数字预失真在高功率放大器中的应用

孙寒涛，李世伟，韩 军，杨作成

(1.中国人民解放军92493部队，辽宁 葫芦岛125000；2.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

0 引言

军事远距离无线通信系统中，高功率放大器(High-Power Amplifier，HPA)是发信链路的重要组成部分，它可以将发射频率上的低电平信号放大成满足远距离通信要求的大功率信号。随着具有大容量和高速度优点的数字通信技术需求日益增加，高阶调制技术应用广泛，常发生大功率输出和功放线性之间的矛盾，高功放的非线性特性严重影响通信质量，为了满足现代通信要求，必须解决线性功放问题。

从20世纪五六十年代开始，针对功放线性化的研究从没有停止，目前应用较多的有功率回退法、负反馈法、前馈法、非线性器件LINC法及预失真法等。其中功率回退法应用最多，它通过降低输入功率让功放远离饱和区来改善线性度，是一种牺牲效率换取线性的方式，实现简单、成本低廉；前馈法对非线性失真的改善效果非常好，但是需要2套功放设备，对信号延时精度也有很高的要求，实现难度大，成本很高；预失真技术根据数字和模拟工作方式，分为数字预失真和模拟预失真，模拟预失真采用模拟电路搭建，改变输入信号的幅度和相位，结构复杂度低，适用于高频段，但是应用固定，难以调节；数字预失真(Digital Pre-distortion，DPD)是利用数字信号处理技术，通过软硬件结合的方式，在信号基带工作，具有可处理带宽大、可控性高、应用灵活的优势，是目前线性化技术研究的热点[1-8]。

本文在业界新型高集成度射频收发平台AD9375上搭建了一个基于数字预失真技术的线性功放系统，并在高达400 W的基于氮化镓(GaN)工艺的功率放大器上进行了双音信号测试和LTE(Long Term Evolution)波形单载波、双载波信号测试，结果显示10 MHz双音波形下在功率放大器输出功率回退3 dB后，功率放大器输出IMD3改善了20 dB，达到了53.9 dBc，满足LTE系统使用要求。

1 数字预失真技术

1.1 预失真原理

数字预失真的基本原理是在功放前插入一个预失真模块，这个模块可以把信源输入信号处理成与功放输入输出特性相反，预处理后的信号进入功放后与非线性叠加，从而实现补偿非线性的效果，使信号输入输出在整体上呈线性关系，其原理如图1所示。

图1 预失真技术原理Fig.1 Principle of pre-distortion technology

1.2 数字预失真的关键点

数字预失真技术示意如图2所示。基带信号首先经过数字预失真器，再经过数模转换和滤波进入功放进行放大，功放输出耦合出一部分信号经滤波和模数转换送至预失真参数提取模块，在预失真参数提取模块中实现功放非线性行为建模、求逆运算或者预失真参数推导与计算等，得到的预失真信号与原始信号在数字预失真器中叠加即可实现预失真处理。

图2 数字预失真技术示意Fig.2 Schematic diagram ofdigital pre-distortion technology

数字预失真技术的关键点主要有3个。一是功放的行为建模，它是用一定的数学拓扑结构和数学参数来表征功放的各种内在特性，模型精确与否对数字预失真效果有很大的影响，目前记忆多项式模型应用最多。

二是自适应训练算法，是快速准确计算预失真权系数的工具，对预失真收敛速度有很大影响。

三是预失真权系数的学习结构，主要包括直接型和间接型学习结构。间接学习结构是一个开环系统，使硬件处理的速度大大加快，相比于直接学习结构有更好的鲁棒性。系数估计与预失真器模块均有一个功放建模过程，预失真器输出信号与系数估计输出信号对比产生代价函数e(n)，经最优化算法迭代计算后实现收敛。并将计算得到的预失真权系数复制到预失真器，校正输入信号。间接学习结构框图如图3所示。

