基于预失真技术的短波功率放大器线性化系统

摘  要：本文提出了一种基于预失真技术的短波功率放大器线性化系统的设计方案，该方案采用查找表技术，且使用了一种独特的放大特性测量方法，具有很强的实用性。
关键词：预失真；功放线性化；查找表

引言
    随着通信技术的发展，线性调制技术和宽带通信技术正得到越来越广泛的应用。在多通道短波通信发射设备中，多个包络变化很大的单边带调制信号经过叠加后，形成的宽带信号通过非线性射频功率放大器后会产生交调分量，因此，必须采用线性化技术以减少由此，产生的邻道干扰。预失真技术是一种广泛应用的线性化技术，其优点是方法灵活，相对复杂度较低。

系统结构
    对于短波通信而言，由于大多采用的是多载波单边带调制技术，信号对幅度敏感，而对相位不敏感，因此本文的假设前提是信号本身对相位不敏感，在此基础上提出以下方法。

    本文的预失真器是以查找表为基础的，其结构如图1所示。首先，根据功放特性测量的结果，按照某种算法建立预失真系数表。工作时，由输入信号的幅度产生查找表的地址(因为功放特性一般为信号幅度值的函数)，并由此产生预失真系数，输入信号与该系数相乘，得到预失真信号。

图1  预失真器的结构                            

预失真技术的关键
查找表的建立

    设理想功放的放大率为K，对应于信号xn的功放的放大系数为gn，预失真器的系数为fn。yn=Kxn为理想放大器对应于xn的响应。通过测量的功放特性曲线表，可以查到当输出幅度ym=yn时对应的输入xm，从而得到以下关系：xmgm=Kxn=yn

    若xn预失真后的信号满足xnfn=xm,则xnfngm=Kxn

    从而，系统满足理想功放的特征。

    因此，预失真系数可由下式计算得到：fn=xm/xn。

    预失真系数表的创建过程为：根据输入信号xn，计算其理想的响应yn，然后，通过功放特性表查找对应于响应yn的输入信号xm，最后计算预失真系数fn=xm/xn。

功放特性的测量

    对功率放大器非线性特性进行测定时，其输出信号为一个具有非线性失真的正弦信号，其中心频率设为f0。当然，它不是一个单一频率的信号。对功放输出信号不能进行窄带滤波，否则就测不到其非线性失真特性。其次，也不能采用模拟幅度检波的办法来测定其幅度，因为模拟检波器的效果不够理想。

    对功放输出的信号只能通过A/D转换，来测定功放失真特性参数，即其输出信号最大值。

    对功放失真特性的测量，具有两个特点：一是其中心频率可以选定，大概在10MHz~15MHz之间；二是只需测得其最大值。最大值不能通过积累或滤波的方法得到，因为功放输出的是失真的正弦信号，对它进行信号处理会引起失真。

    设采样率足够高，通过计算机模拟，得到ADC精度b=14和b=16时的两组曲线(见图2)，其它参数相同。

图2  预失真系统仿真结果

    可见，测量精度对预失真处理效果十分明显，b=16时噪声电平较b=14时小6dB。
受器件限制，当ADC精度较高时，其采样率不易做高。

    为叙述方便，设功放输出为y(t)=cos(2筬0t)。

    测定y(t)的最大值时，由于采样率的原因，最大可能的误差为error=

    为充分利用ADC的精度，要求error＜1/2b-1，即1-cos(?f0 / fs)＜1/2b-1
当b=16，f0=11MHz时，其相位偏差小于0.0087弧度(即0.5°)，则fs＞4400MHz
这说明，如果对一个正弦信号的一个周期进行采样，那么采样率要高于4400MHz，才能保证采集到最大值。这显然不现实。实际上可以较低的采样速率对信号的多个周期进行连续采样，以达到同样的效果。

    设y(n)=cos(2筬0n/fs)，若fs为f0的整数倍M，则y(n)=cos(2筺/M)，
每个周期采集到的信号样点都是相同的，能否采集到信号的最大值取决于开始采样的时刻。因此，这种情况是达不到目的的。

    若fs不为f0的整数倍，设fs/f0=M+p/q，其中M为整数，p、q为互素的整数，且p < q，则有y(n)=cos(2筺/(M+p/q))=cos(2筿n/(qM+p))

