一种射频预失真器的设计 The Design of a RF Predistorter

doi:10.12677/hjwc.2012.22006

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Hans Journal of Wireless Communications 无线通信, 2012, 2, 31-33

http://dx.doi.org/10.12677/hjwc.2012.22006 Published Online May 2012 (http://www.hanspub.org/journal/hjwc)

The Design of a RF Predistorter

Yongbo Xiang1, Jun Peng2

1Institute of Microelectronics, Chinese Academy of Sciences, Beijing

2Air Force of Early Warning Institute, Wuhan

Email: micsearcher123@126.com, pengjun613@gmail.com

Received: Mar. 5th, 2012; revised: Mar. 26th, 2012; accepted: Apr. 1st, 2012

Abstract: An analog RF active predistorter is designed. The nonlinear outpu t signal of a small signal amplifier is used

as the predistortion source of the power amplifier, the phase and the amplitude of the nonlinear signal is properly tuned,

and it is injected to the main sig nal branch, the predistortion signa l to gether with the original signal acted as the driver

signal of the power amplifier, the predistortion effect is good. A GSM station power amplifier is predistorted by the

designed predistorter is tested; two-tone test shows the IMD3 products of the power amplifier improved 12.2 dBc.

Keywords: Journals Analo g Predistortion; Radio Fre quency; Third-Order Intermodulation; Power Ampl i fi e r

一种射频预失真器的设计

向永波 1，彭军2

1中国科学院微电子研究所，北京

2空军预警学院，武汉

Email: micsearcher123@126.com, pengjun613@gmail.com

收稿日期：2012 年3月5日；修回日期：2012 年3月26 日；录用日期：2012 年4月1日

摘要：设计了一种有源射频模拟预失真器。利用小信号放大器的非线性输出信号作为功率放大器的预失真信

号，经过对该非线性信号适当的相位和幅度调整后，将该预失真信号注入到主信号支路与原始信号一起作为功

率放大器的驱动信号，产生了比较好的预失真效果。利用该预失真器对一个 GSM 基站功率放大器进行预失真测

试，双音实测数据表明该预失真器使功放的三阶交调失真(IMD3)改善了 12.2 dBc。

关键词：模拟预失真；射频；三阶交调；功放

1. 引言

随着通信技术的不断发展，对射频功放提出了越

来越高的要求，主要体现在线性度和效率两个方面[1]。

单纯的功率回退手段虽然能够提高功放的线性指标，

但满足不了高功率的要求，而且功率回退导致放大器

效率低下，这在许多场合都是不能接收的。因此，出

现了反馈、前馈和预失真等功放线性化技术[2]，由于

反馈法存在延迟和不稳定问题，因而在射频领域已经

很少采用，现在研究的主要是前馈和预失真[2]，由于

预失真在功放的效率方面固的优势，使其成为了大多

数研究者的首选。虽然模拟预失真对功放的线性度的

改善不如数字预失真大，但由于其电路简单、成本低

廉，依然被许多设计人员采用。在线性度要求不是很

高的场合，单一的模拟预失真已经能够满足系统的指

标要求；在线性度要求更高的场合，它可以和其它线

性化技术结合使用(比如前馈技术)，这样不但可以更

进一步提高功放的线性度，而且会改善功放的效率[3]。

本文从对三阶交调失真(IMD3)的分析着手，设计

了一个有源预失真的简化电路，降低了电路的复杂度

却不影响预失真效果，从而简化了设计，降低了成本。

一种射频预失真器的设计

2. 功放非线性分析

当有两个以上频率分量输入非线性系统时，将会

产生一系列寄生的频谱分量，这些寄生的频谱分量为

互调产物。考虑无记忆系统的双音输入情况，设输入

信号为：

 

cos cos

vA tt









(1)

考虑放大器的非线性特性，在无记忆系统中，其

传输函数可以用泰勒级数表示为：

 

12 3n

oii ini

vtkvtkvt kvtkvt  (2)

将1式代入 2式并只考虑前三项，则有：

















 

12 3

11 2

212

312

coscos

oii i

vtkvtkvt kvt

kA tt



 

















(3)

其中的三次项为：

  





_3rd 312

12 21

21 12

1cos 3cos 3

3cos23cos2

vtkA tt



 















(4)

三阶互调为 12



和2



两项。

 

33 21 12

3cos 2cos 2

vt kAtt

 













(5)

