一種基帶預(yù)失真RF功率放大器線性化技術(shù)的模型仿真與實驗_趙洪新

1、2000年5月通 信 學(xué) 報Vol.21No.5 第21卷 第5期JOURNALOFCHINAINSTITUTEOFCOMMUNICATIONSMay2000學(xué)術(shù)論文一種基帶預(yù)失真RF功率放大器線性化技術(shù)的模型仿真與實驗趙洪新,陳憶元,洪 偉(東南大學(xué)無線電工程系,江蘇南京210096)摘 要:提出了一種基于相關(guān)函數(shù)計算的自適應(yīng)環(huán)路延遲補償法,用于功率放大器的數(shù)字式基帶預(yù)失真線性化技術(shù)。對采用這種軟件延時補償方法的預(yù)失真系統(tǒng)特性進(jìn)行了仿真,并采用通用的數(shù)字信號處理器在硬件上實現(xiàn)了一個功放預(yù)失真線性化模型。仿真和實驗結(jié)果表明,在功率放大器的基帶預(yù)失真技術(shù)中采用這種方法可以獲得至少20dB的線性度

2、改善。關(guān)鍵詞:功率放大器;預(yù)失真;線性化;自適應(yīng)中圖分類號:TN830 6 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1000-436X(2000)05-0041-07AbasebandpredistortinglinearizerforRFpoweramplifierprototypesimulationandexperimentationZHAOHong Xin,CHENYi yuan,HONGWei(RadioEngineeringDepartment,SoutheastUniversity,Nanjing210096,China)Abstract:Thispaperpresentsabasebandd

3、igitalpredistortionlinearizermodelwhichenableslinearamplification,correlationmethodisadoptedtoestimatepropagationdelayintheautoadaptationloopforcompensationpurpose SimulationonPCplatformisconductedandaprototypesystemmakeuseofcommondigitalsignalprocessing(DSP)microprocessorhasbeenconstructed Simulati

4、onandexperimentalresultsindicatethatthisapproachcangetatleast20dBimprovementonlinearityofamplifierKeywords:poweramplifier;predistortion;linearization;autoadaptation1 引言近年來,無線通信頻段變得越來越擁擠,為在有限的頻譜范圍內(nèi)容納更多的通信信道,要求采用頻譜利用率高的傳輸技術(shù)。但是由于放大器存在非線性(其輸入輸出特性與輸入信號的包絡(luò)幅度有關(guān)),信號的包絡(luò)波動將產(chǎn)生交調(diào)失真和頻譜擴展。為了解決這個問題,一般的方法是采用大功率放大器進(jìn)

5、行功率回退,使放大器工作在線性放大區(qū)。在這種情況下,電源利用效率一般僅為1%5%左右,而且大功率器件只能輸出很小的有效功率,其本身潛力不能充分發(fā)揮,造成整機成本的提高。另外一個辦法是采用線性化技術(shù),即采用適當(dāng)?shù)耐鈬娐?對放大器的非線性特性進(jìn)行線性化糾正,從而在電路整體上呈現(xiàn)對輸入信號的線性放大效果。近十多年來,有一些線性化方案發(fā)展較為迅速,并已經(jīng)成功地進(jìn)入了實用化階段1,2。如正向前饋(feedforward)補償方案和射頻預(yù)失真(predistortion)方案。但是,這些方案都存在一定的局限性。例如,正向前饋補償法在工作環(huán)境變化時(溫度、時間、工作頻率及電源電壓值發(fā)生改:04-:2000

6、-2542 通 信 學(xué) 報 2000年變),電路的參數(shù)變化不可能嚴(yán)格地保持一致,從而造成放大線性的惡化,因此其穩(wěn)定性不好。同時由于在末級大功率合成器處構(gòu)成自適應(yīng)環(huán)路具有一定的技術(shù)難度,所以一般在功率合成級不便于采用自適應(yīng)技術(shù)。射頻預(yù)失真方法具有電源效率高、成本低等優(yōu)點,是目前較有發(fā)展前途的一種方法。不過,這種方法仍然需要使用射頻非線性有源器件,它們的控制和調(diào)整是一個不易處理的過程?；鶐ьA(yù)失真技術(shù)4不涉及難度大的射頻信號處理,只在低頻部分對基帶信號進(jìn)行補償處理,因此這種方法便于采用現(xiàn)代的數(shù)字信號處理技術(shù)。采用基帶信號預(yù)失真方法,適應(yīng)性較強,而且可以通過增加采樣率及增大量化階數(shù)的辦法來抵消高階互調(diào)

