數(shù)字電視ＯＦＤＭ發(fā)射機(jī)要求

劉　彥　張愛芹　劉　偉

本文主要講述了使用OFDM技術(shù)的數(shù)字電視發(fā)射機(jī)對(duì)高線性的要求，也是數(shù)字電視發(fā)射機(jī)的技術(shù)難點(diǎn)，及如何開發(fā)適合數(shù)字電視發(fā)射機(jī)中大功率放大器的預(yù)校正系統(tǒng)，達(dá)到改善大功率放大器的線性度，以提高放大器的工作效率。

常規(guī)OFDM(正交頻分復(fù)用)，例如歐COFDM的傳輸符號(hào)是多載波的頻域賦值的QAM信號(hào)經(jīng)過(guò)IFFT處理后得到的結(jié)果，由于這種處理是線性相加的關(guān)系，當(dāng)IFFT的輸入中存在相位一致的某些點(diǎn)時(shí)必然有較高的峰平比。IFFT變換的點(diǎn)數(shù)愈多，時(shí)域波形愈近似正態(tài)分布，其峰平比就越高。這對(duì)電視發(fā)射機(jī)線性度提出了非常高的要求。

對(duì)常規(guī)COFDM調(diào)制而言，數(shù)字電視廣播發(fā)射機(jī)的技術(shù)難點(diǎn)之一就是研制開發(fā)適合數(shù)字電視發(fā)射機(jī)中大功率放大器的預(yù)校正系統(tǒng)，達(dá)到改善大功率放大器的線性度、提高放大器的工作效率的目的。

對(duì)發(fā)射機(jī)中功率放大器進(jìn)行線性化有五種常見的技術(shù)：有源偏置、前饋、具有非線性元件的線性放大器、負(fù)反饋和預(yù)失真。

前饋有許多潛在的優(yōu)點(diǎn)，如：（1）它可以大大改善功放的線性度；（2）在工作頻帶的帶寬內(nèi)，它不損失器件的增益帶寬；（3）第二個(gè)輔助放大器僅處理誤差信號(hào)，因此它是低功率和低噪聲的放大器，使系統(tǒng)的總噪聲性能得到改善；（4）它是無(wú)條件穩(wěn)定的電路。但前饋法的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，增益、相位調(diào)整困難，硬件實(shí)現(xiàn)成本高。對(duì)于線性度要求較高的系統(tǒng)，必須加自適應(yīng)電路才能滿足要求。前饋法在溫度、電源電壓、工作頻率等周圍環(huán)境變化時(shí)，電路的參數(shù)變化不可能完全一致，從而使放大器的線性度變壞，影響放大器的性能。

在無(wú)線通信系統(tǒng)中，由于通信容量和運(yùn)行成本都受功率效率的影響，因此，功率效率是一個(gè)非常重要的問(wèn)題。尤其是使用變包絡(luò)的線性調(diào)制時(shí)，如何將直流功率高效地轉(zhuǎn)換為射頻輸出功率就顯得更加重要。在有源偏置法中放大器的電源消耗跟隨著輸入信號(hào)的包絡(luò)而變化，使放大器的效率得到較大的提高。

具有非線性元件的線性放大器方法不用反饋環(huán)，確保了整個(gè)電路工作穩(wěn)定，并且能充分利用頻譜資源和獲得高效的功率效率，其實(shí)質(zhì)是采用非常高效的非線性放大器（丙類、丁類、戊類）對(duì)恒包絡(luò)信號(hào)進(jìn)行射頻放大。這種方法的缺點(diǎn)是需要產(chǎn)生復(fù)調(diào)相信號(hào)，需要設(shè)計(jì)兩個(gè)匹配良好的放大器鏈，最后再將兩個(gè)大功率的信號(hào)進(jìn)行合成，不能適應(yīng)于由溫度、電源電壓、頻率變化引起放大器特性漂移的環(huán)境。

