射频功放的立方预失真线性化技术

射频功放的立方预失真线性化技术

王伟旭,张玉兴

(电子科技大学,四川成都610054)

摘　要　预失真技术是射频功率放大器线性化技术中的一种,与其他线性化技术相比具有电路简单可靠、性能优良、成本低廉等优点。立方预失真技术是其中的一种,该技术易于设计调试,且性能优良。对射频功率放大器的非线性特性进行了深入的理论分析,剖析了非线性失真产生的根源。说明了预失真技术的工作原理和结构,重点讨论了立方预失真器的原理和结构,并且给出了理论和实际系统的仿真结果。

关键词　线性功率放大器;立方预失真器;预失真;三阶交调中图分类号　T N722 文献标识码　A

Cubic Pre 2distortion Linearization T echnique for

RF Pow er Amplifier

W ANG Wei 2xu ,ZH ANG Y u 2xing

(UESTC ,Chengdu Sichuan 610054,China )

Abstract Pre 2distortion is one of the linearization techniques for RF power am plifier.C om pared with other linearization techniques ,it provides sim ple and reliable circuit design ,g ood per formance and relative low cost.M oreover ,it is easy to design and test.This paper analyzes non 2linearization of RF power am plifier ,explains how the pre 2distorter w orks ,discusses the principle and structure of cubic pre 2distorter ,and presents the simulation results.

K ey w ords linear power am plifier ;cubic pre 2distorter ;pre 2distortion ;I M D3

收稿日期:2005212217

0　引言

随着现代通信技术的发展,对功率放大器的线性度要求越来越高,对放大器的线性度改善的研究成为一个热点。主要的线性化方法有负反馈、前馈和预失真等。负反馈的主要缺点是降低放大器的增益,并且存在使放大器不稳定的风险;前馈技术虽然性能优良,但电路设计较复杂,成本高,在很多情况下使用受到限制;预失真技术在避免这些缺点的情况下,仍然可以达到较好的校正效果。其中立方预失真技术就是一种电路简单、调试方便而效果显著的方案。

1　基本原理

111　单音信号通过放大器的非线性分析

由于放大器采用的器件(如晶体管)存在非线性

特性,当工作在大信号状态下,其输出函数可以按泰勒级数展开。假设放大器的输入信号为:

v =v 0cos (ωt )

(1)

输出信号按照泰勒级数展开为:v out =a 1v +a 2v 2

+a 3v 3

+a 4v 4

+……

(2)

将式(1)代入式(2),按照三角函数积化和差,由于正弦函数的奇次方项都含有基波分量,将所有的基波分量提出相加合并得:

v out =(a 1+34a 3v 02+58a 5v 0

4

+

3564a 7v 0

6

…)v 0cos (ωt )+…

(3)

如果只考虑基波的表达式,而不考虑放大器输出的高次谐波,显然,输出信号v out 的基波分量的系数就是放大器的增益。即

A =a 1+

34a 3v 02+58a 5v 04+3564a 7v 0

6 (4)

由于a 3、a 5、a 7…为负数,则增益特性表现为所谓的

压缩特性。

112　双音信号通过放大器的非线性分析

假设输入信号为:

v =v 1cos (ω1t )+v 2cos (ω2t )

(5)

式中,ω1和ω2相差很小。将式(5)代入式(2),整理

得:

电磁场与微波

v out =a 1[v 1cos (ω1t )+v 2cos (ω2t )]+{[

a 2v 21

2

+

a 2v 22

2

+

12a 2v 21cos (2ω1t )+12a 2v 2

2cos (2ω2t )+a 2v 1v 2[cos (ω1+ω2)t +cos (ω1-ω2)t ]}+

a 3{(

34v 31+3

2v 1v 22)cos (ω1t )+(34v 32+32v 2v 21)cos (ω2t )+14v 31cos (3ω1t )+14v 32cos (3ω2t )+34v 1v 22[cos (2ω2+ω1)t +cos (2ω2-ω1)]+

34v 2

1v 2

[cos (2ω1+ω2)t +cos (2ω1-ω2)t}+ (6)

由式(6)可以看出,由于器件的非线性特性导致

放大器的输出信号的频谱非常复杂,不仅存在需要

的ω1和ω2频率分量,还存在直流、

ω1和ω2

的高次谐波分量,更为值得关注的是还存在ω1+ω2、ω1-ω2以及2ω1+ω2和2ω1-ω2等组合频率分量。把这些分量定义为组合频率分量ωmn ,

ωmn =m ω1±n ω2

(7)

输出信号的频谱如图1所示。偶次分量只产生

直流和谐波,可不予考虑。但奇次分量会产生互调产物,而尤其以3阶互调产物对放大器影响最大。理论上,如果把所有的奇次分量都消除,则放大器为理想线性。但事实上只要抵消3次放项就可以大幅度改善放大器的性能。从数学上来分析,当对一个弱非线性函数按照泰勒级数展开的时候,各项系数存在以下关系:

|a 3|>>|a 5|>>|a 7|…

(8)

图1　放大器的输出频谱

图2　预失真器的原理框图

这说明对放大器线性度影响最大的是3次方

项,其他高阶奇次项的影响都很小。因此,在实际中,常采用只消除3次项的立方预失真器。其原理如图2所示。

立方运算器和可变增益放大器以及移相器生成

系数为正的3次方项,从而产生扩张特性,来抵消压缩特性。这样,主放大器的整体响应中,3次方项被大幅度抵消,从而改善了放大器的线性度。立方运算可以用非线性器件(二极管)来产生,也可以由一个非线性放大器来产生,总之只需要调整移相器的相移,使3次方项系数为正即可。

用双音信号来分析立方预失真器的工作原理。假设输入信号仍然为式(5),则通过预失真器后的信号为:

v ′=[v 1cos (ω1t )+v 2cos (ω2t )]+K[v 1cos (ω1

t )+

v 2cos (ω2t )]3

=v in +v ′in

(9)

式中,K 为可变增益放大器的增益;

v ′in =K[v 1cos (ω1t )+v 2cos (ω2t )]

(10)

将式(9)代入式(2)得:

v ′out =v ′out +a 1v ′in +a 2(v ′in )2

…=

v out +a 1K{(

34v 31+32

v 1v 2

2)cos (ω1t )+(34v 32+32v 2v 21)cos (ω2t )+14v 31cos (3ω1t )+14v 32cos (3ω2t )+34v 1v 2

2[cos (2ω2+ω1)t +cos (2ω2-ω1)]+

34v 2

1v 2

[cos (2ω1+ω2)t +cos (2ω1-ω2)t} (11)

将式(6)代入式(9)观察发现若调整可变增益放

大器和移相器,使

a 1K +a 3=0

(12)

则三阶交调产物(I MD3)就会被大幅抵消掉,从而明显改善放大器的线性度。

2　仿真实验

实际系统中,立方运算器可以利用器件的非线性来实现。设计了一个800MH z 功率放大器,利用二极管作为立方运算器设计预失真器。用中心频率为800MH z 、频率间隔为20kH z 的双音信号进行仿真得到图3所示的结果。从图3中可以看出,在加入立方预失真器前,3阶I MD 大约为20dBc ,而加入预失真器后,I MD3接近80dBc ,改善约60dB 。

图3　加入预失真器前后效果对比

(下转第61页)

电磁场与微波