[硕士论文精品]wimax射频前端设计和宽带功放数字预失真的研究

摘要WIMAX射频前端设计和宽带功放数字预失真的研究研究生赵腾导师周健义教授东南大学信息科学与工程学院毫米波国家重点实验室摘要WIMAXWORLDINTEROPERABILITYFORMICROWAVEACCESS，全球微波存取互通是一种新的无线城域网WMAN接入技术，具有较高的传输速率，开放的标准，低廉的成本等优势。研制WIMA设备中的关键部件之一性能优异的WIMA射频前端，对WIMAX的大规模商业化有重要的价值。在包括WIMA在内的下一代通信系统中，为了提高频谱利用率，使用了多载波调制方式，传输信号的峰均比更大。研究在高峰均比信号下线性度良好而且高效率的功放，对射频技术的发展有重要的意义。本文针对WIMA射频前端，研制了工作在26GHZ和35GHZ的高性能射频前端。所设计的射频前端具有输出功率大、线性高、噪声系数低、尺寸小等特点。论文给出了射频前端的详细设计方法和测试结果，研制的射频前端已经交付客户进行试验网的建设。本文针对高效率射频功率放大器，进行了功放建模的研究。本文分别采用无记忆多项式模型、WIENER模型、HAMMERSTEIN模型、有记忆多项式模型对高效率射频功放建模。仿真显示有记忆多项式模型可以很好的模拟功放的非线性特性和宽带信号下的记忆效应，其模型具有最小的归一化均方误差NMSE。本文针对功放线性化技术，在基于仪器的实验平台上，应用有记忆多项式模型获得功放的逆模型，对被测DOHERTY功放做线性化，测试结果显示获得了很好的效果10M信号的ACLR临信道泄露比改善了8DB，20M信号ACLR改善了12DB。关键词WIMA，射频前端，功放线性化，数字预失真ABS仃ACTDESIGNOFTHEWIMAXRFFRONTENDANDTHERESEARCHONTHEDIGITALPREDISTORTIONOFWIDEBANDWIDTHPOWERAMPLINERSMASTERCANDIDATEZHAOTENGTUTORPROFESSORZHOUJIANYIABSTRACTWIM_AXW|0DDHLTEROPERABILI锣FORMICROWAVEACCESSISANC、VTECHNOLOGYOF衔ELESSME仃OPOLITANAREANEMRKSM，IAACCESS111EWI埙HOLDSADVANTAGESOFLLI曲DATARATE，0PENSTAILDARD，LOWD印LOYMENTCOSTA11DSOONTHEDEVELOPMENTOFHI曲PE墒衄AILCEWI讹议RF舶NTENDS，ISOFGREATVALUEFORMEM嬲SCO删撇IALIMPLERNENT撕ONOFWMAXSYSTEMIILTHENEXTGENERATIONCOM姗】蚵CATIONSYSTEMSINCLUDES也EWIM吣P，MULTIC删ERMODULATIONSCHEMESAREADOPTEDTOMCREASEMESPE酏RUME伍CIENCYTHILS龇PE出AVERAGE洲OPAROF拓A11SIILITTINGSIGLLALSISLARGERRESEARCH0NHIGH1INEARI够锄DLLI曲EMCIENCYPOWER锄PLIFIERSUNDERLLI班PARSIGR谢S，ISAFOCUSOFMODEMRFTECLLILIQUE锄D晰LLHAVEILLLPORRT觚TE舵CTON也EEVOLUTIONOFRFSYSTEMSINT11ISMESIS，铆OKINDSOFLLI曲PERFB加ALLCEWJMAXRF丘ONTENDSAREDEVELOPEDFORME26C迁ZAND35GHZ懿QUENCYBANDSTHEDESIGILEDRF矗ONTENDSHAVEFEATURESSUCH船11IGHOUTPUTPOWER，GOODLINEARITY，LOWNOISEFIGUREA11DCOMPACTINSIZEDETAILEDDESIGNSCHEMESANDTESTRESULTSAREPROVIDEDTHEDESIGNEDI珂丘OMENDSHAVEBEENDELIVEREDTOCUSTOMERSFORFIELD印PLICATIOILSOFEXPERIMENTALWIMAXRLE觚ORKINT11ISTLLESIS，SEVERALMODELS，SUCHASTHEPOLYNOMIALMODEL，也E、胍ENERMODEL，TLLEHAMMERSTEINMODEL，ANDMEMEMORIALPOLYNOMIALMODELAREADOPTEDIILTHEMODELINGOFK幽EMCIENTRFPOWER锄PLI矗ERSSIMULATIONSHOWSTHAT也EMEMORIALPOIYNOMIALMODELCALLACCURATELYMTHENONLINEARITYANDTHEMEMORYEFFECTU11DERBROADBALLD、RIDTHSIGNALS，A11DHASTHELEASTNMSENO胁ALIZEDMEANSQUAREENORINTHISTHESIS，THEVERSEDMEMORIALPOLYNOMIALMODELISEMPLOYEDTOLINEA打ZEAIII东南大学硕士学位论文11I曲E伍CIENCYDOHEN，POWERAMPLIFLER谢也THED磷TALPREDISTONIONTECMQUEBASEDON廿1EEXPERIMENTALPLATFONNTESTRESULTSSHOWMATGOODIRLLPROVEMENTSINADJACENTCH锄E11EALAGERACIOACPRCANBEENACMEVED8DBBE讹RFOR10MSI驴A1A11D12DBBETTERFOR20MSIGLLALKEYWORDSWI讹议，RF舶NTEND，PAMEARIZATION，DPD目录目录摘IJ1ABSTRACT。