[硕士论文精品]功率放大器线性化技术研究

华中科技大学硕士学位论文I摘要第二代和第三代移动通信系统对无线信道线性化提出了很高的要求，而功率放大器是导致无线信道产生非线性的重要因素，功率放大器线性化技术是目前移动通信领域的研究热点。基于此因，本文将重点研究功率放大器的线性化技术。本文在广泛地探究了功率放大器的基础上，重点研究了功率放大器线性化技术中广泛应用的前馈自适应技术和有着良好应用前景的预失真技术。在前馈部分，本文提出了一种自适应前馈技术，并阐述了自适应正向前馈线性功放的总体设计、仿真和测试。从试验结果来看，线性功放对失真信号的抵消效果是明显的。本文还重点研究了模拟预失真和数字预失真。在模拟预失真部分，提出了一种三阶模拟预失真器的实现设计方案，从理论上分析了其可能性，并通过仿真表明此种设计明显地降低了交调互扰；在数字预失真部分，分别研究了基于查找表和多项式法的数字预失真技术。在基于查找表的预失真技术部分，采用了最陡下降法算法对查找表进行自适应更新。在多项式预失真技术部分，采用了多项式方法对功放非线性进行补偿。这两种预失真方案表明了预失真技术能够有效地改善功放的非线性失真，是很有发展前途的线性化技术。本文旨在研究常用的功率放大器线性化技术的大体设计实现及仿真试验工作。研究表明，这些常用的线性化技术较好地改善了功率放大器的线性度。关键词功率放大器线性化前馈预失真仿真华中科技大学硕士学位论文IIABSTRACTLINEARITYOFTRANSMITSCHANNELISENDUEDWITHNEWREQUIREMENTSINTHESECONDANDTHETHIRDGENERATIONCOMMUNICATIONSYSTEMANDPOWERAMPLIFIERISTHELEADINGFACTOROFTHENONLINEARITYOFTRANSMITSCHANNELTHELINEARIZATIONOFPOWERAMPLIFIERHASBEENTHEHOTSPOTFORCURRENTMOBILECOMMUNICATIONRESEARCHBEASUSEOFTHIS,THISTHESISMAINLYDISCUSSESTHELINEARIZATIONOFPOWERAMPLIFIERBASEDONTHECOMPREHENSIVESTUDYOFRADIOPOWER,THISDISSERTATIONFOCUSESONFEEDFORWARDANDPREDISTORTION,WHICHAREMOSTCOSTEFFECTIVEWAYSAMONGALLLINEARIZATIONTECHNIQUETHISTHESISSUMMARIZESTHEDOMESTICANDFOREIGNDEVELOPMENTOFLINEARPOWERAMPLIFIERSYSTEMICALLY,ANALYZESTHENONLINEARCHARACTERISTICOFPOWERAMPLIFIER,INTRODUCESANDCOMPARESLINEARTECHNOLOGIESUSEDWIDELY,SUCHASFEEDBACK,PREDISTORTION,FEEDFORWARDANDLINCINTHESEGMENTOFTHELINEARIZATIONOFPOWERAMPLIFIER,FIRSTLYINTRODUCESTHEPROJECTABOUTADAPTIVEFEEDFORWARDPOWER,GIVESANADAPTIVEFEEDFORWARDPOWERAMPLIFIERSCHEME、DESIGN、SIMULATIONANDTESTTHERESULTSHOWSTHATTHEKILLOFERRORSIGNALISOBVIOUSINADAPTIVEFEEDFORWARDPOWERAMPLIFIERFROMTESTRESULTTHENITALSORESEARCHESTHEANALOGPREDISTORTIONTECHNIQUEANDTHEDIGITALPREDISTORTIONTECHNIQUEINTHESEGMENTOFANALOGPREDISTORTION,ITINTRODUCESSOMEDESIGNANDRESEARCHWORKABOUTTHIRDORDERDISTORTIONGENERATORMODEL,ILLUSTRATESTHEFEASIBILITYINTHEORYTHEANALYSISOFTHESIMULATIONINDICATESTHEDESIGNIMPROVESINTERMODULATIONDISTORTIONOBVIOUSLYTHESEGMENTOFDIGITALPREDISTORTIONRESPECTIVELYRESEARCHESTHESIMPLEMODELOFADAPTIVEPREDISTORTIONBASEDONLOOKUPTABLEANDPOLYNOMIALTHEMETHODOFSTEEPESTDESCENTAREAPPLIEDTOUPDATETHECONTENTINTHELOOKUPTABLEANDTHENONLINEARITYOFPOWERAMPLIFIERISCOMPENSATEDBYUSINGPOLYNOMIALTECHNIQUETWOPREDISTORTIONDESIGNSSHOWTHATPREDISTORTIONTECHNIQUEIMPROVESTHENONLINEARITYOFTHEPOWERAMPLIFIER,ANDITISCOSTEFFECTIVELINEARIZATIONTECHNIQUETHISARTICLEAIMSTORESEARCHTHEMAINDESIGNANDSIMULATIONOFTHECOMMONLINEARTECHNOLOGIESOFPOWERAMPLIFIER,ANDTHERESEARCHSHOWSTHEYHAVESOMEEFFECTTOIMPROVETHECAPABILITYOFPOWERAMPLIFIERKEYWORDSPOWERAMPLIFIERLINEARITYFEEDFORWARDPREDISTORTIONSIMULATION独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到，本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名日期年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本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和汇编本学位论文。保密，在_年解密后适用本授权书。不保密。（请在以上方框内打“”）学位论文作者签名指导教师签名日期年月日日期年月日本论文属于华中科技大学硕士学位论文11绪论11课题研究的目的及意义随着移动通讯事业的迅猛发展，移动通信系统经历了第一代的模拟蜂窝系统、第二代的基于TDMA和窄带CDMA基础的数字蜂窝系统，现在已发展到第三代移动通信系统，例如WCDMA、CDMA2000和TDSCDMA。射频技术的实现是WCDMA、CDMA和TDSCDMA实现产业化的关键技术之一，这些通信系统旨在为用户提供高速、大容量和多种服务1。并且随着无线用户的飞速发展和宽带通信业务的开展，通信频段变得越来越拥挤。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传输技术，因此线性调制技术在现代无线通信系统中被广泛采用。由于这些线性调制技术具有非恒定包络、宽频带和较高的峰平比等诸多特点，当调制信号通过功率放大器后将产生互调信号失真。互调失真对邻接信道产生不同程度的干扰，而这种互调产物无法用滤波去除，因此第三代移动通信系统对射频功率放大器的线性度提出了更高的要求，射频功率放大器的线性校正成为整个系统工作性能的关键技术之一。由于随着信道宽度的减小，频率利用率的提高，随之而来的问题就是带外辐射的增加，加剧了邻道干扰。出现这种情况的主要原因是在无线通信系统中，存在许多非线性器件，比如放大器、混频器等，特别是功率放大器，它用于放大高频信号，并提供足够高的输出功率以实现最大输出，因此功率放大器常常工作在非线性区甚至工作在饱和区的附近，此时功率放大器呈现出一定程度的非线性失真。因此，随着输入信号功率的增加或者当输入多载波信号时，待放大的载波信号之间相互作用，产生了互调失真IMD产物。这些互调产物会导致对带外信号的干扰，并且会对使用功率放大器的系统性能产生有害影响。而且在线性调制方案中，由于信号包络是起伏的，故对功率放大器的线性度非常敏感，需要对功率放大器的线性化提出了更高的要求。其中射频的线性化技术和高效率技术是相互矛盾的，对这两种目标的实现往往决定了功放的其他几个方面，因而射频的线性化技术和高效率技术的研究成为业界的热点2。目前，在各种线性化技术中，最主要的线性化技术是反馈法FEEDBACK、前馈法FEEDFORWARD、预失真法PREDISTORTION。而效率增强技术即基于提高线性功放效率的技术主要有DORHERTY技术、包络跟踪、包络消除再生技术和自适应偏置技术等。华中科技大学硕士学位论文212国内外研究动态为了满足这种对射频功率放大器线性化的高度要求，线性化技术在国内外得到广泛的关注，并在手机、基站和卫星通信等应用领域进行了深入的研究，发展出了几种主要的线性化技术，包括前馈法、反馈法和预失真法。前馈法的基本原理是用两个环路分别对消掉载波信号和失真信号来实现线性化。通过比较输入输出信号，获得非线性产物的波形，然后在输出端，将非线性产物对消掉，从而在输出端获得纯净的信号。前馈技术既具有较高校准精度的优点，又没有不稳定和带宽受限的缺点。然而这些优点是用高成本换来的，由于在输出校准时，功率电平较大，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，校准环中添加一个辅助功率放大器，总效率会降低，体积增大。前馈系统不仅要求幅度匹配，而且还需要两条平行通路上的相位和延迟匹配。前馈功放的抵消要求很高，需获得幅度、相位和时延的匹配，如果出现功率变化、温度变化及器件老化等均会造成抵消失灵，生产工艺较为复杂3。在上个世纪二十年代，在贝尔实验室工作的美国人HAROLDSBLACK发明了反馈的电路形式，并且应用于放大器。这种反馈的电路形式在后来的电路设计中成为了一种非常基础的实用电路。反馈型功放的线性是以牺牲其增益得到的，且存在不稳定和频带窄的缺点。