摘 要：先分析常用雙環(huán)自適應(yīng)前饋電路降低非線性失真及輸出功率的特點(diǎn)和不足，通過(guò)引入另一個(gè)前饋電路，從主功率放大器的輸入端耦合部分信號(hào)到輔助功率放大器的輸入和輸出端，經(jīng)適當(dāng)調(diào)節(jié)，進(jìn)一步改善電路的三階交調(diào)失真(IMD3)，并增大輸出功率。結(jié)果顯示， 這種改進(jìn)的自適應(yīng)前饋電路，IMD3低于信號(hào)功率-75 dBc，線性度改善效果明顯，而且輸出功率增大了2～3 dB。

關(guān)鍵詞：交調(diào)失真；線性化技術(shù)；前饋；自適應(yīng)

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

多載波碼分多路(CDMA-MC)、正交頻分多路(OFDM)體制以及新型調(diào)制QAM等新的通信技術(shù)日趨成熟。它們具有共同的特點(diǎn)，即：多載波，或基帶信號(hào)譜有較大的峰均功率比，或兩者兼之。系統(tǒng)所用的功率放大器對(duì)線性度要求很高，通常要求輸出三階交調(diào)失真在-80～-60 dBc以下^［1］。為提高功率放大器的線性度，可采用線性化技術(shù)，包括前饋、負(fù)反饋和預(yù)失真技術(shù)等。

負(fù)反饋具有較高的線性度，但在高頻和微波頻段，當(dāng)級(jí)數(shù)多時(shí)，每級(jí)所產(chǎn)生的延時(shí)將使整個(gè)放大器變得不穩(wěn)定。

預(yù)失真技術(shù)是開(kāi)環(huán)線性化技術(shù)中最常用的方法，無(wú)條件穩(wěn)定，具有更寬的頻帶，但是校準(zhǔn)精度不如閉環(huán)技術(shù)。

前饋技術(shù)提供了閉環(huán)系統(tǒng)的線性化精度，開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性及寬帶。需要精確的相位平衡、延遲及幅度控制，要求技術(shù)高，價(jià)格高。為了增益和相位的跟蹤，校準(zhǔn)環(huán)需附加功率放大器，因而總效率低。雖然如此，前饋仍是目前發(fā)展最快的線性化技術(shù)，也是前途最為廣闊的線性化技術(shù)。

當(dāng)通信系統(tǒng)使用多載波技術(shù)時(shí)，影響較嚴(yán)重的是三階交調(diào)失真^［1］。為了保證功率放大器的線性度，放大器輸出往往設(shè)置在遠(yuǎn)離P_1dB處，其結(jié)果是效率降低，輸出功率減小。因此本文的目的是在常用自適應(yīng)前饋電路基礎(chǔ)上改進(jìn)，降低三階交調(diào)失真，并增大輸出功率。

2 自適應(yīng)前饋控制原理 

前饋法電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，受環(huán)境影響大，因此為了保證良好的線性化效果，必須附加一定的自適應(yīng)電路。前饋線性化功放一般由信號(hào)抵消環(huán)和誤差抵消環(huán)兩個(gè)環(huán)路組成，所以自適應(yīng)控制也分為兩環(huán)分別控制，即誤差提取環(huán)路和誤差消除環(huán)路的自適應(yīng)控制，如圖1所示。

整個(gè)自適應(yīng)技術(shù)包括兩部分：反饋策略的選擇和最優(yōu)權(quán)重系數(shù)的計(jì)算^［2］。自適應(yīng)前饋技術(shù)一般有三種反饋策略，即導(dǎo)頻信號(hào)法、相關(guān)檢測(cè)法和能量最小法(也稱作最小功率檢測(cè)法)。最優(yōu)權(quán)重的計(jì)算一般是關(guān)于多維極值的計(jì)算，分為解析法和直接法。解析法包括最速下降法(梯度法)、牛頓法及共軛梯度法等。直接法包括變量輪換法，單純形替換法等。

圖1的誤差提取環(huán)路采用相關(guān)檢測(cè)法。相關(guān)檢測(cè)法根據(jù)非線性失真信號(hào)與基波信號(hào)的相關(guān)特性調(diào)節(jié)矢量調(diào)制器的控制系數(shù)。在誤差提取環(huán)路，功分器A和功分器C分別耦合部分信號(hào)至相關(guān)器，經(jīng)適當(dāng)?shù)奶幚砗筮M(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，以兩者之間的最小相關(guān)度為目標(biāo)，調(diào)節(jié)矢量調(diào)制器的控制系數(shù)。因?yàn)檎`差提取環(huán)路所得到的誤差信號(hào)質(zhì)量會(huì)影響誤差消除回路的自適應(yīng)控制性能，所以相關(guān)檢測(cè)法比較適用于誤差提取回路。

