（无线电物理专业论文）通信中射频功率放大器数字预失真的研究.pdf

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w c d m a ，t d s c d m a 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( m p ) 的数字预失真器，m p 是v o l t e r r a 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( f p g a ) 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i p 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f p g a 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 a b s l r a c t a b s t r a ct m o d e mw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m se m p l o y s p e c t r a l l y e f f i c i e n t ， d i g i t a l l y m o d u l a t e ds i g n a l sw i t hb a n d w i t h sa n dt i m e v a r y i n ge n v e l o p e s ，a r i dw h i c hi s v e r ys e n s i t i v et op o w e ra m p l i f i e rn o n - l i n e a r i t y a m p l i f i e rd i s t o r t i o np r o d u c e sa d i l a t i o n o ft h es p e c t r u mo ft h ei n p u ts i g n a l ( ”s p e c t r a lr e g x o w t h ”) w h i c hc a u s e si n t e r f e r e n c et o c o m m u n i c a d o n si na d j a c e n tc h a n n e l s i na d d t i i o nt os p e c t r a lr e g r o w t h ，a m p l i f i e r n o n 1 i n e a r i t i e sp r o d u c ei n - b a n dd i s t o r t i o nw h i c hd e t e r i o r a t e st h ei n t e g r i t yo ft h e t r a n s m i t t e ds i g n a la n dr e s u l t si nh i 曲b i te r r o rr a t e ( b e r ) a tt h er e c e i v e re n d l i n e a r i z e a t i o nt e c h n o l o g yi sn o ww i d e l yu s e di no r d e rt or e d u c et h ep o w e r a m p l i f i e rn o n l i n e a rd i s t o r t i o nw i t h o u tl o s so fe f f i c i e n c y i na l ll i n e a r i z a t i o nt e c h n i q u e s ， d i g i t a lp r e - d i s t o r t i o n i s v e r ye f f e c t i v em e t h o d f o rt h ep o w e ra m p l i f i e r w i t h o u t m e m o r ye f f e c t ，s u c ha sl o o k - u pt a b l e b a s e dp r e d i s t o r t i o nl i n e a r i z e a t i o nc a nc o m p e n s a t e f o rp o w e ra m p l i f i e rn o n - l i n e a r i t ya n dw a ss t u d i e de x t e n s i v e l y h o w e v e r , n o ta l lp o w e r a m p l i f i e r sc a nb et r e a t e da sn o n - m e m o r ye f f e c t ，e s p e c i a l l yf o rb r o a d b a n da p p l i c a t i o n s ， s u c ha sw c d m a ，t d s c d m ai sn o ww i d e l yu s e di n aw i d er a n g eo f c o m m u n i c a t i o n ss y s t e m s ，p o w e ra m p l i f i e r sm e m o r ye f f e c tc a nn o tb ei g n o r e d i n o r d e rt os o l v et h el i n e a r i t yo fp o w e ra m p l i f i e rw i t hm e m o r ye f f e c t ，t h i sa r t i c l eu s e s m e m o r yp o l y n o m i a l ( m p ) d i g i t a lp r e - d i s t o r t i o n , m pi s as p e c i a lc a s eo fv o l t e r r a p o l y n o m i a l ，e a s y t oe x t r a c tp r e - d i s t o r t i o np a r a m e t e r sa n dg o o dp e r f o r m a n c e c h a r a c t e r i s t i c s i nt h e p a s t 2 0y e a r s ，p r o g r a m m a b l ed e v i c et e c h n o l o g y ( f p g a ) h a sb e e n d e v e l o p i n gr a p i d l y f a s t ，h i 曲一i n t e g r a t i o n , al a r g en u m b e ro fs u p p o r tt o o l sa n de a s y u s i n gi pc o r em a k ei tp r e f e r r e dc h o i c ef o ral o to fh i 曲一s p e e dd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g a l g o r i t h m s f i r s t l y , t h ea r t i c l ea n a l y z e st h er fp o w e ra m p l i f i e rw i t hm e m o r ye f f e c t ，a n dt h e n e s t a b l i s hr fp o w e ra m p l i f i e rp o w e ra m p l i f i e rm e m o r yp o l y n o m i a lp r e - d i s t o r t i o n m o d e l sa n d s t u d yo ft h e a s s o c i a t e d a l g o r i t h m ；f i n a l l y i n t r o d u c e dt h ef p g a i m p l e m e n t a t i o no fm e m o r yp o l y n o m i a ld i g i t a lp r e - d i s t o r t i o n ，a n d t h e nb u i l da c o m p l e t et e s te n v i r o n m e n t ，a n dt h ee f f e c t i v e n e s so ft h ep r e d i s t o r t i o nl i n e a r i z e r sa r e i i a b s t r a c t d e m o n s t r a t e db ye x p e r i m e n t a lr e s u l t so b t a i n e d k e y w o r d s ：r f p a ，m e m o 巧e f f e c t ，d i g i t a lp r e d i s t o r t i o n ，l u t ，f p g a i i i 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 1 1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r f 放大器a b 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4 0 d b 。