文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
文章編號(hào): 0258-7998(2014)10-0046-03
0 引言
在現(xiàn)代通信系統(tǒng)中,,由于頻帶資源越來越緊張,,頻譜的利用率越來越受到重視。為解決該問題,,多種高頻譜利用率的傳輸技術(shù)和調(diào)制方式被相繼提出,,但是這類技術(shù)所傳輸?shù)男盘?hào)通常具有較高的峰均比和較寬的頻帶[1]。因功率放大器本身存在非線性特性,,寬帶信號(hào)經(jīng)其放大后會(huì)產(chǎn)生失真,,所以現(xiàn)代通信系統(tǒng)中對(duì)功放的線性度有了更高的要求。
目前,,提高功率放大器線性度的主要方法有前饋線性化技術(shù)、負(fù)反饋技術(shù),、包絡(luò)消除和恢復(fù)技術(shù),、LINC技術(shù)及數(shù)字預(yù)失真技術(shù)等。其中數(shù)字預(yù)失真技術(shù)因不存在穩(wěn)定性問題且適用的帶寬較寬,、精度高,、成本低等特點(diǎn)受到了廣泛的關(guān)注。
數(shù)字預(yù)失真的基本原理如圖1所示,,即在功率放大器的前端級(jí)聯(lián)一個(gè)特性與之相反的數(shù)字預(yù)失真器DPD,,從而使整個(gè)系統(tǒng)呈線性效果。
數(shù)字預(yù)失真的基本原理也可以理解為:在數(shù)字預(yù)失真技術(shù)中,,首先對(duì)待優(yōu)化功率放大器(PA)建立行為模型,,然后通過模型求逆[2]的方法得到對(duì)應(yīng)數(shù)字預(yù)失真器(DPD),。將該數(shù)字預(yù)失真器級(jí)聯(lián)到功放的前端,如圖1所示,,則可達(dá)到提高該功率放大器線性度的目的,。
為使上述所求數(shù)字預(yù)失真器能夠更好地補(bǔ)償功放的非線性,且保證功率放大器的工作效率,,一種新型迭代算法被提出,。
1 記憶多項(xiàng)式模型(MP)
記憶多項(xiàng)式模型是目前較為流行的一種模型,其在對(duì)有記憶效應(yīng)的功放進(jìn)行預(yù)失真處理時(shí)有很好的性能,,且模型的復(fù)雜度較低,,便于實(shí)現(xiàn)。所以本文基于該模型對(duì)功率放大器進(jìn)行數(shù)字預(yù)失真處理,。
記憶多項(xiàng)式的數(shù)學(xué)表達(dá)式通常為:
其中,,amk為模型的系數(shù),K為模型的階次數(shù),,M為模型的記憶深度,。由于多項(xiàng)式中的階次數(shù)K、記憶深度M影響著模型的精確度,,所以選取合適的模型階次數(shù)及記憶深度也很重要,。實(shí)際應(yīng)用通過比較不同K、M情況下模型輸出與實(shí)際輸出的歸一化均方誤差(NMSE)來確定最佳的模型階次數(shù)及記憶深度值[3],,如此確定了功放最終行為模型的數(shù)學(xué)表達(dá)式,。
記憶多項(xiàng)式表達(dá)式(1)可以等價(jià)為:
在基于記憶多項(xiàng)式模型的數(shù)字預(yù)失真方法中,無論是功率放大器的模型還是預(yù)失真器的模型,,均可等價(jià)為存在M個(gè)查找表,,且每個(gè)查找表的深度為建模信號(hào)的點(diǎn)數(shù)。由式(2)可看出,,該查找表的具體內(nèi)容與輸入信號(hào)的幅度直接相關(guān),。所以研究功放輸入信號(hào)的時(shí)域特性是十分有意義的,下面將通過MATLAB對(duì)功放輸入信號(hào)的時(shí)域特性進(jìn)行分析,。
2 功放輸入信號(hào)的時(shí)域特征
由功率放大器的AM-AM特性曲線知,,功放的非線性失真表現(xiàn)為對(duì)輸入信號(hào)的峰值壓縮。為使整個(gè)放大系統(tǒng)輸出呈線性,,所以希望功放的輸入信號(hào)的峰值預(yù)先有相應(yīng)擴(kuò)張的特性,,即功放輸入信號(hào)較原信號(hào)有較高的峰均比(PAPR)。圖2為原信號(hào)及預(yù)失真信號(hào)的時(shí)域波形,。
由圖2可見,,預(yù)失真信號(hào)在幅值較大的區(qū)域內(nèi)有信號(hào)擴(kuò)張的特性。即在數(shù)字預(yù)失真技術(shù)中,通過對(duì)功放模型求逆方法得到的數(shù)字預(yù)失真器DPD對(duì)信號(hào)峰值有擴(kuò)張作用[4],,該預(yù)失真器初步實(shí)現(xiàn)了對(duì)功放非線性的補(bǔ)償,。
通過MATLAB求解得各信號(hào)的峰均比(PAPR)如表1所示。
