用数字预失真改善射频功率放大器的线性度

我们讨论了在射频功率放大器系统中实现数字预失真的基础知识，并探讨了基于查找表的两种流行技术。为了最大限度地提高效率，功率放大器（PA）在接近饱和区域的大动态范围内工作。随着我们接近饱和区域，幅度和相位失真显著增加，导致严重的邻道干扰。为了在保持高效率的同时提高射频功率放大器（PA）的线性度，已经开发出了几种不同的线性化技术。在本文中，我们将了解射频功率放大器线性化中一个最活跃的领域：数字预失真。正如我们将看到的，数字方法允许创建复杂的预失真传递特性，超越了我们之前讨论的基本模拟方法的能力。

数字预失真的基础知识 

数字预失真通过在发射路径的数字部分引入一个非线性函数来补偿功率放大器的非线性，如图1所示。无论是基带信号还是中频信号都会被改变。在基带中实现数字预失真。

图1. 在基带中实现数字预失真。

尽管上图中的基本原理图描绘了一个开环预失真系统，但我们通常会加入一个反馈路径，以持续监测预失真器的性能并相应地进行调整。图2展示了带有反馈环的数字预失真线性化器的简化框图。带有反馈路径的数字预失真系统。

图2. 带有反馈路径的数字预失真系统。

使用反馈可以实现自适应数字预失真系统，能够考虑温度、工艺或电压变化。然而，模数转换器（ADC）、数字信号处理（DSP）和存储器会增加总功耗。这种额外的功耗会导致系统效率降低，我们将在下一节中讨论这一点。效率等于输出功率与从电源汲取的总功率的比值，供应的功率等于输出功率加上系统组件耗散的功率。

公式1

尽管功率放大器的效率为100%，但相关电路的功耗使得整个系统的效率降低到了80%。因此，与功率放大器的输出功率相比，保持线性化器的功耗尽可能小是非常重要的。

使用查找表的数字预失真 

如果功率放大器的行为是准静态的，我们可以假设功率放大器的输出幅度与输入信号之间存在固定且单调的关系。在这种情况下，输出信号的值仅由当前输入值决定。因此，有可能确定功率放大器的非线性行为。将这些数据编码到查找表（LUT）中，为我们提供了几种实现数字预失真系统的选择。图3展示了其中的一种。开环、基于查找表的预失真系统的框图。

图3. 开环、基于查找表的预失真系统的框图。

输入信号用于寻址功率放大器失真查找表，该表存储了每个输入值所需的增益和相位校正值（分别为Δ|A|和Δφ）。数字信号处理（DSP）模块接收Δ|A|和Δφ，并产生一个幅度和相位调整后的信号，以确保预失真器/功率放大器系统能够线性运行。与图1一样，上述预失真线性化器是一个开环系统。图4展示了一个基于查找表的系统，该系统包含一个反馈环，用于监控线性化的完整性并相应地更新查找表。自适应、基于查找表的预失真系统。

图4. 自适应、基于查找表的预失真系统。

上述自适应系统包括一个发射机（正向路径）和一个集成接收机（反向路径）。自适应模块将输入的I/Q信号与集成接收机获得的I/Q样本进行比较。这使得系统能够评估预失真机制的有效性，并相应地刷新查找表中的数据。预失真的反馈环运行非常缓慢，不需要对快速变化做出调整。因此，这种自适应预失真器不会受到通常与反馈线性化方法相关的稳定性问题的困扰。查找表通常实现映射预失真函数或复增益预失真函数。正如我们稍后将讨论的，前者采用笛卡尔映射，而后者依赖于包络映射。查找表的功能直接影响所使用的查找表的大小和复杂性。

映射预失真

映射预失真提供了一种直接但较为粗暴的查找表索引策略。图5展示了在此方法中查找表（LUT）的应用。映射预失真电路中使用的查找表索引方法。

图5. 映射预失真电路中使用的查找表索引方法。

映射预失真使用一对二维查找表（图中的LUT-I和LUT-Q）。在这里，“二维”表示同时使用同相（IIN）和正交（QIN）信号来索引查找表。因此，表的输出是同相和正交信号的函数。I/Q复平面上的每个点都被映射到一个新的值。映射预失真可以纠正与上变频过程相关的任何误差，包括直流偏移和I/Q不平衡。然而，这种技术的内存需求是一个显著的缺点。因为它将每个输入点重新映射到一个对应的新值，所以映射预失真需要大量的内存。由于IIN和QIN分量共同作为表条目的索引，所以内存条目的总数（M）由以下公式给出：M=2×22n公式2.其中n是用于量化IIN和QIN信号幅度的位数。例如，一个12位的系统需要一个内存，其条目数为M=33,554,432。完成自适应算法需要处理I/Q复平面上的每一个点，这需要大量的时间。因此，大内存会导致较长的自适应时间和增加的计算复杂性。

复增益预失真

顾名思义，复增益技术在查找表中存储复数值增益因子。图6展示了复增益预失真中查找表（LUT）的应用。复增益预失真中使用的查找表索引方法。图6. 复增益预失真中使用的查找表索引方法。在此方法中，输入信号的功率（R=∣IIN+jQIN∣）被用来指向一个带有适当增益因子的内存条目。复增益技术确保预失真器和功率放大器系统在所有输出功率水平上保持恒定的增益。由于输入信号包络作为表条目的索引，所以需要一个较小的查找表。这也有助于减少与插值和自适应相关的功耗。然而，这些改进是以降低预失真精度为代价的，这限制了对交调失真的有效抑制。

总结

数字预失真是射频功率放大器线性化中最有效的方法之一。在本文中，我们讨论了两种数字预失真技术：映射预失真和复增益预失真。正如我们所了解到的，映射预失真的主要限制在于其巨大的内存需求。这些需求导致了较长的自适应时间和增加的计算复杂性。复增益预失真通常比映射预失真技术更受青睐，因为它需要一个较小的查找表并减少了自适应时间。