    在这种情况下，0 < n < N，其中N=qM+p，在连续q个周期内采样，得到N个不同相位的样点，这等价于以更高的采样速率在一个周期内采样N个点。

    若相邻采样点间的相位差小于0.5°，则360/N < 0.5，即N < 720。
在设计中，通常先确定M和连续采样的周期数q，最后确定p。

    取采样率fs=160/3MHz，由于f0一般在10MHz~15MHz之间，所以可取M=3~5。这里取M=5，q=144, 在此情况下p可取1，5，7，11，…143，这里取p=43，得到的f0为10.0655MHz。

    仿真发现，采样点中数值≥cos(0.5?=0.9996的点有两个，即239和594，从而可知结论是正确的。

    理论上，采集到最大值所需时间为N/fs=(qM+p)/(160/3)ms=14.3062ms。实际中，需要采样的时间要远大于这个值，这里取t=20×(N/fs)=286.124≈287ms。
注意，在287ms期间内，可以得到一个正的最大值和一个负的最大值，应根据实际情况选其中之一或从两者取其一折衷。

    以较低的采样速率对信号进行多周期连续采样，可得到以较高速率对单个周期采样的效果。这种方法解决了ADC器件的选型问题。

图3  系统设计原理图

系统设计
    本文所设计的系统如图3所示。

    时钟分配：DSP时钟由专用的10MHz晶振提供；其他时钟由40MHz的晶振时钟通过CPLD和FPGA提供：40MHz一路进入CPLD，经过4分频后输出，作为AD73322的主时钟，另一路进入FPGA，经过内部PLL倍频和分频，产生80MHz、160MHz、160/3MHz的时钟，分别送入ISL5217、AD9777和AD9244。

各器件的主要参数配置

    AD73322：DMCLK=输入时钟=1，采样速率为DMCLK/256=39.0625KHz，SCLK=DMCLK/8。

    ISL5217：载频为10.0655MHz，载频相位=0，采样频率为39.0625KHz，插值倍数=16，数据输入方式为并口，数据输出方式为real、Shaping Filter 系数设置等。

    AD9777：内插倍数=2，调试方式为none，双端口输入模式，使能PLL。
FPGA的主要工作：控制模块，2倍插值滤波器，查找表，A/D采样最值的搜索。

系统任务
 
    前向通路：两个任务，一是发送测试数据到功放并输出；二是正常的数据通路。ADC以39.0625KHz的速率采样数据，然后将数据传送到DSP处理。DSP经过AGC、滤波和调制后，以39.0625KHz的速率传送到上变频器ISL5217，它将对输入数据进行2048倍插值，达到80MHz，然后将其调制到10.0655MHz的载频上，送往FPGA。FPGA将对其再进行2倍插值处理，然后进行预失真。最后，FPGA将预失真的数据送入DAC。DAC将对数据进行2倍插值处理，数据速率达到320MHz，然后经DAC输出到功放。

    反馈通路：负责功放特性的测量。RF_DA将以160/3MHz的速率进行采样，采样后的数据进入FPGA，FPGA将检测这些采样数据幅度最大值(正和负)，并将其送到DSP进行记录。
　　
系统工作流程
器件配置

    在系统调试完成后，首先在CCS环境下将FPGA加载文件烧写到Flash存储器中(只烧写一次)，在以后的工作中，开机后，由DSP程序将FPGA的加载文件从Flash存储器读出来，通过FPGA串行配置方式加载到FPGA上，这样，其他芯片就有了时钟，然后DSP再配置其他器件。

功放特性的测量

    DSP以39.0625KHz发数据，从0到最大值32767，每个数据发送时间持续287ms，产生幅度恒定的正弦波，然后从FPGA中读取相应的包络幅度最值。注意，在搜索最值前，应先使发送信号稳定下来，以确保检测到的信号的准确性。

查找表的建立
 
   考虑到采样的误差，检测到的信号并不是平滑的曲线，如果直接利用监测到的信号来建表，系统误差是很大的。因此，要对采样的信号进行平滑处理，其方法是多样的，这里不作说明。由于采样信号的范围可能小于-32767~+32767，要做归一化处理，最后是启动正常的工作顺序。
　　
结语
    预失真是实现功率放大器线性化的有效方法，其实现简单易行，系统稳定。本文提出的方法简单有效，非常适用于一次开机后，使用时间比较短的应用，因为时间长，系统温度会发生变化，功放的温漂会造成功放特性的显著变化，使系统性能极度恶化。
　　
参考文献
1．赵洪新，陈忆元，洪伟.一种基带预失真RF功率放大器线性化技术的模型仿真和实验，通信学报，2005年5月，第五期，第21卷
2．Intersil com，AN1022， Operation and Performance of the ISL5239 Pre-distortion Linearizer，July 2002