一種前饋型線性功放的自適應(yīng)算法

張占勝

摘 要： 前饋型線性功放是現(xiàn)代功率放大器研究和設(shè)計中的一個重要部分?；谇梆佇途€性功放特征以及自適應(yīng)技術(shù)，提出了一種全新的自適應(yīng)算法。理論分析和計算機(jī)仿真結(jié)果表明：本文所提出的自適應(yīng)算法不僅收斂速度快，同時還具有迭代穩(wěn)定、可靠的特征。從實驗結(jié)果也可以看出，采用這種新型自適應(yīng)算法的前饋型線性功率放大器，系統(tǒng)性能指標(biāo)和現(xiàn)有功率放大器相比都得了大幅度提高。

關(guān)鍵詞： 前饋型線性功放； 自適應(yīng)算法； 理論分析； 計算機(jī)仿真

中圖分類號： TN710?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）09?0156?04

0 引 言

2G通信系統(tǒng)中，信號采用恒定包絡(luò)調(diào)制（GMSK）方式，功率放大器常常工作在效率較高的臨近飽和區(qū)，并且線性能夠滿足要求，而在3G和4G通信系統(tǒng)中，為了提高頻帶資源的利用率，采用了新的信號調(diào)制技術(shù)，如四相相移鍵控調(diào)制（QPSK）以及正交頻分復(fù)用調(diào)制（OFDM）等，此類信號具有較高的峰均比（PAR），如果功率放大器也工作在臨近飽和區(qū)，將會產(chǎn)生嚴(yán)重非線性失真，導(dǎo)致頻譜拓寬，造成相鄰頻帶干擾，并且?guī)?nèi)會引起信號失真，誤碼率增加。為了滿足線性要求，則功率放大器要從飽和區(qū)大幅度回退，使系統(tǒng)效率降低，造成通信網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營成本升高，穩(wěn)定性降低。為此，線性改善技術(shù)已成為通信系統(tǒng)中功率放大器設(shè)計領(lǐng)域的一個研究熱點。

常見的功率放大器線性改善技術(shù)有功率回退技術(shù)、預(yù)失真技術(shù)和前饋技術(shù)。功率回退技術(shù)是較早的線性改善技術(shù)，它是通過輸出功率回退改善線性，由于成本高、效率低、性能差等特點，這種技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)不采用。預(yù)失真技術(shù)是通過在功率放大器前級產(chǎn)生預(yù)失真信號實現(xiàn)系統(tǒng)鏈路前后級對消來改善線性，目前尤其以數(shù)字預(yù)失真技術(shù)最為廣泛，它是采用數(shù)字電路實現(xiàn)預(yù)失真信號的產(chǎn)生，通常在基帶部分實現(xiàn)線性改善，但由于受到模數(shù)轉(zhuǎn)換器件（ADC）、數(shù)模轉(zhuǎn)換器件（DAC）、數(shù)字信號處理器（DSP）速度和帶寬的限制，在處理寬帶、多模信號方面實現(xiàn)比較復(fù)雜。前饋技術(shù)是另外一種線性改善技術(shù)，該技術(shù)是通過兩個環(huán)路對消改善線性，由于其在處理寬帶、多模信號方面相對比較容易，目前得到廣泛應(yīng)用，同時對其性能的持續(xù)優(yōu)化也成為了一個重要課題。

本文從前饋型線性功放自身特征出發(fā)，采用一種新型的自適應(yīng)算法，該算法不是采用固定迭代步長對環(huán)路中的增益和相位分別進(jìn)行調(diào)整，而是通過自適應(yīng)改變迭代步長的方法，對環(huán)路中的增益和相位交替進(jìn)行調(diào)整，以較快的迭代速度收斂至最優(yōu)值，使其達(dá)到系統(tǒng)目標(biāo)工作狀態(tài)。采用這種新型自適應(yīng)算法的前饋型線性功放，環(huán)路中的最優(yōu)增益和相位值不論在任何環(huán)境溫度下都能夠精確、快速、穩(wěn)定的得到，從而大幅度提高了功率放大器的系統(tǒng)性能指標(biāo)和穩(wěn)定性。

