蔣 琦

（貴州省新聞出版廣電局七九四臺(tái)，貴州 六枝特區(qū)553400）

0 引言

無(wú)論是模擬電視發(fā)射機(jī)還是數(shù)字電視發(fā)射機(jī)，最基本的要求是功率放大器應(yīng)具有高增益、高動(dòng)態(tài)、高線性的指標(biāo)。電視發(fā)射機(jī)的非線性失真，主要由末級(jí)功率放大器產(chǎn)生，數(shù)字電視發(fā)射機(jī)的額定輸出功率按平均功率規(guī)定，要求數(shù)字電視發(fā)射機(jī)的末級(jí)功率放大器應(yīng)能在平均功率比峰值功率低得多的情況下高效率應(yīng)用，在調(diào)制信號(hào)動(dòng)態(tài)峰值范圍內(nèi)發(fā)射機(jī)仍有良好的線性，這就需要采用非線性預(yù)校正措施來(lái)改善功率放大器的線性。

1 導(dǎo)致非線性失真的主要原因

在電視發(fā)射系統(tǒng)中，功率放大器是必不可少的器件，為了獲得足夠大的射頻輸出功率，必須采用功率放大器。發(fā)射信號(hào)經(jīng)過(guò)一系列的放大并獲得足夠的射頻功率以后，通過(guò)饋送到天線上輻射出去。一個(gè)理想的放大器，其輸出信號(hào)應(yīng)當(dāng)如實(shí)的反映輸入信號(hào)，即二者盡管在幅度上不同，時(shí)間上也可能有延遲，但波形應(yīng)當(dāng)是相同的。但是，在實(shí)際的功率放大器中，由于種種原因，輸出信號(hào)不可能與輸入信號(hào)的波形完全相同，這是導(dǎo)致發(fā)射系統(tǒng)中信號(hào)失真的主要原因。

功率放大器產(chǎn)生的失真主要是非線性失真，又稱為波形失真，顧名思義就是輸入信號(hào)和輸出信號(hào)不成線性關(guān)系，使得輸出信號(hào)中產(chǎn)生了新的頻率成分，原信號(hào)頻譜被改變，從而原有的頻率線性度變差，即產(chǎn)生了非線性失真。

非線性失真的產(chǎn)生，既跟模擬器件(如晶體管)本身的非線性特性有關(guān)，更多還是跟當(dāng)前功率放大器的靜態(tài)工作等位置設(shè)置不合適或者輸入信號(hào)過(guò)大有關(guān)。

功率放大器本身總是存在著固有的非線性特性。當(dāng)輸入信號(hào)的功率較小時(shí)，功率放大器通常工作在線性區(qū)，此時(shí)并不會(huì)產(chǎn)生頻率失真，但是功率放大器的效率很低。因此為了提高功率放大器的效率，生產(chǎn)廠商往往會(huì)在一定程度上犧牲線性度，上調(diào)各級(jí)功率放大管的放大輸出，允許功率放大器工作于接近飽和的非線性區(qū)，此時(shí)的確獲得更佳的功率放大效率。然而當(dāng)信號(hào)的峰值接近功率放大器的飽和工作點(diǎn)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生非線性失真。這一點(diǎn)在OFDM等多載波技術(shù)中尤其明顯，由于它們不再是恒包絡(luò)調(diào)制，其功率會(huì)隨著時(shí)間變化而變化，而且會(huì)體現(xiàn)出較高的峰值平均功率比(PAPR)，因此同等條件下非線性失真比PAPR較低的單載波還要嚴(yán)重。

2 非線性失真帶來(lái)的問(wèn)題

其一，非線性失真會(huì)導(dǎo)致帶外頻譜再生，從而造成鄰信道干擾；其二，非線性失真會(huì)對(duì)有效帶寬內(nèi)信號(hào)產(chǎn)生互調(diào)失真，導(dǎo)致信號(hào)質(zhì)量下降，MER降低，誤差矢量幅度增大?？梢?jiàn)，在功率放大器的線性度和工作效率之間存在著矛盾。在超過(guò)功率放大器線性工作區(qū)后，功率放大器的效率與線性度近似成反比。因此，線性度和功效一直是發(fā)射機(jī)中功率放大器設(shè)計(jì)所需要均衡的兩個(gè)參數(shù)。

