[硕士论文精品]cdma2000预失真技术的研究和应用

摘要本文研究了预失真技术在CDMA2000系统中的应用，设计了一种实用的数字预失真系统来提高功率放大器的线性度和效率。本文在分析了功率放大器的非线性特性基础上，仿真了非线性对CDMA2000系统下行信号的影响，并介绍了几种常用的线性化技术。然后详细分析了预失真技术，并对目前几种可实际应用的顸失真方案进行了分析，根据实际。隋况并结合CD2000系统设计出了基于PMC方案的预失真系统，并进行了硬件实现和软件配置。最后，在所实现的硬件平台上测试了所设计的预失真系统在CD雌2000系统下行链路中的性能指标，验证了所设计的预失真系统可以在较高程度上提高功率放大器的线性度和效率。如何进一步提高功放效率和消除双肩不平现象有待于日后预失真技术的再深入研究。关键字预失真CDM2000功率放大器线性化技术ABSTRACTAPPLICATIONOFPREDISTONIONTECHNOLOGYINCDMA2000SYSTEMISDISCUSSEDINTHISPAPERANDAPRACTICALDIGITALPREDISTONIONSYSTEMISPROPOSEDTOIMPROVELINEARITYANDE播CJENCYOFPOWERAMPLIFIETTHISP印ERSIMULATESTLLEE行BCTSOFNONLINEARITYONDOWNLINKSIGNALSINCDMA20008YSTEM，WHICHBASEDONANALYSISOFPOWERAMPLMERSNOMINE碰TYCHARACTERISTICANDSEVERALPOPULARIINE撕TYTECHNOLOGIESAREIN廿ODUCEDTHENPREDISTONIONTECHNOLOGYISDETAILED，ANDSEVERALPRACTICALPREDISTONIONSCHEMESATPRESENTAREANALYZEDAPREDIGTORTIONSYSTEMBASEDONPMCSCHEMEISDESIGNEDACCORDINGTOPRACTICEALLDINTENNSOFCDMA2000SYSTCMMOREOVERTLLEHARDWAREISREALIZEDANDCONJKSOFTWAREISDESIGNEDA“AST，PERFBHNANCEISTESTEDONHARDWAREOFDESIGNEDPREDISTONIONSYSTEMINCDMA2000SYSTEMD删ILLK，WHICHPROVESMATDESIGNEDP始DI蛐ONIONSYSTEMINCREASE1INEARITY砒LDE壤CIENCYOFPOWER枷PLI6ERT0AGREAT蹦TENTMORE瓤LVANCEDRESEARCHWILLBESTUDIEDLATERTOF叭HERIMPROVEPOWERAMPLMERE舒CIENCY锄DELIMINATEUNEQUALT、OSIDESKEYWORDPREDISTORTIONCDMA20POW盯AMPLM付LINENRI哪T盹HNOIOGY创新性声明JF8S897五本人声明所呈交的论文是我个人在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其它人已发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中做了明确的说明并表示了谢意。申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切穗关责任。本人签名毒互，一日期撕多弓2关于论文使用授权的说明本人完令了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全、一、部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。保密的论文在解密后遵守此规定本学位论文属于保密，在年解密后适用本授权书。本人签名盔当日期HA5Z导师签名二李叠塾牡日期盟_堕第一章绪论第一章绪论L，L引言自20世纪70年代末第一代移动通信系统面世以来，无线通信产业一直以惊人的速度迅猛发展，特别是近十年，无线通信技术不仅改变了人们的通信方式，还从某种程度上改变了生活方式。如今无线通信已经进入了规模化发展的阶段，成为推动社会经济发展的强劲动力。随着无线用户韵飞速发展和宽带通信业务韵开展，通信频段交褥越来越拥挤，在设法提高频谱效率的同时，也希望提高功率效率，使用最小的功率来保持每个信道的有效链接，同时保证对相邻频段的用户产生最小的干扰，也就是必须在所规定的频段内传送信号。但通信系统中的非线性器件必定会使发送信号产生非线性失真，从而对相邻信道产生不同程度的干扰。对于一个高功率的射频发射机而言，这些失真信号虽然垃所要输出的信号小许多，但是它的绝对值还是很大，会对系统产生干扰，因此必须控制在一定的范围内。对于采用恒包络调制如FM、MSK的无线通信中，可以采用滤波技术来消除谐波干扰。但是对于包络变化的线性调制技术，滤波不能消除交调产物，因此必须采用线性化的发射机系统。在CDMA2000系统中，基站的下行链路采用QPSK调制。