微波功率放大器预失真线性化技术研究

    刘海涛

    

    

    摘要：现代无线通信飞速发展，有限的频谱资源上需要承载越来越高的数据流量，4GLTE技术将达到100Mbps的传输速率，无线传输系统的设计和工作将承受巨大的压力。系统中的核心部件——微波功率放大器一般都处于非线性工作状态，而包络变化的调制信号经过非线性微波功率放大器后会产生互调失真，造成严重的码间干扰和邻信道干扰。为了保证通信质量，必须采用线性化技术。文章对目前常用的预失真线性化进行梳理，并分析了工作原理、介绍了技术特点，为高线性高效率微波功率放大器的设计提供了重要的参考依据。

    关键词：无线通信；微波功率放大器；线性化技术；预失真

    1微波功率放大器线性化技术

    微波功率放大器线性化技术主要分为两类：（1）射频功放的输入信号是包络变化的，通过非线性功放后会产生失真分量，但可以利用某种技术来消除所产生的失真信号。如预失真技术或负反馈技术，是通过改变输入信号的特性来达到消除失真分量的目的。（2）该类技术完全避开了射频功放的非线性特性，通过某种信号变换使输入信号变成包络恒定的信号。如LINC和CALLUM技术是把输入信号的幅度和相位分离开，形成恒包络但相位变化的两路信号，然后通过放大器放大后再合成的技术。另一种技术EE&R则把输入信号分解成幅度和相位表7K的形式，但只有相位信息通过非线性功放，而幅度信息则用来控制功放的供给电压，通过这种方式来达到线性化目的[1]。

    2预失真线性化技术

    预失真技术是一种广泛使用的射频功放线性化技术，一个典型的预失真系统如图1所示，信号经过预失真器，然后进入功率放大器，由于预失真非线性和功率放大器非线性的共同作用，最终产生的输出信号被“纠正”过来[2]。

    根据预失真器在发射机中的位置，可以分为射频预失真技术、中频预失真技术和基带预失真技术；根据预失真器处理信号的形式，可以分为模拟预失真技术和数字预失真（DigitalPre_Distortion，DPD）技术。

    2.1模拟预失真技术

    模拟预失真技术起源于20世纪中叶对晶体管器件非线性特性研究的开展。1959年MacDonald就提出了用相反的非线性特性来补偿三极管本身非线性的方法，这就包含了模拟预失真技术思想。1968年Lotsch提出了分析二极管非线性的理论。

    20世纪80年代后，模拟预失真技术进入快速发展时期，这时的主要应用对象是移动通信系统。由于前馈线性化技术成本较高，系统复杂，模拟预失真成为一种低成本、难度低的线性化方案，得到较为广泛的应用。

    模拟预失真的核心是模拟预失真器，传统的预失真电路有以下几类。

    2.1.1串连二极管预失真电路

    主要设计思想：利用二极管正向电流与电压的指数关系来补偿放大器的增益压缩特性（即AM/AM失真）；二极管正向动态电阻RD与并联电容CP组成的非线性的移相网络来补偿放大器的相位失真特性（AM/PM失真）。

    二极管的偏置电路使之工作在一个合适的低导通状态，这时，二极管虽然导通，但是导通电流较小，动态电阻较大。当输入的射频（RadioFrequency，RF）功率增加时，二极管对其进行整流，使流经自身的静态电流增加，于是，二极管的动态电阻RD下降，预失真电路的损耗减小（表现b为增益扩展）；同时二极管动态电阻RD与电容CP组成的非线性相移网络造成的相移量也随RD的减小而下降，这部分补偿了放大器随输入信号功率的增加而带来的信号相移的增加。

    2.1.2并联二极管预失真电路系统

    主要设计思想：利用了平行反接二极管的偶次非线性电流相互抵消，只产生3次非线性电流的性质，产生的3次非线性电流就可以被利用来抵消放大器的互调失真分量。2.1.3对消失真预失真电路系统

    主要设计思想：利用90°3dB电桥对信号的分配和移相功能和与末级功放的失真特性（AM/AM和AM/PM失真）相类似的功放管，在功放的前级构建一个对消失真预失真器，交调信号的产生与主功放产生的交调进行对消。

    传统的模拟预失真技术虽然成本低廉，但是由于其预失真器并不能完全模拟功放在复杂调制信号下的失真特性，所以线性改善量较低，且只能工作在窄带下，所以难以应用在现代的多载波宽带无线通信。

    2.2数字预失真技术

    数字预失真原理：通过一个预失真元件（Pre-distorter）来和功率放大器（PowerAmplifier，PA）级联，非线性失真功能内置于数字、数码基带信号处理域中，其与放大器展示的失真数量相当（“相等”），但功能却相反。将这两个非线性失真功能相结合，便能够实现高度线性、无失真的系统。

    数字预失真技术的难度在于PA的失真（即非线性）特性会随时间、温度以及偏压（bmsmg）的变化而变化，因器件的不同而不同。因此，尽管能为一个器件确定特性并设计正确的预失真算法，但要对每个器件都进行上述工作在经济上则是不可行的。为了解决上述偏差，必须使用反馈机制，对输出信号进行采样，并用以校正预失真算法。

    另外，数字预失真的主要瓶颈是宽带功放的非线性特

    性建模以及整个系统带宽受到数字模拟转换器（DigitaltoAnalogConverter，DAC）硬件的限制，为保证3阶分量以及5阶分量的对消，DPD系统的信号处理带宽必须达到5倍的输入信号带宽。

    随着数字技术以及相关算法的发展，自20世纪90年代以来，数字預失真取得了迅猛发展，目前己经成为线性化技术中最具备前景的一种主流线性化技术。目前主要专用DPD芯片有TI公司的GC53XX系列，Optichron公司的OP4400以及OP6180，同时Xilinx以及Altera公司也提出了基于FPGA的DPD方案。

    目前DPD功放的瓶颈仍然是带宽，但是随着数字技术的发展，目前最优的DPD方案己经可以满足60MHz的即时带宽，拉近了与前馈技术的距离。

    DPD功放的典型指标如表1所示。

    3结语

    随着无线通信技术的发展，对发射机系统的功率效率、频谱效率、线性度等性能要求也越来越高，线性化功率放大器技术也在随着系统要求呈现以下趋势：（1）多模多制式的应用模式越来越广泛，未来的移动通信网络将实现多功能化，功率放大器必须同时满足多种信号制式的线性放大。（2）小型化、高效率。未来的移动通信设备都将往小型化发展，要求功放作为主要发热单元必须具备较高的效率以及较低的热耗。（3）与数字系统结合紧密，随着数字技术的发展以及数字硬件成本的降低，未来的功率放大器将于数字技术结合紧密。可见，功率放大器将围绕高效率、多模高线性、数字化不断发展。

    [参考文献]

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

    [2]吴刚.射频功放数字预失真技术的设计与实现[D].武汉：武汉理工大学，2009.