用數(shù)字預(yù)失真改善射頻功率放大器的線性度

我們討論了在射頻功率放大器系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)數(shù)字預(yù)失真的基礎(chǔ)知識(shí)，并探討了基于查找表的兩種流行技術(shù)。為了最大限度地提高效率，功率放大器（PA）在接近飽和區(qū)域的大動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)工作。隨著我們接近飽和區(qū)域，幅度和相位失真顯著增加，導(dǎo)致嚴(yán)重的鄰道干擾。為了在保持高效率的同時(shí)提高射頻功率放大器（PA）的線性度，已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了幾種不同的線性化技術(shù)。在本文中，我們將了解射頻功率放大器線性化中一個(gè)最活躍的領(lǐng)域：數(shù)字預(yù)失真。正如我們將看到的，數(shù)字方法允許創(chuàng)建復(fù)雜的預(yù)失真?zhèn)鬟f特性，超越了我們之前討論的基本模擬方法的能力。

數(shù)字預(yù)失真的基礎(chǔ)知識(shí) 

數(shù)字預(yù)失真通過(guò)在發(fā)射路徑的數(shù)字部分引入一個(gè)非線性函數(shù)來(lái)補(bǔ)償功率放大器的非線性，如圖1所示。無(wú)論是基帶信號(hào)還是中頻信號(hào)都會(huì)被改變。在基帶中實(shí)現(xiàn)數(shù)字預(yù)失真。

圖1. 在基帶中實(shí)現(xiàn)數(shù)字預(yù)失真。

盡管上圖中的基本原理圖描繪了一個(gè)開(kāi)環(huán)預(yù)失真系統(tǒng)，但我們通常會(huì)加入一個(gè)反饋路徑，以持續(xù)監(jiān)測(cè)預(yù)失真器的性能并相應(yīng)地進(jìn)行調(diào)整。圖2展示了帶有反饋環(huán)的數(shù)字預(yù)失真線性化器的簡(jiǎn)化框圖。帶有反饋路徑的數(shù)字預(yù)失真系統(tǒng)。

圖2. 帶有反饋路徑的數(shù)字預(yù)失真系統(tǒng)。

使用反饋可以實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)數(shù)字預(yù)失真系統(tǒng)，能夠考慮溫度、工藝或電壓變化。然而，模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）、數(shù)字信號(hào)處理（DSP）和存儲(chǔ)器會(huì)增加總功耗。這種額外的功耗會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)效率降低，我們將在下一節(jié)中討論這一點(diǎn)。效率等于輸出功率與從電源汲取的總功率的比值，供應(yīng)的功率等于輸出功率加上系統(tǒng)組件耗散的功率。

公式1

盡管功率放大器的效率為100%，但相關(guān)電路的功耗使得整個(gè)系統(tǒng)的效率降低到了80%。因此，與功率放大器的輸出功率相比，保持線性化器的功耗盡可能小是非常重要的。

使用查找表的數(shù)字預(yù)失真 

如果功率放大器的行為是準(zhǔn)靜態(tài)的，我們可以假設(shè)功率放大器的輸出幅度與輸入信號(hào)之間存在固定且單調(diào)的關(guān)系。在這種情況下，輸出信號(hào)的值僅由當(dāng)前輸入值決定。因此，有可能確定功率放大器的非線性行為。將這些數(shù)據(jù)編碼到查找表（LUT）中，為我們提供了幾種實(shí)現(xiàn)數(shù)字預(yù)失真系統(tǒng)的選擇。圖3展示了其中的一種。開(kāi)環(huán)、基于查找表的預(yù)失真系統(tǒng)的框圖。

圖3. 開(kāi)環(huán)、基于查找表的預(yù)失真系統(tǒng)的框圖。

輸入信號(hào)用于尋址功率放大器失真查找表，該表存儲(chǔ)了每個(gè)輸入值所需的增益和相位校正值（分別為Δ|A|和Δφ）。數(shù)字信號(hào)處理（DSP）模塊接收Δ|A|和Δφ，并產(chǎn)生一個(gè)幅度和相位調(diào)整后的信號(hào)，以確保預(yù)失真器/功率放大器系統(tǒng)能夠線性運(yùn)行。與圖1一樣，上述預(yù)失真線性化器是一個(gè)開(kāi)環(huán)系統(tǒng)。圖4展示了一個(gè)基于查找表的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含一個(gè)反饋環(huán)，用于監(jiān)控線性化的完整性并相應(yīng)地更新查找表。自適應(yīng)、基于查找表的預(yù)失真系統(tǒng)。

