WCDMA功放预失真发生器的研究

摘要:针对宽带码分多址(WCDMA)功放的非线性失真问题,本文提出了一种简单有效的解决方案,即通过预失真发生器对幅度-幅度(AM-AM)及幅度- 相位(AM-PM)曲线进行调整,以补偿功放的非线性失真。这种方案主要是通过利用二极管的非线性特性设计出的预失真发生器来实现的。实验证明,将预失真发生器与WCDMA功放配合使用,能将功放的邻道功率泄漏比(ACPR)改善5dB。

关键词:线性功放;预失真;二极管;幅度- 幅度转换;幅度- 相位转换;邻道功率泄漏比

随着无线通信技术的发展,非恒包罗调制技术得到了广泛运用,这使得信号的峰均比( PAR)进一步提高,如在宽带码分多址(WCDMA)系统中,峰均比可以达到10dB。这就对射频功率放大器的线性度提出了很高的要求。为了满足功放线性度的指标,简单而有效的做法是采用功率回退技术(Back Off) ,然而采用回退法带来的一个问题是功放的效率低下。线性化技术,从本质上讲,就是采取控制措施(或者称其为补偿措施)来控制功率放大器的幅度- 幅度(AM-AM)转换和幅度- 相位(AM-PM)转换特性,此种技术能帮助我们很好地解决效率和线性的矛盾。

迄今,已经研究出多种线性化技术,其中被广泛运用的有前馈(Feed-forward)和预失真(Pre-distortion)技术。由于前馈法设备成本高,技术实现难度大,因此,预失真技术就成为对中小功率放大器进行线性化的理想技术。通常这种技术可以使放大器得到宽的频带和宽的动态范围。

预失真技术目前主要分为基带预失真和射频预真两种基本类型。在基带信号预失真系统中,需要正确对比源信号和反馈信号,对环路延时补偿有很高的要求,同时系统结构比较复杂。射频预失真线性化技术具有电源效率较高、成本低等优点,是目前较有发展前途的一种技术。

1　两个物理现象
 
在功率放大器中,影响功放线性度的是两个物理现象,即功率放大器的AM-AM转换和AM-PM转换。其中AM-AM转换如图1所示。

图1 　AM-AM转换示意图

当功放的输入功率超过一定值时,功放的增益| S21 | 开始下降,增益开始下降的这个点叫做幅度转折点P_ in _0。这只是一个理论模型,实际的AM-AM 转换曲线要复杂一些,在大信号状态下,中间那段直线只是一条理想的直线,实际的情况是增益值在这条曲线的上下波动。AM-PM转换如图2 所示。当功放的输入功率增加时,功放的相移从开始的恒定值变成一个随输入功率变化的值,开始变化的这个点叫做相位转折点。

图2 　AM-PM转换示意图

这两个物理现象是造成功率放大器非线性现象发生的主要原因,它们对功放的影响各有不同的侧重点,其中,AM-AM转换相当于一个调幅信号加到理想的放大器上,因而AM-AM转换主要影响到功放的交调指标。在移动通信系统中,全球移动通信系统(GSM)功放主要是要克服这种效应所产生的非线性效应; AM-PM转换相当于一个调相信号加到理想的功放上,它主要影响功放的频谱再生指标邻道功率泄漏比(ACPR),因而对于码分多址/宽带码分多址/正交频分复用(CDMA/WCDMA/OFDM)调制的信号进行功率放大,主要是为了克服这种物理效应。对于多载波功放,这两个效应都要克服。

2　线性功放要达到的目标

线性功放的目标是利用控制手段使功放的AM-AM转换和AM-PM转换在功放的P_1 dB点内(或者是高于回退点一定的范围内,具体情况依赖于线性化技术的线性化程度) ,同理想功放非常接近,如图3、图4所示。

图3　线性化后功放的AM-AM曲线

图4　线性化后功放的AM-PM曲线

线性功放的控制一般采用预失真和误差抵消的方法。前者的典型代表为Andrew的基站功放, 采用的是预失真技术; 后者的典型代表为POWERWAVE的功放,采用的是自适应前馈法。

