[硕士论文精品]通信中射频功率放大器数字预失真的研究

摘要摘要现代无线通信系统采用了频谱效率高的非恒包络的数字调制方式，这对电路特别是功率放大器的非线性非常敏感。放大器失真引起输入信号的频谱再生，这对相邻信道中的通信产生了干扰。放大器非线性还引起带内失真，这损坏了发射信号的完整性，导致接收机端出现高误码率。为了在不损失效率的条件下降低功率放大器的非线性失真现在广泛采用了线性化技术。在所有线性化技术中，数字预失真是种非常有效的方式。对于无记忆效应的功率放大器，如基于单个查找表的无记忆预失真器可以很好的补偿非线性并被广泛研究。然而，并不是所有功率放大器都可以被当成无记忆效应的，特别是对宽带应用，如WCDMA，TDSCDMA等现在被广泛采用的通信系统，功率放大器的记忆效应将不能被忽略。为了解决带记忆效应功率放大器的线性化问题，本文采用了基于记忆多项式MP的数字预失真器，MP是VOLTERRA多项式的特殊情形，具有预失真参数易于提取且性能良好的特点。在过去二十多年，可编程器件技术FPGA得到了迅猛发展。快速、高集成度、大量的支持工具及容易使用的IP核，使它成为很多高速数字信号处理算法实现的优先选择。本文将首先分析射频功率放大器的记忆效应，在此基础上建立射频功率放大器记忆多项式功率放大器数字预失真器的相关模型及进行相关算法的研究，最后介绍记忆多项式数字预失真器的FPGA实现，构建了完整的测试环境，并给出实验结果，结果很好的验证了该方案的可行性。关键词射频功率放大器，记忆效应，数字预失真，查找表，现场可编程门阵列ABSLRACTABSTRACTMODEMWIRELESSCOMMUNICATIONSYSTEMSEMPLOYSPECTRALLYEFFICIENT，DIGITALLYMODULATEDSIGNALSWITHBANDWITHSANDTIMEVARYINGENVELOPES，ARIDWHICHISVERYSENSITIVETOPOWERAMPLIFIERNONLINEARITYAMPLIFIERDISTORTIONPRODUCESADILATIONOFTHESPECTRUMOFTHEINPUTSIGNAL”SPECTRALREGXOWTH”WHICHCAUSESINTERFERENCETOCOMMUNICADONSINADJACENTCHANNELSINADDTIIONTOSPECTRALREGROWTH，AMPLIFIERNON1INEARITIESPRODUCEINBANDDISTORTIONWHICHDETERIORATESTHEINTEGRITYOFTHETRANSMITTEDSIGNALANDRESULTSINHI曲BITERRORRATEBERATTHERECEIVERENDLINEARIZEATIONTECHNOLOGYISNOWWIDELYUSEDINORDERTOREDUCETHEPOWERAMPLIFIERNONLINEARDISTORTIONWITHOUTLOSSOFEFFICIENCYINALLLINEARIZATIONTECHNIQUES，DIGITALPREDISTORTIONISVERYEFFECTIVEMETHODFORTHEPOWERAMPLIFIERWITHOUTMEMORYEFFECT，SUCHASLOOKUPTABLEBASEDPREDISTORTIONLINEARIZEATIONCANCOMPENSATEFORPOWERAMPLIFIERNONLINEARITYANDWASSTUDIEDEXTENSIVELYHOWEVER,NOTALLPOWERAMPLIFIERSCANBETREATEDASNONMEMORYEFFECT，ESPECIALLYFORBROADBANDAPPLICATIONS，SUCHASWCDMA，TDSCDMAISNOWWIDELYUSEDINAWIDERANGEOFCOMMUNICATIONSSYSTEMS，POWERAMPLIFIERSMEMORYEFFECTCANNOTBEIGNOREDINORDERTOSOLVETHELINEARITYOFPOWERAMPLIFIERWITHMEMORYEFFECT，THISARTICLEUSESMEMORYPOLYNOMIALMPDIGITALPREDISTORTION,MPISASPECIALCASEOFVOLTERRAPOLYNOMIAL，EASYTOEXTRACTPREDISTORTIONPARAMETERSANDGOODPERFORMANCECHARACTERISTICSINTHEPAST20YEARS，PROGRAMMABLEDEVICETECHNOLOGYFPGAHASBEENDEVELOPINGRAPIDLYFAST，HI曲一INTEGRATION,ALARGENUMBEROFSUPPORTTOOLSANDEASYUSINGIPCOREMAKEITPREFERREDCHOICEFORALOTOFHI曲一SPEEDDIGITALSIGNALPROCESSINGALGORITHMSFIRSTLY,THEARTICLEANALYZESTHERFPOWERAMPLIFIERWITHMEMORYEFFECT，ANDTHENESTABLISHRFPOWERAMPLIFIERPOWERAMPLIFIERMEMORYPOLYNOMIALPREDISTORTIONMODELSANDSTUDYOFTHEASSOCIATEDALGORITHM；FINALLYINTRODUCEDTHEFPGAIMPLEMENTATIONOFMEMORYPOLYNOMIALDIGITALPREDISTORTION，ANDTHENBUILDACOMPLETETESTENVIRONMENT，ANDTHEEFFECTIVENESSOFTHEPREDISTORTIONLINEARIZERSAREIIABSTRACTDEMONSTRATEDBYEXPERIMENTALRESULTSOBTAINEDKEYWORDSRFPA，MEMO巧EFFECT，DIGITALPREDISTORTION，LUT，FPGAIII独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得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已在论文中作了明确的说明并表示谢意。签名。主垒垒壶日期加年5月1占日论文使用授权本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。保密的学位论文在解密后应遵守此规定签名缁氢导师签名目期娜年G月堪日第一章绪论第一章绪论11射频功率放大器数字预失真器的研究意义现代无线通信系统采用了频谱效率高的非恒包络的数字调制方式，这对电路特别是功率放大器的非线性非常敏感。放大器失真引起输入信号的频谱再生，这对相邻信道中的通信产生了干扰。放大器非线性还引起带内失真，这损坏了发射信号的完整性，导致接收机端出现高误码率。常规RF放大器AB类中的非线性较轻，失真大约比输出功率回退等于调制的峰均功率比时的载波电平低40DB。为此类轻度非线性行为付出的代价是效率低。高效率放大由于提高了系统可靠性，简化了热管理，并缩小了放大器以及降低了基站的成本，因此它非常合乎需要。另一方面，高效率放大器如DOHERTY展现了比AB类设计更严重的非线性，失真比载波电平低29DB或更低。为了在不损失效率的条件下降低功率放大器的非线性失真现在广泛采用了线性化技术。最常用的线性化技术包括有功率回退、反馈线性化、前馈线性化和数字预失真。相对于前几种技术，数字预失真技术具有很多优点。预失真不具有反馈线性化系统的稳定性和严重的带宽限制问题。相对于回退和前馈线性化，它在设计良好的系统中不会导致放大器效率的降低。因此，预失真线性化技术在过去的十多年成了研究的热点【LO】。在所有线性化技术中，数字预失真是种非常有效的方式。对于无记忆效应的功率放大器，如基于单个查找表的无记忆预失真器可以很好的补偿并被广泛研究。然而，并不是所有功率放大器都可以被当成无记忆效应的，特别是对宽带应用，如WCDMA，TDSCDMA等广泛现在被采用的通信系统，采用了非恒包络调制而有很高的峰均比，功率放大器的记忆效应将不能被忽略。为了解决带记忆效应功率放大器的线性化问题，本文采用了基于记忆多项式MP的数字预失真器【41，MP是VOLTERRA多项式【5】的特殊情形，具有预失真参数易于提取且性能良好的特点。在过去二十多年，可编程器件技术FPGA【6】得到了迅猛发展。快速、高集成度、大量的支持工具及容易使用的IP核，使它成为很多高速数字信号处理算法实现的优先选择。本文将介绍记忆多项式数字预失真器的FPGA实现，此预失真器是自适应【7J的。电子科技大学硕士学位论文它根据输入的WCDMA信号的变化，产生相应的预失真，最终纠正放大器的非线性失真。12国内外的研究现状随着3G4G等通信业务的迅速增长，和固态功率器件输出功率水平的迅速提高，对高线性度固态功率放大器的需求激剧增加。国外对此进行了广泛的研究，使功率放大器线性化技术的研究，成为当今的一个热点，已有大量的线性功放产品问世。目前在国际上，无论学术界或者工业界，对射频功率放大器的线性化研究都非常重视。近年来，IEEE每年在线性化技术方面的论文，都有一定数量的增长，2008年刊登的直接相关的论文达几十篇。欧洲美国的各所综合性大学的相关研究所也都很重视该课题的研究，从各个方面提高功率放大器的线性度及效率。PMCSIERRA公司其PM7800PALADINIO和PM7815PALADINL5器件采用了PMCSIERRA工业标准无线数字预失真DPD技术及高频混合信号设计能力，可使产品满足新兴的WIMAX无线标准，可在基站收发器中实现DPDPA技术，与前馈方案相比频谱功率的效率可提高50以上。OPTICHRON发布的数字预失真DPD线性化器件0P4400。该款0P4400为单片集成电路，采用了TURBOLINEAR专利技术，消除了非线性失真，从而解决了功率放大器应用产品的主要性能瓶颈问题。适用于各类功率放大器配置包括DOHERTY和AB类放大器，支持任何一种信号链架构和调制方案。该产品不需要外部处理器或支持电路，也不需要算法编程，是业界现有的第一款商用整装数字预失真DPD设备。