预失真线性化法就是在功放前加入预失真器PREDISTORTER，和功放元件PA级联，非线性失真功能内置于数字、数码基带信号处理域中，其与功放展示的失真数量相当，但功能却相反，进而抵消功放的非线性，使功放呈线性特性。将这两个非线性失真功能相结合，便能够实现高度线性、无失真的系统。预失真法由于结构简单、成本底、线性化好、对输出功率影响小而被广泛采用。根据预失真器在发射机中的位置，可以分为射频预失真技术、中频预失真技术和基带预失真技术。根据预失真器处理信号的形式，可以分为模拟预失真技术和数字预失真技术4。美国线性器技术公司是线性放大器专业公司，产品从L,S,C,K到KA波段均有不同功率的行波管及固态放大器产品，并可根据客户为已有放大器提供附加线性化器。美国BROVOTECNH公司的TSLPA系列固态功率放大器模块输出功率50W，增益4555DB可调，传输16信道时，交调指标可达60DBC。美国POWERWAVE技术公司是低噪声和高功放生产厂商，已推出了多载波功华中科技大学硕士学位论文3率放大器用于CDMA、PCS和无线蜂窝通信系统，频段有800、1800和900MHZ，输出功率50W200W，其中200W功放由4个50W模块合成，采用前馈技术三阶交调7060DB。日本三菱公司信息技术研发中心采用微波预失真法改善场效应管放大器的线性特性。利用场效应管源极接地时增益随功率增加而增加，相位则随功率增加而减小的特性，这正好与接近饱和输出的功率放大器相反，这种线性化器用于7GHZ饱和输出功率50W的功放使动态范围改善2DB，增益回退3DB。台湾地区的天工通讯在04年初推出供80211A/B/G无线局域网使用的线性化功率放大器，不但效率大幅提升，传输距离也增长了50。由于线性放大器在微波通信中有非常重要的应用，因此近年来国内对功率放大器线性化技术研究己经开始重视。东南大学、华中科技大学、电子科技大学、浙江大学等院校已经开始了这方面的研究，华为和中兴等通信设备公司也进行了线性功放的研制。但由于国内相关研究起步晚，学术研究论文数量与国外相比相差很远，专利申请更不乐观，与国外同类产品相比还有不小的差距。随着线性化技术的发展，开始逐渐出现了各种线性化技术逐步融合的趋势。例如前馈技术的载波消除环中就经常会使用预失真技术，预失真技术中也加入了反馈的方法。现在不仅各种线性化技术之间相互融合，而且数字信号处理技术越来越多地应用到线性化技术中，特别是随着高速DSP技术的发展，自适应的思想逐渐被引入到线性化技术中，相应地出现了自适应前馈技术和自适应预失真技术等5，随着这些技术的相互紧密联系和融合，有效地提升了线性功放的线性度。13本文小结和全文安排本文主要内容是有关功率放大器线性化技术研究，目的是针对功率放大器的非线性特性进行分析，进而改善功率放大器线性性能。论文的结构安排如下本论文共分为六章第一章介绍了线性功率放大器研究的意义以及国内外发展动态；第二章分析了功率放大器的非线性原理和相关的非线性特性指标；第三章介绍了描述功率放大器常用的三种功放模型AMAM和AMPM转换、级数展开非线性模型和非线性谐波平衡仿真，并大体分析和评价了目前常见的四种线性化技术反馈技术、LINC技术、前馈技术与预失真技术；第四章阐述了自适应前馈功放系统的设计方案，简要介绍了有关自适应前馈功华中科技大学硕士学位论文4放系统的仿真和测试等工作；第五章是介绍了三种常见实现预失真技术的方法三阶模拟预失真、基于查找表法预失真和多项式法预失真，并分别对这三种方法进行了仿真和相关的研究工作；第六章总结了全文工作。华中科技大学硕士学位论文52功率放大器非线性原理理论分析21放大器非线性失真的原因及表现形式理想的放大器是线性的，其传递函数为|EXPHJHJJ，其中|HJ为常数，J也为常数，系统存在固定的放大倍数和固定的群时延。采用输入输出表示为YTGXT，YT为一个线性方程。如果对于非线性系统，不能简单地用上述传递函数来描述，此时输出是输入信号的非线性函数YTTXT。YT与XT之间仅在XT较小的时候是线性的，在XT较大时则偏离线性，这种偏差称为非线性失真,见图21。当微波功率放大器工作在大信号情况时，其幅度和相位特性的非线性会引起信号失真，产生互调和相位噪声等。XTYTGXTX图21线性系统失真211AMAM和AMPM转换由于电压是具有幅度和相位的矢量，如果将输出电压的幅度和相位分别与输入电压的大小相关，则即是AMAM和AMPM特性6，也就是AMAM用来表示输出电压幅度随输入电压幅度的变化关系，AMPM用来表示输出电压相位随输入对应幅度的变化关系，AMAM和AMPM转换见图22。华中科技大学硕士学位论文6实际响应理想响应DBDB0输入功率输出功率理想线性输出相位曲线实际输出相位曲线DBDB0输入功率输出信号相位图22AM/AM失真和AM/PM失真212谐波失真非线性系统的一个显著特征就是它能产生一个激励频率和一些激励频率的谐波,通常可以把非线性系统的输出电压用其输入电压的幂级数来表示,见图23，其表达式见21。非线性系统EITEOT图23单一信号的输入输出频谱0NONINETAET21式21中OET为系统的输出信号，IET为系统的输入信号。通常情况下，非线性相同是指比较轻微偏离理想线性的相同。它们的输入输出特性如需要达到一定的精度，需要取前三项（不包括直流项），见22。