電視發射機預校正技術的探索與研究

蔣 琦

（貴州省新聞出版廣電局七九四臺，貴州 六枝特區553400）

0 引言

無論是模擬電視發射機還是數字電視發射機，最基本的要求是功率放大器應具有高增益、高動態、高線性的指標。電視發射機的非線性失真，主要由末級功率放大器產生，數字電視發射機的額定輸出功率按平均功率規定，要求數字電視發射機的末級功率放大器應能在平均功率比峰值功率低得多的情況下高效率應用，在調制信號動態峰值范圍內發射機仍有良好的線性，這就需要采用非線性預校正措施來改善功率放大器的線性。

1 導致非線性失真的主要原因

在電視發射系統中，功率放大器是必不可少的器件，為了獲得足夠大的射頻輸出功率，必須采用功率放大器。發射信號經過一系列的放大并獲得足夠的射頻功率以后，通過饋送到天線上輻射出去。一個理想的放大器，其輸出信號應當如實的反映輸入信號，即二者盡管在幅度上不同，時間上也可能有延遲，但波形應當是相同的。但是，在實際的功率放大器中，由于種種原因，輸出信號不可能與輸入信號的波形完全相同，這是導致發射系統中信號失真的主要原因。

功率放大器產生的失真主要是非線性失真，又稱為波形失真，顧名思義就是輸入信號和輸出信號不成線性關系，使得輸出信號中產生了新的頻率成分，原信號頻譜被改變，從而原有的頻率線性度變差，即產生了非線性失真。

非線性失真的產生，既跟模擬器件(如晶體管)本身的非線性特性有關，更多還是跟當前功率放大器的靜態工作等位置設置不合適或者輸入信號過大有關。

功率放大器本身總是存在著固有的非線性特性。當輸入信號的功率較小時，功率放大器通常工作在線性區，此時并不會產生頻率失真，但是功率放大器的效率很低。因此為了提高功率放大器的效率，生產廠商往往會在一定程度上犧牲線性度，上調各級功率放大管的放大輸出，允許功率放大器工作于接近飽和的非線性區，此時的確獲得更佳的功率放大效率。然而當信號的峰值接近功率放大器的飽和工作點時，就會產生非線性失真。這一點在OFDM等多載波技術中尤其明顯，由于它們不再是恒包絡調制，其功率會隨著時間變化而變化，而且會體現出較高的峰值平均功率比(PAPR)，因此同等條件下非線性失真比PAPR較低的單載波還要嚴重。

2 非線性失真帶來的問題

其一，非線性失真會導致帶外頻譜再生，從而造成鄰信道干擾；其二，非線性失真會對有效帶寬內信號產生互調失真，導致信號質量下降，MER降低，誤差矢量幅度增大。可見，在功率放大器的線性度和工作效率之間存在著矛盾。在超過功率放大器線性工作區后，功率放大器的效率與線性度近似成反比。因此，線性度和功效一直是發射機中功率放大器設計所需要均衡的兩個參數。

衡量發射系統線性度的常用指標是鄰信道功率比，是指相鄰頻率信道的平均功率和當前所用信道的平均功率之比，可以用來描述功率放大器非線性失真引起的信號帶外頻譜失真特性，也就是主功率泄漏到鄰頻信道的程度。同時，輸出信號質量指標MER也可以用來衡量非線性失真程度。

為了解決發射系統的線性度問題，實際中最簡單易行的解決方法就是針對給定的功率放大要求和調制方案，盡量使用線性功率放大器(如A類功率放大器)，并將功率放大器通過功率回退的方式，使之工作到線性且無失真的工作點，同時系統工作效率被降低，但是功率回退法存在以下較多的缺點：

（1）通常功率放大器的線性區是一個很窄的范圍，即使同功率同組成的功率放大器，線性區也并非完全一致，要通過手動調節找到滿足要求的功率放大器的線性工作點是比較困難的。

（2）在OFDM等多載波技術下，PAPR較大，信號容易進入非線性區。此時需要回退很大時才能滿足對信號峰值的線性放大，然而峰值信號出現的概率較低，從而導致功率放大器的效率非常低，功率放大器的大部分非線性區被直接浪費掉。