3　解决方案
 
　　3. 1　解决思路

　　针对上面的分析,我们认为,如果能预先使放大器的输入信号在幅度和相位方面产生预定的反失真去抵消放大器的非线性失真,就可以使功放具有理想功放的特性。

3. 2　原理分析

　　显然,预失真发生器的设计是关键。在这里,我们利用二极管的非线性特性来实现此功能。如图5所示。

图5　二极管的工作示意图

这里有一个受偏压控制的二极管,两个隔直电容, Rb为偏置电阻。二极管可以等效地看作是电阻Rd与电容Cj并联。电流Id和电压Vd有以下的关系:
Id=f(Vd) , (1)
Vd=Vcc-IdRb=Vcc-f (Vd)Rb。(2)
式中, Vcc是给二极管提供偏置电压的电压源。同时,根据二极管的I2V特性可以得到:

随着射频输入信号的加入,由于二极管具有检波特性,会产生检波电流Ir, 它将随着射频信号的增大而增大,故式(1) 、式(2)变为

由上式可知, Vd的值会随着Ir 的增大而减小,也就是随着射频输入信号的增大而减小。交流电阻Rd的值为

Rd与Vd是成反比的。我们根据图5的电路,可以得到该电路的S参数表达式为

S21的幅度特性和相位特性如下:

式(8) 、(9)告诉我们, R增大会给预失真发生器带来幅度上的增益和相位上的提前。在频率为2GHz、Z0为50Ω、Cj取1. 5 pF时,由Matlab计算得到R和幅度、相位的关系如图6、7所示。通过以上的理论分析可知,我们可以利用二极管的检波效应来改变射频输入信号的幅度和相位。

图6　电阻R 和幅度| S21 | 的关系

图7　电阻R 和相位∠S21 的关系

3. 3　电路设计
根据理论分析,我们设计了如图8所示的预失真发生器电路。

图8　预失真发生器电路

3dB电桥的4个端口分别接射频输入、射频输出以及两个二极管所在支路。需要被放大的射频信号首先从输入端进入3dB电桥和预失真发生电路产生的补偿信号进行叠加,然后再由射频输出端口输出到功放电路。合理地调整匹配电路和Vc的电压值,该电路就能产生我们所需的幅度和相位特性。当该电路产生的非线性量和功放本身的非线性量大小相等、极性相反时,就能改善整个系统的线性度。预失真发生器的实物如图9所示。

图9　预失真发生器实物图

3. 4　实验结果及分析
图10为放大器的AM-AM、AM-PM曲线。从图中可以看出,到了某个转折点后(即1dB压缩点) ,该放大器的幅度随着射频功率的增大而减小,同时相位也明显开始滞后。针对此放大器的幅度、相位特性,我们调整预失真发生器的参数,使之产生了如图11所示的非线性补偿。显然,该补偿量和放大器本身的非线性量是反向的。

图10　某AB类LDMOS放大管的幅度相位曲线

图11　预失真发生器产生的幅度和相位曲线

下面我们来看看预失真发生器在系统中的作用。由于预失真发生器可以用来对不同功率等级的功放进行功率补偿,我们的目的是改善末级功放的线性度,为了使预失真发生器能最大限度地弥补末级功放产生的非线性失真,我们在两者之间增加了一个增益可调放大器(VGA) ,如图12所示,调整其控制电压V,能够方便地实现预失真发生器与目标功放的非线性曲线之间的匹配,这样就提高了预失真发生器的实用性。

图12　预失真发生器在系统中的作用

我们用信号源E4438C和频谱仪E4445A进行了测试,信号频率为2140MHz,带宽为30MHz,所有结果都是在WCDMA信号模式下测得的(见表1) 。从表1可以看出,在相同ACPR的情况下,加入预失真发生器能使输出从29.3dBm提高到32.5dBm,提高了3个dB。同样,在相同的输出功率条件下,加入预失真发生器能将ACPR值改善5dB。
 

4　结　论

实验结果证明,基于二极管检波特性发展而来的预失真发生器能够有效地对放大器产生的AM-AM、AM-PM失真进行补偿。在本文提出的方案中,预失真补偿器电路结构简单,调整方便,易于实现。它充分显示了这一技术的优越性:效率高、稳定性好、系统调试方便,而且精度高,线性度改善效果显著。将预失真技术和自适应算法相结合,使功放具有自适应预失真线性化的功能,这将是未来功放发展的必然趋势,也是我们下一步的研究方向。