一种基带预失真RF功率放大器线性化技术的模型仿真与实验_赵洪新

1、2000年5月通 信 学 报Vol.21No.5 第21卷 第5期JOURNALOFCHINAINSTITUTEOFCOMMUNICATIONSMay2000学术论文一种基带预失真RF功率放大器线性化技术的模型仿真与实验赵洪新,陈忆元,洪 伟(东南大学无线电工程系,江苏南京210096)摘 要:提出了一种基于相关函数计算的自适应环路延迟补偿法,用于功率放大器的数字式基带预失真线性化技术。对采用这种软件延时补偿方法的预失真系统特性进行了仿真,并采用通用的数字信号处理器在硬件上实现了一个功放预失真线性化模型。仿真和实验结果表明,在功率放大器的基带预失真技术中采用这种方法可以获得至少20dB的线性度

2、改善。关键词:功率放大器;预失真;线性化;自适应中图分类号:TN830 6 文献标识码:A 文章编号:1000-436X(2000)05-0041-07AbasebandpredistortinglinearizerforRFpoweramplifierprototypesimulationandexperimentationZHAOHong Xin,CHENYi yuan,HONGWei(RadioEngineeringDepartment,SoutheastUniversity,Nanjing210096,China)Abstract:Thispaperpresentsabasebandd

3、igitalpredistortionlinearizermodelwhichenableslinearamplification,correlationmethodisadoptedtoestimatepropagationdelayintheautoadaptationloopforcompensationpurpose SimulationonPCplatformisconductedandaprototypesystemmakeuseofcommondigitalsignalprocessing(DSP)microprocessorhasbeenconstructed Simulati

4、onandexperimentalresultsindicatethatthisapproachcangetatleast20dBimprovementonlinearityofamplifierKeywords:poweramplifier;predistortion;linearization;autoadaptation1 引言近年来,无线通信频段变得越来越拥挤,为在有限的频谱范围内容纳更多的通信信道,要求采用频谱利用率高的传输技术。但是由于放大器存在非线性(其输入输出特性与输入信号的包络幅度有关),信号的包络波动将产生交调失真和频谱扩展。为了解决这个问题,一般的方法是采用大功率放大器进

5、行功率回退,使放大器工作在线性放大区。在这种情况下,电源利用效率一般仅为1%5%左右,而且大功率器件只能输出很小的有效功率,其本身潜力不能充分发挥,造成整机成本的提高。另外一个办法是采用线性化技术,即采用适当的外围电路,对放大器的非线性特性进行线性化纠正,从而在电路整体上呈现对输入信号的线性放大效果。近十多年来,有一些线性化方案发展较为迅速,并已经成功地进入了实用化阶段1,2。如正向前馈(feedforward)补偿方案和射频预失真(predistortion)方案。但是,这些方案都存在一定的局限性。例如,正向前馈补偿法在工作环境变化时(温度、时间、工作频率及电源电压值发生改:04-:2000

6、-2542 通 信 学 报 2000年变),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。同时由于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于采用自适应技术。射频预失真方法具有电源效率高、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。基带预失真技术4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补偿处理,因此这种方法便于采用现代的数字信号处理技术。采用基带信号预失真方法,适应性较强,而且可以通过增加采样率及增大量化阶数的办法来抵消高阶互调

7、失真。因此,发展基带预失真技术将具有相当重要的意义。然而,在基带信号预失真系统中,需要正确对比源信号和反馈信号,因此对环路延时的补偿就十分重要。国外学者提出多种环路时延的估算方法,如迭代法,周期分量法等。但它们都有一定的缺点,如采用迭代法,则存在精度不好的问题;采用周期分量法,则需要计算傅里叶变换与反变换,运算量大,影响系统的速度。本文尝试在硬件基带预失真电路中采用数字相关技术进行延时估算,这种方法无须调整硬件,而且运算量较小,精度好,本文使用这种方法与绝对收敛的自适应二分迭代法相结合,取得了良好的预失真线性化效果。本文给出了基带预失真RF功率放大器模型的仿真结果及实验结果。仿真和实验结果表明

