数字预失真基本原理

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数字预失真基本原理

马 进

（西安电子科技大学 通信工程学院，陕西 西安 710071）

摘 要 对高功率放大器的失真特性进行了数学分析，介绍了数字预失真的基本原理，总结了常用的几种预失真线性化方法，着重详细介绍了查找表数学模型的建模方法。

关键词 功率放大器；线性化；预失真

中图分类号 TN722.7+

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The Principle of Digital Pre-distortion

Ma Jin

(School of Telecommunications Engineering, Xidian University, Xi ′ an 710071, China)

Abstract This paper makes a mathematical analysis of the HPA's distortion characteristic and introduces the principle of digital pre-distortion. It also summarizes some common techniques for linearizing pre-distortion with emphasis on the LUT mathematical model's modeling method.

Keywords PA; linearization; pre-distortion; LUT

1 数字预失真的实测图表

数字预失真的目的是改善功放的线性度，而对功放线性度评估是用ACPR 这个指标进行评估的，因此数字预失真目的就是改善功放的ACPR 指标。预失真效果见表1所示。

2 功放的非线性特性分析

功放的各种失真特性[1]如下：

（1）AM-AM 失真特性：就是放大器的增益压缩现象，即AM-AM 失真，可以采用非线性的多项式来表征放大器的这种特性，其数值由输入信号的幅度（AM ）决定。

在射频增益一定的条件下，在数字域中，可以根据输入基带信号的幅度（功率）通过一个多项式可计算出此种非线性失真分量。常用的多项式表达式如下：

表1 预失真效果

载波 1 2 3 4 备注频率/MHz

870.03 871.26 872.49 873.72

750kHz,Low 47.80 750kHz,Up

45.56 1.98MHz,Low 50.65 预失真前

ACPR/dB

1.98MHz,Up

48.38

9CH

750kHz,Low 60.55 750kHz,Up

63.23

1.98MHz,Low 66.70 预失真后

ACPR/dB

1.98MHz,Up

67.17

9CH

收稿日期：2005-12-21

作者简介：马 进（1979—），男，硕士研究生。研究方向：网络安全、对数字预失真。

...554433221x a x a x a x a x a y ++++=.

（2）AM-PM 失真特性：其数值与AM-AM 失真相似，也是由输入信号的幅度决定。

电子科技 2006年第9期（总第204期）

数字预失真基本原理

IT Age/ Sep. 15, 2006

18假设输入信号为： t y m ωcos =

加上AM-AM 失真时，则可表示为：

......5cos 3cos cos 531+++=t t t y m m m ωβωβωβ 其中m ω为调制信号角频率（带宽的一半）

加入AM-PM 失真后，可把信号表示为：

135(cos cos3cos 5......)cos (1cos 2)...2m m m c m y t t t t t βωβωβωφωω=+++×

⎡⎤

+++⎢⎥

⎣⎦

（3）热学记忆效应：由器件内部热电耦合产生，

器件内部温度的变化将引起器件部分热学、电学参数的变化，从而引起器件的非线性特性的变化。

（4）电学记忆效应：主要指是MESFET 放大器在调制频率的作用下的幅度和相位失真，放大器在调制信号包络的作用下，其栅节点阻抗等特性发生了变化。

3 常用的数字预失真系统架构

数字预失真指得是预失真信号在数字域产生，在输入放大器前叠加到原信号上，从而达到对功放失真进行补偿的目的。但在实现上还是有不同的系统架构。

（1）纯基带架构：纯基带架构是指的是预失真信号是在基带（DAC 前）就叠加到原信号中的方式，完全在数字域进行预失真处理。这种方式是纯数字化的，电路实现容易，不需要额外的DAC ，实现成本低，也是目前数字预失真的主流架构，如

PMC ，InterSil ，Altera ，Telasic 等都采用这种架构方案。

（2）中频、射频注入架构：中频或射频注入的方式也是可实现的，通过处理器（如DSP ）产生预失真信号，经DAC 后再与原信号叠加。

（3）功放管偏压调整方式：根据输入信号包络对功放管栅极电压进行调整可以消除功放的记忆效应。则功放只剩下AM-AM ，AM-PM 失真了，而这些失真可用多项式来描述，这样就可简化了基带处理的复杂度。

4 常用的数字预失真数学模型及其问题

如何在基带中表征功放的各种失真特性是数字预失真建模的关键。现对一些常用的可在基带中实现的模型进行简要介绍。

（1）纯多项式模型

因功放的AM-PM ，AM-AM 非线性都可用多项式来表示。所以可以用多项式方式进行功放建模型。这就是常说的3阶、5阶交调分量，但实际上功放还有偶次阶非线性的存在。若在功放非线性建模时，把偶次非线性考虑进去，可以把数字预失真改善度提高5dB 左右。因此，功放的多项式模型可表示为：

1

()()K

k k k y t b z t ==∑k =1, 2, 3, …, K ；b k 为多项式系数。

（2）V olterra 模型

V olterra 模型的表达式如下：

121

()()()k

k k i k K

i y t h T z t T dT dT dT ==−∑∏∫∫L L

T 1[,,]k K T T T =L

()k h ⋅是第k 阶V olterra 系数。

（3）其他的模型方式

如傅里叶级数方式模型，A. Pages-Zamora,

M.A. Lagunas, T. Jimenez 提出采用傅里叶级数来表征功放的失真特性。

5 查找表的基本原理、架构及细节

前面讲的几种可以在基带实现的功放模型都有自已的一些缺限，很难把模拟域中的不连续性体现出来。

查找表是一种在基带易于实现且能很好体现模拟域不连续性的模型，因此成为了目前数字预失真的主流方案。用查找表模型在数字域能很好表征模拟域中的不连续性，且易于实现，因此是目前数字预失真实现方案的主流模型。 5.1 查找表的系统架构

数字预失真将事先计算好的预失真补偿参数保存在一个表格中，然后根据当时输入的基带信号计算出表中的地址量，从而找到补偿参数，对信号进行预失真处理，这就是查找表（LUT Look-Up Table ）方法（图1）

。 5.2 信号处理模块细节与考究

该模块可对输入的基带信号根据查表所得的