功率放大器数字基带自适应技术研究进展

功率放大器数字基带自适应技术研究进展

吕圣龙

（国网新疆电力公司经济技术研究院建管中心）

1引言

功率放大器(PA)线性化技术对于未来无线移动通信技术的发展和实现有着十分重大的实际意义：①频谱资源日益紧张的今天，需要寻求具有高频谱利用率的调制方式。非恒定包络调制方式具有相对较高的频谱利用率，但对射频功率放大器的线性度提出很高要求；②多载波调制技术，如正交频分复用(OrthogonalFrequencypisionMultiplexingOFDM)因具有很多优点，已被多个标准采纳[1~2]，被公认为是3G+/B3G、4G的核心技术，但其高的PAPR(Peak-to-AveragePowerRadio)特性对PA的要求也很高；③便携式移动设备中的PA是耗电较大的部分，提高PA功效对延长移动设备的使用时间意义重大。此外，在诸如卫星通信等其它通信系统中，对大功率放大器进行线性化也具有重要意义。PA线性化技术所要解决的主要问题是：降低邻道干扰(ACI)(带外失真)；减小带内损耗，提高系统BER性能及放大器功效。

2PA线性化技术

目前关于PA的线性化有许多方法：功率回退技术[4，5]、包络消除和恢复技术[6，7]、笛卡尔环路后馈技术[9~12]、前馈线性化技术[13~16]、非线性器件线性化技术[17~19]以及数字预失真技术[20~23]等，各种技术都有其优缺点，分别适用于不同情况。当然，也有其它方法，如模拟闭环通用调制器(CALLUM)技术、极化环技术等等。这些方法中应用较多的还是反馈、前馈、预失真3种方法，其中闭环系统更适用于单一信道、窄带通信的情况；至于前馈线性化方法，有时为了更高的性能要求，需采用多级结构，致使网络构成比较复杂和庞大化，以至效率低下，这种方法多用于基站的发射接收系统，这种场合的应用基本可以容忍该方法的不足之处；而目前流行的预失真技术则是能够完全适应IMT2000第三代移动通信系统的高精度、高频率以及较高带宽的要求，是移动通信手持移动便携设备发射接受系统中放大器线性化的重要手段。

预失真技术包括射频预失真[24]、中频预失真[25]和基带预失真[20~23]3种方法。射频预失真需要使用射频非线性有源器件，对其控制和调整较困难，频谱再生分量改善较少，高阶频谱分量抵消困难，线性指标低。中频预失真的核心部分采用数字部件进行非线性和自适应控制，而采用模拟电路在中频部分实现预失真。基带预失真在基带处理，通过DSP实现预失真器，相对于中频系统，硬件电路简单且便于数字信号处理，是目前广泛使用的预失真技术。

目前，关于数字基带自适应预失真主要有两大类技术：基于查询表(Look-upTableLUT)和基于多项式的方法，这两大类方法各有优势，适用于不同应用场合。

3基于查询表的基带自适应预失真

查询表预失真技术包括查询表采取的形式、查询表的指针方式、地址索引方式及查询表内容更新所采用的自适应算法。

3.1查询表形式

查询表预失真技术是把放大器的输入功率(或幅度)作为查询表的索引指针，把功率放大器的复增益预调整值作为指针对应内容存储在RAM表中，工作时根据输入信号的功率或幅度信息查找其对应预调整值，并将其输出给后继电路，达到线性化的目的。查询表可以是一维表[20~21]或二维表[26]。二维表使用输入信号的两个正交分量Ｉ、Ｑ作为表的查询索引地址，并以此来初始化或输出相应的输出信号。二维表要根据信号I、Q分量量化级别数的平方来确定表的大小，较高精度要求时，表的空间就很大。另外，当查询表初始化时或表中内容需要大的更新时，就需要大量的采样数据，初始化时间或更新时间就较长。相对于一维表，其优点是可以省去对信号进行的直角坐标和极坐标间的相互转换，这有利于减小数字信号处理器(DSP)的运算量。另一种查询表形式是一维表：两个一维表分别用来纠正幅度失真和相位失真，由于把幅度特性和相位特性的收敛彼此分开了，因此能取得十分满意的效果。另外，一维表还可通过采用插值等方法来改进它的性能，与二维表相比大大减少了查询表的空间，但采用一维表的缺点就是要对信号进行几次极坐标和直角坐标间的相互转换，这就增加了DSP的运算量。

3.2查询表的指针方式

功率法和幅度法是查询表常见的索引方法。功率法采用信号的功率，即信号幅度的平方来索引表的内容，这种方法不等间隔地分配查询表的存储单元，对大信号分配的查询表单元密度高，对小信号分配的单元相对稀疏，其结构相对简单，计算快速，硬件实现较为容易，主要计算单元只是乘法器和加法器。然而，功率法有一个显著缺点：表的单元在分配时按照信号的平方，这样，对小信号分配的单元过于稀疏。幅度法用信号的幅度作为表的索引，对大小信号等间隔平均分配表的单元，同功率法相比，在单元分配问题上的效率更高，分配更合理；而硬件实现上需要更多的计算单元，计算量较大。业界多数认可幅度法[27]。