多载被信号的包络不恒定，蜂均比较大，必须采用线牲化的发射机系统，以避免谐波干扰。射频功率放大器是发射机系统中非线性最强的器件，特别是为了提高功率效率，射频功放基本工作在非线性状态，因此线性功率放大器设计技术已成为线性化发射机系统的关键技术。目前，采用预失真技术来解决功率放大器的非线性闯题已成为一个广泛而活跃的磷究领域。有这几个因素第一，采用功率回退技术解决功放线性化，其电源利用率一般为15绝大部分能量转化为热量，功放潜力得不到发挥，并且制造成本提高；第二，对于多载波系统，会存在较高的峰均比，功放的非线性会影响系统的性能；第三，由于无线传输的多径效应和远近效应，多载波系统对邻道干扰要求非常严格，这就要求采用高线性度的发射机系统减少交调分量对相邻信道的干扰【1J；第四，动态信道分配技术要求发射机工作于任何一个信道，必须采用宽带线性化的功放。另外，自适应天线系统和软件无线电技术等也促使了预失真技术在解决功率放大器非线性方面的发展口J。12线性化技术的发展功率放大器的线性讫技术可以追溯到上个世纪二十年代。旱在I928年CDMA2000预失真技术的研究和应用HAROLDSBLACK就发明了前馈和负反馈技术，并应用于放大器设计中，有效地减少了放大器失真，可以认为是功放线性化技术研究的开端。后来DCCOX改进了负反馈线性化技术，提出了CANESIAIL负反馈，使负反馈技术曾在一段时间内基本代替了前馈技术，但随着通信技术的发展，人们逐渐认识到负反馈技术中的带宽限制和稳定性比较差等缺点不能完全适应通讯技术的发展，对前馈及其它线性化技术的研究又开始进一步发展。20世纪70年代初，DCCOX将移相技术应用到线性化技术中，提出一种称为LJNCLINE盯锄PJ矗CA矗ON州出NONJJ丑蹦COMPONEN括的技术，LINC主要应用与模拟通信系统中，可以适应幅度和相位都发生变化的信号调制方式，但LINC技术对信号合成器的要求较高。线性化技术发展中非常重要的一步是预失真技术的出现，预失真技术最初应用于模拟通信系统中的射频部分，19世纪80年代后期，模拟预失真进入快速发展时期，这时的主要应用对象是移动通信系统。后来随着数字信号处理DSP技术的发展，预失真线性化技术也可以在数字域内实现，形成数字预失真技术，一般有两种实现方式，基于非线性射频功放的参数模型实现和基于查找表方式实现。射频功放的参数模型有多项式模型、VOHEM级数模型等，都是预失真技术研究的热点。1988年，B8FCMAN等提出了利用查找表和曲线拟合的方法来实现信号的预失真，可以认为是查找表预失真技术的起源。数字预失真技术既可以应用在数字通信系统的基带部分，也可以应用在射频部分，而且预失真技术还可以利用自适应原理来跟踪补偿功率放大器对于温度、湿度等环境因素改变而造成的误差。总体来说，预失真技术不但可提升发射机的效率，降低成本与缩小体积，亦能有效增加发射机的线性度以提升系统效能与通信质量，是一种适应现代数字通信发展的线性化技术，在现代通信发展中扮演着关键性角色PJ。目前，在国际上对于射频功放的线性化技术研究都非常重视，MEE每年有关这方面的论文以百分之几十的速度增长。在应用方面，国际很多通信设备供应商都在积极投入研究功放的线性化技术，并取得了一些成果，在相关领域申请了一系列专利。在国内，对线性化技术的研究还不够成熟，发展比较缓慢，相关研究的论文也比较少，并且基本上是理论研究，实际应用研究的论文还很少见，这就对预失真技术的发展带来一定的阻碍。为了在线性化技术方面达到并且超过发达国家，国内很多大型通信设备供应商和研究院校都在不断加大对线性化技术应用研究的投入。13本文的主要工作和内容安排本论文主要工作包括从功放的特性着手，首先分析了功放的非线性特性和其对CDMA2000系统的影响，阐述了常用的几种线性化技术。然后对预失真技术第一章绪论进行了较为深入的研究，对目前可实际应用的几种预失真方案进行了分析，根据实际情况并结合CDMA2000系统设计了基于PMC方案的预失真系统，同时对PMC方案进行了详细的讨论。然后对所设计的预失真系统进行了硬件实现，并且设计了对应的配置软件。最后，在所实现的硬件上测试了所设计的预失真系统在CDMA2000下行链路中的性能，验证了所设计的预失真系统在CDMA2000系统中较高程度上提高了功放的线性度和效率。本文的基本结构安排第二章介绍了功率放大器的非线性，并且分析了功放的非线性对CDMA2000系统造成的影响，介绍了常用的几种线性化技术。第三章讨论了预失真技术的工作原理，分析了几种可实际应用的预失真方案，详细讨论了PMC预失真方案，并且基于PMC方案设计了适合于CDMA2000系统下行链路的预失真系统。第四章设计了预失真系统的配置软件，并对所设计预失真系统的实际应用效果进行了分析和对比。第五章对全文进行了总结。第二章功率放大器及其线性化技术第二章功率放大器及其线性化技术本章首先对功率放大器的非线性原理进行了分析，以级数的方式表达出无记忆和记忆性功率放大器非线性特性。然后对非线性功率放大器的模型进行了研究，主要分析了RAPP和SALEH模型。以这两种模型为基础，分析了非线性对CDMA2000信号的影响。最后对常用的几种线性化技术进行了简要介绍。2。L功率放大器的非线性功率放大器的非线性失真的实质就是在放大器输出信号中产生了输入信号中所没有的新的频率分量。