步進(jìn)式包絡(luò)跟蹤功率放大器的時(shí)問誤差補(bǔ)償

吳志遠(yuǎn)廈門大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院通信工程系

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步進(jìn)式包絡(luò)跟蹤功率放大器的時(shí)問誤差補(bǔ)償

吳志遠(yuǎn)
廈門大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院通信工程系

摘要：文章對步進(jìn)式包絡(luò)跟蹤功率放大器（SET-PA）的宏模型進(jìn)行了建立分析。基于SET-PA的特殊特點(diǎn)，對時(shí)間誤差補(bǔ)償進(jìn)行了研究。使用一種基于最小均方誤差（MMSE）的自適應(yīng)時(shí)延估計(jì)的方法估計(jì)包絡(luò)跟蹤功率放大器（ET-PA）中兩路之間的時(shí)間差值。數(shù)據(jù)結(jié)果顯示，SET-PA的電壓檔數(shù)對包絡(luò)支路的低通濾波器對功放帶來的記憶效應(yīng)的影響較為敏感。仿真結(jié)果顯示，使用最小均方誤差的方法去補(bǔ)償ET-PA的時(shí)間差，可以使ACPR提高6.7dB，而且?guī)砀斓氖諗克俣群透偷腅VM。

關(guān)鍵字：包絡(luò)跟蹤 宏模型 最小均方誤差 時(shí)間誤差補(bǔ)償

1　引言

包絡(luò)跟蹤功放（ET-PA）是一種對高峰均比信號(hào)進(jìn)行功率放大有效的放大器結(jié)構(gòu)［11。但是ET-PA對信號(hào)支路和包絡(luò)支路的時(shí)間差較為敏感。為設(shè)計(jì)方便起見，使用電壓控制單元來構(gòu)造SET-PA［31。電壓控制單元中，為功放供電的電壓隨著輸入包絡(luò)信號(hào)的變化在幾個(gè)離散的值中進(jìn)行變化。這種離散的電壓選擇器降低了包絡(luò)信號(hào)的準(zhǔn)確性和設(shè)計(jì)的復(fù)雜度。在過去的研究中，功放模型屢次被提出。然而，由于包括了更多的電路組成部分，ET-PA的模型比傳統(tǒng)的功放模型更加復(fù)雜。而本文將ET-PA看作一個(gè)黑盒子，我們只關(guān)心輸入信號(hào)和輸出信號(hào)的關(guān)系。

如果輸入信號(hào)沒有和包絡(luò)信號(hào)產(chǎn)生的電壓保持實(shí)時(shí)一致，供電的直流電壓可能會(huì)大于或者小于所需要的電壓。若大于，會(huì)降低效率；若小于，則會(huì)造成晶體管的飽和。此外，ET-PA的時(shí)域不對齊還可能導(dǎo)致一些嚴(yán)重的問題，比如鄰道干擾和失真，會(huì)降低ACPR和EVM。在工程上，對時(shí)域不對齊通用的解決方法是將輸入包絡(luò)信號(hào)與輸出反饋信號(hào)做相關(guān)。本文研究了SET-PA的宏模型，本文沒有使用曲線擬合的方法，而是使用級(jí)聯(lián)ET-PA中每個(gè)模塊的方法去建模；本人把ET-PA的所有器件考慮在內(nèi)而不是單獨(dú)使用映射關(guān)系。基于本文所研究的宏模型，分析了AM．AM曲線和AM．PM曲線的特征。在這基礎(chǔ)上，使用在無線通信的多徑效應(yīng)研究中的基于MMSE的自適應(yīng)時(shí)間延遲估計(jì)方法使用在這里來補(bǔ)償ET-PA的兩個(gè)支路的時(shí)間差值。不同的是，在比較兩個(gè)信號(hào)的差值的時(shí)候，本文避免了求導(dǎo)的操作，避免求導(dǎo)就意味著減小算法復(fù)雜度。本文安排如下，在第二節(jié)，提出了包含了SET-PA和時(shí)域校準(zhǔn)補(bǔ)償單元的系統(tǒng)模型。第三節(jié)研究了基于MMSE的時(shí)間差補(bǔ)償?shù)乃惴ā５谒墓?jié)給出了仿真結(jié)果。最后，在第五節(jié)得出結(jié)論。

