發表於 2017-12-11 19:07:26
在無線系統中，功放（PA）線性度和效率常是必須權衡的兩個參數。工程師都在尋找一種有效而靈活的基於Volterra的自適應預失真技術，可用於實現寬帶RF功放的高線性度。本文將概述不同數字預失真技術，介紹一種創新性DPD線性化電路特有的自適應算法。
在無線系統中，功放（PA）線性度和效率常是必須權衡的兩個參數。幸運的是，基於Volterra的自適應數字預失真（DPD）線性化電路可以使無線系統中的射頻PA達到高線性度高效率。這種自適應數字預失真方案擴展了功放的線性範圍，同時波峰因數有降低，可以更強力驅動射頻PA，而且效率更高，同時滿足傳輸譜效率要求及調製精度要求。
這種新型數字前置補償器已經集成到了德州儀器公司的GC5322型集成發射方案中。幾百萬門專用信號處理器（ASSP）採用0.13微米CMOS工藝製造，並且包含了數字上轉換、振幅因數降低以及數字預失真。這種「調製不可知」處理器支持30 MHz信號帶寬。對第三代（3G）手機信號，可以降低峰值功率與平均功率之比（PAR）達6dB。對正交頻分復用技術（OFDM），可以改進4 dB，同時滿足鄰近信道功率比（ACPR）和誤差矢量幅值特性。可以修正高達11階的非線性並達到200 ns的PA存儲效應。對多種射頻PA拓撲，一般可改善ACPR 超過20dB，並且功率效率提高4倍以上，對一般基站，靜態功率損耗可降低60%之多。這種靈活的基於Volterra的預處理器可以為多種射頻架構、調製標準和信號帶寬而優化。
像用在3G和其它新興空中接口標準中的非恆定包絡調製方案在譜上更高效，但峰均信號比更高，PA的回退必然更高。這樣就降低了PA效率並增加了基站的冷卻和運行成本。功效低一些的射頻PA一般佔總基站系統成本的30%，對環境影響相當顯著。隨著向「綠色」的不斷發展，能源效率高的技術與不斷增加的能源成本、以及目前不斷提高的譜效率和及信號帶寬要求，還有正在發展的標準結合起來，使功放線性度成為下一代基站的關鍵設計問題。多年來，提出並實施了大量的功放線性化技術，如射頻前饋、射頻後饋以及RF/IF預失真和後失真。其中，與傳統模擬/射頻線性化技術相比，自適應DPD方案已證明效率最高並且最有成本效益。DSP/ASSP計算能力的不斷增加使數字預失真成為越發吸引人的選項。
GC5322發射方案將數字上變換（DUC）、振幅因數降低（CFR）以及DPD結合在高度集成的ASSP中，採用德州儀器公司C67x型DSP內置軟體提供的實時自適應控制。這種發射器件可以為多種射頻架構優化，支持多種空中接口標準，包括CDMA2000、WCDMA、TD-SCDMA、MC- GSM、WiMAX和長期演進（LTE）手機標準。這種靈活的前置補償器可以與多種功率拓撲一起有效使用，如A/B類或Doherty放大器，設計為支持信號帶寬達30 MHz的通信系統。此文章分為兩篇，集中說明DPD方案的硬體實現。
基於3G CDMA的無線通信系統以及採用像OFDM方法的多載波系統常可以處理高PAR或振幅因數信號。非恆定包絡調製技術，如這些系統中使用的正交調幅具有嚴格的誤差矢量幅度（EVM）要求。因為有這些要求，所以需要PA為高線性幅度和相位響應。PA的線性工作範圍一般有限。PA非線性會引起發射信號互調失真，導致譜？裂和鄰信道功率比（ACPR）的下降。這一問題的一種簡單解決方法是把輸入信號水平回退到PA，這樣得到的信號就完全處於放大器的線性工作區。遺憾的是，PA功率效率在較低輸入功率下下降相當大，使這種方法比最佳方法要遜色。此外，更加高級有效的放大器拓撲（如Doherty PA）甚至在回退功率水平下也出現相當大的非線性，導致EVM和ACPR性能變差。
在回退狀態下工作時，目前使用的傳統AB類功放的效率在5%～10%之間。但使用了振幅因數降低和自適應DPD技術後，效率可以提高3～5倍。更新型的PA拓撲，如Doherty放大器，或者甚至動態包絡軌跡與DPD 結合起來的AB類放大器，以及更新型的器件技術，如氮化鎵（GaN）或砷化鎵（GaAs）功率電晶體，可以用於獲得接近50%的效率。
本文下一部分將討論線性化方案對於前置補償器具有高度精確模型的需求。
在無線系統中，功放（PA）線性度和效率常是必須權衡的兩個參數。工程師都在尋找一種有效而靈活的基於Volterra的自適應預失真技術，可用於實現寬帶RF功放的高線性度。本文將概述不同數字預失真技術，介紹一種創新性DPD線性化電路特有的自適應算法。
本文第一部分主要介紹了德州儀器公司的GC5322型集成發射方案。下面我們將繼續討論線性化方案對於前置補償器具有高度精確模型的需求。
當前的DPD實現大多數採用無記憶線性化技術，其中採用瞬間非線性（預失真）來補償PA的瞬間非線性行為。無記憶性功率放大器的特點是其幅度和相位傳輸特性，此特性一般指AM到AM（即增益壓縮）和AM到PM特性。對這種無記憶性功放，可以採用一種通用查詢表（LUT）做前置補償器增益/相位校正。圖1示意了一種典型Doherty PA的增益壓縮和AM-PM特性。因為PA的增益和相位特性隨溫度、電壓、元件老化而變化，要達到真正高效和有效的線性化，就需要自適應控制查詢表。
對於PA必須支持更高射頻調製帶寬的通信系統，無記憶模式證明還不夠，因為它只依賴於幅度，而不是依賴於頻率。必須支持大信號帶寬的PA表現出明顯的記憶效應，這是由於DC偏置網絡中元件的時間常數大，以及有源器件的快速熱效應。這樣造成PA特性隨早先輸入水平而變，因此需要使用能降低記憶效應的預失真結構。
任何高效的線性化方案都要求前置補償器有高度精確的模型，如果PA採用直接學習自適應架構，則也要求有高度精確的模型。文獻中提出了大量具有記憶性的非線性系統模型化技術，沒有一種方法能是一個普遍的解決方案。因此，模型選擇很難，並且依賴於應用。有效的PA模型必須能以合理的精度表示不同類型的非線性和記憶效應。
Volterra數列是一種更普遍的具有記憶性的時變非線性系統模型。包括多維卷積之和，分立時間因果形式下可以寫成式1，式A詳細給出條件，其中多維矩陣h1、h2、… hn為模型化非線性的n階Volterra係數，Mn為非線性的有限記憶長度。鑑於RF PA考慮到長記憶深度（達1微秒）和非線性級（達11級），上述模型在數學上無法處理。必須採用簡化方案以得到實際的前置補償器產品。這些簡化可以分為兩種基本方法：算術法和模型簡化法。對第一種，式1中的一般Volterra模型具有許多吸引人的算術特徵，可以用於得到高效實現方案。對於模型簡化法，雖然需要完整的一般Volterra（或者某些其它一般模型），如大家所知，RF功率放大器模型一般有大量Volterra項，這些項在實施中沒有意義。這些項可以丟棄，不會造成線性性能出現可測量的惡化。
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