中國電子科技集團公司第20研究所 李 超

0 引言

脈沖調(diào)制功率放大器目前已經(jīng)大量應(yīng)用于通信系統(tǒng)中，脈沖輸出功率波形對整個系統(tǒng)的性能影響非常大[1]。由于功率放大器輸出非線性，脈沖調(diào)制功率放大器需要外部提供相應(yīng)的脈沖調(diào)制波形來產(chǎn)生系統(tǒng)需要的脈沖輸出功率，因此研究脈沖調(diào)制波形的產(chǎn)生對系統(tǒng)具有較大意義。本文深入研究了脈沖調(diào)制波形的原理，提出了一種新的功率放大器脈沖調(diào)制波形的產(chǎn)生方法。

1 波形產(chǎn)生方法

功率放大器的作用是將輸入端的射頻信號放大到系統(tǒng)要求的程度，若輸入信號為，輸出信號為，功放的轉(zhuǎn)移函數(shù)為，則有：

設(shè)功放的功率增益為，相位偏移為，輸入信號的功率為，輸出信號的功率為，如果功放的輸入端和輸出端是匹配狀態(tài)，則有：

對于理想的無記憶功放，輸出信號只與當(dāng)前的輸入信號有關(guān)，而放大器的幅度、相位和增益是固定的，不隨輸入信號、外部環(huán)境和系統(tǒng)時間變化，但是功率放大器是一個非線性器件，會發(fā)生非線性失真，包括幅度失真和相位失真[2]。

當(dāng)前通信系統(tǒng)中采用的功率放大器的主要類型為脈沖調(diào)制功放。為了抑制非線性失真，脈沖調(diào)制功放需要外部提供相應(yīng)的脈沖調(diào)制波形來產(chǎn)生系統(tǒng)需要的輸出。脈沖功率放大器在不同環(huán)境條件下（主要是溫度）輸出功率差異性顯著，為了保證功率放大器輸出線性，需要按溫度分段對調(diào)制波形進(jìn)行調(diào)整，以滿足功率放大器脈沖功率輸出波形的各項輸出要求（如上升沿、下降沿和峰值功率等）[3]。

將不同溫度段的調(diào)制波形數(shù)據(jù)存儲在波形數(shù)據(jù)存儲器中，在收到功率發(fā)射命令后，處理器根據(jù)當(dāng)前的實時溫度將調(diào)整好的相應(yīng)溫度段的調(diào)制波形數(shù)據(jù)發(fā)送給DAC，產(chǎn)生相應(yīng)溫度段的調(diào)制波形。脈沖調(diào)制功率放大器根據(jù)脈沖調(diào)制波形產(chǎn)生脈沖輸出功率，完成功率放大。

2 設(shè)計實現(xiàn)與驗證

2.1 電路原理

脈沖調(diào)制波形產(chǎn)生電路主要包括以下幾部分：波形數(shù)據(jù)存儲器、溫度傳感器、DSP/FPGA、DAC以及供電模塊，電路原理如圖1所示。其中波形數(shù)據(jù)存儲器負(fù)責(zé)存儲各個溫度段的波形數(shù)據(jù)，溫度傳感器監(jiān)測脈沖調(diào)制功放的實時溫度，DSP/FPGA根據(jù)實時溫度將相應(yīng)溫度段的調(diào)制波形數(shù)據(jù)發(fā)送給DAC，DAC將數(shù)字波形數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為脈沖調(diào)制波形，發(fā)送給功率放大器。

圖1 功放調(diào)制波形產(chǎn)生電路原理框圖

2.2 器件選型

現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）的任務(wù)為通過I2C總線接收來自溫度傳感器的溫度數(shù)據(jù)，并將其發(fā)送給DSP；接收上位機的功率發(fā)射命令，將閉鎖信號、發(fā)射開關(guān)信號以及相應(yīng)溫度段的脈沖調(diào)制波形數(shù)據(jù)根據(jù)芯片參考時鐘發(fā)送給DAC，并對功率放大管進(jìn)行相應(yīng)的保護措施（如駐波保護、過脈沖保護、幅度保護、過占空比保護等）。功放調(diào)制波形產(chǎn)生電路采用的FPGA型號為Xilinx公司Vertex系列XC5VLX50-1FF676I。

