面向线性化功放的基带数字预失真系统设计

要 在现代的无线通信领域中，由于功率放大器本身固有 的非线性特性以及用于通信的已调信号的特征，使得功放输出信号存在严重的交调失真和邻近信道干扰。因此，功率放大器的性能影响着整个通信 系统的通信质量。为了解决这一问题，通常使用线性化技术来补偿功放的非线性 特性，这样可以减小功放输出信号的交调失真，提高邻近信道功率比( 保障了通信的质量。随着数字信号处理技术和数字信号处理器的不断发展，在所有 的功放线性化技术中，数字预失真技术逐步成为了最有效的功率放大器线性化技 术。本文的主要任务对基带数字预失真系统及其实现作出研究。 本文首先介绍了数字预失真的国内外研究现状，其次 介绍了功率放大器的非线性特性及其产生的原因，对比了各种功 放线性化技术的优缺点，最后选择了数字预失真的方法来补偿功放的非线性特性引起的失真。 本文制定出了基带数字预失真系统方案，采用了一种 基于查找表的方法，使用 法，把功率放大器的非线性失真特性记录在查找表（ ，根据输入信号产生地址读取相应的失真参数，从 而进行预失真处理，这种方法具有硬件上的易实现性和计算上的简单性。本文最终设计出了针对 号的可实现基带数字预失真功能的基带电路板。 最后，我们使用 2 载波 号测试了基带数字预失真系统，结果表明对 改善量。 关键词 ： 数字预失真， 放，非线性特性，相邻信道功率比 n F) A) in of M) to To is to of of of of is to an of is in of by of is to by A. In a is is A is to UT MS to in UT be is in of in in In a is we is a 录 第一章 绪 论 . 1 课题的背景 . 1 国内外研究发展现状 . 1 课题研究的内容和意义 . 3 第二章 功率放大器的非线性特性及线性化方法 . 5 功率放大器的种类 . 5 A 类功率放大器 . 5 B 类功率放大器 . 5 功率放大器 . 6 其它类功率放大器 . 6 功率放大器的主要技术指标 . 7 工作频率范围 . 7 增益 . 7 增益平坦度 . 7 输出功率 . 8 效率 . 8 驻波比 . 9 放大器非线性指标 . 9 1缩点 . 9 三阶截止点 . 10 记忆效应 .功率放大器的线性化技术 . 功率回退法 . 12 负反馈法 . 12 前馈技术 . 13 预失真技术 . 13 射频预失真 . 14 目 录 数字预失真 . 14 功放线性化技术的比较 . 14 第三章 数字预失真原理 . 16 预失真原理 . 16 数字预失真结构 . 17 数字预失真方法 . 17 参数模型法 . 17 型 . 17 型 . 18 型 . 18 型 . 18 型 . 19 参数估计的方法 . 19 查找表法 . 20 项式法 . 21 预失真方法比较 . 22 第四章 基带系统电路设计 . 23 系统总体描述 . 23 系统应用背景 . 24 主要芯片选型及介绍 . 25 件选型 . 25 择 . 25 时钟芯片选择 . 27 控制芯片 . 28 电路设计 . 28 电源设计 . 28 时钟芯片设计 . 30 路设计 . 31 计 . 31 路设计 . 32 路设计 . 33 源设计 . 33 钟设计 . 33 置接口设计 . 34 围电路 . 34 控制电路设计 . 34 口电路 . 35 设计 . 35 第五章 预失真模块设计 . 37 基带信号流程 . 37 反馈回路采样设计 . 38 带通采样 . 38 采样参数的设置 . 39 数字变频 . 40 变频设计 . 41 查找表法预失真的实现 . 43 法简介 . 43 查找表结构 . 44 查找表预失真的仿真 . 45 查找表预失真的 现 . 46 系统时钟配置 . 