前饋式線性功率放大器的自適應控制

胡穎娟 李維剛

（中科芯集成電路有限公司，西安 710065）

1 引言

隨著通信領域的新技術的飛速發展和應用，通訊系統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用于實踐中，極大地改善功率放大器的線性指標。本文主要介紹前饋式放大器的原理和實現方法。前饋技術適用于寬帶和多載波場合，對于第三代移動通信系統十分有利。前饋技術提供了較高校準精度，具有系統穩定和帶寬不受限的優點。

2 前饋式線性功放的原理

前饋線性化技術原理如圖 1所示[1]。射頻信號輸人后，經功分器分成兩路。一路進入主功率放大器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，還有交調干擾。從主功放的輸出中耦合一部分信號與另一路經過延時線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，只剩下交調分量。交調分量經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，抵消主功放的交調干擾，從而得到線性的放大信號。

圖1 前饋線性化技術原理

圖1中：VA=VinG+Verr

3 自適應控制的數學模型

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信號的抵消達到線性輸出的技術[2]。但是，實際的通訊系統中，工作頻帶比較寬，對消環路的幅值和相位因為溫度、頻率、功率甚至濕度發生變化使得信號抵消達不到理想的效果。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和誤差環信號對消時的數學模型，在主環和誤差環中實現理想的載頻或交調對消就是使 Y2的值最小，這是一個典型的多變量非線性規劃問題[3]。

此時有約束條件：A2+B2≥2ABcosφ

對于以上非線性規劃的解為：A=B，而且φ=NΠ（N為整數），存在一系列的極值點；在實際的應用系統中，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實際系統的需要確定滿足系統需要的門限值。

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

同樣，若固定 B不變 ，設 A2+B2=K1；2AB=K2；可以得到下式：

根據(2)、(3)式可以得到以下結論：

1) 當保持待對消的兩路信號的相位不變，調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(2)的極值。

2) 當保持待對消的兩路信號的幅度不變，在一定的范圍內（如1/4Π）調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(3)的極值。

因此，對主環和誤差環的自適應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

從以上的數學分析可知，調整一路信號的幅度及相位到達最優值，可以實現信號對消。為了保證在搜索過程中不出現多個局部極值點的情況，需要確定搜索調整的順序，應該先進行相位調整的尋優再進行幅度調整的尋優。當幅度一定時，改變一路信號的相位與另一路信號進行合成，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的函數，所以可以較容易的搜索到最佳點；當相位調整最佳后，固定相位值，進行幅度的調整，在系統設計中已經對環路的增益進行分配設計，保證了兩路信號在對消點處幅度相差不會太大，同時為了保證系統的增益，對主環的幅度調整不會大，在相位調整好的基礎上，再對幅度進行尋優，而且此時最佳點也只有一個。

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

圖3 主環數字控制組成圖

圖4 誤差環數字控制組成圖

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

5 自適應控制算法

以上介紹控制單元硬件組成，自適應算法是在DSP的軟件中實現。圖5是主環和誤差環的控制算法和流程圖。其中，PD1是載波的對消結果，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，不再調整和搜索。PC1、GC1分別是主環需要調整的相位和幅度。PD5是交調對消結果，PD5min是交調對消的閾值，PC5、GC5分別是誤差環需要調整的相位和幅度。

6 試驗數據

上面介紹的系統經過設計實現，經過測試得到下面的數據。從結果可以看出，功放的線性度得到保證，能夠為移動通訊系統提供接近無失真的信號傳播[5～6]。

圖5 主環和誤差環的算法流程

1） 線性動態范圍：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）

5） 增益平坦度：不超過±1 dB（在整個溫度和頻率范圍內）

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 結束語

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

[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. 實用非線性規劃. 北京：科學出版社，1981.

[4] 章云. DSP控制器及其應用. 北京：機械工業出版社，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].