23123OIIIEAEAEAE22假设输入信号是简单的射频信号为1COSIFTAT，那么输出可表示为22232131213131COSCOS2COS3244OAAFTAAATAATAAT23从上式23可知，输出信号不仅有角频率为1的基波项，还包含了直流项以及与基波角频率成整数倍的各次谐波项1N（N为正整数）的各次谐波分量。基波分量是由各奇次项产生，二次谐波是由二次及二次以上的偶次项产生，三次谐波是由三次及三次以上的奇次项产生等等。射频放大器一般都是频带放大器，这些谐波由于离基波较远，一般都可以滤除，因此谐波对放大器的影响不是太大。华中科技大学硕士学位论文7213互调失真在通信技术中，信号频带内的任意两个频率以上的频率激励信号通过传输电路（如放大器，混频器等）时，由于传输电路的非线性作用，会产生出原有的这些频率以及再加上无数个由这些频率所组成的新的频率，这种现象称为互调。这些频率分量如果落在信号频带内，就形成互调失真，原激励信号的频率新组成的频率成分就被称之为互调分量。当它们对系统产生不良作用时，就称之为互调干扰7。现在对互调失真产生的过程进行分析。假设输入信号为两个频率成分的信号所组成，即输入信号为12COSCOSIFTATBT，将此信号通过23123OIIIEAEAEAE的系统来进行分析，其输出为22221122121233332222312112COSCOSCOSCOS2COSCOSCOSCOS3COSCOS3COSCOSOFTKATBTKATBTABTTKATBTABTTABTT24112COSCOSKATBT为输入信号的放大信号；222221212COSCOS2COSCOSKATBTABTT为二次失真产生的信号；33332222312112COSCOS3COSCOS3COSCOSKATBTABTTABTT为三次失真所产生的信号。为了更清晰地分析二次、三次失真，将二次、三次失真所得到表达式展开222221212COSCOS2COSCOSKATBTABTT22221221212COS2COS2COSCOS2222ATBTABABT33332222312112COSCOS3COSCOS3COSCOSKATBTABTTABTT323233312122212121212333311COSCOSCOS3COS3424244COS2COS2COS2COS244AABBABKTTATBTABTTABTT25由上式24，25可见，输出信号包括直流分量、基波1和2、二次谐波12和22、三次谐波13和23，以及频率为12的二次互调成分和频率为122、212的三阶互调成分等分量。可以看到在工作频带小于一倍频程的系统中，所有12、22、122、212以及13和13都在通带之外，可以通过使用合适的滤波器滤除这些分量，然而所有华中科技大学硕士学位论文8频率为122、212的三阶互调成分却在了通带之内，无法通过滤波器将它们滤除，这些三阶互调成分并且会影响基频1和2。214交调失真交调失真是具有不同频率的两个或更多的输入信号经过功率放大器而产生的混合分量，它是由于功率放大器的非线性造成的。若输入1个信号，其角频率分别是1、2、N，由于功率放大器的非线性作用，输出分量中将包含许多混合分量12NMNP,M,N,P0,1,2,26式26中的分量分别称为（MNP）阶交调分量。功率放大器的非线性越强，交调分量越大。交调分量的大小可以用交调系数表示，假如输入1个等幅信号，MP阶交调系数可以表示为1210LG10LG10LGMPMPMPMPNPPPMDBC27式中，1P、2PNP分别对应着基波功率，MPP为MP阶交调功率。若输入放大器的是两个等幅的正弦信号1和2，由于非线性作用将产生许多互调分量，其中的122和212两个频率分量称为三阶交调分量，其功率3P和信号1或2的功率之比称三阶交调系数3IM。22放大器非线性特性的描述指标2211DB压缩点功率放大器存在一段线性动态范围，在这个线性区内，放大器的输出功率随输入功率线性增加。当输入功率较小时，输出功率与输入功率的比值是一个常数，即为线性关系。所以功率放大器以小信号工作时，其增益与输入功率大小无关。但随着输入功率的增大，输出功率与输入功率的比值将减小，即出现增益压缩现象，输出功率与输入功率的比值的关系曲线逐渐弯曲。当输入功率加大到某一数值时，放大器的输出功率达到最大，以后就不再增加，这点就称为功率放大器的饱和点。很显然，如果微波功率放大器上工作在饱和点附近，就会出现严重的非线性失真。当微波功率放大器增益比小信号的线性增益低1DB时，这一点通常称为1DB压缩点，此时的增华中科技大学硕士学位论文9益称为1DB压缩点增益，记做1DBG8。对应于该点的输出功率称为输出1DB压缩点功率，记做1DBP，见图24。典型情况下，当功率超过1DBP时，增益将迅速下降并达到一个最大或完全饱和的输出功率，其值比1DBP大34DB。输出1DB压缩点功率是输出功率的性能参数，压缩点越高意味着输出功率越高。1DBP越大的器件，其线性化程度越好，非线性失真程度越低；反之，则其非线性失真越严重。当系统为非线性时，由23可得基波的增益为31331333420LG20LG4AAAAGAAAA28对大多数器件来说，都有3A0，故其输出基波分量的增益要比线性时输出的增益小，即会出现增益压缩的现象。