曹新容

(閩江學(xué)院 計算機(jī)科學(xué)系，福州 350108)

0 引言

數(shù)字移動通信技術(shù)的飛速發(fā)展，對無線信道容量和數(shù)據(jù)傳輸速率的要求越來越高。具有更高頻譜利用率的線性調(diào)制技術(shù)及多載波調(diào)制技術(shù)如OFDM(正交頻分復(fù)用)等，得到越來越廣泛的應(yīng)用。這些調(diào)制信號的包絡(luò)是波動起伏的，具有較高的峰均比，經(jīng)過非線性的射頻功率放大器后會發(fā)生嚴(yán)重的非線性失真，增加帶外輻射，產(chǎn)生鄰道干擾。同時，信號調(diào)制帶寬的增大，使功率放大器表現(xiàn)出明顯的記憶效應(yīng)，主要體現(xiàn)為傳輸信號上、下邊帶的非對稱以及動態(tài)的幅度/幅度失真與幅度/相位失真［1］。為了保證通信系統(tǒng)的性能，需要對功率放大器的非線性和記憶效應(yīng)進(jìn)行補償，這就是功率放大器的線性化技術(shù)。

隨著數(shù)字信號處理(DSP)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字預(yù)失真技術(shù)以其良好的綜合性能成為一種有效的線性化技術(shù)，受到廣泛的重視和深入的研究。當(dāng)前的大部分研究中，并沒有考慮信號傳輸回路中存在的時延問題對線性化性能的影響。本文研究傳輸時延對預(yù)失真技術(shù)線性化性能的影響，嘗試采用一種較為簡單、方便的運算方法進(jìn)行時延估計。在預(yù)失真放大器系統(tǒng)中應(yīng)用時延估計算法，降低時延對預(yù)失真算法的不利影響，提高預(yù)失真技術(shù)的線性化效果。

1 時延對預(yù)失真線性化技術(shù)的影響

預(yù)失真技術(shù)，是在功率放大器的前端附加一個非線性的“預(yù)失真模塊”，產(chǎn)生的失真情況與功率放大器的非線性失真反向抵消，使得兩者合成的傳輸特性是線性的，如圖1所示。通過建立預(yù)失真器的模型，采樣一定的算法直接獲得功率放大器的逆特性。將其代入預(yù)失真器模型，實現(xiàn)功率放大器的線性化。

圖1 預(yù)失真技術(shù)原理圖

預(yù)失真算法原理圖如圖2所示。在功率放大器逆性能的學(xué)習(xí)過程中，需要參考信號和反饋信號的對應(yīng)匹配。在功率放大器的學(xué)習(xí)回路中，預(yù)失真器輸出的信號經(jīng)過D/A變換、上變頻到射頻，將射頻功率放大器輸出功率的一部分取樣，經(jīng)過下變頻、A/D變換反饋至基帶數(shù)字域和參考信號

圖2 預(yù)失真算法原理圖

對應(yīng)求解，獲取射頻功率放大器的逆特性，如圖3所示。整個傳輸過程必定會存在傳播時延。

圖3 傳輸時延

針對函數(shù)多項式預(yù)失真模型，考慮功率放大器的記憶效應(yīng)，有:

式1中，N為記憶深度，M為放大器階數(shù)，放大倍數(shù)設(shè)為1。根據(jù)式1，以反饋信號作為輸入，參考信號作為輸出，通過一定長度的訓(xùn)練序列，直接獲得功率放大器的逆特性，求得預(yù)失真器模型的系數(shù)。但是，時延的存在會使反饋采樣信號與參考采樣信號偏離錯位，出現(xiàn)Z(n+m)與x(n)對應(yīng)的情況，無法正確匹配求解。這樣求得的系數(shù)c＇不能正確表示功率放大器的逆特性，將求得的系數(shù)帶入預(yù)失真器，會降低預(yù)失真技術(shù)的線性化效果，甚至使放大器系統(tǒng)的失真情況更加嚴(yán)重。

為了定量評價時延對預(yù)失真器性能的影響，用系統(tǒng)采樣間隔量化模擬學(xué)習(xí)回路的延時，對比誤差向量幅度(EVM)［2］。在無延時的理想狀況下，參考信號的采樣數(shù)據(jù)Z(n)與反饋信號的采樣數(shù)據(jù)x(n)是正確對應(yīng)匹配的。時延的存在，會使實際采樣的反饋信號x＇與參考信號z偏差錯位，相差m個采樣數(shù)據(jù)，此時回路的時延近似為mT。在并行Wiener(Parallel_Wiener)功率放大器模型［3］上，采用相同的預(yù)失真技術(shù)，仿真驗證延時對預(yù)失真技術(shù)的EVM性能指標(biāo)的影響。

