通過(guò)數(shù)字預(yù)失真提升射頻功率放大器線性度

本文將探討射頻功率放大器系統(tǒng)中數(shù)字預(yù)失真的實(shí)現(xiàn)原理，并重點(diǎn)分析兩種基于查找表的常用技術(shù)。

效率與線性度的平衡挑戰(zhàn)?

功率放大器（PA）為追求高效率常工作于接近飽和區(qū)的大動(dòng)態(tài)范圍。但隨著逼近飽和區(qū)，其幅度和相位失真急劇增加，導(dǎo)致嚴(yán)重的鄰道干擾。為此，業(yè)界開發(fā)了多種線性化技術(shù)以在維持高效率的同時(shí)提升線性度，其中數(shù)字預(yù)失真技術(shù)已成為射頻功率放大器線性化領(lǐng)域最活躍的研究方向之一。

數(shù)字預(yù)失真基本原理

如圖1所示，數(shù)字預(yù)失真通過(guò)在發(fā)射鏈路的數(shù)字部分引入非線性函數(shù)補(bǔ)償PA的非線性特性，可作用于基帶或中頻信號(hào)。

[圖1 基帶數(shù)字預(yù)失真實(shí)現(xiàn)示意圖]?

（系統(tǒng)示意圖展示開環(huán)預(yù)失真結(jié)構(gòu)）

盡管圖1為開環(huán)系統(tǒng)，實(shí)際應(yīng)用中通常會(huì)加入反饋回路持續(xù)監(jiān)測(cè)預(yù)失真器性能并進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。圖2展示了帶反饋回路的數(shù)字預(yù)失真簡(jiǎn)化框圖。

[圖2 帶反饋路徑的數(shù)字預(yù)失真系統(tǒng)]?

（反饋機(jī)制支持溫度、制程和電壓變化的自適應(yīng)補(bǔ)償）

然而，模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）、數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）和存儲(chǔ)單元的引入會(huì)增加系統(tǒng)功耗。下文將通過(guò)實(shí)例量化這種效率損耗。

預(yù)失真器/PA系統(tǒng)效率計(jì)算

假設(shè)某自適應(yīng)數(shù)字預(yù)失真系統(tǒng)采用效率100%、輸出功率1W的功放，其配套的ADC、DSP和存儲(chǔ)單元共耗電0.25W。系統(tǒng)總效率計(jì)算如下：

（公式1：系統(tǒng)效率計(jì)算）

盡管PA本身效率達(dá)100%，但外圍電路使系統(tǒng)總效率降至80%。這凸顯了降低線性化模塊功耗的重要性。

基于查找表的數(shù)字預(yù)失真實(shí)現(xiàn)

當(dāng)PA呈現(xiàn)準(zhǔn)靜態(tài)特性（即輸出幅度與輸入信號(hào)保持固定單調(diào)關(guān)系）時(shí)，可通過(guò)查找表（LUT）實(shí)現(xiàn)非線性補(bǔ)償。圖3展示了開環(huán)LUT預(yù)失真系統(tǒng)架構(gòu)。

[圖3 開環(huán)LUT預(yù)失真系統(tǒng)框圖]?

（通過(guò)輸入信號(hào)尋址存儲(chǔ)增益/相位校正值的LUT）

DSP模塊接收Δ|A|（幅度校正）和Δφ（相位校正）參數(shù)，生成經(jīng)過(guò)預(yù)校正的信號(hào)。圖4則升級(jí)為帶反饋的自適應(yīng)系統(tǒng)：

[圖4 自適應(yīng)LUT預(yù)失真系統(tǒng)]?