圖1中的誤差消除環(huán)路采用最小功率檢測(cè)法。最小功率檢測(cè)法通過(guò)調(diào)節(jié)矢量調(diào)制器的控制系數(shù)，使提取的失真信號(hào)能量最小化，以達(dá)到使非線性失真信號(hào)最小化的目的。圖1中的耦合器4耦合出部分信號(hào)，經(jīng)過(guò)混頻和濾波之后，輸出的誤差信號(hào)就被提取出來(lái)，以該誤差信號(hào)的功率最小化為目標(biāo)，調(diào)節(jié)矢量調(diào)制器的控制參數(shù)。最小功率檢測(cè)法比較簡(jiǎn)單，不會(huì)引入新的失真信號(hào)，但是該方法易受測(cè)量噪聲的影響。

另外，導(dǎo)頻法也是反饋策略中一種常用的自適應(yīng)方法。在主放大器和誤差放大器前注入一個(gè)附加的導(dǎo)頻信號(hào)，通過(guò)控制矢量調(diào)制器使導(dǎo)頻信號(hào)最小化，從而得到最小的非線性失真，但是導(dǎo)頻信號(hào)法會(huì)引入新的交調(diào)失真。

圖1中自適應(yīng)前饋的最優(yōu)權(quán)重系數(shù)的計(jì)算方法采用最速下降法(梯度法)。在二次誤差面的環(huán)境下，任選一個(gè)初始的權(quán)重系數(shù)α，然后計(jì)算該點(diǎn)的誤差面梯度，并且相應(yīng)地修正α。二次誤差面是經(jīng)典的估計(jì)理論，基數(shù)vr(t)和估計(jì)誤差v_e(t)之間的相關(guān)等于誤差面的梯度^［3］，根據(jù)這個(gè)相關(guān)驅(qū)動(dòng)自適應(yīng)算法，當(dāng)v_r(t)和v_{e(t)不相關(guān)時(shí)，梯度為0，這表明誤差信號(hào)只包含失真。}

3 改進(jìn)的自適應(yīng)前饋

自適應(yīng)前饋要注意以下三個(gè)方面：一是自適應(yīng)前饋的附加電路不能引入新的失真信號(hào)；二是誤差提取環(huán)路中最優(yōu)權(quán)重系數(shù)的收斂要比較快，而誤差消除環(huán)路的最優(yōu)權(quán)重系數(shù)的收斂可以相對(duì)慢些^［3］；三是因?yàn)榍梆伒妮敵龉β市时容^低，所以要盡量提高前饋的輸出功率效率。

本文在原雙環(huán)自適應(yīng)前饋的基礎(chǔ)上，增加了兩處改進(jìn)。

改進(jìn)一：從輸入端耦合部分基波信號(hào)到輔助功率放大器的輸入端，如圖2所示。目的是增大輸出功率，提高自適應(yīng)前饋附加電路的利用率。

在誤差消除環(huán)路，輔助功率放大器至少要將提取的誤差信號(hào)線性放大到與主功放輸出誤差信號(hào)相同的功率電平，因此要求輔助放大器的功率輸出能力與主功放相差不大。如果輔助功放只用于放大誤差信號(hào)的話，那么該前饋附加電路的利用率不高。所以可以從信號(hào)輸入端耦合部分基波信號(hào)到輔助功放的輸入端，放大后合成到輸出端。此類方法已經(jīng)在文獻(xiàn)［4，5］中有所提及，但是本文不僅是在自適應(yīng)前饋的基礎(chǔ)上分析，而且增加以下四點(diǎn)討論： 

(1) 為了防止增加額外的失真信號(hào)，輔助功放一般工作在A類；

(2) 耦合到輔助功放的基波信號(hào)與誤差信號(hào)的合成位置不能在矢量調(diào)制器2之前，而應(yīng)該在矢量調(diào)制器2之后，如圖2所示，否則耦合的基波信號(hào)容易被該矢量調(diào)制器衰減，達(dá)不到增大輸出功率的目的；

