關(guān)于S信號源與頻譜儀的寬帶數(shù)字預(yù)失真算法研究的分析和介紹

本文基于R&S公司SMW200A信號源和FSW43頻譜儀驗(yàn)證了提出寬帶數(shù)字預(yù)失真算法。采用一個64QAM調(diào)制、600 MHz帶寬、峰均比7.0 dB、采樣率為1.92 GHz的寬帶信號去激勵一個工作在1.8 GHz的AB類功率放大器，在功放接近飽和條件下，利用提出的簡化GMP模型進(jìn)行數(shù)字預(yù)失真校正，輸出信號的EVM指標(biāo)從8.4%改善到1.4%，滿足了線性化要求，同時實(shí)驗(yàn)證明了簡化的GMP模型有與GMP模型接近的性能，模型系數(shù)個數(shù)約GMP模型的三分之一。

Abstract: This paper presents a wideband digital predistortion algorithm and achieves the validation based on R&S SMW200A and FSW43. Using a 64-QAM 600 MHz bandwidth signal with 7.0 dB PAPR and 1.92 GHz sampling rate, the Class AB power amplifier that operated at 1.8 GHz was linearized with a novel digital predistortion (DPD) technique based on reduced GMP model. When the operation points were approximately the saturation region, the measured EVM was reduced from 8.4% to 1.4%, meeting the linearity specifications. The experiments also showed that the Reduced GMP model's performance was close to GMP model’s and its number of coefficients was nearly one third of GMP model's.

Key words: Digital Predistortion, Reduced GMP, Power Amplifier, R&S SMW200A, R&S FSW43

1. 引言

在即將到來的第五代移動通信應(yīng)用場景下，信號的傳輸速率越高，信號的帶寬越來越寬。對于發(fā)射通道來說，功率放大器的帶寬是整個發(fā)射通道帶寬的主要瓶頸。為了解決這一問題，目前面臨的挑戰(zhàn)主要在兩個方面，一個是寬帶功放的設(shè)計(jì)，另一個是針對寬帶功放的線性化。因?yàn)楣Ψ诺木€性度指標(biāo)是保證無線通信技術(shù)的可靠性的重要指標(biāo)之一，發(fā)射端信號必須滿足線性要求，所以需要采用近年來被廣泛應(yīng)用的數(shù)字預(yù)失真技術(shù) (DPD) 對功放進(jìn)行線性化校正，即在數(shù)字域針對功放的非線性做線性化補(bǔ)償。

在5G應(yīng)用時，信號帶寬會超過800 MHz，在寬帶信號激勵下，功放的記憶效應(yīng)會尤其明顯，為了達(dá)到與窄帶信號激勵下同樣的線性化性能，傳統(tǒng)數(shù)字預(yù)失真算法中采用的記憶多項(xiàng)式 (MP) 模型不再適用。而對于寬帶信號的線性化，可以采用一般記憶多項(xiàng)式模型（GMP）實(shí)現(xiàn)，但是該算法的復(fù)雜度很高，硬件實(shí)現(xiàn)難度高，據(jù)此本文提出一種簡化的GMP模型，在保證線性化效果的同時降低了計(jì)算復(fù)雜度。

2. 數(shù)字預(yù)失真原理

對于功率放大器來說，在小信號輸入時，功放增益曲線基本平坦，即輸入輸出滿足線性關(guān)系，但是隨著輸入功率的進(jìn)一步增加，增益曲線逐漸開始壓縮，此時功放工作狀態(tài)也由線性區(qū)逐漸進(jìn)入了非線性區(qū)[1]。但是通常情況下，功率放大器在飽和工作狀態(tài)下，效率更高，所以一般功放都會工作在飽和狀態(tài)下，這時由于增益壓縮，會表現(xiàn)出非線性失真，即輸出信號的帶寬會比原始輸入信號更寬。

為了消除功放的這種失真，數(shù)字預(yù)失真技術(shù)的思路是在數(shù)字域?qū)斎胄盘栠M(jìn)行預(yù)先處理，相當(dāng)于在基帶信號上疊加了與功放失真信號大小相等，相位相反的分量，最終預(yù)先疊加的分量與功放自身產(chǎn)生的失真分量相互抵消，達(dá)到了線性化的目的。圖1則是從增益的角度解釋了數(shù)字預(yù)失真技術(shù)的原理，從中可看出，功放的增益（曲線的斜率）在輸入信號較大時會降低，而預(yù)失真模塊的增益（曲線的斜率）則是在輸入信號較大時增益升高，最終二者級聯(lián)，使得輸入輸出曲線為一條直線 (增益平坦)。

