一种新的混合预失真器的设计

于鹏冲,贾建华

摘 要:通信技术的发展对于功率放大器的要求越来越高,主要集中在高线性、高效率的功放。预失真是目前改善功放线性比较好的方法。新的自适应混合预失真系统充分利用模拟预失真,快速简单的和数字预失真算法的精确,输入信号先后经过模拟、数字两级预失真系统,并结合信号包络检测技术进行带外信号调节。通过对仿真结果的比较,IMD性能比单独使用数字预失真系统有了8 dB的改善,同时收敛时间也有所减少。

关键词:功率放大器;线性化;自适应预失真;IMD3

中图分类号:TN710文献标识码:A

文章编号:1004-373X(2009)19-089-03

New Design of Hybrid Predistorter

YU Pengchong,JIA Jianhua

(College of Electronic and Information Engineering,Tongji University,Shanghai,201804,China)

Abstract:The development of microwave communication has brought forward the demand of high quality linear high power amplifier.Predistortion is one of the best techniques to improve the linearity of the power amplifier.An adaptive hybrid predistortion linearization method using an envelope measurement to adjust the out of band signal is proposed and simulated in this paper.In the new method,combining the analog and digital structure in series,which can make the best of speed and simplicity for analog and algorithmic precision for DSP.By comparing with the results of digital predistortion,this new method can enhance the performance of IMD of 8 dB and reduce the iteration time.

Keywords:power amplifier;linearization;adaptive predistortion;IMD3

0 引 言

现代无线通信的迅猛发展日益朝着增大信息容量,提高信道的频谱利用率以及提高线性度的方向发展。一方面,人们广泛采用工作于甲乙类状态的大功率微波晶体管来提高传输功率和利用效率;另一方面,无源器件及有源器件的引入,多载波配置技术的采用等,都将导致输出信号的互调失真[1]。因此,在设计射频功率放大器时,必须对其进行线性化处理,以便使输出信号获得较好的线性度。一般常用的线性化技术包括:功率回退、预失真、前馈等。其中,模拟预失真具有电路结构简单,速度快,成本低,易于高频,宽带应用等优点,但对线性度的改善能力有限;数字预失真采用数字电路实现,适应性强,精度高,但由于采用自适应迭代算法,收敛速度较慢。本文首先简述了普通的预失真线性化技术,而后在此基础上进行改进,添加了自适应算法,并通过信号包络检测技术提取出带外信号进行调节,从而达到改善输出信号线性度的目的。同时由于采用了自适应控制电路,当功率变化,温度变化,以及器件老化等情况下,系统的性能可仍然保持良好。

1 预失真基本原理

1.1 模拟预失真基本原理

最基本的模拟预失真结构如图1所示,输入信号被一分为二,上路是PA输入的主要信号线,下路用于产生非线性信号,通常只产生三阶信号。在通过幅度和相位调整元件之后,下路产生的非线性信号和上路经过延迟的输入信号混合,最后通过功放输出。精确调整下路预失真器的输出幅度和相位来设置三阶预失真的系数,从而达到抵消功放输出中的三阶非线性分量。

图1 模拟预失真原理图

1.2 数字预失真基本原理

数字预失真主要在数字域通过DSP技术进行实现。数字预失真器通常有多项式和查表法两种实现方式。本文主要研究多项式法。

多项式预失真电路结构如图2所示[2],在信号通过功率放大器之前,先通过多项式预失真器,在输入信号中加入预失真分量,产生预失真信号。反馈回路通过下变频器和带通滤波器得到输出信号中的带外信号功率,此功率即被用来调整多项式预失真器的系数,以减小带外功率。这种自适应的预失真技术利用输入信号的包络来产生两个只含三阶和五阶的多项式F1,F2来模拟功率放大器幅度和相位非线性的反函数,其中三阶项和五阶项的系数由一个微处理器控制。下文将会详细讨论如何利用带外功率来产生输入信号的预失真分量。

图2 多项式预失真原理图

2 混合预失真器的设计

如前文所述,模拟预失真结构简单,响应速度快,但精度不够[3];数字预失真精度高,但往往由于功放的非线性严重,而使自适应算法的收敛速度较慢[4]。因此考虑在功率放大器通过数字预失真之前,先通过一个简单的模拟预失真器来改善功率放大器的性能,使得外围数字预失真系统连接到一个“线性度更好的功率放大器”,这样既可以降低自适应算法的迭代时间,又可以更有效地抑制谐波分量,提高整个预失真系统的性能表现。

图3为完整的混合预失真系统结构框图。

图3 混合预失真原理图

图3中模拟预失真部分采用图4所示的反相并联二极管预失真电路来产生非线性分量[5]。IM3失真分量的产生是通过并联反向二极管实现,同时采用180°的移相器来实现信号的处理和匹配功能。移相器0°支路上的线性阻抗可以用来消除二极管对所产生的线性分量,串联电容可以用来补偿二极管对的电抗分量。在该结构中采用了180°电桥,可以使输入和输出之间的阻抗特性保持良好的匹配。在二极管支路中还加入了一个可变电容,用来调节对称的三阶分量的相位差别。

图4 反向并联二极管模模拟预失真电路

数字预失真部分多项式的产生采用如下结构[6,7],如图5所示。首先,将输入信号分成同向分量Iin和正交分量Qin,通过乘法器得到正交输入信号幅度的平方r2,接着r2再通过乘法器得到r4。r2与r4的幅度由可变的四个系数ci3,cq3,ci5,cq5来控制(这四个系数由微处理器输输出),最后的输入信号Iin和Qin同前面的多项式相乘就产生了带有三阶和五阶失真信号的输出信号。

图5 多项式产生电路

上面描述的数学公式表达如下:

r2=Iin2+Qin2

Iout=Iin(ci3r2+ci5r4)

Qout=Qin(cq3r2+cq5r4)(1)

图3微处理器中自适应算法部分采用线性化处理方法来简化导数的运算[8,9]:

x(n+1)=x(n)-f{x(n)}•

x(n)-x(n-1)f{x(n)}-f{x(n-1)}(2)

式中:x代表三阶或五阶多项式的系数ci3,cq3,ci5,cq5;f(x)为从反馈信号中提取出的带外信号功率。利用数字电路可以很容易实现上述功能[10]。

3 计算机仿真及结果

功率放大器的输入采用已调制的QAM信号,两路信号相隔1 MHz,载波频率取850 MHz,误差信号为邻域功率,并采用梯度法进行寻优,使误差信号最小,从而达到邻域功率最小的目的。

整个系统的仿真是在ADS 2008中进行的,在功率回退3 dB的情况下仿真结果如图6所示。

图6 仿真结果图

图6(a)为未经预失真的功放输出频谱,三阶交调信号达到了-35 dBc,若不经线性化处理会严重影响整个系统的运行;图6(b)为只经过数字预失真系统的功放输出频谱,三阶交调信号有了13 dB的改善,降到了-48 dBc;图6(c)为本文的混合预失真系统功放输出频谱,三阶交调信号较单独数字预失真系统又有了8 dB的改善,降到了-56 dBc,从而使功放输出端的三阶交调信号有了多达21 dB的改善。同时,从仿真过程也可以看到,系统收敛时间也有所减少。

4 结 语

随着移动通信技术的迅猛发展,功率放大器的线性化技术越来越趋向于多种线性化技术的结合,模拟预失真的简单快速和数字预失真的高精度,两者的结合定会有更广阔的前景。本文就此技术进行重点研究,在ADS中进行仿真,从理论上验证了两者结合的可行性和优越性。

参考文献

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