《電子技術(shù)應(yīng)用》
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自適應(yīng)預(yù)失真線性化技術(shù)的延時(shí)補(bǔ)償研究
摘要: 本文嘗試在硬件基帶預(yù)失真電路中采用數(shù)字相關(guān)技術(shù)進(jìn)行延時(shí)估算,,這種方法無(wú)須調(diào)整硬件,而且運(yùn)算量較小,、精度好,。使用這種方法與自適應(yīng)線性迭代相結(jié)合,可取得良好的預(yù)失真線性化效果,。
Abstract:
Key words :

  引言

  現(xiàn)代無(wú)線通信系統(tǒng)中,,出于對(duì)更高的傳輸速率和頻譜效率的要求,線性調(diào)制技術(shù)如QPSK,、64QAM及多載波調(diào)制技術(shù)如OFDM等,,正得到越來越廣泛的應(yīng)用。由于線性調(diào)制或多載波調(diào)制信號(hào)的包絡(luò)是起伏波動(dòng)的,,這些波動(dòng)經(jīng)過非線性的射頻功率放大器后將產(chǎn)生交調(diào)分量,,從而產(chǎn)生鄰道干擾。為了解決這個(gè)問題,,一般的方法是采用大功率放大器進(jìn)行功率回退,,使放大器工作在線性放大區(qū)。這種情況下,,大功率器件只能輸出很小的有效功率,,其本身潛力不能充分發(fā)揮,造成整機(jī)成本提高,。另一個(gè)辦法是采用線性化技術(shù),,即采用適當(dāng)?shù)耐鈬娐罚瑢?duì)放大器的非線性特性進(jìn)行線性化糾正,,從而在電路整體上呈現(xiàn)對(duì)輸入信號(hào)的線性放大效果,。

  在過去的十幾年中產(chǎn)生了許多線性化技術(shù),其中應(yīng)用最廣泛的有前饋(Feedforward)線性化技術(shù),、反饋(Feedback)線性化技術(shù),、預(yù)失真(Predistortion)線性化技術(shù)、用非線性部件實(shí)現(xiàn)線性化(LINC) 等,。

  預(yù)失真線性化法就是在功放前加入預(yù)失真器,,它的非線性特性(AM- AM和AM - PM)與功放的非線性特性正好相反,從而可抵消放大器的非線性,,使整體系統(tǒng)呈線性特性,。近年來隨著數(shù)字信號(hào)處理器 (Digital Signal Processor,DSP) 技術(shù)飛速發(fā)展,,體積小,、高速、低功耗的DSP不斷涌現(xiàn),,自適應(yīng)數(shù)字預(yù)失真技術(shù)也越來越受到重視,。其中數(shù)字基帶預(yù)失真系統(tǒng)由于具有功耗低、結(jié)構(gòu)靈活和易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn),,已經(jīng)成為主流方向,。然而,基帶信號(hào)預(yù)失真系統(tǒng)中,,需要正確對(duì)比源信號(hào)和射頻端反饋信號(hào),,而功率放大器的輸出端反饋信號(hào)相對(duì)于源信號(hào)有一段時(shí)間的延時(shí),這會(huì)破壞預(yù)失真算法的穩(wěn)定性,,對(duì)功率放大器也將產(chǎn)生非線性影響,,此外,延時(shí)會(huì)隨時(shí)間,、溫度等因素的變化而改變,,因此正確估算環(huán)路延時(shí)并對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償就十分重要。

  本文嘗試在硬件基帶預(yù)失真電路中采用數(shù)字相關(guān)技術(shù)進(jìn)行延時(shí)估算,,這種方法無(wú)須調(diào)整硬件,,而且運(yùn)算量較小、精度好。使用這種方法與自適應(yīng)線性迭代相結(jié)合,,可取得良好的預(yù)失真線性化效果,。