7、失真。因此,發(fā)展基帶預(yù)失真技術(shù)將具有相當(dāng)重要的意義。然而,在基帶信號預(yù)失真系統(tǒng)中,需要正確對比源信號和反饋信號,因此對環(huán)路延時的補償就十分重要。國外學(xué)者提出多種環(huán)路時延的估算方法,如迭代法,周期分量法等。但它們都有一定的缺點,如采用迭代法,則存在精度不好的問題;采用周期分量法,則需要計算傅里葉變換與反變換,運算量大,影響系統(tǒng)的速度。本文嘗試在硬件基帶預(yù)失真電路中采用數(shù)字相關(guān)技術(shù)進(jìn)行延時估算,這種方法無須調(diào)整硬件,而且運算量較小,精度好,本文使用這種方法與絕對收斂的自適應(yīng)二分迭代法相結(jié)合,取得了良好的預(yù)失真線性化效果。本文給出了基帶預(yù)失真RF功率放大器模型的仿真結(jié)果及實驗結(jié)果。仿真和實驗結(jié)果表明

8、,基帶預(yù)失真技術(shù)是改善功率放大器線性度的一種行之有效的方法。4532 基帶預(yù)失真線性化系統(tǒng)的工作原理圖1中,已調(diào)射頻信號均以其基帶復(fù)包絡(luò)的形式表示,虛線框內(nèi)的信號變換過程全部在數(shù)字域內(nèi)由數(shù)字信號處理器軟件完成。輸入端的信號經(jīng)過A/D變換后得到數(shù)字域中的等價信號,記為Vm,對其進(jìn)行預(yù)失真DSP信號處理之后,得到數(shù)字域中的預(yù)失真信號,記為Vd,再經(jīng)過D/A變換后輸出預(yù)失真信號,此預(yù)失真信號通過線性調(diào)制器調(diào)制到載頻上并進(jìn)行功率放大,功放PA的輸出信號記為Va。Va送往天線輸出,其中的一小部分輸出功率通過耦合器送往線性解調(diào)器,解調(diào)信號經(jīng)過A/D變換后,得到的反饋信號記為Vf,此信號用于提供給誤差比較模

9、塊和自適應(yīng)算法模塊作為參考信號,從而決定正確的預(yù)失真特性。預(yù)失真特性由預(yù)失真表(LUT)決定。定義誤差函數(shù)為:E=Vf-K Vm(1)其中K Vm為期望的解調(diào)信號波形,K 為常數(shù),表示系統(tǒng)的線性增益。當(dāng)誤差為零時,預(yù)失真線性化系統(tǒng)達(dá)到理想的收斂狀態(tài)。解調(diào)信號Vf將與Vm的波形相同,只是在幅度上相差常數(shù)增益K。由于功率放大器的非線性特性主要由輸入信號的幅度|Vd|決定,與輸入信號的相角arg(Vd)幾乎無關(guān),所以其增益函數(shù)可以等價為輸入信號幅度的復(fù)值函數(shù)。表征預(yù)失真器特性F6圖1 基帶數(shù)字預(yù)失真電路框圖第5期 趙洪新等:一種基帶預(yù)失真RF功率放大器線性化技術(shù)的模型仿真與實驗 43F(xm)=Fr

10、(xm)exp(jF (xm)其中xm=|Vm|,為輸入信號Vm的幅度的平方值;r和 分別表示模值和相角。22(2) 設(shè)放大器的復(fù)增益G( )為:G(xd)=Gr(xd)exp(jG (xd),其中xd=|Vd|,則功放的輸出信號v 模值和相角分別為:|v |=|Vd|Gr(|vmFr(|vm|2)|2)2222arg(v )=G (|vm|Fr(|vm|)+F (|vm|Fr(|vm|)+arg(vm),系統(tǒng)收斂時必需滿足以下關(guān)系:Gr( )=K,其中K為常數(shù);對相位而言,系統(tǒng)收斂時必需滿足以下關(guān)系:G ( )+F ( )=0。系統(tǒng)自適應(yīng)的目標(biāo)是,選擇最優(yōu)的復(fù)增益函數(shù)F(xm),使得系統(tǒng)的增