功率放大器的非线性主要表现在两个方面，一个是输出信号的幅度响应非线性，即AMAM转换时出现的非线性，另一个是输出信号的相位响应非线性，即AMPM转换时出现的非线性，如图21所示。输劢事西输入功率CAH图21功率放大器的AMAM特性和AMPM特性功率放大器通常有一定的记忆性，即输出信号不仅仅依赖于输入信号的瞬时值，还与先前输入的信号值有关。功率放大器记忆效应通常是由偏嚣电路的时常数或者放大器的阻抗不匹配引起的。放大器在调制信号包络的作用下，其节点阻抗等特性髓着信号包络频率发生了变化，这种放大器在调制信号包络频率的作用下的幅度和相位失真称为电学记忆效应。功率放大器的电学记忆性导致了功率放大器的频率依赖性传输函数，示意图如图22。在数字域很难对电学记忆效应建模，虽然用多维表的方式可以对电学记忆效应进行表征，又因电学记忆效应主要由调制信号的包络引起，因此常用方法是对输入的基带信号进行微分和积分来得到表的地址。如果输入信号的带宽足够小，记忆的时常数小于信号最大包络频率的倒数时，传输函数基本就可以认为是常函数，在这种情况下，我们将功率放大器认输出功摹争己CDMA2000预失真技术的研究和应用为是一个无电学记忆的器件。圈22典型放大器的非线性频域AMAM失真功率放大器除了电学记忆效应外，还存在热学记忆效应。热学记忆效应主要由器件内部热电耦合产生，器件内部温度的变化将引起器件部分热学、电学参数发生变化，从而引起器件的非线性特性发生变化。由于此非线性特性变化曲线中有温度这个变量，在数字域里不易用某一数学函数表征。但是功放的热学记忆效应对功放失真特性引起的变化是一种馒变化，常用的方法是通过一个自适应算法对预失真参数进行微调。对于无记忆功率放大器非线性的分析，我们可以利用1对LOR级数。一个信号通过一个无记忆非线性系统后的输出信号可以表示为FF】3，FC2S，F屯J，【F3R21、其中S，和O分别表示非线性系统的输入和输出信号，CI是实系数。实验表明对于适度的非线性系统，当I3时21简化为，Q，鼻力乞”2岛力3CJ足够小，为简化研究我们将其忽略，式22对于单载波信号输入信号S。F爿COS2，无F，根据式22可以得到S。RC4COS2矾FQ口COS2矿T】2白口COSQ矾F】3丢叫2知COSZ荆圭叫2COS川知爪。S柏纠23我们由式23可以看出输出信号F中不仅包含5，F的基频分量，而且还包含直流寄生分量、二次谐波频率2FC分量和三次谐波频率3分量等。第二章功率放丈器及其线性化技术若输入信号是频率分别为F1和丘的等幅双音信号，即输入信号为J一一COS2葫FCOS2矾F，则根据2七可以得到0CL4COS2须FS2矾FC2，LCOS2瓠件COS2砍F】2C3COS2砺RCOS2矾F】叫2均一2CDS2万一脚心，4知翩COS2萌F叫知幻C。S2矾F言C3爿3C。S2石2一一，2F言C3爿3COS2厅2五一ZFQ爿2C。S2，R_嗄V圭C42COS2筇2工幻兰Q_2C。S2丌2厶R；巳_C。S2疗2工厶Y三CCOS2疗2厶肿B爪。S2棚们知肌。S2棚肭24我们由式24可以看出对于双音信号输入S，R，输出信号R中不仅有输入信号J，F的基频FL、F2分量，直流寄生分量，二次谐波频率2FL、2垃分量和三次谐波频率3FL、3F2分量，而且还包含二次互调频率F1F2分量和三次互调频率2FLT、2F，F1分量。在工作频带宽小于一个倍频程的系统中，所有直流及F1F、2FI、2F2、3FL、3丘、2FLL、2F2FL等寄生信号分量都会落在通带以外，并且可以用适当的滤波嚣将其过滤，所以三次互调频率2FLF2、2F2一分量才是对整个系统的干扰显著信号分量，也是功率放大器非线性的主要来源。当记忆的时常数大于信号最大包络频率的倒数时，对于不同符号速率，放大器的AMAM和AMPM特性会发生变亿。对于存在记忆的菲线性功率放大器，我们利用VOLTCHA级数F41分析其非线性，VOLTERRA级数是一种攒述非线性系统的代数方法。一个信号通过一个具有记忆效应的非线性系统后的输出信号可以表示为YD喜击出，幽。G。，“。彝球一“，告幽G】蜘球叫击咖，E咖G“川一坤一”击幽。L毗屯占，蚝坤啪雄一“加，一，十一F25、CDM2D00预失真技术的研究和应用其中XT和YT分别为具有记忆效应的非线性系统的输入信号和输出信号，N表示非线性系统的阶数，G。“1，“。为N阶、BLTERRAKEMELS，当中的U是时变参数，G。0L，“。表示了菲线性系统的时交响应。具有记忆效应的非线性系统的分析方法与无记忆非线性系统分析方法相同，但VOLTERRA级数中涉及多维FO嘶ER变换，过程相对较为复杂，这里不再做详述。22功率放大器非线性模型如果不考虑记忆效应，可以把输出信号中的幅度和相位失真看成是由输入信号的幅度变化引起的，将射频功放的AMAM、AMPM转换特性用串联方式表示，就可以得到极坐标形式的非线性模型。考虑S，口RCOS2矾H庐F输入信号，当该信号通过非线性功放后，输出信号可表示为S。F厂口FCOS2考F声FG口U26上式中，协F和G如R分别代表功放的AMAM和AMPM非线性转换特性。