(3) 應(yīng)把輔助功放的輸出功率全部合成到輸出，這樣才能有效增大輸出功率，而原雙環(huán)自適應(yīng)前饋的誤差消除環(huán)的輸出功率的合成系數(shù)通常比較低。

(4) 主功放的S₁₂參數(shù)不可能無(wú)限小，因此主功放的輸入端必然含有非線性失真信號(hào)，從信號(hào)輸入端耦合的基波信號(hào)也必然含有該失真信號(hào)。該失真信號(hào)雖然小，但是增加了自適應(yīng)控制中相位調(diào)節(jié)的困難，容易使輸出的交調(diào)信號(hào)增大。這個(gè)新出現(xiàn)的問(wèn)題可以由下面的改進(jìn)二改善。

改進(jìn)二：從主功放的輸入端耦合部分信號(hào)，并在輔助功放的輸出端進(jìn)行功率合成，如圖2所示。目的是通過(guò)最小功率法調(diào)節(jié)矢量調(diào)制器3的控制參數(shù)，使輸出的IMD3最小。

在誤差消除環(huán)路，輔助功放輸出的誤差信號(hào)和主功放的初始失真同在一個(gè)數(shù)量級(jí)，經(jīng)相互抵消之后的IMD3一般可以降低30 dBc，即輔助功放輸出的誤差信號(hào)和最終的交調(diào)信號(hào)相差30 dBc以上，功率相差太大，因此難以進(jìn)一步降低IMD3。不妨把這種效果較好的降低失真的行為稱為“粗調(diào)”，而“粗調(diào)”的初步效果好，但是易殘存一定的失真。如果在“粗調(diào)”的基礎(chǔ)上，增加“微調(diào)”，就可以使失真再降低幾個(gè)dBc，也許是關(guān)鍵的幾個(gè)dBc。自適應(yīng)前饋的IMD3一般低于-60 dBc，因此應(yīng)提取小誤差信號(hào)以進(jìn)一步抵消該小失真。

上面已經(jīng)提到，主功放的輸入端其實(shí)也含有非線性失真信息，因此可以從主功放的輸入端提取部分信號(hào)，經(jīng)矢量調(diào)制器3，合成到輔助功放的輸出端，如圖2所示，步驟如下:

(1) 通過(guò)誤差提取環(huán)路和誤差消除環(huán)路的自適應(yīng)算法，確定矢量調(diào)制器1和矢量調(diào)制器2的控制參數(shù)；

(2) 通過(guò)最小功率法，調(diào)節(jié)矢量調(diào)制器3的控制參數(shù)，使輸出的交調(diào)失真最小化。因?yàn)槭恰拔⒄{(diào)”，所以收斂時(shí)間可以長(zhǎng)些。

4 仿真結(jié)果

采用ADS2006進(jìn)行仿真，功率源采用相隔2 MHz，中心頻率850 MHz的雙頻率源，可以較好地觀察IMD3。圖4是以圖1的自適應(yīng)前饋框架為基礎(chǔ)的仿真結(jié)果。結(jié)果顯示比未加功放的三階交調(diào)失真降低了40 dBc左右，但是功率降低了1 dB左右。圖5是以圖2的改進(jìn)自適應(yīng)前饋框架為基礎(chǔ)的仿真結(jié)果。結(jié)果顯示與未加前饋的輸出相比，功率提高了2～3dB，三階交調(diào)失真的優(yōu)化超過(guò)50 dBc。與未改進(jìn)的自適應(yīng)前饋相比，輸出功率提高了3～4 dB，IMD3的優(yōu)化超過(guò)10 dBc。

5 結(jié) 語(yǔ)

仿真結(jié)果表明，改進(jìn)的自適應(yīng)前饋電路，在降低IMD3和提高輸出功率方面都改善明顯。自適應(yīng)前饋電路可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的超線性穩(wěn)定輸出，非常適用于多載波，寬帶射頻功率放大器。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］張玉興，趙宏飛，向榮，等.非線性電路與系統(tǒng)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)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］陳建新，謝萬(wàn)波，楊維民，等.射頻放大器前饋技術(shù)仿真［J］.北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，32(10):870-873，912.

［5］嚴(yán)福興.射頻功率放大器前饋線性化技術(shù)研究［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2007，30(4):6-8.

作者簡(jiǎn)介 丘春輝 男，1981年出生，福建長(zhǎng)汀縣人，西南交通大學(xué)碩士研究生。主要從事射頻電路設(shè)計(jì)，無(wú)線通信方向的研究。