[硕士论文精品]模拟预失真发生器的研究与应用

摘要摘要随着现代通信系统的飞速发展，无线用户不断增多，通信频率资源变得越来越紧张。为了在有限的频谱范围内容纳更多的通信信道，要求采用频谱利用率更高的线性调制技术，但是这些会导致信号包络的变化，使得非线性射频功率放大器输出产生交调分量。为了提高功放的线性度并减少交调失真，就需要采用线性化技术来改善。本文首先介绍了射频功率放大器的非线性模型及其非线性特性，并分析常见的几种线性化方法的特点和区别。本文选用结构简单、成本低、线性化好的预失真线性化技术。通过阐述预失真技术的工作原理，总结以往各种预失真发生器的工作特性，文中提出调制型和白抵消式两种新的预失真发生器，并分析了它们的电路结构和工作原理，其中，在自抵清式预失真技术中以设计MRF21030为例分析设计射频放大器的具体实现过程。将两种预失真器分别应用于射频功率放大器中，实验结果表明两种方法对互调信号改善效果很好。最后根据对实际应用的分析，提出一种预失真技术中的温度补偿方法。关键词射频功率放大器，线性化，交调失真，预失真，温度补偿ABSTRACTWITLITHERAPIDDEVELOPMENTOFCOMMUNICATIONSYSTEMTHEREA托MOREANDMOREN,赞IRS,ANDTHERESOURCAGOFFI妖LUENCYBCCOMESMOREANDMORESCARC冷TOHOLDMORECHANNELSINLIMITEDSPD觚吼，THELINEARMODULATIONTECHNIQUESOFHIGHERSPCCHUMUTILIZATIONAREREQUIREDTHESEMODULATIONSRESULTINTHECHANGESOFTHESIGNALENVELOPESINCETHEENVELOPEOFMODULATEDSIGNALFLUCTUATES，THESEMETHODSGENERATEUNWANTEDINTERMODULATIONDISTORTIONIMD、PRODUCTSINANONLINEARRADIOFREQUENCY假FPOWERAMPLIFIERPAANDONTHEOTHERHAND，THEMODEMCOMMUNICATIONSYSTEMREQUIRESTHEHIGHERLINEARITYOFTHEPOWERAMPLIFIERTHATISLIMITEDITSELFSOITISNECESSARYTOUSELINENRIZATIENTECHNIQUESTOIMPROVETHEIINEARITYOFTHEPOWERAMPLIFIERANDTOREDUCETHELMDINTHISDISSERTATION，FIRSTI弘THECHARACTERISTICSOFRFPOWERAMPLIFIERSARCINTRODUCEDANDTHENAFEWLINEARIZATIONTECHNIQUESAREPRESENTEDWECHOOSETHEMETHODOFPRCDISTORTIONANDDESIGNTWONEWPREDISTORTIONGENERATORSTHEYAREMODULATEDTYPEPREDISTORTIONGENERATORANDSELFCANCELLATIONPREDISTORTIONGENERATORTHENTHEWORKPRINCIPLEISANALYZEDNEMAINPOINTSOFRFPOWERAMPLIFIERDESIGNAREPRESENTEDDURINGTHEDESIGNOFMRF21030INORDERTOPROVETHERESULTS，THEPREDISTORTIONGENERATORSARCIMPLEMENTEDTOTHERFPAFINALLY,ANGWTEMPERATURECOMPENSATIONSYSTEMISINTRODUCEDTHISTEMPERATURECOMPENSATIONISAGOODMETHODFORTHELINEARIZATIONSYSTEMANDEASYTOSETUPKEYWORDSRADIOFREQUENCYPOWERAMPLIFIER,LINEARIZATIONTECHNIQUE，INTERMODULATIONDISTORTION，PREDISTORTION，TEMPERATURECOMPENSATIONII学位论文版权使用授权书本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，同意如下各项内容按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。学位论文作者签名耥埘年3月莎日经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用本授权书。指导教师签名学位论文作者签名年月日年月日同济大学学位论文原创性声明本人郑重声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。签名廉筋埘年3月F日第1章引言第1章引言11课题研究的目的和意义随着数字通信技术的发展，尤其是CDMA和第三代移动通信技术的发展，对线性功放提出了新的要求。