負(fù)反饋法是改善放大器線性度的一種較早的方法。一個(gè)放大器在射頻段工作時(shí)經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)寄生振蕩現(xiàn)象，振蕩產(chǎn)生的諧波頻率通常是射頻頻率的倍數(shù)，這種失真可以用低通或帶通濾波器濾掉。假設(shè)諧波失真能夠得到充分抑制，那么互調(diào)失真就成為主要矛盾。我們知道互調(diào)失真是調(diào)制信號(hào)的函數(shù)，可以采用射頻信號(hào)的調(diào)制反饋而不是用直接反饋方式來(lái)抑制互調(diào)失真。根據(jù)反饋的要求，反饋系統(tǒng)通常是在低頻段工作，這時(shí)環(huán)路增益可能較大，在環(huán)路內(nèi)信號(hào)可能經(jīng)歷從低頻調(diào)制到射頻、放大、最后再變換回低頻的過(guò)程。調(diào)制反饋的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是環(huán)路濾波器、控制穩(wěn)定性等措施也是在基帶進(jìn)行的。與基本的反饋結(jié)構(gòu)比較，這種方法要復(fù)雜得多，環(huán)路延時(shí)的增加也是調(diào)制反饋的主要限制因素之一。

預(yù)失真是補(bǔ)償放大器非線性失真最好的方法之一。使用這種技術(shù)，在功率放大器輸入端采用反失真來(lái)抵消功率放大器的非線性失真。如果設(shè)計(jì)這種反失真特性隨放大器的工作點(diǎn)（輸出功率）變化而變化，那么調(diào)節(jié)這種失真就可以補(bǔ)償由溫度、電源電壓、管子老化等引起工作點(diǎn)變化造成系統(tǒng)性能的下降。目前，預(yù)失真技術(shù)包括射頻預(yù)失真、中頻預(yù)失真和基帶預(yù)失真三種方法。射頻預(yù)失真技術(shù)具有容易實(shí)現(xiàn)、成本低等優(yōu)點(diǎn)，其缺點(diǎn)是使用射頻非線性有源器件，難于調(diào)節(jié)和控制，不能做到較快的自適應(yīng)。中頻預(yù)失真器通過(guò)調(diào)整預(yù)失真器的系數(shù), 可以補(bǔ)償由于功率放大器的三次互調(diào)引起的非線性失真。但這種方法采用模擬電路來(lái)實(shí)現(xiàn)線性化，對(duì)非線性失真的改善度有限?；鶐ьA(yù)失真線性化系統(tǒng)的原理圖如下圖所示。從圖中可以看出，預(yù)失真器的位置在基帶。虛線框內(nèi)的信號(hào)變換過(guò)程全部都是在數(shù)字域中進(jìn)行的，它可以由數(shù)字信號(hào)處理器DSP和自適應(yīng)預(yù)失真的算法來(lái)實(shí)現(xiàn)?；鶐ьA(yù)失真線性化技術(shù)不涉及復(fù)雜的射頻信號(hào)處理，只對(duì)基帶信號(hào)進(jìn)行處理，而且很容易做到自適應(yīng)，便于采用現(xiàn)代的數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，因此，它是一種較好的線性化方法。

我們?cè)陬A(yù)失真方面進(jìn)行深入研究。其實(shí)驗(yàn)方案是以DSP為核心的、基于OFDM輸入信號(hào)的實(shí)時(shí)預(yù)失真系統(tǒng)。大功率放大器（HPA）預(yù)失真器系統(tǒng)的硬件包括TMS320C62系列DSP處理器（定點(diǎn)運(yùn)算）；定向耦合器；下變頻器（將射頻變?yōu)橹蓄l）；I、Q解調(diào)器（將中頻信號(hào)變?yōu)榛鶐盘?hào)）；A/D變換器；RAM（幅度、相位）；FIFO;接口電路；延時(shí)器：用軟件實(shí)現(xiàn)。

我們對(duì)OFDM系統(tǒng)提出的基于估計(jì)器的數(shù)字自適應(yīng)預(yù)失真方法，采用蒙特卡羅方法進(jìn)行了計(jì)算機(jī)仿真，使用預(yù)失真技術(shù)中誤碼率及總功率下降兩個(gè)重要的性能評(píng)估指標(biāo)進(jìn)行分析，結(jié)果表明：大功率放大器的非線性所引起的總功率下降在無(wú)預(yù)失真時(shí)，最優(yōu)的輸入回退為11dB；經(jīng)過(guò)預(yù)失真補(bǔ)償后，最優(yōu)的輸入回退為5dB左右。最優(yōu)的輸入回退減小了6dB，說(shuō)明預(yù)失真器具有良好的補(bǔ)償作用。從幅值和相位逼近曲線參數(shù)的動(dòng)態(tài)趨勢(shì)圖可以看出，所提出的算法具有較快的收斂速度和較好的穩(wěn)定性。