线性功率放大器数字预失真技术研究

摘要 I 摘 要 现代通信系统中大多数采用了频谱利用率高的线性调制技术，如 等。这些调制技术的特点是信号的幅度是非横包络，即具有一定的峰均比。高峰均比的调制信号对功放的设计提出了更高的要 求，高峰均比意味着功放大多数情况工作在饱和点以下，代价是效率低。为了提高 功放的效率，通常让功放工作在饱和区或采用一些 高效率功放技术（如 ，但是这些高效率功放的线性度较差，结果导致信号频谱展宽和误码率上升。因此， 现代的通信系统中多数采用线性化技术 +高效率功放技术来缓和效率与线性度之间的矛盾。在众多线性化技术中，数字预失真技术是最有效的技术之一。 本文先介绍功放的非线性分析，说明了功放的射频模型与功放的基带模型之间的关系。介绍了 几种有记忆的基带功放模型，此外还说明非恒包络信号对功放模型影响， 即功放的特性主要受平均功率的影响。 本文研究的重点是预失真模型参数提取过程，即如何将估计的预失真模型参数应用于预失真器。功放输入输出数据需要归一化至某一 功率电平，这样估计出的参数才能直接用于预失真模型。先介绍间接学习结构的参 数提取过程，并介绍两种增益选择方式（最大增益类型和最大功率类型）的预失真 参数提取过程，然后提出通用的参数提取模型并作详细讨论。 本文还详细说明了预失真器对输入信号峰均比的影响，即预失真器输出信号的峰均比高于输入信号的峰均比，这导致预失真信号的平 均功率低于训练信号的平均功率。由于平均功率不同而导致功放的特性发生变化， 预失真模型已经偏离功放的逆模型，从而达不到预期的预失真效果，解决的办法是 通过迭代或结合削峰技术。此外本文还介绍了复数 解在 的实现。 本文最后研究基于 号的数字预失真验证系统设计，包括 号产生，插值，数字上下变频，基于参数插值的预失真器以及模 拟上下变频的设计。并指出系统设计中需要考虑的关键点，给出了数字预失真测试 结果，并对测试结果和存在的问题作了详细分析。测试结果表明，对于 5宽的信号，相同输出平均功率下，加预失真后功放输出 善约 13 关键词： 线性功放，数字预失真，预失真参数提取I n of F is of is F of is as is is is of we of A. A be F PA We A We on A We on is of be to of so be in we of of of is We is We AR at is to of is of on of A s A on PD II is is of R is we on of F PD 3is PD is 录 录 第一章 绪论. 1 究背景及意义 . 1 失真技术研究现状及发展趋势 . 2 外研究现状 . 2 内研究现状 . 3 失真技术的发展趋势 . 4 文结构 . 5 第二章 功率放大器的非线性及线性化技术研究. 6 率放大器的非线性失真 . 6 内失真 . 6 外失真 . 8 放的记忆效应 . 9 放的线性度指标 . 10 率放大器的线性化技术 . 主要的线性化技术 . 预失真的基本原理 . 13 带数字预失真实现结构 . 14 率放大器的非线性模型 . 15 记忆的模型 . 16 记忆的模型 . 16 恒包络信号对功放模型的影响 . 20 章小结 . 23 第三章 基带数字预失真参数提取过程研究. 24 统的预失真参数提取过程 . 24 目录 V 进的预失真参数提取过程 . 27 失真器对输入信号峰均比的影响 . 29 环数字预失真结构 . 31 用 解算法提取模型参数 . 32 于 解的 法 . 32 转 . 34 数 转 . 35 数 解的 现 . 36 用 术实现 解 . 38 R 分解在 的仿真 . 40 章小结 . 43 第四章 基带数字预失真验证系统设计. 44 于 基带数字预失真系统设计 . 44 统设计 . 44 拟上下变频的设计 . 46 带信号的产生 . 48 值和抽取 . 48 字上下变频的设计 . 51 时估计的设计 . 52 失真器的设计 . 54 带数字预失真硬件实现及调试 . 56 号测试 . 56 拟上下变频测试 . 