关于宽带 Doherty功放线性化性能评估介绍和研究

Doherty功率放大器虽然效率较高，但是其线性度通常较差，需要采用数字预失真技术对其线性化。为了满足越来越高的通信速率，Doherty功放的工作带宽也越来越宽。因此，为了评估Doherty功放的线性化性能，搭建宽带的数字预失真平台很有必要。本文采用基于R&S信号与频谱分析仪（FSW26）的数字预失真平台，对实验室的宽带Doherty功放进行了线性化实验。实验表明，无论是单频，并发双频，还是并发多频工作模式，宽带Doherty功放搭配数字预失真技术后都可获得较好的线性度。

Abstract: The efficiency of Doherty power amplifiers is usually high, but digital predistortion (DPD) technique should be applied to Doherty power amplifiers because of their bad linearization performance. Moreover, the bandwidth of Doherty power amplifiers becomes wider due to the higher communication rate. As a result, it's necessary to set up the broadband DPD experimental platform to evaluate the linearization performance of Doherty power amplifiers. In this paper, DPD experiments were done for a broadband Doherty power amplifier with the FSW26 based DPD test-bench. Experimental results show that this power amplifier can achieve good linearization performance with DPD technique.

Key words: digital predistortion, Doherty power amplifiers, R&S FSW

1. 引言

随着通信速率变得越来越高，信号带宽也越来越宽，特别是载波聚合技术的采用，使得发射机所需支持的带宽也显著增加。面对载波聚合技术的挑战，一种较经济的发射机方案是并发多频发射机。这种场景下，一条发射通道既要能支持传统的单载波的通信信号，同时也需要能支持并发多频的载波聚合信号，因此，即发射通道的带宽也显著增加。发射通道上功率发大器的带宽是发射通道带宽的主要瓶颈，特别是Doherty功率放大器，虽然其效率明显优于传统的AB类功率放大器，但是典型的Doherty功率放大器的相对带宽只有10%左右。为了面对并发多频发射机的挑战，近几年来，宽带Doherty功放的设计成了功放研究领域的关注重点。

Doherty功率放大器的线性度较差，通常需要搭配数字预失真技术（DPD）才能在基站中使用。因此， 宽带Doherty功放除了效率、带宽指标需要关注外，能否线性化也是目前业内比较关注的话题。Doherty功放设计完成后，需要测试其DPD后的线性度性能，以完成对所设计的功放的整体性能评估。

2. 数字预失真原理

通常情况下，功率放大器在饱和工作状态下，效率更高，以Doherty功率放大器为例，在回退功率点，主路功放工作于饱和状态，在峰值功率点，主路功放和辅路功放均处于饱和状态，因此，Doherty功放在峰值和回退点都能获得较高的效率。然而，饱和状态下的功放由于增益压缩，会表现出非线性失真，即输出信号的带宽会比原始输入信号更宽。

图1 数字预示真原理示意图

为了消除功放的这种失真，数字预失真技术的思路是在数字域对输入信号进行预先处理，相当于在基带信号上叠加了与功放失真信号大小相等，相位相反的分量，最终预先叠加的分量与功放自身产生的失真分量相互抵消，达到了线性化的目的。图1则是从增益的角度解释了数字预失真技术的原理，从中可看出，功放的增益 (曲线的斜率) 在输入信号较大时会降低，而预失真模块的增益 (曲线的斜率) 则是在输入信号较大时增益升高，最终二者级联，使得输入输出曲线为一条直线 (增益平坦)。

3. 数字预失真技术系统架构及测试平台

图2描述了数字预失真技术的实现结构，主要由模拟域和数字域两部分组成。在模拟域，功放的输出信号一部分通过耦合器耦合到反馈通道上，然后依次经过下变频、滤波、采样，最终得到功放输出的基带信号。在数字域，反馈通道的信号经过归一化、延时对齐、模型提取及预失真参数更新等操作，最终得到所需的预失真信号送入DAC。由于功放非线性造成信号带宽展宽，而反馈通道必须完整地将这些非线性信息反馈到数字域，因此高性能的反馈通道对数字预失真的线性化性能非常重要。

