预失真线性化技术原理分析

文章编号:1000-9930(2001)01-0068-03预失真线性化技术原理分析邬书跃1, 周少武1, 黄 丹1, 张尔杨2(1.湘潭工学院信息与电气工程系,湖南湘潭411201;2.国防科技大学电子科学与工程学院,湖南长沙410073)摘要:对两种基本型式的预失真线性化技术数字基带预失真和射频预失真的组成原理进行了详尽的分析.结果表明,这两种技术具有线性度高、收敛速度快和便于实现等特点,因此可用于对移动发射机中的功率放大器进行线性化.图4,参8.关 键 词:预失真;线性化;自适应;功率放大器中图分类号:TP391.9;TN929.5 文献标识码:A数字网络系统发展的新趋势已经引起人们对数字移动通信系统的广泛关注.数字化系统丰富了从普通话音传输业务到数据传输业务的各种业务.在大多数数字移动无线电系统的最新研究中,人们认为像QPSK 和QAM 线性调制方法的引入理论上可以获得高的频谱效率,但它们容易给发射台的功率放大器带来非线性失真,而且由于存在RF 互调失真(通常可由放大器的AM-AM 和AM-PM 转换特性来描述)使得功放的频谱有扩展的趋势.因此线性调制方法需要有线性功率放大技术,否则移动台功率放大器会消除由于线性调制方法的应用而得到的频谱效率的任何优点.在现有移动通信系统中,对邻信道干扰的要求是非常严格的.通常要求已调信号在邻信道的辐射功率(带外发射功率)与所需功率之比应低于-60dB,即与带内信号功率相比,带外发射功率应小于-60dB~-70dB.线性放大器在某种程度上具有功率效率低的缺点,这使得它们不能满足上面所提到的邻信道干扰的严格要求.人们曾尝试对于较小邻信道干扰放宽这一严格要求,并尝试在不牺牲放大器功率效率的情况下保持高的频谱效率.然而即使在非常窄的频带系统(像30kHz 或10kHz 信道间隔系统)中,这一严格要求依然存在.在这种窄信道间隔系统中,发射机功率放大器为了实现高功率效率和低的带外发射则会遇到这一要求.为了克服这一问题,人们对用于基站和移动台的高功效非线性放大器的线性化技术进行了研究.迄今,已研究出了多种对移动发射机中功率放大器进行线性化的技术,其中主要的技术[1]有正向前馈(feed -forward )、负反馈(negative feedback )和预失真(predistortion)技术.正向前馈法已广泛使用,然而该方法存在一定的局限性.例如,在工作环境变化时(温度、时间、工作频率及电源电压值发生改变),电路的参数变化不可能严格地保持一致,从而造成放大线性的恶化,因此其稳定性不好.同时在末级大功率合成器处构成自适应环路具有一定的技术难度,所以一般在功率合成级不便采用自适应技术.此外,该方法效率低而且设备很复杂.负反馈技术需要特别处理时延和所需的带宽,这种技术使得放大器带宽很窄,不适合宽频带放大.因此预失真技术成为对功率放大器进行线性化的理想技术.通常这种技术可使放大器得到宽的频带和宽的动态范围.这种技术的实质就是预先使放大器的输入信号在幅度和相位方面产生预定的反失真去抵消放大器内的非线性失真.产生反失真的器件称做线性化器件.图1给出了预失真线性化电路框图.本文对两种预失真线性化技术的组成原理及实现方法作了较为详尽的论述,介绍了该技术的应用及发展前景,并指出了今后的研究方向.收稿日期:2000-07-22作者简介:邬书跃(1963-),男,湖南常德人,湘潭工学院副教授,博士生,主要从事数字移动通信和自适应功放等方面的研究.第16卷第1期2001年 3月湘潭矿业学院学报J.XIANGTAN MIN.INST.Vol.16No.1Mar. 20011 预失真线性化技术移动发射机中功率放大器的自适应预失真线性化技术研究始于八十年代初期.随着数字移动通信技术的飞速发展,该技术的发展也极为迅速.目前该技术主要分为基带预失真和射频预失真两种基本类型.1.1 基带预失真技术[2]图2给出了基带预失真线性化电路模型.图中已调射频信号均以其基带复包络的形式表示,虚线框内的信号变换过程全部在数字域内由数字信号处理器软件完成.输入端的信号经过A/D 变换后得到数字域中的等价信号,记为V m (t),对其进行预失真DSP 信号处理之后,得到数字域中的预失真信号,记为V d (t),在经过D/A 变换后输出预失真信号,此预失真信号通过线性调制器(正交调制器)调制到载频上并进行功率放大,功放的输出信号记为V a (t).V a (t)送往天线输出,其中的一小部分输出功率通过耦合器送往线性解调器,解调器经过A/D 变换后得到的反馈信号记为V f (t),此信号用于提供给误差比较模块和自适应算法模块作为参考信号,从而决定正确的预失真特性.