德州仪器TI推出的一款集成数字上变频器DUC、振幅因数缩小CFR以及数字预失真DPD线性化功能的单芯片无线发射处理器GC5322、GC5325及GC5328。该器件提高了RF发射信号链中多载波功率放大器的电源效率，而且无需更高成本的高性能RF功率放大器组件，能够将AB类功率放大器的电源效率提高25之多，对于DOHERTY功率放大器而言，其效率更可提升40乃至更多。近年来，该领域的研究逐渐引起国内学者的注意。但是，目前只有几所重点理工科大学的相关研究实验室展开了该课题的研究，并取得了一定的成果。但无论从学术论文的发表，还是相关专利的申请，都还没有达到国际水平。许多有实力的国内公司，如华为、中兴、京信等，已投入一定人力物力进行2第一章绪论研发，取得了较好的成果。13论文的内容安排及创新点本课题的主要任务是解决功率放大器的非线性失真问题。具体的说就是通过软件无线电SDR的方法，解决各种信号如WCDMA在放大的过程中，由于功率放大器的非线性而产生的带外频谱再生和带内信号失真的问题。在课题开展过程中，本人阅读了大量有关功率放大器线性化方面的文献资料，并结合当前无线通信技术的发展，重点研究了考虑记忆效应的功率放大器线性化预失真器的实现。根据该项目的技术要求，在指导老师及公司技术人员的悉心指导下，拟定本课题采用的技术路线及实施方案。全文共分六章。第一章是绪论，讲述了射频功率放大器数字预失真器的研究意义，国内外的研究现状和论文的创新点；第二章关于功率放大器非线性的基本理论，主要是衡量非线性的指标及其测量，功率放大器线性度及其效率的折中考虑，最后还重点介绍了功率放大器的记忆效应；第三章介绍了功率放大器的各种模型，重点是叙述考虑记忆效应的行为模型第四章就基于记忆多项式的数字基带预失真器展开讨论，重点介绍了预失真器的查找表结构实现，预失真器系数自适应提取及检测回路时延校正；第五章具体描述了基于查找表的记忆多项式预失真器的FPGA实现，并给出了测试结果；第六章是本项目的总结及展望。本文工作的特色和创新之处是研究了考虑记忆效应的功率放大器行为模型；提出了易于FPGA实现的检测回路时延校正的算法；基于软件无线电思想完成数字预失真算法的设计和实现；在FPGA上，采用系统化的设计方法完成设计和实现；给出了本线性化方案的具体实现及测试结果。3电子科技大学硕士学位论文第二章功率放大器非线性的基本理论2I功率放大器的非线性21I非线性放大器的串行表示一个理想的无记忆功率放大器PA表现为线性传输特性，其输出电压为输入电压的线性函数。令放大器的输入电压为F，输出电压为屹埘F，传递函数为Q】和标量电压增益为G，因此，线性放大可以表示为FZH】G心F21通过考虑一个理想的线性放大器，PA的输出和其输入的频谱是一样的除了标量增益，并没有引入额外的带内或带外频率分量。不管怎样，当考虑线性传输函数，由于PA的动态特性会出现失真，这种失真被称为线性失真。让我们看看下面的传递函数，国1日WLE朋刎22满足如下条件将出现幅度线性失真，IHWLGLV口O23在如下条件下将出现线性相位失真，9缈缈厅以，VRO24线性失真可以很容易地利用线性滤波器补偿。然而，更现实的定义将功率放大器看作为一个非线性系统，其输出信号是输入信号的非线性函数。从实际角度来看，信号经过非线性系统将会产生频谱失真。非线性失真现象是有源器件固有的，如放大器或振荡器，而且也出现在一些无源器件，如混频器，由于它的非线性行为。假设PA是无记忆的，因此忽视了记忆效应，PA的输出信号屹F可以由一个多项式模型表示阴，即是一正比于其输入信号F的一次项及高阶项组成的多项式，4第二章功率放人器1线性的基本理论VOWFV，K。F25七L这里氍是该多项式的每一项分别对应的增益。多项式的第一项是线性项，并对应所需的输出信号。多项式的偶次项吃，吃，谨将在载波频率整数倍处引入更多的频率成分，这些由偶次项造成的非线性失真被称为谐波失真。而多项式的奇次项V，3。，吃，川V2。K1将在载波频率附近引入频率成分，其中的一些，由于太接近有用信号，不能被滤除，这些互调产物就是所谓的互调失真。此外，一些由特定的非线性组合产生的高频成分会落在有用信号所在的频带内造成带内失真。212功率放大器非线性效应和非线性量度让我们考虑一个信息包含在振幅和相位极坐标或同相I和正交Q分量直角坐标的调制信号，非线性必然造成振幅和相位或I和Q的失真。一个衡量PA引入的非线性失真的量度是其AMAM和AMPM特性。AMAM失真是指输出信号和输入信号幅度上的失真，比如当输入信号摆幅进入阈值电压之下或者饱和电压之上时，输出电压信号就会发生截断或削顶，即为AMAM失真。AMPM失真是指，非线性PA输入信号幅度上的变化，导致了输出和输入信号之间的相位差的变化。尤其是，如果将PA表示为一个带通无记忆非线性模型并且V。F为屹FATCOSEQF缈F26失真了的输出信号匕F可表示为FG彳FCOSQF妒F虻彳F27这里输出信号是载波频率为她的正弦信号，其幅度是输入信号幅度的非线性函数G彳F，相位为输入信号幅度的非线性函数么F。图2L是PA的AMAM和AMPM特性曲线，从中可以发现随着PA输入信号幅度的增大增益和相位失真越发明显。类似的，图22列出了一些用于量化PA非线性行为的指标，如LDB压缩点、饱和点、输入和输出回退IBO和OBO。