功率放大器脈沖調制波形產生方法研究與實現

中國電子科技集團公司第20研究所 李 超

0 引言

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

1 波形產生方法

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

設功放的功率增益為，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，則有：

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

當前通信系統中采用的功率放大器的主要類型為脈沖調制功放。為了抑制非線性失真，脈沖調制功放需要外部提供相應的脈沖調制波形來產生系統需要的輸出。脈沖功率放大器在不同環境條件下（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制波形進行調整，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]。

將不同溫度段的調制波形數據存儲在波形數據存儲器中，在收到功率發射命令后，處理器根據當前的實時溫度將調整好的相應溫度段的調制波形數據發送給DAC，產生相應溫度段的調制波形。脈沖調制功率放大器根據脈沖調制波形產生脈沖輸出功率，完成功率放大。

2 設計實現與驗證

2.1 電路原理

脈沖調制波形產生電路主要包括以下幾部分：波形數據存儲器、溫度傳感器、DSP/FPGA、DAC以及供電模塊，電路原理如圖1所示。其中波形數據存儲器負責存儲各個溫度段的波形數據，溫度傳感器監測脈沖調制功放的實時溫度，DSP/FPGA根據實時溫度將相應溫度段的調制波形數據發送給DAC，DAC將數字波形數據轉化為脈沖調制波形，發送給功率放大器。

圖1 功放調制波形產生電路原理框圖

2.2 器件選型

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

數模轉換器（DAC）采用ADI公司的AD9779。AD9779是雙通道、16位高動態范圍數模轉換器，提供1GSPS采樣速率，可以產生最高達奈奎斯特頻率的多載波。具有針對直接變頻傳輸應用進行優化的特性，包括復合數字調制以及增益與失調補償。滿量程輸出電流可以在10mA至30mA范圍內進行編程。利用超低噪聲與交調失真特性，從基帶到高中頻的寬帶信號可以實現高質量合成。專有DAC輸出開關技術可增強動態性能[4]。

波形數據存儲器采用的是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。最大訪問次數可達100萬次，比flash壽命長10倍。鐵電存儲器能夠滿足波形數據調試時需要重復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據調制波形數據發送給FPGA，通過485總線接受來自其他模塊的系統控制接口控制文件（ICD），并通過FPGA轉換實現對功放激勵等射頻模塊的控制指令；通過CAN總線完成模塊狀態回傳、機內自檢（BIT）、程序在線燒寫等功能。

2.3 波形產生驗證

通過MATLAB軟件產生TACAN調制波形數據，通過DSP將波形數據存入鐵電存儲器。硬件板卡成功加電后，可以通過Chipscope得到FPGA從DSP處收到的相應溫度段的數字信號調制波形，如圖2所示。

圖2 Chipscope抓取的TACAN數字波形

圖3 DAC輸出的TACAN模擬調制波形

FPGA對AD9779進行配置后將相應的TACAN和DME波形數據送入DAC，可以通過示波器觀察到發送給脈沖調制功率放大器的模擬波形，如圖3所示。

3 結束語

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

[1]朗平,韓鵬偉.脈沖調制功率放大器調制技術分析[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預失真方案的設計與仿真[J].廈門大學學報(自然科學版),2012,51(2)：179-184.

[3]肖鈺,趙國強,孫厚軍.毫米波脈沖調制功率放大器設計與實現[J].電波科學學報,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.