一種新的基于DSP的混合預(yù)失真器的設(shè)計

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)致輸出信號的互調(diào)失真。因此，在設(shè)計射頻功率放大器時，必須對其進(jìn)行線性化處理，以便使輸出信號獲得較好的線性度。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，但對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，并通過信號包絡(luò)檢測技術(shù)提取出帶外信號進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而達(dá)到改善輸出信號線性度的目的。同時由于采用了自適應(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，輸入信號被一分為二，上路是P A輸入的主要信號線，下路用于產(chǎn)生非線性信號，通常只產(chǎn)生三階信號。在通過幅度和相位調(diào)整元件之后，下路產(chǎn)生的非線性信號和上路經(jīng)過延遲的輸入信號混合，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)行實現(xiàn)。數(shù)字預(yù)失真器通常有多項式和查表法兩種實現(xiàn)方式。本文主要研究多項式法。

多項式預(yù)失真電路結(jié)構(gòu)如圖2所示，在信號通過功率放大器之前，先通過多項式預(yù)失真器，在輸入信號中加入預(yù)失真分量，產(chǎn)生預(yù)失真信號。反饋回路通過下變頻器和帶通濾波器得到輸出信號中的帶外信號功率，此功率即被用來調(diào)整多項式預(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)利用輸入信號的包絡(luò)來產(chǎn)生兩個只含三階和五階的多項式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)，其中三階項和五階項的系數(shù)由一個微處理器控制。下文將會詳細(xì)討淪如何利用帶外功率來產(chǎn)生輸入信號的預(yù)失真分量。

2 混合預(yù)失真器的設(shè)計

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“線性度更好的功率放大器”，這樣既可以降低自適應(yīng)算法的迭代時間，又可以更有效地抑制諧波分量，提高整個預(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)反向二極管實現(xiàn)，同時采用180°的移相器來實現(xiàn)信號的處理和匹配功能。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可變電容，用來調(diào)節(jié)對稱的三階分量的相位差別。

數(shù)字預(yù)失真部分多項式的產(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系數(shù)ci3，cq3，ci5，cq5來控制(這四個系數(shù)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(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式的系數(shù)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(shù)字電路可以很容易實現(xiàn)上述功能。

3 計算機(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，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(dá)到鄰域功率最小的目的。

整個系統(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)信號達(dá)到了-35 dBc，若不經(jīng)線性化處理會嚴(yán)重影響整個系統(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)信號較單獨數(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)信號有了多達(dá)21 dB的改善。同時，從仿真過程也可以看到，系統(tǒng)收斂時間也有所減少。

4 結(jié) 語

隨著移動通信技術(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)合定會有更廣闊的前景。本文就此技術(shù)進(jìn)行重點研究，在ADS中進(jìn)行仿真，從理論上驗證了兩者結(jié)合的可行性和優(yōu)越性。