LDB压缩点PLDB是指增益下降到比线性增益低LDB时的输出功率值。5电子科技大学硕士学位论文夕，RFLNLMZTAMPLITTLDEINPUTAMPLITUDE图21PAAMAM和AMPM特征另一个处理PA非线性的指标是峰均比PAPR，其定义为在一个发射符号内连续信号瞬时峰值功率与信号均值功率的比值。，P、PAPRDBLOLOGL0I产L28、AVTRGGF信号的峰均比是根据信号包络的概率密度函数得到，它指示了信号包络中某特定幅度的信号在整个信号包络持续期中占用的相对时间量。这个参数很重要，因为要让PA工作在线性条件下，PA的工作点必须远离饱和点，这意味着功率回退操作见图22。图22PA特征回退值不仅取决于PA的线性度而且取决于信号的PAPR，回退值又可定义为输入回退值IBO或输出回退值0BO69基謦PJG薯_喜9霉QD第二章功率放大器非线性的基本理论IBODBJ圪翩R【DBM一临IDBMJ29D【扭】RDBMPOA阳DBM】2LO这里圪翻R和只心R分别是输入和输出饱和功率，阳和POA阳分别是平均输入和输出功率。213功放双音和非线性测试双音测试是典型的用于测试PA非线性的方法，它用频率间隔矽的双音信号作为PA输入，FKCOSCOV2COSC02T2一11其中Q勘卜搿哆砌ZA么为了简化分析我们只考虑25式的前三项。则输出信号为R譬芋卟半半H州斗孥半H刎譬COS2QT譬COS2哆RGKCOS哆一QFCOS哆QF212孚COS3QR簪COS3吐R半COS2Q哆，2Q一哆R华COS2哆QR2哆一QR7ILL千科技大学硕十学位论文从212式我们可以发现由于PA的非线性出现了新的不希望的频谱成分。特别地我们可以将这些频率成分分为几类压缩分量OJ,QCO,Q和吐吐一吐吐；捕获分量。Q屿一吐ML和吐IQOJZ。压缩和捕获分量代表带内失真。谐波失真可归类为二阶谐波失真220S2和三阶谐波失真3CO，30Z交调失真可分类为二阶交调失真扛，峨，OO,一CO，和三阶交调失真2COZQ2T02一Q。谐波失真和交调失真属于带外失真。OUUTSHJLJBJLUJOH，OHBOM口UH口UO”O口。一AKM嚣一J打”淬，JIL；L；闰23PA般音测试输出频谱图23显示了使用ADS仿真非线性PA双音测试的输出频谱其中中心频率为850MHZ，双音日J隔为20MHZ。图中显示了7阶的交调失真频谱。既然主要由PA多项式模型的偶次项产生的谐波失真容易被滤除，而主要由PA多项式模型的奇次项产生的交调失真因为太靠近希望的信号难于被滤除，就成了评价PA线性度的最主要指标。因此使用线性化技术被认为是个不错的选择，通过线性化技术可以最小化靠近希望信号的不希望的失真频率成分。既然交调失真很难通过简单的滤波而滤除出现了几种专门用于量化测量PA交调失真的方法PI。通常，制造商会提供其中的一些测试方法。例如，一些有用的性能参数如CI载波交调功率比、IP3三阶截点被用柬衡量非线性队的交调特征。其中截点被用柬指第二章功率放大器非线性的基本理论示基波传输功率与对应交调分量功率的关系。注意如果假设在双音测试中两个输入信号幅度相同K巧Y，从212式可发现三阶交调产物2劬一鸱，2鹞一劬与矿3的对应关系。基波信号功率每升高LDB，则三阶交调信号功率上升3DB。因此，IP3理论上被定义为基波信号功率和三阶交调信号功率相当时的功率值。图24表示了获得IP3值的方法，通过以不同斜率线性延伸基波和三阶交调信号输入输出关系曲线可以得到IP3的值。图24PA二彬R截点足义或三阶交调失真率定义为三阶交调信号功率与基波信号功率之比。毒协助考虑一个弱非线性PA的情形，可通过IP3值来计算，通常制造商提供的PA特性里有IP3的值DBCIMD3。咖【扭C】_2PO,DBC】一OIP3DBM214特定情况下我们可以考虑更高次的交调产物和谐波失真的影响。不过在这里为了简化分析没有考虑，因为从线性性能的观点看三阶交调产物是最重要的因素。214调制信号的非线性测量尽管双音测试利用未调制信号提供了一种衡量PA非线性的有力工具，而通信系统中通常使用调制信号来衡量PA的非线性。因此双音测试仅用来粗略表征电子科技大学硕士学位论文非线性P的非线性特征。严格情形通常通过P的输出调制信号频谱来衡量非线性。当复数数字调制方案被采用时，非线性出现在整个连续的频段，这就是所谓的频谱再生。图2_5显示了WCDMA调制信号在PA输入和输出的频谱。输出频谱表现了由于队的非线性行为造成的频谱再生。在这种情况下有用的性能参数是相邻信道功率比ACPR或称为邻道泄漏功率比ACLR，定义了信道总功率相对于相邻信道上边带或下边带功率的比率。即。IL，够盖2瓦苗万弘而而MR】2。5一一J气，矿I巳，妒1FRHJENCYM图2巧WCDMA调制信号的PA输入输出频谱任何通信系统设备必须符合特定的通信技术标准。因此，它必须考虑标准中规定的带内和带外功率泄露限制，即符合频谱发射模板MASK和ACLR指标。为了不干扰邻近信道，ACLR指定了在相邻通道允许的泄露功率。因此它是强制性的以避免频谱再生。这一目标可以很容易地实现，只要队的运作在强线性区域，即有显著的回退相对于PA压缩点。