8、,基带预失真技术是改善功率放大器线性度的一种行之有效的方法。4532 基带预失真线性化系统的工作原理图1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Vm,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Vd,再经过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调制到载频上并进行功率放大,功放PA的输出信号记为Va。Va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,解调信号经过A/D变换后,得到的反馈信号记为Vf,此信号用于提供给误差比较模

9、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。定义误差函数为:E=Vf-K Vm(1)其中K Vm为期望的解调信号波形,K 为常数,表示系统的线性增益。当误差为零时,预失真线性化系统达到理想的收敛状态。解调信号Vf将与Vm的波形相同,只是在幅度上相差常数增益K。由于功率放大器的非线性特性主要由输入信号的幅度|Vd|决定,与输入信号的相角arg(Vd)几乎无关,所以其增益函数可以等价为输入信号幅度的复值函数。表征预失真器特性F6图1 基带数字预失真电路框图第5期 赵洪新等:一种基带预失真RF功率放大器线性化技术的模型仿真与实验 43F(xm)=Fr

10、(xm)exp(jF (xm)其中xm=|Vm|,为输入信号Vm的幅度的平方值;r和 分别表示模值和相角。22(2) 设放大器的复增益G( )为:G(xd)=Gr(xd)exp(jG (xd),其中xd=|Vd|,则功放的输出信号v 模值和相角分别为:|v |=|Vd|Gr(|vmFr(|vm|2)|2)2222arg(v )=G (|vm|Fr(|vm|)+F (|vm|Fr(|vm|)+arg(vm),系统收敛时必需满足以下关系:Gr( )=K,其中K为常数;对相位而言,系统收敛时必需满足以下关系:G ( )+F ( )=0。系统自适应的目标是,选择最优的复增益函数F(xm),使得系统的增

11、益为一线性常量K,即:va=vm F|vm| G|vm F|vm|=Kvm在数字系统中,只能在有限个输入信号幅度值上达到目标函数的要求,即:E|vmi|2=0;i=1,2,3,4 N其中 N是满足目标函数的信号幅度的个数。N越大,预失真越精确。为求出一组合适的F|Vmi|2数值,使得在每一个离散点上的环路误差信号为零,可将式(4)表示成如下离散形式:其中E(Fi)=va(Fi)-Kvmi=0Fi=F(|vm|2)v=vmmi222(3)(4)(5)va(Fi)=vmF(|vm|2)G|vmF(|vm|)|2|vm=(6)vmi其中 i=1,2,3,4, N,N是离散点的总个数,也就是LUT表的

12、项数。Vmi是常数,Fi是对应于Vmi的预失真函数值,它表示预失真表中第i个存储单元的值。Fi是放大器输出函数Va( )的自变量,Va(Fi)和Fi的函数关系实质上就是放大器输入/输出特征的等价形式。 这样,对LUT的离散表项值Fi进行自适应更新的过程归结为方程求根问题。为了求方程(5)的根,可以在输入信号落入第i个离散区间时采用一定的自适应算法来进行。一般文献均采用线性迭代法,这种方法运算简单,但是它的收敛速度慢,容易出现不稳定。因此,本文采用经典的二分求根迭代方法和线性迭代方法相结合的方法。二分方法是无条件收敛的方法,不存在稳定性问题,但这种方法是一种逐步缩小含根区间的方法,而目标函数是变

13、动的,所以不能自适应跟踪。本文将这两种方法结合,先采用二分法定出目标解的粗略范围,然后使用较小的收敛因子,由线性迭代法跟踪精确解,可以获得绝对稳定、跟踪性能良好的自适应预失真器。使用二分法时,第k+1步迭代的含根区间Ik+1满足:Ik+1=(ak,Fk),当E(ak) E(Fk)0(7)其中,Ik=(ak,bk)是第k次迭代时的含根区间,满足E(ak) E(bk)cp时(16)Vosat(1-cos(|Vd| /cp) 当|Vd|cp时2其中 cp是放大器进入饱和点时对应的输入信号幅度。Vosat是放大器的饱和输出信号幅度。如果取cp=0 9V,Vosat=60V,此模型的AM AM特性如图3