预失真特性由预失真表(LUT)决定.基带预失真线性化技术不涉及难度大的射频信号处理,只在低频部分对基带信号进行处理,因此该方法便于采用现代的数字信号处理技术.1.2 射频预失真技术[3]射频预失真线性化系统框图见图3所示.图3中所有信号均以其基带信号或者基带信号的复包络表示.根据功率放大器的输出V a (t ),线性化电路产生一个理想调制信号V m (t)的预失真量V d (t).预失真器单元则由一个复正交调制器组成,见图4.用非线性多项式对同相和正交端口进行调整,该多项式为输入信号包络的函数.反馈通道则将实带通功率放大器输出的一部分馈送至正交解调器(QDM)的RF 端口,QDM 的LO 端口为预失真器的输入信号端口.对复基带信号进行带通滤波可以获得由功率放大器所产生的带外功率,将该QD 带外功率进行均衡和功率检测便得到用来对预失真器进行调整的大小幅值.自适应射频预失真技术利用调制信号的包络产生两个非线性函数,后者插入与功率放大器的非线性相反的幅值和相位.两个非线性函数被加入到由一个复相位调制器组成的预失真器单元电路,复相量调制器则控制输入参考信号的幅值和相位.两个非线性函数的系数则由一个微处理器控制.射频预失真技术具有电源效率高、成本低等优点,是目前较有发展前途的一种方法.不过,这种方法仍然需要使用射频非线性有源器件,它们的控制和调整是一个不易处理的过程.1.3 预失真器组成原理预失真器的基本功能就是产生与功率放大器相反的互调制(I MD)分量.因此,预失真函数为功率放大器特性的一个近似表达式,而把功率放大器的特性模拟成一个无记忆的非线性元件[2].于是,预失真器的输入-输出关系由下面的方程给出:V d (t)=V m (t) F (|V m (t)2|),(1)V m (t)为输入,F 为预失真函数(或预失真器增益).图4为自适应预失真器原理电路,据图定义:F 1(x m (t))=Re{F(x m (t))},F 2(x m (t))=I m {F(x m (t))}.(2)第16卷第1期邬书跃等:预失真线性化技术原理分析692 预失真线性化技术实现方法目前已有两种方法被用来实现基于复增益的预失真器[4].在一种方法中[5]采用了一种把功率放大器的输入功率作为指针,功率放大器的复增益作为指针对应纪录的预失真表(LUT).根据每一个预失真器输出的幅度,可从LUT得到相应的功率放大器的复增益,然后将功率放大器的复增益与其相应的预失真器的输出相乘便得到功率放大器的输出.这种表格查找的方法可用来逼近任何增益波形图,并且可通过增加或减少预失真表的量值来调整性能.第二种方法[1-2]则利用两个多项式方程来拟合理想的复增益曲线.这种方法更容易实现,但任意的增益波形图也许较难与多项式函数相一致.由于变量较少,这种多项式方法比起表格查找方法更容易初始化和实时修正.3 预失真线性化技术应用及发展前景近年来,预失真线性化技术发展较为迅速并已进入实用化阶段.Hilborn、Stapleton和Cavers[6]将预失真线性化技术应用于一种自适应直接变频发射机并利用表面拟合(Surface fit)算法获得了该系统的仿真和实验结果.理论分析和实验、仿真结果表明:(1)带外功率是功率放大器非线性和正交调制器不完整性(非理想性)的二次函数;(2)预失真器和正交调制器补偿电路收敛时间约为3s;(3)可以将邻信道功率减小约20dB.作者认为,移动发射机中自适应功率放大器预失真线性化技术的未来研究方向主要集中在以下几个方面:(1)算法选择用于提高系统收敛速率的各种不同的自适应算法;(2)性能研究用来提高系统的功率效率和频谱效率的途径以及;(3)硬件实现减小系统复杂度和几何尺寸.今后的工作将集中在用于提高收敛速率的各种不同的自适应算法.作者相信,随着数字化技术和电路技术的发展,预失真线性化技术在功率放大器的线性化方面将会得到越来越广泛的应用.参考文献:[1] STAPLETON S P,COSTESCU F C.An adaptive predistorter for a poweramplifier based on adjacent channel emis sion[J].IEEE Trans Vehicular Technology,1992,41(1):49-56.[2] SUNDSTR OM L,FA ULK NER M,J OHANSSON M.Quantization anal ysisand desi gn 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