26所表达的模型可以描述包终变化的输入信号所产生的带内失真扰动，该模型用框图表示如下4FCOS2，毵TFG西FJ口FCOS27正F庐F厂K，COS2习0妒F占口P扮AMPMAMAM围23极坐标非线性模型框图通过对式26所示的极坐标非线性模型变形，可以得到正交形式模型。这种模型建立了两个幅度模型J曲F和Q如，从而避开了较复杂的AMPM转换特性。对式26三角展开表示为S。F厂口RCOSGDFCOS2力F声F一厂口FSING酗FSIN2力R庐O，缸OCOS2删F庐F一Q仁FSIN2刀F十F27上式中，IT和QT分别定义为第二章功率放大器及其线性化技术函，KFCOSG扫OQ如F，妇RSING如R根据式27可得到如图24所示的正交非线性模型框图。口FCO圈24正交坐标非线性模型框图通信系统中常用的高功率放大器HPA为固态功率放大器SSPA和行波管放大器TWLIA【51。固态功率放大嚣的相位失真相对较小，所以模型中只包含AMAM变换，适用于固态功率放大器的是R丑PP模型。适用于行波管放大器的是SALEH模型，它的特性相对固态功率放大器差，幅度失真和相位失真都比较明显，因此模型中包含了舢唾AM和AM巾M变换。用RAPP模型描述固态功率放大器的MAM变换，其触证AM响应响应函数为【6L，爿二扩1彳29胁F28、其中的P是光滑因子，A为输入信号的幅度，FA为输出信号的幅度。根据式28，R丑PP模型传输函数随光滑因子P变化的特性曲线如图25所示。R一T桃E图25RAPP模型的特性曲线由上图2，5可以看出随光滑因子P值的逐渐增加，放大器模型的线性逐渐增强，CDMA2000预失真技术的研究和应用当P10时，其传输函数己非常接近理想放大器的传输响应。面实际中，为了使放大器模型的传输特性接近于实际放大器的特性，我们将光滑因子P取值范围限定在2到3之间。用SALEH模型来描述行波管放大器。SALEH模型包含AMAM和AMPM变换，其AMAM响应函数和街DPM响应函数为7J八栅5芾州卜带。，其中D。，成，口。、以是模型参数，可以通过调整这四个参数得到适合的固定模型。对FA求导数，可以得出当功率放大器的输入值为“。L、瓦时，输出有最大值，爿一盘。彳。2，功率放大器的最大输出值决定了线性化可以修正的输出最大值。同理可以得出最大相位偏移妒。扫，以A当我们把模型参数设置为口。2、几1、口，万3、以L时，根据29可以得出S“EH模型的特性曲线，如图26所示。图26SALEH模型的特性曲线23非线性功率放大器对CDMA2000信号的影响非线性功率放大器对CDMA2000传输信号的非线性影响主要表现为信号的频带内失真和频带外失真。信号的频带内失真主要是信号的幅度和相位产生失真，使信号星座发生偏转，降低系统性能，信号的误码率上升；信号的频带外失真主要是信号的频谱扩展，对邻道产生干扰。CDMA2000系统的下行链路调制方式为QPSK，其传输信号的星座图如图27厂7一一_一一。一、，一一第二章功率放大器及其线性化技术所示。图27信号QPSK星座图如果仅考虑该QPSK信号经过高斯加性白噪声ADDMVEWHITEGAUSSNOISE简记为AWGN信道，当信噪眈咖T12DB时，信号星座图如图28所示。制口OP秫滞J2J瓣1击，；旨上图28信号经过AWGN星座图可以看出，当QPSK信号经过AWGN信道而没有经过非线性功放时，只要信噪比不是很小，信号基本都在星座点附近，没有发生较大的幅度和相位失真，相对比较容易解调和恢复数据。如果信号经过SS队和AWGN信道，用R印P模型描述SSPA，选择光滑因子P2，我们可以在接收端得到信号通过SSPA和AWGN信道后的接收信号，其星座图如图29所示CDMA20预失真技米的研究和应用图29经过AWGN和RAPP模型后信号QPSK星座图经过AWGN和RAPP模型后，由于信号处于非线性区，导致信号的幅度被压缩，信号幅度越大星座点受到的压缩越严重。如果信号幅度足够小，进入功放的线性区，就可以避免压缩现象，由R印P模型的AMAM特性曲线可以得到解释。如果信号经过硎TA和AWGN信道，选择SALEH功率放大器模型。模型参数设置为口。2、见1、口，厅3、以1，信号经过TWTA及AWGN信道后在接收端收到信号的星座图如图29所示。图29经过AWGN和SALEH模型后信号QPSK星座图可以看出，经过AWGN和SALEH模型后的信号除了在幅度上受到压缩外，在相位上也发生了失真。如果输入信号的幅度越大，受到的幅度压缩越严重，相位偏移越明显。当信号同时存在较大的幅度失真和相位失真时，信号星座图扭曲很大，难以正确判断星座点位置，特别是当信道的信噪比相对较小的时候，很容易第二章功率放大器及其线性化技术造成信号的误判。在频域内，非线性功率放大器会扩展输入信号的频谱，恶化ACI指标，对相邻信道产生干扰。ACIADJACENTCH锄ELINTEMRENCE是衡量功放线性度的一个重要指标，定义为调制信号的频谱和带外最大频谱的比值。在研究功放线性化技术时，通常用线性化后提高的相对ACI代替真正的ACI值。信号频谱图如图210所示，图中描述了调制信号和信号经过几种信道后的频谱图，可以看出，如果不存在干扰，信号具有很好的频谱特性，ACI值在40DB左右，加入白噪声后，ACI指标变差，但是小于30DB。但是，当信号经过非线性功放后，信号发生了较为明显的频谱扩展，而且我们可以看出同时存在幅度和相位失真的TWTA。