56 带数字预失真测试 . 59 验结果及分析 . 64 章小结 . 66 第五章 总结. 70 文总结 . 70 目录 期工作及展望 . 71 致 谢 . 72 参考文献 . 73 读硕期间成果说明 . 76 附 录 . 77 第一章 绪论 1 第一章 绪论 究背景及意义 功率放大器线性化技术研究起源于上世纪 20 年代， . 928年发明了前馈（ 负反馈（ 术并用于解决放大器的失真问题，这被认为是功率放大器线性化技 术研究的开端。随着通信技术的飞速发展，现代通信系统对功放的效率和线性度 要求越来越高，以下一些原因使得功放线性化技术得到广泛研究和应用。 1、线性调制技术 现代无线通信系统中多数都采用频谱利用率更高的线 性调制技术如正交振幅调制（ 多载波调制技术如正交频分复用（ 。这些调制技术的特点是信号包络是变化的，即调制信号具有一 定的峰均比。为了降低带外频谱泄露和误码率，这就需要功率回退。但回退使得 功放的效率大大降低，为了提高功放的效率，同时又保证一定的带外频谱泄露和 误码率要求，这就必须采用线性化的发射机系统。 2、多载波系统 多载波系统是将多个信道的信号合路后同时发射，广 泛应用于卫星和移动通信系统中。多载波技术增加了信号的峰均 比，同时，经过非线性功放后会产生交调分量从而造成临近信道干扰。传统的卫 星通信系统中采用功率回退已基本能够满足要求，但是功率回退的缺点是效率低 。由于传统的卫星通信系统中对线性度要求不高，而对效率，体积和重量要求则 更高，因此，一些简单的线性化处理如模拟预失真， 自适应偏置技术已被采用1。 为了减小临近信道干扰， 提高通信质量，移动通信系统中对功放的线性度要求则更高。 3、功率放大器的效率 无论是移动通信发射系统还是卫星通信发射系统，功 率放大器都是主要的耗能部件。因此，高效率功放如 E 类和 F 类功放成为研究的热点。通常高效率功放的线性度都较差，为了满足功率 放大器线性度要求，功放线性化技术如预失真也就成为高效率发射机系统的关键技术之一。 综上所述，无论是卫星通信系统还是移动通信系统， 功率放大器线性化技术电子科技大学硕士学位论文 2 是关键技术之一。主要的线性化技术有： 功率回退技术、前馈技术、反馈技术、术、 术和预失真技术，其中预失真技术具有结构简单、稳定性好、可单独设计等突出优点，已广泛应用于卫 星通信系统和移动通信系统中，下面将重点介绍预失真技术国内外发展状况。 失真技术研究现状及发展趋势 外研究现状 在众多功放线性化技术中，预失真技术凭借其自身固 有的优势，已经成为提高功放线性度最有效的技术之一。近年来，该领域的研究逐渐得到了全世界 界巨头、各大高等院校和科研单位的高度关注。 预失真技术可分为模拟和数字预失真两大类，模拟预 失真技术起源于上世纪五十年代对晶体管非线性的研究。 1959 年 出采用相反的非线性特性补偿三极管的非线性2。早期的模拟预失真技术主要应用于行波管功率放大器（ ， 1979 年 模拟预失真技术应用于行波管功放3。随着固态功率放大器（ 普及，模拟预失真也被用于 。 1984 年 用二极管设计了一个三阶模拟预失真系统4，并成功应用于 800动电话系统5。2004 年，韩国浦项工业大学研制出应用于 站的线性功率放大器6，预失真器基于二极管的非线性特性，由反向 并联二极管和串联的电阻、电感、电容构成预失真发生器。线性器技术公司（ 模拟预失真器供应商的典型代表，从 L 频段到 段都有相应的线性化器产品。 司也是模拟预失真器供应商的典型代表，该公司的 列支持470800频信号输入输出，可以通过反馈信号自适应地补偿功放的非线性， 善达到 26 在过去的二十年里，随着高速 片的发展，数字预失真得到了迅速的发展。早在上个世纪 80 年代就提出了利用查找表和曲线拟合的预失真方法。紧接着又出现了映射预失真，采用二维查 找表，取得了较好的线性化效果，缺点是收敛速度慢，自适应更新困难。 1990 年， 出了一维复数增益查找表的预失真方案7，相比二维查找表而言，一维查找表需要的存储资源更少，收敛速度更快，更新容易。再加上查找表简单，容 易实现，基于一维查找表的方法在此之后成为数字预失真技术中的一个重要分支。 