在圖4a和圖4b中，m=0表示無延時的理想情況，采樣數(shù)據(jù)能正確對應(yīng)。時延的存在，使得采樣數(shù)據(jù)之間的對應(yīng)關(guān)系無法正確描述功率放大器的逆特性，EVM性能指標(biāo)隨著時延的增大而迅速惡化。特別對包絡(luò)起伏變化劇烈的信號，時延對預(yù)失真技術(shù)線性化性能的影響非常明顯。因此，時延估計在預(yù)失真技術(shù)中是非常重要的。如何克服傳播時延的影響已經(jīng)成為預(yù)失真技術(shù)中必須研究考慮的問題。

圖4 時延對EVM性能指標(biāo)的影響

2 預(yù)失真技術(shù)中的時延估計與應(yīng)用

克服時延對預(yù)失真線性化性能的影響已成為預(yù)失真技術(shù)研究中一個非常重要的課題。本文設(shè)計了一種簡單、方便的方法，使參考信號的采樣數(shù)據(jù)與反饋信號的實際采樣數(shù)據(jù)能夠準(zhǔn)確對應(yīng)，減小時延對預(yù)失真線性化性能的影響，如圖5所示。

圖5 一種克服時延影響的方法

在圖5中，在獲取功率放大器的逆特性之前，先通過一定的算法進(jìn)行時延估計，確定兩組數(shù)據(jù)的偏差。然后在預(yù)失真算法求解系數(shù)的過程中，對參考信號的采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行移位，實現(xiàn)參考信號與反饋信號的對應(yīng)匹配，克服時延對預(yù)失真線性化性能的影響。

相關(guān)檢測法是一種常用的時延估計方法。它是利用信號之間的相關(guān)性，來計算參考信號與反饋信號的互相關(guān)函數(shù)，根據(jù)互相關(guān)函數(shù)的特性估計時延，如式2所示，相關(guān)函數(shù)R最大值所對應(yīng)的m，即信號的采樣數(shù)據(jù)偏差，同時可估計系統(tǒng)回路的時延mT。

相關(guān)檢測法具有運算量較小、精確度較高的優(yōu)點。但是算法中存在較多的乘法運算，不易于硬件實現(xiàn)，而且時延估計誤差受到采樣間隔的影響。

在實際情況下，預(yù)失真技術(shù)的學(xué)習(xí)回路中產(chǎn)生的延時不一定恰好是采樣間隔的整數(shù)倍。在研究仿真中發(fā)現(xiàn)，即使一個采樣間隔的延時誤差也可能獲得錯誤的預(yù)失真器模型系數(shù)，嚴(yán)重影響功率放大器的線性化性能。本文提出一種多步插值時延估計法，改進(jìn)了前文提到的相關(guān)檢測法，同樣利用信號之間的相關(guān)性，簡化互相關(guān)函數(shù)的運算。這種算法可以減少采樣間隔對時延估計誤差的影響，自由調(diào)節(jié)時延估計精度，并且降低運算量，易于硬件實現(xiàn)。

式4中為放大器的放大倍數(shù)，窗長的大小由采樣間隔、資源需求和運算能力等綜合考慮設(shè)定，只需保證窗長L大于時延m。

首先，由式3求得R最小時對應(yīng)的值m1，并判斷R(m1-1)與R(m1+1)的大小。若有R(m1-1)較小，則判定系統(tǒng)時延是在m1-1與m1之間，反之亦然。

然后，對反饋信號的采樣數(shù)據(jù)x進(jìn)行N倍插值，參考信號的采樣數(shù)據(jù)z從位置m1開始，根據(jù)式4進(jìn)一步求出R1最小時對應(yīng)的值m2。則時延估計delay=T(m1-m2/N)，式中T為采樣間隔。

通過多步插值時延估計法可以更為準(zhǔn)確地確定系統(tǒng)回路的延時，綜合考慮采樣頻率和信號特性，通過設(shè)定合適的窗長L和插值倍數(shù)N，可以自由調(diào)節(jié)運算精度，合理控制資源需求，實現(xiàn)滿意的性能指標(biāo)。