然而，通过下一节我们将会了解功率回退将导致PA效率低下，而效率对无线通信中的移动设备是至关重要的。让我们重新考虑26式的调制输入信号和27式其失真输出信号，将它们用直角坐标形式表示为如下OE目口；口ELT第二章功率放大器非线性的基本理论吃甜FG彳FCOS厂彳FCOS咄伊F一G删莓俐SIN吵酬仁16、_，_。O口UADRATURE这里G【】和川】是原始输入信号I、Q分量的非线性函数。这个直角坐标模型是由两个非线性幅度模型构造的。图25EVM非线性失真直接影响采用线性调制的非恒包络信号，即采用幅度和相位或I和Q的线性调制。因此数字线性调制如QAM会受PA非线性失真的影响，我们可以通过性能指标EVM来衡量这种影响。如图26显示了参考信号与测试信号之间的误差向量。EVM被定义为误差矢量信号平均功率的平方根值和参考信号平均功率的平方根值之间的比值，实际也就是误差矢量信号和参考信号的均方根值RMS之间的比值，并把这种比值以百分比的形式表示。EYM【】217EVM这个指标包括了发射滤波器精度、DA转换器、调制器的不平衡、相位噪声和PA非线性的影响。与对频谱再生限制一样，通信标准19101根据不同的调制方式和相关规范，决定了发射机和接收机允许的最大EVM值。电子科技大学硕士学位论文22线性度和效率的折中在无线设备中PA的效率是最重要的指标之一，对于延长电池的使用寿命是至关重要的。此外，在基站PA也是备受关注的，因为它影响功率消耗及对制冷设备的要求TH。在I强电路中PA是消耗功率最多的元件，能达到L心子系统功率消耗的70【12】。PA效率是DC功率如何有效的转换为RF功率的量度，通常可表示为P一刁【】218LDC但以上表达式仅考虑了转换后的RF功率，没有考虑PA输入已经存在的RF功率，所以功率附加效率PAE被定义为如下脚冬益【】219RDC现代高效频谱利用率的无线系统采用了多层次的调制方案，呈现非恒包络的信号。这些调制方案生成的信号具有高峰均比PAPR。一般的，PA瞬态效率定义为某一特定输出功率时的效率，当在峰值输出功率时有更高的输出功率，换句话说就是工作点越靠近压缩点效率越高。因此，幅度时变的信号有时变的效率。为避免PA非线性的影响要求传输的信号幅度峰值低于PA能输出的峰值，这样就降低了PA的平均效率【13】。而且，PA的效率不仅决定于PA的IBO或OBO，还决定于PA操作类型。图27显示了几种PA最常用的操作类型，这些分类是根据三极管工作时的导通角来定义的。这意味着，理论上100导通对应A类，50导通对应B类，50100导通对应AB类，最后小于50对应C、D、E和F类。不同类的PA有不同的效率、线性度、功率增益、信号带宽和输出功率，它们之间是相互折中的。表21显示了不同类PA之间的线性度和效率的折中。12第二章功率放大器非线性的基本理论图27常用的PA类型当PA工作在A、AB、B、C类，三极管表现为一个跨导器；当PA工作在D、E、F类三极管表现为一个开关因而获得了高效率。虽然C、D、E和F类PA有很高的效率，但它们不适用于线性放大，因为它们会引入杂散，造成严重的频谱再生，影响邻近通道。无论如何，采用适当的线性化电路，这些高效的PA也可应用于需要线性放大的调制方案【Q。因此使用A类PA放大有高峰均比的信号将导致很低的效率。另一方面，使用更高效率的PA如AB、C类意味着损失了线性度，造成带内失真和邻道干扰。表2I不同类型PA的线性度和效率类型操作模式最大效率线性度A50好AB电流源介于A和B介于A和BB785中等C100差DT00差E开关100差F100差从这点看，采用线性化技术是非常有必要而且合理的。在PA或放太子系统中采用线性化技术，使队工作点更趋近于饱和点或工作在更有效率的类型，可以在维持线性度的前提下提高效率。23PA的记忆效应通常，非线性无记忆系统仅造成幅度失真而没有相位失真。因此如果有相位电子科技大学硕士学位论文失真存在则意味着系统存在一定的记忆效应。在PA中的记忆效应可描述为非线性器件增益对之前输入的依赖程度，也就是说，PA的输出不仅与当前输入有关还与过去的输入有关。这些依赖于带宽的非线性效应是值得关切的，因为它会降低如数字预失真等线性化技术的性能。记忆效应造成随着输入调制信号频率的变化其输出幅度和相位失真也在变化。图28显示了使用ADS仿真记忆效应造成的不对称的输出频谱。考虑PA的低通复数行为模型，图29显示输入及输入的延迟取样和无记忆PA图29A及记忆PA输出之间的关系以及造成的影响图29B。可以观察到记忆PA器件增益对以前输入的依赖程度。几篇文献论及了记忆效应问题，描述它们产生的原因，提出测量方法和模型描绘它们【悖13】。图210展示一个通常的PA原理图并标出了记忆效应的主要来源【19L。SPECTRUMOFGENERATEDSIGNALDBM睢。I_“戮鼎6I，T1。枷涮鼢65一I32RMHZADS真记忆效应造成的不对称的输出频谱根据的时间常数，记忆效应可分为【21】二种基本的类型期效应短期记忆效应的时间常数和载波信号周期相近，主要由及主动元件的电抗成分造成。因为这种效应的时间常数远小于信息的时问量度，因而可将短期记忆效应当作静念的，并可对竹佰弱钙弱阳巧龉5；竹佰一111【瘩I】一3CIE3O西CI【RELUE己J。