前馈式线性功率放大器的自适应控制

2010-07-25胡颖娟李维刚

船电技术 2010年12期

胡颖娟李维刚

（中科芯集成电路有限公司，西安 710065）

1 引言

随着通信领域的新技术的飞速发展和应用，通讯系统对射频功率放大器线性度提出新的要求。伴随着功放性能的不断提升，各种提高放大器线性度的方法逐渐应用于实践中，极大地改善功率放大器的线性指标。本文主要介绍前馈式放大器的原理和实现方法。前馈技术适用于宽带和多载波场合，对于第三代移动通信系统十分有利。前馈技术提供了较高校准精度，具有系统稳定和带宽不受限的优点。

2 前馈式线性功放的原理

前馈线性化技术原理如图 1所示[1]。射频信号输人后，经功分器分成两路。一路进入主功率放大器MA，由于其非线性失真，输出端A点除了有需要放大的主频信号外，还有交调干扰。从主功放的输出中耦合一部分信号与另一路经过延时线TD1延时的输入信号在叠加器中叠加，使主载频信号完全抵消，只剩下交调分量。交调分量经误差放大器放大后与延时线 TD2延时的主功放输出信号在叠加器中叠加，抵消主功放的交调干扰，从而得到线性的放大信号。

图1 前馈线性化技术原理

图1中：VA=VinG+Verr

3 自适应控制的数学模型

信号抵消即是将两路频率相同、幅度相等、相位相反的信号相加，从而得到零输出的效果。前馈式线性功放就是利用交调信号的抵消达到线性输出的技术[2]。但是，实际的通讯系统中，工作频带比较宽，对消环路的幅值和相位因为温度、频率、功率甚至湿度发生变化使得信号抵消达不到理想的效果。实际的信号抵消可表示成信号的矢量加法。图2示意两个矢量a和b相加的情况，参考信号幅度A，另一路信号幅度B，两者相位差1800+φ，合成矢量幅度Y，则：

图2 矢量信号合成示意图

(1)式同时适用于描述主环和误差环信号对消时的数学模型，在主环和误差环中实现理想的载频或交调对消就是使 Y2的值最小，这是一个典型的多变量非线性规划问题[3]。

此时有约束条件：A2+B2≥2ABcosφ

对于以上非线性规划的解为：A=B，而且φ=NΠ（N为整数），存在一系列的极值点；在实际的应用系统中，由于采样和控制的精度有限而不能搜索到理想的极值点而往往根据实际系统的需要确定满足系统需要的门限值。

多变量函数的非线性规划问题，可以归结为求解单变量函数的最优值问题。若使φ固定不变，设 cosφ=K，(1)式即为：

同样，若固定 B不变，设 A2+B2=K1；2AB=K2；可以得到下式：

根据(2)、(3)式可以得到以下结论：

1) 当保持待对消的两路信号的相位不变，调整另一路信号的幅度时，存在一个唯一使两路信号对消效果最好的情况下的幅度值，即函数(2)的极值。

2) 当保持待对消的两路信号的幅度不变，在一定的范围内（如1/4Π）调整两路信号的相位差，存在一个唯一使两路信号对消效果最好的情况下的幅度值，即函数(3)的极值。

因此，对主环和误差环的自适应控制过程就是分别对式(2)、(3)的求极值过程；(2)、(3)为单变量多项式，可以使用“近似法”求其极值。

4 控制单元组成

从以上的数学分析可知，调整一路信号的幅度及相位到达最优值，可以实现信号对消。为了保证在搜索过程中不出现多个局部极值点的情况，需要确定搜索调整的顺序，应该先进行相位调整的寻优再进行幅度调整的寻优。当幅度一定时，改变一路信号的相位与另一路信号进行合成，在此情况下，对消的极值点只有一个，即两路信号相位相差180°时，无论这路信号相位初始值是多少，在对消最小点与最大点中相位值与对消后功率值之间是一单调的函数，所以可以较容易的搜索到最佳点；当相位调整最佳后，固定相位值，进行幅度的调整，在系统设计中已经对环路的增益进行分配设计，保证了两路信号在对消点处幅度相差不会太大，同时为了保证系统的增益，对主环的幅度调整不会大，在相位调整好的基础上，再对幅度进行寻优，而且此时最佳点也只有一个。

为了避免出现其它局部极值点的情况，将一个二维的寻优过程简化为一前一后两个一维的寻优过程。

图3 主环数字控制组成图

图4 误差环数字控制组成图

本文中的控制系统核心由一个 DSP完成控制任务，对消点的模拟量转化为一个数字量后进入DSP后，由程序完成控制算法，输出数字量的幅度和相位，对放大器进行控制。图3和图4分别是主环和误差环的控制原理图[4]。

5 自适应控制算法

以上介绍控制单元硬件组成，自适应算法是在DSP的软件中实现。图5是主环和误差环的控制算法和流程图。其中，PD1是载波的对消结果，PD1min是载波对消的阈值，在软件判断抵消效果好于此阈值时，可以认为对消效果已接近理想，此时输出固定的相位和幅度，不再调整和搜索。PC1、GC1分别是主环需要调整的相位和幅度。PD5是交调对消结果，PD5min是交调对消的阈值，PC5、GC5分别是误差环需要调整的相位和幅度。