由表1可看出,,信號(hào)經(jīng)過功率放大器后,,其PAPR降低,而經(jīng)過預(yù)失真器后PAPR反而提高,。如此,,當(dāng)輸入信號(hào)經(jīng)過DPD后,信號(hào)失真表現(xiàn)為峰值擴(kuò)張,,其PAPR增加,;而當(dāng)該信號(hào)經(jīng)過功放時(shí),其非線性失真表現(xiàn)為對(duì)信號(hào)的壓縮,,即PAPR有所降低,。最終信號(hào)在經(jīng)過整個(gè)系統(tǒng)后其PAPR值保持基本一致,從而使整個(gè)放大系統(tǒng)的線性度得到改善,。
由于預(yù)失真信號(hào)的峰均比(PAPR)較原信號(hào)有所提高,,所以與原信號(hào)相比,預(yù)失真信號(hào)在經(jīng)過功放時(shí)會(huì)受到更大的壓縮,。為補(bǔ)償該額外的失真部分,,本文提出多步迭代求取預(yù)失真器的方法。
3 多步迭代算法
為了使所得數(shù)字預(yù)失真器能更好地補(bǔ)償待優(yōu)化功放的非線性,,本文提出多步迭代求取預(yù)失真器的方法,。
多步迭代算法求取數(shù)字預(yù)失真器的結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。
以信號(hào)X作為功放的原輸入信號(hào),,實(shí)驗(yàn)通過頻譜儀采集功放的輸出信號(hào)Y,,如圖3所示,然后將輸入/輸出兩組信號(hào)進(jìn)行歸一化并對(duì)齊處理,。利用處理后的輸入/輸出數(shù)據(jù)求解該功放模型PA1,,通過對(duì)功放模型求逆的方法得到相應(yīng)的數(shù)字預(yù)失真器DPD1。將該數(shù)字預(yù)失真器級(jí)聯(lián)到功放的前端則可初步實(shí)現(xiàn)提高功率放大器線性度的效果,。
進(jìn)行一次迭代時(shí),,將原信號(hào)X通過上述所求預(yù)失真器DPD1后得到的預(yù)失真信號(hào)Ydpd1進(jìn)行保存;以該預(yù)失真信號(hào)作為功放的新的輸入信號(hào),,利用頻譜儀重新采集功放此時(shí)的輸出信號(hào)Y1;對(duì)信號(hào)Ydpd1,、Y1進(jìn)行歸一化對(duì)齊處理,,利用處理后的數(shù)據(jù)求解功率放大器的模型PA2;通過對(duì)功放模型PA2求逆,得到新的數(shù)字預(yù)失真器DPD2,。
由此類推,,可進(jìn)行多次迭代來求取更優(yōu)的數(shù)字預(yù)失真器,直至預(yù)失真效果再無明顯改善為止,。
由上節(jié)理論分析知,,數(shù)字預(yù)失真器對(duì)于信號(hào)的峰值具有擴(kuò)張作用,所以在迭代求取預(yù)失真器的過程中,,預(yù)失真信號(hào)的峰均比會(huì)越來越高,。然而,高峰均比的信號(hào)在通過功放時(shí),,使功放的工作狀態(tài)過早進(jìn)入接近飽和的區(qū)域,,導(dǎo)致功放的工作效率下降。且當(dāng)峰均比過高的信號(hào)做功率放大器的輸入時(shí),,該高峰均比信號(hào)會(huì)使功放晶體管過熱,,從而使其功放對(duì)信號(hào)壓縮得更嚴(yán)重,不但導(dǎo)致數(shù)字預(yù)失真器失效,,而且可能毀壞整個(gè)放大系統(tǒng),。所以,為防止這種現(xiàn)象發(fā)生,,限制預(yù)失真信號(hào)的PAPR是十分有必要的,。
所以在新型迭代算法中,使用頻域削峰技術(shù)處理信號(hào),,使功放的工作區(qū)域控制在1 dB壓縮點(diǎn)附近[5],。削峰技術(shù)與預(yù)失真技術(shù)的結(jié)合使用既保證了功放的效率,又很好地提高了其線性度,。
4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
實(shí)驗(yàn)選取帶寬為5 MHz的單載波WCDMA信號(hào)為原信號(hào),,連續(xù)F類功率放大器為測(cè)試對(duì)象。通過基于有記憶多項(xiàng)式模型的數(shù)字預(yù)失真方法對(duì)該功放進(jìn)行線性優(yōu)化處理,。通過比較功放輸出信號(hào)的鄰信道功率比(ACPR)來比較功率放大器線性度的改善程度[6],。
當(dāng)原WCDMA信號(hào)作為功放輸入時(shí),功放的輸出頻譜圖如圖4所示,,可知此時(shí)功放輸出信號(hào)的ACPR為-40.59 dB,。
不進(jìn)行迭代時(shí),即以原WCDMA信號(hào)作為功放的輸入信號(hào),,采集功放的輸出信號(hào),,基于記憶多項(xiàng)式模型對(duì)功放進(jìn)行建模,通過模型求逆得到相應(yīng)的數(shù)字預(yù)失真器DPD1,。以該數(shù)字預(yù)失真器對(duì)功放進(jìn)行線性優(yōu)化,,其預(yù)失真效果如圖5所示,。
