ET功放的自適應(yīng)時(shí)延估計(jì)算法研究

陳劍斌，楊 霖，袁 方

(1.南京電訊技術(shù)研究所，江蘇 南京210007；2.中國(guó)人民解放軍68202部隊(duì)，甘肅 天水 741000)

ET功放的自適應(yīng)時(shí)延估計(jì)算法研究

陳劍斌1，楊 霖1，袁 方2

(1.南京電訊技術(shù)研究所，江蘇 南京210007；2.中國(guó)人民解放軍68202部隊(duì)，甘肅 天水 741000)

為了保證包絡(luò)跟蹤(ET)功放的性能，需要實(shí)現(xiàn)射頻支路和包絡(luò)支路信號(hào)的嚴(yán)格同步。基于仿真分析恒定增益下功放輸入信號(hào)功率與漏極電壓間的關(guān)系，設(shè)計(jì)了一種基于時(shí)延失真方差的自適應(yīng)時(shí)延估計(jì)算法，并通過(guò)仿真驗(yàn)證分析了算法性能。仿真結(jié)果表明，通過(guò)設(shè)計(jì)合適的迭代時(shí)延向量，算法能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)ET功放支路時(shí)延差的準(zhǔn)確估計(jì)。

包絡(luò)跟蹤；時(shí)延估計(jì)；時(shí)延失真方差；迭代時(shí)延向量

0 引言

隨著當(dāng)前通信應(yīng)用對(duì)頻譜效率和通信速率需求的不斷提升，調(diào)制信號(hào)在愈見復(fù)雜的同時(shí)引入了越來(lái)越高的峰均比。為了實(shí)現(xiàn)這些高峰均比信號(hào)的線性放大，傳統(tǒng)功放一般采用回退方案，這大大降低了功放的整體效率[1]。為了解決上述問(wèn)題，文獻(xiàn)[2-4]從原理、結(jié)構(gòu)等不同角度提出了相應(yīng)的解決方案。其中，ET功放通過(guò)跟蹤輸入信號(hào)包絡(luò)來(lái)控制功放的供電電壓，可以在保證線性性能的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)高峰均比信號(hào)的高效放大[5]。

為了保證ET功放性能，需要實(shí)現(xiàn)射頻信號(hào)和包絡(luò)信號(hào)的嚴(yán)格同步[6-7]?；诖?，文獻(xiàn)[8]在理想功放模型下，提出了一種基于幅度協(xié)方差函數(shù)的支路時(shí)延估計(jì)方法。在此基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)[9]針對(duì)實(shí)際ET功放，通過(guò)采用預(yù)失真補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)了功放支路時(shí)延的調(diào)整。上述方案的實(shí)現(xiàn)需要引入相應(yīng)的外圍功率測(cè)量、比較功能電路，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度高。本文利用功放恒定增益條件下輸入功率與漏極電壓間具有的特定關(guān)系，結(jié)合文獻(xiàn)[9]的協(xié)方差函數(shù)思想設(shè)計(jì)了一種ET功放時(shí)延估計(jì)算法。該算法基于功放輸入、輸出信號(hào)的部分時(shí)間信息，首先在不同時(shí)延量下獲得對(duì)應(yīng)的功放輸出估計(jì)曲線簇。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)計(jì)算功放輸出估計(jì)曲線簇與實(shí)際輸出之間的誤差系數(shù)，最終獲得ET功放射頻信號(hào)和包絡(luò)信號(hào)的準(zhǔn)確時(shí)延差。

1 時(shí)延調(diào)整算法

ET功放的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，通過(guò)實(shí)時(shí)跟蹤輸入信號(hào)的幅度變化動(dòng)態(tài)調(diào)整RF功放的供電 ，ET功放能夠有效降低系統(tǒng)的耗散功率[10]。

功放輸出功率會(huì)隨供電電壓的變化而變化：在相同輸入信號(hào)下，所有的RF功放在供電電壓不足時(shí)輸出功率會(huì)下降；相反的，當(dāng)功放供電電壓高于所需值時(shí)，功放輸出功率會(huì)增加；另一方面，為了降低功放的AM-AM失真，ET功放一般通過(guò)設(shè)計(jì)包絡(luò)成形函數(shù)，以保證在輸出范圍內(nèi)具有恒定增益特性[6]。

