自适应前馈线性化技术的原理、实现方法及其仿真结果讨论

1 引言

常用的线性化技术有反馈法、预失真法、前馈法、笛卡尔环、非线性部件实现线性化（LINC）等。预失真法是最常用的，其工作函数预失真器有2个显著的特点：线性修正是在功率放大器之前，其插入损耗小；修正算法带宽限制小。数字预失真技术复杂度高能提供较好的IMD压缩，但由于DSP运算速度使其带宽小。笛卡尔反馈复杂度想对低，能提供合理的IMD压缩，但存在稳定性问题且带宽限制在几百kHz。LINC法将输入信号变成2个恒包络信号，由2个C类放大器放大，然后合成，但对元件的漂移敏感。前馈技术为另一类线性化技术，他提供了闭环系统的线性化精度，开环系统的稳定性及带宽。目前仅有前馈技术才能满足现代多载波通信基站功率放大器的性能指标。
前馈技术起源于“反馈”，应该说他是一种老技术，除了校准（反馈）是加于输出之外，概念上是“反馈”，不过是不同的执行方法。前馈克服了延迟带来的影响。他提供了反馈的优点，但没有不稳定和带宽受限的缺点。
本文讨论自适应前馈线性化技术的原理、实现方法及其仿真结果。

李煜启

2019-6-21 09:29:29

2 自适应前馈法线性化原理
图1所示是基本的前馈环框图。未失真的抽样信号经延迟后与主放大器放大的信号经过适当的衰减耦合后在0°～180°合成器中比较。如果主放大器无增益和相位失真，合成器产生零输出。若主放大器有任何增益和相位失真、压缩或AM-PM效应，合成器输出端就会有小的RF误差信号，输入到误差放大器放大到输出抽样信号的电平，主信号经延迟并补偿误差放大器的延迟后与误差放大器的输出合成校准后输出。必须强调，相位与振幅的校准——加或减，全都在RF下进行，而不是在视频或基带进行。即校准在最终带宽内进行。最终带宽由系统各种元件的相位、振幅的跟踪特性决定。

这种系统的工作原理很好理解，定量分析则要深入讨论，主要包括主功率放大器和误差功率放大器功率容量的分析，误差放大器的非线性贡献；不完善的增益、相位跟踪特性的影响等。最简明的办法是首先分析主放大器存在增益压缩和AM-PM转换失真时连续波扫描时环路的静态特性。所谓“静态”，定义为在可变包络激励下，系统的失真特性。

周玲玲

2019-6-21 09:29:42

3 自适应前馈控制方法
近年来，出现了一些自适应性前馈系统的专利，这些自适应前馈技术主要分为2类：有无控制信号的自适应方法，即基于功率最小化的自适应技术和基于梯度信号的自适应性技术。前者的控制方案是：在信号抵消电路部分，通过调整复向量调制器来最小化参考信号所在频带内的误差信号的功率，在误差抵消电路部分，选择只包含失真部分的频带。一旦取得最优参数，需要加入预先准备的扰动来更新系数，这些扰动减少IMD压缩。采用梯度信号的自适应性方法是连续计算三维功率表面的梯度。信号抵消电路中功率表面是误差信号的功率，当参考信号完全被压缩，只剩下失真时，功率最小。误差抵消电路中功率表面是线性器的输出功率，当失真在功率放大器输出信号中完全被压缩时，功率达到最小。梯度连续被计算，所以不需要预先准备的扰动。常用的自适应控制器有复数增益控制器、最小功率控制器。
典型的复数增益调节器主要有2种类型：极坐标和直角坐标形式。前者由衰减器和移相器组成。后者由功分器、合成器、移相器和混频器组成，其中混频器可以用双相压控衰减（VCA）代替。向量调制的2条支路是相位积分，且VCA能够双相位工作，这样保证了向量调制能在［0，360］内均获得相移。衰减器设置到一个归一化的值，在此处电压的梯度最大，这样来保证快速自适应，但必须保证没有任何附加的非线性引入。
最小功率控制器，这种自适应性控制器是“最小功率”原理运用到前馈线性化技术中的典型代表。图2是最小功率控制器的框图。通过调整控制电压“I”和“Q”来最小化端口“P”的功率，端口P是信号抵消电路中误差信号的抽样。这种方法的缺点是在快到达最小值时，收敛慢且对测量噪声敏感。而功率测量不可避免的存在噪声，为了减少测量的变化，在每一步需要停留足够的时间。功率最小化原理也运用到误差抵消电路中，然而，端口P的输出信号既有放大信号也有残留的失真。因这些失真信号的幅度比放大信号小几阶，故最小化算法在每一步需要停留较长的时间。有2种方法用来减轻这个问题。一种方法是采用可调接收器来选择只包含失真的频带，且采用控制器来最小化这个频带。另一种方法是输出减去输入端的相位和增益的复制品，理想上就只剩下失真，这些失真反馈到端口P用于最小化算法。