造成的频谱扩展比只存在幅度失真的SSPA造成的频谱扩更加严重，ACI值也较大，这将意味着信号经过非线性功放后会对相邻信道产生明显的干扰。HT图210信号频谱图24线性化技术从上一节分析可以得出非线性功放对信号造成的影响非常大，为了减小这种非线性的影响，采用了功放线性化技术。在功放线性化技术尚未成熟时，普遍采用功率回退技术来解决功放线性化问题。所谓功率回退就是采用大功率放大器，然后通过功率回退使之工作在线性放大区。如果采用这种技术，功放电源利用率很低，A类功放在回退时电源利用率可能会低到1，另外，工作在回退模式的功放在造价上也会是比较贵的。现在所采用的线性化技术是根据功放特性附加电路来消除功放所产生的非线性影响，从而回避了功放本身的非线性问题。将附加电路和功率放大器作为一个整体系统来考虑，只要求这个系统对外呈现线性，这些技术统称为线性化技术。大概分为两类第一类技术中，功放输入信号是包络变化的，通过非线性功放后会产生失真分量，但是可以采用某种技术来消除所产生的失真信号。比如前馈技14CDMA2000预失真技术的研究和应用术是先分离出失真信号，然后再从输出端减去该失真信号的一种线性化技术。预失真技术和负反馈技术是通过改变输入信号的特性来消除失真分量的目的。另外类技术避开了功放非线性特性，通过某种信号变换使输入信号变为包络恒定的信号。如非线性器件线性放大技术LINC18J和模拟闭环通用调制器技术CALLUM【9J是把输入信号幅度和相位分离开，形成恒包络但相位变化的两路信号，然后通过放大器放大后再合成的技术。包络消除和恢复技术EER11O】是把输入信号分解成幅度和相位表示的形式，但是只有相位信息通过非线性功放，而幅度信息则用来控制功放的供给电压，通过这种方式来达到线性化目的。241前馈线性化技术前馈线性化技术是HSBLACK在上世纪20年代提出的减少放大器失真的技术【11L，图211是前馈线性化系统框图。输入信号进入非线性功率放大器放大，放大后的信号部分采样与原始输入信号相减，就可以得到主功放的产生的互调干扰信号。该互调干扰信号经过辅助功率放大器放大后，在输出端与主功放输出信号相减锝到放大但没有失真的信号。前馈系统不仅要求幅度匹配，面且要爨两条平行通路上的相位和延时匹配。导致前馈系统非常复杂。Y匕刿一、，P广够一JL一堪一冈探繁图21L前馈线性化系统框图前馈技术既提供了较高校准精度和绝对稳定的优点，又没有带宽受限的缺点，在理论上可以完全消除互调干扰。但是，这些优点是用高成本换来的，由于校准信号需放大到较高的功率电平，这就需要额外的辅助放大器，而且要求这个辅助放大器本身的失真特性应处在前馈系统的指标之上。当然，由于校准环中添加了一个辅助功率放大器，因而总的效率有所降低。但是，由于前馈技术的优点，近年来得到了快速发展，已经成为一种主要的线性化技术，在宽带和多载波系统中得到了广泛应用”。“】。242负反馈线性化技术第二章功率放大嚣及其线性化技术负反馈线性化技术是将功率放大器的非线性失真信号反馈到输入端，与原信号一起作为功率放大器的输入信号，以减少功率放大器的非线性的种方法。负反馈线性化技术系统原理框图如图212所示。图212负反馈系统框图负反馈技术是以损失增益为条件换取了对非线性失真的抑制，功率放大器产生失真的减少量与系统的反馈量成正比，设功率放大器支路增益为A，反馈支路增益为口，则由图212可知系统的传输函数为FA|Q鼢2LO可以得出，当反馈增益较大时，负反馈技术中的功率放大器必须提供足够大的增益来满足失真增益的要求，是牺牲了功放增益来达到压缩失真信号的目的，功率放大器必需提供足够高的增益才能得到较好的功率增益和线性度。负反馈系统不适合作射频情况下应用，这主要因为固态晶体管道增益会随着频率的增加而降低，因此射频情况下环路增益会下降许多。可以把许多晶体管连接起来褥到较高的增益，但是链接到晶体管越多，稳定性越差，系统很难正常工作【L”。其它负反馈系统还有正交负反馈技术【161、极坐标负反馈技术【07】等。243预失真线性化技术预失真技术是乖J用一个辅助失真单元产生含有互调失真分量的辅助失真信号来实现非线性功率放大器非线性失真抑制。预失真技术的实现思想如图213所示，预失真的信号在经过功放后得到线性的输出。预失真功放特性线性图213预失真技术的实现思想图CDMA2000预失真技术的研究和应用预失真器功率放大器图2】4预失真系统原理框图预失真系统原理框图如图214A在非线性功率放大器前面设置一个非线性单元，令其传输特性函数为F01，这个非线性单元我们称之为预失真器，根据功率放大器的传输特性函数GI设置预失真器非线性特性，使其特性曲线与功率放大器的特性曲线互补，形成线性放大，用数学表达式来表示就是F0匕IGI足211其中，K表示预失真器和功率放大器级联系统的增益，为常数。当输入信号K经过预失真器和功放级联系统，被线性放大为输出信号圪，并且有圪K212预失真线性化技术结构简单，实现方便。有关预失真线性化技术的具体实现将在下一章中讲述。25本章小节本章首先对功率放大器的非线性原理进行了分析。以级数方式描述了无记忆和记忆性功放的非线性特性。然后以RAPP和SAIEH模型为主分析了功放的非线性模型，表示了功放的AMAM和M订PM特性。接着分析了CDMA2000信号在这两种典型非线性模型中受到的影响。