通過數(shù)字預失真提升射頻功率放大器線性度

本文將探討射頻功率放大器系統(tǒng)中數(shù)字預失真的實現(xiàn)原理，并重點分析兩種基于查找表的常用技術(shù)。

效率與線性度的平衡挑戰(zhàn)?

功率放大器（PA）為追求高效率常工作于接近飽和區(qū)的大動態(tài)范圍。但隨著逼近飽和區(qū)，其幅度和相位失真急劇增加，導致嚴重的鄰道干擾。為此，業(yè)界開發(fā)了多種線性化技術(shù)以在維持高效率的同時提升線性度，其中數(shù)字預失真技術(shù)已成為射頻功率放大器線性化領(lǐng)域最活躍的研究方向之一。

數(shù)字預失真基本原理

如圖1所示，數(shù)字預失真通過在發(fā)射鏈路的數(shù)字部分引入非線性函數(shù)補償PA的非線性特性，可作用于基帶或中頻信號。

[圖1 基帶數(shù)字預失真實現(xiàn)示意圖]?

（系統(tǒng)示意圖展示開環(huán)預失真結(jié)構(gòu)）

盡管圖1為開環(huán)系統(tǒng)，實際應用中通常會加入反饋回路持續(xù)監(jiān)測預失真器性能并進行動態(tài)調(diào)整。圖2展示了帶反饋回路的數(shù)字預失真簡化框圖。

[圖2 帶反饋路徑的數(shù)字預失真系統(tǒng)]?

（反饋機制支持溫度、制程和電壓變化的自適應補償）

然而，模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）、數(shù)字信號處理器（DSP）和存儲單元的引入會增加系統(tǒng)功耗。下文將通過實例量化這種效率損耗。

預失真器/PA系統(tǒng)效率計算

假設某自適應數(shù)字預失真系統(tǒng)采用效率100%、輸出功率1W的功放，其配套的ADC、DSP和存儲單元共耗電0.25W。系統(tǒng)總效率計算如下：

（公式1：系統(tǒng)效率計算）

盡管PA本身效率達100%，但外圍電路使系統(tǒng)總效率降至80%。這凸顯了降低線性化模塊功耗的重要性。

基于查找表的數(shù)字預失真實現(xiàn)

當PA呈現(xiàn)準靜態(tài)特性（即輸出幅度與輸入信號保持固定單調(diào)關(guān)系）時，可通過查找表（LUT）實現(xiàn)非線性補償。圖3展示了開環(huán)LUT預失真系統(tǒng)架構(gòu)。

[圖3 開環(huán)LUT預失真系統(tǒng)框圖]?

（通過輸入信號尋址存儲增益/相位校正值的LUT）

DSP模塊接收Δ|A|（幅度校正）和Δφ（相位校正）參數(shù)，生成經(jīng)過預校正的信號。圖4則升級為帶反饋的自適應系統(tǒng)：

[圖4 自適應LUT預失真系統(tǒng)]?

（集成收發(fā)雙路徑，通過輸入/輸出信號比對實現(xiàn)LUT動態(tài)更新）

該系統(tǒng)的自適應模塊通過比較原始I/Q信號與反饋采樣信號，持續(xù)評估預失真效果并更新LUT數(shù)據(jù)。這種結(jié)構(gòu)能有效應對器件老化、環(huán)境變化等動態(tài)因素，但需權(quán)衡增加的硬件復雜度與功耗。

上述自適應系統(tǒng)包含發(fā)射機（前向路徑）和集成接收機（反向路徑）。自適應模塊通過比較原始輸入I/Q信號與集成接收機采樣的I/Q信號，持續(xù)評估預失真機制的有效性并更新查找表數(shù)據(jù)。由于預失真器的反饋環(huán)路響應速度極慢且無需應對快速變化，該系統(tǒng)避免了傳統(tǒng)反饋線性化方法常見的穩(wěn)定性問題。

查找表實現(xiàn)策略

查找表通常采用?映射預失真函數(shù)?或?復增益預失真函數(shù)?。前者基于笛卡爾坐標系映射，后者依賴包絡映射。兩種方法對查找表規(guī)模與復雜度有直接影響。

映射預失真（Mapping Predistortion）

映射預失真采用二維查找表（LUT-I和LUT-Q）進行暴力索引，如圖5所示。每個I/Q復平面點被重新映射至新值，可校正上變頻過程中的DC偏移和I/Q不平衡問題。但其內(nèi)存需求巨大，總存儲條目數(shù)由以下公式?jīng)Q定：

（公式2：映射預失真存儲條目計算）

其中，n為IIN/QIN信號幅度量化位數(shù)。例如，12位系統(tǒng)需33,554,432個存儲條目。此外，完成自適應算法需遍歷I/Q復平面所有點，導致長時延和高計算復雜度。

[圖5 映射預失真器中的LUT索引方法]?

（以IIN/QIN雙維度索引二維查找表）

復增益預失真（Complex-Gain Predistortion）

如圖6所示，復增益預失真通過輸入信號包絡功率(R = |IIN + jQIN|R = |IIN + jQIN|)索引查找表中的復增益因子。該方法確保預失真器與PA系統(tǒng)的合成增益恒定，顯著降低存儲需求（僅需一維查找表）和自適應時間。但代價是預失真精度下降，對互調(diào)失真的抑制能力受限。

[圖6 復增益預失真器中的LUT索引方法]?

（以信號包絡幅度索引一維查找表）

技術(shù)總結(jié)

數(shù)字預失真作為射頻功放線性化的高效方法，映射預失真與復增益預失真各有優(yōu)劣：

映射預失真?：校正能力強，但存儲需求和計算復雜度高

復增益預失真?：存儲效率提升50%以上，自適應時間縮短，但精度妥協(xié)

在工程實踐中，復增益預失真因資源效率優(yōu)勢更受青睞，尤其適用于對功耗和實時性敏感的大規(guī)模陣列系統(tǒng)。未來技術(shù)發(fā)展需在存儲優(yōu)化、精度補償和動態(tài)響應之間尋求更優(yōu)平衡。