11、益為一線性常量K,即:va=vm F|vm| G|vm F|vm|=Kvm在數(shù)字系統(tǒng)中,只能在有限個輸入信號幅度值上達(dá)到目標(biāo)函數(shù)的要求,即:E|vmi|2=0;i=1,2,3,4 N其中 N是滿足目標(biāo)函數(shù)的信號幅度的個數(shù)。N越大,預(yù)失真越精確。為求出一組合適的F|Vmi|2數(shù)值,使得在每一個離散點上的環(huán)路誤差信號為零,可將式(4)表示成如下離散形式:其中E(Fi)=va(Fi)-Kvmi=0Fi=F(|vm|2)v=vmmi222(3)(4)(5)va(Fi)=vmF(|vm|2)G|vmF(|vm|)|2|vm=(6)vmi其中 i=1,2,3,4, N,N是離散點的總個數(shù),也就是LUT表的

12、項數(shù)。Vmi是常數(shù),Fi是對應(yīng)于Vmi的預(yù)失真函數(shù)值,它表示預(yù)失真表中第i個存儲單元的值。Fi是放大器輸出函數(shù)Va( )的自變量,Va(Fi)和Fi的函數(shù)關(guān)系實質(zhì)上就是放大器輸入/輸出特征的等價形式。 這樣,對LUT的離散表項值Fi進(jìn)行自適應(yīng)更新的過程歸結(jié)為方程求根問題。為了求方程(5)的根,可以在輸入信號落入第i個離散區(qū)間時采用一定的自適應(yīng)算法來進(jìn)行。一般文獻(xiàn)均采用線性迭代法,這種方法運算簡單,但是它的收斂速度慢,容易出現(xiàn)不穩(wěn)定。因此,本文采用經(jīng)典的二分求根迭代方法和線性迭代方法相結(jié)合的方法。二分方法是無條件收斂的方法,不存在穩(wěn)定性問題,但這種方法是一種逐步縮小含根區(qū)間的方法,而目標(biāo)函數(shù)是變

13、動的,所以不能自適應(yīng)跟蹤。本文將這兩種方法結(jié)合,先采用二分法定出目標(biāo)解的粗略范圍,然后使用較小的收斂因子,由線性迭代法跟蹤精確解,可以獲得絕對穩(wěn)定、跟蹤性能良好的自適應(yīng)預(yù)失真器。使用二分法時,第k+1步迭代的含根區(qū)間Ik+1滿足:Ik+1=(ak,Fk),當(dāng)E(ak) E(Fk)0(7)其中,Ik=(ak,bk)是第k次迭代時的含根區(qū)間,滿足E(ak) E(bk)cp時(16)Vosat(1-cos(|Vd| /cp) 當(dāng)|Vd|cp時2其中 cp是放大器進(jìn)入飽和點時對應(yīng)的輸入信號幅度。Vosat是放大器的飽和輸出信號幅度。如果取cp=0 9V,Vosat=60V,此模型的AM AM特性如圖3

14、所示。信號的失真度由三階交調(diào)系數(shù)IM3表征。其定義是:IM3=20lg dB基波幅度度,采用了離散傅里葉變換:M-1(17) 為了計算信號序列Vm(n)的三階交調(diào)幅V(k)=n=0 Vm(n)exp-jnkM(18)序列V(k)就是實信號采樣序列Vm(n)的頻譜。輸入信號采用正弦波vm(t)=sin5(2 f1t)V;在所有頻譜圖中,均以基波信號分圖3 放大器模型的AM AM特性曲線量的幅度作為0dB參考值,載波fc為頻率軸的原點。,由圖可知,546 通 信 學(xué) 報 2000年圖4 不采用預(yù)失真時,放大器輸出信號的頻譜圖圖5 N=64時,預(yù)失真放大器的輸出頻譜和圖6反映了系統(tǒng)引入預(yù)失真后,達(dá)到

15、自適應(yīng)收斂狀態(tài)時,輸出信號交調(diào)失真的情況。圖7是在系統(tǒng)達(dá)到收斂狀態(tài)時的預(yù)失真曲線。仿真結(jié)果說明,三階互調(diào)最大可被抑制到約-84dB以下。另外,由圖7可以看出,預(yù)失真特性曲線在小信號區(qū)并不收斂,這是由于在小信號區(qū),放大器工作在截止區(qū),局部增益為零,自適應(yīng)算法不能收斂的緣故。圖6 N=128時,預(yù)失真放大器的輸出頻譜圖7 N=128時,AM AM預(yù)失真特性5 系統(tǒng)模型實驗結(jié)果為了在實踐上對本文所提方法的有效性進(jìn)行驗證,采用TI公司的TMS320C30EVM仿真板制作了一個原型系統(tǒng),作為對基帶預(yù)失真線性化方法進(jìn)行實驗評估的硬件平臺。實驗采用200Hz正弦信號作為基帶輸入信號,經(jīng)過DSP自適應(yīng)預(yù)失真器