（集成收發(fā)雙路徑，通過(guò)輸入/輸出信號(hào)比對(duì)實(shí)現(xiàn)LUT動(dòng)態(tài)更新）

該系統(tǒng)的自適應(yīng)模塊通過(guò)比較原始I/Q信號(hào)與反饋采樣信號(hào)，持續(xù)評(píng)估預(yù)失真效果并更新LUT數(shù)據(jù)。這種結(jié)構(gòu)能有效應(yīng)對(duì)器件老化、環(huán)境變化等動(dòng)態(tài)因素，但需權(quán)衡增加的硬件復(fù)雜度與功耗。

上述自適應(yīng)系統(tǒng)包含發(fā)射機(jī)（前向路徑）和集成接收機(jī)（反向路徑）。自適應(yīng)模塊通過(guò)比較原始輸入I/Q信號(hào)與集成接收機(jī)采樣的I/Q信號(hào)，持續(xù)評(píng)估預(yù)失真機(jī)制的有效性并更新查找表數(shù)據(jù)。由于預(yù)失真器的反饋環(huán)路響應(yīng)速度極慢且無(wú)需應(yīng)對(duì)快速變化，該系統(tǒng)避免了傳統(tǒng)反饋線性化方法常見的穩(wěn)定性問(wèn)題。

查找表實(shí)現(xiàn)策略

查找表通常采用?映射預(yù)失真函數(shù)?或?復(fù)增益預(yù)失真函數(shù)?。前者基于笛卡爾坐標(biāo)系映射，后者依賴包絡(luò)映射。兩種方法對(duì)查找表規(guī)模與復(fù)雜度有直接影響。

映射預(yù)失真（Mapping Predistortion）

映射預(yù)失真采用二維查找表（LUT-I和LUT-Q）進(jìn)行暴力索引，如圖5所示。每個(gè)I/Q復(fù)平面點(diǎn)被重新映射至新值，可校正上變頻過(guò)程中的DC偏移和I/Q不平衡問(wèn)題。但其內(nèi)存需求巨大，總存儲(chǔ)條目數(shù)由以下公式?jīng)Q定：

（公式2：映射預(yù)失真存儲(chǔ)條目計(jì)算）

其中，n為IIN/QIN信號(hào)幅度量化位數(shù)。例如，12位系統(tǒng)需33,554,432個(gè)存儲(chǔ)條目。此外，完成自適應(yīng)算法需遍歷I/Q復(fù)平面所有點(diǎn)，導(dǎo)致長(zhǎng)時(shí)延和高計(jì)算復(fù)雜度。

[圖5 映射預(yù)失真器中的LUT索引方法]?

（以IIN/QIN雙維度索引二維查找表）

復(fù)增益預(yù)失真（Complex-Gain Predistortion）

如圖6所示，復(fù)增益預(yù)失真通過(guò)輸入信號(hào)包絡(luò)功率(R = |IIN + jQIN|R = |IIN + jQIN|)索引查找表中的復(fù)增益因子。該方法確保預(yù)失真器與PA系統(tǒng)的合成增益恒定，顯著降低存儲(chǔ)需求（僅需一維查找表）和自適應(yīng)時(shí)間。但代價(jià)是預(yù)失真精度下降，對(duì)互調(diào)失真的抑制能力受限。

[圖6 復(fù)增益預(yù)失真器中的LUT索引方法]?

（以信號(hào)包絡(luò)幅度索引一維查找表）

技術(shù)總結(jié)

數(shù)字預(yù)失真作為射頻功放線性化的高效方法，映射預(yù)失真與復(fù)增益預(yù)失真各有優(yōu)劣：

映射預(yù)失真?：校正能力強(qiáng)，但存儲(chǔ)需求和計(jì)算復(fù)雜度高

復(fù)增益預(yù)失真?：存儲(chǔ)效率提升50%以上，自適應(yīng)時(shí)間縮短，但精度妥協(xié)

在工程實(shí)踐中，復(fù)增益預(yù)失真因資源效率優(yōu)勢(shì)更受青睞，尤其適用于對(duì)功耗和實(shí)時(shí)性敏感的大規(guī)模陣列系統(tǒng)。未來(lái)技術(shù)發(fā)展需在存儲(chǔ)優(yōu)化、精度補(bǔ)償和動(dòng)態(tài)響應(yīng)之間尋求更優(yōu)平衡。