在移动通信系统中，为了保证一定范围的信号覆盖，我们通常使用功率放大器来进行信号放大，然后通过射频前端和天线系统发射出去。但是功率放大器的线性度是一个必须关注的问题，为了提高功放效率，要求功放工作在非线性区内，而且为了提高频谱利用率，无线通信领域中广泛采用频谱利用率高的线性调制技术如QPSK、64QAM等技术，而这些正交调制信号的包络不是恒定的。从而导致功率放大器的输出端产生互调失真，引起输出信号的频谱再生。我们以CDMA或者WCDMA的基站为例，即使是单载波也需要采用线性功放，这是因为CDMA是随即包络的宽带信道，如果采用一般的射频功放通常工作于AB类，将由于非线性的影响产生频谱再生效应，因此在射频功放的基础上必须对其进行线性化处理，即采用合适的线性化技术，它可以较好地解决信号的频谱再生和误差矢量幅值问题。不仅如此，线性功放在基站中的成本比例约占三分之一，如何有效低成本地解决功放的线性化问题就显得更加重要。射频功率放大器的线性化技术主要包括有功率回退、预失真、前馈等。功率回退是最常用的方法，即选用功率较大的管子作小功率管使用，它是把功率放大器的输入功率从LDB压缩点向后回退几个分贝，工作在远小于IDB压缩点的电平上，使功率放大器远离饱和区，进入线性工作区，从而改善功放的三阶交调系数一般情况，当基波功率降低IDB时，三阶交调失真改善3DB，但实际上功率回退是以牺牲直流功耗来提高功放的线性度，功率放大器的效率大为降低。此外，当功率回退到一定程度，三阶交调达到40DBC以下时，继续回退功率放大器的线性度将不再能得到改善。而前馈是一种开环电路，所有器件特性随时间的变化不能得到补偿，在整个频带内，电路元件的转移特性必须限定为几分之一分贝。虽然前馈技术比较成熟而且性能稳定可靠，但是这些优点是用高成本换来的，而且在前馈电路的校准环中需要一个辅助功率放大器，使第1章引言得总效率有所降低。预失真的优点在于不存在稳定性问题，有更宽的信号频带，能够处理多载波信号。而且预失真技术电路结构较为简单，成本较低而性能适中。因此预失真线性化技术比其他几种技术得到更广泛的应用。本文主要研究预失真发生器以及其应用，从理论上和仿真实验中获得结构更合理、对互调失真改善效果更佳、可调范围更大、应用范围更广的预失真电路，并将其应用于功放的设计中，力图使功放的互调失真产物IMD3和IMD5同时都得到有效改善，这无疑对预失真技术的发展具有重大的理论意义。12国内外研究状况和进展功率放大器的线性化技术研究始于上个世纪二十年代。1928年贝尔实验室的HAROLDSBLACK发明了前馈和负反馈技术，并应用到放大器设计中，有效的减少了放大器失真，可以认为是功放线性化技术研究的开端。但那时主要是从器件本身的角度来提高功率放大器的线性度，所研究的功率放大器的效率也较低。随着无线通信技术的兴起和飞速发展，。上世纪七八十年代，射频功率放大器的线性化技术得到飞速发展，应运而生了许多线性化方法，如基于查表的自适应基带预失真线性化技术、自适应前馈线性化技术、EERENVELOPEELIMINATIONANDRESTORATION技术、LINCLINEARAMPLIFICATIONUSINGNONLINEARCOMPONENTS技术以及CALLUMCOMBINEDANALOGUELOCKEDLOOPUNIVERSALMODULAR技术等。研究人员从器件设计人员扩展到系统设计人员，许多学者试图从系统的角度解决射频功放的非线性问题，同样有些技术则能对整个发射机系统进行线性化。目前在国际上，无论是学术界还是工业界，对射频功率放大器线性化技术的研究都非常重视。近年来，在IEEEIEE和MICROWAVEJOURNAL上发表的论文越来越多。2001年微波理论与技术国际会议有五个组讨论功率放大器，其中一个组专门讨论改进功率放大器线性度和效率的方法。与此同时，由于该技术较强的实用性，每年都有上百隔发明专利被申请。与之相比，国内的研究人员比较少，只有个别院校和研究所从事此方面的研究，而且大多发表的文章都是介绍性文章，学术研究论文较少。但目前国内的一些通信公司如华为技术有限公司、中兴通信股份有限公司也都正在从事射频功率放大器线性化的研究。国内对功率放大器线性化技术的研究还有待发展。第L章引言13本文的主要工作和内容安排本文的主要工作是对模拟预失真器技术进行研究。由于以往所研究的大部分预失真发生器都是主要集中于消除三阶互调干扰，因此，本文在以往研究的基础上进一步探讨对高阶互调干扰这里主要考虑五阶互调，以及如何更有效地分别控制并调节三阶和五阶互调干扰。本文的内容安捧如下第二章主要分析射频功率放大器非线性及其失真特性，介绍了射频功率放大器的非线性模型；第三章主要介绍常见的射频功率放大器线性化方法；第四章介绍以往所研究的预失真器。简要概括各种预失真发生器的基本工作原理；第五章基于以上的理论研究，提出两种新的预失真发生器，并借助AGILEM公司的ADS仿真软件，通过将它们应用于射频放大器的仿真研究来验证新型预失真功率放大器设计的有效性，同时提出一种新的温度补偿方法；第六章是全文的结论与展望。