功放数字基带预失真理论分析和仿真实现

第20卷第12期 2008年6月 系 统 仿 真 学 报@ Journal of System Simulation 、^)1．20No．12 Jun．．2o08 功放数字基带预失真理论分析和仿真实现 南敬昌 ，李新春 ，刘元安 ，唐碧华 (1辽宁工程技术大学电子与信息工程学院，辽宁 葫芦岛 125105；2北京邮电大学，北京 100876) 摘 要：为了消除功放非线性带来的失真，满足制定的功率谱密度要求，自适应数字基带预失真技 术以其良好的线性度、宽带宽、高效率和全自适应性等优点而成为消除功放失真的首选 从几种线 性化技术的比较开始，介绍了两种数字预失真结构，给出了数字基带预失真的工作原理，构建了数 字基带预失真电路并在 ADS环境下实现了系统级仿真．仿真结果表明构建的数字基带预失真系统 能够获得好的预失真效果，功率谱密度的最大改善能够达到 30dBm．创建的系统级仿真电路对实 际的数字预失真系统起着重要的指导作用。 关键词：数字基带预失真；自适应；仿真；功率放大器；先进设计系统 中图分类号：TN722．7 5；TN830．6 文献标识码：A 文章编号：1004—731X(2008)12—3220—03 Theoretical Analysis and Simulation Implementation of Adaptive Digital Baseband Predistortion for PA NAN Jing—chang ， ，LI Xin—chun ，LIU Yuan—an ，TANG Bi．hua (1．School ofElectrics and Information Engineering，Liaoning Technical University，Huludao 125105，China； 2．Beijing University ofPosts and Telecommunications，Beijing 100876，China) Abstract：In order to cancel nonlinear distortion of power amplifier(PA、and meet the requirement of power spectral density mask specified by regulatory bodies，an adaptive digital baseband predistortion technique have been applied because of many advantages such as good linearity，wide bandwidth，high effi ciency and full adaptation and become first choice of canceling distortion of nonlinear PA．Starting from comparison with a feW linearization techniques．two kinds of digital predistortion structures were introduced，and operating theory of digital baseband predistortion was given，and digital baseband predistortion circuits and implement system—level simulation in ADS circumstance were built~Simulation result shows that created digital baseband predistortion system can obtain good predistortion effect．The created system—level simulation circuit plays an importan t role in designing practical predistorter． Key words：digital baseband predistortion；adaptive；simulation；power amplifier(PA)；advanced design system 引 言 射频功率放大器是无线通信系统最关键和最昂贵的器 件，也是最主要的非线性器件，它具有幅度／幅度和幅度／相 位失真特性，这种非线性产生的失真严重地影响了通信的质 量。