47 码的编写 . 48 第六章 基带数字预失真系统测试 . 50 基带电路板测试 . 50 电源的测试 . 50 测试 . 50 测试 . 51 测试 . 52 基带板调试结论 . 53 基带数字预失真系统测试 . 53 目 录 第七章 总结与展望 . 56 全文总结 . 56 下一步工作和未来研究方向 . 56 致 谢 . 57 参考文献 . 58 1第一章 绪 论 课题的背景 进入一个崭新的 21 世纪，世界上各发达国家都相继进入到了一个崭新的 3国也不例外，正在为 3G 时代打开方便之门，快速推进 3G 技术的发展。在 3G 通信系统中，为了实现更大的数据传输速率，采用了很多新的技术，这同时也对处于通信发射机末端的功率放大器提出了更高的要求。和传统的通信系统相比， 3G 系统所需要发射的信号具有非恒包络且有更大的峰均比的特性。在 2G 传统通信系统中，由于 信系统大都采用具有恒包络特性的调制方式，其已调信号为恒包络信号，减小了功放的失真，一般射频模块使用大功率功放器件，采用回退算法，使通信系统的发射端工作在放大器的线性区域内，发射信号可以有较好的线性度。然而正如前面说到在第 3 代移动通信技术普遍采用了 制方式，这样数据传输速率和频谱的利用率都得到了提高，另外，在 号属于非恒包络信号，这些调制方法同时对载波的相位和幅度进行了调制，已调制信号的峰值均值比很高。功率放大器对这样的调制信号进行放大，将会产生较大的失真，失真信号会影响邻信道的通信信号，这样导致通信质量的下降，甚至不能完成正常通信。 在应对这样的非恒包络的调制信号时，若还是利用功率回退方法来确保较小的失真，将必须用大功率的放大器来实现较小功率的信号放大，在确保线性度的同时大大降低了效率，使运行成本大大提高。我们在功率放大器技术的基础上加之线性化技术，去寻求线性度和功率放大器效率之间的平衡。为了改善功放的线性度，业界研究出了几类不同的方法，较为常用的有：功率合成法 (笛卡几负反馈法 (前馈法 (及预失真法。其中，预失真法包括模拟预失真法和数字预失真法。本文主要研究数字预失真法，随着 用 术来实现数字预失真逐渐体现了它的优越性。 国内外研究发展现状 数字预失真技术最近几年得到业界的大力追捧，虽然现在还没有得到广泛的 运用。但按目前发展的状态，预失真不久将会成为功放线性化主流技术。特别是3大大推动数字预失真技术的发展。随着数字信号处理和 随着现代无线通信系统的不断发展和演进，高宽带高速率将是业界追求的目标，在这样的应用背景下，将对用于放大信号的功率放大器提出新的更高的要求。为了节约成本和满足非恒包络调制信号，希望功率放大器有较高的效率和较好的线性度，然而，这两者本身就是一对矛盾体。近年来，在对功率放大器技术研究取得突出成果的基础上，业界把线性化技术作为热门的科研课题，在全球各大期刊论坛上，发表了有很多关于这方面的论文。线性化技术分为很多的种类，在众多技术之中，数字预失真技术脱颖而出逐步显示了它的优越性。就目前业界对数字预失真的研究来说，实现的方法大致分为两类：多项式法、查找表法。查找表数字预失真法计算相对简单、硬件资源开销较小、容易实现，但在改善功率放大器的记忆效应上的效果并不是很明显。而基于记忆多项式方式的数字预失真可以有效地改善功放放大器的记忆效应，但多项式系数的自适应训练比较困难，乃然给记忆预失真技术带来了挑战。 由于存在无线通信这个巨大的全球市场，国内外很多大学和各高技术的研究机构都加入到数字预失真的研究中来。除此之外，无线通信行业的各大公司也投入巨大的人力和财力进行数字预失真的研究，比如：爱立信、摩托诺拉，华为等公司，他们各自都取得了相应的研究成果，但其核心技术都是处于高度保密的对象。值得一提的是：目前，有几家公司都提出了自己的数字预失真方案。 司研制出了 片，以它为基础来实现数字预失真功能。