梯度法是自适应性的另一个方法。信号抵消电路、误差抵消电路可采用复数基带相关器或带通相关器。最简单的迭代法是最速下降算法，在二次误差面的环境下，可以任选一个初始值α（定义在误差面的一些点），然后计算在那点的误差面梯度，并且相应地α被修正。二次误差面是经典的估计理论，基数vr（t）和估计误差ve（t）之间的相关等于误差面的梯度，这个相关用来驱动自适应性算法。最速下降法处理的随机梯度信号（ve（t）vm（t）＊）表明上述算法在调整α和β。当vr（t）和ve（t）不相关时，梯度为0，这表明误差信号只包含失真。梯度法比最小功率法收敛快，且不需要为了确定改变方向而不断地进行失调。然而，在混频器的输出端对DC偏置敏感。如最小功率法一样，基于同样的理由导致误差抵消电路中收敛时间较长，这可通过在相关前压缩输出信号线性部分来减轻。

3 自适应前馈控制方法
近年来，出现了一些自适应性前馈系统的专利，这些自适应前馈技术主要分为2类：有无控制信号的自适应方法，即基于功率最小化的自适应技术和基于梯度信号的自适应性技术。前者的控制方案是：在信号抵消电路部分，通过调整复向量调制器来最小化参考信号所在频带内的误差信号的功率，在误差抵消电路部分，选择只包含失真部分的频带。一旦取得最优参数，需要加入预先准备的扰动来更新系数，这些扰动减少IMD压缩。采用梯度信号的自适应性方法是连续计算三维功率表面的梯度。信号抵消电路中功率表面是误差信号的功率，当参考信号完全被压缩，只剩下失真时，功率最小。误差抵消电路中功率表面是线性器的输出功率，当失真在功率放大器输出信号中完全被压缩时，功率达到最小。梯度连续被计算，所以不需要预先准备的扰动。常用的自适应控制器有复数增益控制器、最小功率控制器。
典型的复数增益调节器主要有2种类型：极坐标和直角坐标形式。前者由衰减器和移相器组成。后者由功分器、合成器、移相器和混频器组成，其中混频器可以用双相压控衰减（VCA）代替。向量调制的2条支路是相位积分，且VCA能够双相位工作，这样保证了向量调制能在［0，360］内均获得相移。衰减器设置到一个归一化的值，在此处电压的梯度最大，这样来保证快速自适应，但必须保证没有任何附加的非线性引入。
最小功率控制器，这种自适应性控制器是“最小功率”原理运用到前馈线性化技术中的典型代表。图2是最小功率控制器的框图。通过调整控制电压“I”和“Q”来最小化端口“P”的功率，端口P是信号抵消电路中误差信号的抽样。这种方法的缺点是在快到达最小值时，收敛慢且对测量噪声敏感。而功率测量不可避免的存在噪声，为了减少测量的变化，在每一步需要停留足够的时间。功率最小化原理也运用到误差抵消电路中，然而，端口P的输出信号既有放大信号也有残留的失真。因这些失真信号的幅度比放大信号小几阶，故最小化算法在每一步需要停留较长的时间。有2种方法用来减轻这个问题。一种方法是采用可调接收器来选择只包含失真的频带，且采用控制器来最小化这个频带。另一种方法是输出减去输入端的相位和增益的复制品，理想上就只剩下失真，这些失真反馈到端口P用于最小化算法。