2　系統(tǒng)模型

2.1 步進(jìn)式包絡(luò)跟蹤功法（SET-PA）模型

按照等效低通表示，包絡(luò)跟蹤功放簡化系統(tǒng)框圖。輸入信號(hào)通過耦合器耦合到兩個(gè)支路，射頻信號(hào)支路和包絡(luò)支路。由于在包絡(luò)跟蹤的電源設(shè)備中，DC—DC電源模塊的電壓轉(zhuǎn)換速率有著嚴(yán)格的要求，在包絡(luò)支路，使用低通濾波器去降低帶寬，以減小電源紋波［1到。包絡(luò)信號(hào)驅(qū)動(dòng)電壓控制器產(chǎn)生相應(yīng)的電源電壓檔位為功放供電。電壓檔位選擇離散檔位，降低包絡(luò)信號(hào)的準(zhǔn)確性和電壓控制器的設(shè)計(jì)復(fù)雜性。電壓控制器會(huì)有一個(gè)最小的電壓%；。使晶體管工作，同時(shí)會(huì)有一個(gè)最大的電壓‰。防止晶體管不致?lián)p壞。

2.2 功放模型

在射頻信號(hào)支路中，AdrianKotelba等人在文獻(xiàn)中提出了一個(gè)非線性方程來表示晶體管的AM—AM和AM．PM的特征。如式（2）和式（3）所示。這個(gè)模型比文獻(xiàn)［6］所提出的Cann模型更加適合ET-PA。

3　仿真和討論

3.1 黑盒子模型特征的分析

對黑盒子進(jìn)行無記憶功放仿真，分別得到無記憶功放的AM.AM和AM．PM曲線。通過調(diào)節(jié)電壓的檔數(shù)，得到了新的AM—AM和AM．PM特性。AM．AM特性曲線展示出了一個(gè)反向彎曲，這是由于當(dāng)輸入與信號(hào)較弱的時(shí)候，晶體管尚未完全導(dǎo)通。通過對正常特性曲線和去低電壓特性曲線作比較，反向的彎曲逐漸消除，彌散效應(yīng)逐漸減弱，通過觀察正常特性曲線和去高電壓特性曲線，藍(lán)線正向的彎曲表示晶體管接近飽和，而且彌散效應(yīng)出現(xiàn)在飽和區(qū)。這表示，低通濾波器帶來的記憶效應(yīng)對電壓檔位的選取較為敏感。AM．PM特性曲線同樣展示出彌散效應(yīng)的減輕，以及向上的彎曲，這說明輸入信號(hào)較大時(shí)，會(huì)引起相移。

3.2 時(shí)間誤差補(bǔ)償仿真結(jié)果

通過仿真，可以得到本文的時(shí)間誤差誤差方法的結(jié)果，以雙載波WCDMA信號(hào)的輸出ACPR和EVM來衡量。通過計(jì)算輸出信號(hào)在5MHz＜f＜10MHz的功率和0MHz＜f＜5MHz的功率比值，得到ACPR。計(jì)算誤差矢量的均方差和信號(hào)向量最大幅值的比值得到EVM。通過時(shí)間誤差補(bǔ)償，ACPR提高了6--7dB。選取迭代參數(shù)K=5，M=10，“=0．003。計(jì)算EVM的過程中，每次迭代選取100個(gè)采樣點(diǎn)，連續(xù)迭代的EVM結(jié)果。20次迭代之后，MMSE方法和直接求相關(guān)的方法，EVM分別為8．8%和11．3%。當(dāng)最終收斂的時(shí)候，EVM近似為5%，這是一個(gè)在ET-PA中可以接受的數(shù)值。比較顯示MMSE方法有著更快的收斂速度，這是因?yàn)閭鹘y(tǒng)的協(xié)方差方法需要同時(shí)計(jì)算信號(hào)支路和包絡(luò)支路的協(xié)方差。

4　結(jié)論

本文研究了SET-PA的宏模型，數(shù)值分析結(jié)果表明包絡(luò)支路的低通濾波器可以引發(fā)無記憶功放的記憶效應(yīng)。通過比較不同的電壓檔位，可以看到這種記憶效應(yīng)對電壓檔位的改變較為敏感。此外，本文利用基于MMSE自適應(yīng)時(shí)延估計(jì)方法對ET-PA的時(shí)域不對齊進(jìn)行了校準(zhǔn)。通過比較協(xié)方差方法和本文的MMSE方法，仿真結(jié)果顯示MMSE方法有更快的收斂速度，更好的ACPR表現(xiàn)，更低的EVM，證明這在ET-PA應(yīng)用中是一種合適的方法。