通過數字預失真提升射頻功率放大器線性度

本文將探討射頻功率放大器系統中數字預失真的實現原理，并重點分析兩種基于查找表的常用技術。

效率與線性度的平衡挑戰?

功率放大器（PA）為追求高效率常工作于接近飽和區的大動態范圍。但隨著逼近飽和區，其幅度和相位失真急劇增加，導致嚴重的鄰道干擾。為此，業界開發了多種線性化技術以在維持高效率的同時提升線性度，其中數字預失真技術已成為射頻功率放大器線性化領域最活躍的研究方向之一。

數字預失真基本原理

如圖1所示，數字預失真通過在發射鏈路的數字部分引入非線性函數補償PA的非線性特性，可作用于基帶或中頻信號。

[圖1 基帶數字預失真實現示意圖]?

（系統示意圖展示開環預失真結構）

盡管圖1為開環系統，實際應用中通常會加入反饋回路持續監測預失真器性能并進行動態調整。圖2展示了帶反饋回路的數字預失真簡化框圖。

[圖2 帶反饋路徑的數字預失真系統]?

（反饋機制支持溫度、制程和電壓變化的自適應補償）

然而，模數轉換器（ADC）、數字信號處理器（DSP）和存儲單元的引入會增加系統功耗。下文將通過實例量化這種效率損耗。

預失真器/PA系統效率計算

假設某自適應數字預失真系統采用效率100%、輸出功率1W的功放，其配套的ADC、DSP和存儲單元共耗電0.25W。系統總效率計算如下：

（公式1：系統效率計算）

盡管PA本身效率達100%，但外圍電路使系統總效率降至80%。這凸顯了降低線性化模塊功耗的重要性。

基于查找表的數字預失真實現

當PA呈現準靜態特性（即輸出幅度與輸入信號保持固定單調關系）時，可通過查找表（LUT）實現非線性補償。圖3展示了開環LUT預失真系統架構。

[圖3 開環LUT預失真系統框圖]?

（通過輸入信號尋址存儲增益/相位校正值的LUT）

DSP模塊接收Δ|A|（幅度校正）和Δφ（相位校正）參數，生成經過預校正的信號。圖4則升級為帶反饋的自適應系統：

[圖4 自適應LUT預失真系統]?

（集成收發雙路徑，通過輸入/輸出信號比對實現LUT動態更新）

該系統的自適應模塊通過比較原始I/Q信號與反饋采樣信號，持續評估預失真效果并更新LUT數據。這種結構能有效應對器件老化、環境變化等動態因素，但需權衡增加的硬件復雜度與功耗。

上述自適應系統包含發射機（前向路徑）和集成接收機（反向路徑）。自適應模塊通過比較原始輸入I/Q信號與集成接收機采樣的I/Q信號，持續評估預失真機制的有效性并更新查找表數據。由于預失真器的反饋環路響應速度極慢且無需應對快速變化，該系統避免了傳統反饋線性化方法常見的穩定性問題。

查找表實現策略

查找表通常采用?映射預失真函數?或?復增益預失真函數?。前者基于笛卡爾坐標系映射，后者依賴包絡映射。兩種方法對查找表規模與復雜度有直接影響。

映射預失真（Mapping Predistortion）

映射預失真采用二維查找表（LUT-I和LUT-Q）進行暴力索引，如圖5所示。每個I/Q復平面點被重新映射至新值，可校正上變頻過程中的DC偏移和I/Q不平衡問題。但其內存需求巨大，總存儲條目數由以下公式決定：

（公式2：映射預失真存儲條目計算）

其中，n為IIN/QIN信號幅度量化位數。例如，12位系統需33,554,432個存儲條目。此外，完成自適應算法需遍歷I/Q復平面所有點，導致長時延和高計算復雜度。

[圖5 映射預失真器中的LUT索引方法]?

（以IIN/QIN雙維度索引二維查找表）

復增益預失真（Complex-Gain Predistortion）

如圖6所示，復增益預失真通過輸入信號包絡功率(R = |IIN + jQIN|R = |IIN + jQIN|)索引查找表中的復增益因子。該方法確保預失真器與PA系統的合成增益恒定，顯著降低存儲需求（僅需一維查找表）和自適應時間。但代價是預失真精度下降，對互調失真的抑制能力受限。

[圖6 復增益預失真器中的LUT索引方法]?

（以信號包絡幅度索引一維查找表）

技術總結

數字預失真作為射頻功放線性化的高效方法，映射預失真與復增益預失真各有優劣：

映射預失真?：校正能力強，但存儲需求和計算復雜度高

復增益預失真?：存儲效率提升50%以上，自適應時間縮短，但精度妥協

在工程實踐中，復增益預失真因資源效率優勢更受青睞，尤其適用于對功耗和實時性敏感的大規模陣列系統。未來技術發展需在存儲優化、精度補償和動態響應之間尋求更優平衡。