利用数字预失真线性化宽带功率放大器

线性功率放大器数字预失真技术研究现代通信系统中大多数采用了频谱利用率高的线性调制技术，如QPSK，QAM 和8PSK等等。

这些调制技术的特点是信号的幅度是非横包络，即具有一定的峰均比。

高峰均比的调制信号对功放的设计提出了更高的要求，高峰均比意味着功放大多数情况工作在饱和点以下，代价是效率低。

为了提高功放的效率，通常让功放工作在饱和区或采用一些高效率功放技术（如Doherty），但是这些高效率功放的线性度较差，结果导致信号频谱展宽和误码率上升。

因此，现代的通信系统中多数采用线性化技术+高效率功放技术来缓和效率与线性度之间的矛盾。

在众多线性化技术中，数字预失真技术是最有效的技术之一。

本文先介绍功放的非线性分析，说明了功放的射频模型与功放的基带模型之间的关系。

介绍了Wiener，Hammerstein和Memory Polynomial等几种有记忆的基带功放模型，此外还说明非恒包络信号对功放模型影响，即功放的特性主要受平均功率的影响。

本文研究的重点是预失真模型参数提取过程，即如何将估计的预失真模型参数应用于预失真器。

功放输入输出数据需要归一化至某一功率电平，这样估计出的参数才能直接用于预失真模型。

先介绍间接学习结构的参数提取过程，并介绍两种增益选择方式（最大增益类型和最大功率类型）的预失真参数提取过程，然后提出通用的参数提取模型并作详细讨论。

本文还详细说明了预失真器对输入信号峰均比的影响，即预失真器输出信号的峰均比高于输入信号的峰均比，这导致预失真信号的平均功率低于训练信号的平均功率。

由于平均功率不同而导致功放的特性发生变化，预失真模型已经偏离功放的逆模型，从而达不到预期的预失真效果，解决的办法是通过迭代或结合削峰技术。

此外本文还介绍了复数QR分解在FPGA中的实现。

本文最后研究基于LTE信号的数字预失真验证系统设计，包括LTE信号产生，插值，数字上下变频，基于参数插值的预失真器以及模拟上下变频的设计。

功率放大器数字预失真在电缆分配系统中的优势及挑战简介电缆系统于20世纪50年代初在美国首次问世。

即使技术和分配方式在迅速发生变化，电缆作为数据分配通道却始终保持着重要地位。

新技术在现有电缆网络上已实现分层。

本文重点介绍这一技术演进的其中一方面——功率放大器(PA) 数字预失真(DPD)。

这是许多从事蜂窝系统网络研发工作的人士将会熟悉的一个术语。

将该技术迁移到电缆能够带来明显的功效和性能提升，同时也带来了巨大的挑战。

本文深入探究其中的一些挑战并概述相应的解决方案。

了解要求功率放大器在非线性区域工作时，其输出将失真。

这一失真可能会影响带内性能，还可能导致无用信号溢出到邻道。

溢出效应在无线蜂窝应用中特别重要，因此对邻道泄漏比(ACLR) 有严格的规定和控制。

突出的控制技术之一是在信号到达功率放大器之前对其进行数字整形或预失真，从而消除功率放大器中的非线性。

电缆环境则完全不同。

首先，可将其视为封闭环境。

电缆中发生的情况不会扩展到电缆外！运营商拥有并控制整个频谱。

带外(OOB)失真并不是关注重点，带内失真才是至关重要的。

服务提供商必须确保最高质量的带内传输通道，以便能够利用最大的数据吞吐量。

其中一个方法是使电缆功率放大器严格运行在线性区域内。

采用这种工作模式的代价是功效极差。

图1概要显示了典型的电缆应用。

尽管该系统功耗近80 W，但仅传送了2.8W信号功率。

功率放大器是功效极低的A类架构。

最大瞬时峰值效率可以计算为50%（当信号包络最大时，假定为电感负载）。

如果功率放大器完全在线性区域工作，则考虑电缆信号的极高峰均比（通常为14 dB）意味着放大器需要比信号压缩开始时平均低14 dB的工作条件，从而确保即使在信号的峰值处也不会发生信号压缩。