梯度法是自适应性的另一个方法。信号抵消电路、误差抵消电路可采用复数基带相关器或带通相关器。最简单的迭代法是最速下降算法，在二次误差面的环境下，可以任选一个初始值α（定义在误差面的一些点），然后计算在那点的误差面梯度，并且相应地α被修正。二次误差面是经典的估计理论，基数vr（t）和估计误差ve（t）之间的相关等于误差面的梯度，这个相关用来驱动自适应性算法。最速下降法处理的随机梯度信号（ve（t）vm（t）＊）表明上述算法在调整α和β。当vr（t）和ve（t）不相关时，梯度为0，这表明误差信号只包含失真。梯度法比最小功率法收敛快，且不需要为了确定改变方向而不断地进行失调。然而，在混频器的输出端对DC偏置敏感。如最小功率法一样，基于同样的理由导致误差抵消电路中收敛时间较长，这可通过在相关前压缩输出信号线性部分来减轻。

李凤津

2019-6-21 09:29:48

4 仿真过程及结果
本文采用梯度法实现自适应性前馈线性器。这种方法主要是计算到达最小点的曲面的梯度，采用复相关器用来计算梯度。前馈线性器有2个环路：信号抵消电路和误差抵消电路。线性抵消电路目的是消除功率放大器输出信号中线性部分，只剩下失真。复系数α驱动直角坐标形式的复增益调节器，采用复相关器来优化复系数的相位，并衰减相位相反的上下支路，这样就抵消了功率放大器输出信号的线性部分，剩下的失真信号进入第二个环路。下支路的失真信号和功率放大器上支路的输出构成了误差抵消电路。系数β调整下行支路的复增益调节器，以便与上行支路的失真的相位相反。采用两路调制信号输入，间隔100 MHz，载波的频率取1．0 GHz，α取－0．1，β取－0．01，并采用迭代最小均方进行寻优，采用直角坐标向量调制器，为简化起见，采用理想无源元件。仔细选择适61应参数，最好的方法是确保信号抵消电路环（α适应系数）在误差抵消电路环（β适应系数）开始收敛前收敛到一个较小的范围内。
利用ADS2003进行系统级的仿真，在功率回退5 dB的情况下其仿真结果如图3～图8所示。图3表示自适应调整过程中α、β实部和虚部的变化情况，由图可以看出α的调整过程要先于β的调整。三阶、五阶交调总的变化趋势可以从图4看出，由图可知当调整继续进行下去三阶交调改善40 dBc，而五阶交调稳定后改善65 dBc。图5表示初始的误差频谱，图6表示调整后的误差频谱。图7表明功率回退5 dB的情况下产生较大的交调功率和谐波。图8表示经过自适应处理后前馈线性化器的输出。仿真结果表明经过自适应前馈处理，三阶交调和五阶交调均得到明显改善，功放的线性度明显提高。

胡小娟

2019-6-21 09:29:51

5 结语
射频功率放大器的线性化技术可以明显地改善放大器的线性度，同时提高输出功率和效率。在负反馈、预失真和前馈这三种线性化技术中，前馈技术提供了反馈的优点，但没有不稳定和带宽受限的缺点。本文利用梯度法实现自适应性前馈线性器。仿真结果表明较之没有进行自适应前馈调整，在功率回退5dB的情况下，功放的三阶交调可以改善40dBc，五阶交调可以改善65dBc，功放的线性度得到明显的改善，从而实现了大功率、高线性的输出，他降低了对功率放大器末级器件的要求，提高功放的电效率。在多载波、高速度、大容量通信系统中，前馈放大器可以很好地解决邻近信道干扰，提高系统ACPR值，保证系统工作的有效、可靠性。

李秋年

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李煜启

周玲玲

李凤津

胡小娟

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