微波功率放大器預(yù)失真線性化技術(shù)研究

劉海濤

摘要：現(xiàn)代無(wú)線通信飛速發(fā)展，有限的頻譜資源上需要承載越來(lái)越高的數(shù)據(jù)流量，4GLTE技術(shù)將達(dá)到100Mbps的傳輸速率，無(wú)線傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和工作將承受巨大的壓力。系統(tǒng)中的核心部件——微波功率放大器一般都處于非線性工作狀態(tài)，而包絡(luò)變化的調(diào)制信號(hào)經(jīng)過(guò)非線性微波功率放大器后會(huì)產(chǎn)生互調(diào)失真，造成嚴(yán)重的碼間干擾和鄰信道干擾。為了保證通信質(zhì)量，必須采用線性化技術(shù)。文章對(duì)目前常用的預(yù)失真線性化進(jìn)行梳理，并分析了工作原理、介紹了技術(shù)特點(diǎn)，為高線性高效率微波功率放大器的設(shè)計(jì)提供了重要的參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：無(wú)線通信；微波功率放大器；線性化技術(shù)；預(yù)失真

1微波功率放大器線性化技術(shù)

微波功率放大器線性化技術(shù)主要分為兩類(lèi)：（1）射頻功放的輸入信號(hào)是包絡(luò)變化的，通過(guò)非線性功放后會(huì)產(chǎn)生失真分量，但可以利用某種技術(shù)來(lái)消除所產(chǎn)生的失真信號(hào)。如預(yù)失真技術(shù)或負(fù)反饋技術(shù)，是通過(guò)改變輸入信號(hào)的特性來(lái)達(dá)到消除失真分量的目的。（2）該類(lèi)技術(shù)完全避開(kāi)了射頻功放的非線性特性，通過(guò)某種信號(hào)變換使輸入信號(hào)變成包絡(luò)恒定的信號(hào)。如LINC和CALLUM技術(shù)是把輸入信號(hào)的幅度和相位分離開(kāi)，形成恒包絡(luò)但相位變化的兩路信號(hào)，然后通過(guò)放大器放大后再合成的技術(shù)。另一種技術(shù)EE&R則把輸入信號(hào)分解成幅度和相位表7K的形式，但只有相位信息通過(guò)非線性功放，而幅度信息則用來(lái)控制功放的供給電壓，通過(guò)這種方式來(lái)達(dá)到線性化目的[1]。

2預(yù)失真線性化技術(shù)

預(yù)失真技術(shù)是一種廣泛使用的射頻功放線性化技術(shù)，一個(gè)典型的預(yù)失真系統(tǒng)如圖1所示，信號(hào)經(jīng)過(guò)預(yù)失真器，然后進(jìn)入功率放大器，由于預(yù)失真非線性和功率放大器非線性的共同作用，最終產(chǎn)生的輸出信號(hào)被“糾正”過(guò)來(lái)[2]。

根據(jù)預(yù)失真器在發(fā)射機(jī)中的位置，可以分為射頻預(yù)失真技術(shù)、中頻預(yù)失真技術(shù)和基帶預(yù)失真技術(shù)；根據(jù)預(yù)失真器處理信號(hào)的形式，可以分為模擬預(yù)失真技術(shù)和數(shù)字預(yù)失真（DigitalPre_Distortion，DPD）技術(shù)。

2.1模擬預(yù)失真技術(shù)

模擬預(yù)失真技術(shù)起源于20世紀(jì)中葉對(duì)晶體管器件非線性特性研究的開(kāi)展。1959年MacDonald就提出了用相反的非線性特性來(lái)補(bǔ)償三極管本身非線性的方法，這就包含了模擬預(yù)失真技術(shù)思想。1968年Lotsch提出了分析二極管非線性的理論。

20世紀(jì)80年代后，模擬預(yù)失真技術(shù)進(jìn)入快速發(fā)展時(shí)期，這時(shí)的主要應(yīng)用對(duì)象是移動(dòng)通信系統(tǒng)。由于前饋線性化技術(shù)成本較高，系統(tǒng)復(fù)雜，模擬預(yù)失真成為一種低成本、難度低的線性化方案，得到較為廣泛的應(yīng)用。

模擬預(yù)失真的核心是模擬預(yù)失真器，傳統(tǒng)的預(yù)失真電路有以下幾類(lèi)。

2.1.1串連二極管預(yù)失真電路

主要設(shè)計(jì)思想：利用二極管正向電流與電壓的指數(shù)關(guān)系來(lái)補(bǔ)償放大器的增益壓縮特性（即AM/AM失真）；二極管正向動(dòng)態(tài)電阻RD與并聯(lián)電容CP組成的非線性的移相網(wǎng)絡(luò)來(lái)補(bǔ)償放大器的相位失真特性（AM/PM失真）。

二極管的偏置電路使之工作在一個(gè)合適的低導(dǎo)通狀態(tài)，這時(shí)，二極管雖然導(dǎo)通，但是導(dǎo)通電流較小，動(dòng)態(tài)電阻較大。當(dāng)輸入的射頻（RadioFrequency，RF）功率增加時(shí)，二極管對(duì)其進(jìn)行整流，使流經(jīng)自身的靜態(tài)電流增加，于是，二極管的動(dòng)態(tài)電阻RD下降，預(yù)失真電路的損耗減?。ū憩F(xiàn)b為增益擴(kuò)展）；同時(shí)二極管動(dòng)態(tài)電阻RD與電容CP組成的非線性相移網(wǎng)絡(luò)造成的相移量也隨RD的減小而下降，這部分補(bǔ)償了放大器隨輸入信號(hào)功率的增加而帶來(lái)的信號(hào)相移的增加。

