利用數字預失真線(xiàn)性化寬帶功率放大器

在無(wú)線(xiàn)系統中，功放(PA)線(xiàn)性度和效率常是必須權衡的兩個(gè)參數。工程師都在尋找一種有效而靈活的基于Volterra的自適應預失真技術(shù)，可用于實(shí)現寬帶RF功放的高線(xiàn)性度。本文將概述不同數字預失真技術(shù)，介紹一種創(chuàng )新性DPD線(xiàn)性化電路特有的自適應算法。

在無(wú)線(xiàn)系統中，功放(PA)線(xiàn)性度和效率常是必須權衡的兩個(gè)參數。幸運的是，基于Volterra的自適應數字預失真(DPD)線(xiàn)性化電路可以使無(wú)線(xiàn)系統中的射頻PA達到高線(xiàn)性度高效率。這種自適應數字預失真方案擴展了功放的線(xiàn)性范圍，同時(shí)波峰因數有降低，可以更強力驅動(dòng)射頻PA，而且效率更高，同時(shí)滿(mǎn)足傳輸譜效率要求及調制精度要求。

這種新型數字前置補償器已經(jīng)集成到了德州儀器公司的GC5322型集成發(fā)射方案中。幾百萬(wàn)門(mén)專(zhuān)用信號處理器(ASSP)采用0.13微米CMOS工藝制造，并且包含了數字上轉換、振幅因數降低以及數字預失真。這種“調制不可知”處理器支持30 MHz信號帶寬。對第三代(3G)手機信號，可以降低峰值功率與平均功率之比(PAR)達6dB。對正交頻分復用技術(shù)(OFDM)，可以改進(jìn)4 dB，同時(shí)滿(mǎn)足鄰近信道功率比(ACPR)和誤差矢量幅值特性?？梢孕拚哌_11階的非線(xiàn)性并達到200 ns的PA存儲效應。對多種射頻PA拓撲，一般可改善ACPR 超過(guò)20dB，并且功率效率提高4倍以上，對一般基站，靜態(tài)功率損耗可降低60%之多。這種靈活的基于Volterra的預處理器可以為多種射頻架構、調制標準和信號帶寬而優(yōu)化。

像用在3G和其它新興空中接口標準中的非恒定包絡(luò )調制方案在譜上更高效，但峰均信號比更高，PA的回退必然更高。這樣就降低了PA效率并增加了基站的冷卻和運行成本。功效低一些的射頻PA一般占總基站系統成本的30%，對環(huán)境影響相當顯著(zhù)。隨著(zhù)向“綠色”的不斷發(fā)展，能源效率高的技術(shù)與不斷增加的能源成本、以及目前不斷提高的譜效率和及信號帶寬要求，還有正在發(fā)展的標準結合起來(lái)，使功放線(xiàn)性度成為下一代基站的關(guān)鍵設計問(wèn)題。多年來(lái)，提出并實(shí)施了大量的功放線(xiàn)性化技術(shù)，如射頻前饋、射頻后饋以及RF/IF預失真和后失真。其中，與傳統模擬/射頻線(xiàn)性化技術(shù)相比，自適應DPD方案已證明效率最高并且最有成本效益。DSP/ASSP計算能力的不斷增加使數字預失真成為越發(fā)吸引人的選項。

GC5322發(fā)射方案將數字上變換(DUC)、振幅因數降低(CFR)以及DPD結合在高度集成的ASSP中，采用德州儀器公司C67x型DSP內置軟件提供的實(shí)時(shí)自適應控制。這種發(fā)射器件可以為多種射頻架構優(yōu)化，支持多種空中接口標準，包括CDMA2000、WCDMA、TD-SCDMA、MC-GSM、WiMAX和長(cháng)期演進(jìn)(LTE)手機標準。這種靈活的前置補償器可以與多種功率拓撲一起有效使用，如A/B類(lèi)或Doherty放大器，設計為支持信號帶寬達30 MHz的通信系統。此文章分為兩篇，集中說(shuō)明DPD方案的硬件實(shí)現。

基于3G CDMA的無(wú)線(xiàn)通信系統以及采用像OFDM方法的多載波系統?？梢蕴幚砀逷AR或振幅因數信號。非恒定包絡(luò )調制技術(shù)，如這些系統中使用的正交調幅具有嚴格的誤差矢量幅度(EVM)要求。因為有這些要求，所以需要PA為高線(xiàn)性幅度和相位響應。PA的線(xiàn)性工作范圍一般有限。PA非線(xiàn)性會(huì )引起發(fā)射信號互調失真，導致譜?裂和鄰信道功率比(ACPR)的下降。這一問(wèn)題的一種簡(jiǎn)單解決方法是把輸入信號水平回退到PA，這樣得到的信號就完全處于放大器的線(xiàn)性工作區。遺憾的是，PA功率效率在較低輸入功率下下降相當大，使這種方法比最佳方法要遜色。此外，更加高級有效的放大器拓撲(如Doherty PA)甚至在回退功率水平下也出現相當大的非線(xiàn)性，導致EVM和ACPR性能變差。