其中包括了数字上变频芯片 字中频预失真芯片 字下变频芯片 通道 片 及自适应算法查找表处理器 片。该系统采用查找表的方式来实现数字预失真处理，可根据三种不同的方式对表进行寻址，分别是：信号对数功率、信号线性功率和信号幅度。可针对 20宽信号进行 5 阶互调失真补偿，可将 低 13 推出 芯片数字预失真处理器。在芯片中集成了数字上变频技术、波峰因子衰减技术和数字预失真技术。结合 司的 片，预失真处理信号可高达 40带宽，改善功率功放的线性度的同时也减小了原始信号的峰均比。另外，基于 灵活预失真的线性化算法支持多种功率放大器架构及许多新标准，如 、及 等，目前 推出 3案，该方案的基础是 字预失真（ 值因数衰减（ 议无关的 够将高达 30实现 5 阶命令纠正，它是 最高性能，而且不用加载单独的 片。 族的通用算法可以应用到任何一种 造中 （包括 ） 并无需算法编程或者外部 片。 作为 公司的 C 是一款高质量多用途的信号压缩方案，能够降低因宽带协议造成的复合信号的峰值平均比（ 。 够提高 效率，设计人员因此可以选择一个更有效的工作点。系统设计师在各类协议条件下设计 构的放大器时，功率效率能达到 40以上。处理 号时， 在 30围内， 邻信道功率比 （ 到改进。 目前，国内的一些知名大学也在进行数字预失真研究 ，并取得了相应的研究成果。比如成都的电子科技大学、南京的 东南大学、武汉的华中科技大学等。另外，国内的华为公司也将数字预失真技术 定为战略发展目标，并在数字预失真领域的研究中占据了一席之地，成功地将数字预失真用到实际通信系统中去。目前，在实际的通信系统中已经用到了数字预失 真技术，并且带来了一定的经济效益。但是数字预失真的核心技术和自适应算法 还需要进一步的研究。数字预失真理论乃然是业界非常重要的研究课题。 课题研究的内容和意义 在现代的数字无线通信系统中，通信体制和信号的调 制方式的与传统的大为不同，新的系统特性加大了对射频前端功 放的要求。确保通信信号质量和较小的邻信道干扰，需要线性度更好地功率放大 器来放大信号。由于功放本身的特性，其线性度有限，需要采用其它的技术来改 善功放线性度特性。以前，业界多是采用功率回退法、负反馈法、前馈法等等。 现在随着数字技术的不断发展和芯片技术的发展，采用数字预失真的方法来改善 功率放大器的线性度成了业界研究的重点。本课题就是在这样的一种趋势下，研 究数字预失真的几种可实现方法。首先讨论模拟信号到数字信号的采样，再讨论 实现数字预失真的几种方法。从理论上研究数字预失真的可实现性。 在本文中，第二章用来描述各种功率放大器以及其特 性，分析了一些传统的线性化技术。第三章用来分析数字预失真 方法，着重介绍了三类实现数字预失真 的方法。第四章描述数字预失真系统器件 的选型和硬件电路的设计。第五章介绍数字预失真的设计等。 5第二章 功率放大器的非线性特性及线性化方法 在现代的无线通信系统中，功率放大器一般处在系统 的末端，它的作用是将已调信号放大到一定的功率水平，然后发 送出去。射频功率放大器存在固有的非线性特性，会引起输出信号的失真。 功率放大器的种类 功率放大器有几种不同的种类，它们有不同的静态工作点、不同的工作效率、不同的线性度以及不同的应用场合。一般 情况下，按照功率放大器的工作点的不同，可以将功率放大器分为 A 类、 B 类、 、 C 类、开关类功率放大器等等。 按照功放静态工作点的不同，静态工作点设在功放输 入输入出特性曲线中间为 A 类功率放大器，其特性如图 2示。在输入正弦波的情况下，功率放大器可以放大整个正弦波信号并一直处在导通状态中1。 A 类功率放大器有失真小，线性度高的优点，但也存在效率较低，放大倍数不高的缺点。 00) 类功率放大器 静态工作点为零点的被称为 B 类功率放大器，其特性入图 2示。