一種新的基于DSP的混合預(yù)失真器的設(shè)計(jì)

0 引 言

現(xiàn)代無線通信的迅猛發(fā)展日益朝著增大信息容量，提高信道的頻譜利用率以及提高線性度的方向發(fā)展。一方面，人們廣泛采用工作于甲乙類狀態(tài)的大功率微波晶體管來提高傳輸功率和利用效率；另一方面，無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(dǎo)致輸出信號(hào)的互調(diào)失真。因此，在設(shè)計(jì)射頻功率放大器時(shí)，必須對(duì)其進(jìn)行線性化處理，以便使輸出信號(hào)獲得較好的線性度。一般常用的線性化技術(shù)包括：功率回退、預(yù)失真、前饋等。其中，模擬預(yù)失真具有電路結(jié)構(gòu)簡單，速度快，成本低，易于高頻，寬帶應(yīng)用等優(yōu)點(diǎn)，但對(duì)線性度的改善能力有限；數(shù)字預(yù)失真采用數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)，適應(yīng)性強(qiáng)，精度高，但由于采用自適應(yīng)迭代算法，收斂速度較慢。本文首先簡述了普通的預(yù)失真線性化技術(shù)，而后在此基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，添加了自適應(yīng)算法，并通過信號(hào)包絡(luò)檢測技術(shù)提取出帶外信號(hào)進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而達(dá)到改善輸出信號(hào)線性度的目的。同時(shí)由于采用了自適應(yīng)控制電路，當(dāng)功率變化，溫度變化，以及器件老化等情況下，系統(tǒng)的性能可仍然保持良好。

1 預(yù)失真基本原理

1．1 模擬預(yù)失真基本原理

最基本的模擬預(yù)失真結(jié)構(gòu)如圖1所示，輸入信號(hào)被一分為二，上路是P A輸入的主要信號(hào)線，下路用于產(chǎn)生非線性信號(hào)，通常只產(chǎn)生三階信號(hào)。在通過幅度和相位調(diào)整元件之后，下路產(chǎn)生的非線性信號(hào)和上路經(jīng)過延遲的輸入信號(hào)混合，最后通過功放輸出。精確調(diào)整下路預(yù)失真器的輸出幅度和相位來設(shè)置三階預(yù)失真的系數(shù)，從而達(dá)到抵消功放輸出中的三階非線性分量。

1．2 數(shù)字預(yù)失真基本原理

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

多項(xiàng)式預(yù)失真電路結(jié)構(gòu)如圖2所示，在信號(hào)通過功率放大器之前，先通過多項(xiàng)式預(yù)失真器，在輸入信號(hào)中加入預(yù)失真分量，產(chǎn)生預(yù)失真信號(hào)。反饋回路通過下變頻器和帶通濾波器得到輸出信號(hào)中的帶外信號(hào)功率，此功率即被用來調(diào)整多項(xiàng)式預(yù)失真器的系數(shù)，以減小帶外功率。這種自適應(yīng)的預(yù)失真技術(shù)利用輸入信號(hào)的包絡(luò)來產(chǎn)生兩個(gè)只含三階和五階的多項(xiàng)式F1，F(xiàn)2來模擬功率放大器幅度和相位非線性的反函數(shù)，其中三階項(xiàng)和五階項(xiàng)的系數(shù)由一個(gè)微處理器控制。下文將會(huì)詳細(xì)討淪如何利用帶外功率來產(chǎn)生輸入信號(hào)的預(yù)失真分量。

2 混合預(yù)失真器的設(shè)計(jì)

如前文所述，模擬預(yù)失真結(jié)構(gòu)簡單，響應(yīng)速度快，但精度不夠；數(shù)字預(yù)失真精度高，但往往由于功放的非線性嚴(yán)重，而使自適應(yīng)算法的收斂速度較慢。因此考慮在功率放大器通過數(shù)字預(yù)失真之前，先通過一個(gè)簡單的模擬預(yù)失真器來改善功率放大器的性能，使得外圍數(shù)字預(yù)失真系統(tǒng)連接到一個(gè)“線性度更好的功率放大器”，這樣既可以降低自適應(yīng)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(yù)失真系統(tǒng)的性能表現(xiàn)。圖3為完整的混合預(yù)失真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。

圖3中模擬預(yù)失真部分采用圖4所示的反相并聯(lián)二極管預(yù)失真電路來產(chǎn)生非線性分量。IM3失真分量的產(chǎn)生是通過并聯(lián)反向二極管實(shí)現(xiàn)，同時(shí)采用180°的移相器來實(shí)現(xiàn)信號(hào)的處理和匹配功能。移相器O°支路上的線性阻抗可以用來消除二極管對(duì)所產(chǎn)生的線性分量，串聯(lián)電容可以用來補(bǔ)償二極管對(duì)的電抗分量。在該結(jié)構(gòu)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，用來調(diào)節(jié)對(duì)稱的三階分量的相位差別。

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

上面描述的數(shù)學(xué)公式表達(dá)如下：

圖3微處理器中自適應(yīng)算法部分采用線性化處理方法來簡化導(dǎo)數(shù)的運(yùn)算：

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

3 計(jì)算機(jī)仿真及結(jié)果

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

整個(gè)系統(tǒng)的仿真是在ADS 2008中進(jìn)行的，在功率回退3 dB的情況下仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6(a)為未經(jīng)預(yù)失真的功放輸出頻譜，三階交調(diào)信號(hào)達(dá)到了-35 dBc，若不經(jīng)線性化處理會(huì)嚴(yán)重影響整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行；圖6(b)為只經(jīng)過數(shù)字預(yù)失真系統(tǒng)的功放輸出頻譜，三階交調(diào)信號(hào)有了13 dB的改善，降到了-48 dBc；圖6(c)為本文的混合預(yù)失真系統(tǒng)功放輸出頻譜，三階交調(diào)信號(hào)較單獨(dú)數(shù)字預(yù)失真系統(tǒng)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(diào)信號(hào)有了多達(dá)21 dB的改善。同時(shí)，從仿真過程也可以看到，系統(tǒng)收斂時(shí)間也有所減少。

4 結(jié) 語

隨著移動(dòng)通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，功率放大器的線性化技術(shù)越來越趨向于多種線性化技術(shù)的結(jié)合，模擬預(yù)失真的簡單快速和數(shù)字預(yù)失真的高精度，兩者的結(jié)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ADS中進(jìn)行仿真，從理論上驗(yàn)證了兩者結(jié)合的可行性和優(yōu)越性。