Doherty功率放大器雖然效率較高，但是其線性度通常較差，需要采用數(shù)字預(yù)失真技術(shù)對其線性化。為了滿足越來越高的通信速率，Doherty功放的工作帶寬也越來越寬。因此，為了評估Doherty功放的線性化性能，搭建寬帶的數(shù)字預(yù)失真平臺很有必要。本文采用基于R&S信號與頻譜分析儀（FSW26）的數(shù)字預(yù)失真平臺，對實驗室的寬帶Doherty功放進(jìn)行了線性化實驗。實驗表明，無論是單頻，并發(fā)雙頻，還是并發(fā)多頻工作模式，寬帶Doherty功放搭配數(shù)字預(yù)失真技術(shù)后都可獲得較好的線性度。

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

隨著通信速率變得越來越高，信號帶寬也越來越寬，特別是載波聚合技術(shù)的采用，使得發(fā)射機所需支持的帶寬也顯著增加。面對載波聚合技術(shù)的挑戰(zhàn)，一種較經(jīng)濟的發(fā)射機方案是并發(fā)多頻發(fā)射機。這種場景下，一條發(fā)射通道既要能支持傳統(tǒng)的單載波的通信信號，同時也需要能支持并發(fā)多頻的載波聚合信號，因此，即發(fā)射通道的帶寬也顯著增加。發(fā)射通道上功率發(fā)大器的帶寬是發(fā)射通道帶寬的主要瓶頸，特別是Doherty功率放大器，雖然其效率明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的AB類功率放大器，但是典型的Doherty功率放大器的相對帶寬只有10%左右。為了面對并發(fā)多頻發(fā)射機的挑戰(zhàn)，近幾年來，寬帶Doherty功放的設(shè)計成了功放研究領(lǐng)域的關(guān)注重點。

Doherty功率放大器的線性度較差，通常需要搭配數(shù)字預(yù)失真技術(shù)（DPD）才能在基站中使用。因此， 寬帶Doherty功放除了效率、帶寬指標(biāo)需要關(guān)注外，能否線性化也是目前業(yè)內(nèi)比較關(guān)注的話題。Doherty功放設(shè)計完成后，需要測試其DPD后的線性度性能，以完成對所設(shè)計的功放的整體性能評估。

2. 數(shù)字預(yù)失真原理

通常情況下，功率放大器在飽和工作狀態(tài)下，效率更高，以Doherty功率放大器為例，在回退功率點，主路功放工作于飽和狀態(tài)，在峰值功率點，主路功放和輔路功放均處于飽和狀態(tài)，因此，Doherty功放在峰值和回退點都能獲得較高的效率。然而，飽和狀態(tài)下的功放由于增益壓縮，會表現(xiàn)出非線性失真，即輸出信號的帶寬會比原始輸入信號更寬。

圖1 數(shù)字預(yù)示真原理示意圖

為了消除功放的這種失真，數(shù)字預(yù)失真技術(shù)的思路是在數(shù)字域?qū)斎胄盘栠M(jìn)行預(yù)先處理，相當(dāng)于在基帶信號上疊加了與功放失真信號大小相等，相位相反的分量，最終預(yù)先疊加的分量與功放自身產(chǎn)生的失真分量相互抵消，達(dá)到了線性化的目的。圖1則是從增益的角度解釋了數(shù)字預(yù)失真技術(shù)的原理，從中可看出，功放的增益 (曲線的斜率) 在輸入信號較大時會降低，而預(yù)失真模塊的增益 (曲線的斜率) 則是在輸入信號較大時增益升高，最終二者級聯(lián)，使得輸入輸出曲線為一條直線 (增益平坦)。

3. 數(shù)字預(yù)失真技術(shù)系統(tǒng)架構(gòu)及測試平臺

圖2描述了數(shù)字預(yù)失真技術(shù)的實現(xiàn)結(jié)構(gòu)，主要由模擬域和數(shù)字域兩部分組成。在模擬域，功放的輸出信號一部分通過耦合器耦合到反饋通道上，然后依次經(jīng)過下變頻、濾波、采樣，最終得到功放輸出的基帶信號。在數(shù)字域，反饋通道的信號經(jīng)過歸一化、延時對齊、模型提取及預(yù)失真參數(shù)更新等操作，最終得到所需的預(yù)失真信號送入DAC。由于功放非線性造成信號帶寬展寬，而反饋通道必須完整地將這些非線性信息反饋到數(shù)字域，因此高性能的反饋通道對數(shù)字預(yù)失真的線性化性能非常重要。

圖2 數(shù)字預(yù)失真技術(shù)系統(tǒng)架構(gòu)

圖3為基于R&S公司儀器平臺的數(shù)字預(yù)失真技術(shù)測試方案。在該方案中，數(shù)字預(yù)失真架構(gòu)中的反饋通道的功能由R&S頻譜與信號分析儀FSW來完成，而數(shù)字域的操作可以使用個人計算機 (PC) 上的MATLAB軟件來完成，然后將產(chǎn)生的預(yù)失真信號通過網(wǎng)線下載到信號源SMW200A中去。由于FSW的載波頻率、采樣率等參數(shù)可以自由設(shè)置，等價于反饋通帶的參數(shù)可以自由調(diào)節(jié)，同時，F(xiàn)SW除了提供反饋通道的功能外，也可以觀察功放的輸出信號的頻譜、功率譜、鄰信道功率比 (ACPR) 等指標(biāo)，因此該測試方案非常適合寬帶Doherty功放的線性化性能評估。

