陈贵强 甘体国
(中国电子科技集团公司第十研究所 成都 610036)
【摘要】本文介绍了放大器线性特性的描述方法，常用的几种功放线性化技术的
原理、优缺点及国内外线性化技术状况。着重介绍了自适应线性化技术。 关键词：功率放大器，线性化技术，自适应技术
1. 前言
微波功率放大器在广播、电视、以及无线通信系统中有越来越重要的应用，
在这些应用中它通常被用作发射机的末级，而末级是电子设备功耗的主要部分，也是成本最高的部分。B类或C类放大器效率较高，但有严重的非线性特性。QPSK或QAM等线性调制技术频谱利用率高，但其起伏的包络信号通过非线性功率放大器将产生失真，即所谓的AM－AM和AM－PM变换。多路信号通过非线性放大器将产生交调，交调产物的大部分表现为对邻近频道的干扰（ACPI），无法用滤波器滤出，不能满足发射机频谱特性指标。在多载波传输系统中（如MMDS），通常将多路载波分别线性放大后用频率复用器合成一路送到天线。高功率频率复用器不仅消耗功率，而且技术难度大，成本高。采用超线性功率放大器可同时放大多路信号而使交调限制在允许范围内。
功率放大器的线性化技术是使放大器输出功率和效率最高的同时具有线性特性，常用的有[1] [2]前馈法（feedforward）、反馈法（feedback）、预失真法（predistortion）、用非线性部件实现线性化（LINC）等。数字信号处理技术（DSP）的飞速发展为线性化技术提供了有效手段，出现了自适应线性化技术。
具有自适应补偿控制的前馈放大器能获得超线性特性，但是，由于这种方法需要辅助放大器而使设备复杂、价格高、效率低。反馈法包括射频反馈法和包络反馈法，设备简单，但频带窄且难以获得高的线性特性。LINC法将输入信号变成两个恒包络信号，由两个C类放大器放大，然后合成。这种方法效率高，但实
现信号分离复杂，要求两个放大器一致性好且合成效率高。自适应预失真法在功放前插入非线性元件（预失真器），能自动修正输入信号，使功放输出具有线性特性，能补偿由于温度、电源变化、晶体管老化等产生的功放特性变化。由于预失真器接在末级功放之前，对高功放输出功率影响小。
2. 微波功率放大器线性特性的描述方法
在微波功率放大器的诸多技术参数中，有两个是非常重要的，一个是输出功率，另一个是非线性失真特性。
一个理想的线性功放，其输入输出响应应呈现线性关系，即输出应该是输入的线性函数，实际的功放则偏离了此线性特征，呈现一种非线性关系，这就是非线性失真。非线性失真有不同的描述方法。常用的有（1）1分贝压缩点（P1dB）（2）三阶交调系数（IP3）（3）调幅－调相（AM－PM）转换以及调幅—调幅（AM－AM）转换等。这些指标可以根据需要单独或同时描述微波功放的非线性失真特性。
(1)1分贝压缩点
在功放输入输出特性的饱和点附近,当信号功率增益下降1分贝所对应的输出功率称1分贝压缩点功率P1dB。当输出功率超过该点放大器将迅速进入饱和工作区。
（2） 三阶交调系数
交调失真是具有不同频率的两个或多个输入信号经过功率放大器所产生的混合分量，它也是由于功率放大器的非线性造成的。功率放大器的非线性越强，交调分量就越大。假设在放大器工作频带内输入两个频率为f1和f2的信号，由于放大器的非线性，输出信号中除了这两个输入信号频率外，还有它们的谐波及谐波之间的差频，mf1，nf2，mf1nf2，等等，其中频率为2f1－f2或2f2－f1的分量与基波f1或f2分量之比称三阶交调系数IP3。由于在各阶次的交调分量中三阶交调分量的频率与基波信号的频率非常接近，不可能把它从信道中直接滤除，三阶交调分量就成为主要的干扰信号。因此，三阶交调系数就成为度量微波
功率放大器非线性的一项重要指标。
(3）AM--PM转换及AM--AM转换定义及性质。
对单载波而言，由于传输信道的非线性，使信道增益压缩，产生谐波，谐波的幅度和相位与输入信号的幅度有关，使放大器增益与输入信号幅度有关，从而使输出信号的相位和幅度随输入信号的幅度变化，AM－PM定义为输出信号的相位变化与输入信号的幅度变化之比。AM－AM定义为输出信号的幅度变化与输入信号的幅度变化之比。AM--PM是增益压缩的直接表现,增益压缩的越厉害, AM--PM效应就越强,电路进入饱和区后, AM--PM效应将非常严重。
3. 改善放大器线性特性的常用方法
目前常用的改善功率放大器线性的方法主要有以下几种: 1.功率回退法
当功率放大器的输入功率减少1dB时，三阶交调系数将改善2dB，这种用减少输出功率的方法来改善功率放大器线性的方法称为功率回退法。它是改善功放线性的一种常用的有效方法。其优点是简单易于实现，缺点是降低了功放的功率，不能充分利用功放容量，增加了放大器成本。 2．反馈法
