通過(guò)數字預失真提升射頻功率放大器線(xiàn)性度

本文將探討射頻功率放大器系統中數字預失真的實(shí)現原理，并重點(diǎn)分析兩種基于查找表的常用技術(shù)。

效率與線(xiàn)性度的平衡挑戰?

功率放大器（PA）為追求高效率常工作于接近飽和區的大動(dòng)態(tài)范圍。但隨著(zhù)逼近飽和區，其幅度和相位失真急劇增加，導致嚴重的鄰道干擾。為此，業(yè)界開(kāi)發(fā)了多種線(xiàn)性化技術(shù)以在維持高效率的同時(shí)提升線(xiàn)性度，其中數字預失真技術(shù)已成為射頻功率放大器線(xiàn)性化領(lǐng)域最活躍的研究方向之一。

數字預失真基本原理

如圖1所示，數字預失真通過(guò)在發(fā)射鏈路的數字部分引入非線(xiàn)性函數補償PA的非線(xiàn)性特性，可作用于基帶或中頻信號。

[圖1 基帶數字預失真實(shí)現示意圖]?

（系統示意圖展示開(kāi)環(huán)預失真結構）

盡管圖1為開(kāi)環(huán)系統，實(shí)際應用中通常會(huì )加入反饋回路持續監測預失真器性能并進(jìn)行動(dòng)態(tài)調整。圖2展示了帶反饋回路的數字預失真簡(jiǎn)化框圖。

[圖2 帶反饋路徑的數字預失真系統]?

（反饋機制支持溫度、制程和電壓變化的自適應補償）

然而，模數轉換器（ADC）、數字信號處理器（DSP）和存儲單元的引入會(huì )增加系統功耗。下文將通過(guò)實(shí)例量化這種效率損耗。

預失真器/PA系統效率計算

假設某自適應數字預失真系統采用效率100%、輸出功率1W的功放，其配套的ADC、DSP和存儲單元共耗電0.25W。系統總效率計算如下：

（公式1：系統效率計算）

盡管PA本身效率達100%，但外圍電路使系統總效率降至80%。這凸顯了降低線(xiàn)性化模塊功耗的重要性。

基于查找表的數字預失真實(shí)現

當PA呈現準靜態(tài)特性（即輸出幅度與輸入信號保持固定單調關(guān)系）時(shí)，可通過(guò)查找表（LUT）實(shí)現非線(xiàn)性補償。圖3展示了開(kāi)環(huán)LUT預失真系統架構。

[圖3 開(kāi)環(huán)LUT預失真系統框圖]?

（通過(guò)輸入信號尋址存儲增益/相位校正值的LUT）

DSP模塊接收Δ|A|（幅度校正）和Δφ（相位校正）參數，生成經(jīng)過(guò)預校正的信號。圖4則升級為帶反饋的自適應系統：

[圖4 自適應LUT預失真系統]?

（集成收發(fā)雙路徑，通過(guò)輸入/輸出信號比對實(shí)現LUT動(dòng)態(tài)更新）

該系統的自適應模塊通過(guò)比較原始I/Q信號與反饋采樣信號，持續評估預失真效果并更新LUT數據。這種結構能有效應對器件老化、環(huán)境變化等動(dòng)態(tài)因素，但需權衡增加的硬件復雜度與功耗。

上述自適應系統包含發(fā)射機（前向路徑）和集成接收機（反向路徑）。自適應模塊通過(guò)比較原始輸入I/Q信號與集成接收機采樣的I/Q信號，持續評估預失真機制的有效性并更新查找表數據。由于預失真器的反饋環(huán)路響應速度極慢且無(wú)需應對快速變化，該系統避免了傳統反饋線(xiàn)性化方法常見(jiàn)的穩定性問(wèn)題。

查找表實(shí)現策略

查找表通常采用?映射預失真函數?或?復增益預失真函數?。前者基于笛卡爾坐標系映射，后者依賴(lài)包絡(luò )映射。兩種方法對查找表規模與復雜度有直接影響。

映射預失真（Mapping Predistortion）

映射預失真采用二維查找表（LUT-I和LUT-Q）進(jìn)行暴力索引，如圖5所示。每個(gè)I/Q復平面點(diǎn)被重新映射至新值，可校正上變頻過(guò)程中的DC偏移和I/Q不平衡問(wèn)題。但其內存需求巨大，總存儲條目數由以下公式?jīng)Q定：

（公式2：映射預失真存儲條目計算）

其中，n為IIN/QIN信號幅度量化位數。例如，12位系統需33,554,432個(gè)存儲條目。此外，完成自適應算法需遍歷I/Q復平面所有點(diǎn)，導致長(cháng)時(shí)延和高計算復雜度。

[圖5 映射預失真器中的LUT索引方法]?

（以IIN/QIN雙維度索引二維查找表）

復增益預失真（Complex-Gain Predistortion）

如圖6所示，復增益預失真通過(guò)輸入信號包絡(luò )功率(R = |IIN + jQIN|R = |IIN + jQIN|)索引查找表中的復增益因子。該方法確保預失真器與PA系統的合成增益恒定，顯著(zhù)降低存儲需求（僅需一維查找表）和自適應時(shí)間。但代價(jià)是預失真精度下降，對互調失真的抑制能力受限。

[圖6 復增益預失真器中的LUT索引方法]?

（以信號包絡(luò )幅度索引一維查找表）

技術(shù)總結

數字預失真作為射頻功放線(xiàn)性化的高效方法，映射預失真與復增益預失真各有優(yōu)劣：

映射預失真?：校正能力強，但存儲需求和計算復雜度高

復增益預失真?：存儲效率提升50%以上，自適應時(shí)間縮短，但精度妥協(xié)

在工程實(shí)踐中，復增益預失真因資源效率優(yōu)勢更受青睞，尤其適用于對功耗和實(shí)時(shí)性敏感的大規模陣列系統。未來(lái)技術(shù)發(fā)展需在存儲優(yōu)化、精度補償和動(dòng)態(tài)響應之間尋求更優(yōu)平衡。