另外，当今移动通信系统中，为了增加传输速率和信道 容量，许多现代无线通信系统，像 CDMA，WCDMA以及 EDGE采用了复杂的具有高频谱利用率的数字调制格式 (比 如，pi／4．DQPSK，M—QAM，MPSK)。采用这些数字调制格 式，信号包络的变化产生了记忆效应，这种记忆效应引入了 更大的带外扩散，增加邻道干扰，同时也产生了带内失真。 因此，误比特率更加严重。 通常，在设计射频功放时，除了满足功放输出功率的要 求外，效率和线性度是必须考虑的两个因素，但功放的效率 和线性度是相互对立的。设计时，为了使失真处于可接受的 收稿日期；2007 03—06 修回日期：2008—04 07 基金项目：国家自然科学基金资助项目 (60573111)：高等学校博士学 科点专项科研基金资助 (20030013010) 作者简介：南敬昌 (1971一)，男，河南滑县人，博士，副教授，研究方向 为射频电路与系统，多媒体信息编码，通信系统仿真等：李新春(1963．)， 男，高工，辽宁喀左人，研究方向为通信电子，自动控制理论：刘元安 (1963一)，男，四川人，教授，博导，研究方向为宽带无线通信，电磁兼容 等；唐碧华(1964一)，女，四川人届0教授，研究方向为数值计算。 程度，通常采用功率回退的 A 类放大器，然而，这降低了 功放效率，增加了热损耗和成本。为了保持功放的高效率， 应该使功放工作在高非线性区，所付出的代价是非线性导致 频谱再生，产生邻道干扰同时也带来带内失真，恶化了误比 特率性能。解决这个问题，通常的方法是设计高效率功放， 功放的线性度通过采用线性化技术得到改善。 改善射频功率放大器线性度的线性化技术很多，目前已 部分应用到现代无线通信系统中。在各种线性化技术中，前 馈线性化同时能够提供大宽带和良好的互调失真压缩，但是 具有较差的效率，且复杂而昂贵 I11121。后馈技术工作不稳定 且带宽受限L3J。预失真技术具有稳定、高效、宽带宽与自适 应等优势，有模拟射频预失真和数字预失真两种类型。模拟 射频预失真技术具有结构简单、成本低和线性化适中等优点 J ， 然而，这种技术涉及到相当多的附加模拟硬件即需要使 用较多非线性器件，其特性较难控制，降低了改善的精度。 数字预失真技术采用了复杂的 DSP技术，提供了更好的互 调失真压缩，尽管复杂，但性能更优。在各种线性化技术中， 数字基带预失真是性价比最高的一种，使用少量的模拟器 件，实现成本比前馈预失真技术低。这种技术在基带进行信 号处理，不依赖于系统的工作频率，它尤其适合于软件无线 。 而且，自适应技术能够容易地应用到数字预失真结构 ·3220· 维普资讯 http://www.cqvip.com 第2O卷第 l2期 2008年6月 南敬昌，等：功放数字基带预失真理论分析和仿真实现 Vb1．20No．12 Jun一2oo8 中。通常宽带射频功率放大器具有记忆效应，同时随输入信 号不同，非线性程度也不断发生变化。因此，自适应控制方 法在改善预失真功放性能方面是需要的。总之，最有前途的 线性化技术是自适应基带数字预失真技术。本文根据数字基 带预失真的结构在ADS环境下构建了数字预失真系统，同 时进行了仿真，结果表明构建的方法和系统是有效的，达到 了较好的预失真效果，这在其他文献中较少报道 。 1 数字基带预失真结构 就预失真结构来说，根据处理的不同信号有三种预失真 结构，分别是模拟射频预失真、数字／射频预失真和数字基 带预失真结构。在这些预失真结构中，输入信号分别在模拟 域、数字／模拟域和数字基带域处理。第一种结构是模拟预 失真结构，而后两种是数字预失真结构。下面给出了混合数 字射频预失真结构和数字基带预失真结构的框图。 混合数字射频结构如图 1所示【6】。这种结构的主路径信 号是模拟射频信号，矢量调制器的控制信号需要 DSP运算 和查找表 (LuT)存储数据，这些都是数字信号，因此这种 系统是混合预失真结构。混合射频数字预失真结构提供 了一 种模拟射频预失真和数字基带预失真结构的折中方案，这种 方案可以在宽频带环境下工作，因为带宽不受数字信号处理 计算速度的限制。这种混合预失真系统主要缺点是矫正发生 在射频带宽内的记忆效应能力有限。 出 图 1 混合数字／射频预失真结构 数字基带预失真的两种最通用的类型称为映射预失真 和常数增益预失真【”。映射预失真器利用两个查找表，每一 个查找表都是同相和正交两个变量的函数。这种类型的预失 真器具有较好的性能，然而，它具有较大的存储量和处理负 担，收敛速度慢。常数增益预失真器仅仅需要一维查找表， 此查找表由信号包络值索引。因此，它实现简单，同时对于 给定性能和 自适应时间，需要更少的内存。这种方法使用查 找表迫使预失真器和其后的功率放大器在所有的包络电平 上得到恒定的增益和相位。