输入功率输出功率DBDBP1DB图241DB压缩点示意图222三阶互调系数由于三阶互调分量对系统的影响最大，故衡量一个非线性系统时，通常把三阶互调分量的大小，当作为重要的衡量指标，通常选用的是三阶互调分量与基波的幅度比，即三阶互调系数IM3。三阶互调系数能比较方便地用来分析信号通过非线性系统引起的频谱畸变和非线性干扰，也是最常用的衡量非线性程度的重要指标。依式24和25的信号输出有23313213333333/4446ABKIMABKAKKAABKAKABK29华中科技大学硕士学位论文10223三阶交调系数放大器在大功率时呈现非线性，如果有两个相近的频率1和2信号，通过放大器，则将产生新的组合频率，一般表示为12MN，最靠近1和2的频率分量为122和212，由于这两个频率分量在放大器的通带内难于滤除，故以它们的幅度与基波幅度之比也常用来衡量放大器非线性失真的程度。一般称122及212两个频率分量的幅度为三阶交调幅度，见图25。定义三阶交调系数IMD为IMDDBC三阶交调幅度输出基波幅度。在通信系统的非线性度量上，交调系数是一个很重要的衡量指标之一。F1F22F1F22F2F13F12F23F22F1F1F22F12F2IM3图25三阶交调系数224邻近信道功率比邻近信道功率比ACPR度量了干扰或者说是相邻频率信道功率的大小。通常定义为相邻频道（或偏移）内平均功率与发射信号频道内的平均功率之比，ACPR描述了由于发射机硬件非线性造成的失真大小。邻道功率的产生主要来自两个方面，一是由于器件的非线性作用产生；二是由于主信道信号本身频谱较信道宽。23本章小结本章主要分析了功率放大器的非线性失真原理和表现形式以及相关的非线性特性指标。功放非线性失真表现形式有谐波失真、互调失真和交调失真等，而描述功放非线性特性的指标有1DB压缩点功率、三阶互调系数、三阶交调系数和ACPR等。华中科技大学硕士学位论文113微波功率放大器的线性化技术31功率放大器非线性模型功率放大器在本质上是非线性的，即输出信号中包括了非线性引起的失真分量。根据器件的大体特性，可将其分为无记忆器件和有记忆器件。若功率放大器是无记忆器件，即假设输入信号的带宽足够小，则可以把其看成无记忆非线性器件，其非线性失真主要考虑调幅调幅AMAM变换失真和调幅调相AMPM变换失真。弱非线性可用泰勒级数模型来描述和分析。如果功率放大器需要考虑器件的记忆特性，则需用VOLTERRA级数和谐波平衡法等方法来描述和分析。VOLTERRA级数适用于小信号激励的弱非线性电路，谐波平衡法主要用于大信号激励的强非线性电路。在本文的所有分析中假设所研究的功率放大器均为无记忆效应的。311AMAM/AMPM模型假设不考虑记忆效应，只考虑功率放大器两种类型的非线性特性，将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，即调幅调幅AMAM变换和调幅调相AMPM变换9。如果用串联方式表示功放的AMAM和AMPM变换特性，即可得到极坐标形式的非线性模型10。设单频输入信号COS2ICVTVTFTT，该信号通过非线性功放时，得到输出信号COS2OCVTFVTFTTGVT31式中FVT是输出信号幅度，TGVT是输出信号的相位，它们是输入信号幅度VT的函数，式31被称为是AMAM和AMPM模型的极坐标形式。通过对式31所示的极坐标非线性模型进行变形，可以得到正交形式的模型，从而避开了较复杂的AMPM转换特性。式31进行展开后可表示为COSCOS2SINSIN2OCCVTFVTGVTFTTFVTGVTFTT32式32可以写成如下的正交形式COS2SIN2OCCVTIVTFTTQVTFTT33华中科技大学硕士学位论文12上式中的IVT和QVT分别定义为COSSINIVTFVTGVTQVTFVTGVT34根据式34可得到如图31所示的正交非线性模型框图。IVTQVT90O图31正交坐标非线性模型图312级数展开非线性模型对于非线性系统，可通过各种基函数对其进行展开，进而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、SALEH函数和记忆型VOLTERRA级数等11。1泰勒级数模型该种模型也称为多项式无记忆性模型。如果放大器输出信号是其输入信号的瞬时函数，即功率放大器为无记忆，且非线性很弱时，则输出信号OVT可用输入信号INVT的泰勒级数表示为2121NNOINNNVTFVTCTXTCTXTCTXT35如果同时还存在AMPM失真，则需用复数泰勒级数表示为1NNONNVTAJBXT36一般级数在N处截断，INFVT为单值、弱非线性，通过恰当地取级数合适的若干阶代替功放的非线性。泰勒级数分析简单，在定量分析放大器的谐波、三阶互调截点、1DB压缩点等指标时非常方便。2SALEH函数模型当放大器工作在非线性区域时，有两个畸变发生，一个是因输入的幅度引起的输出信号在幅度上的畸变ARTAM/AM，另一个是因输入的幅度引起的输出信号在相位上的畸变RTAM/PM。SALEH模型包含AM/AM变换和AM/PM变换，并采用两个参数和构成数学方程对非线性放大器的幅幅特性和幅相特性进行建模，不华中科技大学硕士学位论文13同的和值可以得到不同功率放大器模型。