输入
倒相 功放 图1 反馈法原理框图
输出
原理如图1所示，这是一种直接反馈方法。它是利用放大器输出的非线性失真信号，通过倒相等网络反馈至输入端，从而抵消放大器自身的一部分非线性。该方法所面临的最大难点在于如何保证反馈网络输出信号在足够宽的频带内与功放的输入信号反相。
3． 前馈法
由于宽带通信的迅猛发展,前馈法受到越来越多的关注[3]。其基本原理框图
如图2所示。
耦合器 Ko 主放大器 耦合器 K1 移相器 m G, amp 合成器 K2 衰减器 Ao 移相器 o 合成器 衰减器 A1 移相器 1 辅助放大器 Ga, aux 图2 前馈线性化原理框图
它包含两个环路：围绕主放大器的主环路用于抵消信号，而围绕辅助放大器的辅助环路用于抵消失真，这就保证了最终输出信号的高线性。
在此方法中，输入信号被同时输入到功率放大器和非线性发生器中，两路非线性失真信号在输出端刚好抵消，但同时基波信号也将损失一部分。与负反馈法类似，前馈法的难点在于如何在较宽频带内使功放和非线性发生器所产生的非线性失真信号恰好抵消。 4. 预失真法
预失真法由于电路比较简单且可以作为独立元件附加在现有的放大器中而得到广泛的应用。其基本原理框图如图3所示。
输入 预失真级 非线性功放 耦合器
自适应调整参数产生
图3 预失真线性功放结构与框图
输出 预失真级产生一个非线性失真信号，并输入功率放大器，以抵消功率放大器所产生的非线性失真。预失真可以在微波波段和中频频段实现，也可以在基带实现。中频预失真电路则存在调整比较方便，并且可以把上变频器和功率放大器的非线性失真信号一同抵消掉的优点，因此应用比较广泛。 5. 自适应线性化法
前几种线性化措施都存在一些缺陷，如功率回退法降低了功放的利用效率，前馈及预失真法对于由于环境及元器件老化引起的非线性漂移无能为力，而自适应法能够自动适应这些变化，可以看成是将反馈加到预失真法的校正网络中的一种直接反馈方法。
在预失真网络中的非线性函数可以用幂级数表示为： V=K1Vin+K2Vin2+K3Vin3+……
上式的项数与C/I 有关，Vin2， Vin3 可用双平衡混频器产生，K1,K2,K3….可用计算机进行控制。由于此法并不修正信号包络，因此没有频率响应限制，所以此线性化方法对于系统特性的渐变特性反应迟缓。
4. 自适应预失真法线性化原理
预失真线性化法就是在功放前加入预失真器使输入功放的非线性特性（AM－AM和AM－PM）与功放的非线性特性正好相反，抵消放大器的非线性，使放大器呈线性特性。根据预失真对象（信号）可以分为基带预失真[4]、中频预失真[5]和射频预失真[6]。
基带预失真的调整是在基带上实现的，它是利用复数增益调整器来调整输入信号的幅度和相位，其调整量由工作函数表中功放的AM－AM和AM－PM非线性控制。这个工作函数表的输入量是经过时延的输入信号，输出量是输出信号减去输入信号（即失真量）。自适应的过程就是借助DSP不断调整工作函数表中的值使失真量最小。
中频预失真的调整是在中频上实现的，基带信号在中频上完成调制，经上变频输出已调射频信号，将已调中频信号的包络作为工作函数表的输入量和功放输出信号的参考标准。耦合器对功放输出取样，经带通滤波器得到需要抑制的边带信号（邻频道干扰），检波输出与未失真的参考标准比较得到失真量。这种方法可以同时补偿上变频器引入的非线性。
射频预失真的调整相应的在射频上完成，其实现的原理框图如图1所示。预失真器的两个复数增益调整器分别按工作函数的输出调整幅度和相位。输入信号
的包络作为工作函数的输入量，反馈通路用边带带通滤波器对需要抑制的频谱（邻道频率）取样，并借助DSP调整工作函数的输出参数使不需要的信号最小。
图1射频预失真原理框图
5. 自适应预失真工作函数的产生方法
自适应线性化技术中，核心问题是如何得到和自动调整工作函数的参数。自80年代中期以来，出现了多种方法，如查表法（Look-Up Table-简写为LUT ）、多项式法和神经网络法等。
查表法是一种简单而有效的技术[7]，其基本原理是，将适当的预失真值储存在表格中，以输入信号的大小作为地址，借助DSP使用迭代算法自动更新LUT中的内容。在查表法中，有复数矢量保角变换（Complex vector mapping）、极坐标查表（Polar look up）和直角坐标查表（Rectangular look up）。复数矢量保角变换法中，误差矢量储存在表格中，采用内插法连续计算三维功率表面的梯度。这些功率表面是输入信号与输出信号之间的差（即误差信号），当误差信号被完全抑制时，失真信号功率最小。可用线性收敛法或牛顿法求梯度。
