SDH微波功放三阶交调消除电路研究

 

陶乃勇　傅海阳

 

【摘要】本文在讨论微波功放三阶交调失真和传统非线性畸变消除电路原理的基础上，经数学推导给出带有ATPC的SDH微波高功放电路消除三阶交调失真的原理，并给出实现框图。

关键词：SDH；ATPC；三阶交调；预畸变；高功放
一、引　言　　

在大容量SDH数字微波传输系统中，为提高频带利用率，通常采用多电平正交调制技术（如64QAM，128QAM，512QAM等）。这些技术的应用对传输信道特别是高功率放大器（HPA）的非线性提出了严格的要求。为改善HPA的非线性，常用的方法有：功率回退、功率合成、前馈法和预畸变法等。为简化抗非线性畸变电路的设计，一般只考虑HPA输出中三阶交调分量（IM₃）的消除问题。此时采用简单的预畸变电路就可达到消除IM₃的工程实用目的。以前的微波通信系统，一般采用恒定输出功率的HPA，它的三阶交调输出恒定，预畸变器只需在系统安装时做一次调整，就可消除IM₃的影响。但新型SDH数字微波通信系统中一般都采用自适应发信功率控制（ATPC）电路，ATPC技术具有减少邻波道干扰，降低HPA的功耗，减少非线性影响等优点。但是采用ATPC技术时，HPA的输出功率随微波传播损耗而变，因此HPA的三阶交调输出也会变化，传统的预畸变法就不能保证消除三阶交调。本文将给出带有ATPC的高功放三阶交调消除电路的工作原理和实现框图，该电路具有结构简单，易于实现的优点。

　　功率放大器输出信号S_o（t）和输入信号S_i（t）的非线性可以用下述幂级数表示：

 

 

从上述非线性关系式中可以看出，当功放具有非线性影响时，S_o（t）中将含有S_i（t）的高次幂项。微波功放在实际使用中一般总是工作在功率回退状态，此时非线性的影响较小，可以取式（1）的前三项近似分析功放非线性的影响，有

 

从上式可以看出在正弦信号的激励下，非线性放大器的输出中包含一些新的频率分量。除了基波信号及它们的各次谐波以外，其它新的频率信号统称为非线性交调产物。其中（2ω₁－ω₂）和（2ω₂－ω₁）称为三阶交调。在ω₁≈ω₂时，三阶交调的频率接近信号频率。由于功放输出滤波器的作用，各次谐波和大多数交调产物都将被滤除，通常只考虑S_o（t）中的基波和三阶交调项，后一项代表功放非线性的影响。此时，有 

 

式中a₁、a₃一般均为复数，其中首项部分的系数a₁′=a₁A+9/4a₃A³ 表示基波的放大系数。由于功放非线性的影响，a₁′＜a₁，使功放增益被压缩。三阶交调是一种非线性干扰噪声，会使系统的性能恶化。在实用微波功放电路中，一般都增加三阶交调消除电路用于消除它的影响。在日本NEC、富士通公司生产的SDH微波通信设备中也是这样处理的。下面以NEC公司带ATPC的微波功放电路为例，给出三阶交调消除电路的工作原理。

加有ATPC、自动电平控制（ALC）和三阶交调消除电路的微波功放电路见图1。图中H₁、H₂为分路器，输出的两路信号有90°相位差，H₃、H₄为合路器。预畸变器一般用二极管构成，利用二极管电流和电压间的非线性特性产生三阶交调分量。控制二极管的直流工作点可改变输出三阶交调分量的值，即式（4）中a₃的值。经H₂移相90°的输出再经移相器1移相90°，使到达H₃的两路信号相位相反，移相器也可看作是信号经预畸变器产生时延的补偿电路。衰减器用于改变信号幅度，使其与预畸变器输出的信号幅度相等。进入H₃的两路信号幅度相等，相位相反，使H₃输出的信号幅度为零。H₃具有减法器的作用，它的输出只是三阶交调分量，准备用于抵消由微波高功放（HPA）产生的三阶交调分量。显然这是一种利用预畸变电路消除三阶交调分量的HPA非线性校正电路。

 

 

H₃后接放大系数为α的衰减放大器（ATT AMP₁），使H₃输出的预失真三阶交调分量幅度可变，用于跟踪工作在不同输出功率时由HPA产生的三阶交调分量的幅度变化。H₄的两路输入相差180°，使得预失真三阶交调分量和输入信号经HPA产生的三阶交调分量相位相反，幅度相等，可以相互抵消。放大系数为β的ATT AMP₂用于控制HPA的输出电平，一般由二极管构成的增益衰耗电路和多级场效应管放大器组成。HPA一般由两级放大系数固定的高电平场效应管放大器构成。图中的二极管D用于从HPA输出中偶合微量信号用于自动电平控制ALC）的输入信号。ALC电路用于稳定HPA的输出电平，ATPC信号用于改变HPA的输出电平。

下面利用式（4）讨论有ATPC时，HPA三阶交调消除电路中的参数控制关系。由式（4）可以给出H₃输出的三阶交调分量：IM_H3＝3

　　

 

其中a_{1 H}为HPA的线性放大系数，a_{3 H}由HPA的非线性特性决定。虽然a_{3 D}、a_{3 H}等参数均为复数，但是若在移相器调整正确的情况下，可以把它们作为实数处理。HPA和预畸变器一般都工作在轻微非线性区，可控制预畸变器工作点，使a_{3 D}≈a_{3 H}，且有a₃D<<1。式（7）中的第一项由预畸变信号产

由于HPA的a_{1 H}固定，上式确定了α、β间的调整关系。β由ATPC送入的控制信号确定，因此利用AT－PC控制信号可以确定α的值，进而控制进入HPA的三阶交调预失真分量的大小，用于抵消HPA工作在不同输出功率时所产生的三阶交调分量。
　　根据上述推导过程可以给出HPA三阶交调消除电路可变参数的调整方法。在图1中已标出从ALC电路输出的三路自动控制信号分别用于预畸变器和衰减器以及两个衰减放大器的控制。两个移相器可在电路调整时预先设定。经分析研究，日本NEC、富士通公司生产的SDH微波通信设备的非线性消除电路与图1给出的电路结构基本相同。

五、结束语　　
　　加有ATPC能消除三阶交调失真的线性SDH微波高功率放大器的实现是一个新课题，包括一些复杂的技术问题，尚未见相关文献报道，许多方面有待进一步深入研究。本文对微波高功放三阶交调非线性补偿问题进行了数学推导，并给出了实现框图，对实际电路的设计具有一定的参考价值。

［1］　NEC．Training Manual［M］．ROI－DE6062－051ENECJapan，1996．
［2］　陈如明．大容量数字微波传输系统工程［M］．北京：人民邮电出版社，1998．
［3］　姚彦，梅顺良，高葆新．数字微波中继通信工程［M］．北京：人民邮电出版社，1990．