1 基本原理和分析

1.1 系統(tǒng)原理

前饋型線性功放原理如圖1所示。主要包括載波對消環(huán)路1和交調(diào)對消環(huán)路2。具體工作原理是：在載波對消環(huán)路1中，通過耦合器提取主功放輸出端含有交調(diào)分量和載波的失真信號，該失真信號與射頻輸入端耦合的載波信號進(jìn)行對消，提取出交調(diào)分量；在交調(diào)對消環(huán)路2中，誤差功放把載波對消環(huán)路1中提取的交調(diào)分量放大至一定值，然后與經(jīng)過主功放后的失真信號進(jìn)行合成，對消失真信號中的交調(diào)分量，使功放交調(diào)降低，達(dá)到線性改善目的。從圖1及其原理可知，前饋型線性功放性能指標(biāo)優(yōu)劣與載波對消環(huán)路1和交調(diào)對消環(huán)路2中增益和相位調(diào)整的自適應(yīng)算法密切相關(guān)。

圖1 前饋型線性功放原理框圖

1.2 自適應(yīng)算法及分析

根據(jù)圖1原理，對消環(huán)路的增益和相位調(diào)整等效于兩路信號合成，對消程度可以看作是兩路信號幅度和相位合成的效果。不失一般性，為了簡化計算，假設(shè)其中一路信號為參考信號，幅度為[A，]如圖2所示。

圖2 兩路信號合路示意圖

由圖2可得：

[r2=（A+δA）2+A2-2A（A+δA）cosφ] （1）

式中：[r]表示兩路信號合成后幅度值；[δA]表示兩路信號幅度偏差值；[φ]表示兩路信號相位失配值。

由式（1）可得環(huán)路對消性能[R]值以dB為單位表示為：

[R=10log10ΔA10+1-2×10ΔA20cosφ] （2）

式中：[ΔA=20log（A+δA）A，]表示兩路信號幅度失配值，即為增益，單位為dB。

對于增益和相位失配值的關(guān)系，設(shè)定一個固定的對消量，可得到式（3）：

[ΔA=20logcosφ±cos2φ-1+10R10] （3）

由公式（1）～（3）可以得出，對任何固定的相位失配值，對消性能最優(yōu)時所對應(yīng)的增益值是一定的；同理，對任何固定的增益值，對消性能最優(yōu)時所對應(yīng)的相位失配值也是一定的。這個結(jié)論對自適應(yīng)算法的研究具有積極的指導(dǎo)意義，具體到自適應(yīng)尋找對消性能最優(yōu)值的方法分為兩種：增益調(diào)整和相位調(diào)整分開進(jìn)行，首先固定相位或者增益值，然后相應(yīng)調(diào)整另一個參數(shù)，直到當(dāng)前對消性能最優(yōu)，接著調(diào)整另一個參數(shù)直到最終對消性能最優(yōu)；增益和相位聯(lián)合調(diào)整，交替進(jìn)行，直到對消后交調(diào)值小于某個確定值，即認(rèn)為達(dá)到對消性能最優(yōu)。

本文提出的自適應(yīng)算法其核心思想是采用增益和相位交替調(diào)整策略，在每次相位或增益調(diào)整時，會根據(jù)當(dāng)前相位或增益值，分別增加一個固定步長和減少一個固定步長，然后檢測三種狀態(tài)下對消量大小，根據(jù)三種狀態(tài)下對消量之間大小關(guān)系，確定具體下一步調(diào)整方向。在具體算法實現(xiàn)時，每次增益和相位往上或往下調(diào)整后，通過檢測反饋功率值來判斷三種狀態(tài)下對消量之間大小關(guān)系，當(dāng)調(diào)整后的反饋功率值比當(dāng)前反饋功率值都大時，說明當(dāng)前增益或者相位已經(jīng)接近最優(yōu)，將引入自適應(yīng)改變步長算法。自適應(yīng)算法變步長示意圖如圖3所示。

圖3 自適應(yīng)變步長示意圖

圖3中[Tn]表示當(dāng)前增益或相位值減少一個固定步長后反饋功率值，[Tz]表示當(dāng)前增益或相位值反饋功率值，[Tp]表示當(dāng)前增益或相位值增加一個固定步長后反饋功率值。圖3所示情況下，自適應(yīng)步長大小值如下：

