一種新的混合預(yù)失真器的設(shè)計(jì)

于鵬沖,賈建華

摘 要:通信技術(shù)的發(fā)展對(duì)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(yù)失真是目前改善功放線性比較好的方法。新的自適應(yīng)混合預(yù)失真系統(tǒng)充分利用模擬預(yù)失真,快速簡(jiǎn)單的和數(shù)字預(yù)失真算法的精確,輸入信號(hào)先后經(jīng)過模擬、數(shù)字兩級(jí)預(yù)失真系統(tǒng),并結(jié)合信號(hào)包絡(luò)檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行帶外信號(hào)調(diào)節(jié)。通過對(duì)仿真結(jié)果的比較,IMD性能比單獨(dú)使用數(shù)字預(yù)失真系統(tǒng)有了8 dB的改善,同時(shí)收斂時(shí)間也有所減少。

關(guān)鍵詞:功率放大器;線性化;自適應(yīng)預(yù)失真;IMD3

中圖分類號(hào):TN710文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):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(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(hào)的互調(diào)失真[1]。因此,在設(shè)計(jì)射頻功率放大器時(shí),必須對(duì)其進(jìn)行線性化處理,以便使輸出信號(hào)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(jiǎn)單,速度快,成本低,易于高頻,寬帶應(yīng)用等優(yōu)點(diǎn),但對(duì)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(shí)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(jiǎn)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(hào)包絡(luò)檢測(cè)技術(shù)提取出帶外信號(hào)進(jìn)行調(diào)節(jié),從而達(dá)到改善輸出信號(hào)線性度的目的。同時(shí)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(hào)被一分為二,上路是PA輸入的主要信號(hào)線,下路用于產(chǎn)生非線性信號(hào),通常只產(chǎn)生三階信號(hào)。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(hào)和上路經(jīng)過延遲的輸入信號(hào)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。

圖1 模擬預(yù)失真原理圖

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(shí)現(xiàn)。數(shù)字預(yù)失真器通常有多項(xiàng)式和查表法兩種實(shí)現(xiàn)方式。本文主要研究多項(xiàng)式法。

多項(xiàng)式預(yù)失真電路結(jié)構(gòu)如圖2所示[2],在信號(hào)通過功率放大器之前,先通過多項(xiàng)式預(yù)失真器,在輸入信號(hào)中加入預(yù)失真分量,產(chǎn)生預(yù)失真信號(hào)。反饋回路通過下變頻器和帶通濾波器得到輸出信號(hào)中的帶外信號(hào)功率,此功率即被用來調(diào)整多項(xiàng)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(hào)的包絡(luò)來產(chǎn)生兩個(gè)只含三階和五階的多項(xiàng)式F1,F2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(xiàng)和五階項(xiàng)的系數(shù)由一個(gè)微處理器控制。下文將會(huì)詳細(xì)討論如何利用帶外功率來產(chǎn)生輸入信號(hào)的預(yù)失真分量。

圖2 多項(xiàng)式預(yù)失真原理圖

2 混合預(yù)失真器的設(shè)計(jì)

如前文所述,模擬預(yù)失真結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,響應(yīng)速度快,但精度不夠[3];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[4]。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(gè)簡(jiǎn)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(gè)“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(shí)間,又可以更有效地抑制諧波分量,提高整個(gè)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 混合預(yù)失真原理圖

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[5]。IM3失真分量的產(chǎn)生是通過并聯(lián)反向二極管實(shí)現(xiàn),同時(shí)采用180°的移相器來實(shí)現(xiàn)信號(hào)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(duì)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(duì)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(gè)可變電容,用來調(diào)節(jié)對(duì)稱的三階分量的相位差別。

