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自适应预失真线性化技术的延时补偿研究起重机链

发布时间:2022-07-14 20:53:17

自适应预失真线性化技术的延时补偿研究

自适应预失真线性化技术的延时补偿研究 2011年12月10日 来源: 引言 现代无线通信系统中,出于对更高的传输速率和频谱效率的要求,线性调制技术如QPSK、64QAM及多载波调制技术如OFDM等,正得到越来越广泛的应用。由于线性调制或多载波调制信号的包络是起伏波动的,这些波动经过非线性的射频功率放大器后将产生交调分量,从而产生邻道干扰。为了解决这个问题,一般的方法是采用大功率放大器进行功率回退,使放大器工作在线性放大区。这种情况下,大功率器件只能输出很小的有效功率,其本身潜力不能充分发挥,造成整机成本提高。另一个办法是采用线性化技术,即采用适当的外围电路,对放大器的非线性特性进行线性化纠正,从而在电路整体上呈现对输入信号的线性放大效果。

在过去的十几年中产生了许多线性化技术,其中应用最广泛的有前馈(Feedforward)线性化技术、反馈(Feedback)线性化技术、预失真(Predistortion)线性化技术、用非线性部件实现线性化(LINC) 等。

预失真线性化法就是在功放前加入预失真器,它的非线性特性(AM- AM和AM - PM)与功放的非线性特性正好相反,从而可抵消放大器的非线性,使整体系统呈线性特性。近年来随着数字信号处理器 (Digital Signal Processor,DSP) 技术飞速发展,体积小、高速、低功耗的DSP不断涌现,自适应数字预失真技术也越来越受到重视。其中数字基带预失真系统由于具有功耗低、结构灵活和易于实现等优点,已经成为主流方向。然而,基带信号预失真系统中,需要正确对比源信号和射频端反馈信号,而功率放大器的输出端反馈信号相对于源信号有一段时间的延时,这会破坏预失真算法的稳定性,对功率放大器也将产生非线性影响,此外,延时会随时间、温度等因素的变化而改变,因此正确估算环路延时并对其进行补偿就十分重要。

本文尝试在硬件基带预失真电路中采用数字相关技术进行延时估算,这种方法无须调整硬件,而且运算量较小、精度好。使用这种方法与自适应线性迭代相结合,可取得良好的预失真线性化效果。

自适应基带预失真线性化技术原理

自适应基带预失真线性化技术原理框图如图1所示。

图1 基于查找表的自适应基带预失真

图1中,调制后的基带数字信号,经过脉冲成型滤波器消除码间干扰,然后信号Vi进入预失真器,对其进行预失真DSP处理后,得到数字域中的预失真信号Vdi、Vdq,再经过D/A变换、带通滤波,上变频到射频放大器PA输入端,PA输出信号Vo。Vo送往天线输出,其中的一小部分输出功率通过耦合器送往反馈回路,反馈信号经过低噪声放大器LNA、带通滤波器、下变频、D/A后,得到的反馈信号记Vfi、Vfq。此信号用于提供给误差比较模块和自适应算法模块作为参考信号,从而决定正确的预失真特性。

本文中用AM/AM和AM/PM转换特性来描述射频功率放大器的非线性模型,假设预失真函数为F,它与输入信号的功率或电压有关(通常取功率作变量),包括了射频功率放大器的AM/AM转换特性和AM/PM转换特性的复增益函数设为G,则:

必须指出,G仅与输入信号的幅值有关,而与它的相位无关。定义误差为 ,其中K为常数,表示系统的线性增益。若E小于规定的阙值,则预失真达到收敛状态。解调信号Vf将与Vi的波形相同,只是在幅度上相差常数增益K。将公式(1)代入式(2),推出:

此式就是自适应预失真器收敛的目标,F为满足线性化的预失真函数。

环路延时的补偿

在预失真线性化系统理想收敛的情况下,预失真器造成的失真可以与放大器的失真完全抵消,放大器输出反馈信号Vf与系统输入信号Vi之间仅存在幅度上的差别K和时延上的差别 ,写成数学形式:

在误差比较器中,将实际功放输出信号Vf(t)与预期线性输出信号KVi(t)相减,得到误差信号输出,E(t)=Vf(t)-KVi(t)=K[Vi(t+τ)-Vi(t)]。Vi(t)为周期信号,同时 的值又恰好是信号周期的整数倍,否则E(t)不为零。由此可见,使用这种误差比较器,即使在系统的初始状态,输入输出信号呈现线性关系,误差信号输出却不为零,自适应算法将对LUT表进行错误的更新。为此,必须对误差函数进行修正。公式为:

即对基带数字信号Vi进行大小为 的延时。由以上分析可知,估计环路时延 是自适应环路收敛的一个重要环节。 的取值大小,直接影响放大器线性化技术的质量。以下是当前几种环路延时补偿方法的简要描述。

迭代法(Nagata’s method)

这种方法基于信号q(t)与其延时信号q(t-r)的关系,利用线性迭代方法估计延时值r,关系如下式:

rn表示信号在tn时刻的延时。T为常数,控制步进。迭代法方法简单可行,但存在精度不好的问题。迭代法具体实施见图2。

图2 迭代法估计延时时间

锁相环法(DLL method)

延时控制预失真系统的反馈环路,被称为延时锁定环路法(Delay-locked-loop)。鉴相器输出经过环路滤波器滤波后,控制电压控制振荡器(VCO),VCO的相位控制反馈回路模数转换器的采样时间,达到消除预失真器前向和反馈回路的信号之间的延时。DLL法虽然精度高、稳定性好,但是存在硬件复杂、收敛慢等问题。

图3 双音信号频谱  图4 经过放大器后失真信号频谱  图5 放大器加入预失真后的信号频谱

相关检测法(Correlation method)

相关检测法是利用信号之间的相关性,计算源信号与反馈信号互相关函数,然后根据互相关函数特性估计延时时间。由于无须调整硬件,且具有运算量较小、精度好等优点,被广泛应用。

假设信号V(t),它是一个带限随机信号,在数学上定义为宽平稳随机过程,系统的传输函数为 ,冲激响应为h(t),则输出信号Y(t)也将是一个平稳随机过程。

根据以上推论,利用信号相关性,求出系统源信号与反馈信号的相关函数,如式(13)所示。其最大值所对应的时间即为系统的延时量,这样就可以预估出系统的延时量τ。

用该方法来预估延时,不需要复杂的离散傅里叶变换计算,运算量大大少于周期分量法,其最大估算误差是一个采样间隔。实验证明,采用相关函数法来预估延时是非常有效的。

系统模型仿真结果

使用Matlab平台,模拟一个双音信号通过AM/AM、AM/PM预失真线性化系统的情形。仿真放大器模型采用Saleh模型,其AM/AM、AM/PM特性如式(14)所示。

双音信号频谱如图3,信号通过该放大器模型后,输出信号的频谱如图4,由图可知交调失真严重。图5反映系统引入预失真后,达到自适应收敛状态时输出信号交调失真得到明显改善的情况。

总结

仿真结果表明,采用相关法计算环路的延时量是可行的,环路时延的估算情况良好,即使在失真很大的情况下,系统仍然能够正确地估算出时延量。在功放接近饱和区工作时,在0°到360°的时延范围内,线性度的改善均能达到20dB,不受环路时延的影响。它充分说明了这一技术的优点:稳定性好,调试和系统升级方便,有利于测试、集成和大规模生产,而且精度高,线性度改善效果显著。

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