半导体企业通常将这两个参数定为功率放大器的技术指标12，SALEH模型也是在文献中最常用于对各种类型的功率放大器进行模拟的模型,一般将其成为参考模型或者标准模型。假设放大器的输入信号为COSIVRTTT，其中RT为输入信号的调制包络，为信号载波频率，T为输入信号调制初始相位，得到的输出信号为COSOVARTTTRT。可以看出AMAM特性和AMPM特性分别由ART和RT表示，其SALEH模型函数为2211AARTARTRTRTRTRT373记忆效应VOLTERRA级数对于有记忆效应的模型，通常采用VOLTERRA级数来表示。VOLTERRA级数模型可以准确地描述任何一种非线性系统，是分析实际可实现非线性系统或电路的通用方法，在计算小信号、无记忆非线性电路时同泰勒级数无任何区别13。VOLTERRA级数方法采用显式表示激励和响应关系的电路传递函数，考虑输入各频率之间的互相影响，把系统划分为无穷个VOLTERRA级数相加形式实际取多少阶，则根据具体的电路情况而定，一般35阶。系统时域框图如图32，VOLTERRA级数系统模型如图33所示。非线性系统XTYT图32系统时域框图N123H,NJJJJN123H,JJJN12H,JJN1HJXJYJ图33VOLTERRA级数系统模型华中科技大学硕士学位论文14VOLTERRA模型的数学描述如下0NNYTYT38其中NYT为系统的N次谐波阶跃响应，其定义为11,21,NNNNNYTHXTXTDD39式39中，1,2,NNH为N阶VOLTERRA核。0H表示系统对直流信号的冲击响应，1H表示系统对一次谐波的冲击响应，2H表示系统对二次谐波的冲击响应，NH表示系统对N次谐波的冲击响应。故系统对输入信号的响应可以由这些VOLTERRA核完全表示。VOLTERRA最大的优点是可以描述在系统中存在的各阶失真，能够非常准确地，从数学上讲，是完全等价地表述任何非线性系统。通过对模型非线性系统的微分方程进行傅氏变换得到各阶VOLTERRA传递函数，只需用线性电路的分析方法便可进行求解各种非线性指标，简化了非线性失真的研究工作。但不足的是从试验数据中获得VOLTERRA核非常困难，而且系统的收敛速度较慢。313非线性谐波平衡模型谐波平衡法是在频域内仿真电路性能的一种方法，对于线性部分电路就可直接在频域内求得稳态解；而对于非线性电路，则需要先通过傅里叶反变换转化到时域内，在时域内完成非线性电路方程求解后，再转换到频域内得到整个系统频域响应特性14。谐波平衡法主要用于单频大信号激励的非线性电路。电路的非线性越强，所需平衡的谐波数就越多，计算量就越大。它的优点是具有运算速度快、收敛精度高等15。32功率放大器线性化技术简介为了消除射频功率放大器的非线性失真，必须采用一些可靠的线性化技术。功率放大器的线性化技术起源于上世纪六十年代，当时主要用于中频、高频和超高频通信系统中；后来应用于微波射频通信领域16。需要多大的线性取决于邻近信号功率比ACPR可以接受的数值。常用到的功率放大器的线性化技术主要有前馈技术、LINC（LINEARAMPLIFICATIONWITHNONLINEARCOMPONENTS）、反馈技术和预失真技术。华中科技大学硕士学位论文15从线性化技术从原理上来分，主要有两个大类一类是通过获得功率放大器非线性特性来消除功率放大器输出信号中的互调干扰分量，这类线性化技术主要包括前馈技术、负反馈技术和预失真技术等；另一类是通过输入幅度恒定的信号给功率放大器来避免非线性失真，如LINC。对放大器进行线性化的方法很多，一般而言，可以分为三大类反馈、前馈和预失真。每类中都包含很多种具体的线性化方法，见表31，其中有些线性化方法是多种技术的合并，本文重点在于论述前馈法和预失真法。表31常用线性化技术反馈前馈预失真RF反馈极性环笛卡尔环自适应数字基带预失真EER法前馈法LINC法RF/IF预失真自适应数字基带预失真321反馈线性化技术反馈技术是减小放大器失真的最简单一种的线性化技术，在低频电子技术领域中对失真抵消具有明显的效果，电路结构也比较简单，只是工作频带窄，反馈原理框图如图34所示。1/K输入信号输出信号AXTYT图34反馈线性化系统原理框图应用在射频频段的反馈技术还可以分为直接反馈技术和调制反馈技术。直接反馈技术是将RF输出信号直接反馈到输入端，通过反馈来达到对交调产物的抑制。直接反馈法常用于低功率放大器，其应用受到工作频率和输出功率的很大限制，反馈环上的有限时延限制了带宽，而且这种方法难以实现多级反馈。调制反馈技术是利用检波或解调来恢复基带调制信号和功放输出信号，然后利用基带信号与输出信号之间的误差来校正放大器的驱动或控制信号。简单的调制反馈系统一般仅仅是幅度反馈，较高级的系统则需要校正幅度和相位。跟直接反馈相比，华中科技大学硕士学位论文16由于调制反馈系统反馈到输入端的信号是用于调制，故在反馈程度比较深的情况下，仍然可以得到稳定的工作点。调制反馈技术具体的实现方法有很多，如包络消去与恢复技术、极化环技术和笛卡儿环技术等17。