衡量發(fā)射系統(tǒng)線性度的常用指標(biāo)是鄰信道功率比，是指相鄰頻率信道的平均功率和當(dāng)前所用信道的平均功率之比，可以用來(lái)描述功率放大器非線性失真引起的信號(hào)帶外頻譜失真特性，也就是主功率泄漏到鄰頻信道的程度。同時(shí)，輸出信號(hào)質(zhì)量指標(biāo)MER也可以用來(lái)衡量非線性失真程度。

為了解決發(fā)射系統(tǒng)的線性度問(wèn)題，實(shí)際中最簡(jiǎn)單易行的解決方法就是針對(duì)給定的功率放大要求和調(diào)制方案，盡量使用線性功率放大器(如A類(lèi)功率放大器)，并將功率放大器通過(guò)功率回退的方式，使之工作到線性且無(wú)失真的工作點(diǎn)，同時(shí)系統(tǒng)工作效率被降低，但是功率回退法存在以下較多的缺點(diǎn)：

（1）通常功率放大器的線性區(qū)是一個(gè)很窄的范圍，即使同功率同組成的功率放大器，線性區(qū)也并非完全一致，要通過(guò)手動(dòng)調(diào)節(jié)找到滿足要求的功率放大器的線性工作點(diǎn)是比較困難的。

（2）在OFDM等多載波技術(shù)下，PAPR較大，信號(hào)容易進(jìn)入非線性區(qū)。此時(shí)需要回退很大時(shí)才能滿足對(duì)信號(hào)峰值的線性放大，然而峰值信號(hào)出現(xiàn)的概率較低，從而導(dǎo)致功率放大器的效率非常低，功率放大器的大部分非線性區(qū)被直接浪費(fèi)掉。

（3）由于功率回退法降低了功率放大器的效率，在需要使用更大功率的輸出的時(shí)候，設(shè)備成本將大幅增加。在某些情況下，功率放大器成本可能會(huì)達(dá)到發(fā)射系統(tǒng)總成本的二分之一。

（4）功率回退法會(huì)降低電源利用率，增加熱耗散，不符合綠色、環(huán)保、節(jié)能的概念。

（5）當(dāng)功率回退到一定程度時(shí)，即使繼續(xù)回退也將無(wú)法顯著改善功率放大器的線性度。

3 功率放大器線性化的方法

數(shù)字電視發(fā)射機(jī)功率放大器線性化的方法，一般采用非線性預(yù)校正實(shí)現(xiàn)非線性補(bǔ)償控制，改善發(fā)射機(jī)輸出信號(hào)的頻譜特性，保證發(fā)射出去的信號(hào)始終處于高指標(biāo)的狀態(tài)。預(yù)校正主要是針對(duì)發(fā)射機(jī)功率放大器進(jìn)行的校正，與功率放大器的響應(yīng)曲線互補(bǔ)，可以提高發(fā)射機(jī)的平均輸出功率，把在線性區(qū)域之外的飽和區(qū)通過(guò)輸入信號(hào)預(yù)失真使得輸出信號(hào)成線性放大。

在對(duì)線性度要求很高的發(fā)射系統(tǒng)中，功率回退法已無(wú)法滿足系統(tǒng)的要求。因此為了改善功率放大器的線性度，對(duì)于功率放大器的線性化電路的研究成為了一時(shí)的熱點(diǎn)。例如，傳統(tǒng)的模擬前饋線性化技術(shù)(feed—forward法)，它位于發(fā)射機(jī)功放模塊內(nèi)，由兩個(gè)環(huán)路構(gòu)成，分別用于載波信號(hào)的抵消和交調(diào)信號(hào)的抵消。模擬的前饋線性化技術(shù)可提供很好的線性度，但通常效率低下，并且模擬硬件較為昂貴、復(fù)雜且不便系統(tǒng)集成和維護(hù)。除前饋技術(shù)外，其他線性化方法包括笛卡爾反饋和使用非線性組件實(shí)現(xiàn)線性放大等。與前饋技術(shù)及其變形類(lèi)似，這些技術(shù)雖然在一定程度上能改善功率放大器的線性度，但是或者涉及大量模擬器件，或者需要使用難以控制的非線性組件，并不適合大規(guī)模生產(chǎn)。