复数增益查表法可以用直角坐标查找表和极坐标查找表。表的查找地址可以是输入信号的幅度，也可以是输入信号的功率。因小信号检波器是平方律特性，其输出可以直接使用。但是，幅值较小时，其平方很小，致使表格集中在放大器的饱和区域。利用幅值则使更多的点集中在放大器特性的转折区，不过需进行开方运算。文献[8]建议使用Companding函数得到最佳的表格排列。其目的是使表格非等间距分布，在强烈的非线性区表格更密。但是，很难找到这种函数，即使找到了，其硬件实现也很困难。文献[9]引入虚拟LUT和真实LUT概念，虚拟元2n，真实元2m，m 多项式法是把功放和预失真器的AM－AM与AM－PM特性用多项式幂级数表示，选择预失真器特性多项式的非线性系数使放大器输出的带外功率最小。 1995年首次提出将神经网络算法用于数字基带预失真[10]，应用多层感知来近似放大器响应的反函数。由于要求太多的参量使计算量太大，随后做了改进[11]。借助功放的近似非线性特性将复函数变为两个实函数，从而减少了计算量。当放大器的失真特性未知时，利用神经网络算法，直接从放大器的输出数据估计要求的预失真函数。 6. 线性功放的国内外状况 线性化技术是当今功率放大技术研究的一个热点，现已有大量的超线性功放产品问世。 美国线性器技术公司（Linearizer Technology Inc.）是线性放大器专业公司，产品从L,S,C,K到Ka波段均有不同功率的行波管及固态放大器产品，并可根据客户为已有放大器提供附加线性化器。美国Brovo Tecnh. 公司的TSLPA系列固态功率放大器模块输出功率50W，增益45～55dB可调，传输16信道时，交调指标可达－60dBc。 美国MPT公司推出矢量衰减器产品用于前馈法对消环路[8]。据称，这种矢量衰减器克服了PIN衰减器的群时延随衰减量而变。但是，它接在主通道中，将引入衰减。美国Stealth微波公司的SSB技术分部生产固态功放系列产品用于MMDS、GMS/AMP、PCS，以及本地环路和无线中继系统。采用预失真法改善线性。例如，P1dB为41dBm的S波段放大器改善后三阶交调点提高到60dBm。但未见超线性功放报道。 美国AMPLIDYNE公司是低噪声和高功放生产商，其代表产品AMP1960－100MC 用于1930～1990MHz宽带多载波传输，1个模块输出功率30W，用4个模块合成功率100W，多音交调－60dBc。 美国POWERWAVE技术公司是低噪声和高功放生产厂商，最近推出多载波功率放大器用于CDMA、PCS和无线蜂窝通信系统，频段有800、1800和1900MHz，输出功率50W～200W，其中200W功放由4个50W模块合成，三阶交调-70～-60dB。 加拿大AMPLI集团是低噪声放大器和功率放大器供应商，产品频率范围1GHz～30GHz。该集团1994年开始实施一项研制超线性功率放大器计划，由蒙特利尔大学和NSI Inc.合作，已完成L波段和K波段固态放大器，输出功率分别为50W和20W。 韩国电子学与通信研究所研制的超线性功率放大器，采用前馈法，频率1.855GHz，带宽30MHz，输出功率37dBm，第一个线性化环的对消优于40dB，交调产物对消优于35dB。 日本三菱公司信息技术研发中心采用微波预失真法改善场效应放大器的线性特性。利用场效应管源极接地时增益随功率增加而增加，相位则随功率增加而减小的特性，这正好与接近饱和输出的功率放大器相反，这种线性化器用于7GHz饱和输出功率50W的功放使动态范围改善2dB，增益回退3dB。 由于线性放大器在微波通信中有非常重要的应用，因此近年来有许多有实力的国内公司,如中兴、华为、大唐等已投入一定人力物力进行研发，但到目前为止研究成果并不能令人满意，与国外同类产品相比还有不小的差距.。大唐M2000系列SDH微波通信系统中采用了中频预畸变技术，但无交调指标。东南大学毫米波国家重点实验室研制成功460MHz超线性功放，输出功率10W，三阶交调－66dBc[12]。 7. 结束语 在由区域经济向全球经济发展的今天，大力发展电子信息产业，加快国民经济信息化已成为全民的共识。我国幅员辽阔，在信息化进程中作为传输媒质的微波起着举足轻重的作用。 随着经济发展和人民生活水平的提高，我国的广播、电视及无线通信等领域迅猛发展。1987年以来，我国移动通信运营业以年平均80—100的速度迅猛发展。广播电视是各种传播媒体中信息含量大、传播速度快和覆盖面广的现代化大众传媒。