削峰和数字预失真原理及其运用.docx

1、削峰和数字预失真原理及其运用削峰与数字预失真原理及其运用序号主要修订容编者/修订日期版本123456789第一章：数字预失真原理及其运用1功放线性化技术的引入射频功率放大器（Power Amplifier，以下简称PA）已经成为移动通信系统的一个瓶颈。它的基本功能是按一定的性能要求将信号放大到一定的功率。由于在大功率状态下工作，它消耗了系统的大部分功率，因此，整个系统的效率主要由PA发射信号时的效率决定。在第一代移动通信系统中（NMT），由于采用了恒定包络的调制方式，故没有严格的线性度的要求，所以可以采用高效率的PA，即使这样，也有85的系统功率消耗在PA上（指在最大功率状态下）；在第二代移动

2、通信系统GSM中，采用了时分双工，并仍然采用了恒定包络调制，由于存在突发时隙功率渐升/降（Power Ramping）的问题，对线性度的要求稍高，这会稍微损失一点效率，但是考虑到PA只在八分之一的时间是处于工作状态的，因此，PA效率对整机效率的影响程度大大降低了；在第三代移动通信系统（以下简称3G，包括W-CDMA，cdma2000等）中，为了提高频谱效率，采用了复杂的线性调制方式，由于其幅度也携带信息，因此需要线性放大，另外，在3G系统常采用的是连续发射（指频分双工系统），所以PA在系统中扮演的角色就显得特别重要。从PA的角度来看，现代移动通信系统面临的困难来自频谱效率的要求，高的频谱效率要

3、求有高的线性度。现代RF PA的研究重点是如何在保持一个合适的功率效率的同时改善放大器的线性度。为了达到这个目的，除了优化PA本身的设计，即部的线性化技术（Internal Linearization）以外，研究者还广泛采取前馈、预失真与反馈等外部线性化技术（External Linearization）。由此各种PA的线性化技术因应而生。概括而言，PA的线性化技术引入历程如下图1.1所示，另外无论线性化技术的方法有多少种，目的无外乎以下两个： 1：改善信号的带（EVM）和带外(ACPR)的性能； 2：提高PA的效率，从而降低系统成本，提高产品竞争力。 图 1.1 PA线性化技术的引入历程2射

4、频功放非线性失真的表征如果一个系统的输出是输入的非线性函数，则认为这个系统就是一个非线性的系统。可以有很多方法来表征一个非线性系统，最常用的有：多项式模型；AM-AM&AM-PM转换模型；ACPR与EVM；Volterra模型等等。2.1射频功放中的三类失真通常，A类与AB类放大器中存在着以下三类失真： 第一类，也是“最简单”的幅度失真，就是放大器的增益压缩现象，即AM-AM失真，可以采用非线性的多项式模型来表征放大器的这种特性； 第二类，是放大器的相位失真，即AM-PM失真，可以采用贝塞尔函数或三角函数来表征这种失真，下面的AM-AM&AM-PM模型将描述这类失真； 以上两种失真都是针对放大

5、器在单一频点或窄带时的非线性行为，如果放大器工作在宽带下，单独用AM-AM和AM-PM失真便不足以描述放大器的全部失真行为，在这种情况下，还要计入以下两类非线性失真： 第三类，由放大器的热学和电学记忆效应引起的失真即电学记忆效应和热学记忆效应。2.2多项式系统模型在多项式系统模型中，设用下式来描述放大器的非线性： （1）设输入信号（双音信号130dB的抵消效果，由于它是一种后失真方法，所以对记忆效应不敏感。但是由于前馈技术必须使用辅助放大器来放大失真信号（误差信号），这样必然大大降低了效率（效率一般只能做到8%左右），提高了成本；并且在具体设计中需要对误差抵消环的相位延时进行精心调节，这对生产

6、和调试提出了很高的要求；如果出现功率变化、温度变化及器件老化等均会造成抵消失灵。在系统中还需考虑自适应抵消技术，使抵消能够跟得上外环境的变化。由于前馈线性功放具有系统复杂、造价高、功率效率低、生产调试复杂等缺点，因此数字预失真线性功放技术越来越得到重视。3.3预失真线性功放顾名思义，预失真就是采用预先失真（Predistortion）的线性化技术，通过在PA前端引入与PA本身正交相反的非线性失真改善功放系统线性。预失真技术包括模拟预失真和数字预失真。模拟预失真在PA的射频输入信号中直接引入预失真，电路结构简单、成本低，但由于模拟预失真线性化效果较差，一般与其它线性化技术配合应用；数字预失真在数

