使 Y2的值最小，這是一個典型的多變量非線性規(guī)劃問題[3]。

此時有約束條件：A2+B2≥2ABcosφ

對于以上非線性規(guī)劃的解為：A=B，而且φ=NΠ（N為整數(shù)），存在一系列的極值點；在實際的應(yīng)用系統(tǒng)中，由于采樣和控制的精度有限而不能搜索到理想的極值點而往往根據(jù)實際系統(tǒng)的需要確定滿足系統(tǒng)需要的門限值。

多變量函數(shù)的非線性規(guī)劃問題，可以歸結(jié)為求解單變量函數(shù)的最優(yōu)值問題。若使φ固定不變，設(shè) cosφ=K，(1)式即為：

同樣，若固定 B不變 ，設(shè) A2+B2=K1；2AB=K2；可以得到下式：

根據(jù)(2)、(3)式可以得到以下結(jié)論：

1) 當(dāng)保持待對消的兩路信號的相位不變，調(diào)整另一路信號的幅度時，存在一個唯一使兩路信號對消效果最好的情況下的幅度值，即函數(shù)(2)的極值。

2) 當(dāng)保持待對消的兩路信號的幅度不變，在一定的范圍內(nèi)（如1/4Π）調(diào)整兩路信號的相位差，存在一個唯一使兩路信號對消效果最好的情況下的幅度值，即函數(shù)(3)的極值。

因此，對主環(huán)和誤差環(huán)的自適應(yīng)控制過程就是分別對式(2)、(3)的求極值過程；(2)、(3)為單變量多項式，可以使用“近似法”求其極值。

4 控制單元組成

從以上的數(shù)學(xué)分析可知，調(diào)整一路信號的幅度及相位到達(dá)最優(yōu)值，可以實現(xiàn)信號對消。為了保證在搜索過程中不出現(xiàn)多個局部極值點的情況，需要確定搜索調(diào)整的順序，應(yīng)該先進(jìn)行相位調(diào)整的尋優(yōu)再進(jìn)行幅度調(diào)整的尋優(yōu)。當(dāng)幅度一定時，改變一路信號的相位與另一路信號進(jìn)行合成，在此情況下，對消的極值點只有一個，即兩路信號相位相差180°時，無論這路信號相位初始值是多少，在對消最小點與最大點中相位值與對消后功率值之間是一單調(diào)的函數(shù)，所以可以較容易的搜索到最佳點；當(dāng)相位調(diào)整最佳后，固定相位值，進(jìn)行幅度的調(diào)整，在系統(tǒng)設(shè)計中已經(jīng)對環(huán)路的增益進(jìn)行分配設(shè)計，保證了兩路信號在對消點處幅度相差不會太大，同時為了保證系統(tǒng)的增益，對主環(huán)的幅度調(diào)整不會大，在相位調(diào)整好的基礎(chǔ)上，再對幅度進(jìn)行尋優(yōu)，而且此時最佳點也只有一個。

為了避免出現(xiàn)其它局部極值點的情況，將一個二維的尋優(yōu)過程簡化為一前一后兩個一維的尋優(yōu)過程。

圖3 主環(huán)數(shù)字控制組成圖

圖4 誤差環(huán)數(shù)字控制組成圖

本文中的控制系統(tǒng)核心由一個 DSP完成控制任務(wù)，對消點的模擬量轉(zhuǎn)化為一個數(shù)字量后進(jìn)入DSP后，由程序完成控制算法，輸出數(shù)字量的幅度和相位，對放大器進(jìn)行控制。圖3和圖4分別是主環(huán)和誤差環(huán)的控制原理圖[4]。

5 自適應(yīng)控制算法

以上介紹控制單元硬件組成，自適應(yīng)算法是在DSP的軟件中實現(xiàn)。圖5是主環(huán)和誤差環(huán)的控制算法和流程圖。其中，PD1是載波的對消結(jié)果，PD1min是載波對消的閾值，在軟件判斷抵消效果好于此閾值時，可以認(rèn)為對消效果已接近理想，此時輸出固定的相位和幅度，不再調(diào)整和搜索。PC1、GC1分別是主環(huán)需要調(diào)整的相位和幅度。PD5是交調(diào)對消結(jié)果，PD5min是交調(diào)對消的閾值，PC5、GC5分別是誤差環(huán)需要調(diào)整的相位和幅度。

6 試驗數(shù)據(jù)

上面介紹的系統(tǒng)經(jīng)過設(shè)計實現(xiàn)，經(jīng)過測試得到下面的數(shù)據(jù)。從結(jié)果可以看出，功放的線性度得到保證，能夠為移動通訊系統(tǒng)提供接近無失真的信號傳播[5～6]。

圖5 主環(huán)和誤差環(huán)的算法流程

1） 線性動態(tài)范圍：25 dB (即輸入信號變化25 dB時增益的變化 ≤1 dB)

2） 輸出功率：30 W

3） 頻率范圍：2110～2170 MHz

4） 增益：50 ±1 dB（在整個頻率范圍內(nèi)）

5） 增益平坦度：不超過±1 dB（在整個溫度和頻率范圍內(nèi)）

6） 諧波：2 階≤-45 dBc，3 階≤-60 dBc（輸出30 W）

7) 直流供電：-40 ～-57 V（輸出 30 W），≤8.93 A(-48 V)

8) 效率：≥6.5%

7 結(jié)束語

從以上的分析和試驗數(shù)據(jù)可以看出，采用本文中的自適應(yīng)算法的前饋式放大器能夠保證功放的線性度，可以應(yīng)用于工程實踐中。

[1] Peter B. Kenington. High-linearity RF Amplifier Design. Artech House.

[2] CAVERS J K. Adaptation Behavior of a Feedforward Linearizer [J]. IEEE Trans. On Vehicular Technology,1995,44 (1):31-40.

[3] 赫梅布勞著，張義燊等譯. 實用非線性規(guī)劃. 北京：科學(xué)出版社，1981.

[4] 章云. DSP控制器及其應(yīng)用. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001.

[5] 3GPP TS 25.102 V6.0.0-2003. User Equipment (UE)Radio Transmission and Reception (TDD) (Release 6)[S].

[6] 3GPP TS 25.105 V6.0.0-2003. Base Station(BS)Radio Transmission and Reception (TDD) (Release 6)[S].