第2章射频功率放大器的非线性特性第2章射频功率放大器的非线性特性21射频功率放大器的非线性模型211极坐标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幅度变化引起的。这种模型实质上是考虑功率放大器两种类型的非线性特性，即AMAM和AMPM转换特性。由于射频功放的这两个非线性特性可以通过矢量网络分析仪测量得到，因此用AMAM和AMPM特性来描述非线性功放是实际中经常采用的方法如果把射频功放的AMAM和AMPM转换特性用串联方式表示，则可以得到极坐标形式的非线性模型。考虑如下形式的单频输入信号焉ACOS2J621当该信号通过非线性射频功放后，输出信号变为，4COS2石正F妒G口22上式中厂口和G口分别代表功放的AMAM和AMPM非线性转换特性。MINKOFF研究表明，对于调制输入信号，式21和式22所描述的关系也同样满足，即对于如下调制输入信号S口FCOS2石正F妒F23输出信号可表示为F口FCOS2万Z，FGPF24式24所示的模型可以描述包络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图214第2章射频功率放大器的非线性特性口FCOS2，吮妒FG口PCOS协力趔匦吁巫掣型锄删啪”JAMPMAMAM图21极坐标非线性模型框图212正交坐标非线性模型通过对式24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，P，和QPF，从而避开了较复杂的PM转换特性。对式24，三角展开后可以表示为，口FCOSG口OCOS2，RZF妒，P，SINGATSIN2万妒F25式25可写成如下正交形式，PFCOS2，RZH庐F一Q口FSIIL2石Z，妒，26上式中，P，和QPF分别定义为，口FPFCOSGPF27QPF，PFSINGP，28根据式26可得到如图22所示的正交非线性模型框图。ATCOS2AF,TQ口FCOS2叻妒O图22正交坐标非线性模型框图213序列展开非线性模型S第2章射频功率放大器的非线性特性对于极坐标或正交坐标形式的无记忆非线性模型，都需要通过测量得到AMAM和AMPM信息，而对于没有测量的点则需要进行差值运算得到，因此这些模型运算量较大。对于非线性系统，一种分析方法是通过各种基函数展开，得到简单描述的参数模型，这样可以提高运算的速度。目前对射频功放非线性模型的展开方法有许多，如泰勒序列、功率序列、SALCH函数”和考虑记忆效应VOLTERRA级数瑚跚等。本小节首先介绍功放的带通无记忆非线性模型，这种模型适合通信系统中带通信号的情况。2131功率序列对于一个无记忆非线性系统，其输出信号可以用输入信号的功率序列表示，如下式所示FQ焉F呸F吩霹F29上式中F是输出信号，焉T是输入信号，AI是各次展开系数。当输入信号为固定频率F的单载波正弦信号时，式29所描述的非线性系统会产生频率为倍数的信号分量，这些信号分量称为基准频率分量SIN2丌的谐波失真分量，当输入信号是两个等幅单频信号如正一厶和工厶时，即在双音测试情况下，式29所示的非线性系统会在测试频率及各次谐波附近产生各阶次交调失真分量INTERMODULATIONDISTORTION，“D。如图23所示6一次谐波区域二次谐波区域三次谐波区域图23交调失真分量示意图从图中可以看到，交调分量与基频的频率间隔非常近，是通信系统的主要干扰信号。当多个调制信号通过非线性射频功放时，这些交调分量会落在通信频带内，会对所要传输的信号产生很大干扰，这就是多载波系统中非线性射频功率放大器面对的主要问题。对通信系统而言，交调失真比谐波失真要严重的多，因为谐波分量一般远离所工作频率，因此可以通过滤波器方便地滤除。一6第2章射频功率放大器的非线性特性般功率放大器的线性化目的就是消除交调分量对通信系统的影响。从图23中可以看出，只有基频信号的奇数次项组合才会出现在基频信号附近。因此，如果只考虑交调分量的影响，模型式29可简化如下屯FQ丑F码ZF口，IF210对于下式表示的输入信号，来研究交调失真信号幅度的变化情况。墨F白COS2茚谚211将上式代入式210，三角展开后得F叱Q孚孚COS27TF,212这样基频区域内的交调信号的幅度可表示为挪孚孚213上式就是射频功率放大器的带通非线性模型，这种模型只考虑了带通区域内畚真信号的影响，而没有考虑偶次分量，是一种比较简单的分析模型。2132TAYIOR级数模型这个模型输入输出关系可表示为VO0QQF口2砰R码订F214其中，Q，KF为功率放大器的输入输出。Q，OL，2，3，为TAYLOR级数的系数。有时此模型也叫RF多项式模型。2133VOITERRA级数模型对具有记忆性的系统来说，输入如与输出乞D复包络的关系可以表示成复VOLTERM级数的形式“毛啊纰如一岛，工七K0一班O一咖G一IE如215JFFILIOJOTL0其中，吃N1，3AQ做N阶VOLTERM核，就是一次谐波冲激响应，也是三次谐波冲激响应，是系统记忆长度，E是模型误差。7第2章射频功率放大器的非线性特性22射频功率放大器的非线性特性理想的无记忆放大器的输出信号，是输入信号的倍数。如果放大器的输入信号是VJ，输出信号是F，放大器增益是G，那么线性放大可表示为VO【FC,V，P216放大器的无记忆特性指的是，放大器在时刻T的输出，只与此时刻的输入有关，而与以前的输入无关。