數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）采用ADI公司的AD9779。AD9779是雙通道、16位高動態(tài)范圍數(shù)模轉(zhuǎn)換器，提供1GSPS采樣速率，可以產(chǎn)生最高達(dá)奈奎斯特頻率的多載波。具有針對直接變頻傳輸應(yīng)用進(jìn)行優(yōu)化的特性，包括復(fù)合數(shù)字調(diào)制以及增益與失調(diào)補償。滿量程輸出電流可以在10mA至30mA范圍內(nèi)進(jìn)行編程。利用超低噪聲與交調(diào)失真特性，從基帶到高中頻的寬帶信號可以實現(xiàn)高質(zhì)量合成。專有DAC輸出開關(guān)技術(shù)可增強動態(tài)性能[4]。

波形數(shù)據(jù)存儲器采用的是Ramtron公司的鐵電存儲器(FRAM)，型號為FM28V100。其存儲容量為1M(128K x 8)，鐵電存儲器具有快速擦寫和非易失性的特點。最大訪問次數(shù)可達(dá)100萬次，比flash壽命長10倍。鐵電存儲器能夠滿足波形數(shù)據(jù)調(diào)試時需要重復(fù)快速擦寫以及斷電保存的要求[5]。

DSP通過I2C總線接收到的溫度數(shù)據(jù)調(diào)制波形數(shù)據(jù)發(fā)送給FPGA，通過485總線接受來自其他模塊的系統(tǒng)控制接口控制文件（ICD），并通過FPGA轉(zhuǎn)換實現(xiàn)對功放激勵等射頻模塊的控制指令；通過CAN總線完成模塊狀態(tài)回傳、機內(nèi)自檢（BIT）、程序在線燒寫等功能。

2.3 波形產(chǎn)生驗證

通過MATLAB軟件產(chǎn)生TACAN調(diào)制波形數(shù)據(jù)，通過DSP將波形數(shù)據(jù)存入鐵電存儲器。硬件板卡成功加電后，可以通過Chipscope得到FPGA從DSP處收到的相應(yīng)溫度段的數(shù)字信號調(diào)制波形，如圖2所示。

圖2 Chipscope抓取的TACAN數(shù)字波形

圖3 DAC輸出的TACAN模擬調(diào)制波形

FPGA對AD9779進(jìn)行配置后將相應(yīng)的TACAN和DME波形數(shù)據(jù)送入DAC，可以通過示波器觀察到發(fā)送給脈沖調(diào)制功率放大器的模擬波形，如圖3所示。

3 結(jié)束語

本電路產(chǎn)生了脈沖調(diào)制功率放大器所需的脈沖調(diào)制波形，通過溫度分段對脈沖調(diào)制波形進(jìn)行修正，保證了脈沖調(diào)制功率放大器功率輸出的線性和穩(wěn)定性。通過產(chǎn)生不同的調(diào)制波形還可以切換脈沖調(diào)制功率放大器的工作模式。目前該電路已經(jīng)成功應(yīng)用在L波段某型通信系統(tǒng)中，提高了系統(tǒng)的整體性能。

[1]朗平,韓鵬偉.脈沖調(diào)制功率放大器調(diào)制技術(shù)分析[J].艦船電子對抗,2014,37(5), 106-109.

[2]馬中華,歐陽軍,柯友藝,陳紅霞,陳大燦.一種新的RF預(yù)失真方案的設(shè)計與仿真[J].廈門大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2012,51(2)：179-184.

[3]肖鈺,趙國強,孫厚軍.毫米波脈沖調(diào)制功率放大器設(shè)計與實現(xiàn)[J].電波科學(xué)學(xué)報,2015, 30(4)：803-807.

[4]Analog Device Inc.AD9779 Data Sheet[M].Norwood, MA02062 USA：Analog Device,Inc. 2006.

[5]Cypress Inc.FM28V100 Data Sheet[M].http：//www.cypress.com,2010-01-15.