回退与放大器工作效率直接相关。

当放大器回退14 dB以适应各种电缆信号时，工作效率将降低10–14/10。

因此，工作效率。

通过数字预失真改善功率放大器地效率上网时间：2007年11月22日关键字:功率放大器数字预失真DSP FPGA无线应用中地功率放大器有望通过提供优良地线性和效率,来处理现代通信系统中所采用地复杂波形.而这并非通过构建具有更纯净性能地射频功率放大器,因为这样做会增加成本、降低效率并产生可靠性问题,今天地设计师而是选择通过采用数字预失真(DPD –Digital Pre-Distortion>技术来增加数字处理能力,该技术有助于将功率放大器(PA>地效率最大化,增加可靠性,并降低操作成本.b5E2RGbCAP 与模拟方式相比,数字技术在成本、功耗和可靠性方面提供了诸多优势.由于这些优点,老式地窄带、单载波、三重转换系统正在被数字信号处理(DSP>和DAC控制地宽带、多载波发射机所取代,DSP和DAC产生直接IF,甚至直接RF输出到RF放大器.p1EanqFDPw 无线系统正向用户提供一系列地服务和益处.不幸地是,先进无线技术地优势往往不惜牺牲增加功耗和操作成本.现代蜂窝和无线技术,特别是数字射频通信网络,比以往任何时候发送和接收更多地数据、更多地视频以及更多地音频.如HSDPA、HSUPA、1xEVDO、WiMAX 等新标准,以及长期演进(LTE>需要更大地功耗,产生更多和更大地射频波形峰值,并允许更大地数据脉冲.因此,现代无线设备所生产地射频信号具有空前地峰值平均值比(PAR>,并在一个已经拥挤地射频频谱内存在失真地可能性.DXDiTa9E3d由于采用空前地高功耗与现代PAR,功率放大器正在被推向之前从未有过地极限,并导致瞬变现象以及低效成本.更大地放大器可以消耗更多地功耗,从而使得短期资本支出以及长期经营费用急速膨胀.更大、更昂贵地电池需要同样地后备能力.此外,更大地功耗和生产加剧了散热和电气条件,这可能产生可靠性问题.RTCrpUDGiT 当支持先进无线技术地功放工作时,设计师和网络运营商可能选择两条路径中地一条：增加“腕力”(即功耗>或者增加“头脑”(即性能>.其中,前者有效增加了对上述成本和可靠性地关注,而后者是在功放效率最大化与严格控制频谱之前推动数字失真波形地新策略.通过采用适当地测试设备,数字预失真(DPD>技术可以实现更小、更具效率地功放,从而减少开发和运营成本,并同时提升网络与设备地可靠性.5PCzVD7HxA无论高功率卫星地面站、多载波蜂窝基站,甚至是低功耗移动通信系统,现代发射机采用多种预失真技术来减少信道外干扰,并优化运行效率.其中最流行和最有效降低失真地方法之一就是自适应DPD.jLBHrnAILg这种方法对发射机地输出进行采样来计算误差向量并生成校正系数,然后将其用来预校正输入信号.为了减少模拟电路失真,链路中地信号尽可能采用数字格式保存.xHAQX74J0X图1表示了如何提取放大器输出信号地一部分,然后进行下变频以及数字化.将该数字信号提供给DSP电路,该电路实现了目前信号中地非线性分析并产生非线性校正系数.这些非线性系数用于调整传输链路中输入地同相(I>和正交(Q>信号.正如在传输链路中所看到地,目前采用将预失真以及减少PAR地信号在经DAC转换回模拟域之后提供给放大器.所得到地输出信号与没有采用预失真技术地信号相比,减少了频谱失真并改善了邻道泄漏比(ACLR>地性能.LDAYtRyKfE数字预校正放大器与先前地前馈式结构相比,提供了具有更高功率附加效率(PAE>地优良频谱效率,极大减少了发热,提高了可靠性并降低了运营成本.该方法已经超越了作为蜂窝基站支路地作用,并且目前作为手机、卫星,甚至是自适应相控阵雷达地反馈线性化.Zzz6ZB2Ltk然而,这一情况产生了传统模拟系统中所见不到地各种各样地故障诊断挑战.可能会由ADC和DAC,或者通过传输链路中模拟转换之前地对信号进行处理地DSP将数字失真引入到传输链路中.这些失真往往特性短暂,而且利用传统地频谱分析仪难以或无法进行捕捉.其可能仅仅是极少发生,并可能在邻近地和替代地信道对频域地产生影响.对瞬态频域信号进行有效地故障诊断不仅需要检测出问题,而且还要有能力对其进行定位并捕获记录用于进行分析.dvzfvkwMI1对这些系统特性进行描述是新地挑战.在开发阶段,整个传输链路具备有效性之前,可对各种预失真和减少PAR地方法进行测试和优化.必须采用测试设备对反馈链路信号经常进行捕捉,并在有效完成硬件(ASIC或FPGA>之前地离线软件中实现对新非线性失真系数地计算.然后,通过利用这些系数,将校正算法应用到最初地I和Q信号并将结果载入到任意波形发生器(AWG>中来对其性能进行测试.rqyn14ZNXI信号速率以及功率地变化也是问题.由于许多无线信号采用突发式(如1xEV、HSxPA或WiMAX信号等>,脉冲波形(如无线电、RFID/NFC或Zigbe信号等>,或者依靠自适应技术(通过改变编码或调制率>,射频功率水平变化很快.通常,这些变化地发生比反馈回路可以响应地更快.不同于先前地线性结构,如前馈放大器,放大器是盲目快速变化地,而反馈回路感应并适应这些变化.这可能会导致意想不到地信号性能,而这可能破坏网络地可靠性及其操作.EmxvxOtOco 实施、测试并简化DPD并不是新鲜.传统扫频频谱分析仪和矢量信号分析仪(VSA>实现了某种程度地DPD测试,甚至足以通过大部分标准地要求.但瞬变和其他看不见地影响不可避免地存在,因为这些残余成分只能显示RF频谱地扫描或瞬象.SixE2yXPq5数字预失真DPD(Digital Pre-Distortion>:PA线性化技术更大地突破是可使信号预失真.预失真是PA线性化地“法宝”,不过这也非常复杂,并要求了解PA失真特性——而该特性地变化方式非常复杂.6ewMyirQFL预失真原理：通过一个预失真元件(Pre-distorter>来和功放元件(PA> 级联,非线性失真功能内置于数字、数码基带信号处理域中,其与放大器展示地失真数量相当(“相等”>,但功能却相反.将这两个非线性失真功能相结合,便能够实现高度线性、无失真地系统.数字预失真技术地挑战在于PA地失真(即非线性>特性会随时间、温度以及偏压(biasing>地变化而变化,因器件地不同而不同.因此,尽管能为一个器件确定特性并设计正确地预失真算法,但要对每个器件都进行上述工作在经济上则是不可行地.为了解决上述偏差,我们须使用反馈机制,对输出信号进行采样,并用以校正预失真算法.数字预失真采用数字电路实现这个预失真器(Predistorter>,通常采用数字信号处理来完成.通过增加一个非线性电路用以补偿功率放大器地非线性.这样就可以在功率放大器(PA>内使用简单地AB类平台,从而可以消除基站厂商制造前馈放大器 (feedforwardamplifier>地负担和复杂性.此外,由于放大器不再需要误差放大器失真矫正电路,因此可以显著提高系统效率.kavU42VRUs预失真线性化技术,它地优点在于不存在稳定性问题,有更宽地信号频带,能够处理含多载波地信号.预失真技术成本较低,工艺简单,便于生产,效率较高,一般可以达到19%以上.y6v3ALoS89数字预失真地缺点：线性度略低于前馈技术,但是目前两者地水平已经比较接近.数字预失真技术目前之所以没有像前馈技术那样得到广泛应用,主要原因是该技术存在以下技术瓶颈：宽带功放地非线性特性建模,它地挑战在于PA地失真(即非线性>特性会随时间、温度以及偏压(biasing>地变化而变化,因器件地不同而不同.华为公司目前已经完全掌握了该技术,并已经成功应用于WCD-MA基站产品中.M2ub6vSTnP。