圖1 ET功放系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 功放特性仿真

首先在ADS軟件中，針對(duì)MRF9045M功放模型，仿真得到功放的增益與輸入功率、漏極電壓的關(guān)系。仿真結(jié)果如圖2所示。

圖2 功放的增益-輸入功率-漏極電壓關(guān)系

圖2中，Z軸方向上的橫截曲線在X-Y平面的投影代表恒定增益下，輸入功率與漏極電壓的關(guān)系。當(dāng)設(shè)計(jì)功放的增益G確定后，功放輸入功率與漏極電壓關(guān)系滿足對(duì)應(yīng)曲線的定義。下面將根據(jù)這一原則，設(shè)計(jì)功放時(shí)延補(bǔ)償方案。

1.2 時(shí)延估計(jì)算法

算法流程如圖3所示，在獲取時(shí)間長(zhǎng)度為N的功放輸入信號(hào)I(t)、輸出信號(hào)O(t)后，算法首先根據(jù)當(dāng)前得到的輸入信號(hào)和圖2的仿真結(jié)果，產(chǎn)生理想的漏極調(diào)制電壓V(t)。通過(guò)采用時(shí)移量T對(duì)V(t)進(jìn)行時(shí)移，產(chǎn)生一組漏極電壓曲線簇。對(duì)于每一條電壓曲線對(duì)應(yīng)的增益估計(jì)曲線簇Gi(t)，在此基礎(chǔ)上可進(jìn)一步得到輸出估計(jì)曲線簇：

(1)

(2)

和時(shí)延失真方差：

0≤k≤N。

(3)

為了獲得更精確的時(shí)延估計(jì)，可以采用一個(gè)更小的時(shí)延量，然后重復(fù)上述時(shí)延估計(jì)過(guò)程。設(shè)迭代次數(shù)為L(zhǎng)，第l次迭代得到的最佳時(shí)延估計(jì)為Δtl，則算法得到ET功放輸入信號(hào)和漏極電壓時(shí)延為：

(4)

圖3 算法流程

2 算法仿真

結(jié)合仿真進(jìn)一步說(shuō)明時(shí)延估計(jì)算法的實(shí)現(xiàn)過(guò)程。系統(tǒng)實(shí)際的輸入、輸出信號(hào)電平如圖4所示。

輸出信號(hào)電平可以通過(guò)高精度檢波器和AD器件獲得。輸入信號(hào)可以直接在數(shù)字基帶系統(tǒng)中得到。需要注意，這里只需要獲取部分時(shí)間內(nèi)的信號(hào)即可，從而降低了時(shí)延調(diào)整算法的硬件實(shí)現(xiàn)難度。

信號(hào)包絡(luò)電平和功率值之間滿足關(guān)系：

P(t)=20·log(V(t))+33。

(6)

圖4 功放輸入、輸出信號(hào)電平

首先根據(jù)圖2和圖4可以得到理想漏極電壓曲線(Δt=0)及其對(duì)應(yīng)的時(shí)延曲線簇，如圖5所示，此處時(shí)移量T=10ns。

在此基礎(chǔ)上，再根據(jù)圖2和式(1)，可以得到輸出估計(jì)曲線簇，如圖6所示。

圖5 漏極電壓時(shí)延曲線簇

圖6 輸出電壓時(shí)延曲線簇

圖5和圖6中每條輸出曲線對(duì)應(yīng)的時(shí)延失真方差以及誤差系數(shù)仿真結(jié)果如圖7所示?？梢钥吹溅=2T時(shí)曲線具有最小的誤差系數(shù)，因此算法得到輸入信號(hào)與漏極電壓間的支路時(shí)延差估計(jì)值為20ns。

圖7 曲線簇對(duì)應(yīng)的失真方差

為了驗(yàn)證算法的性能，在Matlab中構(gòu)建如圖1所示的ET功放系統(tǒng)。系統(tǒng)中輸入信號(hào)和調(diào)制漏極電壓的支路時(shí)延差采用隨機(jī)生成的方法產(chǎn)生。根據(jù)前面分析，算法迭代過(guò)程決定了時(shí)延估計(jì)的精度。仿真中，設(shè)置迭代時(shí)延向量T分別為(20,10,5)、(20,10,5,3)和(20,10,5,3,1)。

