ET功放的自適應時延估計算法研究

陳劍斌，楊 霖，袁 方

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

ET功放的自適應時延估計算法研究

陳劍斌1，楊 霖1，袁 方2

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

為了保證包絡跟蹤(ET)功放的性能，需要實現射頻支路和包絡支路信號的嚴格同步。基于仿真分析恒定增益下功放輸入信號功率與漏極電壓間的關系，設計了一種基于時延失真方差的自適應時延估計算法，并通過仿真驗證分析了算法性能。仿真結果表明，通過設計合適的迭代時延向量，算法能夠實現對ET功放支路時延差的準確估計。

包絡跟蹤；時延估計；時延失真方差；迭代時延向量

0 引言

隨著當前通信應用對頻譜效率和通信速率需求的不斷提升，調制信號在愈見復雜的同時引入了越來越高的峰均比。為了實現這些高峰均比信號的線性放大，傳統功放一般采用回退方案，這大大降低了功放的整體效率[1]。為了解決上述問題，文獻[2-4]從原理、結構等不同角度提出了相應的解決方案。其中，ET功放通過跟蹤輸入信號包絡來控制功放的供電電壓，可以在保證線性性能的同時，實現對高峰均比信號的高效放大[5]。

為了保證ET功放性能，需要實現射頻信號和包絡信號的嚴格同步[6-7]。基于此，文獻[8]在理想功放模型下，提出了一種基于幅度協方差函數的支路時延估計方法。在此基礎上，文獻[9]針對實際ET功放，通過采用預失真補償實現了功放支路時延的調整。上述方案的實現需要引入相應的外圍功率測量、比較功能電路，實現復雜度高。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系，結合文獻[9]的協方差函數思想設計了一種ET功放時延估計算法。該算法基于功放輸入、輸出信號的部分時間信息，首先在不同時延量下獲得對應的功放輸出估計曲線簇。在此基礎上，通過計算功放輸出估計曲線簇與實際輸出之間的誤差系數，最終獲得ET功放射頻信號和包絡信號的準確時延差。

1 時延調整算法

ET功放的系統結構如圖1所示，通過實時跟蹤輸入信號的幅度變化動態調整RF功放的供電 ，ET功放能夠有效降低系統的耗散功率[10]。

功放輸出功率會隨供電電壓的變化而變化：在相同輸入信號下，所有的RF功放在供電電壓不足時輸出功率會下降；相反的，當功放供電電壓高于所需值時，功放輸出功率會增加；另一方面，為了降低功放的AM-AM失真，ET功放一般通過設計包絡成形函數，以保證在輸出范圍內具有恒定增益特性[6]。

圖1 ET功放系統結構

1.1 功放特性仿真

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

圖2 功放的增益-輸入功率-漏極電壓關系

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系。當設計功放的增益G確定后，功放輸入功率與漏極電壓關系滿足對應曲線的定義。下面將根據這一原則，設計功放時延補償方案。

1.2 時延估計算法

算法流程如圖3所示，在獲取時間長度為N的功放輸入信號I(t)、輸出信號O(t)后，算法首先根據當前得到的輸入信號和圖2的仿真結果，產生理想的漏極調制電壓V(t)。通過采用時移量T對V(t)進行時移，產生一組漏極電壓曲線簇。對于每一條電壓曲線對應的增益估計曲線簇Gi(t)，在此基礎上可進一步得到輸出估計曲線簇：

(1)

(2)

和時延失真方差：

0≤k≤N。

(3)

為了獲得更精確的時延估計，可以采用一個更小的時延量，然后重復上述時延估計過程。設迭代次數為L，第l次迭代得到的最佳時延估計為Δtl，則算法得到ET功放輸入信號和漏極電壓時延為：

(4)

圖3 算法流程

2 算法仿真

結合仿真進一步說明時延估計算法的實現過程。系統實際的輸入、輸出信號電平如圖4所示。

輸出信號電平可以通過高精度檢波器和AD器件獲得。輸入信號可以直接在數字基帶系統中得到。需要注意，這里只需要獲取部分時間內的信號即可，從而降低了時延調整算法的硬件實現難度。

信號包絡電平和功率值之間滿足關系：

P(t)=20·log(V(t))+33。

(6)

圖4 功放輸入、輸出信號電平

首先根據圖2和圖4可以得到理想漏極電壓曲線(Δt=0)及其對應的時延曲線簇，如圖5所示，此處時移量T=10ns。

在此基礎上，再根據圖2和式(1)，可以得到輸出估計曲線簇，如圖6所示。

圖5 漏極電壓時延曲線簇

圖6 輸出電壓時延曲線簇

圖5和圖6中每條輸出曲線對應的時延失真方差以及誤差系數仿真結果如圖7所示。可以看到Δt=2T時曲線具有最小的誤差系數，因此算法得到輸入信號與漏極電壓間的支路時延差估計值為20ns。

圖7 曲線簇對應的失真方差

為了驗證算法的性能，在Matlab中構建如圖1所示的ET功放系統。系統中輸入信號和調制漏極電壓的支路時延差采用隨機生成的方法產生。根據前面分析，算法迭代過程決定了時延估計的精度。仿真中，設置迭代時延向量T分別為(20,10,5)、(20,10,5,3)和(20,10,5,3,1)。

算法時延估計的仿真結果如表1所示。看以看出，本文設計算法能夠準確估計ET系統中輸入信號和漏極調整電壓的時延差。同時，迭代時延向量的時延量下限越小，最終的估計時延與實際時延之間的誤差也越小，但這也帶來了迭代次數的增加。因此，針對不同系統的實際應用需求，可以通過調整算法的迭代時延向量，獲得最佳的時延估計精度。

表1 時延估計結果 ns

3 結束語

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先可測的關系,在此基礎上，通過獲取功放輸入、輸出的部分時間信號。本文設計了一種基于誤差系數的時延估計算法，實現了對ET功放支路時延的精確估計。

[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.寬帶高效率包絡跟蹤功率放大器設計[D].成都：電子科技大學，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雜波抑制的子陣優化技術[J].現代雷達，2016，38(9):28-31.

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

楊 霖 男，(1974—)，碩士，工程師。主要研究方向：微波通信技術。

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功放的自適應時延估計算法研究[J].無線電工程,2017,47(4):17-19，48.

2017-01-05

國家科學自然基金資助項目(61631021)。

TN911.6

A

1003-3106(2017)04-0017-03