反之，如果放大器在时刻T的输出，不仅与此时刻的输入有关，而且还与以前的输入有关，那么这个放大器就具有记忆性，有时把只具有很小记忆性的系统称为准无记忆系统”1。实际上，没有任何一个放大器可以提供无限的输出，放大器的输出会被限制在某一个值饱和值，此时的输入记作，。当放大器的输入超过V时，输出将不再变化，式216不再适用，此时的输出Y勐，X为某一常数，将不再随输入而变化。221功率放大器的效率一般常用的有两种效率一个是漏极或集电极效率仉，被定义为P仉22171、其中，只是放大器的输出功率，。是放大器消耗的直流功率。这个效率与放大器的输入无关，并不能完全反映功率放大器的功率消耗，因此常常采用另一中效率功率附加效率POWERADDEDEFFICIENCYR月叼。譬2IS式中只为功率放大器的输入功率。功率放大器一般分为线性功率放大器和非线性功率放大器两类嘲。这里所说的线性放大器并不意味着放大器是完全线性的，也不存在完全线性的放大器，它们也具有一定的非线性特性。线性放大器主要有A类、AB类和B类。非线性放大器主要是C类、D类、E类、F类、G类、H类和S类。本文主要研究前一类功率放大器。这一类放大器可以用导通角CONDUCTIONANGLE定义，放大器效8第2章射频功率放大器的非线性特性率和输出功率是导通角的函数，如图24所示。由图可以看出功率放大器的效率随着导通角的减小减小功率放大器的静态工作电流而增大，而功率随着导通角的减小而减小，图24放大器类型，效率和功率与导通角的关系2。22AMAMIAMPM特性假设功翠放大器的输入是单音信号叶O一COSG帮妒ACOS甲功率放大器的传输函数为0，甲，输出可表示为；VOF，0，掣将F展成傅立叶级数的形式FO500COSNL王，吒0SINN甲LAI其中吒，丸是傅立叶级数的系数。最重要的输出在M附近VO。FQ0COS协驴6LSIN缸声只0COS陋庐耳乜这里只0，耳0分别就是所谓的AMAM，AMPM特性。对于己调窄带输入信号HF一FCOS陋F9219220第2章射频功率放大器的非线性特性在频率附加，功率放大器的输出为。F只0FCOS国，BR224223IDB压缩点表征功率放大器非线性特性的第一个指标是IDB压缩点。当放大器的增益偏离线性区LDB时，此点就被称为LDB压缩点，并用来衡量放大器的功率容量。此点处的增益记作GL。，RPG。GOLDB，GO是放大器的线性增益。如图25所示。输入功率。DBM图25LDB压缩点和I”示意图LDB压缩点的输出功率，记作。JK。衄MGI。DB，帕DBMGODBLDB。DBM225假设功率放大器的输入是V，O一S缸226放大器输出对输入关系用TAYLOR级数表示为JVOTA。一F口砰F码霄F227其中，Q，FL，2，3是TAYLOR级数的实系数。展开之后，忽略高阶项，基频增益以DB表示为LO第2章射频功率放大器的非线性特性而线性增益为224三阶截点IP3。DQ扣2GO20109A1228229三阶截点是一个假设的点，它是在AMAM图上。基频分量和三阶交调分量THREEORDERINTENNODULATIONPRODUCTS延长线的交点，如图25所示。假设功率放大器的模型为式227，功率放大器输入双音信号为KF彳S0。TCOSC02，妒230结果就会产生非线性失真，主要有两种失真；交调失真INTERMODULATIONDISTORTION，IMD年N谐波失真N奶，MT02；N，M是整数。谐波失真是基频的整数倍，它们落在带外，用滤波器很容易将其滤掉。功率放大器主要的失真是交调失真，因为它落在带内。二阶交调Z五和所有的偶数阶交调，因为落在带外，不会有多大影响主要是奇数阶交调落在带内，对系统有很大影响。最重要的是三阶交调2正，2五和五阶交调3L2F2，3厶32AC如果负载阻抗为R，那么从功率放大器多项式模型，可以计算IP3一川04磬等L其中，AL、如是功率放大器多项式模型中的系数。225单音测试在研究具有适度非线性的系统时，屹F只需用式227的前三项表示就足够了，即。屹FDLVJTAZV2,TA3FT232所谓单音测试，就是用单一频率的正弦波信号作为激励，从而观察系统响应的测试方法。令输入信号一FACOSCO,，则由式232可得输出响应为第2章射频功率放大器的非线性特性VOT；AIACOSDO,TAZA2COS2DOJTA3A3COS3哪寺口2彳2Q彳三吗一CQ，II吃42COS2QFI1吩43COS3COJT233由式233可以看到，输出信号中除了有基波分量外，还包含直流信号和二次，三次谐波分量。其中基波分量的系数是ALAI34A3，Q2，该系数在A30时，大于ALA；而在A3E二兰兰竺兰二三三二二护盯输出I，_J接收机图32基带负反馈原理又被采样并被解调。因为功率放大器是最严重的非线性器件，所以可以假定解调器是线性的。已解调信号被反馈到基带放大器的输入端口，以实现对功率放大器输出的线性化。这种方法的主要缺点是带宽窄，电路复杂。因为反馈网络用了接收解调器。323CARTESIALL反馈CARTESIAN反馈是一种基带线性化技术。如果所要调制的信号处于基带，那么根据数字通信的有关原理，可以把输入信号分解为两个正交信号分量I、Q，两者相位相差90。