功率放大器数字预失真技术研究及设计 .pdf

总第 49 卷第 555 期 2012 年第 3 期 电测与仪表 E l ec tri c al n easurem ent Instru m entati o n V o1 49 N O 555 Ma r 2 0 1 2 功率放大器数字预失真技术研究及设计 王振朝 鲁铭铭 薛文玲 李会雅 河北大学 电信学院 河北 保定 071002 摘要 提出一个基于自适应预失真原理的有记忆高功率放大器线性化技术方案 首先 对 白 适应预失真线性化 技术的原理和特点进行详细分析 给出一个实用技术方案 其次对其中的衰减器放大倍数的影响进行探讨并给 出了选择原则和设计方法 最后对设计完成的数字预失真系统进行仿真验证 仿真结果表明 合理选择放大倍 数和动态范围对改善预失真补偿系统的性能有明显效果 对于8M Hz带宽的OFDM 信号 本文方案可将带外频谱 抑 26dB 减少带 内频谱失真7dB 关键词 高功率放大器 线性化 衰减器 数字预失真 自 适应算法 中图分类号 T M 13 文献标识码 B 文章编号 1001 1390 2012 03 0080 05 S tu d y o n th e D i g i ta l P red i sto rti o n T ec h n i q u e o f P o w e r A m p l i fie r W A N G Z h en c hao L U M i n g m i ng X U E W en l i n g LI H u i ya C ol l ege of El ec tron and Inform ati on H ebei U ni versi ty B aodi ng 07 1002 H ebei Chi na A b strac t W e provi de a tec h ni c al sc hem e b ased on the adapti ve di gi tal p redi storti on pri nc i pl e for the l i neari zati on of hi gh p ow er am pl i fi er w i th m em ory i n thi s pap er F i rstl y i t gi ves a prac ti c al tec hni q ue sc hem e based on the anal ysi s of adapti ve d i gi tal predi storti on tec hn i que Sec on dl y i t di sc usses the effec t ab out th e m agn i fi c ati on of attenuator i n the tec hni c al sc hem e an d gi ve th e sel ec ti on pri n c i pl es and the desi gn m eth ods L astl y a si m ul ati on anal ysi s fo r th e di gi tal predi storti on system i s gi ven i n th i s paper T he si m ul ati on resul ts show th at perf orm anc e of d i gi tal predi storti on c om pensati on system c an be i m proved by adjusti ng m agni fi c ati on of attenuator and dynam i c rang For a i npu t O F D M si gnal of 8M H z band w i dth the system provi ded i n thi s paper c an suppress pow er of si deb an d 26dB and reduc e the di storti on of i n b an d 7 dB K ey w o rd s hi gh p ow er am pl i fier l i neari zati on attenuator di gi tal predi storti on adapti ve al gori thm 0 引 言 高功率放大器 H i gh Power A m pl i fi er H PA 被广 泛应用于包括通信终端 自动控制设备在 内的多种电 子装置内 主要作用是在发射频率上 将低电平信号放 大到远距离传输所要求的高功率电平 在抑制其非线 性失真的同时提高H PA 的效率一直是一个受到广泛关 