面向下一代移動(dòng)通信的高效率超寬帶線性化技術(shù)的研究

黃健安 郭新 郝建豹 胡光雄

關(guān)鍵詞：下一代移動(dòng)通信；數(shù)字預(yù)失真；非線性濾波模型；現(xiàn)場可編程門陣列

0引言

當(dāng)前移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中，數(shù)據(jù)量呈指數(shù)式增長。為適應(yīng)這個(gè)趨勢，移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)迫切需要進(jìn)一步優(yōu)化和升級(jí)，向多載波及多輸入多輸出（multiple-input multiple-output，MIMO）技術(shù)演進(jìn)。在網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中，射頻功率放大器（簡稱“功放”）作為一個(gè)核心部件，對(duì)上述目標(biāo)達(dá)成起著至關(guān)重要的作用。

下一代移動(dòng)通信信號(hào)的寬頻帶和高峰均比給射頻功率放大器提出了更高的要求。為了達(dá)到更高的效率，通常讓功放在飽和區(qū)工作，但是在超寬帶信號(hào)下，功放會(huì)有記憶效應(yīng)且信號(hào)易失真，對(duì)通信質(zhì)量產(chǎn)生影響。由于功放的效率和線性度是矛盾的，既要保證功放的效率，又要使其具有盡可能高的線性度，是研究人員要實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜平衡。

目前，改善功放線性度較理想的方法是數(shù)字預(yù)失真（digital pre-distortion，DPD）技術(shù)，其具有性能良好、實(shí)現(xiàn)靈活、一致性好的特點(diǎn)。但是，數(shù)字預(yù)失真系統(tǒng)能夠處理的信號(hào)帶寬也受到反饋回路中模數(shù)轉(zhuǎn)換器（analog to digital converter，ADC）的速率和位數(shù)限制，同時(shí)為了實(shí)時(shí)更新功放模型參數(shù)，需要消耗大量高速運(yùn)算和存儲(chǔ)資源，從而增大系統(tǒng)功耗。

針對(duì)目前超寬帶高線性通信技術(shù)存在的問題，本研究提供一種帶限函數(shù)自適應(yīng)數(shù)字預(yù)失真算法，可克服ADC的速率和位數(shù)限制，并不需要增強(qiáng)數(shù)字信號(hào)處理器件的性能。

1系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)功放原理，目前主流的橫向雙擴(kuò)散金屬一氧化物一半導(dǎo)體場效應(yīng)管（lateral double-diffusedMOSFET，LDMOS）功放的典型工作特性如圖1所示。

當(dāng)功放在線性區(qū)時(shí)，表現(xiàn)為很好的線性度，不過由于效率太低，會(huì)對(duì)無線通信基站造成巨大的能量浪費(fèi)和設(shè)備發(fā)熱問題。因此，功率回退的方法無法廣泛應(yīng)用于射頻功放線性化場合。

預(yù)失真技術(shù)，即預(yù)先在射頻功放模塊前插入一個(gè)與射頻功放工作特性相反的預(yù)失真單元，把理想的原信號(hào)經(jīng)過預(yù)先處理變成設(shè)定的預(yù)失真信號(hào)，這時(shí)射頻功放的輸入就換成了新的預(yù)失真信號(hào)，從而提高了功放線性度。具體的實(shí)現(xiàn)原理圖如圖2所示。模擬預(yù)失真因?yàn)殡娐泛唵蔚玫搅藦V泛使用，然而模擬預(yù)失真通常只適用于雙音信號(hào)或較窄帶的信號(hào)，不適用于寬帶的信號(hào)。

數(shù)字預(yù)失真是一種把射頻功率放大器輸出信號(hào)通過下變頻混頻電路變至基帶后，與射頻功放的輸入信號(hào)產(chǎn)生射頻功率放大器的逆模型。功放的逆模型參數(shù)存儲(chǔ)在現(xiàn)場可編程門陣列（field-programmable gate array，F(xiàn)PGA）等芯片中?；诓檎冶恚↙UT）技術(shù)的數(shù)字預(yù)失真方法是數(shù)字信號(hào)處理（digital signal processrng，DSP）芯片依據(jù)輸入信號(hào)的特性調(diào)用相應(yīng)的表項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行數(shù)字預(yù)失真。數(shù)字預(yù)失真結(jié)構(gòu)原理框圖如圖3所示，D/A為數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)；A/D是模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。

本文設(shè)計(jì)一種基于數(shù)字預(yù)失真硬件平臺(tái)的算法，其硬件原理框圖如圖4所示。

2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本文提出一種軟件設(shè)計(jì)方法，在數(shù)字預(yù)失真硬件平臺(tái)中運(yùn)行，解決了大功率射頻功放應(yīng)用中遇到的效率和線性度矛盾問題。

在非線性系統(tǒng)分析中，冪級(jí)數(shù)是一種最基本的分析方法，適用于無記憶的弱非線性系統(tǒng)；諧波平衡法適用于大信號(hào)激勵(lì)的強(qiáng)非線性系統(tǒng)。沃爾泰拉（Volterra）級(jí)數(shù)是一種更高級(jí)的分析方法，是泰勒（Taylor）級(jí)數(shù)的推廣。它在系統(tǒng)識(shí)別領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。