由圖5可以看出,經(jīng)過預(yù)失真后的功放輸出信號(hào)ACPR已降到-49.19 dB,,相對(duì)于沒有優(yōu)化的功放輸出ACPR改善了約8.6 dB,。
下面將削峰技術(shù)和多次迭代求取預(yù)失真器的方法結(jié)合使用,兩次迭代得到新的預(yù)失真器記為DPD3,。將該數(shù)字預(yù)失真器級(jí)聯(lián)到功率放大器的前端,,通過實(shí)驗(yàn)得到預(yù)失真器DPD3對(duì)功放的線性化效果如圖6所示。
由圖6可以看出,,經(jīng)過優(yōu)化后的預(yù)失真器對(duì)功放的線性度有了更好的改善,。功放輸出信號(hào)的ACPR值如表2所示。
由表2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可清晰地看出,,直接利用對(duì)功放模型求逆得到的數(shù)字預(yù)失真器對(duì)功放進(jìn)行預(yù)失真處理時(shí),,使功放輸出信號(hào)的ACPR改善了8.6 dB;而結(jié)合削峰技術(shù)和迭代方法求得的數(shù)字預(yù)失真器在對(duì)功放進(jìn)行線性化處理時(shí),,使得功放的輸出ACPR改善20.66 dB,,比前者有明顯的優(yōu)勢(shì)。
5 結(jié)論
本文提出了利用迭代求取數(shù)字預(yù)失真器的方法來獲得更優(yōu)的數(shù)字預(yù)失真器,。通過分析信號(hào)的數(shù)學(xué)特性,,指出限制功放輸入信號(hào)峰均比的重要性,從而在預(yù)失真過程中引入了頻域削峰技術(shù),。文章的實(shí)驗(yàn)采用基于記憶多項(xiàng)式模型的方法對(duì)實(shí)際連續(xù)F類功放做數(shù)字預(yù)失真處理,。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,結(jié)合削峰技術(shù)與迭代求取預(yù)失真的方法對(duì)功放進(jìn)行線性化處理時(shí)效果最優(yōu),,該新型迭代算法可使系統(tǒng)輸出信號(hào)的ACPR改善20.66 dB,。
參考文獻(xiàn)
[1] Ding Lei,ZHOU G T,,MORGAN D R,,et al.Memory polynomial predistorter based on the indirect learning architecture[C].Global Telecommunications Conference,2002,,GLOBECOM′02,,IEEE,2002,,1:967-971.
[2] Ma Yuelin,,He Songbai,AKAIWA Y,,et al.An open-loop digital predistorter based on memory polynomial inverses for linearization of RF power amplifier[J].International Journal of RF and Microwave Computer-Aided Engineering,,2011,21(5):589-595.
[3] Ding Lei,,Ma Zhengxiang,,MORGAN D R,,et al.A leastsquares/Newton method for digital predistortion of wideband signals[J].Communications,IEEE Transactions on,,2006,54(5):833-840.
[4] KIM J,,KONSTANTINOU K.Digital predistortion of wideband signals based on power amplifier model with memory[J].Electronics Letters,,2001,37(23):1417-1418.
[5] NADER C,,LANDIN P N,,MOER W V,et al.Peak-to-average power ratio reduction versus digital pre-distortion in OFDM based systems[C].Microwave Symposium Digest(MTT),,2011 IEEE MTT-S International,,IEEE,2011:1-4.
[6] Ma Yuelin,,YAMAO Y,,AKAIWA Y.An algorithm for obtaining the inverse for a given polynomial in baseband[J].IEICE Transactions on Fundamentals of Electronics,Communications and Computer Sciences,,2013,,96(3):675-683.