CARTESIAN反馈的基本原理就是分别对I、Q两路信号加以控制，以获得更为优良的线性度。原理如图33所示。第3章射频功放的线性化技术QLQ调制器LQ调制器图33CARTESIAN反馈其中，基带信号输入端的放大器为差分放大器。当I、Q信号分别进入调制器以后，经过调制器产生了射频信号SFSO彳FJSIN扣OTQ，37SF进入射频功率放大器以后，由于非线性将会产生畸变，畸变后的信号通过耦合器提取一部分，再经衰减、解调后，返回到输入端的差分放大器，这样就使得反馈环路能够比较准确的跟踪输出L、Q的失真变化。CARTESIAN反馈法的优点之一就在于它把增益和带宽在两个正交的信道中分别处理加以平衡，这样就避免引入相位偏移。但是，笛卡儿环路的增益及带宽又取决于差分放大器的带宽以及解调器的线性度，另外，回馈信号的迟延也严重的限制着该方法的系统带宽，因此在对带宽要求越来越宽的今天，该方法已逐渐不太适用“”“帅”。324包络反馈如前所述，在RF反馈系统中，由于直接从射频输出端反馈信号，反馈延时影响系统的稳定性。为此，可以从射频输出端，把信号包络作为参数反馈到输入端，就可以很大程度上减小RF反馈系统中的延时问题。这种方法就叫做包络反馈法。”。这种技术要考虑和幅度非线性有关的带内失真，而谐波失真由于可以利用滤波器网络很容易加以滤除，因此可以不必考虑。包络反馈技术可以用于整个发射机，如图34所示，也可以用于单个功率放第3章射频功放的线性化技术大器，如图35所示，两者的工作原理类似。RF输入输出信号通过耦合器被提取一部分，在经过包络检波器得到输入输出的包络信号，两者同时输入到差分放大器作差。代表输入输出包络信号误差的差分信号驱动调制器，调制器调节射频信号的包络。使输出信号的包络得以线性化，线性化程度取决于反馈环路增益。UPCNVERTERVOLTAGEENVELOPEDIVIDERDETECTOR图34包络反馈在发射机中的应用ENVELOPEDETECTORENVELOPEDETECTOR图35包络反馈在RF功率放大器中的应用OUTPUT运用这一技术线性度的改善程度也与功率放大器AMAMAMPM转换特性有关。对于VHF双极型晶体管来说，主要是AMAM失真，双音IMD一般减小10DB。因为包络反馈不能校正AMPM失真，所以如果是相位失真是主要的非线性形式，那么线性度不会得到提高。C类和LDMOS功率放大器就是这种情况。因此包络反馈法一般只限于线性化A类和AB放大器。325极坐标反馈第3章射频功放的线性化技术极坐标反馈线性化技术最早是由PETROVIC等提出来的曲】。与CARTESIAN反馈一样，极坐标反馈也是一种基带线性化技术。它克服了包络反馈不能校正AMPM失真问题，基本上是在包络反馈系统中加入锁相环。包络和相位反馈函数基本上是独立的，在这种情况下，假定输入信号已调制到中频，可以在中频IN进行包络检测。同样地，相位检测也发生在中频，同时增加限幅器LIMITER，以减小信号幅度对相位的影响。也可以选择在基带获得包络和相位调制信号，在基带作比较。极坐标反馈的两个环路，一个用来跟踪相位误差，另一个用来跟踪幅度误差。在此系统中，因为幅度和相位都可以得到校正。所以可以减小由于温度、负载等的变化而引起的系统波动。虽然这种技术可以应用于任何调制系统，但是它最适合窄带通信系统，因为宽带信号用幅度和相位表示有困难。对于窄带系统，此技术对杂波的抑制可达60DBO“。典型的应用场合是几KHZ的带宽，载波频率从100MILZ到950MHZ的通信系统。极坐标反馈技术的最大缺点就在于包络与相位反馈环路有不同的带宽，所以AMAM和AMPM特性改善程度也有区别。这样就会经常导致整体性能比CARTESIAN反馈还要差。一般地，相位带宽是包络带宽的5LO倍，这限制了环路增益。33前馈技术331基本前馈技术前馈线性化技术起源于“反馈”，应该说它并不是什么新技术，1928年就由在贝尔实验室工作的美国入HAROLDSBLACK提出来了嘲。21第3章射频功放的线性化技术RFINPUTEFFORAMPLIFIER图36前馈放大器基本原理RFOMPUT最基本的前馈放大器原理如图36所示。它由两个环路组成环路1由功分器，主放大器，耦合器1，衰减器L，相移器L，延时线1，合成器L组成。输入的RF信号，即两个纯净的载波信号，经功分器后被分成两支路信号上分支路为主功率放大器支路，纯净的RF载波信号经过该支路后产生放大后的载波信号和互调失真信号；下分支路为附支路，纯净的RF载波信号经过该支路后被延时，主功率放大器支路输出的非线性失真信号经衰减器I和相移器L后，与附支路输出的信号在合成器1中合成，调节衰减器1和相移器1使两支路信号获得相等的振幅，1“80相位差以及相等的延迟，这时，就能有效的抵消主功率放大器支路的RF载波信号，而提取出由于主放大器非线性放大所产生的互调失真信号。因此，这一环路又称为RF载波信号对消环路。环路2，也叫失真信号对消环路，由延时线2，误差放大器，衰减器2，相移器2。合成器2组成。