I目录。V第一章W订吼拭射频前端研究背景111WIMAX极其关键技术简介112收发信机结构比较313射频前端评价标准5参考文献6第二章工作于35GLK的W订咀射频前端设计921系统设计922测试平台1023测试结果11第三章工作于26GHZ的WIMAX射频前端设计1731系统设计1732测试结果18第四章宽带功率放大器建模。2341背景介绍2342实验平台与评价指标2443实验功放DOHE啊2844模型简介3045建模及其结果32参考文献41第五章宽带功率放大器数字预失真4S51研究背景4S52相关内容及进展4653实验平台和评价指标5254实验结论S2参考文献53结论与展望SS一工作总结55二工作展望55致谢57V东南大学硕士学位论文第章WIMA射频前端研究背景第一章WIMAX射频前端研究背景11WIMAX极其关键技术简介111WI的发展WIMAXWORLDINTEROPERABILITYFORMICROWAVEACCESS，即全球微波存取互通，是一项高速无线数据网标准，主要用在城域网络MAN。WIMAX基于IEEE80216一系列标准，到目前为止包括80216、80216A、80216E、80216D、80216E、80216F和802169共七个，具体应用范围如表卜L所示啪一。表卜1IEEE80216标准系列标准号针对的领域80216066GHZ固定宽带无线接入系统空中接口标准80216A21LGHZ固定宽带无线接入系统空中接口标准80216C1066GHZ同定宽带无线接入系统关于兼容性的增补文件80216D固定宽带无线接入系统空中接口标准10一66GHZ、臻LTINDB一然R础D哟12在室温温度约为290K，系统带宽为BW，解调门限为瓢H的情况下由噪声系数，可以得到接收机的灵敏度公式S酗培捌脚DBL弧一174由量M10LOGBWNF臻蚶13其中勰甄妣通常是由误码率并结合信号调制解调方式推导出来的。前面噪声系数的讨论针对的都是单级系统，对于由多个子系统级联而组成的系统，其中各子系统的噪声系数为F。，可获得功率增益为G。，则整个系统的噪声系数为F吨警誉14由上式可以看出，位于接收通道最前一级的低噪声放大器LNA，LOWNOISEAMPLIFIER的噪声性能对整个系统的噪声性能有着极大的影响。为了降低整个接收通道的噪声系数，第一级LNA应具有尽量低的噪声系数，同时功率增益尽量高。134其他除了前面提到的三点，还有其他一些指标如工作频带，输出功率，本振相位噪声等等衡量射频前端的指标。参考文献1PART16AIRINTERFACEFORFIXEDBROADBANDWIRELESSACCESSSYSTEM，IEEESTDS80216，20042WIMAXFORUMHTTPWWWWIMAXFORUMORG0L20053叶健辉WIMAX射频前端的研究与设计D硕士学位论文重庆重庆64第一章WIMA射频前端研究背景邮电大学2007王文博，郑侃，宽带无线通信_OFDM技术M，人民邮电出版社，2003年11月5AGILENTAPPLICATIONNOTE59883762ENOLWWWAGILENTCOMCN6贺忠堂，MIM0一OFDM系统若干关键技术研究D硕士学位论文南京，南京邮电大学博士论文20077891011121314陈欣捷，基于IEEE80216标准的MIMOOFDM研究D硕士学位论文东华大学硕士学位论文2007陈永红，MIMO_OFDM系统盲信道估计方法的研究D硕士学位论文南京，南京邮电大学硕士学位论文2007MAKP，US，MARTINSR，TRANSCEIVERARCHITECTURESELECTIONREVIEW，STATEOFTHEARTSURVEYANDCASESTUDYCIRSUITSANDSYSTEMSMAGAZINEM，IEEE，2007TLEE，THEDESIGNOFCMOSRADIOFREQUENCYINTEGRATEDCIRCUITSM，CAMBRIDGEUNIVERSITYPRESS，1998RHARTLEY，MODULATIONSYSTEMP，USPATENTL，666，206APR1928BRAZAVI，RFMICROELECTRONICSM，PRENTICEHALL，1998JCROLSANDMSTEYAERT，CMOSWIRELESSTRANSCEIVERDESIGNM，K1UWERACADEMICPUBLISHERS1997金涛多频多模射频前端研究D硕士学位论文南京东南大学硕士学位论文7第二章工作于35GHZ的WIMA射频前端设计第二章工作于35GHZ的WIMAX射频前端设计21系统设计工作于35GHZ的WIMA射频前端的系统指标如表21所示表2135GWIMAX射频前端指标工作频带3436GHZ工作带宽10Z最大输出功率30DBM频率稳定度20DB接收噪声系数一霸觞匮I。