圖1 數(shù)字預(yù)失真原理示意圖

3. 數(shù)字預(yù)失真系統(tǒng)架構(gòu)與簡化的GMP模型

功放的行為特性可以抽象為一個非線性記憶系統(tǒng)，在信號處理領(lǐng)域，非線性記憶系統(tǒng)通常用Volterra級數(shù)來描述，但是完備的Volterra級數(shù)非常復(fù)雜，目前用到的模型都是Volterra級數(shù)的簡化版本，其中以MP模型和GMP模型最為常見。圖2是一種常見的數(shù)字預(yù)失真系統(tǒng)架構(gòu)，其中模型提取是關(guān)鍵的一步，而其性能的好壞又主要取決于模型本身。簡單來說，如果模型能夠更準(zhǔn)確地體現(xiàn)功放的非線性行為，那么利用該模型來做線性化的效果就會越好。在窄帶信號激勵下功放的記憶效應(yīng)相對不那么明顯，采用MP模型可以較好地去擬合功放的非線性行為，而寬帶信號激勵下由于功放的記憶效應(yīng)太強(qiáng)，MP模型擬合精度不足以達(dá)到線性化要求，這時則需要更復(fù)雜的GMP模型。

上式中給出的GMP模型包括三部分，分別是傳統(tǒng)記憶多項(xiàng)式、滯后包絡(luò)記憶多項(xiàng)式、超前包絡(luò)記憶多項(xiàng)式，其中K表示非線性階數(shù)，M、L為記憶深度，GMP模型可以很全面地體現(xiàn)功放的非線性行為以及記憶效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)優(yōu)于MP模型的數(shù)字預(yù)失真性能，但是模型的復(fù)雜度很高，計(jì)算量太大，硬件實(shí)現(xiàn)的資源開銷也很顯著。據(jù)此，文獻(xiàn)[2]中提出了一種RGMP模型，對GMP模型進(jìn)行簡化，而筆者又在這一模型的基礎(chǔ)上做進(jìn)一步簡化，在精度保證的條件下大大減小資源開銷，得到如下簡化的GMP模型：

簡化的GMP模型系數(shù)個數(shù)接近GMP模型系數(shù)的一半，同時從仿真結(jié)果上看能夠達(dá)到與GMP模型差不多的建模精度。

圖2 數(shù)字預(yù)失真技術(shù)系統(tǒng)架構(gòu)

4. 實(shí)驗(yàn)平臺與測試結(jié)果

圖3給出了本次實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行寬帶數(shù)字預(yù)失真校正的實(shí)驗(yàn)平臺。數(shù)字預(yù)失真技術(shù)的實(shí)現(xiàn)主要由模擬域和數(shù)字域兩部分組成。在模擬域，功放的輸出信號一部分通過耦合器耦合到反饋通道上，然后依次經(jīng)過下變頻、濾波、采樣，最終得到功放輸出的基帶信號。在數(shù)字域，反饋通道的信號經(jīng)過歸一化、延時對齊、模型提取及預(yù)失真參數(shù)更新等操作，最終得到所需的預(yù)失真信號送入DAC。

圖3實(shí)驗(yàn)測試平臺

圖4 實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果

實(shí)驗(yàn)時采用R&S SMW200A型號的信號源產(chǎn)生射頻信號，通過前面一級預(yù)放進(jìn)行放大后來激勵一個Class AB的功放，輸出信號經(jīng)衰減器衰減后利用R&S FSW43頻譜儀分析。另外采用信號為600 MHz帶寬，峰均比 (PAPR) 高達(dá)7 dB，調(diào)制方式為64QAM，采樣率為1.92 GHz的寬帶信號，功放的中心頻率選在1.8 GHz，輸出峰值功率接近功放的飽和點(diǎn)，并在這一狀態(tài)下分別利用MP模型、GMP模型和簡化的GMP模型對功放的非線性進(jìn)行數(shù)字預(yù)失真校正，實(shí)驗(yàn)中輸出信號EVM指標(biāo)對比如圖4所示。其中，圖4(a) 為DPD之前功放的輸出EVM，(b) 為采用MP模型DPD校正后的功放輸出EVM，(c) (d) 分別是采用簡化的GMP模型和GMP模型線性化的輸出EVM，顯然優(yōu)于MP模型。具體的線性化性能比較與模型系數(shù)個數(shù)對比列在表1中。

表1 不同模型DPD性能與模型系數(shù)個數(shù)比較

從表1中可以看出，簡化的GMP模型的系數(shù)個數(shù)要明顯少于GMP模型，幾乎接近GMP模型的一半，但是仍可以達(dá)到與GMP模型差不多的線性化性能。

5. 結(jié)束語

本文通過600 MHz寬帶信號激勵下的功放線性化實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了提出的簡化的GMP模型的有效性。當(dāng)功放在接近飽和區(qū)工作時，利用傳統(tǒng)的MP模型來進(jìn)行數(shù)字預(yù)失真校正已經(jīng)不能滿足線性化要求，使用GMP模型則計(jì)算復(fù)雜度太高，筆者提出的GMP模型的簡化版本一方面能達(dá)到與GMP模型差不多的線性化性能，另一方面能大大減少模型系數(shù)個數(shù)，降低硬件實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度。