《電子技術應用》
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利用數字預失真技術實現寬帶功率放大器的線性化
摘要: 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于Volterra的自適應預失真技術,可用于實現寬帶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。
Abstract:
Key words :

    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于Volterra的自適應預失真技術,可用于實現寬帶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,基于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范圍,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制精度要求。

    這種新型數字前置補償器已經集成到了德州儀器公司(www.ti.com)的GC5322型集成發射方案中。幾百萬門專用信號處理器(ASSP)采用0.13微米CMOS工藝制造,并且包含了數字上轉換、振幅因數降低以及數字預失真。這種“調制不可知”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階的非線性并達到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,并且功率效率提高4倍以上,對一般基站,靜態功率損耗可降低60%之多。這種靈活的基于Volterra的預處理器可以為多種射頻架構、調制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恒定包絡調制方案在譜上更高效,但峰均信號比更高,PA的回退必然更高。這樣就降低了PA效率并增加了基站的冷卻和運行成本。功效低一些的射頻PA一般占總基站系統成本的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,提出并實施了大量的功放線性化技術,如射頻前饋、射頻后饋以及RF/IF預失真和后失真。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并且最有成本效益。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,采用德州儀器公司C67x型DSP內置軟件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方案的硬件實現。

    基于3G CDMA的無線通信系統以及采用像OFDM方法的多載波系統常可以處理高PAR或振幅因數信號。非恒定包絡調制技術,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的線性工作范圍一般有限。PA非線性會引起發射信號互調失真,導致譜分裂和鄰信道功率比(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于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技術后,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)功率晶體管,可以用于獲得接近50%的效率。

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