电视发射机预校正技术的探索与研究

蒋 琦

（贵州省新闻出版广电局七九四台，贵州 六枝特区553400）

0 引言

无论是模拟电视发射机还是数字电视发射机，最基本的要求是功率放大器应具有高增益、高动态、高线性的指标。电视发射机的非线性失真，主要由末级功率放大器产生，数字电视发射机的额定输出功率按平均功率规定，要求数字电视发射机的末级功率放大器应能在平均功率比峰值功率低得多的情况下高效率应用，在调制信号动态峰值范围内发射机仍有良好的线性，这就需要采用非线性预校正措施来改善功率放大器的线性。

1 导致非线性失真的主要原因

在电视发射系统中，功率放大器是必不可少的器件，为了获得足够大的射频输出功率，必须采用功率放大器。发射信号经过一系列的放大并获得足够的射频功率以后，通过馈送到天线上辐射出去。一个理想的放大器，其输出信号应当如实的反映输入信号，即二者尽管在幅度上不同，时间上也可能有延迟，但波形应当是相同的。但是，在实际的功率放大器中，由于种种原因，输出信号不可能与输入信号的波形完全相同，这是导致发射系统中信号失真的主要原因。

功率放大器产生的失真主要是非线性失真，又称为波形失真，顾名思义就是输入信号和输出信号不成线性关系，使得输出信号中产生了新的频率成分，原信号频谱被改变，从而原有的频率线性度变差，即产生了非线性失真。

非线性失真的产生，既跟模拟器件(如晶体管)本身的非线性特性有关，更多还是跟当前功率放大器的静态工作等位置设置不合适或者输入信号过大有关。

功率放大器本身总是存在着固有的非线性特性。当输入信号的功率较小时，功率放大器通常工作在线性区，此时并不会产生频率失真，但是功率放大器的效率很低。因此为了提高功率放大器的效率，生产厂商往往会在一定程度上牺牲线性度，上调各级功率放大管的放大输出，允许功率放大器工作于接近饱和的非线性区，此时的确获得更佳的功率放大效率。然而当信号的峰值接近功率放大器的饱和工作点时，就会产生非线性失真。这一点在OFDM等多载波技术中尤其明显，由于它们不再是恒包络调制，其功率会随着时间变化而变化，而且会体现出较高的峰值平均功率比(PAPR)，因此同等条件下非线性失真比PAPR较低的单载波还要严重。

2 非线性失真带来的问题

其一，非线性失真会导致带外频谱再生，从而造成邻信道干扰；其二，非线性失真会对有效带宽内信号产生互调失真，导致信号质量下降，MER降低，误差矢量幅度增大。可见，在功率放大器的线性度和工作效率之间存在着矛盾。在超过功率放大器线性工作区后，功率放大器的效率与线性度近似成反比。因此，线性度和功效一直是发射机中功率放大器设计所需要均衡的两个参数。

衡量发射系统线性度的常用指标是邻信道功率比，是指相邻频率信道的平均功率和当前所用信道的平均功率之比，可以用来描述功率放大器非线性失真引起的信号带外频谱失真特性，也就是主功率泄漏到邻频信道的程度。同时，输出信号质量指标MER也可以用来衡量非线性失真程度。

为了解决发射系统的线性度问题，实际中最简单易行的解决方法就是针对给定的功率放大要求和调制方案，尽量使用线性功率放大器(如A类功率放大器)，并将功率放大器通过功率回退的方式，使之工作到线性且无失真的工作点，同时系统工作效率被降低，但是功率回退法存在以下较多的缺点：

（1）通常功率放大器的线性区是一个很窄的范围，即使同功率同组成的功率放大器，线性区也并非完全一致，要通过手动调节找到满足要求的功率放大器的线性工作点是比较困难的。

（2）在OFDM等多载波技术下，PAPR较大，信号容易进入非线性区。此时需要回退很大时才能满足对信号峰值的线性放大，然而峰值信号出现的概率较低，从而导致功率放大器的效率非常低，功率放大器的大部分非线性区被直接浪费掉。

（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输出的时候，设备成本将大幅增加。在某些情况下，功率放大器成本可能会达到发射系统总成本的二分之一。