圖4. 自適應(yīng)、基于查找表的預(yù)失真系統(tǒng)。

上述自適應(yīng)系統(tǒng)包括一個(gè)發(fā)射機(jī)（正向路徑）和一個(gè)集成接收機(jī)（反向路徑）。自適應(yīng)模塊將輸入的I/Q信號(hào)與集成接收機(jī)獲得的I/Q樣本進(jìn)行比較。這使得系統(tǒng)能夠評(píng)估預(yù)失真機(jī)制的有效性，并相應(yīng)地刷新查找表中的數(shù)據(jù)。預(yù)失真的反饋環(huán)運(yùn)行非常緩慢，不需要對(duì)快速變化做出調(diào)整。因此，這種自適應(yīng)預(yù)失真器不會(huì)受到通常與反饋線性化方法相關(guān)的穩(wěn)定性問(wèn)題的困擾。查找表通常實(shí)現(xiàn)映射預(yù)失真函數(shù)或復(fù)增益預(yù)失真函數(shù)。正如我們稍后將討論的，前者采用笛卡爾映射，而后者依賴(lài)于包絡(luò)映射。查找表的功能直接影響所使用的查找表的大小和復(fù)雜性。

映射預(yù)失真

映射預(yù)失真提供了一種直接但較為粗暴的查找表索引策略。圖5展示了在此方法中查找表（LUT）的應(yīng)用。映射預(yù)失真電路中使用的查找表索引方法。

圖5. 映射預(yù)失真電路中使用的查找表索引方法。

映射預(yù)失真使用一對(duì)二維查找表（圖中的LUT-I和LUT-Q）。在這里，“二維”表示同時(shí)使用同相（IIN）和正交（QIN）信號(hào)來(lái)索引查找表。因此，表的輸出是同相和正交信號(hào)的函數(shù)。I/Q復(fù)平面上的每個(gè)點(diǎn)都被映射到一個(gè)新的值。映射預(yù)失真可以糾正與上變頻過(guò)程相關(guān)的任何誤差，包括直流偏移和I/Q不平衡。然而，這種技術(shù)的內(nèi)存需求是一個(gè)顯著的缺點(diǎn)。因?yàn)樗鼘⒚總€(gè)輸入點(diǎn)重新映射到一個(gè)對(duì)應(yīng)的新值，所以映射預(yù)失真需要大量的內(nèi)存。由于IIN和QIN分量共同作為表?xiàng)l目的索引，所以?xún)?nèi)存條目的總數(shù)（M）由以下公式給出：M=2×22n公式2.其中n是用于量化IIN和QIN信號(hào)幅度的位數(shù)。例如，一個(gè)12位的系統(tǒng)需要一個(gè)內(nèi)存，其條目數(shù)為M=33,554,432。完成自適應(yīng)算法需要處理I/Q復(fù)平面上的每一個(gè)點(diǎn)，這需要大量的時(shí)間。因此，大內(nèi)存會(huì)導(dǎo)致較長(zhǎng)的自適應(yīng)時(shí)間和增加的計(jì)算復(fù)雜性。

復(fù)增益預(yù)失真

顧名思義，復(fù)增益技術(shù)在查找表中存儲(chǔ)復(fù)數(shù)值增益因子。圖6展示了復(fù)增益預(yù)失真中查找表（LUT）的應(yīng)用。復(fù)增益預(yù)失真中使用的查找表索引方法。圖6. 復(fù)增益預(yù)失真中使用的查找表索引方法。在此方法中，輸入信號(hào)的功率（R=∣IIN+jQIN∣）被用來(lái)指向一個(gè)帶有適當(dāng)增益因子的內(nèi)存條目。復(fù)增益技術(shù)確保預(yù)失真器和功率放大器系統(tǒng)在所有輸出功率水平上保持恒定的增益。由于輸入信號(hào)包絡(luò)作為表?xiàng)l目的索引，所以需要一個(gè)較小的查找表。這也有助于減少與插值和自適應(yīng)相關(guān)的功耗。然而，這些改進(jìn)是以降低預(yù)失真精度為代價(jià)的，這限制了對(duì)交調(diào)失真的有效抑制。

總結(jié)

數(shù)字預(yù)失真是射頻功率放大器線性化中最有效的方法之一。在本文中，我們討論了兩種數(shù)字預(yù)失真技術(shù)：映射預(yù)失真和復(fù)增益預(yù)失真。正如我們所了解到的，映射預(yù)失真的主要限制在于其巨大的內(nèi)存需求。這些需求導(dǎo)致了較長(zhǎng)的自適應(yīng)時(shí)間和增加的計(jì)算復(fù)雜性。復(fù)增益預(yù)失真通常比映射預(yù)失真技術(shù)更受青睞，因?yàn)樗枰粋€(gè)較小的查找表并減少了自適應(yīng)時(shí)間。