  自適應(yīng)基帶預(yù)失真線性化技術(shù)原理

  自適應(yīng)基帶預(yù)失真線性化技術(shù)原理框圖如圖1所示。

基于查找表的自適應(yīng)基帶預(yù)失真

  圖1 基于查找表的自適應(yīng)基帶預(yù)失真

  圖1中,,調(diào)制后的基帶數(shù)字信號(hào),,經(jīng)過脈沖成型濾波器消除碼間干擾,然后信號(hào)Vi進(jìn)入預(yù)失真器,,對(duì)其進(jìn)行預(yù)失真DSP處理后,,得到數(shù)字域中的預(yù)失真信號(hào)Vdi、Vdq,,再經(jīng)過D/A變換,、帶通濾波,上變頻到射頻放大器PA輸入端,,PA輸出信號(hào)Vo,。Vo送往天線輸出,其中的一小部分輸出功率通過耦合器送往反饋回路,,反饋信號(hào)經(jīng)過低噪聲放大器LNA,、帶通濾波器、下變頻,、D/A后,,得到的反饋信號(hào)記Vfi、Vfq,。此信號(hào)用于提供給誤差比較模塊和自適應(yīng)算法模塊作為參考信號(hào),,從而決定正確的預(yù)失真特性。

  本文中用AM/AM和AM/PM轉(zhuǎn)換特性來描述射頻功率放大器的非線性模型,,假設(shè)預(yù)失真函數(shù)為F,,它與輸入信號(hào)的功率或電壓有關(guān)(通常取功率作變量),包括了射頻功率放大器的AM/AM轉(zhuǎn)換特性和AM/PM轉(zhuǎn)換特性的復(fù)增益函數(shù)設(shè)為G,,則:

公式

  必須指出,,G僅與輸入信號(hào)的幅值有關(guān),而與它的相位無(wú)關(guān),。定義誤差為 ,,其中K為常數(shù),表示系統(tǒng)的線性增益,。若E小于規(guī)定的闕值,,則預(yù)失真達(dá)到收斂狀態(tài)。解調(diào)信號(hào)Vf將與Vi的波形相同,,只是在幅度上相差常數(shù)增益K,。將公式(1)代入式(2),,推出:

公式

  此式就是自適應(yīng)預(yù)失真器收斂的目標(biāo),F(xiàn)為滿足線性化的預(yù)失真函數(shù),。

  環(huán)路延時(shí)的補(bǔ)償

  在預(yù)失真線性化系統(tǒng)理想收斂的情況下,,預(yù)失真器造成的失真可以與放大器的失真完全抵消,放大器輸出反饋信號(hào)Vf與系統(tǒng)輸入信號(hào)Vi之間僅存在幅度上的差別K和時(shí)延上的差別 ,,寫成數(shù)學(xué)形式:

公式

  在誤差比較器中,,將實(shí)際功放輸出信號(hào)Vf(t)與預(yù)期線性輸出信號(hào)KVi(t)相減,,得到誤差信號(hào)輸出,,E(t)=Vf(t)-KVi(t)=K[Vi(t+τ)-Vi(t)]。Vi(t)為周期信號(hào),,同時(shí) 的值又恰好是信號(hào)周期的整數(shù)倍,,否則E(t)不為零。由此可見,,使用這種誤差比較器,,即使在系統(tǒng)的初始狀態(tài),輸入輸出信號(hào)呈現(xiàn)線性關(guān)系,,誤差信號(hào)輸出卻不為零,,自適應(yīng)算法將對(duì)LUT表進(jìn)行錯(cuò)誤的更新。為此,,必須對(duì)誤差函數(shù)進(jìn)行修正,。公式為:

公式

  即對(duì)基帶數(shù)字信號(hào)Vi進(jìn)行大小為 的延時(shí)。由以上分析可知,,估計(jì)環(huán)路時(shí)延 是自適應(yīng)環(huán)路收斂的一個(gè)重要環(huán)節(jié),。 的取值大小,直接影響放大器線性化技術(shù)的質(zhì)量,。以下是當(dāng)前幾種環(huán)路延時(shí)補(bǔ)償方法的簡(jiǎn)要描述,。

  迭代法(Nagata’s method)

  這種方法基于信號(hào)q(t)與其延時(shí)信號(hào)q(t-r)的關(guān)系,利用線性迭代方法估計(jì)延時(shí)值r,,關(guān)系如下式:

公式

  rn表示信號(hào)在tn時(shí)刻的延時(shí),。T為常數(shù),控制步進(jìn),。迭代法方法簡(jiǎn)單可行,,但存在精度不好的問題。迭代法具體實(shí)施見圖2,。

 

迭代法估計(jì)延時(shí)時(shí)間

  圖2 迭代法估計(jì)延時(shí)時(shí)間

  鎖相環(huán)法(DLL method)