最后简要介绍了几种线性化技术。第三章CDMA2000系统中的预失真技术第三章CDMA2000系统中的预失真技术本章首先对预失真技术的工作原理进行了分析，然后详细讲解了基于PMC方案的预失真系统，分别说明了PMC方案的DCSPD蜮TALCOMPENSATIONSIGNALPMCESSOR和ACPCEADAPTIVECON仃OLPROCESSINGANDCOMPENSATIONESTIMATOR两个主要组成部分。接着对现有的几种方案的优缺点进行了说明和对比，根据设计需要选择了PMC方案作为所设计的预失真系统的核心。然后构建了基于PMC方案的预失真系统构架，其中涉及降低峰均比的部分内容。最后，根据预失真框架，硬件实现了所设计的预失真系统，并对主要硬件芯片进行了简介。31预失真技术预失真技术是一种线性性能较好，可以提供足够带宽，效率高，自适应强，并且实现成本较低的线性化技术。预失真技术可以在系统的基带部分实现，也可以在射频部分实现。射频预失真技术电源效率高，成本低，但由于使用非线性射频器件，其控制和调整都较为困难，而基带数字预失真技术不涉及难度较大的射频信号处理，便于使用现代信号处理技术来处理信号。所以在实际应用中，多采用基带数字预失真技术。基带预失真技术有两种实现方法，一种是基于查询表方式，即构造一个预失真查询表，根据查询表对输入信号进行处理，采用查诲表预失真技术可以达到较好的线性度；另外一种是基于多项式方式，利用多项式方式来拟合增益曲线，这种方法由于参数较少，所以容易初始化和实时修正，但是线性化误差较大。本文主要结合介绍基于查找表方式的预失真技术。311预失真技术工作原理预失真器是产生与功放非线性互补的特性曲线，以达到整体系统对外呈现线性。其数学表达式为式21L，这里不再重复。预失真器工作原理图如图31所示。输出功盘PTNPM一研输蛹翠CDMA2000预失真技术的研究和应用图31预失真器工作原理图图中，尸。是输入功率值，根据功放的非线性曲线可以得出功率放大器的输出功率为只但是所希望得到的理想线性输出为只。州。然而，当输入功率为F。州时，功率放大器的输出为只。州，由此，可以得出，如果预失真器将输入功率圪预先变为匕一州，再通过预失真器和功放级联系统，输出功率就是只。脚，这样，就可以实现理想的线性输出。所以，对于输入功率吃，预失真器先计算出其对应的理想线性响应值，再根据放大器特性函数的反函数由该理想线性响应值计算出得到修改的州，再根据巴修正己州的相位，这样，将只州作为功放的输入就可以得到与原输入功率P。呈线性的输出功率。但是，预失真器存在可修正最大门限值，当输入功率大于这个门限时，预失真器是不能够进行修正而使整个系统输入输出为线性的，预失真器的最大门限值是由功放的特性决定的，如图32所示。输出功室AB输入功率图3，2预失真工作范围示意图从图中可以看出，当输入功率小于A点时，功放特性是线性的，输入信号可以工作在功率放大器的线性工作范围内，输入信号不需要预失真器进行处理。当输入功率大于A点而小于B点，功率放大器特性是非线性的，并且输入功率所对应的理想线性输出功率也没有超过功放的饱和线，此时预失真器可以正常对输入功率进行修正，以保证功放的输出相对于预失真器输入呈线性特性。当输入功率大于B第三章CDMA2000系统中的预失真技术点时，其线性响应已经超过了饱和线，无论预失真器如何处理，功放输出的功率部不可能高于饱和线，所以此时预失真器和功率放大器的级联系统输出信号存在非线性失真。因此，为了保证系统的线性特性，预失真器的输入功率应该小于饱和线与理想线性特性曲线相交点所对应的功率。312基带数字预失真技术基带数字预失真技术是指在基带完成信号预失真处理，达到线性化功率放大器的一种方法。由于基带信号的频率较低，一般转换为数字信号处理，并且预失真参数可以自适应调整，因此，这种技术也称为自适应数字预失真技术，其基本框图如图33所示。图33自适应数字基带预失真系统框图号图中，输入信号进入预失真器进行处理，得到修正的信号经过N慷转换、滤波器和调制上变频处理后，进入功率放大器放大，放大后线性化的信号输出到天线发射出去，其中一部分经过下变频解调、滤波器和FD转换到数字信号，送入预失真器进彳亍自适应处理，调制预失真参数，保证输出信号和输入信号的线性关系。数字预失真器通常有多项式实现和查找表实现两种方式，利用查找表技术实现的基带预失真系统具有功耗小、结构灵活和易于实现等优点，逐步成为基带预失真系统的主要发展方向。本文所研究的是基予查找表方式的基带预失真技术。图34是基于查找表方式的预失真系统原理框图。R一一一一一一一IT学吨丑剧剖竺P博墙吨丑吨叵恼图34基于查找表的自适应数字基带预失真系统框图号CDMA2000预失真技术的研究和应用基于查找表方式的预失真系统中的核心部分为图中虚线所示，包括三个部分数字预失真器、查找表、自适应单元。数字预失真器根据查找表提供的参数完成对输入信号的预失真处理，自适应单元对比从射频端反馈回来的信号与输入信号的线性关系从而对更新查找表。该技术是通过对基带信号进行预扰动，而不是对非线性射频功率放大器所要放大的射频信号进行处理。基于查找表的预失真技术可以方便使用高速数字信号处理器件实现，从而提商整个系统的性能。