VL一一1I_LJ、ILI第二章工作子35GHZ的WIMAC射频前端设计频率稳定度测试内部时钟模式时，我们可以使用ADI的软件调节自动频率控制，结果如图212频率误差为65234HZ哩掣哪I蕾Z霉砥曲啡二蕾黼K堋，LTT_P峨血蕾L口一位，船帕TTD自3矾IT_M4T_。HIHM根蔓F膏嗍J曩T4P_TD程，童峨LI。曩棚FCQ亡I笛T括TLRN嘲啪7日警2T盐_枷，口QERHA_日_O埘一，MNMTN0H蝴L轧帖阳瞄TA1LUJB6邶田唾蓼萎囊芝耋。寰二乏、，苏鍪。碡LN垒夥前最。1也一靠蝴毋删墓。掣群。黑拼产矗熙翼纛琵了翟叶吣。1呻拼价篙4嚼甜M如讷晒爷强L母。图212频率控制测试本章给出了工作于35GHZ的WIMA射频前端的设计指标和原理框图并给出了详细的测试过程，测试结果表明所设计的射频前端性能满足设计指标。第三章工作于25GHZ的WIMA射频前端设计第三章工作于26GHZ的WIMAX射频前端设计31系统设计工作于26G的WIMA射频前端的系统指标如下表所示表3126GHZ射频前端指标工作频带2527GHZ带宽10M最大输出功率30DBM频率稳定度LI41式中XN，YN分别表示对时域连续信号XT，YT在TNT时刻的采样值以下模型的推导中都沿用这个设定，T是采样周期，1T是采样频率，AI为多项式各阶次的系数，一般为复数，P为多项式的最高阶次。442HAMMERSTEIIL模型H锄ERSTEIN模型是由一个无记忆非线性系统后级联一个线性时不变系统而成，如图所示。H锄ERSTEIN系统的输入输出关系为巾“瞄堪13KXNBR142YN璨。HQV弛一畦43YN姜OHQ醛1AKXN一心函NQL卜144其中LLQ为FIR滤波器的系数，AK为多项式的系数，K代表多项式阶数，Q代表记忆长度。一种HAMMERSTEIN模型的扩展被称为并行H锄ERSTEIN模型，并行HA咖ERSTEIN模型的结构图如所示，其输入输出关系由以下公式给出FXNXCNLXO瑚K越第四章宽带功放建模觚妨VMQ蛐K毪VNKKXBQLXNQP454647443WIENER模型WIENER模型则是由一个线性时不变系统后级联一个无记忆非线性系统而构成，如图所示。其中线性时不变系统是一个有限冲激响应FIRFINITEIMPULSERESPONSE滤波器，无记忆非线性系统是无记忆多项式模型，WIENER模型输入输出之间的关系如下侧巾“VN蹑HQXN一面4849同样的，LLQ为FIR滤波器的系数，AK为多项式的系数，K代表多项式阶数，Q代表记忆长度。并行WIENER模型的结构和输出如下所示蝌建L距互译嗥曙X狂一啪L曙蜘一Q广1410444有记忆多项式模型有记忆多项式模型的输入输出关系服从下面的公式喊NKLH瓷VN芑冬LZH魄X伍一QIX国一QI如1411445VOITERRA级数模型VOLTERRA级数是有记忆的泰勒级数，传统的V01TERRA级数针对弱非线性的动态系统建模，系统的参数会随着系统阶次和记忆长度的增多而急剧增加，所以这种模型的一个明显的缺点是参数多，计算量大，收敛慢，性能受阶次大小和记忆长度的影响。这个缺点使得V01TERRA级数模型实用性比较差，许多学者做了大量的研究对传统的V01TERRA级数模型进行简化啪H删。东南大学硕士学位论文对比模型的数学定义我们不难发现，WIENER模型，H锄ERSTEIN模型，并行H锄ERSTEIN模型，有记忆多项式模型都是VOLTERRA级数模型的简化形式，并行HA舳ERSTEIN模型在精度上等价于有记忆多项式模型。446模型的求解因为VOLTE玎A级数模型及上面提到的简化模型，输出相对于参数都是线性关系。所以可以利用简单的最小二乘方法来估计参数。这里以记忆多项式模型为例，简单说明其求解过程。可以先将记忆的多项式模型表示为矩阵的形式“刀YB丙吐罗阻IX。YNNI1R412XE幻，一鼋K氟I，一，宣K。，宣B0五2陬O，一TL如II，一，I旺一，码硷J413阮鼬H1R414U札X一枷BQP1415AA”，一A靴AIT鲰D416Y融417AG嘞一1妒Y418WIENER和H锄MLERSTEM模型的参数识别一般分两个步骤，利用最小二乘法求解，下面简单的介绍其求解思路。首先，利用功放的输入和输出数据，求出第一个单元的参数；然后在已知第一个单元的参数的基础上，求出第一个单元的输出数据，再把它和功放输出数据放一起，求出第二个单元的参数。45建模及其结果测试平台即基于仪器的平台。测试信号是0FDM64QAM信号，帧长5MS，带宽有375M，10M，20M。第四章宽带功放建模451非线性现象由功放的非线性特性我们可以知道，当输入功放的信号幅度比较小时，功放工作于线性区域，当输入功放的信号幅度大到一定程度，功放会产生非线性失真，我们用10M带宽，调制方式为64QAM的0FDM信号，从时域上观察，如下图所示瑙馨赫眯图46功放功率压缩的时域表现图中红色信号是实测的功放输出，蓝色信号是输入信号经过线性增益补偿后的波形。