图2 数字预失真技术系统架构

图3为基于R&S公司仪器平台的数字预失真技术测试方案。在该方案中，数字预失真架构中的反馈通道的功能由R&S频谱与信号分析仪FSW来完成，而数字域的操作可以使用个人计算机 (PC) 上的MATLAB软件来完成，然后将产生的预失真信号通过网线下载到信号源SMW200A中去。由于FSW的载波频率、采样率等参数可以自由设置，等价于反馈通带的参数可以自由调节，同时，FSW除了提供反馈通道的功能外，也可以观察功放的输出信号的频谱、功率谱、邻信道功率比 (ACPR) 等指标，因此该测试方案非常适合宽带Doherty功放的线性化性能评估。

图3 基于R&S公司仪器平台的DPD测试方案

4. 实验结果

图4为实验室设计的宽带Doherty功放的照片，其面向的场景是目前的移动通信基站，带宽达1 GHz以上。为了评估宽带Doherty功放的性能，一台R&S公司的信号与频谱分析仪FSW26被用来搭建数字预失真平台，并借助该平台分别完成单频、并发双频及并发三频场景下的数字预失真实验。

图4 宽带Doherty功放实物

(1) 1 GHz宽带信号激励下的Doherty功放的带宽测试及非线性观察

为了观察所设计的宽带Doherty功放的带宽，直接采用信号源R&S SMW200A输出1 GHz 的宽带OFDM信号 (基带信号采样率2GSPS)，作为功放的激励，图5为测试结果，可以看出信号源输出的1 GHz的宽带信号带内比较平坦，经过功放后功率谱曲线功率谱曲线略有起伏，这一方面说明所设计的Doherty功放带宽可达1 GHz，同时也说明功放在如此宽的带宽范围内增益不是完全不变的。另外，从带外的频谱可看出，宽带激励下Doherty功放的非线性也变得非常复杂。

图5 1 GHz宽带信号激励下的Doherty功放输出 

(黑线为信号源R&S SMW200A产生的功放输入信号，蓝线为功放的输出信号)

(2) 单频60 MHz宽带数字预失真实验

功放的输入信号是总共带宽60 MHz (3个20 MHz信号载波聚合而成）的宽带信号，基带信号采样率为368.64 MSPS，载波频率是2.1 GHz，宽带信号用PC上的MATLAB生成后，经网线下载到信号源R&S SMW200A中，然后信号源生成射频信号。FSW的载波频率和采样率分别是2.1 GHz和368.64 MSPS。图6分别为采用DPD技术前后的功放输出信号功率谱密度曲线，可以看出，采用DPD技术后，该功放的ACPR性能明显改善。

图6 宽带Doherty功放60 MHz信号激励下的线性化结果

(黑线为DPD前，蓝线为DPD后)

(3) 并发双频数字预失真试验

为了进一步评估宽带Doherty功放在载波聚合场景下的工作状态，需要测试采用并发双频数字预失真技术 (2D-DPD) 后的功放线性化性能。此时，功放的激励信号是两个10 MHz的LTE信号，采用2D-CFR技术进行削峰处理，载波频率分别是1.8 GHz和2 GHz。2D-DPD架构中存在两条反馈通道分别采集两个频段的功放输出信号，为了避免这一点，FSW可以分时工作，即先将载波频率设为1.8 GHz，先采集低频段的信号，然后将载波频率设为2.1 GHz，采集高频段的信号。图7为采用2D-DPD技术前后的功放功率谱密度曲线，可以看出，该功放在并发双频工作状态下，是可以线性化的。 

图7 Doherty功放双频并发工作的线性化结果 

(a)低频DPD前 (b)低频DPD后 (c)高频DPD前 (d)高频DPD后

(4) 并发三频数字预失真实验

并发多频是未来发射机的发展趋势。在这样的场景下，需要测试宽带Doherty功放在并发多频情况下的性能。图8为并发三频数字预失真实验的结果，可以看到，采用数字预失真技术后，Doherty功放不仅带内可以线性化，带间交调也明显被抑制。

图8 Doherty功放并发三频工作的线性化前后结果对比

(图中黑线为DPD前的结果，蓝线为DPD后的结果)

5. 结束语

宽带Doherty功放将是并发多频发射机较受青睐的方案，因此，高性能的宽带Doherty功放的性能评估平台也变得更加重要。本文采用R&S公司的频谱与信号分析仪FSW26搭建了宽带数字预失真平台，完成了对实验室设计的宽带Doherty功放的线性化实验，实验结果表明，所设计的功放在单频、并发双频及并发三频工作几种场景下均可以取得较好的ACPR性能，即宽带Doherty功放在这些场景下是可线性化的。