[Adj_pert=（Tn-Tp）[2（Tp+Tn-2Tz）]*Pertsize] （4）

式中：[Adj_pert]表示自適應(yīng)步長值；[Pertsize]表示固定步長。

另外，在實際工程實現(xiàn)時，考慮到收斂速度的問題，往往設(shè)定一個固定反饋功率值，表示對消性能最優(yōu)，從而使自適應(yīng)算法能夠?qū)⒃鲆婧拖辔槐M快收斂到目標(biāo)值。具體實現(xiàn)流程如圖4所示。

2 計算機(jī)仿真和分析

為了驗證本文提出的自適應(yīng)算法有效性和先進(jìn)性，對該算法進(jìn)行了計算機(jī)仿真和分析。具體仿真時，假設(shè)射頻環(huán)路相位失配[10°，]增益失配4 dB，設(shè)定對消門限為-35 dB（與圖4中反饋功率最小值門限對應(yīng)），相位固定迭代步長為[0.5°]，增益固定迭代步長為0.1 dB。分別對本文1.2節(jié)中提到的增益和相位分別調(diào)整以及增益和相位交替調(diào)整的自適應(yīng)算法進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖5～圖8所示。

圖4 增益或相位自適應(yīng)調(diào)整流程

圖5 環(huán)路對消性能圖

圖6 增益和相位調(diào)整路線圖

圖5～圖8中實線表示第一種自適應(yīng)算法即增益和相位分別調(diào)整，虛線表示第二種自適應(yīng)算法即增益和相位交替調(diào)整。從圖5可以看出，自適應(yīng)算法到達(dá)門限-35 dB時停止，第一種自適應(yīng)算法滿足要求時迭代28次，第二種自適應(yīng)算法滿足要求時迭代25次，顯然第二種自適應(yīng)算法的收斂速度快于第一種自適應(yīng)算法。從圖6可以看出，第一種自適應(yīng)算法的調(diào)整路線分別在增益面和相位面上，是一個折線，第二種自適應(yīng)算法的調(diào)整路線是在幅度和相位組成的立體圖上進(jìn)行，是一個平滑的曲線，并且第二種自適應(yīng)算法的對消量下降的比較平穩(wěn)，第一種自適應(yīng)算法的對消量下降的比較陡峭，因此相比而言，第二種自適應(yīng)算法迭代更穩(wěn)定可靠。

圖7 相位迭代步長圖

圖8 增益迭代步長圖

圖7和圖8表示兩種自適應(yīng)算法的增益和相位步長變化示意圖，從圖中可以看出自適應(yīng)算法在尋找環(huán)路對消最優(yōu)值時步長變化策略。計算機(jī)仿真結(jié)果表明，第一種自適應(yīng)算法的環(huán)路對消性能有限，大概在-40 dB左右，并且這個值和迭代步長有關(guān)，若把迭代步長變小，優(yōu)化速度又明顯減慢，雖然可以通過變步長的策略，但是如果不能找到一個好的調(diào)整策略，常會引起自適應(yīng)算法的不穩(wěn)定，或者不能達(dá)到環(huán)路對消性能最優(yōu)的目的。采用本文提出的增益和相位交替調(diào)整的自適應(yīng)算法，不論初始迭代步長如何，環(huán)路對消性能均能達(dá)到-58 dB左右。因此，整體來說，第二種自適應(yīng)算法在穩(wěn)定性和優(yōu)化速度上明顯優(yōu)于第一種自適應(yīng)算法。

3 實驗結(jié)果和分析

為了證明本文所提出的自適應(yīng)算法的可實現(xiàn)性，根據(jù)實現(xiàn)原理圖1搭建了前饋型線性功放實驗平臺。主功放采用了Freescale半導(dǎo)體公司的兩個型號為MRF6S9125的LDMOS放大器件，整個系統(tǒng)輸出功率為30 W，增益和相位調(diào)整電路采用了公司自制電路設(shè)計而成，自適應(yīng)算法的實現(xiàn)采用了TI公司型號為TMS320F2810的DSP處理器。圖9表示系統(tǒng)對消前和對消后交調(diào)值。從圖9可以看出利用本文所提出自適應(yīng)算法，應(yīng)用于前饋型線性功放中，可以使線性改善大于30 dB。