从图中可以看到，在输入信号幅度较大时，输出信号被压缩了。对被测功放的增益进行分析，得到如下图所示的AMAM曲线图中红色直线斜率为1图47被测功放的AMAM曲线从AMAM曲线我们可以看到1在单音测试中观察到的增益压缩曲线现33东南大学硕士学位论文在成为一簇曲线，这是由于记忆效应引起的。2在输入信号电压较低时，增益保持平坦，当输入信号电压升高，增益变小，明显观察到了增益压缩现象。452无记忆多项式模型中阶次对非线性特性的拟合结果分别用20儿10M和375M信号采集的数据对被测功放进行无记忆多项式模型的建模，分析多项式的阶次对模型精度的影响。结果如下20M信号多项式阶次对模型精度的影响图48多项式阶次对模型精度的影响一20M信号测试结果10M信号测试结果越察到辎多项式阶次对模型精度的影响多项式的阶次图49多项式阶次对模型精度的影响一10M信号测试结果375M信号测试结果34第四章宽带功放建模多项式阶次对模型精度的影响多项式的阶次图410多项式阶次对模型精度的影响一375M信号测试结果从模型的精度分析我们可以得到以下结论1对所测信号来说，多项式阶数在三阶或者三阶以上时，模型的精度几乎没有变化。因此，如果考虑硬件实现，三阶多项式可以很好的完成拟合；2对于不同带宽的信号结论1具有普适性；3对被测功放用无记忆多项式模型建模，模型精度在不优于一32DB。453WIENER模型中阶次和FIR滤波器抽头数对模型精度的影响从无记忆多项式模型对被测功放进行建模的结果来看，一32DB的精度并不是令人满意的，接下来我们应用一些含记忆效应的模型对功放建模，首先，我们采用WIENER模型，分析WIENER模型中不同阶次和不同FIR滤波器对模型精度的影响。同样，我们采用20M，10M，375M信号采集得的数据对功放建立WIENER模型并分析精度，得到的结果如下20M信号山Z东南大学硕士学位论文图41LWIENER模型中多项式阶次和FIR抽头个数对模型精度影响一20M信号测试结果10M信号375M信号第四章宽带功放建模图413WIENER模型中多项式阶次和FIR抽头个数对模型精度影响一375M信号测试结果从模型精度分析我们得到如下结果1WIENER模型比无记忆多项式模型具有更高的精度，FIR滤波器可以在一定程二度上对功放的记忆效应建模2信号带宽越窄，对FIR滤波器的要求越低。375M信号只要2抽头FIR滤波器就可以达到稳定的精度，10M信号在FIR滤波器抽头数达到3后精度改善就不大了，20M信号在FIR滤波器抽头数到达5后精度才没有显著改善。3从2的结果我们得到的一条推论是记忆效应和信号带宽相关，带宽越宽的信号，功放上表现出的记忆效应越明显，越强，所以我们需要用更复杂的FIR滤波器去建立记忆效应的模型；4无记忆多项式中关于多项式阶次的结论可以适用在WIENER模型中对待测功放，抽头数固定的WIENER模型，3阶多项式可以很好的拟合其非线性特性。454HAMERSTEIN模型中阶次和滤波器抽头数对模型精度的影响我们应用另一种有记忆模型H锄ERSTEIN模型一对待测功放建模，同样，分别使用了三种不同带宽的信号数据。对HAMMERSTEIN模型中多项式阶次和FIR滤波器抽头数在模型精度上的影响分析如下20M信号山乏Z东南大学硕士学位论文图4_14H锄ERSTEIN模型中多项式阶次和FIR抽头数对模型精度影响一20M信号测试结果10M信号山C，ZFIR抽头数图415H锄ERSTEIN模型中多项式阶次和FIR抽头数对模型精度影响一10M信号测试结果375M信号第四章宽带功放建模图4一16H咖ERSTEIN模型多项式阶次和FIR抽头数对模型精度影响一375M信号测试结果从模型精度分析我们可以得到如下结论1WIENER模型和H锄ERSTEIN模型具有类似的精度；2WIENER模型中得到的关于多项式阶次和FIR滤波器抽头数对模型精度的结论在HAMMERSTEIN模型中也是适用的；455有记忆多项式模型中不同阶次和记忆长度对模型精度的影响最后，我们用有记忆多项式模型对被测功放进行建模，观察不同的多项式阶次和记忆长度对模型精度的影响，分别使用20M，10M，375M信号，得到的结果如下20M信号图417记忆多项式模型中多项式阶数和记忆长度对模型精度的影响一20M信号测试结果10M信号39东南大学硕士学位论文记忆长度图418记忆多项式模型中多项式阶数和记忆长度对模型精度的影响一10M信号测试结果375M信号图419记忆多项式模型中多项式阶数和记忆长度对模型精度的影响一375M信号测试结果对模型精度的分析我们得到如下结论有记忆多项式比WIENER模型和HA姗ERSTEIN模型具有更高的精度，从数学表达式上分析，有记忆多项式模型精度等同于并行HAMMERSTEIN模型；本章主要介绍了宽带功率放大器的建模，采用了一些易于硬件实现的模型无记忆多项式，WIENER模型，HAMMERSTEIN模型，有记忆多项式模型对被测高效率射频放大器建立模型，分析模型中非线性参数和记忆长度参数的变换对模型精度的影响。给出了实验结论。