注的技术课题 在移动通信技术领域 HPA的非线性失 真将引起信号频谱的带内失真和带外扩张 11 带内失真 将导致信号出现互调分量 增加信号的误码率 带外扩 张将导致对邻道信号的干扰 第四代移动通信技术将 采用频谱利用率更高的 O FD M 0rth0g0nal Frequenc y D i vi si on M ul ti pl exi ng r1 0 调制技术 而OFDM 信号是非恒包络调制 具有较 高的峰均比 从而将使得这个问题变得更为严峻 一 80 一 采用信号处理技术抑 1JH PA 的非线性失真 的功 放线性化技术研究近年来取得了一系列成果 这类研 究从原理上可划分为前馈技术 41 负反馈技术 功率 回退技术 61和预失真技术I 等几种类型 本文主要对数 字预失真技术问 进行研究 结合移动通信直放站的设 计提出一个实用的功放线性化技术方案 论文的主要 内容包括 对 白适应预失真线性化技术的原理和特点 进行详细分析 对其中的衰减器放大倍数的选择原则 和方法进行深入探讨 结合移动通信直放站的实际需 要给出实用设计方案 并对设计完成 的数字预失真技 术方案的性能进行仿真实验验证 1预失真线性化技术 1 1预 失真 系统结 构 数字预失真技术的基本原理是对H PA 的输入信 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 总第 49 卷第 555 期 2012 年第 3 期 电测 与仪表 E l ec tri c al M easurem ent nstru m entati on V o1 49 N O 555 M ar 20 12 号的幅度和相位进行预畸变补偿处理 以实现输 出信 号与输入信号之间保持线性关系 本文采用间接型学 习结构嗍 的 自适应基带数字预失真技术19 其原理框图 如图1所示 n 作为预失真系统的输入信号 u n 为 预失真器的输出信号和功放的输入信号 y n 表示功 放的输出信号 利用耦合器将y n 取出 再经衰减器 缩小G倍后作为 自 适应训练器的输入信号 自适应训 练器 的任务是调整 自己的输 出以使该输出信号与预 失真器的输出信号之间的差值达到最小 并将 自 身的 结构参数赋予预失真器 显然 当预失真器和 自适应滤 波器同构且e n 凡 一 n 趋 于零时 Y n 是 n 的 G 倍 二者呈线性关系 图l 自适应间接学 习型预失真 系统结构 F i g 1 D i gi tal predi storti on system struc ture base on ad apti ve i nd i rec t l earni ng 1 2 H PA 模 型 功放的模型可 以分为无记忆和有记忆两种 无记 忆功放主要应用于输入信号带宽小于功放带宽的场 r 1 n 合 此时功放 的记忆性可以忽 略 以sal eh模型 为 例 其A M PM 失真表达式为 1 1 15 17 r r n 1 9 104r 2 式中rn为功放的输入幅度 和 分别表示功 放的非线性幅度A M A M 失真和相位A M PM 失真 当实际信号为宽带信号时 功放就明显地体现出 r 1 I 其记忆性 常用的有记忆功放模型主要有 以下3种 W i ener模 型 H am m erstei n模型和W i ener H am m erstei n 模型 其 中W i ener 型和H am m erstei n模型具有结构简 单 参数少等特点 但均存在如下缺陷 不能描述基于 频率间隔的AM AM 和A M PM 函数形状的改变 不能 描述瞬时频率间的的相互关系 W i ener Hamm erstei n 模型是由W i ener 型和H am m erstei n模型级联起来 如 图2所示 该模型虽然增加了复杂性 但由于该模型能 r I 广 一 一 一 一 一 一 一 一 w ene 模型 一 羔 篓 图2 功率放 大器的W H 模型 F i g 2 W H m odel of pow er am pl i fier 更准确地对H PA 建模 理论上可以得到无失真的放大 信号 所以应用的更为普遍 在图2所示模型中 有 日 3 1 一 O 2z G 二 4 1 0 n 6 I n 5 然而在提取W H 功放模型时 总会遇到随着记 忆分支 的增加 参数提取的数量 运算量和复杂度都 大大增加的问题 因此本文采用W H 功放模 型的同 时 将无记忆非线性系统用sal eh代替 以减少运算量和 复杂度 1 3预失真器模型 根据数字预失真技术的基本原理可知 数字预失 真器就是一个与H PA 成互补特性 的非线性单元 该单 元与H PA 组合后使整个系统呈线性特性 由于本文采 用通过反馈回路进行 自 适应估计的间接型学习结构 因此在初始化时不需要根据H PA 