功率放大器的数字预失真——固定预失真或自适应预失真？Konstantin N.Tarasov;Eric J.Mc Donald;Eugene Grayver【期刊名称】《通信对抗》【年(卷),期】2010(0)4【摘要】实践已经证明,射频线性化技术和数字预失真技术都可以有效地抵消大功率放大器工作在饱和点附近时由非线性特性产生的失真.由于数字预失真器成本低、实现简单.这使之成为昂贵的、高功耗射频线性化器的一种非常有希望的备选方案.数字预失真器根据输入信号的大小调整信号幅度和进行移相.其调整系数取决于放大器的非线性特性,这些系数既可以直接通过网络分析仪测量放大器的特性而获取,也可以藉由自适应调整初始估计值获得,从而使得误差减少到最小.误差通常是指发射信号和取样信号之间的差异.自适应可使用标准的梯度下降算法,如最小均方(LMS)来完成.本文比较了两种方法的测试结果,这些测试是针对航天级行渡管放大器(TWTA)进行的.结果表明自适应方法具有更好的频域特性(肩部减小),然而在改善信噪比和误码率方面,这两种方法的性能几乎是一样的.【总页数】6页(P55-60)【作者】Konstantin N.Tarasov;Eric J.Mc Donald;Eugene Grayver【作者单位】The Aerospace Corporation El Segundo,CA;The Aerospace Corporation El Segundo,CA;The Aerospace Corporation El Segundo,CA【正文语种】中文【相关文献】1.一种改进的功率放大器数字预失真自适应算法 [J], 孙黎明;邓昌良2.基于并行演化计算的记忆非线性功率放大器数字预失真研究 [J], 刘钊;胡力3.基于数字预失真的线性功率放大器研究 [J], 汪琳娜;杨新;4.数字预失真在高功率放大器中的应用 [J], 孙寒涛;李世伟;韩军;杨作成5.是德科技推出PXIe测量加速器,测量速度提升百倍新的能力使功率放大器数字预失真测试成为业界领先 [J],因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

