基于频谱混叠消除的超宽带毫米波功率放大器的低速低功耗线性化研究

In order to meet the customers’ high-data rate demand, the Fifth Generation (5G) wireless communication system will occupy the high frequency band and deploy the ultra-wide bandwidth signal. Digital Predistortion (DPD) technique is the essential tool to alleviate the power amplifier distortion due to the ultra-wide bandwidth. However, the ultra-wide operation bandwidth has become a bottleneck for DPD development, and the relatively high-power dissipation is an urgent issue as well. The project associates the aliasing elimination algorithm with conventional power amplifier calibration architecture, proposing a two-cascading low-rate DPD structure especially for the application of ultra-wide bandwidth in the millimeter wave scenario. The new aliasing elimination idea can straightforward decrease the operation bandwidth of DPD module, ADC, DAC, up-converter and down-converter. Moreover, based on the study of the low-cost hardware implementation methodology, the innovative design of hardware-friendly structure will be proposed according to the specific DPD algorithm. The contribution of the project will remove the limitation set by the ultra-wide bandwidth as well as optimize the system resource utilization.

第五代移动通信（5G）将开放超高频段并采用超宽带传输信号来满足高速数据传输需求。为缓解超宽带功率放大器的信号失真问题，数字线性化技术（DPD）在5G通信中必不可少。然而，由超宽带技术所导致的DPD模块的超大工作带宽问题已成为DPD发展的主要瓶颈，同时带来的系统高耗能问题也亟待解决。本项目针对毫米波频段超宽带功率放大器的非线性问题，将频谱混叠消除算法与DPD线性化架构相结合，提出新型两级低速DPD级联线性化方案。通过消除频谱混叠现象，此方案可降低DPD数字域的运算速率，同时降低ADC, DAC以及上/下变频模块的工作带宽。此外，本项目将基于线性化模型开展硬件电路研究，提出低功耗数字电路设计方案。此项目的研究内容将打破超大工作带宽对数字线性化技术的限制，实现系统资源的合理配置。

随着第五代移动通讯信号带宽的不断增加，功放的非线性模型需要更高的采样率来表征全频段的信号特性。首先，本项目研究人员提出高精度低速频谱混叠消除算法，并将此算法首次应用于频分全双工带外抑制中。所提出频谱混叠消除模型摈弃了传统的高采样率方案，通过在低速运行的情况下利用模型交叉项拟合遗失的数据点。在文献中提出的模值相关的非线性多项式的基础上，创新性地加入了相位的非线性多项式。实验结果表明，所提出模型相较于原有模型可以有效地提高低速功放非线性模型的精度，大大的降低模型实现的复杂度，在一定程度上消除频谱混叠问题。其次，针对功放预失真模型（DPD）的超宽工作带宽问题（高采样速率），提出低速低功耗预失真矫正策略。本项目将所提出的低速高精度频谱混叠算法应用于预失真模块，进一步深入优化模型，采用一个低速预失真模块同时解决了带外频谱混叠和带内非线性矫正两大问题，大大降低了模型算法的复杂度和运行所需的能源消耗。再次，研究低速DPD低功耗硬件实现架构，搭建测试平台进行线性化性能测试。在研究算法低功耗实现的过程中，对DPD线性化实现架构进行了改进，实验并验证了无反馈回路的DPD硬件实现架构。无反馈回路DPD硬件架构削减了整个反馈回路，包括ADC, 下变频，参数提取等一系列的硬件电路，极大地降低了硬件实现复杂度和能源消耗。本项目研究结果可以为毫米波频段功率放大器的非线性建模以及线性化方案提供背书，可为降低硬件实现中复杂度和能源消耗提供理论依据。