與對(duì)功率放大器直接進(jìn)行線性化操作不同，所謂預(yù)校正，就是預(yù)先對(duì)將要進(jìn)入功率放大器的輸入信號(hào)的幅度和相位進(jìn)行預(yù)失真，從而以抵消包括功率放大器在內(nèi)的整個(gè)發(fā)射鏈路的線性失真和非線性失真的一種操作。可以把預(yù)校正操作也看做功率放大器之前的一個(gè)非線性器件，它所輸出的信號(hào)也“遭受”了線性失真和非線性失真，擴(kuò)展成了非線性信號(hào)，只不過(guò)它的非線性特性剛好與發(fā)射機(jī)包含功率放大器在內(nèi)的其余器件產(chǎn)生的失真互逆，從而使得包括預(yù)失真器和功率放大器在內(nèi)的整個(gè)發(fā)射鏈路是一個(gè)線性系統(tǒng)，原有的輸入信號(hào)被完美地放大，于是發(fā)射鏈路最后輸出信號(hào)為理想信號(hào)。

預(yù)校正技術(shù)可以在射頻、中頻和基帶位置上完成，分別對(duì)應(yīng)射頻預(yù)校正、中頻預(yù)校正和基帶預(yù)校正。通常射頻預(yù)校正和中頻模擬預(yù)校正大多在模擬域完成，數(shù)字預(yù)校正在基帶完成。模擬預(yù)校正受限于自身的自增幅效應(yīng)以及功率放大器中高階非線性特性的影響，對(duì)線性度的改善效果有限，同時(shí)低階的模擬預(yù)失真必然導(dǎo)致高階非線性分量的產(chǎn)生。對(duì)于中頻預(yù)失真而言，后接的混頻器和濾波器的時(shí)延特性還會(huì)對(duì)預(yù)校正的結(jié)果產(chǎn)生影響。相比數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的高速發(fā)展，模擬的方式存在精度差、處理復(fù)雜、調(diào)控難的缺陷，約束了它在實(shí)際中的推廣應(yīng)用。

數(shù)字基帶預(yù)校正是在基帶信號(hào)進(jìn)入DAC之前對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行預(yù)先的反失真，也就是完全在數(shù)字域內(nèi)進(jìn)行的改善線性和非線性的數(shù)字信號(hào)處理，因此有著很多優(yōu)點(diǎn)。

（1）數(shù)字基帶預(yù)校正技術(shù)需使用少量的模擬器件，因此成本比前饋技術(shù)低。

（2）數(shù)字基帶預(yù)校正技術(shù)在基帶進(jìn)行信號(hào)處理，不依賴于系統(tǒng)的工作頻率。

（3）不涉及復(fù)雜的模擬和射頻信號(hào)處理，全數(shù)字化操作，從而具有精度高、一致性強(qiáng)、易于調(diào)整和控制等優(yōu)點(diǎn)。

（4）結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、固定，新技術(shù)(如自適應(yīng)技術(shù))可以被方便地應(yīng)用于數(shù)字預(yù)失真技術(shù)中。

數(shù)字基帶預(yù)校正技術(shù)是預(yù)校正發(fā)展的必然趨勢(shì)。尤其是最新的自適應(yīng)預(yù)校正算法，其擺脫了傳統(tǒng)預(yù)校正需要人工干預(yù)的手動(dòng)調(diào)節(jié)方式，自動(dòng)化程度高。由于其并非預(yù)存失真模型，而是根據(jù)放大器的特性變化而變化，因此即使對(duì)于具有記憶功能的射頻功率放大器，或者根據(jù)時(shí)間、溫度變化而變化的非線性特性，也有相當(dāng)理想的效果。自適應(yīng)算法通過(guò)比較來(lái)自功率放大模塊的反饋信號(hào)和延遲后的輸入信號(hào)，判斷失真程度，實(shí)時(shí)自動(dòng)生成預(yù)失真曲線，從而完成預(yù)校正功能。數(shù)字基帶預(yù)失真的研究熱點(diǎn)包括DSP自適應(yīng)算法、查找表非均勻索引、基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)預(yù)失真和具有記憶功能的功率放大器預(yù)失真等。

4 結(jié)束語(yǔ)

發(fā)射機(jī)采用了預(yù)校正功能后，功率放大器就可以工作到接近飽和的狀態(tài)并同時(shí)保持良好的線性，從而大大地提升功率放大器的效率。這相當(dāng)于在相同輸人功率下能發(fā)射更大的功率，從而有利于改善覆蓋效果，或者是在同樣的額定輸出功率下，需要更小的輸入功率，從而有助于降低設(shè)備成本和運(yùn)行成本，也符合能源節(jié)省和綠色環(huán)保的概念。

［1］周洪.地面數(shù)字電視發(fā)射系統(tǒng)與覆蓋網(wǎng)絡(luò)[Z].