無線通信系統(tǒng)中射頻功放線性化技術(shù)

文/朱惠

近年來，無線通信系統(tǒng)快速發(fā)展，功率放大器在航天航空、移動通信終端、基站等領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。但功率放大器由于其本身固有的非線性，效率和線性度成反比。當功率放大器工作在高效率區(qū)域時，往往處于功放的飽和區(qū)，放大 后的信號已經(jīng)完全失真；當功放工作在純線性區(qū)時，功放的工作效率又很低，造成了很大的效率浪費，提升了整個無線通信系統(tǒng)的成本。為了解決這一問題，對于功放線性化的研究有重要的意義。

1 功放非線性特性

功率放大器的非線性特性主要有靜態(tài)非線性和動態(tài)非線性，其中動態(tài)非線性又被稱為記憶效應(yīng)。

1.1 功放的靜態(tài)非線性

若功率放大器為一個理想的元器件，經(jīng)過功放放大后的輸出信號可以表示為：

其中y(t)是經(jīng)過功放放大的輸出信號，k1是功放的增益系數(shù)。但功放是一個非線性元器件，隨著輸入功率的增加，功放進入飽和區(qū)會產(chǎn)生飽和失真。因此表征功率放大器非線性特性輸出信號的數(shù)學(xué)表達式為：

其中，n為非線性階數(shù)，kn為每階非線性所對應(yīng)的非線性增益。當功率放大器工作在1dB壓縮點之前時，功放基本上處于線性工作區(qū)，輸出功率和輸入功率之比為一個常數(shù)。當功率放大器工作在1dB壓縮點之后時，飽和輸出功率和輸入功率比值不成線性關(guān)系，隨著功放輸入功率越來越大，功放的非線性越來越強，直到達到功放的峰值功率。

功放的靜態(tài)非線性失真主要表現(xiàn)為諧波失真和交調(diào)失真。諧波失真是由于產(chǎn)生了基波頻率分量以外的倍頻分量。以單音信號帶入式（2）可以得到：

由公式（3）可以看出，除了基波分量w0外，還產(chǎn)生了二倍頻和三倍頻。經(jīng)過功放放大后，倍頻分量對原基波信號造成了失真影響。

交調(diào)失真是指產(chǎn)生了基波頻率相互加減混合的新的頻率分量。以雙音信號帶入公式（3）可以得到：

1.2 功放的動態(tài)非線性

功率放大器的動態(tài)非線性是指功放當前的輸出不僅與功放當前的輸入有關(guān)還與功放之前的輸入有關(guān)。功放的動態(tài)非線性有熱效應(yīng)和電效應(yīng)兩種。其中熱效應(yīng)是由功放本身放熱和環(huán)境溫度影響的。功率放大器在工作時，會根據(jù)自身工作頻率調(diào)節(jié)功率放大器的晶體管溫度，當功放工作頻率過高時，晶體管溫度調(diào)節(jié)會跟不上功放的頻率調(diào)節(jié)，就會產(chǎn)生動態(tài)非線性失真。電效應(yīng)是由于功放自身組成中含有儲能元器件，導(dǎo)致偏執(zhí)電路沒有辦法完全去除失真量。

2 功放線性化技術(shù)

功率放大器的靜態(tài)非線性和動態(tài)非線性嚴重影響了功放的工作性能，進而影響了整個無線通信系統(tǒng)的性能。為了解決這一問題，對于功放線性化技術(shù)的研究顯得尤為重要。

2.1 功率回退技術(shù)

功率回退技術(shù)的目的是使功放工作在線性區(qū)，保證功放輸出信號的線性度。功率回退技術(shù)的原理是犧牲功放的效率，降低輸入信號功率，進而使得功放工作在線性區(qū)。功率回退技術(shù)通常是回退到功率放大器的1dB壓縮點。這種技術(shù)犧牲了功放的效率，尤其是當前4G以及5G的信號峰均比都很高，功率回退技術(shù)毫無疑問的提高了無線通信系統(tǒng)的效率成本，不是一種經(jīng)濟的功放線性化技術(shù)。經(jīng)常用于doherty這種具有高峰值功率的功率放大器中。

2.2 前饋和負反饋技術(shù)

圖1：諧波失真原理圖

上世紀二十年代，Harold.S.Black提出了前饋技術(shù)和負反饋技術(shù)，用于功放線性化中，大大的降低了功率放大器的非線性失真。前饋技術(shù)的原理是先提取出輸入信號的失真信息，在功放輸出端減去功放輸入信號的失真信息進而得到無失真的信號。前饋技術(shù)工作在模擬域，不受信號帶寬限制，因此在當前4G和5G超寬帶的情況下，是一種值得深究的技術(shù)。但是前饋技術(shù)部署后參數(shù)會隨著外界環(huán)境而產(chǎn)生變化，需要定期調(diào)試，操作比較復(fù)雜。

負反饋技術(shù)的原理是犧牲功放的增益來應(yīng)對非線性失真，但是實踐表明，負反饋技術(shù)系統(tǒng)不穩(wěn)定，而且延遲不定，限制了該技術(shù)的發(fā)展。

2.3 數(shù)字預(yù)失真技術(shù)

預(yù)失真技術(shù)是MacDonald在上世紀五十年代提出的，其原理是在功放前加入一個與功放具有相反特性的預(yù)失真模型，兩次非線性進而補償功放本身的非線性。預(yù)失真器的非線性失真是由功率放大器的非線性特性的逆變換得來的。近年來，由于數(shù)字行業(yè)的快速發(fā)展，以及數(shù)字預(yù)失真技術(shù)具有的低成本和方便調(diào)試的優(yōu)點，該技術(shù)成為功放線性化技術(shù)中的主流技術(shù)。

3 總結(jié)

本文主要介紹了功放的非線性特性，并針對功放的靜態(tài)非線性和動態(tài)非線性提出了幾種功放線性化技術(shù)。