帶寬的增加不僅會(huì)導(dǎo)致很強(qiáng)的記憶效應(yīng)，而且對(duì)ADC的要求也會(huì)更高。如果輸入信號(hào)帶寬為80 MHz，5階模型對(duì)應(yīng)的帶寬就是400 MHz，根據(jù)奈奎斯特（Nyquist）采樣定理，則ADC采樣速率需要達(dá)到800 MSa/s，這無疑對(duì)ADC提出了極高的要求。而帶限函數(shù)自適應(yīng)數(shù)字預(yù)失真（簡稱“帶限數(shù)字預(yù)失真”）技術(shù)只需關(guān)注載帶和鄰帶信號(hào)，即專注優(yōu)化鄰道的功率泄漏，而無須對(duì)整體頻譜進(jìn)行優(yōu)化。這就大大降低了對(duì)ADC性能的需求。帶限數(shù)字預(yù)失真結(jié)構(gòu)如圖5所示，DAC為數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器；IQ信號(hào)又稱同向正交信號(hào)，是連續(xù)信號(hào)在二維直角坐標(biāo)系中的映射，通常用于基帶信號(hào)的轉(zhuǎn)換和重建，其中，I為同相（in-phase），Q為正交（quadrature），與I的相位相差90°; RF為射頻信號(hào)（radio frequency）。

由于功放的輸出信號(hào)在數(shù)學(xué)上可表達(dá)為由低到高的非線性分量相加，本文根據(jù)不同帶寬的信號(hào)非線性分量設(shè)計(jì)階數(shù)不同的非線性多項(xiàng)式。實(shí)驗(yàn)表明，模型的非線性階數(shù)越接近對(duì)應(yīng)頻譜擴(kuò)展的帶寬，建模的精度就越接近理想值。Volterra級(jí)數(shù)帶限函數(shù)模型如圖6所示，x（n）為輸入信號(hào)，y（n）為輸出信號(hào)，y（n）為經(jīng)過低通濾波器（FIR LPF）后的輸出信號(hào)，n為Volterra級(jí)數(shù)的階數(shù)，D1、D3、D5分別為Volterra級(jí)數(shù)模型中的一階、三階、五階分量，h1、h3、h5分別為對(duì)應(yīng)的一階、三階、五階Volterra核系數(shù)。

本文通過將帶限函數(shù)加入模型，既能使建模的精度滿足數(shù)字預(yù)失真的需要，又能減少模型誤差；不但使模型帶寬得以控制，而且又能維持Volterra級(jí)數(shù)的階數(shù)。

（1）在同等的性能條件下，與傳統(tǒng)的帶限記憶多項(xiàng)式模型相比，浮點(diǎn)運(yùn)算數(shù)目和模型系數(shù)數(shù)目分別下降了約48%和28%。

（2）采用自適應(yīng)的算法求解小數(shù)時(shí)延，可解決帶限數(shù)字預(yù)失真系統(tǒng)中的環(huán)路延時(shí)問題，提高算法估計(jì)的精度，并且采用自適應(yīng)的估算算法，具有一定的工程實(shí)現(xiàn)參考價(jià)值。

（3）實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，輸出信號(hào)的相鄰信道功率比（adjacent channel power ratio，ACPR）改善了27dBc，誤差向量幅度（error vector magnitude．EVM）改善了3%，并且對(duì)超出模擬濾波器帶寬外的頻譜也有一定的線性化能力。

本文基于時(shí)域信號(hào)，設(shè)計(jì)模型控制濾波器的帶寬來改變帶限表達(dá)式的帶寬。設(shè)計(jì)的模型較好地?cái)M合了輸入信號(hào)與輸出信號(hào)間的工作特性，并具有很高的建模精度，而無須考慮功放輸出帶限信號(hào)的帶寬。如式（1）所示，NMSE為歸一化后的平均絕對(duì)誤差，通過控制階數(shù)不變，調(diào)整濾波器帶寬，可將誤差控制在0.682以內(nèi)。

3結(jié)語與展望

本文提出的方案通過設(shè)置預(yù)失真模塊，并優(yōu)化時(shí)序分析處理算法，可避免設(shè)備過熱的問題，并解決功放在超寬帶范圍內(nèi)線性差的問題，提高了功放效率。

隨著SG時(shí)代的到來，SG基站、智能移動(dòng)終端及物聯(lián)網(wǎng)（IoT）終端射頻功率放大器應(yīng)用已十分普遍，并且迎來高速發(fā)展。據(jù)統(tǒng)計(jì)，智能移動(dòng)終端射頻功放市場規(guī)模從2017年的50億美元增長到2023年的70億美元，高端長期演進(jìn)技術(shù)（LTE）功率放大器市場的增長，使其在高頻和超高頻領(lǐng)域有更廣闊的發(fā)展空間。本文提出的方案可直接應(yīng)用在射頻功率放大器的生產(chǎn)當(dāng)中，將帶來較大的經(jīng)濟(jì)效益。