7、字基带信号处理中引入失真过程，理论线性化处理效果可以达到与前馈同等的水平，而且可以实现更高的效率，配合高效率功放如DOHERTY功放，其效率可以达到30%以上；并且数字预失真技术具有自动自适应补偿功能，省掉了费时费力的手工放大器校准过程，大大简化了了功放系统的调试。随着数字预失真线性化技术的不断发展成熟，数字预失真线性化技术将成为未来功放线性化技术的方向和主流。数字预失真线性功放的功能框图如下图3.2，数字基带信号经过预失真处理单元处理，输出经过D/A变换，变成模拟信号，然后经过射频上变频，送给高功放PA；同时， PA耦合一部分输出信号下变频后送给A/D，采样后的输出与基带信号一起送给自适应处

8、理单元进行信号处理，分析PA的失真特性参数，得到数字预失真的失真系数，然后将此失真系数送给预失真处理单元进行数字预失真处理。图3.2 数字预失真线性功放的功能框图 如下图3.3所示，数字预失真处理器对输入数字信号进行预先的失真处理，其失真特性与后级非线性功放的失真特性刚好相反，这样，当数字预失真处理后的失真信号经过后级非线性功放后，后级非线性功放的失真特性刚好抵消了数字预失真特性，最终输出的信号可以看成是输入信号经过一个等价的线性功放而得到的。图3.3 数字预失真处理原理示意图4数字预失真（DPD）原理4.1数字预失真原理 数字预失真就是在数字域在信号输入PA之前进行特殊的处理形成失真的信号，

9、该失真信号表现的特性刚好和PA相反，从而后经过PA后信号进行了线性的放大，达到了功放线性化的目的。数字预失真的目的就是产生这么一个失真过程。数字预失真的原理框图如下图4.1所示。图 4-1 数字预失真原理框图 简单的可以表示为： （4-1） 这里表示的预失真的传输方程，表示的功放的传输方程。表示的是输入信号。K表示的是一个复常数。这个过程用用增益曲线可以表示为图4.2中（a）所示。 预失真过程仅仅从功率的角度来看，可以认为是增加PA输入信号功率的过程，增加功率的目的是达到功放线性放到的目的，这个过程可以简单的表示为图4.2中（b）所示。 知道PA的传输函数，不同的预失真传输函数可以长生不同的P

10、A级联线性效果，如图4.2中（c）所示，图中按照PA的最大增益，饱和增益和平均增益共拟合了三条线性曲线。 从PA的效率角度考虑，希望最终合成的线性增益曲线按照PA的最大增益拟合，这种情况下预失真的传输函数增益变化很快，给系统的设计带来很多困难，所以实际中需要折中处理。一般都系统都要求DPD使得信号的增益不变。图 4.2 数字预失真原理示意图4.2数字预失真的实现在4.1中讲到数字预失真的基本原理。数字预失真的实现就是如何产生预失真信号，同时让预失真的传输方程和PA传输方程的级联效果满足信号的线性放大。参考图4-1，可以看表征该框图的如下几个特征是确定的，输入信号包括幅度特性，相位特性，PA表现

11、的特性包括增益特性，相位特性。输出信号包括增益和幅度特性。最终的要和具有线性的特性，结合已知的条件，同时参考公式(4-1)很自然就会想到，预失真的表现的传输方程应该和PA的传输方程的反方程，称之为互逆，这样它们的级联才能表现出线性的特性。这其实也就是数字预失真的核心思想，按照这样的核心思想便产生了数字预失真的架构和关键技术。下面分别介绍。4.2.1PA的模型上面提到只有知道了PA的传输方程才能求出预失真的传输方程即PA传输方程的逆方程。PA的传输方程必须精确的表示PA中三大失真特性即AM-AM特性，AM-PM特性和记忆效应。研究表明，预失真信号与放大器本身失真的幅度与相位必须要严格匹配才能获得