的模型对数字预失 真器的参数进行准确的估计 只需使数字预失真器与 H PA 一样具有有记忆特性的特点即可 我们采用记忆多项式作为预失真器模 型来模拟 非线性H PA 的逆特性 公式如下 z n n t l n 1 E 6 实验证 明多项式模 型含有偶次项可以增加记忆 多项式模型的精确度 这里我们取最高阶数K 为5 记忆深度 为2 1 4 自适 应 算法 最小均方误差LM S算法 的基本思想是通过调整 系数 使输出误差序列的均方值最小化 并根据这个 数据来修改权系数 迭代公式如下 x n n x n 1 n m 1 l 7 凡 n W n 一1 8 一 8 1 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 总第 49 卷第555 期 2012 年第 3 期 电测与仪表 E l e c tri c al M e asu re m e n t In str u m en ta ti o n V o 1 4 9 N o 5 5 5 M a r 2 0 12 j 凡 n i 1 w n n 9 e n d n 1O w n 1 n 2g e n 1 1 式 中x n 为自适应滤波器 的抽头输入 向量 y n 为 自 适应滤波器的输出 d 为参考信号 e n 为误差 n 为滤波器的权重系数 为步长 因子 m 为滤波器 阶数 最小二乘R LS算 法基本原理是遵循每 时刻对所 有已输人信号进行预估的加权平方误差和最小的准 则 它 的初始化通常设定 0 0 c 0 8 J 其 中6 为很小的正常数 对每一时 mJn l 2 一 计算 g 一 12 I A 一 T n C n一 1 w n w n 一1 一 g n d n x n w m 一1 13 C n A C 一1 一A n n C n 一1 14 C 凡 称 为逆相关矩阵 g n 称为增益 向量 A 为 加权 因子 LM S算法 的优点是不需要求统计平均 运算量 小 易于实现 结构简单 性能稳健 但是收敛速度慢 相对于R LS算法 R LS算法的优点是收敛速度 比 LM S算法快 但是计算量较大 通过 比较 本文采用 R LS LM S联合算法 当误差e 大于一个固定值d时 这个时候系统要求收敛速度快的算法 因此采用RLS 算法 当误差e n 小于等于固定值d时 这时候需要减 小运算量 减小整个系统的运算时间 所以采用LMS 算法 这样就兼顾了计算量和收敛速度 具有较好的 实际效果 2衰减器的设计 由图1所示原理图可知 衰减器放大倍数G 就是 经过预失真补偿后系统的放大倍数 所 以G 的选取必 须首先考虑实际系统的要求 此外 在实用系统设计 时 还必须考虑信号的动态范 围 但是在给定H PA 的 条件下 放大倍数和动态范围是相互制约的 如图3所示 当输入信号功率较小时 HPA工作在 线性区域 实际功放曲线为直线 当输入信号功率逐 渐增大时 HPA逐渐进入饱和区并出现非线性失真 一 般将线性区域 的功放特性的延长线定义为线性功 放 曲线 而将实际功放增益值 比线性功放增益值低 l dB 的点定义为l dB压缩点 对H PA 进行非线性补 偿 的 目的就是调整线性功放 曲线的斜率 以得到所需 要的线性放大倍数和线性动态范围 一 82 0 a b 输入功率 图3 功放1dB压缩点和期望曲线 Fi g 3 l d B c om pressi on p oi nt and d esi red CuIT e of P A 若增大放大倍数 比如令补偿后的放大倍数为G 即令衰减器的放大倍数为G 则当输入功率等于Ct时 放大器的输出就达到最大极限 所以输入功率的线性 动态范围为0一 n 同理 若令补偿后的放大倍数为G 时 线性动态范围则为0 b 所以增大放大倍数 将会 减小线性动态范围 在实际设计中 必须根据系统要 求和实际的可能在二者之间进行折中 但现有的相关 文献对衰减器放大倍数G 的选取大多没有进行讨论 在性能仿真时直接令G为1 所以这类仿真结果不能 直接用于指导实际设计 由于HPA的特性具有时变性 输入信号的动态范 围也具有不确定性 所以在有选择地改变衰减器放大 倍数G 条件下 对非线性补偿后功放特性进行仿真 利用仿真结果确定统计意义上的最佳的放大倍数是 必要的 本设计中 主要使输人信号以90 以上的概 率落入线性动态区间作为设计 目 标 因而采用了首先 确定线性动态 区间的设计方法 如图4所示 首先确定 输入信号功率的动态范围 然后在最大输入信号功率 对应的功放 曲线上 的点与原点之间画一条直线 这条 直线的斜率就是衰减器 的放大倍数 以这条直线为对 称轴就可以拟合出一条与功放曲线相反的预失真曲 线 显然在这种设计方案中 预失真处理就是预压缩 处理 例如当输入信号功率为 时 经过预失真器后 信号功率为 信号功率被减小 