一、前言
在无线通信系统中,高线性度至关重要。一旦线性度不足,便会引发信号失真问题。失真信号若落在带内,会对已调制信号形成干扰,致使已调制矢量信号的幅度和相位出现偏差,进而造成频谱扩展,干扰邻道信号,最终导致误码率恶化;若失真信号落在带外频段,则会干扰其他频段的正常信号传输。
功率放大器作为射频系统中主要的非线性来源,改善其非线性特性对于提升无线通信系统的性能意义重大。在放大器的输出端,存在由输入信号产生的各次谐波,以及因输入信号频率间的和差所引发的交调信号失真。其中,谐波失真可借助常用的滤波器予以滤除,而对系统非线性影响较大的主要是集中在载波中心频率附近的三阶交调失真。
三阶交调失真(IMD3)通常用 (2f2 - f1) 和 (2f1 - f2) 的参数大小来直观衡量功率放大器的线性度优劣。
1. 输出功率回退法(Output Power Back-Off)
原理 :通过降低功放输出功率,使其工作在线性区域,减少非线性失真。
优点 :实现简单,成本低。
缺点 :
效率显著降低(回退时电源利用率可能不足10%);
牺牲输出功率,无法满足高功率场景需求。
2. 前馈法(FeedForward,FF)
原理 :通过提取功放的非线性失真信号,经辅助放大器放大后与原信号抵消。
优点 :
校准精度高,适合宽带信号;
稳定性优于负反馈技术。
缺点 :
成本高(需额外辅助放大器且需严格匹配);
前馈结构复杂,理论上能完全抑制失真信号。
3. 预失真法(PreDistortion)
原理 :在功放前级引入与功放非线性特性相反的预失真模块,补偿失真。
分类 :
模拟预失真 :硬件实现简单,但适应性差;
数字预失真(DPD) :基于算法动态调整,支持宽带信号,需复杂数字处理。
优点 :
效率较高(功放可工作在近饱和区);
适合高频、大带宽场景(如5G)。
缺点 :
算法复杂度高,需实时更新;
对功放记忆效应敏感。
前馈功率放大器作为现代无线通信系统的核心组件,通过独特的线性化技术解决了传统放大器在高功率输出时的非线性失真问题。其核心优势在于能在不显著牺牲效率的前提下,大幅提升信号线性度,尤其适用于多载波通信、卫星通信等高要求场景。
信号抵消环:输入信号通过耦合器进行分路,上支路的信号经误差功放放大后,一部分耦合至下支路。下支路的信号经过矢量调制,再通过延时线送入耦合器。两路信号在耦合器中以等幅反向的方式进行减法运算,从而抵消主信号,成功提取交调信号。
误差抵消环:上支路的主信号经延时线进入输出耦合器;下支路的交调信号经过矢量调制后,送入误差功放进行放大,随后也进入输出耦合器。两路信号在输出耦合器中同样以等幅反向的形式进行减法运算,抵消交调信号,进而改善系统的线性度。
前馈关键参数分析
幅度匹配的影响
C定义为环路的抑制参数,C越小对信号的抑制效果越好;
α定义为幅度失配系数,│α│越接近1,两支路信号幅度越接近;
θerr定义为两支路的相位差。
作用原理 :前馈系统中,主信号与误差信号需在幅度上精确匹配才能实现有效抵消。若幅度不匹配(如主信号衰减不足或误差信号放大不足),会导致残留失真分量无法完全消除。
具体表现 :幅度误差会直接影响误差信号的抵消效率。例如,主信号比误差信号幅度大时,残留的互调失真(如三阶交调系数IMD3)将显著增加。
增益不平坦度不超过0.5dB
优化措施 :通过矢量调制器或衰减器动态调整幅度,确保主信号与误差信号的幅度差在允许范围内。
相位匹配的影响
作用原理 :主信号和误差信号的相位需保持反向(180°相位差)才能实现最大抵消效果。相位偏差会导致抵消不完全,甚至增强部分失真分量。
具体表现 :相位误差会导致误差信号与主信号失真相位的偏离,降低邻道功率比(ACPR)的改善效果。例如,相位误差每增加1°,抵消效率可能下降约0.5 dB。
相位不平坦度不超过1°
优化措施 :采用移相器或自适应相位补偿技术(如导频信号法)实时校准相位偏差。
延时匹配的影响
作用原理 :主信号路径和误差信号路径的传输延时需严格一致,否则信号在时域上无法对齐,导致抵消失效。
具体表现 :延时误差会引起信号时域错位,尤其在宽带系统中更为敏感。例如,延时偏差会导致高频分量抵消效果变差,加剧带外失真。
优化措施 :使用高精度延时线或数字信号处理(DSP)技术校准路径延时,确保时域同步。
实际调试
环路一调试
ü首先,在大信号情况下,将有源环路的开环线性调整至最佳状态,一般要求开环互调达到 - 40dBc 以下,这样可以减轻环路二的工作压力。
ü在小信号情况下,尽可能调平有源环路的增益平坦度,并使时延尽可能接近理想值。
ü无源环路 1 的增益平坦度和时延应与有源环路 1 的增益平坦度及时延尽可能相同。若无法完全相同,也要保证增益和时延的变化趋势一致,如此才能实现环路 1 的最佳对消效果。
环路二调试
ü在小信号情况下,将有源环路 2 的增益平坦度尽可能调到最平,一般要求平坦度≤0.5dB,同时使时延尽可能接近,一般时延相差不超过 0.5ns。
ü无源环路 2 的增益平坦度也要尽可能调平,一般要求≤0.3dB,在所关心的频段内,时延也要尽可能接近,一般≤0.5ns。
ü无源环路的输入驻波要控制在 - 15dB 以下。可通过在带路上使用电容和电感进行调试,但需注意外加的匹配电路不能对主信号的功率损耗产生影响。