Q第二章功率放大器非线性的基本理论应于无记忆效应的PA。长期记忆效应长期记忆效应是指该动态效应发生在一个比载波信号周期长得多的时间刻度。对于射频功率放大器，“长期”一般被认为是和信号包络的时间刻度相当甚至更长。在晶体管内，两个主要的长期记忆效应源热效应和电荷捕获。此外。直流偏置网络也会影响长期记忆效应。尽管平滑的记忆效应通常不会损害队本身的线性度但它们成了一些线性化技术性能的重要影响因素。在所有用于宽带发射机的线性化技术中，数字预失真对存储效应是相当敏感的。例如，如果1MD分量随着调制频率变化，但是预失真器产生的对消信号却不变，对于宽带信号此线性化方式就不能充分对消掉非线性失真。然而，即使因为对记忆效应敏感而削弱了数字预失真的对消性能，也可通过最小化记忆效应或对消掉记忆效应而显著改性预失真性能。为了补偿或最小化记忆效应，三个技术在文献中被提及阻抗优化包络注入和包络过滤。阻抗优化和包络注入通过改变失真电流源看到的基带偏置阻抗来补偿记忆效应。阻抗优化基于带外的阻抗优化。然而对于包络注入技术，是生成一个低频率包络信号并加到RF载波。关于这两个技术的进一步细节可以参考文献12”。对于包络过滤技术，是生成存在于PA的相反的记忆效应。所以数字预失真不仅要补偿PA非线性行为，而且必须通过对包络信号进行滤波和相移来补偿记忆效应。；瓣圈29记忆效应对PA的影响FHL记忆P弑电子科技大学硕士学位论文24总结图210PA主要的记忆效应源通过本章，描述了非线性失真是PA有源器件的固有问题。此外，现代多层次，多载波调制技术存在高的PAPR。这意味着，要符合通信标准要求，实现线性放大必须采取功率回退。这些高频谱利用率的调制技术对RF发射链路的互调失真也很敏感。使用高度线性A类PA并工作在回退状态下，会大大降低效率，而效率对于基站和移动无线设备是至关重要的。此外为应对高速包络信号带宽信号使研究人员重新审视记忆效应的影响。因此，线性化技术用来解决线性和效率的取舍是公认的解决方案，本文将遵循这一论断，将数字预失真线性化技术作为研究重点。16第三章功率放大器行为模型31介绍第三章功率放大器行为模型数字基带预失真DPD线性化技术和PA的工作频段无关，避免了在较高频段复杂的射频硬件要求。这使得DPD线性化更灵活，优化相关数字信号处理结构和算法成了研究人员的一个重要研究领域。然而，由于其对射频PA记忆效应的敏感性，使得DPD的对消性能大大降低。正如我们已经在第2章解释的，包络过滤技术是一种记忆效应补偿技术，它生成存在于PA的相反的记忆效应。因此，在设计数字基带自适应预失真器时，至少有三个主要问题必须考虑到需要精确的PA行为模型考虑非线性记忆效应。有效的预失真器模型参数自适应提取算法。使用数字信号处理器件DSP或FPGA高效的实现数字预失真功能，而无需大量计算。这一章讨论第一个主题，后面四、五章将讨论第二和第三个主题。PA的模型可根据它们在物理和经验模型提取时所需的数据类型来分类LZO】物理模型PA的物理模型描述了组成PA各元素之间的物理关系，通常根据PA内部工作的物理机理表示为等效电路形式。关于功率放大器和相应晶体管的物理模型在文献【Z卜硎中有详细的报道。使用等效电路表示PA，这种模型比较适合电路级仿真并能提供精确的仿真结果，它能精确地模拟出功放的非线性特性和记忆效应。然而，它们占用大量的仿真时间并需要知道PA内部的详细结构，使得它们不适用于数字预失真系统级的仿真。行为模型行为模型通常被认为是黑盒模型，完全依赖于一组所选择的输入输出测试数据，而无需知道PA的内部组成，同样这种模型能够模拟出功放的非线性和记忆效应，其缺点是该模型通常是模拟己存在的PA，而对新设计的PA无能为力。为了获得PA系统的行为模型，测量功放输入输出数据，并根据预先定义的模型结构或算法提取模型参数从而获得放大器的行为模型。这种模型在通信系统分析和预失真线性器的设计中可以看作是一种功放非线性的数学表达，其精度和复杂度主要取决于所17电子科技人学硕士学位论文采用的模型结构和参数提取过程。另外，除了模型非线性功放，行为模型也可以用于数字预失真器的系统级建模仿真。图3一L带臼适应数子预失真的发射单兀PA行为模型是系统级的单输入单输出SISO系统。可通过记录PA复包络输入输出数据，提取PA行为模式的参数。图31显示了一个数字基带预失真线性化发射机的简化框图。在这个发射子系统中我们可以看到不同类型的信号基带、带通、模拟及数字。带通调制可以看作是射频载波的振幅、频率、相位或它们的组合根据调制信息的变化产生相应变化的过程。幅度和相位调制的带通信号可以描述为如下SF么FCOSQF秒F3一1这里Q2万Z是载波角频率，彳F和PF分别是时变幅度和相位。上式也可用极坐标形式表示JFREXF少，32其中ZF是复包络，定义如下ZFAOE州么FCOS秒F弘FSIIL秒F而F魄F33这里_F和F分别是复包络信号的同相I和J下交Q分量。根据三角恒等式带通信号可表示为直角坐标形式SFRE_FFCOSQFJSIN吱FXTTCOSTO。T鹏TSINT34因此，如果复包络信号XF是时间上离散的脉冲，33式可表示为如下离18第三章功率放大器行为模型散形式XFI，最而七乙歹场七乏兰X,KJXOK35根据35式为了提取PA行为模型参数，用于设计基带数字预失真器，必须要知道PA的离散复包络输入石F和输出YT，具体如图3一L所示。