32基于PMC方案的预失真系统PMC方案是由PMC公司提出的一种基于查找表方式的预失真方案，可用于宽带预失真系统来补偿功率放大器的非线性特性，包括放大器的记忆效应、AMAM特性、AMPM特性。PMC方案的实现框图如图35所示。图35PMC预失真实现框图图中，DCSPIGITALCOMPETLS鲥0NSI印“PROCESSOR是数字补偿信号处理器，主要完成对输入信号的预失真处理；ACPCBADAPTIVECO曲OLPROCSINGA11DCOMPENSATI叫ESTIMATO订是自适应控制处理与补偿估计器，主要对DCSP的预失真参数进行初始化和自适应更新。输入宽带信号VMT经过DCSP处理进行预失真后变为VDT，再经过DAC和上变频成为VDFFT，再经过功率放大器成为相对于输入信号呈线性的输出信号KVM矗T，K是放大倍数，VMRFT是输入信号VM1的参考复制信号，完成前向数据处理；输出信号KVMRFT通过耦合器反馈到反向通路中，V“T经过F变频和ADC成为VD，与输入信号一起送入ACPCE进行参数估计，估计的结果XTFT送给ICSP，完成反向数据处理。321DCSP原理与结构数字补偿信号处理器DCSP具体实现框图如图36所示。DCSP由FIR滤数字补偿信号处理器DCSP具体实现框图如图36所示。DCSP南FIR滤第三章CDMA2000系统中的预失真技术波器、整流器、量化器、积分器、延时器、二维查找表组成。F承滤波器实现数字预失真功能；整流器用来求取输入数据的模值；量化器用来实现对查找表的寻址操作；积分器对以前的模值求和或者平均值二维查找表提供预失真FIR滤波器的参数。图36DCSP实现框图输入信号VMT进入DCSP后有两个路径，并且每个路径都是实时处理以保证输出信号速率等于输入信号速率。查找表由输入信号VMT的不同的特性来索引。在图36中，查找表的行向量由输入信号的瞬时幅度索引，列向量由积分幅度索引。查找表提供参数给预失真FIR滤波器，以实现对输入数据的补偿，如图3，7。查找表中的数据由ACPCE提供初始化并进行更耨，具体见下一节。图37预失真FIR滤波器示意图图37是预失真FIR滤波器示意图，F璩的系数由查找表提供，并且实时更新，由于非线性功放具有记忆性AMAM和AM巾M非线性失真，DCSP采用FIR滤波器实现反功放特性的修正，修正参数由二维查找表提供，一维用来纠正瞬时的AMAM和AMPM非线性失真，是瞬时激励的函数；另外一维用来描述非线性特性的变化，这些变化是由于热效应和电效应引起的，并且与过去的输入信号的包CDMA2000预失翼技术的研究和应用络成比例。可以增加查找表的维数来提高系统的性能。使用更多的维数来描述非线性变化特性，以这些特性为基础对多维查找表进行寻址，来补偿输入信号。另外，还可以增加预失真F承滤波器，对输入信号的高阶进行处理，更好地控制非线性特性，如图38所示。图3，8改进型DCSP框图图中，三维查找表的索引地址包括1输入信号的幅度；2输入信号的变化速率；3输入信号的积分。分别表示信号的瞬时幅度、变化程度和过去的状态。而对输入信号的高阶进行F琅处理可以更加细致地表示非线性失真，一般取三阶就足够了。这种改进型DCSP产生基于VOLTERRA模型的预失真信号，采用图3，8所示的结构，可以精确地对放大嚣的反模型进行建模，处理任何记忆性非线性失真I”】。322ACPCE原理与结构ACPCE在功能上由两部分组成系统识别SIDSYSTCMIDEMIFICATION和系统自适应及跟踪算法SALLSYSCEMADAPTATIONAND蛔CKINGALGORITBMS。SD层的是寻找下载给DCSP的初始参数，使得放大器进行初始线性化，但是有可能这些参数并不是最佳的，并不能够完全满足频谱泄漏和功放效率的要求。进一步的性能优化由SAT算法完成，SAT进行自适应算法对参数进行更新以满足放大器系统的性能要求。SID用来对功放进行建模，从而估计出功放模型反函数参数，达到初始化DCSP第三章CDMA2000系统中的预失真拄术的目的，基本框图如图39所示。其中，VMT是系统自己产生的窄带信号，周来测试宽带功放的特性，VMT具有如下特性1信号是带限信号，带宽足够小以保证群对延是常数，典型值是IMHZ；2信号具有较大的峰均比。3信号幅度的概率密度保证峰值较少，取值在零幅度和最大值之间。图39SID结构框图测试信号以02曲的增量递加，直到功放输出到饱和程度和1DB压缩点。澳6试信号经过功放和功放的模型，比较器对比两者的输出信号VFT和VPT，得到误差信号VERRORT，再经过估计器对功放模型参数进行调整，直到误差信号足够小。然后再改变测试信号的中心频率，重复以上工作，直到整个放大器频带测试完毕。宽带功放模型可以采用与图38同样的基于查找表的F承滤波器实现，查找表参数由以下三步实现第一步计算输入信号VMT和V妁之间的粗增益、相位偏差和延时。根据两个信号的甄相关函数来确定。RFL踟FT眦一R1BJ一1馏砉嗍坝卜力卜胁娃B、计算选择使得互相关函数最大的时延，再根据该时延计算出相位偏差。第二步根据不同频率的窄带信号激励放大器所得的VFM，估计在频域与频率和瞬时幅度相关的增益和相位变化。瞬时增益和相位响应由式33和式34得出。K如QMT眦2FE眵RT矽FLVE蜘F乃”OLI。州。卿。