預失真
預失真
簡單地說，預失真就是人為地加入一個特性與包括功放在內的系統非線性失真恰好相反的系統，進行互相補償，不存在穩定性問題，並有較大的頻帶寬度。如圖 2.11 所示輸入信號在進入功率放大器前，通過使用預失真技術，在整個功率變化範圍內進行放大增益和相位變化的補償。如果這種預失真特性能夠隨功率放大器輸出功率的變化而變化，那麼由溫度、電源電壓、管子老化等因素引起的性能變化就可以得到補償。
預失真原理圖
預失真原理：通過一個預失真元件(Predistorter)來和功放元件(PA) 級聯，非線性失真功能內置於數字、數碼基帶信號處理域中，其與放大器展示的失真數量相當(“相等”)，但功能卻相反。將這兩個非線性失真功能相結合，便能夠實現高度線性、無失真的系統。數字預失真技術的挑戰在於PA的失真(即非線性)特性會隨時間、溫度以及偏壓(biasing)的變化而變化，因器件的不同而不同。因此，儘管能為一個器件確定特性並設計正確的預失真演演算法，但要對每個器件都進行上述工作在經濟上則是不可行的。為了解決上述偏差，我們須使用反饋機制，對輸出信號進行採樣，並用以校正預失真演演算法。數字預失真採用數字電路實現這個預失真器(Predistorter)，通常採用數字信號處理來完成。通過增加一個非線性電路用以補償功率放大器的非線性。這樣就可以在功率放大器(PA)內使用簡單的AB類平台，從而可以消除基站廠商製造前饋放大器 (feedforward amplifier)的負擔和複雜性。此外，由於放大器不再需要誤差放大器失真矯正電路，因此可以顯著提高系統效率。
預失真線性化技術，它的優點在於不存在穩定性問題，有更寬的信號頻帶，能夠處理含多載波的信號。預失真技術成本較低，工藝簡單，便於生產，效率較高，一般可以達到19%以上。
數字預失真的缺點：線性度略低於前饋技術，但是目前兩者的已經比較接近。
數字預失真技術目前之所以沒有像前饋技術那樣得到廣泛應用，主要原因是該技術存在以下技術瓶頸：寬頻功放的非線性特性建模，它的挑戰在於PA的失真(即非線性)特性會隨時間、以及偏壓(biasing)的變化而變化，因器件的不同而不同。
在PA器件中校正模擬失真，減小了體積，功耗和成本
採用LDMOS和GaN晶體管與AB類和Doherty放大器相兼容
存儲器實現自適應預失真核
支持20MHz的調製帶寬
提供20 - 30dB的ACP校正功能
自適應均衡器和AQM校正
在開路電視傳輸設備中高功率放大器(HPA)對整機的價格具有決定意義，對於給定的功率和雜訊電子，HPA的價格將隨著輸入信號線性工作範圍的擴大而攀升．因此用擴展HPA的線性工作範圍的技術取代購買更高檔的HPA的研究意義重大。對於擴展HPA線性範圍的研究和應用一一即預失真技術，在國外已經有很多成熟的經驗，出現了很多種數字自適應預失真技術如：查表法、笛卡爾環法等，而我國在國慶50周年的數字電視試播中卻仍沿用模擬電視中的中頻預失真技術，本文旨在介紹一下國外的先進的數字自適應預失真技術。
1、預失真的工作原理
現在的線性調製技術如QPSK和QAH及多載波調製等儘管能提供良好的頻譜效率，但由於HPA的非線性，調製后產生的波動包絡信號能引起隨後的HPA產生互調失真(1MD)，互調失真多呈現出鄰頻干擾、帶內干擾現象．為了擴展HPA的線性，產生了多種預失真技術，但其原理卻都是在調製器和高功放間插入一個非線性的器件作為預失真器件(PD)，使得預失真器和高功放作為一個整體來看，其增益特性為線性。如：
假設預失真器的增益函數為D?；而高功放的增益函數為：P(，)；則整體的增益函數：
H(，)：D(，)xP(，)=常數C
從局部來看，由於IM3和IM5對高功放的影響比較大，而IM3(三次互調分量)和IM5可由IM2與IM4與原基帶信號調製產生，因此只要控制預失真器產生的IM2和IM4的係數，使其與高功放和原基帶信號調製產生的IM3和IM5精確地相位相反，理論上可以很大或完全地取消整體的IM3和IM5，使高功放呈現線性化，從而大幅度抑制帶外發射、減少帶內失真．
2、數字預失真和模擬預失真
