张智渊
中国电子科技集团公司第三十六研究所 浙江嘉兴 314033
摘要：数字预失真技术应用于信号产生系统，结合放大链路增益曲线的软件自动提取，可以极大地改善放大链路瞬时宽带幅频响应。
关键词：数字预失真；幅频响应；放大链路
引言
在一些应用场合，需要在远场配置一个大功率的瞬时带宽较宽的多谱线信号，通过无线传播以辅助系统完成设备的测试、性能调整等工作。因整个信号产生链路宽带幅频响应不理想，产生的宽带信号中各频率分量的幅度波动较大，很大地影响了系统的调整效果，严重时甚至使系统所做工作无效。近年来，数字预失真技术越来越多地用于信号产生系统，用于补偿链路某种不理想的响应。如果将数字预失真用于瞬时宽带信号的产生，并能实现对整个放大链路宽带幅频响应的极大改善，将非常具有应用价值。
1宽带大功率信号产生链路组成
宽带大功率信号产生链路主要由波形发生器、信道调理、功率放大器三部分组成。其中波形发生器基于软件无线电原理进行设计，主要由大规模数字可编程器件结合高速数模转换器实现，其作用是产生瞬时宽带小信号。信道调理主要由调谐通道、滤波电路等实现，用以完成频谱搬移、滤波、信号均衡等功能。功率放大器主要负责将小信号放大至系统所需的发射功率，其本身自带反馈电路，用以完成功率过冲控制、功率可调等功能。
2大功率宽带信号存在的问题分析
瞬时宽带大功率信号用以辅助系统完成设备测试、性能调整等工作，一般对于系统的需求来说，都希望这个瞬时宽带信号能有比较好的幅频响应，即瞬时带宽内组成这个宽带信号的各频率分量的幅度尽可能的一致，这更有利于系统开展各项测试及调整工作。可实际情况是，因为整个链路较长且带宽较宽，如不对其进行细致的优化工作，最终出来的信号会呈现高低起伏，且起伏较大，会极大地影响系统完成各项工作。下面结合宽带大功率信号产生链路的主要环节分析引起信号幅度高低不平的原因。
2.1高速数模转换器对宽带幅频特性的影响
数模转换器（DAC）用于实现将数字信号转换成模拟小信号，因为DAC输出的信号是一系列矩形波的叠加，所以DAC的输出频谱包络会呈现Sinx/x的效应。对于瞬时宽带信号来说，这个效应带来的影响就比较明显了，处于频段边缘的频点的幅度会以Sinx/x函数趋势下降，造成整个带宽内各频率分量幅度的不一致。对于这个问题可以用反Sinx/x滤波器来补偿，一是可以选择本身带反Sinx/x补偿的DAC器件，二是对于没有反Sinx/x补偿的DAC器件，可以在波形算法中嵌入反Sinx/x滤波。
2.2信道调理对宽带幅频特性的影响
信道主要完成频谱搬移，在此环节宽带幅频特性主要受混频器性能和信道滤波器幅频特性的影响，其中影响较大的是信道滤波器。信道滤波器是宽频带的，为了抗频率混叠，滤波器须有高的矩形系数。对过度带的高抑制比追求通常会付出一定的代价，如滤波器设计的不理想，各频率分量在其频段范围内的会有几个dB的波动范围。信道后的调理电路主要完成滤波及幅度均衡，这个环节的滤波器一般远大于瞬时带宽且没有高矩形系数要求，整个带宽内波动较小。幅度均衡主要针对整体的幅度调整，对各频率分量幅度的波动几乎没什么影响。
2.3功率放大器对宽带幅频特性的影响
大功率的功率放大器一般工作于饱和状态，靠耦合反馈检测来控制信号的过冲及恒定功率输出。在单频点放大模式时，这样的反馈控制对每个频点的功率输出控制还是比较理想的。在瞬时宽带多频点放大时，这样的反馈模式仅能保证多频点总的输出功率相对稳定，但对各频点间幅度的均衡无法保证，此环节造成的各频率分量在瞬时带宽范围内的波动会远大于信道环节。
综合上面分析，造成宽带大功率信号各频率分量幅度波动的主要因素为信道波动和功率放大器波动，而其中功率放大器造成的波动更大。
3预失真改善宽带幅频特性的原理
整个放大链路的幅频特性不仅与信道的增益曲线有关，还与功率放大器的增益曲线有关，实际上真实的增益曲线应该为X。在整个链路内，如果能预先获得信道与功率放大器的增益曲线参量，就可以以这两组参量计算出整个放大链路的预失真参量，然后结合波形产生算法产生预失真的宽带信号，以抵消信道、功率放大器对各频点幅度的影响。
3.1预失真实现原理
预失真实现原理框图见图1，信道和功率放大器输出各有一路耦合信号提供给下变频，下变频后对信号进行采样，然后由算法软件自动完成增益参量提取并计算出预失真参数提供给波形算法以实现预失真信号的产生。
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3.2预失真算法
在宽带多载波信号的波形数据算法中，在时域上，可对每个子载波都赋予一个幅度校正因子，由此多载波的合成公式为，即为第i个子载波的幅度校正因子。在进行幅度预失真时，每个子载波可在其频率对应的增益曲线上找到对应的值，在这i个子载波中选取其中最大的一个子载波，假设其功率为dBm，它的幅度校正因子可参定为1。那么在进行信号波形计算时，第i个子载波的幅度校正因子满足如下公式：
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4工程应用情况
4.1增益曲线参数提取
增益曲线参数的提取可分两步进行，先提取信道的增益曲线参数，再提取功率放大器的增益曲线参数。结合某项目测试情况，因该项目采用的上变频模块在瞬时带宽内幅度一致性较好，所以整个链路的宽带瞬时幅频特性主要受功率放大环节影响。图2中左侧图为软件读取功率放大器增益后描绘的增益曲线图，右侧为频谱仪实测的频谱图。由图可见，增益曲线的趋势与实测信号幅度趋势基本一致。
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4.2预失真后改善情况
利用提取的增益曲线数据利用算法对波形数据进行预失真，重新产生的信号频谱图见图3。由图可见，瞬时带宽内信号的幅度相对趋于一致，与图2对比，各频点间的幅度差距由超过6dB缩小为2dB以内，整个带宽内的幅度响应大为改善。
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结束语
本文分析了放大链路瞬时宽带幅频响应波动大产生的原因，找到了用数字预失真的方法以改善整个放大链路的瞬时宽带幅频响应，并能预先用软件自动获取放大链路的增益参数，非常具有应用价值，该方法也值得类似项目借鉴。
参考文献：
[1]马进 数字预失真基本原理.电子科技，2006（09）.
[2]王宏蕊，李向国 一种远程幅频特性测试仪的设计.兰州文理学院学报2018（03）.
作者简介：
张智渊（1977-），男，高级工程师，主要从事系统集成工作。