圖9 系統(tǒng)對消前后交調(diào)示意圖

4 結(jié) 論

本文基于前饋型線性功放自身特征以及自適應(yīng)技術(shù)，提出了一種新型的自適應(yīng)算法，文中對該算法的原理進(jìn)行了詳細(xì)的推導(dǎo)和分析，并進(jìn)行了計算機(jī)仿真，最后給出了通過硬件實驗平臺，基于TMS320F2810實現(xiàn)自適應(yīng)算法后，對900 MHz 30 W前饋型線性功放實際結(jié)果測試，驗證了本文所提出的自適應(yīng)算法有效性和先進(jìn)性。這些實驗結(jié)果和結(jié)論對自適應(yīng)算法在前饋型線性功放中的應(yīng)用有著重要的促進(jìn)作用。

參考文獻(xiàn)

[1] CHO Kyoung?Joon， KIM Jong?Heon. A highly efficient doherty feedforward linear power amplifier for WCDMA base?station applications [J]. IEEE Transactions on Microwave theory and techniques components letters， 2005， 53（1）： 292?300.

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[4] 施光艷，董加禮.最優(yōu)化方法[M].北京：高等教育出版社，1999.

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[7] 吳亮宇，余勛林，江鵬.基于功率檢測自適應(yīng)的前饋功放設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2012，35（14）：172?174.

圖3 自適應(yīng)變步長示意圖

圖3中[Tn]表示當(dāng)前增益或相位值減少一個固定步長后反饋功率值，[Tz]表示當(dāng)前增益或相位值反饋功率值，[Tp]表示當(dāng)前增益或相位值增加一個固定步長后反饋功率值。圖3所示情況下，自適應(yīng)步長大小值如下：

[Adj_pert=（Tn-Tp）[2（Tp+Tn-2Tz）]*Pertsize] （4）

式中：[Adj_pert]表示自適應(yīng)步長值；[Pertsize]表示固定步長。

另外，在實際工程實現(xiàn)時，考慮到收斂速度的問題，往往設(shè)定一個固定反饋功率值，表示對消性能最優(yōu)，從而使自適應(yīng)算法能夠?qū)⒃鲆婧拖辔槐M快收斂到目標(biāo)值。具體實現(xiàn)流程如圖4所示。

2 計算機(jī)仿真和分析

為了驗證本文提出的自適應(yīng)算法有效性和先進(jìn)性，對該算法進(jìn)行了計算機(jī)仿真和分析。具體仿真時，假設(shè)射頻環(huán)路相位失配[10°，]增益失配4 dB，設(shè)定對消門限為-35 dB（與圖4中反饋功率最小值門限對應(yīng)），相位固定迭代步長為[0.5°]，增益固定迭代步長為0.1 dB。分別對本文1.2節(jié)中提到的增益和相位分別調(diào)整以及增益和相位交替調(diào)整的自適應(yīng)算法進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖5～圖8所示。

圖4 增益或相位自適應(yīng)調(diào)整流程

圖5 環(huán)路對消性能圖

圖6 增益和相位調(diào)整路線圖

圖5～圖8中實線表示第一種自適應(yīng)算法即增益和相位分別調(diào)整，虛線表示第二種自適應(yīng)算法即增益和相位交替調(diào)整。從圖5可以看出，自適應(yīng)算法到達(dá)門限-35 dB時停止，第一種自適應(yīng)算法滿足要求時迭代28次，第二種自適應(yīng)算法滿足要求時迭代25次，顯然第二種自適應(yīng)算法的收斂速度快于第一種自適應(yīng)算法。從圖6可以看出，第一種自適應(yīng)算法的調(diào)整路線分別在增益面和相位面上，是一個折線，第二種自適應(yīng)算法的調(diào)整路線是在幅度和相位組成的立體圖上進(jìn)行，是一個平滑的曲線，并且第二種自適應(yīng)算法的對消量下降的比較平穩(wěn)，第一種自適應(yīng)算法的對消量下降的比較陡峭，因此相比而言，第二種自適應(yīng)算法迭代更穩(wěn)定可靠。

