通过数字预失真改善功率放大器的效率
上网时间：2007年11月22日
关键字: 功率放大器 数字预失真 DSP FPGA
无线应用中的功率放大器有望通过提供优良的线性和效率，来处理现代通信系统中所采用的复杂波形。而这并非通过构建具有更纯净性能的射频功率放大器，因为这样做会增加成本、降低效率并产生可靠性问题，今天的设计师而是选择通过采用数字预失真(DPD – Digital Pre-Distortion)技术来增加数字处理能力，该技术有助于将功率放大器(PA)的效率最大化，增加可靠性，并降低操作成本。
与模拟方式相比，数字技术在成本、功耗和可靠性方面提供了诸多优势。由于这些优点，老式的窄带、单载波、三重转换系统正在被数字信号处理(DSP)和DAC控制的宽带、多载波发射机所取代，DSP和DAC产生直接IF，甚至直接RF输出到RF放大器。
无线系统正向用户提供一系列的服务和益处。不幸地是，先进无线技术的优势往往不惜牺牲增加功耗和操作成本。现代蜂窝和无线技术，特别是数字射频通信网络，比以往任何时候发送和接收更多的数据、更多的视频以及更多的音频。如HSDPA、HSUPA、1xEVDO、WiMAX等新标准，以及长期演进(LTE)需要更大的功耗，产生更多和更大的射频波形峰值，并允许更大的数据脉冲。因此，现代无线设备所生产的射频信号具有空前的峰值平均值比(PAR)，并在一个已经拥挤的射频频谱内存在失真的可能性。
由于采用空前的高功耗与现代PAR，功率放大器正在被推向之前从未有过的极限，并导致瞬变现象以及低效成本。更大的放大器可以消耗更多的功耗，从而使得短期资本支出以及长期经营费用急速膨胀。更大、更昂贵的电池需要同样的后备能力。此外，更大的功耗和生产加剧了散热和电气条件，这可能产生可靠性问题。
当支持先进无线技术的功放工作时，设计师和网络运营商可能选择两条路径中的一条：增加“腕力”(即功耗)或者增加“头脑”(即性能)。其中，前者有效增加了对上述成本和可靠性的关注，而后者是在功放效率最大化与严格控制频谱之前推动数字失真波形的新策略。通过采用适当的测试设备，数字预失真(DPD)技术可以实现更小、更具效率的功放，从而减少开发和运营成本，并同时提升网络与设备的可靠性。
无论高功率卫星地面站、多载波蜂窝基站，甚至是低功耗移动通信系统，现代发射机采用多种预失真技术来减少信道外干扰，并优化运行效率。其中最流行和最有效降低失真的方法之一就是自适应DPD。
这种方法对发射机的输出进行采样来计算误差向量并生成校正系数，然后将其用来预校正输入信号。为了减少模拟电路失真，链路中的信号尽可能采用数字格式保存。
图1表示了如何提取放大器输出信号的一部分，然后进行下变频以及数字化。将该数字信号提供给DSP电路，该电路实现了目前信号中的非线性分析并产生非线性校正系数。这些非线性系数用于调整传输链路中输入的同相(I)和正交(Q)信号。正如在传输链路中所看到的，目前采用将预失真以及减少PAR的信号在经DAC转换回模拟域之后提供给放大器。所得到的输出信号与没有采用预失真技术的信号相比，减少了频谱失真并改善了邻道泄漏比(ACLR)的性能。
数字预校正放大器与先前的前馈式结构相比，提供了具有更高功率附加效率(PAE)的优良频谱效率，极大减少了发热，提高了可靠性并降低了运营成本。该方法已经超越了作为蜂窝基站支路的作用，并且目前作为手机、卫星，甚至是自适应相控阵雷达的反馈线性化。
然而，这一情况产生了传统模拟系统中所见不到的各种各样的故障诊断挑战。可能会由ADC和DAC，或者通过传输链路中模拟转换之前的对信号进行处理的DSP将数字失真引入到传输链路中。这些失真往往特性短暂，而且利用传统的频谱分析仪难以或无法进行捕捉。其可能仅仅是极少发生，并可能在邻近的和替代的信道对频域的产生影响。对瞬态频域信号进行有效地故障诊断不仅需要检测出问题，而且还要有能力对其进行定位并捕获记录用于进行分析。
对这些系统特性进行描述是新的挑战。在开发阶段，整个传输链路具备有效性之前，可对各种预失真和减少PAR的方法进行测试和优化。必须采用测试设备对反馈链路信号经常进行捕捉，并在有效完成硬件(ASIC或FPGA)之前的离线软件中实现对新非线性失真系数的计算。然后，通过利用这些系数，将校正算法应用到最初的I和Q信号并将结果载入到任意波形发生器(AWG)中来对其性能进行测试。
通过数字预失真改善功率放大器的效率