（3）由于功率回退法降低了功率放大器的效率，在需要使用更大功率的輸出的時候，設備成本將大幅增加。在某些情況下，功率放大器成本可能會達到發射系統總成本的二分之一。

（4）功率回退法會降低電源利用率，增加熱耗散，不符合綠色、環保、節能的概念。

（5）當功率回退到一定程度時，即使繼續回退也將無法顯著改善功率放大器的線性度。

3 功率放大器線性化的方法

數字電視發射機功率放大器線性化的方法，一般采用非線性預校正實現非線性補償控制，改善發射機輸出信號的頻譜特性，保證發射出去的信號始終處于高指標的狀態。預校正主要是針對發射機功率放大器進行的校正，與功率放大器的響應曲線互補，可以提高發射機的平均輸出功率，把在線性區域之外的飽和區通過輸入信號預失真使得輸出信號成線性放大。

在對線性度要求很高的發射系統中，功率回退法已無法滿足系統的要求。因此為了改善功率放大器的線性度，對于功率放大器的線性化電路的研究成為了一時的熱點。例如，傳統的模擬前饋線性化技術(feed—forward法)，它位于發射機功放模塊內，由兩個環路構成，分別用于載波信號的抵消和交調信號的抵消。模擬的前饋線性化技術可提供很好的線性度，但通常效率低下，并且模擬硬件較為昂貴、復雜且不便系統集成和維護。除前饋技術外，其他線性化方法包括笛卡爾反饋和使用非線性組件實現線性放大等。與前饋技術及其變形類似，這些技術雖然在一定程度上能改善功率放大器的線性度，但是或者涉及大量模擬器件，或者需要使用難以控制的非線性組件，并不適合大規模生產。

與對功率放大器直接進行線性化操作不同，所謂預校正，就是預先對將要進入功率放大器的輸入信號的幅度和相位進行預失真，從而以抵消包括功率放大器在內的整個發射鏈路的線性失真和非線性失真的一種操作。可以把預校正操作也看做功率放大器之前的一個非線性器件，它所輸出的信號也“遭受”了線性失真和非線性失真，擴展成了非線性信號，只不過它的非線性特性剛好與發射機包含功率放大器在內的其余器件產生的失真互逆，從而使得包括預失真器和功率放大器在內的整個發射鏈路是一個線性系統，原有的輸入信號被完美地放大，于是發射鏈路最后輸出信號為理想信號。

預校正技術可以在射頻、中頻和基帶位置上完成，分別對應射頻預校正、中頻預校正和基帶預校正。通常射頻預校正和中頻模擬預校正大多在模擬域完成，數字預校正在基帶完成。模擬預校正受限于自身的自增幅效應以及功率放大器中高階非線性特性的影響，對線性度的改善效果有限，同時低階的模擬預失真必然導致高階非線性分量的產生。對于中頻預失真而言，后接的混頻器和濾波器的時延特性還會對預校正的結果產生影響。相比數字信號處理技術的高速發展，模擬的方式存在精度差、處理復雜、調控難的缺陷，約束了它在實際中的推廣應用。

數字基帶預校正是在基帶信號進入DAC之前對輸入信號進行預先的反失真，也就是完全在數字域內進行的改善線性和非線性的數字信號處理，因此有著很多優點。

（1）數字基帶預校正技術需使用少量的模擬器件，因此成本比前饋技術低。

（2）數字基帶預校正技術在基帶進行信號處理，不依賴于系統的工作頻率。

（3）不涉及復雜的模擬和射頻信號處理，全數字化操作，從而具有精度高、一致性強、易于調整和控制等優點。

（4）結構相對簡單、固定，新技術(如自適應技術)可以被方便地應用于數字預失真技術中。

數字基帶預校正技術是預校正發展的必然趨勢。尤其是最新的自適應預校正算法，其擺脫了傳統預校正需要人工干預的手動調節方式，自動化程度高。由于其并非預存失真模型，而是根據放大器的特性變化而變化，因此即使對于具有記憶功能的射頻功率放大器，或者根據時間、溫度變化而變化的非線性特性，也有相當理想的效果。自適應算法通過比較來自功率放大模塊的反饋信號和延遲后的輸入信號，判斷失真程度，實時自動生成預失真曲線，從而完成預校正功能。數字基帶預失真的研究熱點包括DSP自適應算法、查找表非均勻索引、基于神經網絡的自適應預失真和具有記憶功能的功率放大器預失真等。

4 結束語

發射機采用了預校正功能后，功率放大器就可以工作到接近飽和的狀態并同時保持良好的線性，從而大大地提升功率放大器的效率。這相當于在相同輸人功率下能發射更大的功率，從而有利于改善覆蓋效果，或者是在同樣的額定輸出功率下，需要更小的輸入功率，從而有助于降低設備成本和運行成本，也符合能源節省和綠色環保的概念。

［1］周洪.地面數字電視發射系統與覆蓋網絡[Z].