預失真可以分為兩種即：數字預失真和模擬預失真．模擬預失真出現比較早，且技術比較成熟．對於模擬電視來說，低成本的。人工調整的中頻預失真電路可以工作的很好，這是因為傳送的圖像質量只隨HPA的工作非線性增加而降低，預失真電路只需要定期的調整．而數字預失真技術是隨著傳輸數字信號的應用不斷擴展的基礎上逐步發展起來的，數字音頻傳輸方面的預失真研究要比圖像傳輸方面相對成熟，國外對圖像傳輸方面的數字預失真已經有很多較成熟的技術和應用經驗，國內在數字預失真的研究相對滯后，在數字圖像傳輸試驗時或採用線性較好的電子管，或沿用模擬電視中的中頻預失真技術，但對於數字電視來說，由於存在著峭壁效應，即當傳送通道內的失真超過接收機糾錯能力時，圖像質量將從近乎完美變成完全丟失．未來發射機的固態化趨勢及數字電視信號對於高功放非線性的敏感性都需要採用實時的。自適應的預失真技術來抑制HPA的失真引起的峭壁效應的產生。
3、高功放(HPA)產生失真的原理及工作點對高功放的影響
引起高功放失真的因素包括長時因素，如溫度，老化、平均輸入電平變化等．也有短時因素如雜訊、動態調製(如TDMA中每個時隙採用不同的調製)、多載波(OFDM)等引起的AM-AM和AM-PM失真，這可根據Saleh的功放模型來推得：
A?=Haxr/(1+Uaxr‘)和厶①?二H， xr 2/(1+U中Xr‘)
其中，為瞬時輸入幅度，Ha、Ua、H，、U。是放大器的特性參數，工作A?和(，)就是由於高功放的非線性工作曲線而引起的AM-AM及AM-PM失真．這個模型對於全固態功放也適用。
下面是高功放的工作特性曲線圖：
圖中的曲線代表HPA的真正工作特性曲線，虛直線代表的是理論工作特性曲線，Rio是輸入信號幅度，線性輸出(要求功率)功率點是我們理論上最佳值，可以幫助在HPA真實特性曲線上搜索到實際輸出功率點，再從實際輸出功率點向下找到輸入功率Rln．~，Rzn…，d即是為實現擴張HPA曲線上部的壓縮而加入預失真器后HPA的輸入功率．我們可以看Rin-pd>Rin，此時HPA工作在非線性區域，如果不加預失真，那麼高功放的工作點只有降低以使其能夠工作在HPA的線性區域，此時就存在HPA的輸入功率回退問題，而提高工作點，有助於減少熱耗散，提高HPA的效率，儘可能高效率且無失真正是HPA的目標。
上面從輸入功率根據線性特性找到要求功率，再從要求功率找到HPA的實際工作特性曲線上相應的功率點，從相應的功率點向下找到實際預失真器產生的輸入功率，這個過程正是查表法(LUT)的工作原理，即根據瞬時輸入信號的功率，查表得到相應預失真應擴張的增益，再輸入到高功放實現高功放的線性化，但實際實行起來難度大、結構複雜。
4、笛卡爾環工作原理
笛卡爾環預失真器是能有效地抑制HPA的IMD，且簡單易行的工作電路，在數字圖像和數字音頻的傳輸中得到普遍的應用，現在笛卡爾環已經有了較大的改進，下面是其原理框圖：
在上圖中Rn是In+jQn的復包絡，其中In是同相分量，Qn是正交分量，同樣Hn是預失真器輸出信號的復包絡，Pn是解調后信號的復包絡．解調后信號的復包絡中包含了與HPA失真有關的AM-AM和AM-PM失真，預失真的目的就是調整預失真器輸出的同相和正交分量，使解調后的同相分量和正交分量與原基帶信號In+jQn相同，要達到這個目的，必須解決下面兩個獨立問題：
An(Un)=Pn (1)
M(9)+中n(Un)=R(9) (2)
公式(1)的含義是尋找一個改變與預失真器復包絡有關的幅值函數，使其等於解調后的復包絡Pn．公式(2)的目的是使預失真器的相角加上由於AM-PM而引起的相移應等於原基帶輸入符號的相角．由於相位失真易於解決在此不再討論，重點討論困難的、複雜的AM-AM幅度失真問題。
先前的笛卡爾環法是根據輸入符號 In+jQn和解調得到的符號，根據前面的公式即，H?·D?，P(，)：C，必須自適應地計算HPA的逆模型，這個逆HPA模型是一個多項式模型，且其階數必須比HPA的正向模型高几階。這種辦法有幾個缺陷：
A.解調輸出信號中包含了系統失真(預失真器+HPA)和雜訊，而逆模型比前向模型更易於受雜訊的影響，特別是當逆模型中包含高階的非線性多項式，更易導致慢收斂和解的偏移。
B．從輸入經過預失真器，調製器，再經HPA，解調后得到符號再計算誤差用於系統模型參數的更新，這個過程可引起大約 40多個數字電視的符號的延遲。
新的笛卡爾環法正如上圖所示與舊的笛卡爾環最大的不同，就是直接將預失真器的輸出數據輸入到前向HPA模型的計算中，結合解調后的輸入數據決定HPA引起AM-AM失真的多項式模型的係數項(an(k))．解決係數(an(k))的問題用RL$法(遞最小二乘法)，獲得的係數通過一個管道一次輸送到逆HPA模型的計算中，而不是每計算一個數據更新一個數據，同 時還加入一個雜訊消減器，這個在雜訊消減器圖中沒畫，在數字數據處理中這個不難實現。