利用RF预失真实现功放线性化
线性是多模多载波无线网络的一个关键性能，这些网络包括宽带第三
代(3G)和第四代(4G)蜂窝系统，包括减小了覆盖区域并且采用低发射功率架
构的小型蜂窝基站。

其亮点在于射频/微波功率放大器(PA)能以低成本和低系
统功耗提供所需的性能。

遗憾的是，功放的操作通常不是线性的，可工作在
平均输出功率0.5W至60W的线性化功放的高性价比方案还没有实现。

但有种解决方案已经浮出水面，即Scintera公司的射频功放线性器(RFPAL)系统级芯片(SoC)解决方案。

该方案采用预失真技术来改善输出功率
电平在60W以下的功放线性度。

特别是在10W以下时(这种情况下，大多数
功放都是基于A类或AB类偏置电路)，RFPAL电路提供了极具吸引力的回
退替代方案。

为更好地理解这些RFPAL解决方案的用途和射频预失真(RFPD)技术的使用，本文将该方法与数字预失真(DPD)和回退等用于改善功放线性度
的传统方法进行了比较。

没有功放是完美的。

当馈入多频输入信号时，功放将提升有用信号，
但也会产生无用的互调(IM)项(图1a)。

当功放接近饱和时，这种非线性行为
会愈加明显。

为了在没有采取预失真技术的条件下获得可接受的线性度，功
放通常要从饱和点(图2a中的PSAT(3dB))回退。

遗憾的是，当放大器的工作
点回退时，放大器的直流效率将下降(图1b)。

对于已经进入回退模式以适应。

宽带功率放大器预失真技术综述摘要：随着无线需求和无线业务的不断增加，传输信号必将不断向高质量高速率宽带宽发展。

在宽带应用中，由于传输信号带宽增加，宽带功率放大器不同于窄带输入下的无记忆特性，将表现出频率有关的记忆非线性特性。

本文重点阐述了功率放大器的线性化技术，数字预失真的基本原理及学习结构，功率放大器的基本模型及模型的评估指标。

关键词：功率放大器,线性化,数字预失真,模型0引言随着无线通信技术的日益发展和普遍使用，为高速多媒体业务需求而开发的移动通信3G技术在通讯容量与质量等方面将不能满足人们日趋增长的需求，而且移动4G系统也日益商用化，其系统不只是单一地为了适应宽带和用户数的增长，更为重要的是它适应多媒体的传输需求，将多媒体等洪量信息通过信道高速传输出去，而且对通讯服务质量提出了更高的要求。

近年来，随着全球对环保要求的提高，人们关注的不仅仅是频谱效率的提高问题，还关注到功率效率、能量效率的提高问题。

绿色通信的概念正是在这样的背景下提出的，大量提高功效和能效的技术也涌现出来。

绿色通信技术主要采用创新性的分布式技术、高功率放大器、多载波等技术以减小能量消耗。

作为无线通信系统中不可或缺的重要部件之一，关于功率放大器的线性化研究及其实现，对推动绿色通信概念及理论的深入发展、对节能减排的意义重大，是一项具有理论意义和实际应用价值的课题。

功率放大器是通信系统中的一个关键部件，功放的非线性特性引起的频谱扩会对邻道信号产生干扰，并且带失真也会增加误码率。

随着新业务的发展，现代无线通信系统中广泛采用了正交幅度调制（Quadrature Amplitude Modulation, QAM）、正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM）技术等高频谱利用率的调制方式。

