用數字預失真改善射頻功率放大器的線(xiàn)性度

我們討論了在射頻功率放大器系統中實(shí)現數字預失真的基礎知識，并探討了基于查找表的兩種流行技術(shù)。為了最大限度地提高效率，功率放大器（PA）在接近飽和區域的大動(dòng)態(tài)范圍內工作。隨著(zhù)我們接近飽和區域，幅度和相位失真顯著(zhù)增加，導致嚴重的鄰道干擾。為了在保持高效率的同時(shí)提高射頻功率放大器（PA）的線(xiàn)性度，已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了幾種不同的線(xiàn)性化技術(shù)。在本文中，我們將了解射頻功率放大器線(xiàn)性化中一個(gè)最活躍的領(lǐng)域：數字預失真。正如我們將看到的，數字方法允許創(chuàng )建復雜的預失真傳遞特性，超越了我們之前討論的基本模擬方法的能力。

數字預失真的基礎知識 

數字預失真通過(guò)在發(fā)射路徑的數字部分引入一個(gè)非線(xiàn)性函數來(lái)補償功率放大器的非線(xiàn)性，如圖1所示。無(wú)論是基帶信號還是中頻信號都會(huì )被改變。在基帶中實(shí)現數字預失真。

圖1. 在基帶中實(shí)現數字預失真。

盡管上圖中的基本原理圖描繪了一個(gè)開(kāi)環(huán)預失真系統，但我們通常會(huì )加入一個(gè)反饋路徑，以持續監測預失真器的性能并相應地進(jìn)行調整。圖2展示了帶有反饋環(huán)的數字預失真線(xiàn)性化器的簡(jiǎn)化框圖。帶有反饋路徑的數字預失真系統。

圖2. 帶有反饋路徑的數字預失真系統。

使用反饋可以實(shí)現自適應數字預失真系統，能夠考慮溫度、工藝或電壓變化。然而，模數轉換器（ADC）、數字信號處理（DSP）和存儲器會(huì )增加總功耗。這種額外的功耗會(huì )導致系統效率降低，我們將在下一節中討論這一點(diǎn)。效率等于輸出功率與從電源汲取的總功率的比值，供應的功率等于輸出功率加上系統組件耗散的功率。

公式1

盡管功率放大器的效率為100%，但相關(guān)電路的功耗使得整個(gè)系統的效率降低到了80%。因此，與功率放大器的輸出功率相比，保持線(xiàn)性化器的功耗盡可能小是非常重要的。

使用查找表的數字預失真 

如果功率放大器的行為是準靜態(tài)的，我們可以假設功率放大器的輸出幅度與輸入信號之間存在固定且單調的關(guān)系。在這種情況下，輸出信號的值僅由當前輸入值決定。因此，有可能確定功率放大器的非線(xiàn)性行為。將這些數據編碼到查找表（LUT）中，為我們提供了幾種實(shí)現數字預失真系統的選擇。圖3展示了其中的一種。開(kāi)環(huán)、基于查找表的預失真系統的框圖。

圖3. 開(kāi)環(huán)、基于查找表的預失真系統的框圖。

輸入信號用于尋址功率放大器失真查找表，該表存儲了每個(gè)輸入值所需的增益和相位校正值（分別為Δ|A|和Δφ）。數字信號處理（DSP）模塊接收Δ|A|和Δφ，并產(chǎn)生一個(gè)幅度和相位調整后的信號，以確保預失真器/功率放大器系統能夠線(xiàn)性運行。與圖1一樣，上述預失真線(xiàn)性化器是一個(gè)開(kāi)環(huán)系統。圖4展示了一個(gè)基于查找表的系統，該系統包含一個(gè)反饋環(huán)，用于監控線(xiàn)性化的完整性并相應地更新查找表。自適應、基于查找表的預失真系統。

圖4. 自適應、基于查找表的預失真系統。

上述自適應系統包括一個(gè)發(fā)射機（正向路徑）和一個(gè)集成接收機（反向路徑）。自適應模塊將輸入的I/Q信號與集成接收機獲得的I/Q樣本進(jìn)行比較。這使得系統能夠評估預失真機制的有效性，并相應地刷新查找表中的數據。預失真的反饋環(huán)運行非常緩慢，不需要對快速變化做出調整。因此，這種自適應預失真器不會(huì )受到通常與反饋線(xiàn)性化方法相關(guān)的穩定性問(wèn)題的困擾。查找表通常實(shí)現映射預失真函數或復增益預失真函數。正如我們稍后將討論的，前者采用笛卡爾映射，而后者依賴(lài)于包絡(luò )映射。查找表的功能直接影響所使用的查找表的大小和復雜性。

映射預失真

映射預失真提供了一種直接但較為粗暴的查找表索引策略。圖5展示了在此方法中查找表（LUT）的應用。映射預失真電路中使用的查找表索引方法。

圖5. 映射預失真電路中使用的查找表索引方法。

映射預失真使用一對二維查找表（圖中的LUT-I和LUT-Q）。在這里，“二維”表示同時(shí)使用同相（IIN）和正交（QIN）信號來(lái)索引查找表。因此，表的輸出是同相和正交信號的函數。I/Q復平面上的每個(gè)點(diǎn)都被映射到一個(gè)新的值。映射預失真可以糾正與上變頻過(guò)程相關(guān)的任何誤差，包括直流偏移和I/Q不平衡。然而，這種技術(shù)的內存需求是一個(gè)顯著(zhù)的缺點(diǎn)。因為它將每個(gè)輸入點(diǎn)重新映射到一個(gè)對應的新值，所以映射預失真需要大量的內存。由于IIN和QIN分量共同作為表條目的索引，所以?xún)却鏃l目的總數（M）由以下公式給出：M=2×22n公式2.其中n是用于量化IIN和QIN信號幅度的位數。例如，一個(gè)12位的系統需要一個(gè)內存，其條目數為M=33,554,432。完成自適應算法需要處理I/Q復平面上的每一個(gè)點(diǎn)，這需要大量的時(shí)間。因此，大內存會(huì )導致較長(cháng)的自適應時(shí)間和增加的計算復雜性。

復增益預失真

顧名思義，復增益技術(shù)在查找表中存儲復數值增益因子。圖6展示了復增益預失真中查找表（LUT）的應用。復增益預失真中使用的查找表索引方法。圖6. 復增益預失真中使用的查找表索引方法。在此方法中，輸入信號的功率（R=∣IIN+jQIN∣）被用來(lái)指向一個(gè)帶有適當增益因子的內存條目。復增益技術(shù)確保預失真器和功率放大器系統在所有輸出功率水平上保持恒定的增益。由于輸入信號包絡(luò )作為表條目的索引，所以需要一個(gè)較小的查找表。這也有助于減少與插值和自適應相關(guān)的功耗。然而，這些改進(jìn)是以降低預失真精度為代價(jià)的，這限制了對交調失真的有效抑制。

總結

數字預失真是射頻功率放大器線(xiàn)性化中最有效的方法之一。在本文中，我們討論了兩種數字預失真技術(shù)：映射預失真和復增益預失真。正如我們所了解到的，映射預失真的主要限制在于其巨大的內存需求。這些需求導致了較長(cháng)的自適應時(shí)間和增加的計算復雜性。復增益預失真通常比映射預失真技術(shù)更受青睞，因為它需要一個(gè)較小的查找表并減少了自適應時(shí)間。