1包络消去与恢复技术包络消去与恢复技术（EE正交调制滤波器滤波器正交调制输入信号S非线性功率放大器非线性功率放大器信号分量分离器本振信号合成器S1S2输出信号图38LINC线性化系统原理框图华中科技大学硕士学位论文19设输入信号为COS2CSTATFTT，令MA为输入信号ST分解后两个等幅矢量的幅度值，该信号可分解为两个等幅度但相位不同的信号，则经过信号分量器的两路信号1ST和2ST分别表示为1COS2MCSTATFTTT3102COS2MCSTATFTTT311令ARCCOS/MTATA,使得12/2STSTST。从以上分析可得出，要从输入信号中分离出两组恒包络的信号是比较困难的，LINC技术对两条路径上信号幅度和相位的不平衡十分敏感，这种不平衡会导致临道干扰增加，故LINC技术不容易实现，进而影响了这项技术的应用。323前馈线性化技术在改善功率放大器非线性的方法中，前馈技术是经常使用的方法之一，也是目前放大器线性化技术中最先进、发展得最为迅速的方法。前馈技术在国外已得到较为广泛的应用，但在国内它还处于起步阶段。前馈线性化技术的系统原理框图如图39所示射频输入信号延时器2衰减器主功率放大器延时器1互调干扰辅助功率放大器误差抵消环路载波抵消环路主放大支路抵消支路图39前馈线性化系统原理框图前馈线性化系统由两个环路构成，主功率放大器、衰减器、合成器、延时器1组成载波抵消环路，其作用是抵消放大器的主载频信号；延时器2、衰减器、辅助功率放大器、合成器组成误差抵消环路，其作用是抵消主放大器非线性产生的交调分量，改善功放的线性度。在图39中，上面一路为主放大支路，下面一路为抵消支路。前馈线性化系统工作原理如下射频信号输入后分成两路，一路进入主功率放大器所在的主放大支路，由于主功率放大器的非线性，其输出信号除了有需要放大的华中科技大学硕士学位论文20主载频信号外，还有非线性产生的互调干扰分量。主功率放大器输出的部分信号经衰减器调节幅度，与抵消支路的经过延时器1延时的输入信号在合成器中叠加，使主载频信号完全抵消，只剩下反相的互调干扰分量。互调干扰分量经辅助功率放大器放大后与经延时器2延时的主功放输出信号叠加，抵消主功率放大器的互调干扰分量干扰，从而得到线性的放大信号18。前馈线性化技术性能稳定、带宽较宽。理论上，前馈技术很好地消除二阶和三阶非线性分量，对功放线性度的改善是目前较好的一种线性化技术，但在实现时必须要精确设计前馈环中的相位、幅度的平衡度。324预失真线性化技术随着数字移动通信技术的飞速发展，预失真线性技术应用也越来越广泛。预失真技术是在信号放大之前对信号按照一定的规律进行“预失真”，以便使得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。根据预失真对象信号的不同，可以把预失真法分为射频预失真和基带预失真19。模拟预失真的基本思想就是用非线性器件模拟产生线性器件的非线性成分，进而对消掉非线性成分。射频预失真一般采用模拟电路来实现，具有电路结构简单、成本低、易于高频、宽带应用等优点，缺点是频谱再生分量改善较少、高阶频谱分量抵消较困难。不过模拟预失真方案较前馈和数字预失真方案来说，虽然其线性改善程度无法达到相同的水平，但模拟预失真方案的技术难度低，体积小，成本低等优点非常明显20。虽然模拟预失真对于高功放的线性改变有限，但是这样的线性改善对于提高系统的效率却是很重要的。数字预失真比较适合于基站和手机等功放设计。数字预失真器由矢量增益调节器组成，通过优化查找表LUT的内容来控制输入信号的幅度和相位。从原理上讲，基带预失真技术也是对输入信号进行预失真，以达到线性化功率放大器的目的。但基带预失真一般在数字域内完成输入信号的预失真处理，这是与采用模拟器件实现预失真技术的本质区别。数字基带预失真的优点是工作频率低，可以通过数字电路实现，适应性强，其缺点在于线性度略低于前馈技术，但是目前两者的水平已经比较接近。数字预失真技术没有广泛应用的主要原因在于功率放大器的非线性失真特性会随时间、温度以及偏压BIASING的变化而变化，因器件的不同而不同21，从而使得不易建立良好的非线性特性模型。华中科技大学硕士学位论文21现归纳一下本文介绍的几种线性化方法，虽然每种方法都各有优缺点，但可从以下几个方面对其进行综合评价，包括线性化方法的线性化带宽，可达到的功率效率，对放大器非线性变化的自适应性以及实现成本，评价结果如表32所示表32线性化技术性能对比表线性化技术反馈LINC前馈预失真线性化带宽窄中等宽中等功率效率一般较高较高较高自适应较高较差较差较高实现成本一般一般较高较低从表32看出，前馈和数字预失真是线性功放设计中经常采用的两种方案。经过多年的研究发展，这两个方案都能得到很好的线性改善，但其技术难度高，成本昂贵，需要许多外围元器件，功放的体积一般也很庞大。模拟预失真方案较前馈和数字预失真方案来说，虽然其线性改善程度无法达到相同的水平，但也有相当好的表现，模拟预失真方案的技术难度低、体积小、成本低等优点是非常明显的。前馈、模拟预失真和数字预失真是当今应用最为广泛的三种功放线性化技术。33本章小结本章主要介绍了描述功率放大器常用的三种功放模型AMAM和AMPM转换、序列展开非线性模型和非线性谐波平衡模型，分析和评价了当今主要用于改善放大器线性度的线性化技术反馈技术、LINC技术、前馈技术和预失真技术。华中科技大学硕士学位论文224自适应前馈传统前馈功率放大器虽然有很高的线性度，但是传统前馈功率放大器性能会随着环境温度的改变、器件的老化、输入功率的变化以及频率的漂移而变化，因此对系统的控制显得尤其重要22。