3 算法性能的仿真與比較

采用圖5所示的克服時延影響的方法，利用多步插值時延估計法，通過仿真驗證該方法對預(yù)失真技術(shù)線性化性能的影響。對于調(diào)制信號，功率放大器的非線性通常用帶內(nèi)失真和帶外失真來描述。為了定量評價時延估計對預(yù)失真技術(shù)的性能影響，帶內(nèi)失真用誤差向量幅度(EVM)表示，帶外失真用鄰信道功率比(ACPR)表示。

基帶輸入歸一化調(diào)制信號，功率放大器模型采用帶有記憶效應(yīng)的Parallel_Wiener模型，對應(yīng)的預(yù)失真器采用帶有記憶效應(yīng)的非線性函數(shù)多項式模型。根據(jù)前文的分析，參考信號和反饋信號的采樣數(shù)據(jù)存在一定的時延。在仿真中，時延估計分別采用相關(guān)檢測法和多步插值時延估計法，根據(jù)求得的延時調(diào)整采樣數(shù)據(jù)的對應(yīng)關(guān)系，用預(yù)失真算法求出功率放大器的逆特性，即預(yù)失真器的模型系數(shù)。將系數(shù)代入預(yù)失真放大器系統(tǒng)，比較功率放大器非線性性能指標(biāo)的改善程度，如表1和表2所示。

表1 采用不同技術(shù)的預(yù)失真性能

表2 采用多步插值時延估計的預(yù)失真性能

從表1～2中可以看出，如果在系統(tǒng)中不考慮時延，預(yù)失真技術(shù)不僅無法改善功率放大器的非線性性能，還會進(jìn)一步擴(kuò)大功率放大器的非線性，使通信系統(tǒng)性能更加惡化。多步插值時延估計算法可以很好地估算出系統(tǒng)回路時延，插值倍數(shù)增大，估計準(zhǔn)確度會隨之提高，運算量和資源需求也會不斷增大，需要根據(jù)信號特點和性能要求考慮合適的插值倍數(shù)。在預(yù)失真技術(shù)中采用時延估計，能有效克服系統(tǒng)學(xué)習(xí)回路延時的影響，提高預(yù)失真技術(shù)的線性化性能。

4 結(jié)束語

目前，功率放大器的線性化技術(shù)已經(jīng)成為下一代無線通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。預(yù)失真技術(shù)是克服功率放大器非線性失真最有前途的一項技術(shù)。在預(yù)失真過程中，需要對模擬通路的傳輸時延進(jìn)行準(zhǔn)確估計。延時估計偏差會嚴(yán)重影響預(yù)失真技術(shù)的線性化性能，甚至?xí)觿》糯笃鞯姆蔷€性。本文研究了延時對預(yù)失真技術(shù)性能的影響，改善了時延估計算法，并將其應(yīng)用在預(yù)失真技術(shù)中。仿真結(jié)果表明，多步插值時延估計算法可以準(zhǔn)確地檢測系統(tǒng)回路時延，在預(yù)失真技術(shù)中合理使用時延估計算法，能有效克服時延影響，充分實現(xiàn)預(yù)失真技術(shù)的線性化性能，進(jìn)一步改善功率放大器的非線性特性，提高通信質(zhì)量。

［1］Ku H，Kenny J S.Behavioral modeling of nonlinear RF power amplifiers considering memory effects［J］.IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques，2003，51(12):2495-2504.

［2］P B Kenington.High Linearity RF Amplifier Design［M］.Norwood，MA:Artech House，2000.

［3］Lei Ding，Zhou G T，Morgan D R，et al.Memory polynomial predistorter based on the indirect learning architecture［C］.Bamako:Global Telecommunications Conference，2002:967-971.

［4］曹新容，黃聯(lián)芬，趙毅峰.一種基于Hammerstein模型的數(shù)字預(yù)失真算法［J］.廈門大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2009，48(1):47-50.

［5］李輝，王德生，陳兆武.延時估計誤差對間接學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)預(yù)失真器的影響［J］.清華大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2006，46(10):1707-1710.

［6］錢業(yè)青，劉富強.延時估計誤差對多項式預(yù)失真的影響［J］.同濟(jì)大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2009，37(3):395-398.

［7］馮永生.預(yù)失真射頻功率放大器的研究［D］.北京:北京郵電大學(xué)，2007.

［8］虞強，沈海根.帶記憶效應(yīng)的射頻功放數(shù)字基帶預(yù)失真［J］.通信學(xué)報，2007，28(10):55-59.