参考文献1第四章宽带功放建模KENINGTONPBHIGHLINEARITYRFAMPLIFIERDESIGNMBOSTON，MAARTECHHOUSE，20001852SALEHAFREQUENCYINDEPENDENTANDFREQUENCYDEPENDENTNONLINEARMODELSOFTWTAMPLIFIERSJIEEETRANSCO加MUN，1981，29111715一17203MATHEWSVJ，SICURANZAGLPOLYNOMIALSIGNALPROCESSINGMNEWYORKWILEY，20004ISAKSSONM，WISELLD，RONNOWDACOMPARATIVEANALYSISOFBEHAVIORALMODELSJIEEETRANSMICR0WTHEORYTECH，2006，5413483595SALEHAFREQUENCYINDEPENDENTANDFREQUENCYDEPENDENTNONLINEARMODELSOFTWTAMPLIFIERSJIEEETRANSCO加MUN，1981，29111715一17206GILABERTPL，SILVEIRADD，MONTOROG，ETA1RFPOWERA加PLIFIERMODELINGANDPREDISTORTIONBASEDONAMODULARAPPROACHCPROCIEEEEUROPEANMICROWAVEINTEGRATEDCIRCUITSCONFERENCEEUMIC06，MANCHESTER，UNITEDKINGDOIN，20062652687LIUT，BOUMAIZAS，GHANNOUCHIFMAUGMENTEDHAMMERSTEINPREDISTORTERFORLINEARIZATIONOFBROADBANDWIRELESSTRANSMITTERSJIEEETRANSONMICROWAVETHEORYANDTECHNIQUES，2006，544134013498SI1VEIRADD，ARTHABERH，GILABERTPL，ETA1APPLICATIONOF0PTIMALDELAYSSELECTIONONPARALLELCASCADEHAMMERSTEINMODELSFORTHEPREDICTIONOFRFPOWERAMPLIFIERBEHAVIORCASIAPACIFICMICROWAVECONFERENCEPROCEEDINGSAPMC2006，YOKOHAMA，JAPAN，2006，12832869BENEDETTOS，BIGLIERIE。NONLINEAREQUALIZATIONOFDIGITALSATELLITECHANNELSJIEEEJSELECTAREASCOMMUN，1983，SAC一11576210SIMONHAYKIN神经网络原理M机械工业出版社，200411MARTINTHAGAN，HOWARDBDEMUTH，MARKHBEALE神经网络设计M机械工业出版社，200212WOODJ，ROOTDE，TUFILLARONBABEHAVIORALMODELINGAPPROACHTO41东南大学硕士学位论文NONLINEARMODELORDERREDUCTIONFORRFMICROWAVEICSANDSYSTEMSJIEEETRANSMICROWTHEORYTECH，2004，5292274228413XUJJ，YAGOUBMCE，DINGR，ETA1NEURAL一BASEDDYNAMICMODELINGOFNONLINEARMICROWAVECIRCUITSJIEEETRANSMICROWTHEORYTECH，2002，50122769278014IBNKAHLAM，SOILLBRIAJ，CASTANIEF，ETA1NEURALNETWORKSFORMODELINGNONLINEARMEMORYLESSCOM眦NICATIONCHANNELSJIEEETRANSCOII咖【UN，1997，45776877115翟建锋宽带功率放大器模型和线性化技术研究D博士学位论文南京东南大学200916CREATINGANDDOWNLOADINGUSERDATAFILESWWWAGILENTCOMOL17CREATINGANDDOWNLOADINGWAVEFORMSWWWAGILENTCOMOL18SCPICO眦ANDREFERENCEWWWAGILENTCOMOL19WISELLD，RONNOWD，ANDHANDELPATECHNIQUETOEXTENDTHEBANDWIDTHOFANRFPOWERAMPLIFIERTESTBEDJIEEETRANSONINSTRUMENTATIONANDMEASUREMENT，2007，5641488149420ISAKSSONM，WISELLD，RONNOWDACOMPARATIVEANALYSISOFBEHAVIORALMODELJIEEETRANSMICROWTHEORYTECH，2006，54134835921MARTINTHAGAN，HOWARDBDEMUTH，MARKHBEALE神经网络设计M机械工业出版社，200222JANGJSANFISADAPTIVENETWORKBASEDFUZZYINFERENCESYSTEMJIEEETRANSSYSTEMSMANCYBERN，1993，23366568523WHDOHERTY，“ANEWHIGHEFFICIENCYPOWERAMPLIFIERFORMODULATEDWAVES，”JPROCIRE，V0124，NO9，PP11631182，193624张磊S波段高线性功率放大器的设计与实现D硕士学位论文成都电子科技大学25吴琦基于DOHERTY理论的L波段40W功放研究D硕士学位论文成都电子科技大学26FHRAAB，“EFFICIENCYOFDOHERTYRFPOWERAMPLIFIERSYSTEM，”IEEETRANSBROADCAST，V01BC一33，NO3，PP7783，SEP198727SHILEIJIN，JIANYIZHOU，LEIZHANG，WEIHONG“ALOWCOSTLWATTDOHERTYPOWERAMPLIFIERFORWLANANDWIMAXAPPLICATIONS”CPROGRESSINE1ECTROMAGNETICSRESEARCHSYHLPOSIUMPIERS2009，200928PEDROJC，CARVALHONBINTERMODULATIONDISTORTIONINMICROWAVEANDWIRELESSCIRCUITSM，BOSTON，MAARTECHHOUSE，2003257142第四章宽带功放建模29KENINGTONPBHIGHLINEARITYRFAMPLIFIERDESIGNM，BOSTON，MAARTECHHOUSE，2000218530CLARKCJ，CHRISIKOSG，MUHAMS，ETA1TIMEDOMAINENVELOPEMEASUREMENTTECHNIQUEWITHAPPLICATIONTOWIDEBANDPOWERAMPLIFIERMODELINGJIEEETRANSMICROWAVETHEORYTECH，1998，4612253L一254031GILABERTPL，MONTOROG，BERTRANEONTHEWIENERANDH锄ERSTEINMODELSFORPOWERAMPLIFIERPREDISTORTIONCASIAPACIFICMICROWAVECONFERENCEPROCEEDINGSAPMC2005，SUZHOU，CHINA，2005，232SILVEIRAD，GADRINGERM，ARTHABERH，ETA1RFPOWERAMPLIFIERCHARACTERISTICSDETERMINATIONUSINGPARALLELCASCADEWIENERMODELSANDPSEUDOINVERSETECHNIQUESCASIAPACIFICMICROWAVECONFERENCEPROCEEDINGSAPMC2005，SUZHOU，CHINA，2005，133BAIERWEIANOPTIMALTWOSTAGEIDENTIFICATIONA190RITHMFORHAMMERSTEINWIENERNONLINEARSYSTEMSCAUTOMATICA，1998，34333333834GILABERTPL，SILVEIRADD，MONTOROG，ETA1RFPOWERAMPLIFIERMODELINGANDPREDISTORTIONBASEDONAMODULARAPPROACHCPROCIEEEEUROPEANMICROWAVEINTEGRATEDCIRCUITSCONFERENCEEUMIC06，MANCHESTER，UNITEDKINGDOM，200626526835LIUT，BOUMAIZAS，GHANNOUCHIFMAUGMENTEDHAMMERSTEINPREDISTORTERFORLINEARIZATIONOFBROADBANDWIRELESSTRANSMITTERSJIEEETRANSONMICROWAVETHEORYANDTECHNIQUES，2006，5441340134936SILVEIRADD，ARTHABERH，GILABERTPL，ETA1APPLICATIONOF0PTIMALDELAYSSELECTIONONPARALLELCASCADEHAMMERSTEINMODELSFORTHEPREDICTIONOFRFPOWERAMPLIFIERBEHAVIORCASIAPACIFICMICROWAVECONFERENCEPROCEEDINGSAPMC2006，YOKOHAMA，JAPAN，2006，128328637BENEDETTOS，BIGLIERIENONLINEAREQUALIZATIONOFDIGITALSATELLITECHANNELSJIEEEJSELECTAREASCOMMUN，1983，SAC一11576238SCHETZENMTHEVOLTERRAANDWIENERTHEORIESNONLINEARSYSTEMSMNEWYORKWI1EY，198043394041424344454647东南大学硕士学位论文MATHEWSVJ，SICURANZAGLPOLYNOMIALSIGNALPROCESSINGMNEWYORKWILEY，2000HUMMELSDR，GITCHELLRDEQUIVALENTLOWPASSREPRESENTATIONSFORBANDPASSV01TERRASYSTEMSJIEEETRANSACTIONSONCOMMUNICATIONS。