3324CDMA2000预失真技术的研究和应用占煳，州28瞎矽F砌O，IR34、对于计算出来的结果，进行摧理，对同一幅度不同频率的激励信号所得的数据进行1FFT变化，得到FIR滤波器参数，存入查找表中，这样就形成一维F瓜滤波器的系数，如图310所示。将同一幅度不同频率的测试信号激励功放所得到的数据存入数组的行向量中，再改变幅度，以同样的频率改变量测试功放，保存数据，点到幅度达到1DB饱和点。然后对于同幅度不同频率的测试数据进行IFFT，得到时域数据，这样依次求得不同幅度测试数据的IFFT数据，从而得到由幅度索引的FIR系数。特别地，当某一恒幅度某频率下激励功放所得到的数据相位一致时，即该幅度、频率下功放为线性放大，对此组数据进行IFFT，得到冲激函数，即FIR系数，当输入数据经过该FIR滤波器时，其高阶系数均为O，功放模型输出的仅是输入信号的线性放大。同样，可以固定其他维的参数，改变功率值，得到多维的F取系数。卵L“以I。，叩眠ILO印确L邸确LOLO卵婀L即埔L一回一卜司L一LIFFTIL一一频率图310一维FIR系数产生示意图FIRN系数FIRL系数FIRO系数第三步；根据前两步所得的F取参数，对功放建模，对比实际功放和模型的输出，重复前两步，直到两者的均方差小于指定值。当误差小于一定值后，就完成了对功放的建模。当系统完成对功放的建模后，ACPCE将以前计算好的参数送入DCSP中。但是在传输过程中，模拟器件的物理特性会随着温度、时间、等因素变化，因此，有必要进行跟踪更新处理。SAT是根据预失真后通过功放的输出信号与预失真前的输入信号的线性关系进行处理的，这种处理并不要求是实时的，因为功放的特性变化相对比较缓慢。自适应跟踪和更新算法可以采用LMS算法或者KAHNAN滤波算法等，这里不再讲述。为了增强稳定性、减少自适应抖动、加快自适应速率，图311提供了一种改讲犁框图。IL萄_霞LLL，第三章CDMA2DOO系统中的预失真技术图中，ACPCE由两部分组成，一部分是前向模型建立模块，另一部分是反向模型建立和参数调整模块。前向功放模型根据实际功放的输出和功放前信号进行对比估计，来调制模型参数；反向功放模型是根据前向功放模型的复制来初始化，并根据输入输出信号的误差来自适应调制模型参数，并为DCSP提供预失真参数。这种改进型的预失真系统相对图35所示的系统更具稳定性、更快的自适应速度、抖动更小等优点，但是这种结构较为复杂，实现成本高。图31L改进型预失真系统框图33几种预失真方案的对比前几节对预失真原理、技术和PMC的预失真基本梃架迸行了介绍，这一节对几种可实际应用于工程中的预失真方案优缺点进行罗列对比，从而确定适合CDMA2000系统使用的方案。PMC早在2001年就已经推出整套数字预失真解决方案，经过几年的软件优化，现在是一个相对成熟的方案，但由于WCDMA商化还未大批量启动，CDMA2000目前基本上是单载波系统偏多单载波应用中数字预失真没有优势，且各系统产家都想自主研发，所眺目前市场上还未见PMC方案的大规模应用。PMC方案的优点1为用户提供的系统控制接口很丰富齐全，对于集成于系统中的应用很方便。CDMA2000预失真技术的研究和应用2经过45年的用户评估，PMC收集了很多系统应用问题，并进行相对应的优化，其方案已经相对成熟，对生产等问题也已经有了较多考虑。3PMC方案对于两载波以上应用其解决方案已经有成本优势。4已经对PMC与不同功放配合的大量测试，从测试结果看，PMC对功放的改善只与功放的回退量和峰均比有关，具有很强的适应性。5其方案中有对模拟正交调制器的不平衡度进行自动检测补偿机制，此技术对于采用零中频方案是有很大好处。PMC方案的缺点1其套片由三部分组成，一是数字中频和自0峰PM7819；二是预失真处理芯片PM7800；三是用于提供用户接口和预失真自适应的DSP小系统TI。过于分离，做PCB布局困难。而目前的发展方向是向单片集成方向发展。2其数字中频与削峰芯片PM7819的插值倍数不够最大24倍相对于CDMA2000应用起来较为麻烦。3其用于对齐输入信号与反馈信号时延的FIFO过小，从面限制了整个闭环环路时延，限定了设计，如不能采用中频声表滤波。TELASIC也于2004年推出了一个基于FPGA的预失真解决方案，其现已经与多个产家合作大都是功放产家，从其测试数据看，效果与PMC方案相当。从其介绍看，不是采用查找表方案。TELASIC方案的优点1TELALSC本身是做高速ADC和DAC，其方案也是基于其高速DAC和ADC提出的。2TELASIC方案也是包含TSP、削峰、预失真，还有RSP，再加上其ADC和ADC，很易于集成模块。3TELAISC是把运行自适应算法的处理系统集成在同一芯片中，避免了PMC方案的缺点。4TELASIC目前是基于AHERA的STR嘶X2，在产品不稳定时还有很大更改升级余地。TELASIC方案的缺点1TELASIC是基于AHERA的STRA呶2，其准备以HAIDCOPY作为其最终产品，可能从成本上比ASIC稍高。2TELASIC的高速ADC、DAC的功耗极大，对于系统应用中可能会影响可靠性。3TELAISC方案还不是很成熟，其还有很多系统问题没有考虑。第三章CDMA2000系统中的预失真技术111TE】SIL应该是业界最新推出的数字预失真系统，但由于其方案设计问题