一種新的基于DSP的混合預失真器的設計

0 引 言

現代無(wú)線(xiàn)通信的迅猛發(fā)展日益朝著(zhù)增大信息容量，提高信道的頻譜利用率以及提高線(xiàn)性度的方向發(fā)展。一方面，人們廣泛采用工作于甲乙類(lèi)狀態(tài)的大功率微波晶體管來(lái)提高傳輸功率和利用效率；另一方面，無(wú)源器件及有源器件的引入，多載波配置技術(shù)的采用等，都將導致輸出信號的互調失真。因此，在設計射頻功率放大器時(shí)，必須對其進(jìn)行線(xiàn)性化處理，以便使輸出信號獲得較好的線(xiàn)性度。一般常用的線(xiàn)性化技術(shù)包括：功率回退、預失真、前饋等。其中，模擬預失真具有電路結構簡(jiǎn)單，速度快，成本低，易于高頻，寬帶應用等優(yōu)點(diǎn)，但對線(xiàn)性度的改善能力有限；數字預失真采用數字電路實(shí)現，適應性強，精度高，但由于采用自適應迭代算法，收斂速度較慢。本文首先簡(jiǎn)述了普通的預失真線(xiàn)性化技術(shù)，而后在此基礎上進(jìn)行改進(jìn)，添加了自適應算法，并通過(guò)信號包絡(luò )檢測技術(shù)提取出帶外信號進(jìn)行調節，從而達到改善輸出信號線(xiàn)性度的目的。同時(shí)由于采用了自適應控制電路，當功率變化，溫度變化，以及器件老化等情況下，系統的性能可仍然保持良好。

1 預失真基本原理

1．1 模擬預失真基本原理

最基本的模擬預失真結構如圖1所示，輸入信號被一分為二，上路是P A輸入的主要信號線(xiàn)，下路用于產(chǎn)生非線(xiàn)性信號，通常只產(chǎn)生三階信號。在通過(guò)幅度和相位調整元件之后，下路產(chǎn)生的非線(xiàn)性信號和上路經(jīng)過(guò)延遲的輸入信號混合，最后通過(guò)功放輸出。精確調整下路預失真器的輸出幅度和相位來(lái)設置三階預失真的系數，從而達到抵消功放輸出中的三階非線(xiàn)性分量。

1．2 數字預失真基本原理

數字預失真主要在數字域通過(guò)DSP技術(shù)進(jìn)行實(shí)現。數字預失真器通常有多項式和查表法兩種實(shí)現方式。本文主要研究多項式法。

多項式預失真電路結構如圖2所示，在信號通過(guò)功率放大器之前，先通過(guò)多項式預失真器，在輸入信號中加入預失真分量，產(chǎn)生預失真信號。反饋回路通過(guò)下變頻器和帶通濾波器得到輸出信號中的帶外信號功率，此功率即被用來(lái)調整多項式預失真器的系數，以減小帶外功率。這種自適應的預失真技術(shù)利用輸入信號的包絡(luò )來(lái)產(chǎn)生兩個(gè)只含三階和五階的多項式F1，F2來(lái)模擬功率放大器幅度和相位非線(xiàn)性的反函數，其中三階項和五階項的系數由一個(gè)微處理器控制。下文將會(huì )詳細討淪如何利用帶外功率來(lái)產(chǎn)生輸入信號的預失真分量。

2 混合預失真器的設計

如前文所述，模擬預失真結構簡(jiǎn)單，響應速度快，但精度不夠；數字預失真精度高，但往往由于功放的非線(xiàn)性嚴重，而使自適應算法的收斂速度較慢。因此考慮在功率放大器通過(guò)數字預失真之前，先通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的模擬預失真器來(lái)改善功率放大器的性能，使得外圍數字預失真系統連接到一個(gè)“線(xiàn)性度更好的功率放大器”，這樣既可以降低自適應算法的迭代時(shí)間，又可以更有效地抑制諧波分量，提高整個(gè)預失真系統的性能表現。圖3為完整的混合預失真系統結構框圖。

圖3中模擬預失真部分采用圖4所示的反相并聯(lián)二極管預失真電路來(lái)產(chǎn)生非線(xiàn)性分量。IM3失真分量的產(chǎn)生是通過(guò)并聯(lián)反向二極管實(shí)現，同時(shí)采用180°的移相器來(lái)實(shí)現信號的處理和匹配功能。移相器O°支路上的線(xiàn)性阻抗可以用來(lái)消除二極管對所產(chǎn)生的線(xiàn)性分量，串聯(lián)電容可以用來(lái)補償二極管對的電抗分量。在該結構中采用了180°電橋，可以使輸入和輸出之間的阻抗特性保持良好的匹配。在二極管支路中還加入了一個(gè)可變電容，用來(lái)調節對稱(chēng)的三階分量的相位差別。

數字預失真部分多項式的產(chǎn)生采用如下結構，如圖5所示。首先，將輸入信號分成同向分量Iin和正交分量Qin，通過(guò)乘法器得到正交輸入信號幅度的平方r2，接著(zhù)r2再通過(guò)乘法器得到r4。r2與r4的幅度由可變的四個(gè)系數ci3，cq3，ci5，cq5來(lái)控制(這四個(gè)系數由微處理器輸輸出)，最后的輸入信號Iin和Qin同前面的多項式相乘就產(chǎn)生了帶有三階和五階失真信號的輸出信號。

上面描述的數學(xué)公式表達如下：

圖3微處理器中自適應算法部分采用線(xiàn)性化處理方法來(lái)簡(jiǎn)化導數的運算：

式中：x代表三階或五階多項式的系數ci3，cq3，ci5,cq5；f(x)為從反饋信號中提取出的帶外信號功率。利用數字電路可以很容易實(shí)現上述功能。

3 計算機仿真及結果

功率放大器的輸入采用已調制的QAM信號，兩路信號相隔1 MHz，載波頻率取850 MHz，誤差信號為鄰域功率，并采用梯度法進(jìn)行尋優(yōu)，使誤差信號最小，從而達到鄰域功率最小的目的。

整個(gè)系統的仿真是在A(yíng)DS 2008中進(jìn)行的，在功率回退3 dB的情況下仿真結果如圖6所示。

圖6(a)為未經(jīng)預失真的功放輸出頻譜，三階交調信號達到了-35 dBc，若不經(jīng)線(xiàn)性化處理會(huì )嚴重影響整個(gè)系統的運行；圖6(b)為只經(jīng)過(guò)數字預失真系統的功放輸出頻譜，三階交調信號有了13 dB的改善，降到了-48 dBc；圖6(c)為本文的混合預失真系統功放輸出頻譜，三階交調信號較單獨數字預失真系統又有了8 dB的改善，降到了-56 dBc，從而使功放輸出端的三階交調信號有了多達21 dB的改善。同時(shí)，從仿真過(guò)程也可以看到，系統收斂時(shí)間也有所減少。

4 結 語(yǔ)

隨著(zhù)移動(dòng)通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，功率放大器的線(xiàn)性化技術(shù)越來(lái)越趨向于多種線(xiàn)性化技術(shù)的結合，模擬預失真的簡(jiǎn)單快速和數字預失真的高精度，兩者的結合定會(huì )有更廣闊的前景。本文就此技術(shù)進(jìn)行重點(diǎn)研究，在A(yíng)DS中進(jìn)行仿真，從理論上驗證了兩者結合的可行性和優(yōu)越性。