1997 年 C. E. J. 出了第一章 绪论 3 间接学习方式构建预失真模型8， 间接学结构在此之后被广泛采用。 1998 年， 型9来描述有记忆的功放， 型是用一个 统 +无记忆的非线性模型描述有记忆的功放。 2001 年， 出记忆多项式模型10，并将此模型应用于数字预失真。 2001 年， L. 人利用间接学习结构研究了失真模型11，之后 L. 人又研究了基于间接学习结构的记忆多项式预失真模型12。 2008 年， O. 人研究了输入信号对功放特性的影响13。研究结果表明，功放的特性主要受输入 信号平均功率的影响，并提出采用削峰和预失真相结合的方法让预失真信号和 训练信号的平均功率保持相同。这样就能保证插入预失真器后功放在预失真信号 输入下的特性与训练信号输入下的特性相同，从而达到较好的预失真效果。测试结果表明，在 5宽下 善约 29一年， 人也提出将削峰技术和预失真技术相结合，以此保证预失真信号和训练信号具有相同的平均功率14。同时还采用了欠采样技术，并指出欠采样技术只能用于开环结构 预失真。测试结果表明，在 5宽下善约 27 数字预失真是在数字域内对调制之前的信号预处理， 又可分为符号数字预失真和基带数字预失真。符号数字预失真是 在插值滤波之前，由于优点不明显而很少被采用。基带数字预失真优点突出因而 应用广泛，其优点是预失真模型更改方便，可采用的模型较多，能够纠正功放的 记忆效应。基带数字预失真在当今移动通信中已经得到广泛应用，据目前的报道 ，已开发出的基带数字预失真产品有：司的 司的 司的 另外， 两大 参考设计。 内研究现状 虽然国外已经研究出各种商用的线性化器产品，但由 于国内关于线性功放的研究起步较晚，目前尚无商用的线性化器 产品报道。在国内，以华为和中兴为代表的通信设备公司近几年来已经投入巨资 在线性化技术尤其是数字预失真技术方面进行了研究。以电子科技大学，厦门大 学为代表的各大高等院校也已经展开对功率放大器线性化技术尤其是数字预失真 技术的研究，但由于起步较晚，发表的论文数量与国外相差甚远，专利的数量也不容乐观。 2006 年，谭水等人研究了采用基带数字预失真的方式补偿卫星通信系统中的电子科技大学硕士学位论文 4 记忆非线性，采用的是间接训练结构15。 2006 年，谷春燕等人采用两级查找表的方式补偿卫星系统中非线性功放 6。 20042007 年，电子科技大学彭启琮教授所带领的团队研究了基于 统的线性化器，采用射频数字预失真结构17 2009 年，厦门大学陈岳林等人研究了基于记忆多项式模型的基带数字预失真19，在 4宽下 善 10加预失真后输出功率明显降低。2009 年西安科技大学陈海生等人研究了基于 准的数字预失真20，采用查找表的方式实现， 善 10右。 2010 年，电子科技大学张保平等人采用二分法作自适应算法21，采用无记忆的功放模型，并采用查找表的方式实现，测试结果表明三阶互调改善 10 失真技术的发展趋势 随着无线通信技术的发展，通信系统对功率放大器的 效率和线性度指标要求越来越苛刻。这对于预失真设计又提出来 新的挑战，而预失真线性化技术也发展到了一个相对成熟的阶段，但仍然存在很 多尚未解决的问题，现预测预失真技术未来的发展趋势。 1、融合化 为弥补各种线性化技术各自的缺陷，出现了各种线性化技术相互融合的趋势，通过各自优点来提高整个系统的性能。如数字 +模拟的方式即可解决数字处理带宽窄的问题，又可以补偿模拟器件引入各种误差。 2、小型化、集成化和低功耗 目前，体积和重量限制了很多高性能预失真器的应用 ，尤其是前馈技术，除了能在陆地基站中得到应用外，在卫星系 统和手持设备中都很难得到应用。目前有很多集成的基带数字预失真芯片，但由 于功耗和体积等原因，也只能应用于移动通信基站中。 3、宽带预失真器 随着信号带宽的增加，对功放的设计又提出新的要求 ，除了需要解决宽带功放的各种技术难题外，宽带预失真器的设 计也是功放设计中的难点。当信号带宽增加（一般认为 5，功放的记忆效应成为影响预失真效果的主要因素。当带宽增加时， 样速率会非常高。