在一些文献中，这两种方法有时 也被称为复矢量映射查找表技术和复增益查找表方法。 自适应数字基带预失真系统的框图如图 2所示【5】，这是 一 种数字基带域的结构。在数字预失真器中，数字复基带输 入信号抽样值和查找表计算所得的复系数相乘，得到与放大 器特性相反预失真函数，从而达到线性化的目的。这里查找 表系数实现了预失真函数。自适应算法通过比较反馈信号和 延迟后的输入信号决定系数的数值。通常预失真器由复乘法 器、查找表和选择查找表合适系数的地址产生模块组成。许 多文献[5，8，9】报道了数字基带预失真结构，其工作原理和结 构是一致的。主要的研究热点包括有 DSP自适应算法、查 找表非均匀索引【9】、基于神经网络的自适应预失真和具有记 忆效应的功放预失真。 图 2 自适应基带数字预失真结构 2 数字预失真器传输函数理论推导 当已知功放的特性，即其 AM／AM、AM／PM 函数，以 及给定线性化要求，能推导出数字基带预失真器的增益函 数。这里，我们假定功放是无记忆的，这意味着其行为是频 率无关的。下面给出了数字预失真函数的理论推导。 当功放无记忆效应时，它的增益实质上可以由它的 AM／AM、AM／PM 函数来表达，功放通用复增益模型用极坐 标和直角坐标形式表示为： Gt,A(I r I)=G(t r t){cos[ I r I)+jsin[ I r I)】} =Gi(1，1)+jGq(1，1) (1) 为了获得良好的预失真效果，预失真器的增益函数应该 是功放增益的反转 (幅值互为倒数，相位相反)。定义预失 真增益的极化形式和直角形式如下： G (1，1)=P(t，1){COS[ (1，1)]+，sin[0(I，1)]} = (1，1)+jPq(1，1) (2) 这里，P()， ()， ()and Pq()都是输入信号幅度 I r I的非线 性函数；那么完全去除非线性，必须满足下面的条件： P(1 1)GH(I rDI)=1 (3) 0(t 1)=一 (1 rp1) (4) 这里，l l是源信号的幅度，l l是预失真后信号的幅度。 从式(1)，(2)，(3)和(4)， 我们能够得出预失真增益的同相和 正交分量如下： )= = (5) 刖 一 而 一 (6) 这些公式显示了预失真复增益的同相分量和正交分量 能够通过功放的复增益两个分量来表示，预失真增益函数可 以通过这些计算获得。这些公式是理论上的表达，表示了数 ·3221· 维普资讯 http://www.cqvip.com 第2O卷第12期 2008年6月 系 统 仿 真 学 报 Vb1．2ONO．12 Jun．．2o08 字基带预失真的工作原理。在实际的系统中，我们需要通过 DSP算法，根据输入和输出的误差信号计算复增益调节器的 系数，这是一个复杂的计算和调整过程。 3 数字基带预失真的仿真实现 针对数字基带预失真系统，采用常数增益数字预失真器 结构，我们能够在 ADS软件环境下创建这种数字预失真系 统的仿真结构电路，这种结构的主要特点是输入信号采用复 基带信号，整个预失真系统都是在数字基带信号下处理的， 经过预失真处理的基带信号再经过数模转换调制到射频上 图3 数字基带预失真仿真结构框图 发射出去。这是和数字射频预失真系统的不同之处。 I ： - l 构建的仿真电路是由基带输入信号源、复增益调整器、 - ’ ’’ 赫 ’ 1 查找表地址生成器、查找表、符号同步(后馈延迟判定)、 一4o{ ， · { 无零失真 l 系数误差计算和收敛控制、数模变换、模数变换、I／Q上变 奄 。 叫 ’’’ ：． ： ：。 、l l_ 预失真后 I 换器和下变换器、衰减器和增益放大器等组成，如图3所示。 荨 一8叫 。 ’ p0 ， ’祗 ， 这里，仿真结构电路图的后面部分，如调制器和功放，已经 督 ． 1 鹕 落}i 每淄霹 ， 肆 磷鞭姆谤幽{ 包含在图2中。工作方式是通过将各种功能模块构建成数字 一12o_} 童 每 ≯≯。 ； 0 辩 0 剁 基带预失真系统，应用DSP算法和自适应技术，根据输入 -14 — 1_T_广1_r1——_r1— ——-T_—广1_0 T_ ．几一 输出信号的误差信号计算出复增益调整器的系数，细心考虑 -20 -15 -10 ～ 率fM 0 H 、 10 15 20 符号同步，这样，由复基带输入信号和生成的复系数相乘得 图4 预失真前后输出信号的功率谱 到增益调整器传输函数与功放非线性特性相反，预失真器和 ． 、． 功放的最终传输函数保持线性，达到线性化的目的。复增益 al, ；爵 调整器控制系数计算的主要涉及步骤有：增益计算、线形增 随着大输出功率的需求，尤其是具有高频谱利用率的复 益判定、调整环路增益计算、系数误差计算和收敛控制、查 杂数字调制格式的应用，射频功率放大器非线性以及引起的 找表和系数更新等，这一系列计算和控制实际系统中由DSP 幅度和相位失真对系统性能带来了严重的影响【”】，已成为一 芯片来实现。 