它同样也有两条分支支路上分支路将主放大器输出的非线性失真信号延时后送入合成器2；下分支路将环路L提取出的互调失真信号进行放大，衰减，相移后也送入合成器2，调节衰减器2和相移器2，直到合成器2输出的信号中互调失真信号最小，也就是IMD最小，则此时输出的信号就是放大的线性的射频信号。对于典型的10DB耦合器来说，主功率放大器有90的功率可以送到输出端。对同样的耦合器，误差放大器只有10的功率送到负载，所以误差放大器必须提供LO倍于主放大器的失真信号功率。误差信号的峰均比常常比所需信号的峰均比高很多，误差信号放大的效率比主信号低很多。结果误差放大器的功率消耗与主放大器的功率消耗相比小不了多少。另外，为了提高线性度，一个第3章射频功放的线性化技术或者两个放大器必须回退。所以对于多载波信号来说，前馈功率放大器的整体平均效率只有1015。332自适应前馈技术白适应前馈原理如图37所示。由于基本前馈功率放大器是一个开环系统，器件特性随时间、湿度、电压和信号电平而变化，这将使幅度和相位匹配退化，使发射机的输出失真增加。所以需要运用自动控制电路，不断地调节增益和相位，以得到最好的信号对消和输出线性度。自动控制网络一般运用DSPDIGITALSIGNALPROCESSING芯片，加上自适应算法，对两个环路的衰减器和相移器进行调节。RFINPUT34预失真技术图37自适应前馈功率放大器原理预失真技术的基本原理，就是在RF功率放大器前，插入一个非线性器件，如图38所示。这个器件的非线性特性与RF功率放大器的非线性特性相反，两者合成以后的特性就是线性的，如图39所示。预失真技术一般分为模拟或RF预失真和数字或基带预失真。第3章射频功放的线性化技术1争D日丽拉嘧专VOEDPRCDISTORTCRRFAMPLIFIER图38预失真框图K，D巧剧图39预失真原理基带预失真技术是指在通信系统的基带完成信号预失真，达到线性化功率放大器的种线性化技术由于基带信号的频率较低，一般转换成数字信号进行处理，因此这种技术也称为白适应数字预失真技术，如图310所示。DSP、FPGAFIELDPROGRAMMABLEGATEARRAY或者ASICAPPLICATIONSPECIFICINTEGRATEDCIRCUI0芯片是预失真系统的主要组成部分。已调信号在预失真器中被失真。它的输出通过DA转换器变成模拟信号，进而被调制到RF载波上，再进入RF功率放大器进行放大，得以线性化。RF功率放大器的输出通过耦合器提取一部分，解调并返回到基带，通过AD转换器变成数字信号，用于调节预失真器的特性由于预失真器和功率放大器都能引起频谱再生，所以需要有快图310自适应基带预失真原理第3章射频功放的线性化技术速的数据转换。尽管这个过程主要是在基带完成的，现在把数字自适应和模拟预失真结合在一起的研究越来越多“”啪1，自适应算法主要是LUTLOOKUPTABLE，多项式功函数等。关于RF预失真技术，将后续章节详细介绍。35EER技术EERENVELOPEELIMINATIONANDRESTORATION”1基本原理如图311所示。图311EER基本原理这种技术把幅度信息和相位信号彼此分开，相位信号直接进入功率放大器，功率放大器完全工作在非线性区。由于放大器处于开关状态，所以这一技术理论上可以达到100的效率。在载波得到放大之前，幅度信号被从载波中消除。在载波功率放大期间，包络信号通过RF功率放大器的偏置恢复到载波上。相位信号和幅度信号必须同时到达，所以相位信号支路必须加延时线因为幅度恢复通常要用DCDC转换器，幅度支路比相位支路要慢的多1，使两个支路延时匹配。EER技术也有几个缺点。通常包络恢复是通过加在功率放大器漏极偏置电压完成的，当漏极电压变化以便校正功率放大器的输出幅度时，相位也会改变。太多不需要的相位调制增加了频谱再生。另一个缺点是包络恢复反馈环路比较迟钝。EER技术只有2030DB的动态范围。即使加到功率放大器的偏置电平为零时，交流功率也会泄漏。36LINC技术和CALLUM技术第3章射频功放的线性化技术UNC几INEARAMPLIFICATIONWITHNONLINEARCOMPONENTS线性化技术是由COX在1974年提出的，如图312所示，COX认为这种技术适合幅度和相位都变化的调制技术。LINC技术的基本原理是把带通输入信号幅度、相位或者两者都变化分成两个只有相位变化的恒包络信号S、最，这两个角度调制的恒包罗信号，被任何具有足够带宽的而不必考虑其幅度线性度的放大器分别放大。被放大了的信号分量在输出端合成，实现对输入信号的放大。图312LINE基本原理假设输入的带通信号为荆SF口FKJOT；0面S38其中，是信号幅度的最大值。这一信号被信号成分分离器分成两个相位调制恒包络信号墨F，岛F墨FSF一ET吒P脚MO39是FSFEFR,EJT80MO310其中，妒F和正交信号EF分别为删。幽ER扣F312第3章射频功放的线性化技术两个信号分别被放大，然后送至功率合成器中合成。如果两个放大器支路能够完全匹配的话，那么它们的增益和相位特性会完全相同，同相信号分量相加，反相信号分量彼此相互对消，结果输出的是需要的对原始信号放大的信号然而这一条件很难达到。与窄带信号JF相比，正交信号PF的频谱扩展到邻近通道，并且没有完全对消的宽带信号残留在邻近通道，进而产生邻道干扰ACL。