由于篇幅，关于已存在的PA行为模型将不作详细介绍，可参考文献【22捌。不管怎样，由于数字预失真非线性对消性能取决于这些模型的准确性，一些重要的和数字预失真执行紧密相关的PA模型，将在这里介绍和讨论。32PA无记忆行为模型对于无记忆模型，PA输出仅被假定为是瞬时输入的非线性函数。输入信号包络的频率远小于PA带宽。因此，幅度和相位失真度仅依赖于相应时间即时输入信号的幅度，如图32所示。321SALEH模型娴J”，贰IXKECL【KENJ图32无记忆行为模型管1、厂R放大器模型271，经验证也可以用于固态功率放大器模型SSPA。该模型直接模拟PA的AMAM和AMPM特征，用极坐标形式可表示为小刮瑞36删刮器37其中A、尻、A。和统为对应PA的特征参数。19电子科技大学硕士学位论文322无记忆多项式模型无记忆多项式模型是最为人熟悉并被广泛用来描述PA的静态非线性行为。其一般形式可表示为PY后口PX七IXKLPPO38其中X七和Y后分别是PA在取样时刻K的输入和输出复包络，P是多项式函数的阶数，口P为对应PA的特征参数。33PA记忆行为模型正如我们在第2章所讨论的，存在记忆效应的PA的输出，不仅是当前输入信号幅度的函数，而且还依赖于之前的输入信号。由于处理的信号存在显著的带宽，使得我们必须重新考虑记忆效应的影响。如图33所示。331WIENER模型图33记忆行为模型一TO,士一知1J竹一O，WIENER模型由线性滤波器日G，后面紧跟非线性函数模块组成。这个模型的输出可表示【26281为J，Z日GZ，FMI吃X，一珊土一LPI州LL吃工，一聊LX，一小L39KLIIMOIMOL这罩M一1是所考虑的之前抽样个数，即记忆深度。这里使用有限冲击响应滤波器FIR表示日G。、MEILER模型复系数的数量为MKMD12，其中O第三章功率放大器行为模型是模型的非线性阶数。332HAMMERSTEIN模型HAMMERSTEIN模型由非线性模块和紧随其后的线性滤波器日G组成。除了FIR外，有时也使用无限冲击响应滤波器LLR表示日G。HAMMERSTEIN模型可以表示【2628】为MLK2KIY，日GX，红卜Z一，ZIX1M310MOKLHAMMERSTEIN模型复系数的数量为MKMOO2。HAMMERSTEIN和WIENER模型是描述考虑记忆效应PA非线性行为的两个简单有效的方法，复杂度相对较低。这两个模型比较适合于具有线性记忆效应的PA，但是当PA具有大量的非线性记忆效应时，这些模型就模型误差来说，和无记忆模型相比没有明显的优势。333并联HAMMERSTEIN模型并联HAMMERSTEIN模型PH是HAMMERSTEIN模型的扩展，其表达式【矧如下Y，K皿G卜012KIXZKMI,2KIM2KOX1M311KLKLMO并联HAMMERSTEIN模型复系数数量为MK1。PH模型的结构如图34所示。其中吮，CX嘞R石，312和标准HAMMERSTEIN模型之间的差别是不同阶的贡献，比如三阶和五阶，分别用不同的滤波器矾G来滤波。由HAMMERSTEIN到并联HAMMERSTEIN模型的扩展是为了模型具有非线性记忆效应的功率放大器。从测试结果看，非线性记忆效应可以看成为上下边带失真的不平衡性，即使没有明显的带内失真情况下。21电子科技大学硕士学位论文厂1竺K硎竺两吨强砸一，图3_4并联HAMMERSTEIN模型3并联模型34WIENER并联WIENER模型P哪由并联在一起的多个线性滤波器和非线性模块串联组成，如图35所示。PW模型输入输出关系可表示为【29OLPPRFI州12K0材一IY1ZYP1磋圳KXZ一聊IB，XT,NL313尸1P2120LJ”20IMOJ其中P是路径的总数，K代表所使用多项式的最大阶数，噬杰是多项式系数，M1是记忆深度。复系数的数量为PMK。PW模型能够精确模型具有强记忆效应的PA。由于长时间恒定记忆效应包括在并联分支中，使用PW模型能够更精确预测由记忆效应造成随包络频率的变化双音LIVID幅度和相位也变化的PA。335RBFNN模型畔竺硎竺同RBFNN模型在文献【31】中提出。RBFNN模型是由输入层、一个或多个隐含层和一个输出层组成。对于PA模型来说，可以选择具有一个隐含层的三层结构。隐含层的非线性函数仍O11XT,11，I1，2，M由格林函数来表示，格林函数定22第三章功率放大器行为模型这是一个具有方差Q2的多元高斯函数，其中X是输入矢量，LIL，2，M是G的中心点。第J个输出节点的输出为|I，乃石G“枷岛3一15F篁I其中是权重，包是基项。近似的平滑度由方差Q2决定。Y驴即G1唧_，州X纠耐工明KRZ，KL316当记忆引入到316式中，静态AMAM函数G与AMPM函数厂将不仅是当前输入包络的函数，而且是之前抽样输入包络的函数，即316式变为Y，GIX，I，I石，一1L，IX，一IEXP吵加工01，一1|，一三1317其中卜，1I和，Z分别是输入信号的幅度和相位，L是模型中之前抽样的个数。RBFNN结构模型了G和，即网络有L1个输入节点相应于工LL工叫，X11，LZ，一三口和两个输出节点G和厂。