个非常重要的问题。数字预失真技术能够成为改善非线性功 这次仿真中采用的信号源是 WCDMA前向链路基带信 放失真的有效方法。这种数字预失真结构可以通过查找表技 号，其频谱宽度是 5MHz；复增益调整器完成两个复信号(输 术和 DSP或 FPGA算法实现，达到线性化的目的。这篇文 入基带信号和已获得的复控制系数)的相乘；功率放大器使 章根据提出的数字基带预失真结构在 ADS软件环境下构建 用的是基于方程的行为模型放大器，该模型能够实现由给定 了一种自适应数字基带预失真系统，主要包括各个主要模块 的AM／AM和AM／PM函数所表示的放大器特性，是一种无 的选取、系数计算和收敛控制模块的建立等，并给出了仿真 记忆非线性放大器行为模型；ADC和 DAC完成数字和模拟 结果，仿真结果表明构建的数字基带预失真系统具有好的预 信号的转换；查找表的尺寸设定为256。当系统仿真电路构 失真效果。这种仿真电路是设计数字预失真实际电路比不可 建和参数配置完成后，开始仿真并获得仿真结果，如图 4 缺的一个关键步骤，可以通过修改各种模型及其模型相关参 所示。仿真结果表明：构建的数字基带预失真结构能够获得 数了解和分析整个系统的性能，对整个系统的性能进行正确 良好的预失真效果，满足标准机构所规定的功率谱密度罩的 地。对设计实际的数字基带预失真系统具有重要的指导 要求。输入功率的能量主要集中在中心频率附近的 5MHz 意义。 范围内，频谱扩散低，失真变小，功率谱密度的最大改善能 参考文献： 够达到 30dBm。 [1] Steve C Cripps．Advanced techniques in RF Power amplifi日desi 在这个仿真系统中，我们可以改变输入基带信号、功 [M]tNorwood：ArtechHouse，2002 率放大器模型、查找表尺寸、系数计算和收敛方法来分析不 [ ] N P。血 ary_Feedfo ard P。 mp [M]_N。 ， 同模型、不同尺寸和不同方法所产生的效果。 系数计算和 [31 PKeningt 0n_Hi曲 一 line 【vRF amplifierdesign[M]．N。nv。。d，MA： 收敛控制在实际系统中的 DSP算法求得。 Artech H。 。。．2000． 这里简单给出了数字基带预失真系统的结构框 图和工 [4] Seung—Yup Lee，Yong‘Sub，Seung‘Ho Hong．An adaptive 作原理，实际仿真电路相当复杂，不做详细论述。从实际仿 pred 幻m RF Pow amphn with 。pec仃u 呲 如 真结果看，尽管数字基带预失真实现相对复杂，但它比数字 the。ry alld techniques 18 —948 2o05，53(2" 86．793． ．3222． (qr~g 3228页) 维普资讯 http://www.cqvip.com 第 20卷第 12期 2008年6月 系 统 仿 真 学 报 V01．20No．12 Jun一2oo8 表 2与表 3给出了几种双基地角情况 F，采用本文提 [41 Soumekh M·m。taL1c Synthe【1c Aperture Radar In e 。“with 出的算法进行计算机仿真的点目标方位向与距离向性能。总 APP 。 。“ “Dy“ 。Obj。。 Imaging[J1．ⅢEE nan。·。“ gn 共仿真了 5种双基地角 情况，它们分别是 7．3。、14·6。、 【5] s 。umekh 。 ． Bi tic n山ecic Apenure Radar Imaging using 28．8。、54．3。、75．1。，对应的双基地偏移距离 分别是 lkm、 Wide-Ban(1width Continu0us．Wave S0urces ． [C]／／SPIE 3462．1998： 2km、4km、8km、12km，表中仅列出了测绘带中心目标与 99—109． 近端目标的性能指标，测绘带远端 目标性能特性和近端基本 [6] Soumekh M·Wide-Bandwidth Continuous-Wave Monostatic／Bistatic 相同。表中⋯R，表示实际仿真计算得出的分辨率，单位米， Y“山。 。Apertu 。Ra 盯 ging[c] IEEE Conf．。“Imag。 “ISLR”表示积分副瓣比，单位 dB，“PSLR'’表示峰值副瓣比， 【7] Ender J G A s【ep【0 tadc sAR Pr眦essing ． 【c]，，Pmc．