其它互调项可以依此类推。

功放在多音测试信号下会有无穷多阶互调产物

产生，由于普通 A类或 AB类功放的三阶互调分量的

幅度要远大于其它高阶互调产物，高阶互调产物通常

很小，因而很多情况下通常不予考虑。本文的模拟预

失真器，只对功放的三阶互调做预失真处理。

3. 有源模拟预失真设计原理

典型的有源模拟预失真电路如图1所示[4]。

输入的射频信号经过两次功分后，经由支路 3产

生的非线性信号与支路 2的线性信号反相迭加后剩下

误差信号，再注入到主信号支路 1，作为功放的驱动

信号，其反相的误差成份将与功放产生的交调失真分

量进行对消，从而达到预失真的目的。

Figure 1. Typical analog active predistortion circuit

图1. 典型有源模拟预失真电路

由于功放采用的是线性度较高的管子(如

LDMOS 管)，其经过几个 dB 的回退后，IMD3可以

控制在–40 dBc以下，而预失真电路中所用的放大器

目的就是要产生失真分量，因而采用线性度较差的

BJT 管。这样，经由BJT 放大器输出的交调分量相对

较大，将其反相耦合到主信号路，可使主信号对消较

小的情况下仍然有较大的交调分量。其电路原理图如

图2所示。

假设当信号输入时预失真电路放大器的 IMD3 为

–30 dBc，而功放的 IMD3 为–42 dBc。这样，由非线

性支路 2输出的主信号的幅度可比线性支路1输出的

信号的幅度低 12 dB，其交调成份经过功放后刚好可

以与功放产生的三阶交调分量进行抵消，而预失真电

路只会在增益上受到微弱的影响，与图 1所示电路相

比，其增益降低量为：





1.2

10log11100.283 dBA  (6)

可见，这一点影响对增益通常为几十个 dB 的功

放来说是微不足道的，完全可通过微调功放自身的增

益来进行弥补，而其对三阶交调分量的对消却起到了

与图 1所示电路相同的效果。

Figure 2. Simplified active predistortion circuit

图2. 简化有源预失真电路

一种射频预失真器的设计

4. 电路的制作与实测

采用 MSA0386作为预失真器中的非线性放大管，

在GSM 频段范围内，其输出功率 1 dB压缩点功率为

10 dBm，增益为12 dB。实际电路图如图 3所示。

功放的 1 dB压缩点输出功率为 45 dBm，增益为

50 dB的GSM 基站功放进行预失真。预失真器的增益

约为–7.5 dB。利用频率间隔为 600 KHz的双音信号对

电路进行测试，保证功放的每个载波的输出功率为33

dBm。未加预失真前，功放的输出频谱如图 4所示，

加了预失真后，功放的输出频谱如图 5所示。

Figure 5. Two-tone test result of the power amplifier with

predistortion

图5. 预失真后功放的双音测试结果

Table 1. The comparison of RF analog predistortion

由图 4和图 5的对比可知：在未加预失真时，功

放输出的 IMD3 分别为–44.35 dBc和–44.28 dBc；加了

预失真后功放输出的 IMD3分别为 56.56 dBc和56.54

dBc 。可见该预失真电路对功放 IMD3 改善了 12.2

dBc。表1为本文的模拟预失真器与参考文献的模拟

预失真器的性能对比，本文设计的简化有源射频模拟

预失真器在模拟预失真里面处于比较好的水平，而且

电路结构相对简单，设计调试方便。

表1. 射频模拟预失真性能对比

数量文献[4] 文献[5] 文献[6] 文献[7] 本文

IMD3 改善量

(dBc) 6.6 13 12 10 12.2

特性的分析比较，推荐出了一种可行的简化预失真方

案，对测试功放的三阶互调的改善度达 12.2 dBc，在

不影响预失真性能的前提下使预失真电路的复杂度

降低了近一半，从而大大节省了设计、调试时间和电

路的制作成本，同时简化的电路结构更容易实现电路

尺寸的小型化。受模拟预失真对功放线性度改善不高

的影响，在线性度要求较高的场合，这种预失真电路

可以与其它线性化技术配合使用。

5. 结束语

本文通过对有源模拟预失真器和功放的 IMD3

参考文献 (References)

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[2] 张艳焰. CDMA前馈功率放大器[J]. 日用电器, 2004, 3:

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Figure 3. RF analog predistorter

图3. 射频模拟预失真器 [3] I. Kim, J. Cha, S. Hong, Y. Y. Woo and B. Kim. Predistortion

power am plifi er for base- sta tio n usi n g a fee d for war d loop linearizer.

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Figure 4. Two-tone test result of the power amplifier without

predistortion

图4. 未加预失真时功放的双音测试结果