RBFNN的结构如图36所示。这种结构的实参数个数为ML3卜2。这种模型能够表征PA的动态非线性。图36RBFNN模型234一XI研一P懿IIX仆G为义电子科技大学硕士学位论文336记忆多项式模型文献【321给出了一种记忆多项式模型，这种模型是由几个延迟抽头和非线性静态函数组成，是通用VOLTCRRA级数模型的近似。记忆多项式模型可以模拟PA的不平衡和动态的AMAM和AMPM特性。这种模型仅考虑VOLTERTA核的对角项，和普通VOLTERRA级数相比系数数量大大减少。考虑记忆效应和通带非线性的等效离散基带PA模型可以用记忆多项式表达如下MIK21K,J，口2LX1MIX1M318TN0KI这种模型可以用单位延迟抽头模型表示，如图37所示。与有限冲击相应滤波器RFIR相比，这里使用多项式VX代替了FIR滤波器的线性增益。函数X用无记忆奇数阶非线性函数表示为C工芑口2H。印卜OX319七摹L从数学表达式来看，这种记忆多项式模型和并联HAMMCASTEIN模型是一样的，尽管它们的结构有所不同。这里另外给出就是有些文献里采用了这种叫法，在以后的使用中，可以把它们作为一种模型来对待。园圃囱刖1兰兰嗒图37单位延迟抽头的记忆多项式模型上面讨论了功放的几种行为模型。在各种功放行为模型之间具有相互的联系【331。并联WIENER和并联HAMMERSTEIN模型是VOLTERRA模型的特殊情况；记忆多项式模型和并联HAMMERSTEIN模型是等效的；HAMMERSTEIN模型是并联HAMMERSTEIN模型的一种特殊形式，WIENER模型是并联WIENER模型的特殊形式。HAMMERSTEIN和WIENER模型是具有最少系数数量的特定模型，但识别性能却不是最好的。34总结本章总结了PA的各种模型，物理模型和行为模型。由于行为模型更适用于24第三章功率放大器行为模型数字预失真器系统级的仿真，因而着重介绍了行为模型。由于现代无线技术的快速发展，为了有效利用频谱资源，采用了多层次的复杂的数字调制技术，包络信号带宽也越来越宽，这使得在进行PA建模时，必须要考虑其记忆效应，因而本章也着重介绍了考虑记忆效应的行为模型。因为记忆多项式模型具有系数少便于提取，并考虑了记忆效应，下面两章将会就记忆多项式模型展开讨论，研究其实现方案。25电子科技人学硕士学位论文第四章自适应记忆多项式数字预失真器设计41简介如前面章节所讨论的，使用线性化技术平衡PA线性和功率的关系。PA线性化器通过补偿其非线性，而让PA工作效率更高。此外，如第2章所介绍的，因为现代通信标准使用呈现显著带宽的高速包络信号，必须考虑其记忆效应。和其它线性化技术相比，数字预失真充分利用发射机已存在的数字信号处理器件信源、信道编码、数字调制等，从而减少了射频硬件的调整问题。此外，如第3章讨论的，数字预失真是一个能利用软件定义无线电SDR方案优势的线性化技术，可重复配置及独立于特定的射频前端。记忆效应对不同的线性化技术影响是不一样的，例如，反馈或前馈线性化对记忆效应不敏感。数字预失真线性化对记忆效应相当敏感，当对宽带信号实行线性化时这是它的一个缺陷。然而包络过滤技术很好的弥补了这个缺陷。出于这个原因，第三章介绍了能够表征非线性和记忆效应的行为模式。图41带白适应数字预失真的发射单元正如在第三章讨论的，记忆多项式模型能表征PA的静态和动态非线性，系数易于提取。此外，方便使用查找表实现。接下来将介绍记忆多项式自适应预失真器的理论设计，本章组织如下首先简要介绍基于查找表的记忆多项式数字预失真器及查找表的规划及寻址方式；其次介绍基于问接学习构架的记忆多项式预失真器参数的提取及自适应26第四章自适应记忆多项式数字预失真器的设计更新；最后介绍反馈检测环路延时误差的校正。作为本章稍后要讨论的，图41显示了数字基带自适应预失真的一般框图。本文中将用FPGA实现基于查找表的记忆多项式自适应数字基带预失真平台。在自适应过程中，定期计算预失真器的值，并更新FPGAU厂R的内容，这些操作可以用外部的数字处理设备来实现，如个人计算机PC或数字信号处理器DSP等，本文中将采用FPGA内嵌的微处理器。42记忆多项式数字预失真器及查找表规划421记忆多项式数字预失真器现代通信系统要求PA工作在宽带宽条件下，预失真器不仅要补偿PA的非线性还要补偿其记忆效应，这里将引入基于记忆多项式MP的数字预失真器，MP是VOLTERRA多项式的特殊情形，是综合预失真器实现复杂度及可达到的性能考虑得到的。如第三章描述的，MP预失真器的通用离散形式表达式为【4LZ以K芝X刀一GI工万一QL似。141KLQ0KODD其中K为非线性阶数，一般取奇次项，Q为记忆深度，两者都为正整数。一般情况，当K5和Q2已可获得需要的性能下面以此情形为例，AB为多项式系数。41式展开可得Z疗口LO工甩口LLXN1A12XN2A30，刀口3。A3，L一1A3，N2LA50X5珂口5。，L1口52X5N242则式42的直接实现形式可用图42表示刚27电子科技大学硕士学位论文Z功图42记忆多项式预失真器直接实现形式将相同的记忆项合并，并用查找表形式表示，则42式可变换为如下囝ZNZ刀LAL。吩。LZ甩24ASOLX刀14,TOGO“一_2X刀一1AL