以 20宽为例，考虑 5 阶非线性，那么失真信号的带宽就变成 100果用 采样率，就需要采样率为 250D。同时，数据量会很大，这也会增加 处理负担。模拟预失第一章 绪论 5 真的带宽相对较宽，但预失真效果不如基带数字预失真，而且很难做到自适应。 文结构 第一章，绪论，介绍课题的研究背景及研究价值，分 析预失真技术在国内外的研究现状及其未来发展趋势。 第二章，介绍功率放大器的非线性分析及主要的线性 化技术。先介绍功放的非线性失真，非线性分析以及功放的记忆效应，然后介绍常用的功放线性化技术，重点介绍数字预失真的基本原理。最后介 绍常用的功放模型，包括有记忆和无记忆的模型，最后一节还介绍了影响功放特性的主要因数。 第三章，重点研究预失真参数的提取过程， 先介绍间接学习结构的参数提取过程，并介绍两种增益选择方式（最大增益和最大功率类型）的预失真参数提取过程，然后提出通用的参数提取模型，并作详细讨论。 最后介绍利用复数 解算法求解预失真参数以及在 的实现。 第四章，本章着重介绍基于 4 G 通信（ 基带数字预失真系统设计，指出了系统设计中需要考虑的关键点，给出了数字预失真 测试结果，并对测试结果和存在的问题作了详细分析。 第五章，对全文进行归纳总结并展望数字预失真技术的发展。 电子科技大学硕士学位论文 6 第二章 功率放大器的非线性及线性化技术研究 基带数字预失真是对基带 I/Q 复数信号预处理，而功放是工作在射频频率，并且输入为实数信号，因此必须知道功放的 射频输入信号模型与基带输入信号模型的关系。功放的记忆效应很大程度上限制 了预失真的性能，有必要深入了解功放的记忆效应。预失真的基本原理是寻找功 放的逆模型，因而首先要了解功放的非线性特性，并利用数学模型描述功放的非线性模型。如果知道功放的非线性模型，那么就可利用某种非线性模型作为功放的逆模型（预失真模型） ，再通过某种参数估计算法估计出预失真模型的参数。某些 情况下，功放的模型可以不需要知道而直接求解功放的逆模型。功放的逆模型是 通过特定输入信号求解得到，即功放的模型与输入信号的特性有关，因此必须了 解输入信号的特性（主要是平均功率和峰均比）对功放模型的影响。本章第一节 介绍功放非线性失真以及非线性分析，导出功放射频输入信号模型与基带输入信 号模型的关系。第二节介绍一些常用的线性化技术，主要介绍预失真的基本原理 。本章第三节重点讨论功放的模型（或预失真模型） ，包括有记忆和无记忆的模型，还讨论了非常数包络信号对功放模型的影响，为后面的预失真设计做铺垫。 率放大器的非线性失真 内失真 当功放的输入功率低、带宽窄时，功放可以认为是一 个无记忆或弱记忆的非线性系统，那么功放的特性可以用 线描述。具体模型可以用无记忆多项式或其他函数描述，也可以 用查找表描述。无记忆多项式功放模型表示如下22： =)( （ 2 式中 x(t)、 y(t)分别为射频输入、输出实数信号， 性， 性，也有 性。 x(t)用复数基带信号表示如下： 第二章 功率放大器的非线性及线性化技术研究 7 )()(21)(2* 22000=（ 2 式中 )(复数基带信号， 包含实部和虚部， ()*表示复数共轭。从（ 2可以将 xl(t)表示如下： (20)()(21)(=（ 2 式中 )!(!从（ 2可以看出，只有当 2才可能出现基波分量 e f0 t，当 产生的频率分量都远离载波频率 以通过滤波器滤除。例如当l=3时， x3(t)表示如下： )()(81)(|)(|43)()(81)()(|)(|83)(00000032332323233232223+=+=（ 2 从上式可以看出三次方项产生了基 波分量和三次谐波分量，从（ 2可以导出奇次方项 xl(t)（ l 为奇数）所产生的基波分量用复数基带信号表示如下： )(|)(|2/)1(21)( 101+= （ 2如果功放模型满足射频模型（ 2，当 L 为奇数时，根据（ 2（ 2可以导出功放的复数基带模型如下： 1(0212|)(|1122)()(=+= （ 2上式说明如果多项式系数 为实数，那么功放只有 性，若 为复数，说明功放既有 性，也有 性，这与射频功放模型（ 2的结论一致。 （ 2是由实数射频模型（ 2出的复数基带模型，这是基带数字预失真的基础。 电子科技大学硕士学位论文 8 外失真 上一节是从时域模型分析功放输出信号的变化，若从 频域上分析，功放的非线性体现为带外频谱泄露或频谱扩展或称 为频谱再生。若功放输入双音信号，表示如下： )(2211 += （ 2将上式代入（ 2，考虑一个三阶的非线性系统（ L=3） ，那么输出为： )223)223)222)(2)2343()2343()(1212221321212213222121221212122221222213323211221331311+=（ 2上式说明三次方项会产生基波分量 （ 1， 2） 和三阶互调分量 2122。频谱上体现为带外的频谱泄露，同样，若考虑五 阶非线性，那么将产生五阶互调分量 很难用模拟滤波器滤除，对于多信道系统会产生临道间干扰。从（ 2同样可以说明，若多项式的系数 么将会产生 应。同时还可看出多项式的偶次项并不会产生基波分量，也不会在基频相邻两边产生额外频谱，即 不会产生临道间干扰。但实际的功放并不能简单地看作是一个多项式，这是因为 功放的非线性是多个非线性源产生的结果，为了简化分析，功放的模 型用两个级联的多项式表示23。因此， 了主要由 2n+1（ n1）次方项产生外，还由以下因素产生： 1、第一个多项式产生的包络分量（ 1基频分量（ 1）在第二个多项式的二次项混频下将产生 量。同样，包络分量（ 2基频分量（ 2）也可产生 量。 2、第一个多项式产生的谐波分量（ 21）与基频分量（ 2）在第二个多项式的二次项混频下将产生 量。同样，谐波分量（ 22）与基频分量（ 1）也可产生 量。 上面所分析的 量产生原理可以用图 2明，图中所示 生过程只考虑了一个三阶的非线性功放系统。图中的 三阶项表示由三次方项产生的 是 主要来源；二阶项（谐波）表示谐波分量（ 21， 22）与基频分量（ 1， 2）混频产生的 量，这是由功放的二次方项产生；二阶项（包第二章 功率放大器的非线性及线性化技术研究 9 络）表示包络分量（ 12基频分量（ 1， 2）混频产生的 量，这也是由功放的二次方项产生。上面的分 析说明功放的偶次非线性不能够忽略，L 人已经做过验证，当预失真模型考虑偶次方项时， 善可以再提高 354。 阶项阶项（谐波）二阶项（包络）总的 量的产生示意图 放的记忆效应 从时域数据上分析，功放的记忆效应表现为当前输出 不仅仅是当前时刻输入的函数，还是前几个时刻输入和输出的函 数；从频域分析，功放的记忆效应体现为功放的响应随着频率而变化，这体现为 互调分量的不对称性，即上边带互调分量幅度和相位均不相同，而且随着频率变化。图 2-2(a)所示为双音测试下， 边带 相位随着双音信号的频率间隔而变化23，无记忆的情况下 2-2(b)所示为 幅度随着双音信号的频率间隔的增加不断变化23。弱记忆效应对功放本身并没有较 大的影响，一般认为相位变化 1020度或者幅度变化 于功放的 没有太大的影响23。但记忆效应对于预失真设计来说是有害的，这是因为预失 真的原理是产生与输出的互调分量等幅反相的预失真信号，而且相位是恒定的。 如果功放输出的互调分量的幅度和相位随频率而变化，那么很难达到较好的预失真效果。 功放记忆效应产生的机理比较复杂， 有很多关于功放记忆效应的研究， 人利用小信号和大信号区域的非线性电路来解释互调分量的不对称性25， 并认为互调分量的不对称是由不同频率下的阻抗不同而导致。 3，并指出上下边带互调分量的不对称是由热记忆效应所造成，还指 出电记忆效应的产生是由于功放输出在电子科技大学硕士学位论文 10 包络频率、基波频率和谐波频率下的阻抗 都不是恒定值。文中还指出通过优化设计功放输出网路（包括匹配网络和偏置网 络）很容易保证基波阻抗在调制带宽范围内保持恒定或波动很小，同样也容易实现谐波阻抗在调制带宽范围内变化很小。最难实现的是包络阻抗在包络频率下保持恒定，这是因为包络频率为 大调制频率（一般为几 ，一般采用包络短路技术让包络阻抗保持恒定26。 (a) (b) 图 2a) 有记忆功放 相位变化示意图 (b) 有记