圖3 基于R&S公司儀器平臺的DPD測試方案

4. 實驗結(jié)果

圖4為實驗室設(shè)計的寬帶Doherty功放的照片，其面向的場景是目前的移動通信基站，帶寬達(dá)1 GHz以上。為了評估寬帶Doherty功放的性能，一臺R&S公司的信號與頻譜分析儀FSW26被用來搭建數(shù)字預(yù)失真平臺，并借助該平臺分別完成單頻、并發(fā)雙頻及并發(fā)三頻場景下的數(shù)字預(yù)失真實驗。

圖4 寬帶Doherty功放實物

(1) 1 GHz寬帶信號激勵下的Doherty功放的帶寬測試及非線性觀察

為了觀察所設(shè)計的寬帶Doherty功放的帶寬，直接采用信號源R&S SMW200A輸出1 GHz 的寬帶OFDM信號 (基帶信號采樣率2GSPS)，作為功放的激勵，圖5為測試結(jié)果，可以看出信號源輸出的1 GHz的寬帶信號帶內(nèi)比較平坦，經(jīng)過功放后功率譜曲線功率譜曲線略有起伏，這一方面說明所設(shè)計的Doherty功放帶寬可達(dá)1 GHz，同時也說明功放在如此寬的帶寬范圍內(nèi)增益不是完全不變的。另外，從帶外的頻譜可看出，寬帶激勵下Doherty功放的非線性也變得非常復(fù)雜。

圖5 1 GHz寬帶信號激勵下的Doherty功放輸出

(黑線為信號源R&S SMW200A產(chǎn)生的功放輸入信號，藍(lán)線為功放的輸出信號)

(2) 單頻60 MHz寬帶數(shù)字預(yù)失真實驗

功放的輸入信號是總共帶寬60 MHz (3個20 MHz信號載波聚合而成）的寬帶信號，基帶信號采樣率為368.64 MSPS，載波頻率是2.1 GHz，寬帶信號用PC上的MATLAB生成后，經(jīng)網(wǎng)線下載到信號源R&S SMW200A中，然后信號源生成射頻信號。FSW的載波頻率和采樣率分別是2.1 GHz和368.64 MSPS。圖6分別為采用DPD技術(shù)前后的功放輸出信號功率譜密度曲線，可以看出，采用DPD技術(shù)后，該功放的ACPR性能明顯改善。

圖6 寬帶Doherty功放60 MHz信號激勵下的線性化結(jié)果

(黑線為DPD前，藍(lán)線為DPD后)

(3) 并發(fā)雙頻數(shù)字預(yù)失真試驗

為了進(jìn)一步評估寬帶Doherty功放在載波聚合場景下的工作狀態(tài)，需要測試采用并發(fā)雙頻數(shù)字預(yù)失真技術(shù) (2D-DPD) 后的功放線性化性能。此時，功放的激勵信號是兩個10 MHz的LTE信號，采用2D-CFR技術(shù)進(jìn)行削峰處理，載波頻率分別是1.8 GHz和2 GHz。2D-DPD架構(gòu)中存在兩條反饋通道分別采集兩個頻段的功放輸出信號，為了避免這一點，F(xiàn)SW可以分時工作，即先將載波頻率設(shè)為1.8 GHz，先采集低頻段的信號，然后將載波頻率設(shè)為2.1 GHz，采集高頻段的信號。圖7為采用2D-DPD技術(shù)前后的功放功率譜密度曲線，可以看出，該功放在并發(fā)雙頻工作狀態(tài)下，是可以線性化的。

圖7 Doherty功放雙頻并發(fā)工作的線性化結(jié)果

(a)低頻DPD前 (b)低頻DPD后 (c)高頻DPD前 (d)高頻DPD后

(4) 并發(fā)三頻數(shù)字預(yù)失真實驗

并發(fā)多頻是未來發(fā)射機的發(fā)展趨勢。在這樣的場景下，需要測試寬帶Doherty功放在并發(fā)多頻情況下的性能。圖8為并發(fā)三頻數(shù)字預(yù)失真實驗的結(jié)果，可以看到，采用數(shù)字預(yù)失真技術(shù)后，Doherty功放不僅帶內(nèi)可以線性化，帶間交調(diào)也明顯被抑制。

圖8 Doherty功放并發(fā)三頻工作的線性化前后結(jié)果對比

(圖中黑線為DPD前的結(jié)果，藍(lán)線為DPD后的結(jié)果)

5. 結(jié)束語

寬帶Doherty功放將是并發(fā)多頻發(fā)射機較受青睞的方案，因此，高性能的寬帶Doherty功放的性能評估平臺也變得更加重要。本文采用R&S公司的頻譜與信號分析儀FSW26搭建了寬帶數(shù)字預(yù)失真平臺，完成了對實驗室設(shè)計的寬帶Doherty功放的線性化實驗，實驗結(jié)果表明，所設(shè)計的功放在單頻、并發(fā)雙頻及并發(fā)三頻工作幾種場景下均可以取得較好的ACPR性能，即寬帶Doherty功放在這些場景下是可線性化的。