所以该方案是以降 低增益作为代价来换取线性动态范围的增加 若以放大倍数作为设计指标时 则应首先以所需 要的放大倍数作为斜率作出补偿后的功放曲线 然后 拟合出预失真曲线并验证最终的线性动态范围 在图 5所示的设计例 中 取H PA线性 区间的增益曲线的延 长线作为补偿后的功放曲线 则当输入信号进入HPA 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 总第 49 卷第 555 期 2012 年第 3 期 电测与仪表 E l ec tri c al Measu rement Instrumentati on V o1 49 N O 555 M at 20 12 的非线性区后预失真器须将信号放大后送给H PA 预 失真处理就是预放大处理 但是由于补偿后的放大器 输 出值不可能大 于H PA 的最大输 出值 图5中的 Y 经预失真器放大的信号必须小于HPA最大输 出值所对应的输入信号值 图5中的扎 基于以上理 由 输入信号的动态范围可以利用下述的作图法进行 估计 过HPA特性曲线的顶点 图5中的D 点 作 轴的 平行线 过该线与所设定的补偿后 的功放曲线 的交点 作 轴的垂直线 垂直线与 轴的交点即为输入信号的 最大容许值 在图5中 即为所求得的输入信号最大 容许值 若该值不能满足设计要求 则再调整放大倍 数 在图5所示的设计例中 实际上是通过缩小动态 范围来换取线性区间和放大倍数的增加 与单纯的功 率回退技术相比 由于增加了预失真补偿环节 减少 了回退量 增加 了H PA 的效率 1 恐 输入信号 图4数字预失真曲线例 1 F i g 4 E xam pl e 1 of d i gi tal predi storti on c urve 输 出 信 号 y X3 y x4 3 4 输入信号 图5 数字预失真 曲线例2 Fi g 5 E xam pl e 2 of di gi tal pred i storti on c u rve 3仿真与结果分析 3 1仿真条件 本文采用带宽为8M Hz的OFDM 基带调制信号作 为数字预失真系统的输入信号 并根据数字直放站接 收端实际信号强度的统计数据 设定输入信号功率的 动态范围为0 20 17dBm 图l 所示的自适应间接型结 构 中的预失真器模 型采用既包括奇次项又包括偶次 项的有记忆多项式模型 其 中有记忆多项式模型的最 高阶数K 取5 记忆深度 取2 功放模型采用w H 模 型 其中w H 模型中的无记忆非线性 系统用Sal eh模 型代替并仿真得出该功放模型的输人信号功率的有 效动态范围为0 2O 72dBm 采用RLS LMS联合算法 作为系统的白适应算法 其中d取0 005 3 2仿真结果 依据输入信号功率的动态范围和功放模型 按本 文给出的设计原则 计算得 出满足信号动态范围要求 的衰减器放大倍数G 为2 4 按这一放大倍数对预失真 补偿系统进行设计 将设定的信号输入给设计完成的 系统后得到的输出信号的功率谱密度示于图6中 为 了验证非线性补偿系统的性能 图6中同时给出了原 始输入信号和对应于该输入信号的未经非线性补偿 的输出信号的功率谱曲线 比较图6中的三条曲线可 知 在信号的有效频带内 经预失真补偿后的曲线与 输人信号的曲线基本平行 而未经非线性补偿的曲线 则不具有这种平行关系 这说明预失真补偿有效抑制 了带内失真 在信号 的有效频带外 未经补偿 的曲线 衰减速度 明显低于补偿后 的曲线 而后者与原始输入 信号的曲线基本上以同一速度衰减 这说明预失真补 偿对抑制带外失真具有较好的效果 经数字计算可得 出非线性补偿系统可使带内失真和带外抑制分别改 善7dB和26dB 另一方面 图6中经非线性补偿的曲线 位于未经补偿的曲线的下方 这说明非线性补偿付出 了放大倍数较低的代价 为了说明改变放大倍数对系统性能的影响 分别 将衰减器放大倍数设为2 6和2 2进行 了设计和仿真 相对于同一输入信号得到的放大倍数不同时的输出 信号的功率谱密度曲线示于图7中 由图可知 当放大 倍数增大为2 6时 输出信号的带外频谱衰减变慢 带 外失真增大 分析其原因 如本文第2部分所指出的那 图6输入 输出信号功率谱 F i g 6 Input an d outp ut si gnal pow er sp ec trum 一 83 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 总第 49 卷第 555 期 2012 年第 3 期 电测 与仪表 E l e c tri c a l M e a su r em en t In strm e n ta ti o n V o1 4 9 N O 5 5 5 nar 2012 n I 2 6 12 瀚 k 1 C 2 1 N orm