使用自适应RF预失真技术改善放大器线性的研究

1、        摘要：RF功率放大器对信号造成的非线性失真会产生邻道干扰，并降低信号质量，因此宽带通信系统对功率放大器的线性提出了严格的要求。本文提出了可以改善功率放大器线性的自适应RF预失真电路的模型，描述了自适应RF预失真的实现过程；介绍了现有的一些自适应预失真技术，具体分析了常用的矩形功函数预失真技术和最小功率自适应方法；通过仿真进一步证明了预失真技术可大大提高RF功率放大器的线性度。     关键词：自适应；RF；预失真；线性化；IMD；ACPI；功函数 1概述随着信息技术和微

2、电子技术的发展，宽带扩频通信得到了广泛地应用。RF功率放大器是宽带通信设备中的重要部件。由于采用宽带扩频，要求功率放大器具有高度的线性，否则非线性产生的失真分量将使信号的频谱展宽，产生带外辐射，从而对邻道产生干扰，这种干扰称为邻道功率干扰ACPI（AdjacentChannel Power Interference），他将使信号质量降低。另外，由于非线性的作用产生互调干扰IMD（InterModulation Distortion），在强干扰作用下，信号将受到压缩而使信噪比恶化。为避免上述问题，放大器尽量工作于线性区。非线性功率放大器通过线性化技术即可获得较高的输出功率和效率，又能满足线性要求

3、。线性化技术一般可分为前馈、反馈、包络消除和恢复以及预失真（或称预矫正）等4种类型。最常用的形式是预失真方法，其结构相对简单，对互调的改善量为58 dB。近年来，随着线性化技术的不断发展，自动线性化技术以其可自动压缩高功率放大器IMD的特点，成为现代通信系统中的重要技术。随着数字信号处理技术的调整发展，自适应数字预失真技术成为自动线性化技术的重要组成部分，他不仅在基带系统中得到广泛应用，在RF系统中也占有重要的地位。适用于基带系统的自适应数字预失真技术是以理想调制输出与功率放大器输出间的差异为依据，自动调整放大器输入信号的增益和相位。自适应RF预失真方法是通过自适应功函数获得最佳的带外IM性能

4、。与自适应数字预失真相比，自适应RF预失真适用的带宽更宽，并且能够连续调整因温度、频段、输入功率等变化造成的功率放大器特性的变化；此外，自适应RF预失真也像自适应数字预失真那样不受调制电路形式的限制。2自适应RF预失真技术RF预失真是线性化技术中最常用的方法，他是产生与功率放大器严格反相的IMD，从而消除IMD以减小带外辐射。与数字预失真相同，RF预失真中的校准部分也置于功率放大器之前，可以减小高功率插入损耗；与数字预失真不同的是，RF预失真能够处理中带宽信号。图1是一个理想调制的预失真系统模型。预失真系统中通常带有一个综合增益调整器，其作用是控制输入信号的幅度和相位。预失真器的个数由两个非线

5、性功函数决定，他们是功率放大器AMAM和AMPM的内插函数，其输入信号是RF输入信号的包络。在输出端，频谱的抽样值被反馈到DSP，通过DSP调整功函数的参数来减小带外辐射的影响。当输入信号为双频信号时，RF预失真电路中不同点处的频谱如图2所示。系统中，延时线的作用是调整信号的相位以满足功函数的要求，包络检波器用于检测RF输入信号的幅度调制。带外滤波器的作用是对ACPI进行抽样，然后将其传送给DSP，DSP根据此信号计算出功函数的最佳参数，从而控制综合增益调整器产生一个相应的失真信号，从而实现ACPI的最小化，这一过程称为自适应过程。在理想情况下，双频信号通过放大器后的IMD是等幅反相的。在自适

6、应预失真技术的不断发展中，自适应方法也越来越多。其中最常用的是基于功率最小化自适应方法和基于正交信号的自适应。最小功率自适应方法是将频带划分成若干段，分别计算出每段频带的最佳功函数参数，控制综合增益调整器调整适应每段频带处的失真信号。当划分的频带足够小时，就可以使带外失真信号的功率达到最小。基于正交信号的自适应方法是通过对三维功率面斜率估计值的连续计算实现的。RF预失真电路产生的失真面是输入信号与输出信号的差，当失真信号完全被消除时，IMD功率就达到最小。    除此之外还有：矩形功函数方法：他是利用低阶多项式来表示功率放大器的AMAM和AMPM特性；查表法：他通

7、过查询功函数参数表来选择最佳参数，但是这种方法要求有高精度的调整仪器；模拟非线性技术：他使用二极管产生与功率放大器的IMD反相的IMD，消除功率放大器产生的IMD。3矩形功函数预失真方法矩形功函数方法中用于调整失真信号的综合增益调整器既可实现同相调整又可实现正交调整。正交增益函数包括一个简单的二阶多项式，其形式如下：其中：表示信号平方包络。    功函数框图如图3所示。综合增益调整器中的增益函数与输入信号相乘，产生一个五阶的多项式，多项式中的4个参数（包括2个增参数G1，G2和2个相位参数P1，P2）是通过DSP或微处理器得到的。4最小功率自适应方法图4为最小功率

8、自适应方法的模型框图。该方法是通过调整I，Q处的控制电压来最小化端口O处的功44率，即邻道功率。这种方法的缺点是达到最小值的变化缓慢，并且对最小值附近的测量噪声敏感。由于固有噪声的存在，所以每一次测量都要求有较长的测量时间以减小测量值的误差。有两种常用方法可以减小这种误差，一种方法是使用可调接收器滤出噪声频带，然后对此频带进行处理，使噪声功率最小化。另一种方法是从输出信号中减去已经过相位和增益调整的输入信号，理想情况下可以仅把噪声去掉，然后从端口O输入受干扰的信号，将其用于功率最小化的算法中。5自适应RF预失真的仿真图5为RF预失真仿真电路的结构图。功率放大器使用标准的Motorola器件。输

9、入信号为双频调制信号，带宽为1 MHz，中心频率为850 MHz。假设所有器件均为理想器件。仿真采用上面提到的矩形功函数预失真技术（例如五阶多项式），自适应方法为最小功率自适应方法，综合增益调整器为正交调整。多项式中的4个系数（图3中的G1，G2，P1和P2）通过最小二乘算法得到。在仿真中，三阶系数和五阶系数的形式比较复杂（图3和图5）。系数的调整过程是先调整实部再调整虚部。系数的调整过程是比较缓慢，调整周期间隔必须达到450s或以上时才可能获得稳定的输出功率。而且，如果自适应控制器与监测设备距离较远，也容易出现不稳定状态。    IP3（三阶互调功率）是衡量RF

10、功率放大器线性的重要指标。从图6中可以看到，使用RF预失真技术的功率放大器输出端的IP3提高了13 dB。6结语实践证明RF预失真技术对现代通信技术的发展具有重要的意义，他已实现了从研究到发展的飞跃。系统仿真的结果为该技术的应用提供了可靠的依据，也为其下一阶段发展建立了新的起点。参考文献1Liang CP，Jong JH，Wayne ESNonlinearamplifier effects in communications systemsJIEEETransactions on Microwave Theory and Techniques，1999，47（8），145114662Systems EngineerMotorola semiconductorproduct digitalpredistortion linearizes RFpasJMicrowaveRF，2000，43（8）：951063Theodore Rappaport SWireless communications pri