功率放大器脉冲调制波形产生方法研究与实现

中国电子科技集团公司第20研究所 李 超

0 引言

脉冲调制功率放大器目前已经大量应用于通信系统中，脉冲输出功率波形对整个系统的性能影响非常大[1]。由于功率放大器输出非线性，脉冲调制功率放大器需要外部提供相应的脉冲调制波形来产生系统需要的脉冲输出功率，因此研究脉冲调制波形的产生对系统具有较大意义。本文深入研究了脉冲调制波形的原理，提出了一种新的功率放大器脉冲调制波形的产生方法。

1 波形产生方法

功率放大器的作用是将输入端的射频信号放大到系统要求的程度，若输入信号为，输出信号为，功放的转移函数为，则有：

设功放的功率增益为，相位偏移为，输入信号的功率为，输出信号的功率为，如果功放的输入端和输出端是匹配状态，则有：

对于理想的无记忆功放，输出信号只与当前的输入信号有关，而放大器的幅度、相位和增益是固定的，不随输入信号、外部环境和系统时间变化，但是功率放大器是一个非线性器件，会发生非线性失真，包括幅度失真和相位失真[2]。

当前通信系统中采用的功率放大器的主要类型为脉冲调制功放。为了抑制非线性失真，脉冲调制功放需要外部提供相应的脉冲调制波形来产生系统需要的输出。脉冲功率放大器在不同环境条件下（主要是温度）输出功率差异性显著，为了保证功率放大器输出线性，需要按温度分段对调制波形进行调整，以满足功率放大器脉冲功率输出波形的各项输出要求（如上升沿、下降沿和峰值功率等）[3]。

将不同温度段的调制波形数据存储在波形数据存储器中，在收到功率发射命令后，处理器根据当前的实时温度将调整好的相应温度段的调制波形数据发送给DAC，产生相应温度段的调制波形。脉冲调制功率放大器根据脉冲调制波形产生脉冲输出功率，完成功率放大。

2 设计实现与验证

2.1 电路原理

脉冲调制波形产生电路主要包括以下几部分：波形数据存储器、温度传感器、DSP/FPGA、DAC以及供电模块，电路原理如图1所示。其中波形数据存储器负责存储各个温度段的波形数据，温度传感器监测脉冲调制功放的实时温度，DSP/FPGA根据实时温度将相应温度段的调制波形数据发送给DAC，DAC将数字波形数据转化为脉冲调制波形，发送给功率放大器。

图1 功放调制波形产生电路原理框图

2.2 器件选型

现场可编程门阵列（FPGA）的任务为通过I2C总线接收来自温度传感器的温度数据，并将其发送给DSP；接收上位机的功率发射命令，将闭锁信号、发射开关信号以及相应温度段的脉冲调制波形数据根据芯片参考时钟发送给DAC，并对功率放大管进行相应的保护措施（如驻波保护、过脉冲保护、幅度保护、过占空比保护等）。功放调制波形产生电路采用的FPGA型号为Xilinx公司Vertex系列XC5VLX50-1FF676I。

数模转换器（DAC）采用ADI公司的AD9779。AD9779是双通道、16位高动态范围数模转换器，提供1GSPS采样速率，可以产生最高达奈奎斯特频率的多载波。具有针对直接变频传输应用进行优化的特性，包括复合数字调制以及增益与失调补偿。满量程输出电流可以在10mA至30mA范围内进行编程。利用超低噪声与交调失真特性，从基带到高中频的宽带信号可以实现高质量合成。专有DAC输出开关技术可增强动态性能[4]。

波形数据存储器采用的是Ramtron公司的铁电存储器(FRAM)，型号为FM28V100。其存储容量为1M(128K x 8)，铁电存储器具有快速擦写和非易失性的特点。最大访问次数可达100万次，比flash寿命长10倍。铁电存储器能够满足波形数据调试时需要重复快速擦写以及断电保存的要求[5]。

DSP通过I2C总线接收到的温度数据调制波形数据发送给FPGA，通过485总线接受来自其他模块的系统控制接口控制文件（ICD），并通过FPGA转换实现对功放激励等射频模块的控制指令；通过CAN总线完成模块状态回传、机内自检（BIT）、程序在线烧写等功能。

2.3 波形产生验证

通过MATLAB软件产生TACAN调制波形数据，通过DSP将波形数据存入铁电存储器。硬件板卡成功加电后，可以通过Chipscope得到FPGA从DSP处收到的相应温度段的数字信号调制波形，如图2所示。

图2 Chipscope抓取的TACAN数字波形

图3 DAC输出的TACAN模拟调制波形

FPGA对AD9779进行配置后将相应的TACAN和DME波形数据送入DAC，可以通过示波器观察到发送给脉冲调制功率放大器的模拟波形，如图3所示。

3 结束语

本电路产生了脉冲调制功率放大器所需的脉冲调制波形，通过温度分段对脉冲调制波形进行修正，保证了脉冲调制功率放大器功率输出的线性和稳定性。通过产生不同的调制波形还可以切换脉冲调制功率放大器的工作模式。目前该电路已经成功应用在L波段某型通信系统中，提高了系统的整体性能。

[1]朗平,韩鹏伟.脉冲调制功率放大器调制技术分析[J].舰船电子对抗,2014,37(5), 106-109.

[2]马中华,欧阳军,柯友艺,陈红霞,陈大灿.一种新的RF预失真方案的设计与仿真[J].厦门大学学报(自然科学版),2012,51(2)：179-184.

[3]肖钰,赵国强,孙厚军.毫米波脉冲调制功率放大器设计与实现[J].电波科学学报,2015, 30(4)：803-807.

[4]Analog Device Inc.AD9779 Data Sheet[M].Norwood, MA02062 USA：Analog Device,Inc. 2006.

[5]Cypress Inc.FM28V100 Data Sheet[M].http：//www.cypress.com,2010-01-15.