al i zed frequenc y rad sam pl e 图7 在取不同衰减倍数 时功放输 出信号功率 Fi g 7 O utp ut si gnal pow er spec tru m of PA i n di fferent i m pi n g faetot 一 样 放大倍数的增大将使系统线性动态范 围减小 使 得一部分输入信号进入非线性区间 从而引起信号失 真 另一方面 将放大倍数降低时 将使系统的线性动 态范围增大 这从理论上分析不会增大非线性失真 但却会使系统的效率降低 4 结论 基于高功率放大器 的基本特性建立合理 的数学 模型 并根据输入信号的统计特性给出非线性补偿系 统的设计方案 特别是在用户要求和实现的可能性之 间进行折中 确定 系统 的信号动态范 围与放大倍数 对非线性补偿系统的设计至关重要 本文从理论上对 基于 自适应 预失真技术 的有记忆高功率放大器线性 化系统的数学模型 设计方法 参数选择原则 计算依 据等进行了系统分析 在此基础上给出了一个设计实 例 对设计完成 的数字预失真系统的性能进行了仿真 分析 验证 了设计方案的可行性和先进 眭 参 考 文 献 1 X i n Y u H ong Ji ang D i gi tal predi storti on usi ng adapti ve basi s func ti on s J IE ICE B el l Laboratori es A l c atel Luc ent 20 1 0 2 V an N ee R Prasad R O FD M fo r W irel ess M uh i m edi a C om m uni c ati ons M London A rteeh H ouse 2000 332250 3 风娟 肖丽萍 于丰彩 一种基 于周期 失配序列 的OFDM 时变 信道 估计IJI 电测与仪表 201 1 48 2 50 53 W A NG Feng juan XIAO Li pi ng YU Feng c ai Channel Esti m ati on for T i m e vari ng Channel B ased on P eriodi c M i sm atc hed Sequenc e i n O FD M System s J E l ec tri c al M easurem ent Instrum entati on 20 1 1 48 2 5O一 53 4 Bl ac k H S Transl ati ng system U S Patent 1 686972 Issued 9 Oc tober l 9 2 8 5 Bl ac k H S W ave transl ati on system U S Patent 2102671 Issued D ec em ber l 937 6 Seym our C D evel opm ent of spac ec raft sol i d state hi gh Ju l y 1986 84 32 6 3 3 8 7 Keni ngton P B Hi gh Li neari ty RF Am pl i fi er Desi gn Jl Boston M A A eeh H ou se 2 0 0 0 81c Eu n and E J Pow ers A new V ol terra predi storter based on the i ndi rec t l earni ng arc hi tec ture J IE E E T rans Si gnal P roc essi ng 199 7 45 223 227 9 冯春亮 赵熠飞 孟林 赵 明 OFDM 系统 中基带预失真技术研究 I J1 微 计算机信息 2007 23 1 FE N G C hun l i ang ZH A O Y I fei M EN G L i n ZH A O M i ng A B ase band Predi storti on Tec hni que for OFDM System J1 M i c roc omputer Inform ati on 2007 23 1 10 SA LE H A SA LZ J A dapti ve l i neari zati on of pow er am pl i fi qati oni n di gi tal radi o system s J Bel l System Tec hni c al Journ al 1 983 62 4 10 19 1033 1 1 D i ng L Z hou G T and M organ D R et al A robust di gi tal baseban