这些调制方式对发射机中射频功放的线性度提出了很高的要求。

因此为了保障通信系统的功率效率和性能，必须有效的补偿放大器的非线性失真，使放大器能够高效的线性工作。

宽带功率放大器预失真设计与实现人类对无线电频谱资源的需求急剧膨胀,为了有效地利用稀缺的无线电频谱资源,一些频谱利用率较高的调制方式和传输技术如多电平正交幅度调制(M-QAM)、正交频分复用(OFDM)、宽带码分多址(WCDMA)得到了广泛的应用。

而这些调制方式和传输技术有着共同的缺点:信号的包络波动大、峰均比(PAPR)高、经非线性功率放大器(PA)放大后产生严重失真。

放大器的非线性特性引起带内失真和带外频谱再生,带内失真损害信号质量,从而导致系统的整体通信性能下降,而带外频谱再生带来邻道干扰(ACI)和其它意外的干扰。

随着无线通信技术的快速发展,对PA的线性度要求越来越高。

在许多的线性化技术中,预失真技术以其高度的灵活性和良好的线性化性能成为PA线性化技术中的最佳选择,并成为当前通信系统和下一代无线通信系统的基本组成部分。

本文在OFDM信号的背景下,对线性化PA的预失真技术进行了研究,内容涉及预失真系统结构、PA的数学模型、预失真算法等方面,同时结合PAPR抑制方法进行了深入研究。

主要工作和创新点如下:1.提出数字预失真与压扩变换相结合来补偿非线性失真的新方案。

在多项式预失真系统结构中嵌入压扩变换模块,该方案结构简单,容易实现。

所提议的预失真器采用记忆多项式自适应数字预失真技术降低带外频谱干扰和非线性失真。

PA模型是Wiener模型,其中的无记忆非线性部分是Saleh模型。

压扩变换是一种降低OFDM信号PAPR的技术,其实质是一种基于数值变换的信号预失真方法。

仿真结果表明,该方案既最大化地实现了 PA线性度,又有效地抑制了 OFDM信号的PAPR。

2.提出数字预失真与限幅滤波结合的PA改进设计。

在多项式模型下,研究信号处理的整个过程。

首先通过限幅滤波模块限制超过门限的信号,然后经过多项式预失真模块,采用自适应算法调节系数,输出的信号进入PA进行放大。

该方案解决PA预失真收敛速度慢、信号的高PAPR值等问题。

用数字预失真改善放大链路瞬时宽带幅频响应摘要：数字预失真技术应用于信号产生系统，结合放大链路增益曲线的软件自动提取，可以极大地改善放大链路瞬时宽带幅频响应。

关键词：数字预失真；幅频响应；放大链路引言在一些应用场合，需要在远场配置一个大功率的瞬时带宽较宽的多谱线信号，通过无线传播以辅助系统完成设备的测试、性能调整等工作。

因整个信号产生链路宽带幅频响应不理想，产生的宽带信号中各频率分量的幅度波动较大，很大地影响了系统的调整效果，严重时甚至使系统所做工作无效。

近年来，数字预失真技术越来越多地用于信号产生系统，用于补偿链路某种不理想的响应。

如果将数字预失真用于瞬时宽带信号的产生，并能实现对整个放大链路宽带幅频响应的极大改善，将非常具有应用价值。

1宽带大功率信号产生链路组成宽带大功率信号产生链路主要由波形发生器、信道调理、功率放大器三部分组成。

其中波形发生器基于软件无线电原理进行设计，主要由大规模数字可编程器件结合高速数模转换器实现，其作用是产生瞬时宽带小信号。

信道调理主要由调谐通道、滤波电路等实现，用以完成频谱搬移、滤波、信号均衡等功能。

功率放大器主要负责将小信号放大至系统所需的发射功率，其本身自带反馈电路，用以完成功率过冲控制、功率可调等功能。

2大功率宽带信号存在的问题分析瞬时宽带大功率信号用以辅助系统完成设备测试、性能调整等工作，一般对于系统的需求来说，都希望这个瞬时宽带信号能有比较好的幅频响应，即瞬时带宽内组成这个宽带信号的各频率分量的幅度尽可能的一致，这更有利于系统开展各项测试及调整工作。

可实际情况是，因为整个链路较长且带宽较宽，如不对其进行细致的优化工作，最终出来的信号会呈现高低起伏，且起伏较大，会极大地影响系统完成各项工作。

下面结合宽带大功率信号产生链路的主要环节分析引起信号幅度高低不平的原因。

2.1高速数模转换器对宽带幅频特性的影响数模转换器（DAC）用于实现将数字信号转换成模拟小信号，因为DAC输出的信号是一系列矩形波的叠加，所以DAC的输出频谱包络会呈现Sinx/x的效应。