现在随着数字信号处理技术的发展，可以在DSP芯片上用软件的方法完成两路信号的分离CALLUM模拟闭环通用调制器技术O”是一种起源于L1NC非线性器件的线性放大机制的技术。CALLUM线性化技术采用笛卡儿反馈，它的输出信号被反馈回去，应用QAM下变频为正交信号分别与基带的正交信号分量进行比较。CALLUM与LINC由于使用了有效率的功率放大器而可以产生高的效率。然而LINC在其支路上很难实现增益和相位的匹配问题，所以对失真的消除改变甚小。而CALLUM受限于其反馈结构，所以通常应用于窄带系统，在功放输出处合并时其功率和效率都极大地损耗。目前为了进一步提高线性度，往往一种线性化技术不能满足，这是可以两种或更多的线性化方法一起运用，如包络反馈预失真O”、RF反馈与前馈结合等。第4章肺预失真线性化技术第4章RF预失真线性化技术预失真技术是概念上较简单的线性化技术。预失真是在信号放大之前对信号按照一定的规律进行“预先失真”，以便最终输出信号中的失真分量尽可能地小，对功率放大器的线性化起到很好的效果。预失真技术在电路中就表现为增加了一个预失真发生器。这个预失真发生器的作用就是产生与原信号相对应的失真信号。因为这种失真是在信号被放大之前，故称之为“预失真信号”预失真技术按预失真模块在信号流程中的位置，可以分为RF射频预失真、IF中频预失真和基带预失真。本文主要研究RF预失真。RF预失真是对最终的射频信号进行纠正，它采用模拟器件，电路位于射频功放之前，处理的是较小的信号，对器件和电路的要求不高，且容易实现。RF预失真还易于集成，适用于高频、宽带系统，因此它非常适合宽带多载波系统，如卫星通信、移动通信的基站等。国内外已经对预失真器迸行了大量深入研究，同时也提出了许多预失真器电路，如基于肇个二极管预失真、基于场效应晶体管FET的预失真、反向并联二极管对预失真等。这些器件都是非线性的，适当条件下，可以产生所需要的失真信号。本章首先RF预失真的基本原理，然后主要介绍几种常用的预失真发生器。41预失真基本原理预失真技术的基本原理，就是在RF功率放大器前，插入一个非线性器件，如图41所示。这个器件的非线性特性与RF功率放大器的非线性特性相反，两者合成以后的特性就是线性的，如图42所示PREDISTORTERRFAMPLIFIER图41预失真框图第4章盱预失真线性化技术VOPD屹。巧肋形捌图42预失真原理42单个二极管预失真器421串联二极管预失真器最简单的模拟预失真器就是串联单个二极管来达到线性化功率放大器的目的，它的电路结构如图43所示。它是一个肖特基二极管并联一个电容，两个福置扼流圈用于直流馈入，两个电容用于隔直。它是应用串联二极管的电阻R的非线性，在低电压偏置请况下来产生正的幅度和负相位。V一IN图43串联二极管预失真器图44所示为预失真器的简化等效电路，电路的是，可表示如下经“1I2ZDY】，三，CR。4142每上一工下立第4章RF预失真线性化技术CCPCJD口R图44预失真器等效电路其中R是串联二极管的阻抗，C是并联电容Q与二极管结电容Q的总电容，ZO是特性阻抗随着输入RF信号的增大，平均电流也增大。我们可以通过计算信号波的傅立叶变化来证明直流电流的增大这就说明当二极管前向电流增大时其等效电阻减小。422并联二极管预失真器并联二极管预失真器的电路结构如图45所示，它包括一个并联肖特基二极管，一个偏置电阻焉和两个隔直电容。二极管的等效电路包括一个等效电阻岛和结电容Q屹和厶分别为二极管的正极电压和流经二极管的直流电流I；R叫图45并联二极管预失真器423变容二极管预失真器另一种方法是采用变容二极管实现预失真功能，这种预失真系统包含了两种技术。一是用变容二极管来补偿线性化功放的AMPM非线性特性，另外还采用二阶谐波控制技术来补偿功放的AMAM特性。同前面简单的串、并联二极管技术相比，该技术具有出入损耗低等优点。第4章JLF预失真线性化技术图46是该技术应用于一个砷化镓场效应GAASFET单管功率放大器的示例。变容二极管作为GAASFET输入端的容性补偿，用来消除功率放大器的AMPM非线性特性。而功放的AMAM特性采用源二次谐波注入技术补偿，这样就完成了对整个功放的线性化。RFINPUT一图46变容二极管预失真器43基于场效应管FET预失真器RFO州基于场效应管的模拟预失真器有许多种结构，这里介绍具有代表性的三种结构。图47是一种传输模式的FET非线性电路，它可以作为模拟预失真器使用。其偏置电压可以调节非线性灵敏度，可变电容用来补偿相位误差，BALUN的作用是在FET的源和漏极中提取所需要的失真信号。RFINPUT图47干车输模式的FET非线性电路3LRFOUTPUT第4章RF预失真线性化拄术图48是反射模式的FET非线性电路。LET的一端接环形器，信号通过环形器进入FET，失真后的信号经过环形器输出，通过这样一种方法保持了FET非线性电路在一个较宽的带宽内同输入和输出电路匹配。偏置电压的作用同样是调节非线性灵敏度，可变电容用来调节输出信号的幅度和相位非线性程度。RFINPUT图48采用环行器实现的反射模式的F日非线性电路RFOUTPUT49所示的非线性电路中，FET同样是工作在反射模式下。与图48不同的是，该电路采用相移分配器来完成信号的处理。