预失真

射频功率放大器线性化技术

预失真技术(PD)的概念和实现都非常简单，是一种广泛使用的射频功率放大器线性化技术，由于它的简单性，它可以作为独立单元使用，因此这种技术得到了非常广泛的应用。

简介

简单地说，预失真就是人为地加入一个特性与包括功放在内的系统非线性失真恰好相反的系统，进行互相补偿，不存在稳定性问题，并有较大的频带宽度。如图 2.11 所示输入信号在进入功率放大器前，通过使用预失真技术，在整个功率变化范围内进行放大增益和相位变化的补偿。如果这种预失真特性能够随功率放大器输出功率的变化而变化，那么由温度、电源电压、管子老化等因素引起的性能变化就可以得到补偿。

目前，预失真技术包括三种方法：①射频预失真；②中频预失真；③基带预失真。其中射频预失真方法一般采用模拟电路进行预失真处理，因为高频电路的温度漂移、电路实现复杂、制造成本高等因素，所以预失真一般置于基带或中频中实现。目前，基带预失真是一个发展方向，其优点是可以利用数字信号处理器(DSP)对功率放大器输出端反馈的信号进行计算和处理，用软件来实现非线性补偿。通常情况下，为实现较高的交调分量失真抑制性能，预失真技术还包含反馈实现自适应功能。

数字预失真

DPD:PA线性化技术更大的突破是可使信号预失真。预失真是PA线性化的“法宝”，不过这也非常复杂，并要求了解PA失真特性——而该特性的变化方式非常复杂。

预失真原理：通过一个预失真元件(Predistorter)来和功放元件(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。数字预失真技术的挑战在于PA的失真(即非线性)特性会随时间、温度以及偏压(biasing)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，我们须使用反馈机制，对输出信号进行采样，并用以校正预失真算法。数字预失真采用数字电路实现这个预失真器(Predistorter)，通常采用数字信号处理来完成。通过增加一个非线性电路用以补偿功率放大器的非线性。这样就可以在功率放大器(PA)内使用简单的AB类平台，从而可以消除基站厂商制造前馈放大器 (feedforward amplifier)的负担和复杂性。此外，由于放大器不再需要误差放大器失真矫正电路，因此可以显着提高系统效率。

简介

预失真线性化技术，它的优点在于不存在稳定性问题，有更宽的信号频带，能够处理含多载波的信号。预失真技术成本较低，工艺简单，便于生产，效率较高，一般可以达到19%以上。

数字预失真的缺点：线性度略低于前馈技术，但是目前两者的[1]已经比较接近。

数字预失真技术目前之所以没有像前馈技术那样得到广泛应用，主要原因是该技术存在以下技术瓶颈：宽带功放的非线性特性建模，它的挑战在于PA的失真(即非线性)特性会随时间、[2]以及偏压(biasing)的变化而变化，因器件的不同而不同。

特点

在PA器件中校正模拟失真，减小了体积，功耗和成本

采用LDMOS和GaN晶体管与AB类和Doherty放大器相兼容

存储器实现自适应预失真核

支持20MHz的调制带宽

提供20 - 30dB的ACP校正功能

自适应均衡器和AQM校正

DPD技术

在开路电视传输设备中高功率放大器(HPA)对整机的价格具有决定意义，对于给定的功率和噪声电子，HPA的价格将随着输入信号线性工作范围的扩大而攀升．因此用扩展HPA的线性工作范围的技术取代购买更高档的HPA的研究意义重大。对于扩展HPA线性范围的研究和应用一一即预失真技术，在国外已经有很多成熟的经验，出现了很多种数字自适应预失真技术如：查表法、笛卡尔环法等，而我国在国庆50周年的数字电视试播中却仍沿用模拟电视中的中频预失真技术，本文旨在介绍一下国外的先进的数字自适应预失真技术。

1、预失真的工作原理

现在的线性调制技术如QPSK和QAH及多载波调制等尽管能提供良好的频谱效率，但由于HPA的非线性，调制后产生的波动包络信号能引起随后的HPA产生互调失真(1MD)，互调失真多呈现出邻频干扰、带内干扰现象．为了扩展HPA的线性，产生了多种预失真技术，但其原理却都是在调制器和高功放间插入一个非线性的器件作为预失真器件(PD)，使得预失真器和高功放作为一个整体来看，其增益特性为线性。如：

假设预失真器的增益函数为D?；而高功放的增益函数为：P(，)；则整体的增益函数：

H(，)：D(，)xP(，)=常数C

从局部来看，由于IM3和IM5对高功放的影响比较大，而IM3(三次互调分量)和IM5可由IM2与IM4与原基带信号调制产生，因此只要控制预失真器产生的IM2和IM4的系数，使其与高功放和原基带信号调制产生的IM3和IM5精确地相位相反，理论上可以很大或完全地取消整体的IM3和IM5，使高功放呈现线性化，从而大幅度抑制带外发射、减少带内失真．

2、数字预失真和模拟预失真

预失真可以分为两种即：数字预失真和模拟预失真．模拟预失真出现比较早，且技术比较成熟．对于模拟电视来说，低成本的。人工调整的中频预失真电路可以工作的很好，这是因为传送的图像质量只随HPA的工作非线性增加而降低，预失真电路只需要定期的调整．而数字预失真技术是随着传输数字信号的应用不断扩展的基础上逐步发展起来的，数字音频传输方面的预失真研究要比图像传输方面相对成熟，国外对图像传输方面的数字预失真已经有很多较成熟的技术和应用经验，国内在数字预失真的研究相对滞后，在数字图像传输试验时或采用线性较好的电子管，或沿用模拟电视中的中频预失真技术，但对于数字电视来说，由于存在着峭壁效应，即当传送通道内的失真超过接收机纠错能力时，图像质量将从近乎完美变成完全丢失．未来发射机的固态化趋势及数字电视信号对于高功放非线性的敏感性都需要采用实时的。自适应的预失真技术来抑制HPA的失真引起的峭壁效应的产生。

