微波功率放大器預失真線性化技術研究

劉海濤

摘要：現代無線通信飛速發展，有限的頻譜資源上需要承載越來越高的數據流量，4GLTE技術將達到100Mbps的傳輸速率，無線傳輸系統的設計和工作將承受巨大的壓力。系統中的核心部件——微波功率放大器一般都處于非線性工作狀態，而包絡變化的調制信號經過非線性微波功率放大器后會產生互調失真，造成嚴重的碼間干擾和鄰信道干擾。為了保證通信質量，必須采用線性化技術。文章對目前常用的預失真線性化進行梳理，并分析了工作原理、介紹了技術特點，為高線性高效率微波功率放大器的設計提供了重要的參考依據。

關鍵詞：無線通信；微波功率放大器；線性化技術；預失真

1微波功率放大器線性化技術

微波功率放大器線性化技術主要分為兩類：（1）射頻功放的輸入信號是包絡變化的，通過非線性功放后會產生失真分量，但可以利用某種技術來消除所產生的失真信號。如預失真技術或負反饋技術，是通過改變輸入信號的特性來達到消除失真分量的目的。（2）該類技術完全避開了射頻功放的非線性特性，通過某種信號變換使輸入信號變成包絡恒定的信號。如LINC和CALLUM技術是把輸入信號的幅度和相位分離開，形成恒包絡但相位變化的兩路信號，然后通過放大器放大后再合成的技術。另一種技術EE&R則把輸入信號分解成幅度和相位表7K的形式，但只有相位信息通過非線性功放，而幅度信息則用來控制功放的供給電壓，通過這種方式來達到線性化目的[1]。

2預失真線性化技術

預失真技術是一種廣泛使用的射頻功放線性化技術，一個典型的預失真系統如圖1所示，信號經過預失真器，然后進入功率放大器，由于預失真非線性和功率放大器非線性的共同作用，最終產生的輸出信號被“糾正”過來[2]。

根據預失真器在發射機中的位置，可以分為射頻預失真技術、中頻預失真技術和基帶預失真技術；根據預失真器處理信號的形式，可以分為模擬預失真技術和數字預失真（DigitalPre_Distortion，DPD）技術。

2.1模擬預失真技術

模擬預失真技術起源于20世紀中葉對晶體管器件非線性特性研究的開展。1959年MacDonald就提出了用相反的非線性特性來補償三極管本身非線性的方法，這就包含了模擬預失真技術思想。1968年Lotsch提出了分析二極管非線性的理論。

20世紀80年代后，模擬預失真技術進入快速發展時期，這時的主要應用對象是移動通信系統。由于前饋線性化技術成本較高，系統復雜，模擬預失真成為一種低成本、難度低的線性化方案，得到較為廣泛的應用。

模擬預失真的核心是模擬預失真器，傳統的預失真電路有以下幾類。

2.1.1串連二極管預失真電路

主要設計思想：利用二極管正向電流與電壓的指數關系來補償放大器的增益壓縮特性（即AM/AM失真）；二極管正向動態電阻RD與并聯電容CP組成的非線性的移相網絡來補償放大器的相位失真特性（AM/PM失真）。

二極管的偏置電路使之工作在一個合適的低導通狀態，這時，二極管雖然導通，但是導通電流較小，動態電阻較大。當輸入的射頻（RadioFrequency，RF）功率增加時，二極管對其進行整流，使流經自身的靜態電流增加，于是，二極管的動態電阻RD下降，預失真電路的損耗減小（表現b為增益擴展）；同時二極管動態電阻RD與電容CP組成的非線性相移網絡造成的相移量也隨RD的減小而下降，這部分補償了放大器隨輸入信號功率的增加而帶來的信號相移的增加。

2.1.2并聯二極管預失真電路系統

主要設計思想：利用了平行反接二極管的偶次非線性電流相互抵消，只產生3次非線性電流的性質，產生的3次非線性電流就可以被利用來抵消放大器的互調失真分量。2.1.3對消失真預失真電路系統

主要設計思想：利用90°3dB電橋對信號的分配和移相功能和與末級功放的失真特性（AM/AM和AM/PM失真）相類似的功放管，在功放的前級構建一個對消失真預失真器，交調信號的產生與主功放產生的交調進行對消。

傳統的模擬預失真技術雖然成本低廉，但是由于其預失真器并不能完全模擬功放在復雜調制信號下的失真特性，所以線性改善量較低，且只能工作在窄帶下，所以難以應用在現代的多載波寬帶無線通信。

2.2數字預失真技術

數字預失真原理：通過一個預失真元件（Pre-distorter）來和功率放大器（PowerAmplifier，PA）級聯，非線性失真功能內置于數字、數碼基帶信號處理域中，其與放大器展示的失真數量相當（“相等”），但功能卻相反。將這兩個非線性失真功能相結合，便能夠實現高度線性、無失真的系統。

數字預失真技術的難度在于PA的失真（即非線性）特性會隨時間、溫度以及偏壓（bmsmg）的變化而變化，因器件的不同而不同。因此，盡管能為一個器件確定特性并設計正確的預失真算法，但要對每個器件都進行上述工作在經濟上則是不可行的。為了解決上述偏差，必須使用反饋機制，對輸出信號進行采樣，并用以校正預失真算法。

另外，數字預失真的主要瓶頸是寬帶功放的非線性特

性建模以及整個系統帶寬受到數字模擬轉換器（DigitaltoAnalogConverter，DAC）硬件的限制，為保證3階分量以及5階分量的對消，DPD系統的信號處理帶寬必須達到5倍的輸入信號帶寬。

隨著數字技術以及相關算法的發展，自20世紀90年代以來，數字預失真取得了迅猛發展，目前己經成為線性化技術中最具備前景的一種主流線性化技術。目前主要專用DPD芯片有TI公司的GC53XX系列，Optichron公司的OP4400以及OP6180，同時Xilinx以及Altera公司也提出了基于FPGA的DPD方案。

目前DPD功放的瓶頸仍然是帶寬，但是隨著數字技術的發展，目前最優的DPD方案己經可以滿足60MHz的即時帶寬，拉近了與前饋技術的距離。

DPD功放的典型指標如表1所示。

3結語

隨著無線通信技術的發展，對發射機系統的功率效率、頻譜效率、線性度等性能要求也越來越高，線性化功率放大器技術也在隨著系統要求呈現以下趨勢：（1）多模多制式的應用模式越來越廣泛，未來的移動通信網絡將實現多功能化，功率放大器必須同時滿足多種信號制式的線性放大。（2）小型化、高效率。未來的移動通信設備都將往小型化發展，要求功放作為主要發熱單元必須具備較高的效率以及較低的熱耗。（3）與數字系統結合緊密，隨著數字技術的發展以及數字硬件成本的降低，未來的功率放大器將于數字技術結合緊密。可見，功率放大器將圍繞高效率、多模高線性、數字化不斷發展。

[參考文獻]

[1JGHANNOUCHIFM，HASHMIMS.AdvancedtechniquesinRFpoweramplifierdesign-steveC.cripps[J].ArtechHousePrintonDemand，2011（3）：16-18.

[2]吳剛.射頻功放數字預失真技術的設計與實現[D].武漢：武漢理工大學，2009.endprint