图3 间接学习结构框图Fig.3 Indirect learning structure

1.3 衡量功放线性的指标

衡量功放线性的指标主要有三阶互调和邻信道功率泄漏比(Adjacent Channel Leakage Ratio，ACLR)等。

互调失真是当功率放大器同时输入2种或2种以上的频率时，由于放大器自身输入输出特性，输出信号会伴生输入信号频率以及谐波之间的合频与差频信号。互调干扰信号有三阶、五阶、七阶或者更多阶的分量，其中三阶互调分量最大，距离真实信号非常近，难以通过滤波方式滤除，因此在互调失真中重点关注三阶互调。

ACLR用来度量相邻频率信道中的干扰或者功率泄露，定义为相邻信道的平均功率和发射频率信道的平均功率之比，可以描述宽带信号经功放后产生非线性失真引起的信号带外频谱失真特性，反映在频谱图中就是两侧的“肩膀”。

本文后续对高功放做预失真测试时，对双音输入信号用三阶互调值评判功放的线性度，对LTE波形信号输入用ACLR指标来判断功放线性度。

2 预失真仿真

2.1 预失真系统仿真

在对高功率放大器的数字预失真方案进行实物测试之前，使用Matlab中的Simulink工具对DPD线性功放方案做了简要仿真设计。

结合前文中数字预失真技术的3个关键点，采用DPD间接学习结构，实现简单且效果稳定。功放行为建模使用带交叉记忆项的多项式模型，记忆深度M=5，非线性阶数P=5，该模型进一步增强了记忆效应带来的非线性影响，更加逼近真实情况中的功放特性。参数训练采用了递归误差预测 (Recursive Prediction Error Method，RPEM)算法，具有稳态误差小和收敛速度快的优点。工作频段设为2.4 GHz，中频50 MHz，输入16QAM信号，运行仿真分析对比输出频谱图。Simulink搭建的数字预失真系统如图4所示[13]。

图4 Simulink仿真数字预失真系统Fig.4 Simulink simulation of digital pre-distortion system

2.2 16QAM信号仿真结果

16QAM输入信号下开启DPD前后的功放仿真输出频谱图对比如图5所示。

由图5可以看出，输出信号频谱在加入预失真之后，邻信道“肩膀”下落，功放相邻信道频谱泄露减少，对邻信道的干扰减少，功放的非线性得到了改善，开启DPD前后ACLR降低约10 dB。

从Matlab仿真可以看出，DPD对于功放线性度改善非常明显，下面进一步应用这种方案对实物高功放应用DPD技术进行测试。

图5 16QAM信号DPD仿真输出频谱图Fig.5 16QAM signal DPD simulation output spectrum

3 DPD高功放测试

DPD高功放测试在高集成度射频收发平台AD9375上实现，数字基带信号由计算机端产生通过LAN口传输到ZC706开发板，由开发板和AD9375进行数据交换。

芯片射频输出端首先经过驱动级功放放大至高功放所需输入信号强度，高功放输出端通过功分器反馈回部分信号送至AD9375和开发板进行数字预失真处理。数字预失真技术示意如图6所示。

图6 数字预失真技术示意Fig.6 Schematic diagram of digital pre-distortion technology

测试对象是某频段400 W功放管芯氮化镓材质的高功率放大器，测试其在不同功率回退点时的线性指标，主要有：① 间隔为1 MHz与10 MHz的双音信号输入，测试引入数字预失真模块前后的三阶互调值；② LTE波形下单载波带宽20 MHz和双载波带宽为2×10 MHz信号输入，并在信号基带结合削峰处理，使目标峰均比为5 dB左右，测试引入数字预失真模块前后的ACLR指标。

将功放调整至饱和工作状态，记录频谱仪在预失真前后的波形，当功放输出功率为400 W时，即使开启DPD也达不到降低非线性的效果，功放过于非线性使DPD算法很难收敛，需要结合功率回退，即降低功放输入功率，使其工作范围远离饱和区，测试时调节发射链路衰减值来实现回退，观察DPD对高功放的改善效果。