3、高功放(HPA)产生失真的原理及工作点对高功放的影响

引起高功放失真的因素包括长时因素，如温度，老化、平均输入电平变化等．也有短时因素如噪声、动态调制(如TDMA中每个时隙采用不同的调制)、多载波(OFDM)等引起的AM-AM和AM-PM失真，这可根据Saleh的功放模型来推得：

A?=Haxr/(1+Uaxr‘)和厶①?二H， xr 2/(1+U中Xr‘)

其中，为瞬时输入幅度，Ha、Ua、H，、U。是放大器的特性参数，工作A?和(，)就是由于高功放的非线性工作曲线而引起的AM-AM及AM-PM失真．这个模型对于全固态功放也适用。

下面是高功放的工作特性曲线图：

图中的曲线代表HPA的真正工作特性曲线，虚直线代表的是理论工作特性曲线，Rio是输入信号幅度，线性输出(要求功率)功率点是我们理论上最佳值，可以帮助在HPA真实特性曲线上搜索到实际输出功率点，再从实际输出功率点向下找到输入功率Rln．~，Rzn…，d即是为实现扩张HPA曲线上部的压缩而加入预失真器后HPA的输入功率．我们可以看Rin-pd>Rin，此时HPA工作在非线性区域，如果不加预失真，那么高功放的工作点只有降低以使其能够工作在HPA的线性区域，此时就存在HPA的输入功率回退问题，而提高工作点，有助于减少热耗散，提高HPA的效率，尽可能高效率且无失真正是HPA的目标。

上面从输入功率根据线性特性找到要求功率，再从要求功率找到HPA的实际工作特性曲线上相应的功率点，从相应的功率点向下找到实际预失真器产生的输入功率，这个过程正是查表法(LUT)的工作原理，即根据瞬时输入信号的功率，查表得到相应预失真应扩张的增益，再输入到高功放实现高功放的线性化，但实际实行起来难度大、结构复杂。

4、笛卡尔环工作原理

笛卡尔环预失真器是能有效地抑制HPA的IMD，且简单易行的工作电路，在数字图像和数字音频的传输中得到普遍的应用，现在笛卡尔环已经有了较大的改进，下面是其原理框图：

在上图中Rn是In+jQn的复包络，其中In是同相分量，Qn是正交分量，同样Hn是预失真器输出信号的复包络，Pn是解调后信号的复包络．解调后信号的复包络中包含了与HPA失真有关的AM-AM和AM-PM失真，预失真的目的就是调整预失真器输出的同相和正交分量，使解调后的同相分量和正交分量与原基带信号In+jQn相同，要达到这个目的，必须解决下面两个独立问题：

An(Un)=Pn (1)

M(9)+中n(Un)=R(9) (2)

公式(1)的含义是寻找一个改变与预失真器复包络有关的幅值函数，使其等于解调后的复包络Pn．公式(2)的目的是使预失真器的相角加上由于AM-PM而引起的相移应等于原基带输入符号的相角．由于相位失真易于解决在此不再讨论，重点讨论困难的、复杂的AM-AM幅度失真问题。

先前的笛卡尔环法是根据输入符号 In+jQn和解调得到的符号，根据前面的公式即，H?·D?，P(，)：C，必须自适应地计算HPA的逆模型，这个逆HPA模型是一个多项式模型，且其阶数必须比HPA的正向模型高几阶。这种办法有几个缺陷：

A.解调输出信号中包含了系统失真(预失真器+HPA)和噪声，而逆模型比前向模型更易于受噪声的影响，特别是当逆模型中包含高阶的非线性多项式，更易导致慢收敛和解的偏移。

B．从输入经过预失真器，调制器，再经HPA，解调后得到符号再计算误差用于系统模型参数的更新，这个过程可引起大约 40多个数字电视的符号的延迟。

新的笛卡尔环法正如上图所示与旧的笛卡尔环最大的不同，就是直接将预失真器的输出数据输入到前向HPA模型的计算中，结合解调后的输入数据决定HPA引起AM-AM失真的多项式模型的系数项(an(k))．解决系数(an(k))的问题用RL$法(递最小二乘法)，获得的系数通过一个管道一次输送到逆HPA模型的计算中，而不是每计算一个数据更新一个数据，同时还加入一个噪声消减器，这个在噪声消减器图中没画，在数字数据处理中这个不难实现。

计算逆HPA模型中应用PLMS法。由于在前向HPA模型中极大地减少了系统测量噪声和系统延迟，使系统在求解的收敛速度和解的偏移程度都有很大提高。通过对新旧两种笛卡尔环的SNR-SINAD(信噪比一一信号噪声和失真度比)坐标比较，可以看出在最大信噪比为60DB时，SINAD有一个大约5DB的增益，这个的增益对峭壁效应的出现有了．很大的缓冲，这个5DB增益对于数字电视传输的适应恶劣的传输条件的能力的是很必要的。且新方法收敛速度比旧方法快15倍左右，模拟延迟时间对自适应速度的影响也大大降低。

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