3.3查询表地址索引方式

查询表的地址索引是查询表的一个重要部分，直接关系者着查询表的大小和预失真效果的好坏，地址索引的量化可以采用均匀量化，也可以采用非均匀量化[28]。在均匀量化时，以输入信号幅度为指针的方式对大、小信号分配均匀；而若以功率为指针采用均匀量化，对于小信号来说，量化间隔相对较大，造成的误差相对也比较大，所以这种地址索引方式不适合小信号相对较多的系统。查询表的地址索引也可以采用非均匀量化形式[28]。非均匀量化的目的是为了减小信号的量化误差，提高信号信噪比以及减小查询表的尺寸。查询表地址索引的非均与量化主要有两个考虑因素，一个是根据功率放大器的特性曲线，另一个是输入信号的幅度概率分布。

然而，经研究发现：利用最优扩展函数得到的非均匀地址索引查询表产生的误差会比均匀量化为地址索引查询表产生的好1~4dB左右，但由于输入信号的幅度概率分布会受到输入回退(InputBackOffIBO)的影响，当求出的非均匀地址索引在IBO变化时，平均只比均匀量化方式性能好1dB左右，因此，若从工程实现角度来看，考虑到非均匀量化地址索引方式的复杂性，我们应优选以输入信号幅度均匀量化为地址索引。

3.4查询表自适应算法

综合考虑计算复杂度与预失真性能，无论是基于LUT还是基于多项式的预失真技术通常都采用基于最小均方(LeastMeanSquare,LMS)的自适应算法。根据是否考虑PA的记忆性，又可分为无记忆和有记忆的预失真。引起PA记忆性的主要原因在于放大器固有的电特性及电热特性，这种记忆性导致PA成为频率选择性函数，使得其输出值不仅与当前输入值有关，而且还与过去时刻的输入值有关。有关PA记忆性的详细分析可参考文献[29]。

无记忆查询表预失真[21,30]未考虑到PA的记忆效应，这对记忆效应较强的PA来说，预失真效果差。在许多宽带应用场合，如：OFDM、宽带码分多址(WidebandCodepisionMultipleAcessWCDMA)，这种记忆效应是不能忽略的[31]。有记忆查询表预失真方法充分考虑了PA的记忆效应，但目前只有很少文献涉及[32，33]。

3.5查询表预失真方法的不足

在查询表的位数足够大的情况下，基于LUT的预失真性能要大大优于基于多项式的方法。但无论无记忆还是有记忆查询表预失真，其主要不足就在于较慢的收敛速度。对于一维表的LUT方法[30]，若表的位数采用n位，则其所占RAM大小为：2×2ｎ，对于有记忆预失真[32,33]，占用RAM资源为2×2ｎ×Ｙ(Ｙ为第二维地址索引)；这样，在对表的内容进行更新时，势必会引起很慢的收敛速度。尽管有文献提出了利用OFDM符号分布特性[21]或利用训练序列的方法来提高查询表收敛速度，但在实时性要求较高的场合，如：手提移动设备的PA预失真系统中，不建议采用基于LUT的方法(或可以采用表位数较少的方法，使在收敛速度与预失真效果之间有一个折衷)，基于LUT的方法适用于基站、广播系统。

4基于多项式的基带自适应预失真

多项式预失真技术主要通过某种函数形式，用计算的方法来得到原输入信号经过预校正器的对应输出，这种方法由于节省了用于查询表的RAM存储片而受到不少的关注和垂青。

4.1多项式模型

在基于多项式的预失真理论研究中，确定一个好的多项式PA模型十分重要[31]。无记忆的ＰＡ常用的模型有：针对行波管功率放大器(TravelingWaveTubeAmplifier,TWTA)的Saleh模型[34]，针对固态功率放大器(Solid-StatePowerAmplifierSSPA)的Rapp模型[35]。很多关于SSPA模型的文献都认为相位失真可以忽略，文献[36]指出了这种相位失真是不能忽略的，并分析了相位失真对系统性能的影响。

对于有记忆多项式法也提出了很多相关模型，Volterra级数是通常用来描述非线性特性的模型[37]，但其计算复杂度随多项式阶数及记忆深度呈指数上升，由此而提出了简化的有记忆多项式模型[31]。为降低计算复杂度，又提出了Weiner模型[38]，该模型的最大优点在于：其逆是一个Hammerstein系统，这就确保预失真器可以做到是放大器精确的反函数。此外，还有许多其它PA模型，如并行Weiner模型等。在上述这些模型中，简化的有记忆多项式模型[31]经常被使用。