2.1.2并聯(lián)二極管預(yù)失真電路系統(tǒng)

主要設(shè)計(jì)思想：利用了平行反接二極管的偶次非線性電流相互抵消，只產(chǎn)生3次非線性電流的性質(zhì)，產(chǎn)生的3次非線性電流就可以被利用來(lái)抵消放大器的互調(diào)失真分量。2.1.3對(duì)消失真預(yù)失真電路系統(tǒng)

主要設(shè)計(jì)思想：利用90°3dB電橋?qū)π盘?hào)的分配和移相功能和與末級(jí)功放的失真特性（AM/AM和AM/PM失真）相類(lèi)似的功放管，在功放的前級(jí)構(gòu)建一個(gè)對(duì)消失真預(yù)失真器，交調(diào)信號(hào)的產(chǎn)生與主功放產(chǎn)生的交調(diào)進(jìn)行對(duì)消。

傳統(tǒng)的模擬預(yù)失真技術(shù)雖然成本低廉，但是由于其預(yù)失真器并不能完全模擬功放在復(fù)雜調(diào)制信號(hào)下的失真特性，所以線性改善量較低，且只能工作在窄帶下，所以難以應(yīng)用在現(xiàn)代的多載波寬帶無(wú)線通信。

2.2數(shù)字預(yù)失真技術(shù)

數(shù)字預(yù)失真原理：通過(guò)一個(gè)預(yù)失真元件（Pre-distorter）來(lái)和功率放大器（PowerAmplifier，PA）級(jí)聯(lián)，非線性失真功能內(nèi)置于數(shù)字、數(shù)碼基帶信號(hào)處理域中，其與放大器展示的失真數(shù)量相當(dāng)（“相等”），但功能卻相反。將這兩個(gè)非線性失真功能相結(jié)合，便能夠?qū)崿F(xiàn)高度線性、無(wú)失真的系統(tǒng)。

數(shù)字預(yù)失真技術(shù)的難度在于PA的失真（即非線性）特性會(huì)隨時(shí)間、溫度以及偏壓（bmsmg）的變化而變化，因器件的不同而不同。因此，盡管能為一個(gè)器件確定特性并設(shè)計(jì)正確的預(yù)失真算法，但要對(duì)每個(gè)器件都進(jìn)行上述工作在經(jīng)濟(jì)上則是不可行的。為了解決上述偏差，必須使用反饋機(jī)制，對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行采樣，并用以校正預(yù)失真算法。

另外，數(shù)字預(yù)失真的主要瓶頸是寬帶功放的非線性特

性建模以及整個(gè)系統(tǒng)帶寬受到數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器（DigitaltoAnalogConverter，DAC）硬件的限制，為保證3階分量以及5階分量的對(duì)消，DPD系統(tǒng)的信號(hào)處理帶寬必須達(dá)到5倍的輸入信號(hào)帶寬。

隨著數(shù)字技術(shù)以及相關(guān)算法的發(fā)展，自20世紀(jì)90年代以來(lái)，數(shù)字預(yù)失真取得了迅猛發(fā)展，目前己經(jīng)成為線性化技術(shù)中最具備前景的一種主流線性化技術(shù)。目前主要專用DPD芯片有TI公司的GC53XX系列，Optichron公司的OP4400以及OP6180，同時(shí)Xilinx以及Altera公司也提出了基于FPGA的DPD方案。

目前DPD功放的瓶頸仍然是帶寬，但是隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，目前最優(yōu)的DPD方案己經(jīng)可以滿足60MHz的即時(shí)帶寬，拉近了與前饋技術(shù)的距離。

DPD功放的典型指標(biāo)如表1所示。

3結(jié)語(yǔ)

隨著無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展，對(duì)發(fā)射機(jī)系統(tǒng)的功率效率、頻譜效率、線性度等性能要求也越來(lái)越高，線性化功率放大器技術(shù)也在隨著系統(tǒng)要求呈現(xiàn)以下趨勢(shì)：（1）多模多制式的應(yīng)用模式越來(lái)越廣泛，未來(lái)的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)將實(shí)現(xiàn)多功能化，功率放大器必須同時(shí)滿足多種信號(hào)制式的線性放大。（2）小型化、高效率。未來(lái)的移動(dòng)通信設(shè)備都將往小型化發(fā)展，要求功放作為主要發(fā)熱單元必須具備較高的效率以及較低的熱耗。（3）與數(shù)字系統(tǒng)結(jié)合緊密，隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展以及數(shù)字硬件成本的降低，未來(lái)的功率放大器將于數(shù)字技術(shù)結(jié)合緊密。可見(jiàn)，功率放大器將圍繞高效率、多模高線性、數(shù)字化不斷發(fā)展。

[參考文獻(xiàn)]

[1JGHANNOUCHIFM，HASHMIMS.AdvancedtechniquesinRFpoweramplifierdesign-steveC.cripps[J].ArtechHousePrintonDemand，2011（3）：16-18.

[2]吳剛.射頻功放數(shù)字預(yù)失真技術(shù)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2009.endprint