14、所示。信号的失真度由三阶交调系数IM3表征。其定义是:IM3=20lg dB基波幅度度,采用了离散傅里叶变换:M-1(17) 为了计算信号序列Vm(n)的三阶交调幅V(k)=n=0 Vm(n)exp-jnkM(18)序列V(k)就是实信号采样序列Vm(n)的频谱。输入信号采用正弦波vm(t)=sin5(2 f1t)V;在所有频谱图中,均以基波信号分图3 放大器模型的AM AM特性曲线量的幅度作为0dB参考值,载波fc为频率轴的原点。,由图可知,546 通 信 学 报 2000年图4 不采用预失真时,放大器输出信号的频谱图图5 N=64时,预失真放大器的输出频谱和图6反映了系统引入预失真后,达到

15、自适应收敛状态时,输出信号交调失真的情况。图7是在系统达到收敛状态时的预失真曲线。仿真结果说明,三阶互调最大可被抑制到约-84dB以下。另外,由图7可以看出,预失真特性曲线在小信号区并不收敛,这是由于在小信号区,放大器工作在截止区,局部增益为零,自适应算法不能收敛的缘故。图6 N=128时,预失真放大器的输出频谱图7 N=128时,AM AM预失真特性5 系统模型实验结果为了在实践上对本文所提方法的有效性进行验证,采用TI公司的TMS320C30EVM仿真板制作了一个原型系统,作为对基带预失真线性化方法进行实验评估的硬件平台。实验采用200Hz正弦信号作为基带输入信号,经过DSP自适应预失真器

16、后,通过线性调制器将基带信号搬移到高频,再通过功率放大器输出。自适应预失真器从初始状态下逐步向最优值调整,系统达到收敛状态后,功放的线性度改善显著。如图8所示。实验证明,环路时延的估算情况良好,特别地,即使在失真很大的情况下,系统仍然能够正确地估算出时延量。在功放接近饱和区工作时,在0 到360 的时延范围内,线性度的改善均能达到20dB,不受环路时延的影响。实验结果与理论运算之间的差距主要由A/D、D/A变换误差及解调器非线性引起,在精度第5期 赵洪新等:一种基带预失真RF功率放大器线性化技术的模型仿真与实验 47 6 结论仿真和实验结果说明,采用相关算法计算环路的延时量是非常成功的,同时,

17、在本文提出的方案中,预失真补偿器及延时抵消器均在数字信号处理器内部用程序实现,无需进行复杂的硬件调整,非常灵活。它充分说明了这一技术的优点:稳定性好,调试和系统升级方便,有利于测试、集成和大规模生产,而且精度高,线性度改善效果显著。另外,由于信号的预失真处理全部在基带频7图8 N=128,预失真线性化原型的实验结果率上进行,所以无需处理复杂的高频电路,同时也给系统的控制带来很大方便。如果将DSP算法全部采用高速硬件实现,则速度可以大大提高,从而有可能获得较大的线性化带宽。因此,采用数字式预失真技术对放大器进行线性化补偿,不失为一种功放线性化技术的新方法。 当然,数字信号处理也存在缺点。例如,对

18、于简单的信号处理任务,若采用DSP则成本增加。DSP系统中的高速时钟可能带来高频干扰和电磁泄漏等实际问题。同时,DSP系统所消耗的功率也大。此外,信号的预失真处理是通过DSP运算来进行的,因此,预失真器所能处理的最高信号速率将受制于处理器的运算速度6。不过,数字预失真技术在稳定性和灵活性方面的优越性是毋庸置疑的810。作者相信,随着数字技术和电路技术的发展,数字预失真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 QIANCheng,CHENYi yuan,ZHUXiao wei Arelativelylowpowerfeedforwardamplifierthatdemo

19、nstratesthefeasibilityoftheadaptivefeedforwardlinearizationtechniqueJ MicrowaveJournal,1998,41:86982 EIDEE,GHANNOUCHIFM Adaptivenullingloopcontrolfor1 7GHzfeedforwardlinearizationsystemsJ IEEETransonMicrowaveTheoryandTechniques,Jan 1997,45:83863 MORRISK AbroadbandlinearpoweramplifierforsoftwareradioapplicationsA VTC 98C.215021554 NAGATAY LinearamplificationtechniquefordigitalmobilecommunicationsA ProcIEEEVehTechnolConfC.SanFrancisco,CA,1989:1591645 FAULKNERM,JOHANSSONM Adaptivelinearizationusingpredistortion experimentalresultsJ IEEETransactionso