线性功放中数字预失真方法的实验研究

文章编号:100526122(2009)0320047204

线性功放中数字预失真方法的实验研究3

幸　波　蒋　伟　王晶琦　朱晓维

(东南大学信息科学与工程学院毫米波国家重点实验室,南京210096)

摘　要:　对数字预失真线性功放中两种主要的数字预失真方法:多项式拟合法和查找表构建预失真器法进行研究;首先针对两种方法所对应的不同预失真器结构,就预失真精度、算法复杂性、所需存储空间和自适应能力等进行分析对比;然后采用cd ma2000调制信号源对两种方法预失真效果作ADS仿真分析和实验测试,验证了两种方法的可行性,并对两种方法预失真能力作进一步讨论;最后总结了两种预失真方法在功放线性化应用的优缺点和适用范围。

关键词:　自适应,数字预失真,多项式,查找表

Experi m ent al I nvesti gati on on D i git al Predistorti on Technology

for L i n ear Power Ampli fi er

X I NG Bo,J IANG W e i,W ANG J i a ng2q i,ZHU X i a o2we i

(S tate Key L ab.of M illi m eterW aves,College of Infor m ation Science and Technology,

Southeast U niversity,N anjing210096,China)

Abstract:　T wo kinds of typ ical DP D(D igital Pre2D ist orti on)methods are p resented in the paper,which are Polyno2 m ial Esti m ati on and LUT(l ook up table).The merit and shortcom ing of the t w o DP D methods are su mmarized with detailed analysis of the structures of p redist orter,e mphasizing on p recisi on of DP D,comp lexity of arith metic,me mory s pace and self2 adap tive capacity.Signal s ource cd ma2000is app lied f or ADS si m ulati on and experi m ent measurement of the t w o DP D meth2 ods,whose p redist orti on ability are analyzed deep ly.The characteristics and app licability of the t w o methods are su mmarized in the end of the paper.

Key words:　Self2adap tive,DP D,Polynom ial,LUT

引　言

随着无线通信技术迅猛发展,以及新的非恒包络调制技术的广泛采用,射频功率放大器的线性化技术的研究越来越受到关注,已经成为下一代无线通信系统的关键技术之一。实现功率放大器的线性化的技术有很多,如功率回退法、前馈法[1]、反馈法、模拟预失真法、数字预失真法等,其中数字预失真法依托于DSP技术的飞速发展以及软件无线电技术的逐渐成熟,具有灵活性高、一致性好、适用性强、方便实现自适应处理等诸多优点,有着极大的发展潜力和良好的应用前景。

目前流行的数字预失真方法主要有两种,一种是多项式拟合构建预失真器[223]的方法,另一种是基于查找表构建预失真器[425]的方法。两种数字预失真方法的思想都是通过构建与功率放大器相反特性的预失真器,将预失真器与功率放大器级联达到线性度改善的效果。

衡量数字预失真方法的指标主要包括预失真方法的预失真精度,构建预失真器所需要的存储空间,基于预失真器的预失真算法的复杂度和收敛性以及预失真器的自适应能力。本文针对当前数字预失真技术的研究状况,结合以上几项主要指标,对多项式拟合预失真器和查找表构建预失真器两种方法进行实验研究。通过全面的研究分析,总结了两种方法各自的优缺点及适用范围;最后,将这两种预失真方

第25卷第3期2009年6月

微　波　学　报

JOURNAL OF M I CROWAVES

Vol.25No.3

　Jun.2009

3收稿日期:2008206218

基金项目:国家863项目(2007AA01Z2B4),国家自然科学基金委创新群体基金(60621002)

法用于cd ma2000信号功率放大器实验测试,给出了

两种方法的线性化改善效果的实测对比结果。

1　两种数字预失真方法分析对比

如图1所示,数字预失真方法都是在功率放大器的前级加上功放特性曲线相反的非线性模块(数字预失真器,在数字域中实现),通过预失真器与功率放大器的级联,实现线性放大

。

图1　数字预失真器理论

1.1　多项式拟合构建预失真器法

功率放大器的非线性AM /AM 、AM /P M 特性可以通过级数多项式来描述,也可以用多项式描述与

功率放大器相反的幅度和相位特性,依此构建预失真器。

v p (t )=k 1v i (t )+k 2v 2i (t )+k 3v 3

i (t )+…(1) 式(1)表示泰勒级数多项式描述的预失真器传输函数,其中v p (t )为预失真器的输出,功率放大器的输入,k 1、k 2、k 3等分别为预失真器多项式的系数,要构建预失真器,实际就是确定这些多项式系数。

图2表示一个使用五阶多项式(对功率放大器的非线性失真考虑到五阶)构建的数字预失真器,其中K 为功率放大器的线性增益,通过预失真器的输入与功放输出的反馈相比较,得到误差因子e (t ),通过误差因子e (t )值的变化对多项式系数进行更新,当e (t )的值很小达到给定的误差限,预失真器收敛,达到预失真效果

。

图2　多项式构建预失真器

更新多项式系数的方法有很多,最常用的有

L MS,RLS 自适应算法等,这些方法可以很好地应用于自适应预失真器的构建。图中预失真结构同样适用于记忆多项式预失真器、Volterra 级数预失真器的构建;对于泰勒级数多项式实现的预失真器,F I R 有限长滤波器简化为复数乘法器。

基于多项式拟合的数字预失真器只需很少的存储单元(对图1表示的预失真器,只需要10个单元的存储空间);可以方便地结合LMS 、RLS 等自适应滤波算法,具有很强的自适应能力;此外多项式预失真结构还能实现对有记忆效应功放的预失真。基于多项式拟合预失真方法也有不足,一方面,由于现在数字信号处理技术能力的制约,虽然RLS 等自适应算法具有很好的收敛性,但是仍需要非常大的计算量,而现在的数字信号处理技术水平还很难做到算法的实时性,这大大制约了多项式构建预失真器方法的实际使用;另一方面,该方法存在预失真精度的问题,由于功率放大器的非线性特性并不能完全由多项式来准确表示,多项式预失真器只能对其模拟,使误差达到最小。1.2　查找表构建预失真器法

与多项式构建预失真器法不同,查找表构建预失真器法通过使用查找表来存储功率放大器幅度相位非线性特性来构建预失真器,通过调节功率放大器的输入幅度和相位信息,来实现对功率放大器的预失真。通过查找表存储功率放大器非线性特性的方式有很多,本文介绍最具有代表性的一种查找表构建预失真器法,即复数增益查找表构建预失真器法,用以分析查找表构建预失真器法的特点。

图3描述了一个复数增益查找表构建预失真器的结构,预失真器采用一种一维复数增益查找表,将预失真器输出v p (t )相对输入信号v i (t )的复数增益值存储在查找表中,预失真复增益与功率放大器的复增益共同作用,使得整个电路的总增益为常数,从而实现功率放大器的线性化

。

图3　复数增益查找表预失真器结构图

对于复数增益查找表构建的预失真器,地址计算模块通过输入信号v i (t )的幅度计算地址,查找表中存储预失真器的复数增益F n (|v i (t )|),则预失真值v p (t )为

v p (t )=v i (t )3F n (|v i (t )|)

(2) 由于复增益预失真结构不能直接将功率放大器

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