基于RS频谱与信号分析仪的数字预失真原理

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。

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。