（4）功率回退法会降低电源利用率，增加热耗散，不符合绿色、环保、节能的概念。

（5）当功率回退到一定程度时，即使继续回退也将无法显著改善功率放大器的线性度。

3 功率放大器线性化的方法

数字电视发射机功率放大器线性化的方法，一般采用非线性预校正实现非线性补偿控制，改善发射机输出信号的频谱特性，保证发射出去的信号始终处于高指标的状态。预校正主要是针对发射机功率放大器进行的校正，与功率放大器的响应曲线互补，可以提高发射机的平均输出功率，把在线性区域之外的饱和区通过输入信号预失真使得输出信号成线性放大。

在对线性度要求很高的发射系统中，功率回退法已无法满足系统的要求。因此为了改善功率放大器的线性度，对于功率放大器的线性化电路的研究成为了一时的热点。例如，传统的模拟前馈线性化技术(feed—forward法)，它位于发射机功放模块内，由两个环路构成，分别用于载波信号的抵消和交调信号的抵消。模拟的前馈线性化技术可提供很好的线性度，但通常效率低下，并且模拟硬件较为昂贵、复杂且不便系统集成和维护。除前馈技术外，其他线性化方法包括笛卡尔反馈和使用非线性组件实现线性放大等。与前馈技术及其变形类似，这些技术虽然在一定程度上能改善功率放大器的线性度，但是或者涉及大量模拟器件，或者需要使用难以控制的非线性组件，并不适合大规模生产。

与对功率放大器直接进行线性化操作不同，所谓预校正，就是预先对将要进入功率放大器的输入信号的幅度和相位进行预失真，从而以抵消包括功率放大器在内的整个发射链路的线性失真和非线性失真的一种操作。可以把预校正操作也看做功率放大器之前的一个非线性器件，它所输出的信号也“遭受”了线性失真和非线性失真，扩展成了非线性信号，只不过它的非线性特性刚好与发射机包含功率放大器在内的其余器件产生的失真互逆，从而使得包括预失真器和功率放大器在内的整个发射链路是一个线性系统，原有的输入信号被完美地放大，于是发射链路最后输出信号为理想信号。

预校正技术可以在射频、中频和基带位置上完成，分别对应射频预校正、中频预校正和基带预校正。通常射频预校正和中频模拟预校正大多在模拟域完成，数字预校正在基带完成。模拟预校正受限于自身的自增幅效应以及功率放大器中高阶非线性特性的影响，对线性度的改善效果有限，同时低阶的模拟预失真必然导致高阶非线性分量的产生。对于中频预失真而言，后接的混频器和滤波器的时延特性还会对预校正的结果产生影响。相比数字信号处理技术的高速发展，模拟的方式存在精度差、处理复杂、调控难的缺陷，约束了它在实际中的推广应用。

数字基带预校正是在基带信号进入DAC之前对输入信号进行预先的反失真，也就是完全在数字域内进行的改善线性和非线性的数字信号处理，因此有着很多优点。

（1）数字基带预校正技术需使用少量的模拟器件，因此成本比前馈技术低。

（2）数字基带预校正技术在基带进行信号处理，不依赖于系统的工作频率。

（3）不涉及复杂的模拟和射频信号处理，全数字化操作，从而具有精度高、一致性强、易于调整和控制等优点。

（4）结构相对简单、固定，新技术(如自适应技术)可以被方便地应用于数字预失真技术中。

数字基带预校正技术是预校正发展的必然趋势。尤其是最新的自适应预校正算法，其摆脱了传统预校正需要人工干预的手动调节方式，自动化程度高。由于其并非预存失真模型，而是根据放大器的特性变化而变化，因此即使对于具有记忆功能的射频功率放大器，或者根据时间、温度变化而变化的非线性特性，也有相当理想的效果。自适应算法通过比较来自功率放大模块的反馈信号和延迟后的输入信号，判断失真程度，实时自动生成预失真曲线，从而完成预校正功能。数字基带预失真的研究热点包括DSP自适应算法、查找表非均匀索引、基于神经网络的自适应预失真和具有记忆功能的功率放大器预失真等。

4 结束语

发射机采用了预校正功能后，功率放大器就可以工作到接近饱和的状态并同时保持良好的线性，从而大大地提升功率放大器的效率。这相当于在相同输人功率下能发射更大的功率，从而有利于改善覆盖效果，或者是在同样的额定输出功率下，需要更小的输入功率，从而有助于降低设备成本和运行成本，也符合能源节省和绿色环保的概念。

［1］周洪.地面数字电视发射系统与覆盖网络[Z].