全球广播电视技术迅速发展，特别是由模拟向数字化技术的迅速演进已形成不可阻挡的世界潮流，加上卫星广播电视技术的日臻完善和国际标准数字压缩技术的普遍应用，标志着将从根本上实现电视与广播多节目（多频道）、多功能、高质量、高可靠性，卫星电视节目直播到户，支持广播话音、数据、数字SNG、视频和多媒体应用等多项业务的时代已经到来。有线电视频带宽、容量大、节目套数多、质量好，正逐渐成为城乡居民收视的重要方式，微波传输是其重要手段。现有模拟微波设备传输能力小，已不能适应有线电视发展需要，迫切需要进行微波数字化改造，模拟微波的数字化改造主要是收发信机的改造，从而对微波发射机线性特性提出了更高要求。 为了推动我国移动通信设备，特别是自主开发的移动通信设备制造业的发展，根据国务院和信息产业部制定的有关技术装备政策，决定加大在基础设施中使用国产设备的力度。但当今我国的通信市场上出现的线性功率放大器大部分依赖进口，且价格昂贵，尽管国内自己生产的线性功放在价格上有优势，但质量指标还不具备竞争力。因此尽快开发具有自主知识产权的功率放大器对于提高本国产品的竞争力、打破西方发达国家的市场垄断具有非常重要的现实意义，也具有广阔的市场前景。 【参考文献】 [1]Allen Katz, SSPA Linearization, Microwave Journal, April 1999, pp22～44 [2] 甘体国，《前馈超线性功率放大器可行性论证》，内部资料，2000年4月 [3]Song-Gee Kung,et al., \"Analysis and Design of Feedforward power Amplifier\1997 ,Vol. 3, pp1519～1522 [4]S.P.Stepleton, Amplifier linearization using adaptive digital predistortion, Applied Microwave & Wireless,Feb.2001,pp73-77 [5]S.P.Stapleton,et al.,A new technique for adaptation of linearizing predistorters, Proc. 41st IEEE Veh. Technol. Conferenc,1991,p753-757 [6]S.S.Stapleton, Amplifier linearization using adaptive RF predistortion, Applied Microwave & Wireless,Jan.2002,pp40-46 [7]Y.Seto,et al.,An adaptive predistortion method for linear power amplifiers’ Proc. 50th IEEE Veh. Technol. Conferenc,2000,pp1889-1893 [8]J.K.Cavers, Optimum table spacing in predistorring amplifier linearizers, IEEE Trans. On Veh. Technol.,vol.48,No.5,pp1690-1705 [9]A flexible method of LUT indexing in digital predistortion linearization of RF power amplifiers, Proc. 51st IEEE Veh. Technol. Conferenc,2001,pp53-56 [10]B.E.Watkins,et al.,Neural network based adaptive predistortion for the linearization of nonlinear RF amplifiers,MILCOM-95,pp145-149 [11]B.Ewatkins,et al.,Presistortion of nonlinear amplifiers using neural network, Proc. 46th IEEE Veh. Technol. Conferenc,1996,pp317-320 [12]Lianyi Zhu, et al.,Design of an Ultralinear Wideband Feedforward Amplifier Using EDA Tools, Microwave Journal,July 2002 因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容