16、后,通過線性調(diào)制器將基帶信號搬移到高頻,再通過功率放大器輸出。自適應(yīng)預(yù)失真器從初始狀態(tài)下逐步向最優(yōu)值調(diào)整,系統(tǒng)達(dá)到收斂狀態(tài)后,功放的線性度改善顯著。如圖8所示。實驗證明,環(huán)路時延的估算情況良好,特別地,即使在失真很大的情況下,系統(tǒng)仍然能夠正確地估算出時延量。在功放接近飽和區(qū)工作時,在0 到360 的時延范圍內(nèi),線性度的改善均能達(dá)到20dB,不受環(huán)路時延的影響。實驗結(jié)果與理論運算之間的差距主要由A/D、D/A變換誤差及解調(diào)器非線性引起,在精度第5期 趙洪新等:一種基帶預(yù)失真RF功率放大器線性化技術(shù)的模型仿真與實驗 47 6 結(jié)論仿真和實驗結(jié)果說明,采用相關(guān)算法計算環(huán)路的延時量是非常成功的,同時,

17、在本文提出的方案中,預(yù)失真補償器及延時抵消器均在數(shù)字信號處理器內(nèi)部用程序?qū)崿F(xiàn),無需進(jìn)行復(fù)雜的硬件調(diào)整,非常靈活。它充分說明了這一技術(shù)的優(yōu)點:穩(wěn)定性好,調(diào)試和系統(tǒng)升級方便,有利于測試、集成和大規(guī)模生產(chǎn),而且精度高,線性度改善效果顯著。另外,由于信號的預(yù)失真處理全部在基帶頻7圖8 N=128,預(yù)失真線性化原型的實驗結(jié)果率上進(jìn)行,所以無需處理復(fù)雜的高頻電路,同時也給系統(tǒng)的控制帶來很大方便。如果將DSP算法全部采用高速硬件實現(xiàn),則速度可以大大提高,從而有可能獲得較大的線性化帶寬。因此,采用數(shù)字式預(yù)失真技術(shù)對放大器進(jìn)行線性化補償,不失為一種功放線性化技術(shù)的新方法。 當(dāng)然,數(shù)字信號處理也存在缺點。例如,對

18、于簡單的信號處理任務(wù),若采用DSP則成本增加。DSP系統(tǒng)中的高速時鐘可能帶來高頻干擾和電磁泄漏等實際問題。同時,DSP系統(tǒng)所消耗的功率也大。此外,信號的預(yù)失真處理是通過DSP運算來進(jìn)行的,因此,預(yù)失真器所能處理的最高信號速率將受制于處理器的運算速度6。不過,數(shù)字預(yù)失真技術(shù)在穩(wěn)定性和靈活性方面的優(yōu)越性是毋庸置疑的810。作者相信,隨著數(shù)字技術(shù)和電路技術(shù)的發(fā)展,數(shù)字預(yù)失真技術(shù)在功率放大器的線性化方面將會得到越來越廣泛的應(yīng)用。參考文獻(xiàn):1 QIANCheng,CHENYi yuan,ZHUXiao wei Arelativelylowpowerfeedforwardamplifierthatdemo

19、nstratesthefeasibilityoftheadaptivefeedforwardlinearizationtechniqueJ MicrowaveJournal,1998,41:86982 EIDEE,GHANNOUCHIFM Adaptivenullingloopcontrolfor1 7GHzfeedforwardlinearizationsystemsJ IEEETransonMicrowaveTheoryandTechniques,Jan 1997,45:83863 MORRISK AbroadbandlinearpoweramplifierforsoftwareradioapplicationsA VTC 98C.215021554 NAGATAY LinearamplificationtechniquefordigitalmobilecommunicationsA ProcIEEEVehTechnolConfC.SanFrancisco,CA,1989:1591645 FAULKNERM,JOHANSSONM Adaptivelinearizationusingpredistortion experimentalresultsJ IEEETransactionso