  延時(shí)控制預(yù)失真系統(tǒng)的反饋環(huán)路,,被稱為延時(shí)鎖定環(huán)路法(Delay-locked-loop)。鑒相器輸出經(jīng)過環(huán)路濾波器濾波后,,控制電壓控制振蕩器(VCO),,VCO的相位控制反饋回路模數(shù)轉(zhuǎn)換器的采樣時(shí)間,,達(dá)到消除預(yù)失真器前向和反饋回路的信號(hào)之間的延時(shí)。DLL法雖然精度高,、穩(wěn)定性好,,但是存在硬件復(fù)雜、收斂慢等問題,。

圖3 雙音信號(hào)頻譜  圖4 經(jīng)過放大器后失真信號(hào)頻譜  圖5 放大器加入預(yù)失真后的信號(hào)頻譜

  圖3 雙音信號(hào)頻譜  圖4 經(jīng)過放大器后失真信號(hào)頻譜  圖5 放大器加入預(yù)失真后的信號(hào)頻譜

  相關(guān)檢測(cè)法(Correlation method)

  相關(guān)檢測(cè)法是利用信號(hào)之間的相關(guān)性,,計(jì)算源信號(hào)與反饋信號(hào)互相關(guān)函數(shù),然后根據(jù)互相關(guān)函數(shù)特性估計(jì)延時(shí)時(shí)間,。由于無(wú)須調(diào)整硬件,,且具有運(yùn)算量較小、精度好等優(yōu)點(diǎn),,被廣泛應(yīng)用,。

  假設(shè)信號(hào)V(t),它是一個(gè)帶限隨機(jī)信號(hào),,在數(shù)學(xué)上定義為寬平穩(wěn)隨機(jī)過程,,系統(tǒng)的傳輸函數(shù)為 ,沖激響應(yīng)為h(t),,則輸出信號(hào)Y(t)也將是一個(gè)平穩(wěn)隨機(jī)過程,。

公式

  根據(jù)以上推論,利用信號(hào)相關(guān)性,,求出系統(tǒng)源信號(hào)與反饋信號(hào)的相關(guān)函數(shù),,如式(13)所示。其最大值所對(duì)應(yīng)的時(shí)間即為系統(tǒng)的延時(shí)量,,這樣就可以預(yù)估出系統(tǒng)的延時(shí)量τ,。 

公式

  用該方法來預(yù)估延時(shí),不需要復(fù)雜的離散傅里葉變換計(jì)算,,運(yùn)算量大大少于周期分量法,,其最大估算誤差是一個(gè)采樣間隔。實(shí)驗(yàn)證明,,采用相關(guān)函數(shù)法來預(yù)估延時(shí)是非常有效的,。

  系統(tǒng)模型仿真結(jié)果

  使用Matlab平臺(tái),模擬一個(gè)雙音信號(hào)通過AM/AM,、AM/PM預(yù)失真線性化系統(tǒng)的情形,。仿真放大器模型采用Saleh模型,其AM/AM,、AM/PM特性如式(14)所示,。

公式

  雙音信號(hào)頻譜如圖3,信號(hào)通過該放大器模型后,,輸出信號(hào)的頻譜如圖4,,由圖可知交調(diào)失真嚴(yán)重,。圖5反映系統(tǒng)引入預(yù)失真后,達(dá)到自適應(yīng)收斂狀態(tài)時(shí)輸出信號(hào)交調(diào)失真得到明顯改善的情況,。

  總結(jié)

  仿真結(jié)果表明,,采用相關(guān)法計(jì)算環(huán)路的延時(shí)量是可行的,環(huán)路時(shí)延的估算情況良好,,即使在失真很大的情況下,,系統(tǒng)仍然能夠正確地估算出時(shí)延量。在功放接近飽和區(qū)工作時(shí),,在0°到360°的時(shí)延范圍內(nèi),,線性度的改善均能達(dá)到20dB,不受環(huán)路時(shí)延的影響,。它充分說明了這一技術(shù)的優(yōu)點(diǎn):穩(wěn)定性好,,調(diào)試和系統(tǒng)升級(jí)方便,,有利于測(cè)試,、集成和大規(guī)模生產(chǎn),而且精度高,,線性度改善效果顯著,。

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