电阻马用来调节输出端无失真信号的强度，如果加入电抗元件，则可以调节相位。R2RFNPUT图49采用相移分配器实现的反射模式的FET非线性电路RFOUTPUT第4章髓预失真线性化技术44谐波预失真器图410为基于二次谐波的预失真器框图。在实际中，大部分的RF放大器即使是在低功率情况下都会产生二次谐波失真。如图中所示。用带通滤波器可以容易地把这种二次谐波成分选取出来在主通道中可以用低通滤波器将其消除，然后适当地调节其增益和相位，再经过放大后注入主通道中。恤图410基于二次谐波的预失真器RFORTPUT由于主功放的二次非线性作用于基波和注入主通道的二次谐波，从而产生三阶失真成分，如果适当地调节二次谐波的增益和相位，可以使其产生的三阶失真成分与功放自身非线性产生的三阶失真成为相位相反，从而改善功放的三阶非线性失真。谐波预失真具有不衰减功放输出功率的优点，但预失真插入损耗较高45混频预失真器混频预失真主要是一种采用混频技术的预失真电路，在这种预失真技术中，有一个关键的问题是包络检测电路对包络信号的提取1。根据预失真技术的基本原理，在主放大器之前先产生一个能抵消主功率放大器产生的三阶互调信号的三阶互调信号。即当输入频率为Q。峨的双音纯信号时，预失真发生器应产生含2Q一和2吐一Q的三阶信号。这个信号跟主功放产生的三阶互调失真信号幅度相等，相位相反。根据混频器原理，它主要由三个端口即RF射频端，IF中频端以及篙。巳过铷F第4章盯预失真线性化技术IX本振口组成。如图41L所示。LF图411混颁器当射频端输入频率为Q，哆的双音信号，本振端有频率为奶一Q的低频信号，则在IF端有劬鸭一Q和吐吐一CO。，即得到三阶失真信号2Q一缟，2C02一吼在这里介绍的混频预失真就是利用混频器的这种上变频混频”1特性使输入信号与包络检测电路得到的二次低频分量进行混频来产生所需要的三阶互调信号。如图412所示是混频预失真的基本原理框图。输入信号经过功分器分成上下两支路。上面一路通过时间延迟单元到达功率合成器的一端。该时间延迟信号是用来补偿信号经过三阶模拟预失真器的时间延迟。下支路为预失真信号发生器电路，该电路由两部分组成包络提取部分和混频部分。射频信号经第二个功分器再分成两路，上路为第二延时支路，补偿经过包络检测电路的延时。双音信号经包络检波检出二阶低频分量哆一峨，该频率分量经可交增益放大器VGA放大，得到的信号作为本振端口的输入，与来自延时支路的射频信号混频，便得到含有三阶频率分量的信号，这就得到我们所需要的三阶互调分量。适当调节矢量调节器可变衰减器和可变相移器来控制大小和相位，以达到其与主放大器的IMD3的幅度相等，相位相差180度，他们与上支路信号在主功放前重新合成成为带有失真信号的新的输入信号RFMIMGCNATIOR图412混频预失真原理框图34R一第4章盯预失真线性化技术理论分析，设输入信号为频率为Q，屿的双音信号，包络检波电路的非线性系数为Q，可变增益放大器对二次项的放大系数为以，则产生的二次项信号功率为，G42C0吐一CO。T43设混频器的混频系数为G，则，与双音输入信号XF经混频器后得到的输出信号有一Q42GCOSCO44二12一嘭厶2GCOSCO4，5L乃，去似嘭以Z瓯_Q4G府COS【2Q一哆搠461乃。轴寺彳Q以2瓯彳Q以4瓯COS2C02一CO,T】47二从以上式子可以看出，通过调节可变增益放大器增益可正可负和矢量调节器，可以控制三阶互调失真。另外由于A，Q，GI都是常数，所以和Y。是以的函数，即调节IM3的幅值时将对主功率信号的幅值产生影响，因此在主通路中加入一个线性放大器。用来弥补预失真支路造成的主功率信号的衰减。4。6基于二极管反向平行对的预失真器基于二极管反向平行对结构的模拟预失真器是一种比较常用的预失真结构，这种类型的预失真器主要有如下四种形式。在图413中，预失真系统围绕一个T型衰减器形成。该T型衰减器有电阻墨是组成，完成对输入信号的采样并把失真后的信号回注到主通道中。预失真中的非线性发生器由一对反向平行的二极管组成。在理想情况下，如果二极管对性能完全匹配，则只产生三阶互调分量，同输入信号中的三阶失真分量对消后，再回注到主通道中完成预失真功能。第4章LLF预失真线性化技术RF队图413二极管反向平行对预失真器在图414中，其预失真器中的非线性发生器是由四个二极管堆组成。因为DLD4工作在高速的射频频段，因此需要用高速的肖特基二极管实现。如果需要系统在一定的范围内保持稳定工作，必须温度补偿等电路。采用T型衰减器作为输入信号的采样和回注虽然是一种比较简单的方法，也可以保持输入和输出50Q阻抗匹配，但会对整个系统的噪声性能产生一定的影响，功率效率也不高。刚。肛掣悦RFLN鼍影讳唧UTDI本晕D3D2圭本幺_图415所示预失真器用180度HYBRID耦合器来完成信号的处理和匹配功能，同前面两种结构相比，这种方式有许多优点。HYBRID耦合器零度通路上的线性阻抗可以用来消除二极管对所产生的线性分量，而并联的电容可补偿二极管对的电抗分量，弥补相位失真。采用HYBRID耦合器对还可以保持对输入和输出阻抗特性的很好匹配。第4章RF预失真线性化技术RFINPUT图415基于HYBRID结构的预失真器另一种形式的二极管反向平行对预失