1980，COM一281140一142MARTINRJVOLTERRASYSTEMIDENTIFICATIONANDL【RAMERSSAMPLINGTHEOREMJIEEETRANSACTIONSONSIGNALPROCESSING，1999，471131523155ZHUA，WRENM，BRAZILTJANEFFICIENTV01TERRABASEDBEHAVIORALMODELFORWIDEBANDRFPOWER鲫PLIFIERSCIEEEMTTSINTMICROWAVESYMPDIGEST，PHILADELPHIA，PA，USA，2003，2787790ZHUA，BRAZILTJBEHAVIORALMODELINGOFRFPOWERAMPLIFIERSBASEDONPRUNEDV01TERRASERIESJIEEEMICROWAVEANDWIRELESSCOMPONENTSLETTERS，DEC2004，1412563565ZHUA，PEDROJC，BRAZILTJDYNAMICDEVIATIONREDUCTIONBASEDV01TERRABEHAVIORALMODELINGOFRFPOWERAMPLIFIERSJIEEETRANSONMICROWAVETHEORYANDTECHNIQUES，2006，541243234332ZHUA，BRAZILTJRFPOWERAMPLIFIERSBEHAVIORALMODELINGUSINGVOLTERRAEXPANSIONWITHLAGUERREFUNCTIONSCIEEEMTTSINTMICROWAVESYMPDIG，LONGBEACH，CA，USA，2005963966ISAKSSONM，RONNOWDAKAUTZV01TERRABEHAVIORALMODELFORRFPOWERAMPLIFIERSCIEEEMTTSINTMICROWAVESYMPDIG，SANFRANCISCO，CALIFORNIA，USA2006485488DINGL，ZHOUGT，MORGANDR，ETA1AROBUSTDIGITALBASEBANDPREDISTORTERCONSTRUCTEDUSINGMEMORYP01YNOMIALSJIEEETRANSONCO胁UNICATIONS，2004，521159一164第五章宽带功放数字预失真第五章宽带功率放大器数字预失真51研究背景射频功放在现代通信系统中的地位及其重要。不同的应用对射频功放的关注点也有区别在大多数的手持终端或者那些对电池寿命很敏感的应用中，人们关注的重点放在功放的效率，高效率的功放可以在同样的电池容量的前提下延长使用时间，提供更长时间的服务。在各种地面通信或者卫星通信的基站中，由于设备的直流供电有所保障，所以设计者更关注于功放的线性度。随着现代通信技术的发展，无线频谱的稀缺越来越多的被人认识到。系统设计者需要在有限的带宽内传输更高速率的信息，就需要使用更为复杂的调制方式或者接入方式。在下一代无线通信系统中，64QAM调制和OFDMA技术被广泛使用。复杂的调制方式，如64QAM把传统的恒包络调制，如QPSK变为可变包络。OFDMA使用了多载波的思想来提高频谱利用效率参见第一章的介绍。复杂调制技术的使用一方面缓解了频谱紧张的危机，另一方面增大了传输信号的峰均比PAPR，对射频前端，尤其是功放的线性度提出了更高的要求。功率峰均比PEAKAVERAGEPOWERRATIO，PAPR，和峰均比PEAKTOAVERAGERATIO，PAR、峰值因子CRESTFACTOR一样是一个用来衡量信号包络波动的指标，其数学定义为弛豫蓑51峰均比的计算一般通过互补累积分布函数COMPLEMENTARYCUMULATIVEDISTRIBUTIONFUNCTION，CCDF曲线的测量来实现M。下表是一些常用通信系统中所使用的信号的PAPR的值幢3表51常用通信系统中信号的PAPR值木WIMAX系统配置灵活，这里的峰均比是对于子载波数为1024，子载波调制方式64QAM的信号。45东南大学硕士学位论文可以看到，随着通信系统的演进，更复杂调制方式和接入方式被使用，传输信号的峰均比提高，这说明传输信号的包络变化更大，从而，对功放线性度的要求也随之提高。为了缓解高峰均比信号对射频功放造成的影响，人们从两个方面着手一是处理基带信号，降低信号的峰均比，比如削波技术CRESTFACTORREDUCTION，另一方面就是从射频功放入手，在付出一定代价的前提下提高射频功放的线性度。52相关内容及进展521线性化技术综述很多学者在功放线性化领域做了大量的工作，常用的线性化技术有功率回退，负反馈技术FEEDBACK、前馈技术FEEDFONARD、EERENVELOPELIMINA_TIONANDRESTORATION技术、LINC技术和预失真技术PREDISTONION等。下面简单介绍一下这几种技术功率回退实现功放线性化最简单的一个方法没有任何附加成本一就是功率回退。