自适应前馈放大器能实时地对前馈放大器系统进行控制，使放大器始终上作在最佳状态。实验室以自适应正向前馈超线性功率放大器研究为题申请了2006年湖北省科技攻关项目，本节即是自适应前馈功率放大器的相关研究内容。41自适应正向前馈线性功放总体方案本项目设计的自适应前馈线性功率放大器应用在WCDMA通信系统的基站中，功率增益设计为45DB，输出功率要求达到35DBM，线性指标为用三阶互调衡量要求达到40DBC。自适应前馈功率放大器系统框图如图41所示。VMTFROMDSPVECTORMODULATORMAINAMPLIFIERDELAYLINEVMVECTORMODULATORTDELAYLINEERRORAMPLIFIERTVMTVEDOWNCONVERTA/DRSPDSPPILOTGENERATORRFINRFOUTPDPREDISTORTORFROMDSPTVOADAPTIVECONTROL图41自适应前馈功率放大器系统框图华中科技大学硕士学位论文23整个系统由四部分组成射频单元、下变频单元、多路RSP单元、DSP单元。其中，射频单元主要包括预失真器、信号抵消环路、误差抵消环路、导频信号发生器、AB类主功率放大器、A类误差放大器和矢量调制器等；下变频单元包括多路模拟下变频器、多路中频放大电路、多路低相噪高稳定度频率合成器等；RSP单元包括多路高速ADC、多路数字正交解调器、数控振荡器NCO、信道抽取滤波器、软件加载与控制接口等；DSP单元包括多路信号预处理单元、子带信号抽取单元、梯度信号并行计算单元、导频信号分析单元、辅助参数计算单元、射频预失真参数计算单元、多路DAC输出与控制执行单元等。42射频组件模块方案射频组件包括两个环路和下变频电路，环路根据功能分为载波信号抵消环路和误差抵消环路，如图42所示，本节主要研究这两个环路。1载波信号抵消环路3DB功分器、矢量调制器VM1、主功放、辅助功率放大器1、辅助功率放大器2、耦合器1、耦合器2、延时线、衰减器、功率合成器；2误差抵消环路矢量调制器VM2、辅助功率放大器3、误差放大器、耦合器3、耦合器4、延迟线。RFINVM1TFROMDSPVECTORMODULATORMAINAMPLIFIERDELAYLINEVM2VECTORMODULATORTFROMDSPDELAYLINEERRORAMPLIFIERRFOUT载波抵消环路误差信号抵消环路上支路CATTFEGDC1C2下支路上支路下支路A_AMPLIFIER2A_AMPLIFIER3A_AMPLIFIER1L2图42自适应正向前馈线性功率放大器射频模块框图射频组件工作原理前馈线性化功放按功能又可分为自适应控制单元和射频单元，线性化技术原理体现在射频部分。信号进入系统后分为两路主支路和参考支路。载波抵消环的目的是从主功放的输出中抵消掉载波信号，提取出主功放的失真信号（包括线性失真和非线性失真）。通过选择耦合器和固定衰减器的值，精确调节矢量调制器，使得在合路器处，主功放输出信号的幅度和参考支路的信号幅度一致，华中科技大学硕士学位论文24而相位相反，则主支路和参考支路中的信号叠加时，载波信号将被抵消。参考支路的延时线可以用来补偿宽带信号经过功放后的群延时。误差抵消环的目的是抵消主功放输出信号中的失真信号，只留下功放的线性分量。同样，通过选择误差放大器的增益和输出合路器的值，细微调整误差抵消环中矢量调制器，使误差信号的幅度和主功放失真信号的幅度相等，相位相反，主支路和参考支路中的失真信号成分将被抵消23。主支路的延时线可用来补偿宽带信号经过误差功放的群延时。现分析图42自适应正向前馈线性功率放大器射频模块框图。载波信号抵消环路双频的输入信号经功分器被分为等幅且同相的两路信号，馈入上、下两路。在上支路，经矢量调制器VM1后送至主功率放大器放大，其输出信号谱如图42中C点所示，C点输出信号经定向耦合器取出部分功率，再经固定衰减器ATT后送入功率合成器，频谱如图42中D点。在下支路，由功分器分出的输出信号，经延时线L1延时后，再经过辅助功率放大器放大后，送入功率合成器，其频谱如图42中E点。通过调整上支路中矢量调制器的衰减量和相移量，调整信号的幅度和相移量，使D和E两点的主谱信号幅度相等，相位相反，经功率合成器相加，从而使得输出信号谱中的主功率谱大部分被抵消掉。需精确调整两路信号的幅度和相位，以达到输出谱信号中主谱分量低于互调分量。误差抵消环路主功率放大器输出的高功率信号，经定向耦合器C1，延时线L2和定向耦合器C2输出。环路I中提取的互调分量如图42中F点，经矢量调制器VM2调整其幅度及相位，再经误差信号放大器后由定向耦合器C2馈入主路。耦合后要保证两者幅度相同、相位相反，使得总输出信号中不含失真信号，最终得到的互调分量抑制优于45DBC。43前馈系统电路仿真431双音信号输入前馈系统仿真1载波抵消环路仿真仿真原理图43为系统仿真模型，矢量调制器采用一个衰减器和一个相移器串联代替，延时线的插损用衰减器代替。输入双音信号F12139MHZ；F22141MHZ；POWER8DBM，调整衰减和相移，观察功率合成器输出载波情况，使得载波信号最小。华中科技大学硕士学位论文25图43前馈系统信号抵消环ADS拓扑图图43中，输入信号采用双音信号，其输入频率为2139GH