4.2多项式自适应算法

与基于LUT预失真的方法类似，综合考虑到计算复杂度与预失真性能，基于多项式的预失真技术通常也都采用基于最小均方(LMS)的自适应算法。通常采用的无记忆多项式方法见文献[22]、[23]。鉴于多项式方法的基本思想是：通过调节多项式系数拟合PA逆的复增益曲线，因此，无记忆多项式方法[22,23]对于特性曲线较为光滑的PA来讲，具有较好地预失真效果，但对于特性曲线不平滑的PA，其预失真效果差。文献[39]提出了分段拟合的方法，能较好解决这一问题。有记忆多项式方法[30]能较好解决PA记忆性问题，但计算复杂度也随之升高。在基于多项式的自适应算法中，存在两种自适应控制结构：直接控制方式[22,23]和间接控制方式[31,40,41]。间接控制方式的最大益处在于：它可以不用先为PA设定模型、估计出此模型参数、再求出其反函数，最终得到预失真器参数；间接控制方式在获得PA输入、输出一组数据后可直接得到预失真器的参数。

此外，在基于多项式的自适应方法中，是否考虑奇、偶次项的多项式预失真器也应引起重视。文献[42]中称：由于PA的偶次功率项不会反映在一阶谐波域，因此在预失真器中只需考虑多项式奇次项。然而，文献[43]给予了充分证明：加入了偶次项的多项式预失真器性能要优于只考虑了奇次项的多项式预失真器。

4.3多项式预失真方法的不足

多项式预失真方法相对于LUT方法而言，可以省去大量的RAM存储单元，它只需调节多项式的若干阶系数，而且有较快的收敛速度。但当预失真器所用多项式阶数较高时，系统复杂度也大大增加。其预失真效果并不十分理想，尤其当PA的复增益曲线起伏较大时。基于多项式的基带预失真方法可多用于手提移动系统中。

5前景及展望

国外关于PA非线性特性及线性化技术的理论研究起步较早，先后提出了一系列技术，我国相关研究领域目前基本都是上述技术的沿用或简单改进[44~46]。在产品实现方面，国外关于PA预失真技术研究的专利中相当一部分是针对单载波系统；基于多载波系统的主要有德国RS公司及日本的东芝公司，其中RS公司是在射频上完成；东芝公司产品的带外干扰减小约12dB左右。我国在这方面起步较晚，目前只有少数单位在开展这方面工作，关于这方面发明专利也很少。国内主要研制单位有北广电子集团、东南大学毫米波国家重点实验室、西安电子科技大学、宁波大学及中兴通信公司。截止目前，它们在这方面已做出了不错的成绩，其中以北广和东南大学最为突出。但在抑制带外干扰效果及自适应能力方面效果都不理想。

本文通过参阅大量相关文献，在对PA预失真方法深入研究的基础上，认为可以在以下几个方面深入研究：

(1)鉴于目前PA模型中对SSPA未考虑相位失真的不足，我们可以通过试验测试数据，建立新的SSPA模型，充分考虑相位失真对系统性能的影响；

(2)收敛速度慢是基于LUT方法的最大不足，尤其当考虑到PA记忆性时。目前相关文献所给出的方法中，并未从根本上解决这一问题，因此，应设计新的算法提高该类技术的收敛速度；

(3)目前国内、外关于基带数字自适应预失真技术的研究中，其自适应算法过程都是在时域完成。而对一些反映功放典型非线性特征的频域量，如三阶、五阶互调、交调产物的估计及抑制会更加完善时域估计，得到更精确的估计效果。所以，可以考虑将两者结合起来，即在时域和频域联合进行估计和校正；

(4)实质上，PAPR降低技术也可从一定程度上提高PA的功率效率，而目前的国内、外文献很少提及，文献[47]涉及到这一方面，但核心还是在谈论关于PAPR的降低问题，我们的前期研究成果[3]中较深入地讨论涉及到这一问题，但还有待进一步深入研究；

(5)由于神经网络有许多良好特性，如快速计算、较好的近似能力，已广泛应用于自适应均衡、多用户检测、语音处理等领域。近年来，它也被应用于PA预失真系统中[48]，但还应设计新的算法、方案，使得在系统复杂度适中的前提下，能进一步提高预失真效果及自适应性能。

6结论

本文分析总结了PA线性化各种技术的优点与不足，讨论了最有应用前景的数字基带自适应预失真技术，针对基于LUT及基于多项式的方法，给出了目前国内外的最新研究进展情况，并通过对大量相关文献的研究指出了可以进一步深入探讨的方向，该综述对于PA线性化技术研究具有一定的参考价值。

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作者简介

吕圣龙，国网新疆电力公司经济技术研究院建设管理中心变电室专责，大学本科学历，邮编830001