由于功放的非线性特性，为了使通过功放的高峰均比信号在大功率时饱和，我们把输入信号的平均功率降低，使得功放工作于线性区，这样就可以得到线性度很好的输出。这种做法的缺点是显而易见的效率极其低下。功率回退意味着相同功率输出信号需要更大功率容量的功率放大器，功率容量越大，器件成本越昂贵。另外一个缺点是功率放大器消耗的能量通常占整个射频系统的85以上，功率回退意味着功率放大器的工作效率很低，电源的利用率很低，比如有的系统中电源利用率只有15，设备工作时非常耗能源，并且维护成本极高口M。负反馈技术负反馈技术也许最初在音频放大器领域广泛应用。在宽带通信系统中，信号的带宽远远宽于音频，环路时间必须更小，功放前向增益更难获得，这些问题都必须仔细的考虑，所以反馈式宽带射频功放的设计更难。它的基本原理如图所示1，第五章宽带功放数字预失真图51负反馈技术原理图图中G为理想功放的增益，1为反馈回路的增益，XD为输入信号，灭F为输出信号，吠O为噪声和功放的失真。前馈技术前馈线性化技术在上个世纪20年代由贝尔实验室的HSB1ACK首先提出。但由于前馈技术中对两条支路幅度和相位的匹配要求非常高，系统结构比反馈的复杂，所以在提出之初一直受到冷落。近年来，随着宽带多载波系统的出现，负反馈技术有条件稳定和只能消除有限的失真分量等缺点日益突出，这使得前馈技术重新获得了重视和广泛应用。图52为前馈线性化技术的基本框图【5H酊，输入和输出信号都是射频信号，线性化的原理如下首先把输入信号分成两路，一路通过非线性的功率放大器产生带失真的输出信号，另一路延时后和功放输出信号相减得到失真信号，再把失真信号辅助放大后和第一路非线性功放产生的有失真的输出信号相减，这样输出信号理论上可以完全消除失真分量。前馈线性化技术是开环结构，是绝对稳定的，但要求两条通路上的幅度、相位和延时严格匹配，才能有很好的效果。也正是因为前馈线性化技术是开环电路的形式，所以所有的器件随时间和温度变化的特性不能自动补偿，必须加自适应的电路才能补偿。辅助放大器图52前馈技术原理EER技术包络消除号恢复技术EER，ENVELOPELIMINATIONANDRESTORATION，其原理如图53所示。EER技术的中频输入信号通过包络检波器和限幅器把幅度东南大学硕士学位论文和相位分离，然后在把幅度信号放大，最后到射频功放合成。EER技术的优点有结构简单，效率高，对于较低峰均比的信号，可以设计出高线性度的放大器。其缺点也很明显对于峰均比较高的信号，用很大范围的幅度来调制射频功放的电压比较困难，效率也会降低，放大器的非线性特性会十分明显；宽带信号条件下，必须补偿两个通路的时延；限幅器和功放在大信号条件下容易产生脚M失真。射频功放图53EER技术原理LINC技术非线性部件进行线性放大1LINC，LINEARAMPLIFICATIONUSII坞NOIDINE盯COMPONENTS，其原理是把输入功放的包络非恒定信号分解成两个包络恒定的信号，再分别放大合成，从而减少放大器的非线性失真。LINC信号分解时，既可以通过模拟技术来实现，又可以通过数字信号处理的方法完成。LINC对于两条通路上幅度和相位的匹配十分敏感，微小的误差都会导致线性度的恶化，因此LINC技术在现代通信系统中应用不多。预失真技术N妇宽带通信系统中，预失真技术无疑是一种主流的技术。其基本思想是在非线性的射频功放前面插入一个非线性的器件，使得两者的非线性特性相互抵消来达到线性化的目的。原理如下图所示N，叠入，昏溺和D射频功成J_O二，|矿下厶弋厂Y斌斌。BLF腻栅。图54预失真技术原理输入复信号工F通过预失真器后的信号为砌0，功放输出信号为吠F，预第五章宽带功放数字预失真失真器和功放的非线性响应函数为石A和石A，那么可以得到酗T2X缔52Y瞻篁HTKX婶53理想情况下灭FG攻O，G为功放的增益，如果预失真器非线性响应函数7；D的幅度AMAM和相位A【PM特性与功放非线性响应函数知的相反，预失真器和功放的整体特性就是线性的，那么就可以输出没有失真的信号。根据频段，可以把预失真技术分为射频RF预失真、中频IF预失真和基带预失真。射频和中频预失真的结构和原理类似，只是频率不同而已，通常采用模拟电路实现，而基带预失真通常都是采用数字技术实现，所以也可以把预失真技术分为模拟A强IF预失真和基带数字预失真。射频和中频预失真技术的一个基本的优势在于可以在整个频段内把功放产生的非线性特性同时进行线性化，所以适用于宽带多载波系统。射频和中频预失真技术中的三阶砌F预失真技术是一种应用比较广泛的技术，其基本原理就是通过增加相位调整器件和三阶分量生成器件来抑制功放的三阶失真分量。RFIF预失真技术的优点有电路结构简单、成本低、开环结构的无条件稳定和线性化带宽宽；其缺点有线性化的效果有限，在高频处理高阶的失真分量比较困难等。522数字预失真技术简介一种基本的基带数字预失真DPD系统如图55所示，目前大多基带数字预失真系统都采用自适应的结构，可以动态地调整预失真器的参数。图中有一个回路，前向通道是基带输入信号通过一个数字信号处理器DIGITALSIGNALPROCESSINGDSP，然后输出IQ信号到数字模拟转换器DAC、正交调制器和