在回退狀態(tài)下工作時(shí)，目前使用的傳統AB類(lèi)功放的效率在5%～10%之間。但使用了振幅因數降低和自適應DPD技術(shù)后，效率可以提高3～5倍。更新型的PA拓撲，如Doherty放大器，或者甚至動(dòng)態(tài)包絡(luò )軌跡與DPD 結合起來(lái)的AB類(lèi)放大器，以及更新型的器件技術(shù)，如氮化鎵(GaN)或砷化鎵(GaAs)功率晶體管，可以用于獲得接近50%的效率。

本文下一部分將討論線(xiàn)性化方案對于前置補償器具有高度精確模型的需求。

在無(wú)線(xiàn)系統中，功放(PA)線(xiàn)性度和效率常是必須權衡的兩個(gè)參數。工程師都在尋找一種有效而靈活的基于Volterra的自適應預失真技術(shù)，可用于實(shí)現寬帶RF功放的高線(xiàn)性度。本文將概述不同數字預失真技術(shù)，介紹一種創(chuàng )新性DPD線(xiàn)性化電路特有的自適應算法。

本文第一部分主要介紹了德州儀器公司的GC5322型集成發(fā)射方案。下面我們將繼續討論線(xiàn)性化方案對于前置補償器具有高度精確模型的需求。

當前的DPD實(shí)現大多數采用無(wú)記憶線(xiàn)性化技術(shù)，其中采用瞬間非線(xiàn)性(預失真)來(lái)補償PA的瞬間非線(xiàn)性行為。無(wú)記憶性功率放大器的特點(diǎn)是其幅度和相位傳輸特性，此特性一般指AM到AM(即增益壓縮)和AM到PM特性。對這種無(wú)記憶性功放，可以采用一種通用查詢(xún)表(LUT)做前置補償器增益/相位校正。圖1示意了一種典型Doherty PA的增益壓縮和AM-PM特性。因為PA的增益和相位特性隨溫度、電壓、元件老化而變化，要達到真正高效和有效的線(xiàn)性化，就需要自適應控制查詢(xún)表。

對于PA必須支持更高射頻調制帶寬的通信系統，無(wú)記憶模式證明還不夠，因為它只依賴(lài)于幅度，而不是依賴(lài)于頻率。必須支持大信號帶寬的PA表現出明顯的記憶效應，這是由于DC偏置網(wǎng)絡(luò )中元件的時(shí)間常數大，以及有源器件的快速熱效應。這樣造成PA特性隨早先輸入水平而變，因此需要使用能降低記憶效應的預失真結構。

任何高效的線(xiàn)性化方案都要求前置補償器有高度精確的模型，如果PA采用直接學(xué)習自適應架構，則也要求有高度精確的模型。文獻中提出了大量具有記憶性的非線(xiàn)性系統模型化技術(shù)，沒(méi)有一種方法能是一個(gè)普遍的解決方案。因此，模型選擇很難，并且依賴(lài)于應用。有效的PA模型必須能以合理的精度表示不同類(lèi)型的非線(xiàn)性和記憶效應。

Volterra數列是一種更普遍的具有記憶性的時(shí)變非線(xiàn)性系統模型。包括多維卷積之和，分立時(shí)間因果形式下可以寫(xiě)成式1，式A詳細給出條件，其中多維矩陣h1、h2、… hn為模型化非線(xiàn)性的n階Volterra系數，Mn為非線(xiàn)性的有限記憶長(cháng)度。鑒于RF PA考慮到長(cháng)記憶深度(達1微秒)和非線(xiàn)性級(達11級)，上述模型在數學(xué)上無(wú)法處理。必須采用簡(jiǎn)化方案以得到實(shí)際的前置補償器產(chǎn)品。這些簡(jiǎn)化可以分為兩種基本方法：算術(shù)法和模型簡(jiǎn)化法。對第一種，式1中的一般Volterra模型具有許多吸引人的算術(shù)特征，可以用于得到高效實(shí)現方案。對于模型簡(jiǎn)化法，雖然需要完整的一般Volterra(或者某些其它一般模型)，如大家所知，RF功率放大器模型一般有大量Volterra項，這些項在實(shí)施中沒(méi)有意義。這些項可以丟棄，不會(huì )造成線(xiàn)性性能出現可測量的惡化。

現行文獻中給出了大量不同的簡(jiǎn)化前置補償系統，都采用式1中的廣義模型。下面列出這些系統中的幾個(gè)：

1. 截斷Volterra 文獻中提出了基于直接形式、并行級聯(lián)和矢量代數和其它截斷Volterra系統。這些算術(shù)簡(jiǎn)化方法在線(xiàn)性化方面效率很高，但計算復雜，并且因為要估算的參數數量龐大，常難以實(shí)現，使其對實(shí)際應用不具吸引力。