圖7 相位迭代步長圖

圖8 增益迭代步長圖

圖7和圖8表示兩種自適應(yīng)算法的增益和相位步長變化示意圖，從圖中可以看出自適應(yīng)算法在尋找環(huán)路對消最優(yōu)值時步長變化策略。計算機(jī)仿真結(jié)果表明，第一種自適應(yīng)算法的環(huán)路對消性能有限，大概在-40 dB左右，并且這個值和迭代步長有關(guān)，若把迭代步長變小，優(yōu)化速度又明顯減慢，雖然可以通過變步長的策略，但是如果不能找到一個好的調(diào)整策略，常會引起自適應(yīng)算法的不穩(wěn)定，或者不能達(dá)到環(huán)路對消性能最優(yōu)的目的。采用本文提出的增益和相位交替調(diào)整的自適應(yīng)算法，不論初始迭代步長如何，環(huán)路對消性能均能達(dá)到-58 dB左右。因此，整體來說，第二種自適應(yīng)算法在穩(wěn)定性和優(yōu)化速度上明顯優(yōu)于第一種自適應(yīng)算法。

3 實驗結(jié)果和分析

為了證明本文所提出的自適應(yīng)算法的可實現(xiàn)性，根據(jù)實現(xiàn)原理圖1搭建了前饋型線性功放實驗平臺。主功放采用了Freescale半導(dǎo)體公司的兩個型號為MRF6S9125的LDMOS放大器件，整個系統(tǒng)輸出功率為30 W，增益和相位調(diào)整電路采用了公司自制電路設(shè)計而成，自適應(yīng)算法的實現(xiàn)采用了TI公司型號為TMS320F2810的DSP處理器。圖9表示系統(tǒng)對消前和對消后交調(diào)值。從圖9可以看出利用本文所提出自適應(yīng)算法，應(yīng)用于前饋型線性功放中，可以使線性改善大于30 dB。

圖9 系統(tǒng)對消前后交調(diào)示意圖

4 結(jié) 論

本文基于前饋型線性功放自身特征以及自適應(yīng)技術(shù)，提出了一種新型的自適應(yīng)算法，文中對該算法的原理進(jìn)行了詳細(xì)的推導(dǎo)和分析，并進(jìn)行了計算機(jī)仿真，最后給出了通過硬件實驗平臺，基于TMS320F2810實現(xiàn)自適應(yīng)算法后，對900 MHz 30 W前饋型線性功放實際結(jié)果測試，驗證了本文所提出的自適應(yīng)算法有效性和先進(jìn)性。這些實驗結(jié)果和結(jié)論對自適應(yīng)算法在前饋型線性功放中的應(yīng)用有著重要的促進(jìn)作用。

參考文獻(xiàn)

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圖3 自適應(yīng)變步長示意圖

圖3中[Tn]表示當(dāng)前增益或相位值減少一個固定步長后反饋功率值，[Tz]表示當(dāng)前增益或相位值反饋功率值，[Tp]表示當(dāng)前增益或相位值增加一個固定步長后反饋功率值。圖3所示情況下，自適應(yīng)步長大小值如下：

[Adj_pert=（Tn-Tp）[2（Tp+Tn-2Tz）]*Pertsize] （4）

式中：[Adj_pert]表示自適應(yīng)步長值；[Pertsize]表示固定步長。

另外，在實際工程實現(xiàn)時，考慮到收斂速度的問題，往往設(shè)定一個固定反饋功率值，表示對消性能最優(yōu)，從而使自適應(yīng)算法能夠?qū)⒃鲆婧拖辔槐M快收斂到目標(biāo)值。具體實現(xiàn)流程如圖4所示。

2 計算機(jī)仿真和分析

為了驗證本文提出的自適應(yīng)算法有效性和先進(jìn)性，對該算法進(jìn)行了計算機(jī)仿真和分析。具體仿真時，假設(shè)射頻環(huán)路相位失配[10°，]增益失配4 dB，設(shè)定對消門限為-35 dB（與圖4中反饋功率最小值門限對應(yīng)），相位固定迭代步長為[0.5°]，增益固定迭代步長為0.1 dB。分別對本文1.2節(jié)中提到的增益和相位分別調(diào)整以及增益和相位交替調(diào)整的自適應(yīng)算法進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖5～圖8所示。