12、满意的线性化性能。如图4.3所示：图4.3 a）IM3失真抵消的原理；b）能取得的抵消水平与相位及幅度误差的关系图中显示，要获得25dB的IM抑制，相位误差要小于23度，增益误差要小于0.25dB（3）。 实际系统中，一方面输入PA的数字调制信号的瞬时幅度与频率在不断的变化，因此抵消信号必须跟踪这种变化，另一方面，PA的本身特性随着环境的变化也会有所变化，所以预失真技术也不必须跟踪这种变化，而跟踪的幅度误差与相位误差都将限制IM的抑制性能。提到跟踪，自然会会想到系统控制中的反馈技术，实际中也是基于一个反馈系统结合非常复杂的自适应线性化技术以跟踪信号幅度与频率的变化，从而达到良好的线性化性能。采

13、用反馈式自适应技术，对精确表征PA传输方程的模型的建立是非常重要的，这里仅仅简单介绍几种常见的模型，有兴趣的读者可以参考这方面的专著。常用的PA模型主要有以下几种：Hammerstein模型与Wiener模型认为功放的记忆效应和AM-AM/AM-PM失真是简单的级联组合。记忆效应可以用近似滤波器的特性来表征，非记忆效应失真用专门的AM-AM/AM-PM模型来表示，这两种模型的区别仅仅是表征记忆效应的位置不同。实际功放部失真特性极其复杂，Hammerstein模型与Wiener模型的这种处理都是为了简化数学运算，都是一种近似，是不完备的，所以这两种模型在实际中都很少采用。 图4.4 基于滤波器的

14、表征PA记忆效应的几个模型 目前采用最多的是Volterra模型，Volterra级数模型是完整描述有记忆非线性系统最为经典的模型，见表达式（4-2）。它描述了功放的记忆效应和各阶非线性结合的特性，是一个完备的模型，但这个模型在物理上无法直接实现。 （4-2）一般可以简化为： （4-3）其中，Q为记忆深度，也就是说记忆效应影响的深度，P是非线性最高的阶数。 记忆多项式模型也是一个简化的Volterra级数模型，由于它具有工程上的可实现性，它是一个常用的经典的功放模型，它仍然是不完备的。4.2.2数字预失真的实现架构 上面说明反馈技术和PA模型对实现数字预失真的重要性，实际实现中常常采用如下图4

15、.5的架构。 图4.5 数字预失真的一般的硬件架构框图 从上图中看到，数字预失真的硬件架构中都有一条传输链路和一条反馈链路，共同形成了DPD的环路，同时链路上都有增益可控部分，前向链路分别有数字域的乘法器和模拟域的数控衰减器DATT。反馈链路中一般只有数控衰减器DATT，当然对于更为精确的控制也会有数字域的乘法器。4.2.3DPD模型参数的自适应过程 DPD模型参数自适应的过程实际上就是通过训练得到一个实际的predistorter 模型（PA反模型）的各个参数的值。如下图4.6所示，功放输出耦合一部分信号，经过下变频，A/D，得到输出，经过功率调整，即除以功放增益，此信号作为predisto

16、rter 模型的输入，D/A输入信号当作predistorter 模型的输出，经过DSP的自适应算法，得到predistorter 模型的各个参数确定值，使模型输入输出误差最小。从而最终达到predistorter的输入和PA输出信号特性之间的误差最小，从而达到了仅仅线性放大的过程。图4.6 DPD模型参数自适应过程原理图记忆多项式模型是为了物理实现对Volterra级数模型作了较大的简化，它同样是一个不完备的模型。实际各个厂家的功放千差万别，为适应大多数情况，实现DPD时，记忆多项式考虑的阶数，记忆深度就不能太少，这样对硬件资源，自适应算法的实时性提出了较高的要求4.2.4基于LUT的数字预失真实现 上面提到了PA的模型和DPD评估参数的自适应过程，下面将描述如何将上述的思想来具体的实现。 基于查找表LUT的DPD是目前的主流，它在数字域实现，简化了实现的复杂度。LUT实现是基于DPD模型的参量是信号的包络，即认为功放所有的失真都是信号包络的函数这一个基本思想进行，Volterra模型也反映了这一思想。参考公式4-3，可以看到DPD的是输入函数包络的幂函数，这些幂函数如果硬件实现会非常消耗