当输入 信号为正弦波时，只有一半的信号通过放 大器，另一半的信号被阻止。在实际应用中，一般都采用推挽两只 B 类放大器交替的工作的方式，一只放大正半周期的信号3，另一只放大负半周期的信号。 B 类功率放大器在静态工作点附近容易出现交越失真，信号小时失真比较大，理论上其工作效率可达到 78%。 图 2 类功率放大器 功率放大器 图 2示了 功率放大器的特性， 输入的正弦信号多半都通过了功率放大器，其余时间段的信号被截止。相对于 B 类功率放大器， 功率放大器不存在交越失真的缺点。它的线性度和效率都是处在 A 类和 B 类功率放大器之间4。 00)B 类功率放大器 其它类功率放大器 除了以上介绍的几种功 率放大器以外，还有 C 类和开关类的功率放大器。 大器只让小半周期的信号通过， 7输出信号有较大的失真，一般用于高频的 无线发射机的末端。开关类功率放大器工作在开关状态下2，即连续地切换放大器的开通和截止状态。在极短的时间内完成放大器导通和截止，此类的放大器适合 用在高频开关状态下，效率可达到 90%甚至更高。 功率放大器的主要技术指标 一个功率放大器性能的好坏，可以有多个指标来测量 。一般都用功率放大器的工作频段带宽、最大功率增益、最大效 率、饱和输出功率、线性度以及带内功率增益平坦度等等来衡量其性能。清楚的 认知这些指标，可有效地指导功放的设计和数字预失真的设计。 工作频率范围 工作频率范围是指存在一段连续的频段，在其内可达 到功率放大器的性能指标。在实际的工程中，经常采用倍频程来描述功率放大器的工作频段范围5。简单的说就是最高频率和最低频率相差 2 的 N 次方倍数，其中 N 就是倍频程数。 增益 在功率放大器两个端口阻抗匹配的前提下，功率增益 描述功放对输入信号的功率放大情况，定义为功放输出端的功率 和功放输入端的功率比值的对数，其单位为 达式为： ()()10) （ 2 增益平坦度 在放大器的工作频段内，在相同功率的输入信号下， 放大器的输出功率呈现出起伏变化的特性，功率放大器的增益平 坦度就是来描述这类特性。通常用频带内功率增益最大差值来衡量增益平坦度，其表示式如下： () ()2 （ 2 其中，带内最小功率增益值，带内最大功率增益值。 输出功率 功率放大器的输出功率是指能传给功放负载的功率大 小，其值与功放放大器的增益和输入信号功率都有关系。功率放大器输出功率分为额定功率和饱和功率，额定功率是指在一定线性度要求的前提下 功放能输出的最大功率，而功放的饱和输出功率是指功率放大器能输出给负载的 最大功率值。功放输出功率的变化有一定的规律，先是和输入信号成线性的增加 ，当输入信号进一步增大时，出现非线性增加，直至饱和饱和输出功率。如图 2示。 图 2率放大器输出功率特性 效率 功率放大器作用之一是把直流功率转换为射频功率， 放大器的效率反应的是其转换能量的能力。在定义中用功率放大器输出的基波功率1直流供电功率比值来表示功率放大器的效率。如下式： 1100%（ 2 为了更精确地描述功率放大器把直流功率转换为射频信号功率的能力6。 需要考虑到输入信号的功率对效率的影响，因而更多的是采用功率附加效率 定义功放的效率。功率附加效率的表达式如式 2示： 1100%(2 驻波比 在功率放大器的设计中，需要进行端口的阻抗匹配， 驻波比可用来反映端口阻抗匹配的情况，它的大小被定义为在同 一相位点上，信号的最大幅值和最小幅值的比，也可以用端口反射系数和阻抗来表示。驻波比的表达式如下： 1| |,1| |Z o (2在上面的式子中， 驻波比， 反射系数为 ， 输出输入端口的阻抗为 Z ，特性阻抗为 功率放大器的设计中，首先要做到输入输出端口有良 好的阻抗匹配，否则会降低功放的性能，甚至有烧毁功放管的可 能。而在实际的测试中，经常用驻波比参数来衡量端口阻抗匹配的程度，驻波比越小表明匹配越好。 放大器非线性指标 1缩点 从理论上