圖4 增益或相位自適應(yīng)調(diào)整流程

圖5 環(huán)路對消性能圖

圖6 增益和相位調(diào)整路線圖

圖5～圖8中實線表示第一種自適應(yīng)算法即增益和相位分別調(diào)整，虛線表示第二種自適應(yīng)算法即增益和相位交替調(diào)整。從圖5可以看出，自適應(yīng)算法到達(dá)門限-35 dB時停止，第一種自適應(yīng)算法滿足要求時迭代28次，第二種自適應(yīng)算法滿足要求時迭代25次，顯然第二種自適應(yīng)算法的收斂速度快于第一種自適應(yīng)算法。從圖6可以看出，第一種自適應(yīng)算法的調(diào)整路線分別在增益面和相位面上，是一個折線，第二種自適應(yīng)算法的調(diào)整路線是在幅度和相位組成的立體圖上進(jìn)行，是一個平滑的曲線，并且第二種自適應(yīng)算法的對消量下降的比較平穩(wěn)，第一種自適應(yīng)算法的對消量下降的比較陡峭，因此相比而言，第二種自適應(yīng)算法迭代更穩(wěn)定可靠。

圖7 相位迭代步長圖

圖8 增益迭代步長圖

圖7和圖8表示兩種自適應(yīng)算法的增益和相位步長變化示意圖，從圖中可以看出自適應(yīng)算法在尋找環(huán)路對消最優(yōu)值時步長變化策略。計算機(jī)仿真結(jié)果表明，第一種自適應(yīng)算法的環(huán)路對消性能有限，大概在-40 dB左右，并且這個值和迭代步長有關(guān)，若把迭代步長變小，優(yōu)化速度又明顯減慢，雖然可以通過變步長的策略，但是如果不能找到一個好的調(diào)整策略，常會引起自適應(yīng)算法的不穩(wěn)定，或者不能達(dá)到環(huán)路對消性能最優(yōu)的目的。采用本文提出的增益和相位交替調(diào)整的自適應(yīng)算法，不論初始迭代步長如何，環(huán)路對消性能均能達(dá)到-58 dB左右。因此，整體來說，第二種自適應(yīng)算法在穩(wěn)定性和優(yōu)化速度上明顯優(yōu)于第一種自適應(yīng)算法。

3 實驗結(jié)果和分析

為了證明本文所提出的自適應(yīng)算法的可實現(xiàn)性，根據(jù)實現(xiàn)原理圖1搭建了前饋型線性功放實驗平臺。主功放采用了Freescale半導(dǎo)體公司的兩個型號為MRF6S9125的LDMOS放大器件，整個系統(tǒng)輸出功率為30 W，增益和相位調(diào)整電路采用了公司自制電路設(shè)計而成，自適應(yīng)算法的實現(xiàn)采用了TI公司型號為TMS320F2810的DSP處理器。圖9表示系統(tǒng)對消前和對消后交調(diào)值。從圖9可以看出利用本文所提出自適應(yīng)算法，應(yīng)用于前饋型線性功放中，可以使線性改善大于30 dB。

圖9 系統(tǒng)對消前后交調(diào)示意圖

4 結(jié) 論

本文基于前饋型線性功放自身特征以及自適應(yīng)技術(shù)，提出了一種新型的自適應(yīng)算法，文中對該算法的原理進(jìn)行了詳細(xì)的推導(dǎo)和分析，并進(jìn)行了計算機(jī)仿真，最后給出了通過硬件實驗平臺，基于TMS320F2810實現(xiàn)自適應(yīng)算法后，對900 MHz 30 W前饋型線性功放實際結(jié)果測試，驗證了本文所提出的自適應(yīng)算法有效性和先進(jìn)性。這些實驗結(jié)果和結(jié)論對自適應(yīng)算法在前饋型線性功放中的應(yīng)用有著重要的促進(jìn)作用。

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