W-CDMA模擬預失真功率放大器設計
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隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，各種用于射頻功率放大器的線性化技術(shù)被進一步研究和應用。尤其是窄帶CDMA和第三代移動通信等技術(shù)的發(fā)展，對功放的線性度提出了更高的要求。在W-CDMA等無線通信系統(tǒng)中，如果采用一般的高功率放大器，由于功率放大器的交調(diào)失真，將會出現(xiàn)頻譜再生效應，從而干擾相鄰信道，甚至產(chǎn)生誤碼。因而，功率放大器的線性化技術(shù)越來越受到關注。目前常用的三種技術(shù)分別是：前饋技術(shù)(Feedforward)、反饋技術(shù)(Feedback)和預失真技術(shù)(Pre-Distortion)。
在這些線性化技術(shù)中，前饋法可以得到很高的線性度，但結(jié)構(gòu)復雜而且昂貴。反饋法有其致命的缺陷，如不穩(wěn)定，帶寬有限。預失真技術(shù)中，基帶信號中預失真系統(tǒng)需要正確對比源信號和反饋信號，對環(huán)路延時補償有很高的要求，同時系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較復雜；而模擬預失真技術(shù)有其結(jié)構(gòu)簡單，成本低，線性度較好等優(yōu)點，因而已成為中小功率放大器進行線性化的理想技術(shù)。
針對W-CDMA直放站下行鏈路的線性度要求，利用預失真技術(shù)設計了一個平均發(fā)射功率為41 dBm的功率放大器。該設計采用一對反向并聯(lián)的二極管產(chǎn)生非線性失真分量，并利用這個非線性分量補償功放的非線性失真。
1 放大器的非線性
如圖1所示，理想線性放大器的輸入和輸出關系可以表示為Vout=K1Vin，其中K1為放大倍數(shù)。但是作為半導體器件，當功率放大器的輸入信號較大時，管子出現(xiàn)飽和現(xiàn)象，于是導致了輸出信號壓縮，產(chǎn)生高次諧波，引起失真。所以輸出應該包括平方律項和三次項等高次分量，它的輸出可以用冪級數(shù)式(1)表述：
從式(2)可以看出，由于系統(tǒng)的非線性特性，在輸出信號中，除了有輸入信號的頻率外，還會出現(xiàn)新的直流分量和如同2ωi，3ωi，…等的諧波分量。如果輸入的信號為雙頻信號Vin=A1cos(ω1t)+A2cos(ω2t)，通過同樣的分析可以發(fā)現(xiàn)，最終輸出口的成分由支流成分、基波ω1和ω2、二次和三次諧波2ω1，2ω2及3ω1，3ω2、二階互調(diào)分量ω1±ω2、三階互調(diào)分量2ω1±ω2及ω1±2ω2等分量組成。一般情況下，僅2ω1-ω2和2ω2-ω1落在通帶內(nèi)。雙音三階互調(diào)是非線性中三次方項產(chǎn)生的，由于落在帶內(nèi)，故主要考慮的是非線性產(chǎn)物。這些非線性產(chǎn)物都會干擾載波信號，造成交調(diào)失真、諧波失真等非線性失真。當多載波輸入時，影響較嚴重的是三階交調(diào)失真。
2 模擬預失真原理
從原理上看，預失真線性化技術(shù)是改進線性特性的一項最簡單的技術(shù)，其原理如圖2所示，即在RF放大器的前面加入預失真器，預失真器的特性與RF放大器的特性精確匹配，當信號經(jīng)過預失真器和RF放大器組成的級聯(lián)系統(tǒng)時。由于預失真器與RF放大器的特性相互補償效果，使得輸出信號為完全無失真信號，從而達到線性化目的。這種補償原理如圖3所示，圖3(a)與圖3(b)曲線互相補償，得到圖3(c)完全無失真的輸出信號。
3 模擬預失真的實現(xiàn)
W-CDMA直放站下行鏈路要求實現(xiàn)41 dBm的功率輸出，IM3和IM5均小于-50 dB，故設計如下電路以滿足上述要求，整個設計如圖4所示。
由圖4可以看到，該方案采用的是一種雙環(huán)結(jié)構(gòu)。第一個環(huán)路由功分器將輸入信號分成兩路，一路經(jīng)延遲器延遲；另一路經(jīng)預失真發(fā)生器失真、衰減、再移相后，與延遲信號耦合，形成預失真信號產(chǎn)生部分的環(huán)路。第二個環(huán)路則是將預失真環(huán)路生成的信號再進行衰減，移相后與功放輸入的延遲信號耦合，形成整個功率放大器部分。這種結(jié)構(gòu)有效地減小了所需主信號受環(huán)路的影響，而失真部分又能夠得到充分的補償。同時，該電路在實際調(diào)試中比較容易調(diào)節(jié)，是一種實用性很好的電路結(jié)構(gòu)。
由于二極管是一種非線性半導體器件，對于一個輸入余弦信號，二極管的輸出是包含了非線性失真分量的余弦信號。所以，非線性發(fā)生器部分的設計采用反向并聯(lián)的二極管來實現(xiàn)。實現(xiàn)電路如圖5所示。
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