一種新的混合預失真器的設計

于鵬沖,賈建華

摘 要:通信技術的發展對于功率放大器的要求越來越高,主要集中在高線性、高效率的功放。預失真是目前改善功放線性比較好的方法。新的自適應混合預失真系統充分利用模擬預失真,快速簡單的和數字預失真算法的精確,輸入信號先后經過模擬、數字兩級預失真系統,并結合信號包絡檢測技術進行帶外信號調節。通過對仿真結果的比較,IMD性能比單獨使用數字預失真系統有了8 dB的改善,同時收斂時間也有所減少。

關鍵詞:功率放大器;線性化;自適應預失真;IMD3

中圖分類號:TN710文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2009)19-089-03

New Design of Hybrid Predistorter

YU Pengchong,JIA Jianhua

(College of Electronic and Information Engineering,Tongji University,Shanghai,201804,China)

Abstract:The development of microwave communication has brought forward the demand of high quality linear high power amplifier.Predistortion is one of the best techniques to improve the linearity of the power amplifier.An adaptive hybrid predistortion linearization method using an envelope measurement to adjust the out of band signal is proposed and simulated in this paper.In the new method,combining the analog and digital structure in series,which can make the best of speed and simplicity for analog and algorithmic precision for DSP.By comparing with the results of digital predistortion,this new method can enhance the performance of IMD of 8 dB and reduce the iteration time.

Keywords:power amplifier;linearization;adaptive predistortion;IMD3

0 引 言

現代無線通信的迅猛發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展。一方面,人們廣泛采用工作于甲乙類狀態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,多載波配置技術的采用等,都將導致輸出信號的互調失真[1]。因此,在設計射頻功率放大器時,必須對其進行線性化處理,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單,速度快,成本低,易于高頻,寬帶應用等優點,但對線性度的改善能力有限;數字預失真采用數字電路實現,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。本文首先簡述了普通的預失真線性化技術,而后在此基礎上進行改進,添加了自適應算法,并通過信號包絡檢測技術提取出帶外信號進行調節,從而達到改善輸出信號線性度的目的。同時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PA輸入的主要信號線,下路用于產生非線性信號,通常只產生三階信號。在通過幅度和相位調整元件之后,下路產生的非線性信號和上路經過延遲的輸入信號混合,最后通過功放輸出。精確調整下路預失真器的輸出幅度和相位來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性分量。

圖1 模擬預失真原理圖

1.2 數字預失真基本原理

數字預失真主要在數字域通過DSP技術進行實現。數字預失真器通常有多項式和查表法兩種實現方式。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[2],在信號通過功率放大器之前,先通過多項式預失真器,在輸入信號中加入預失真分量,產生預失真信號。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利用輸入信號的包絡來產生兩個只含三階和五階的多項式F1,F2來模擬功率放大器幅度和相位非線性的反函數,其中三階項和五階項的系數由一個微處理器控制。下文將會詳細討論如何利用帶外功率來產生輸入信號的預失真分量。

圖2 多項式預失真原理圖

2 混合預失真器的設計

如前文所述,模擬預失真結構簡單,響應速度快,但精度不夠[3];數字預失真精度高,但往往由于功放的非線性嚴重,而使自適應算法的收斂速度較慢[4]。因此考慮在功率放大器通過數字預失真之前,先通過一個簡單的模擬預失真器來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“線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間,又可以更有效地抑制諧波分量,提高整個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 混合預失真原理圖

圖3中模擬預失真部分采用圖4所示的反相并聯二極管預失真電路來產生非線性分量[5]。IM3失真分量的產生是通過并聯反向二極管實現,同時采用180°的移相器來實現信號的處理和匹配功能。移相器0°支路上的線性阻抗可以用來消除二極管對所產生的線性分量,串聯電容可以用來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可變電容,用來調節對稱的三階分量的相位差別。

圖4 反向并聯二極管模模擬預失真電路

數字預失真部分多項式的產生采用如下結構[6,7],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ci3,cq3,ci5,cq5來控制(這四個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生了帶有三階和五階失真信號的輸出信號。

圖5 多項式產生電路

上面描述的數學公式表達如下:

r2=Iin2+Qin2

Iout=Iin(ci3r2+ci5r4)

Qout=Qin(cq3r2+cq5r4)(1)

圖3微處理器中自適應算法部分采用線性化處理方法來簡化導數的運算[8,9]:

x(n+1)=x(n)-f{x(n)}?

x(n)-x(n-1)f{x(n)}-f{x(n-1)}(2)

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現上述功能[10]。

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,并采用梯度法進行尋優,使誤差信號最小,從而達到鄰域功率最小的目的。

整個系統的仿真是在ADS 2008中進行的,在功率回退3 dB的情況下仿真結果如圖6所示。

圖6 仿真結果圖

圖6(a)為未經預失真的功放輸出頻譜,三階交調信號達到了-35 dBc,若不經線性化處理會嚴重影響整個系統的運行;圖6(b)為只經過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,從仿真過程也可以看到,系統收斂時間也有所減少。

4 結 語

隨著移動通信技術的迅猛發展,功率放大器的線性化技術越來越趨向于多種線性化技術的結合,模擬預失真的簡單快速和數字預失真的高精度,兩者的結合定會有更廣闊的前景。本文就此技術進行重點研究,在ADS中進行仿真,從理論上驗證了兩者結合的可行性和優越性。

參考文獻

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