3.1 双音信号测试

测试输出功率为400 W时，功放处于饱和状态，不开启DPD此时三阶互调值为15.06 dBc。在输入信号间隔1 MHz和间隔10 MHz的双音信号的情况下，开启DPD后，三阶互调值几乎不变，DPD对饱和功放没有作用。对双音信号输入时的完整测试结果如表1和表2所示。

表1 1 MHz间隔IMD3测试结果Tab.1 IMD3 (1 MHz interval)

由表1可以看出，在功放回退1.61 dB时，1 MHz间隔双音信号IMD3为26.70 dBc，此时开启DPD后状态稳定，IMD3为54.99 dBc，三阶交调改善值为28.29 dB，效果非常显著。当输出功率继续回退3 dB以上时，DPD仍能将IMD3改善至50 dBc以上。

由表2可以看出，在功放回退1.28 dB，10 MHz间隔双音信号IMD3为20.98 dBc，开启DPD后恰好能起到稳定收敛的效果，此时IMD3为52.85 dBc，三阶互调改善值达到31.87 dB，DPD作用明显。同样，当输出功率继续回退3 dB以上时，DPD可以稳定将IMD3指标改善至50 dBc以上。

由上述分析可以得出，应用数字预失真后高功放在双音信号输入下可以得到很好地线性度提升，结合功率回退可以保证在300 W左右输出功率，即回退1.5 dB时三阶互调达到50 dBc，实测效果优秀。

3.2 LTE波形信号测试

当输出功率为400 W时，由于此时功放处于饱和状态，工作区过于非线性，而且输入信号是一个LTE波形的宽谱信号，所以即使开启DPD也不能在400 W输出的情况下稳定工作，因此需要在基带信号上做削峰处理同时结合功率回退使DPD稳定工作。下面分别测试输入信号为LTE单载波、双载波波形下的ACLR指标，测试结果如表3和表4所示。

表3 LTE单载波ACLR测试结果Tab.3 LTE single carrier ACLR

表4 LTE双载波ACLR测试结果Tab.4 LTE 2-carrier ACLR

由表3和表4可以看出，LTE波形输入下，不论单载波还是双载波，在功放输出功率高于250 W左右时DPD对非线性改善没有作用，甚至会起反作用，当输出功率回退2.6 dB时，DPD对功放线性度改善才开始显现，功率继续回退3 dB以上，ACLR指标可以稳定改善到44～46 dBc，改善后的指标能很好地满足实际工程应用中高阶调制的要求，同时从表中可以看出载波个数对DPD给功放非线性校正带来的影响非常小，可以在多载波调制技术中得到应用。

在LTE双载波情况下，数字预失真前后ACPR实测频谱如图7所示。

图7 LTE双载波ACPR图(功放回退4.41 dB)Fig.7 LTE 2-carrier ACPR(back-off 4.41 dB)

测试对象高功放的管芯材料为氮化镓，基于氮化镓的固态功放具有高效率、高热导率的优点，是固态功放在高功率应用领域的主流发展方向，但是氮化镓的线性度较差，为了应用高阶调制技术，线性功放技术势在必行，本文实验DPD对氮化镓高功放线性指标的改善对于实际工程应用有一定参考价值。

4 结束语

根据数字预失真的原理与关键技术，在Simulink中仿真了数字预失真的方案，并基于新型射频收发芯片AD9375搭建了完整的线性功放平台，对400 W氮化镓材料高功率放大器进行了实物测试，分析对比了DPD对高功放三阶互调和ACLR指标的改善效果，在应用数字预失真后仅需少量功率回退即可满足工程中对功放的线性度要求。氮化镓固态功放发展十分迅速，本文对高功率放大器工程中的应用具有实际意义。