圖4 反向并聯(lián)二極管模模擬預(yù)失真電路

數(shù)字預(yù)失真部分多項(xiàng)式的產(chǎn)生采用如下結(jié)構(gòu)[6,7],如圖5所示。首先,將輸入信號(hào)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(hào)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(gè)系數(shù)ci3,cq3,ci5,cq5來控制(這四個(gè)系數(shù)由微處理器輸輸出),最后的輸入信號(hào)Iin和Qin同前面的多項(xiàng)式相乘就產(chǎn)生了帶有三階和五階失真信號(hào)的輸出信號(hào)。

圖5 多項(xiàng)式產(chǎn)生電路

上面描述的數(shù)學(xué)公式表達(dá)如下:

r2=Iin2+Qin2

Iout=Iin(ci3r2+ci5r4)

Qout=Qin(cq3r2+cq5r4)(1)

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(jiǎn)化導(dǎo)數(shù)的運(yùn)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(xiàng)式的系數(shù)ci3,cq3,ci5,cq5;f(x)為從反饋信號(hào)中提取出的帶外信號(hào)功率。利用數(shù)字電路可以很容易實(shí)現(xiàn)上述功能[10]。

3 計(jì)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(hào),兩路信號(hào)相隔1 MHz,載波頻率取850 MHz,誤差信號(hào)為鄰域功率,并采用梯度法進(jìn)行尋優(yōu),使誤差信號(hào)最小,從而達(dá)到鄰域功率最小的目的。

整個(gè)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 仿真結(jié)果圖

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(hào)達(dá)到了-35 dBc,若不經(jīng)線性化處理會(huì)嚴(yán)重影響整個(gè)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(hào)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(hào)較單獨(dú)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(hào)有了多達(dá)21 dB的改善。同時(shí),從仿真過程也可以看到,系統(tǒng)收斂時(shí)間也有所減少。

4 結(jié) 語

隨著移動(dòng)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(jiǎn)單快速和數(shù)字預(yù)失真的高精度,兩者的結(jié)合定會(huì)有更廣闊的前景。本文就此技術(shù)進(jìn)行重點(diǎn)研究,在ADS中進(jìn)行仿真,從理論上驗(yàn)證了兩者結(jié)合的可行性和優(yōu)越性。

參考文獻(xiàn)

[1]Steve C Cripps.RF Power Amplifiers for Wireless Communications[M].Norwood,MA:Artech House,2004.

[2]Stapleton S P,Kandola G S,Cavers J K.Simulation and Analysis of an Adaptive Predistorter Utilizing a Complex Spectral Convolution[J].IEEE Trans.on Vehicular Technology,1993,41(4):1-8.

[3]Steve C Cripps.Advanced Techniques in RF Power Amplifier Design[M].Norwood,MA:Artech House,2002.

[4]劉軍,艾渤.功率放大器數(shù)字基帶自適應(yīng)預(yù)失真技術(shù)研究進(jìn)展[J].電訊技術(shù),2007,47(6):1-6.

[5]Nojima T,Konno T.Cuber Predistortion Linearizer for Relay Equipment in the 800 MHz Band Land Mobile Telephone System[J].IEEE Trans.on Vehicular Technology,1985,34(4):169-177.

[6]Rahkonen T,Kankaala T.An Analog Predistortion Integra-ted Circuit for Linearizing Power Amplifiers[A].IEEE International Conference on Circuits and Systems[C].1998:480-483.

[7]Ding L,Zhou G T,Morgan D R.A Robust Digital Baseband Predistorter Constructed Using Memory Polynomials[J].IEEE Trans.on Communications,2004,52(1):159-164.

[8]Lee K C,Gardner P.Comparison of Different Adaptation Algorithms for Adaptive Digital Predistortion Based on EDGE Standard[A].IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest[C].2001(2):1 353-1 356.

[9]Wesolowski K,Pochmara J.Efficient Algorithm for Adjustment of Adaptive Predistorter in OFDM Transmitter[A].IEEE International Conference on Acoustics[C].2000(5):2 491-2 496.

[10]楊小牛,樓才義,徐建良.軟件無線電原理與應(yīng)用[M].北京:電子工業(yè)出版社,2001.