算法時(shí)延估計(jì)的仿真結(jié)果如表1所示。看以看出，本文設(shè)計(jì)算法能夠準(zhǔn)確估計(jì)ET系統(tǒng)中輸入信號(hào)和漏極調(diào)整電壓的時(shí)延差。同時(shí)，迭代時(shí)延向量的時(shí)延量下限越小，最終的估計(jì)時(shí)延與實(shí)際時(shí)延之間的誤差也越小，但這也帶來(lái)了迭代次數(shù)的增加。因此，針對(duì)不同系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用需求，可以通過(guò)調(diào)整算法的迭代時(shí)延向量，獲得最佳的時(shí)延估計(jì)精度。

表1 時(shí)延估計(jì)結(jié)果 ns

3 結(jié)束語(yǔ)

ET功放在恒定增益特性條件下，其輸入功率與漏極電壓具有預(yù)先可測(cè)的關(guān)系,在此基礎(chǔ)上，通過(guò)獲取功放輸入、輸出的部分時(shí)間信號(hào)。本文設(shè)計(jì)了一種基于誤差系數(shù)的時(shí)延估計(jì)算法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)ET功放支路時(shí)延的精確估計(jì)。

[1] CRIPPS S C.Advanced Techniques in RF Power Amplifiers[M].MA:Artech House,2002.

[2] STENGEL B,EISENSTADT W R.LINC Power Amplifier Combiner Method Efficiency Optimization[J].IEEE Trans.Vehicular Tech.,2000,49(1):229-234.

[3] IWAMOTO M,WILLIAMS A,CHEN P,et al.An Extended Doterty Amplifier with High Efficiency over a Wide Power Range[J].IEEE Trans.Micro.Theroy & Tech.,2001,49(12):2 472-2 479.

[4] KIM B,KIM J,KIM D,et al.Push the Envelope:Design Concepts for Envelop-Tracking Power Amplifiers[J].IEEE Microwave Magazine,2013(14):68-81.

[5] MCCUNE E.Envelope Tracking or Polar-which is it? Microwave Bytes[J].IEEE Microwave Magazine,2012，13(4):34-56.

[6] WANG Z C.Envelop Tracking Power Amplifiers for Wireless Communications[M].MA:Artech House,2014.

[7] 丁 一.寬帶高效率包絡(luò)跟蹤功率放大器設(shè)計(jì)[D].成都：電子科技大學(xué)，2010.

[8] WANG F,YANG A H,KIMBALL D F,et al.Design of wide-bandwidth Envelope-tracking Power Amplifiers for OFDM Applications[J].IEEE Trans.Microwave Theory Tech.,2005(53):1 244-1 255.

[9] HEKKALA A,LASANEN M,KOTELBA A.Adaptive Time Misalignment Compensation of Envelope Tracking Amplifiers [J].Spread Spectrum Techniques & Applications .isssta.ieee International Symposiu,2008:761-765.[10] 于 永，雷志勇.基于STAP雜波抑制的子陣優(yōu)化技術(shù)[J].現(xiàn)代雷達(dá)，2016，38(9):28-31.

陳劍斌 男，(1986—)，碩士，工程師。主要研究方向：數(shù)字通信、微波射頻技術(shù)。

楊 霖 男，(1974—)，碩士，工程師。主要研究方向：微波通信技術(shù)。

The Research on Adaptive Time Misalignment Estimation Algorithm for ET Power Amplifier

CHEN Jian-bin1,YANG Lin1,YUANG Fang2

(1.NanjingTelecommunicationTechnologyInstitute,NanjingJiangsu210007,China； 2.Unit68202，PLA,TianshuiGansu741000,China)

In order to improve the performance of Envelop-Tracking (ET) Power Amplifier (PA),it is necessary to synchronize the signals between RF path and envelope path.Based on the relationship between the input power and drain voltage in the PA with fixed gain,an adaptive time misalignment estimation algorithm was propose and analyzed by introducing the delay distortion variance in this paper.Simulation results show that the time misalignment can be estimated by using the algorithm with an appropriate iterative delay vector.

Envelope Tracking (ET)；time misalignment estimation；delay distortion variance；iterative delay vector

10.3969/j.issn.1003-3106.2017.04.04

陳劍斌，楊 霖，袁 方.ET功放的自適應(yīng)時(shí)延估計(jì)算法研究[J].無(wú)線電工程,2017,47(4):17-19，48.

2017-01-05

國(guó)家科學(xué)自然基金資助項(xiàng)目(61631021)。

TN911.6

A

1003-3106(2017)04-0017-03