面向下一代移動通信的高效率超寬帶線性化技術的研究

黃健安 郭新 郝建豹 胡光雄

關鍵詞：下一代移動通信；數字預失真；非線性濾波模型；現場可編程門陣列

0引言

當前移動通信網絡中，數據量呈指數式增長。為適應這個趨勢，移動通信網絡迫切需要進一步優化和升級，向多載波及多輸入多輸出（multiple-input multiple-output，MIMO）技術演進。在網絡建設中，射頻功率放大器（簡稱“功放”）作為一個核心部件，對上述目標達成起著至關重要的作用。

下一代移動通信信號的寬頻帶和高峰均比給射頻功率放大器提出了更高的要求。為了達到更高的效率，通常讓功放在飽和區工作，但是在超寬帶信號下，功放會有記憶效應且信號易失真，對通信質量產生影響。由于功放的效率和線性度是矛盾的，既要保證功放的效率，又要使其具有盡可能高的線性度，是研究人員要實現的復雜平衡。

目前，改善功放線性度較理想的方法是數字預失真（digital pre-distortion，DPD）技術，其具有性能良好、實現靈活、一致性好的特點。但是，數字預失真系統能夠處理的信號帶寬也受到反饋回路中模數轉換器（analog to digital converter，ADC）的速率和位數限制，同時為了實時更新功放模型參數，需要消耗大量高速運算和存儲資源，從而增大系統功耗。

針對目前超寬帶高線性通信技術存在的問題，本研究提供一種帶限函數自適應數字預失真算法，可克服ADC的速率和位數限制，并不需要增強數字信號處理器件的性能。

1系統硬件設計

根據功放原理，目前主流的橫向雙擴散金屬一氧化物一半導體場效應管（lateral double-diffusedMOSFET，LDMOS）功放的典型工作特性如圖1所示。

當功放在線性區時，表現為很好的線性度，不過由于效率太低，會對無線通信基站造成巨大的能量浪費和設備發熱問題。因此，功率回退的方法無法廣泛應用于射頻功放線性化場合。

預失真技術，即預先在射頻功放模塊前插入一個與射頻功放工作特性相反的預失真單元，把理想的原信號經過預先處理變成設定的預失真信號，這時射頻功放的輸入就換成了新的預失真信號，從而提高了功放線性度。具體的實現原理圖如圖2所示。模擬預失真因為電路簡單得到了廣泛使用，然而模擬預失真通常只適用于雙音信號或較窄帶的信號，不適用于寬帶的信號。

數字預失真是一種把射頻功率放大器輸出信號通過下變頻混頻電路變至基帶后，與射頻功放的輸入信號產生射頻功率放大器的逆模型。功放的逆模型參數存儲在現場可編程門陣列（field-programmable gate array，FPGA）等芯片中?；诓檎冶恚↙UT）技術的數字預失真方法是數字信號處理（digital signal processrng，DSP）芯片依據輸入信號的特性調用相應的表項參數進行數字預失真。數字預失真結構原理框圖如圖3所示，D/A為數字信號轉換成模擬信號；A/D是模擬信號轉換成數字信號。

本文設計一種基于數字預失真硬件平臺的算法，其硬件原理框圖如圖4所示。

2系統軟件設計

本文提出一種軟件設計方法，在數字預失真硬件平臺中運行，解決了大功率射頻功放應用中遇到的效率和線性度矛盾問題。

在非線性系統分析中，冪級數是一種最基本的分析方法，適用于無記憶的弱非線性系統；諧波平衡法適用于大信號激勵的強非線性系統。沃爾泰拉（Volterra）級數是一種更高級的分析方法，是泰勒（Taylor）級數的推廣。它在系統識別領域有廣泛的應用。

帶寬的增加不僅會導致很強的記憶效應，而且對ADC的要求也會更高。如果輸入信號帶寬為80 MHz，5階模型對應的帶寬就是400 MHz，根據奈奎斯特（Nyquist）采樣定理，則ADC采樣速率需要達到800 MSa/s，這無疑對ADC提出了極高的要求。而帶限函數自適應數字預失真（簡稱“帶限數字預失真”）技術只需關注載帶和鄰帶信號，即專注優化鄰道的功率泄漏，而無須對整體頻譜進行優化。這就大大降低了對ADC性能的需求。帶限數字預失真結構如圖5所示，DAC為數字模擬轉換器；IQ信號又稱同向正交信號，是連續信號在二維直角坐標系中的映射，通常用于基帶信號的轉換和重建，其中，I為同相（in-phase），Q為正交（quadrature），與I的相位相差90°; RF為射頻信號（radio frequency）。

由于功放的輸出信號在數學上可表達為由低到高的非線性分量相加，本文根據不同帶寬的信號非線性分量設計階數不同的非線性多項式。實驗表明，模型的非線性階數越接近對應頻譜擴展的帶寬，建模的精度就越接近理想值。Volterra級數帶限函數模型如圖6所示，x（n）為輸入信號，y（n）為輸出信號，y（n）為經過低通濾波器（FIR LPF）后的輸出信號，n為Volterra級數的階數，D1、D3、D5分別為Volterra級數模型中的一階、三階、五階分量，h1、h3、h5分別為對應的一階、三階、五階Volterra核系數。

本文通過將帶限函數加入模型，既能使建模的精度滿足數字預失真的需要，又能減少模型誤差；不但使模型帶寬得以控制，而且又能維持Volterra級數的階數。

（1）在同等的性能條件下，與傳統的帶限記憶多項式模型相比，浮點運算數目和模型系數數目分別下降了約48%和28%。

（2）采用自適應的算法求解小數時延，可解決帶限數字預失真系統中的環路延時問題，提高算法估計的精度，并且采用自適應的估算算法，具有一定的工程實現參考價值。

（3）實驗結果表明，輸出信號的相鄰信道功率比（adjacent channel power ratio，ACPR）改善了27dBc，誤差向量幅度（error vector magnitude．EVM）改善了3%，并且對超出模擬濾波器帶寬外的頻譜也有一定的線性化能力。

本文基于時域信號，設計模型控制濾波器的帶寬來改變帶限表達式的帶寬。設計的模型較好地擬合了輸入信號與輸出信號間的工作特性，并具有很高的建模精度，而無須考慮功放輸出帶限信號的帶寬。如式（1）所示，NMSE為歸一化后的平均絕對誤差，通過控制階數不變，調整濾波器帶寬，可將誤差控制在0.682以內。

3結語與展望

本文提出的方案通過設置預失真模塊，并優化時序分析處理算法，可避免設備過熱的問題，并解決功放在超寬帶范圍內線性差的問題，提高了功放效率。

隨著SG時代的到來，SG基站、智能移動終端及物聯網（IoT）終端射頻功率放大器應用已十分普遍，并且迎來高速發展。據統計，智能移動終端射頻功放市場規模從2017年的50億美元增長到2023年的70億美元，高端長期演進技術（LTE）功率放大器市場的增長，使其在高頻和超高頻領域有更廣闊的發展空間。本文提出的方案可直接應用在射頻功率放大器的生產當中，將帶來較大的經濟效益。