利用數(shù)字預(yù)失真線性化寬帶功率放大器

在無線系統(tǒng)中，功放(PA)線性度和效率常是必須權(quán)衡的兩個參數(shù)。工程師都在尋找一種有效而靈活的基于Volterra的自適應(yīng)預(yù)失真技術(shù)，可用于實現(xiàn)寬帶RF功放的高線性度。本文將概述不同數(shù)字預(yù)失真技術(shù)，介紹一種創(chuàng)新性DPD線性化電路特有的自適應(yīng)算法。

在無線系統(tǒng)中，功放(PA)線性度和效率常是必須權(quán)衡的兩個參數(shù)。幸運的是，基于Volterra的自適應(yīng)數(shù)字預(yù)失真(DPD)線性化電路可以使無線系統(tǒng)中的射頻PA達到高線性度高效率。這種自適應(yīng)數(shù)字預(yù)失真方案擴展了功放的線性范圍，同時波峰因數(shù)有降低，可以更強力驅(qū)動射頻PA，而且效率更高，同時滿足傳輸譜效率要求及調(diào)制精度要求。

這種新型數(shù)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。幾百萬門專用信號處理器(ASSP)采用0.13微米CMOS工藝制造，并且包含了數(shù)字上轉(zhuǎn)換、振幅因數(shù)降低以及數(shù)字預(yù)失真。這種“調(diào)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(fù)用技術(shù)(OFDM)，可以改進4 dB，同時滿足鄰近信道功率比(ACPR)和誤差矢量幅值特性?？梢孕拚哌_11階的非線性并達到200 ns的PA存儲效應(yīng)。對多種射頻PA拓撲，一般可改善ACPR 超過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(yù)處理器可以為多種射頻架構(gòu)、調(diào)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(diào)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(tǒng)成本的30%，對環(huán)境影響相當顯著。隨著向“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(jié)合起來，使功放線性度成為下一代基站的關(guān)鍵設(shè)計問題。多年來，提出并實施了大量的功放線性化技術(shù)，如射頻前饋、射頻后饋以及RF/IF預(yù)失真和后失真。其中，與傳統(tǒng)模擬/射頻線性化技術(shù)相比，自適應(yīng)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(shù)字預(yù)失真成為越發(fā)吸引人的選項。

GC5322發(fā)射方案將數(shù)字上變換(DUC)、振幅因數(shù)降低(CFR)以及DPD結(jié)合在高度集成的ASSP中，采用德州儀器公司C67x型DSP內(nèi)置軟件提供的實時自適應(yīng)控制。這種發(fā)射器件可以為多種射頻架構(gòu)優(yōu)化，支持多種空中接口標準，包括CDMA2000、WCDMA、TD-SCDMA、MC-GSM、WiMAX和長期演進(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類或Doherty放大器，設(shè)計為支持信號帶寬達30 MHz的通信系統(tǒng)。此文章分為兩篇，集中說明DPD方案的硬件實現(xiàn)。

基于3G CDMA的無線通信系統(tǒng)以及采用像OFDM方法的多載波系統(tǒng)?？梢蕴幚砀逷AR或振幅因數(shù)信號。非恒定包絡(luò)調(diào)制技術(shù)，如這些系統(tǒng)中使用的正交調(diào)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為高線性幅度和相位響應(yīng)。PA的線性工作范圍一般有限。PA非線性會引起發(fā)射信號互調(diào)失真，導(dǎo)致譜?裂和鄰信道功率比(ACPR)的下降。這一問題的一種簡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性工作區(qū)。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(xiàn)相當大的非線性，導(dǎo)致EVM和ACPR性能變差。

在回退狀態(tài)下工作時，目前使用的傳統(tǒng)AB類功放的效率在5%～10%之間。但使用了振幅因數(shù)降低和自適應(yīng)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，或者甚至動態(tài)包絡(luò)軌跡與DPD 結(jié)合起來的AB類放大器，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性化方案對于前置補償器具有高度精確模型的需求。

在無線系統(tǒng)中，功放(PA)線性度和效率常是必須權(quán)衡的兩個參數(shù)。工程師都在尋找一種有效而靈活的基于Volterra的自適應(yīng)預(yù)失真技術(shù)，可用于實現(xiàn)寬帶RF功放的高線性度。本文將概述不同數(shù)字預(yù)失真技術(shù)，介紹一種創(chuàng)新性DPD線性化電路特有的自適應(yīng)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(xù)討論線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實現(xiàn)大多數(shù)采用無記憶線性化技術(shù)，其中采用瞬間非線性(預(yù)失真)來補償PA的瞬間非線性行為。無記憶性功率放大器的特點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。對這種無記憶性功放，可以采用一種通用查詢表(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性化，就需要自適應(yīng)控制查詢表。

對于PA必須支持更高射頻調(diào)制帶寬的通信系統(tǒng)，無記憶模式證明還不夠，因為它只依賴于幅度，而不是依賴于頻率。必須支持大信號帶寬的PA表現(xiàn)出明顯的記憶效應(yīng)，這是由于DC偏置網(wǎng)絡(luò)中元件的時間常數(shù)大，以及有源器件的快速熱效應(yīng)。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(yīng)的預(yù)失真結(jié)構(gòu)。

任何高效的線性化方案都要求前置補償器有高度精確的模型，如果PA采用直接學習自適應(yīng)架構(gòu)，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性系統(tǒng)模型化技術(shù)，沒有一種方法能是一個普遍的解決方案。因此，模型選擇很難，并且依賴于應(yīng)用。有效的PA模型必須能以合理的精度表示不同類型的非線性和記憶效應(yīng)。

Volterra數(shù)列是一種更普遍的具有記憶性的時變非線性系統(tǒng)模型。包括多維卷積之和，分立時間因果形式下可以寫成式1，式A詳細給出條件，其中多維矩陣h1、h2、… hn為模型化非線性的n階Volterra系數(shù)，Mn為非線性的有限記憶長度。鑒于RF PA考慮到長記憶深度(達1微秒)和非線性級(達11級)，上述模型在數(shù)學上無法處理。必須采用簡化方案以得到實際的前置補償器產(chǎn)品。這些簡化可以分為兩種基本方法：算術(shù)法和模型簡化法。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現(xiàn)方案。對于模型簡化法，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，這些項在實施中沒有意義。這些項可以丟棄，不會造成線性性能出現(xiàn)可測量的惡化。

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

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(shù)和其它截斷Volterra系統(tǒng)。這些算術(shù)簡化方法在線性化方面效率很高，但計算復(fù)雜，并且因為要估算的參數(shù)數(shù)量龐大，常難以實現(xiàn)，使其對實際應(yīng)用不具吸引力。