EusAR 单位 dB。表中可以很明显的看出，积分副瓣比和峰值副瓣 2004C0nf，UIm，Germanv，May,2004：359—364 比都在合理的范围之内，能够很好地满足双基地 SAR成像 [8] Ender J H G Walterscheid I，Brenner A R．New aspects of bistatic 的要求，测绘带近端点目标的性能与测绘带中心 目标性能没 SAR：processingand experi—mentsl【c]，，IEEEInternational conf·on 有明显的差异，这说明本文的双基地 cs算法能很好地抑制 [91 ： ： ： 雷达系统的距离空变特性。 processing and experimenta1 resu1ts ． fJ1．IEE Pr0c．一Radar S0nar 5 结论 5 3(3) B ：1 i ．AR m。。。。 蛳 根据单基地 Chirp Scaling算法的原理，推导了适宜于 Omega—K type algorithm·[c]／／IEEE In坨mati0nal c0n 0n 顺轨飞行模式双基地 sAR成像的chirp Scaling处理。首先 [111 ： 通 驻定相位原理以及距离历史的二次泰勒展开，将信号变 Dip Move Out ． f J1l IEEE Trans．0n Ge0science and Remote Sensing： 换到二维频率域，而后将信号频域相位取近似，并转换到距 (S0196—2892)，2004，42(7)：1362—1375． 离多普勒域，得到回波信号脉冲响应的距离多普勒域表示， [12]D’Aria D，Rocca Bistatic SAR Processing Using Standard 采用和传统 CS算法相似的处理，推导了双基地 SAR 成像 M。“ 。P 。。。。。 [c] P 。·Eu AR oo Conf．,Ulm,Germany， Chirp Scaling算法流程；并分析了算法推导过程中，每一步 【13】Neo。Y L ， w 0ng F H，cumming I．Focusing Bistatic sAR Imagings 近似产生的相位误差的大小，从分析结果可看出本算法是一 using Non—Linear Chirp Scaling．[C]／／Radar IEEE Internaltional Conf 种非常精确成像算法；最后，通过计算机仿真实现了算法的 onRadarSystems，2004·USA：IEEE，2004 流程，验证了算黼 ，并证明该算法在各种双基地角下 [141 曲 训 唱成 的适用性。 [15]许猛 ， 张平．平飞斜视模式双站合成孔径雷达数据处理算法fJ]．测 参考文献： 试技术学报1 2006，20(2)：157—163． 『16l Rigling B D．Moses R L，Polar Format Algorithm for Bistatic SAR．『『I [ ] wa 时。。“。i ，End。¨ G。。 。try and。y。 pects for ’c Ⅲ 0n Ge0science柚d Rem0te sing：(s0196_2892)，2o04， a1 ． rb。me sAR—experimen ·[c]，，Proc．EUSAR 2004 Conf．,Ulm, 40(4) ：1147—1159． GeHnaIly，May，2oo4：567—57 o． 【17]Ding Y Munson D c，A fast back—projecti0n algorithm for bistatic [21 wa ter。cheid ，Ender J·New resu1tS 0n bistatic。yn山e apenure sAR i ma g．【c]，，正EE IcIP 2oo2．1UsA：正EE，2oo2：449_452． radar fJ]·IEE Electro“ 。。L。 ter。， oo ， 。( )：1224-1225． 【18]保铮 ， ， 王彤．雷达成像技术【M]．北京：电子工业出版社， f31 Yate。G H0me A M，Blake A 口f·B 。tadc SAR image f0nnat 0 n‘ 2oo6 ：151—165． Proc．EUSAR 2004 Conf．，Ulm，Germ any，May，2004-581—584． ⋯ -IN 一 ●． ⋯ -1t- 一 ● ⋯ ■．⋯ ■．⋯ ■．⋯ ■．⋯ ●一⋯ t．⋯ ●一⋯ 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