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d o h e r t y 展现了比a b 类设计更严重的非线性，失真比载波电平 低2 9 d b 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【l o 】。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w c d m a ，t d - s c d m a 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( m p ) 的 数字预失真器【4 1 ，m p 是v o l t e r r a 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( f p g a ) 【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i p 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f p g a 实现，此预失真器是自适应【7 j 的。 电子科技大学硕士学位论文 它根据输入的w c d m a 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。 1 2国内外的研究现状 随着3 g 4 g 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，i e e e 每年在线性化技术方面的论文，都有一定数量的增长， 2 0 0 8 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。 p m c s i e r r a 公司其p m 7 8 0 0p a l a d i n i o 和p m 7 8 1 5p a l a d i n l 5 器件采用了 p m c s i e r r a 工业标准无线数字预失真( d p d ) 技术及高频混合信号设计能力，可 使产品满足新兴的w i m a x 无线标准，可在基站收发器中实现d p dp a 技术，与前馈 方案相比频谱功率的效率可提高5 0 以上。 o p t i c h r o n 发布的数字预失真( d p d ) 线性化器件0 p 4 4 0 0 。该款0 p 4 4 0 0 为单 片集成电路，采用了t u r b o l i n e a r 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 d o h e r t y 和a b 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( d p d ) 设备。 德州仪器( t i ) 推出的一款集成数字上变频器( d u c ) 、振幅因数缩小( c f r ) 以 及数字预失真( d p d ) 线性化功能的单芯片无线发射处理器g c 5 3 2 2 、g c 5 3 2 5 及 g c 5 3 2 8 。该器件提高了r f 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r f 功率放大器组件，能够将a b 类功率放大器的电源效率提高 2 5 之多，对于d o h e r t y 功率放大器而言，其效率更可提升4 0 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。 1 3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( s d r ) 的方法，解决各种信号( 如w c d m a ) 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f p g a 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f p g a 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f p g a 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 2 i功率放大器的非线性 2 1 i 非线性放大器的串行表示 一个理想的无记忆功率放大器( p a ) 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： ( f ) = z h 】= g 心( f ) ( 2 - 1 ) 通过考虑一个理想的线性放大器，p a 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p a 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( w ) l e 朋刎 ( 2 2 ) 满足如下条件将出现幅度线性失真， i h ( w ) l g l v 口o ( 2 3 ) 在如下条件下将出现线性相位失真， 9 ( 缈) 缈( 厅以，) vro(2-4) 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p a 是无记忆的，因此忽视了记忆效应，p a 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 v o w ( f ) = v ，k 。( f ) ( 2 5 ) 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v 2 。k 1 ) 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。 2 1 2 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p a 引入的非线性失真的量度是其a m a m 和a m p m 特性。a m a m 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a m a m 失 真。a m p m 失真是指，非线性p a 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p a 表示为一个带通无记忆非线性模 型并且v 。( f ) 为： 屹( f ) = a ( t ) c o s e q ( f ) + 缈( f ) ( 2 6 ) 失真了的输出信号匕( f ) 可表示为 ( f ) = g 彳( f ) c o s q ( f ) + 妒( f ) + 虻彳( f ) ( 2 - 7 ) 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2 - l 是p a 的 a m a m 和a m p m 特性曲线，从中可以发现随着p a 输入信号幅度的增大增益和 相位失真越发明显。 类似的，图2 2 列出了一些用于量化p a 非线性行为的指标，如l d b 压缩点、 饱和点、输入和输出回退( i b o 和o b o ) 。l d b 压缩点( p l d b ) 是指增益下降到 比线性增益低l d b 时的输出功率值。 5 电子科技大学硕士学位论文 ! 夕 ， ， ， r f l n l m z ta m p l i t t l d e i n p u ta m p l i t u d e 图2 - 1p a a m - a m 和a m p m 特征 另一个处理p a 非线性的指标是峰均比( p a p r ) ，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、 p a p r d b = l o l o g l0 i 产l ( 2 - 8 ) 、a v t r g g f 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p a 工作在线性条件下，p a 的工作点必须远离饱和点，这意味着功率回退 操作( 见图2 2 ) 。 图2 - 2 p a 特征 回退值不仅取决于p a 的线性度而且取决于信号的p a p r ，回退值又可定义为输 入回退值( i b o ) 或输出回退值( 0 b o ) ： 6 ( 9 基謦p j g薯_喜9霉qd 第二章功率放大器非线性的基本理论 i b o d b j - 圪翩r 【d b m 一临i d b m j ( 2 - 9 ) d 【扭】- r d b m - p o a 阳 d b m 】 ( 2 - l o ) 这里圪翻r 和只心r 分别是输入和输出饱和功率，阳和p o a 阳分别是平均输 入和输出功率。 2 1 3 功放双音和非线性测试 双音测试是典型的用于测试p a 非线性的方法，它用频率间隔矽的双音信号 作为p a 输入， ( f ) = kc o s ( c o ：) + v 2c o s ( c 0 2 t ) ( 2 一1 1 ) 其中q 勘卜搿哆砌( z + a 么) 为了简化分析我们只考虑( 2 5 ) 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c o s ( 2 q t ) + 譬c o s ( 2 哆r ) + g ：k c o s ( ( 哆一q ) f ) + c o s ( ( 哆+ q ) f ) ( 2 - 1 2 ) + 孚c o s ( 3 q r ) + 簪c o s ( 3 吐r ) + 半 c o s ( ( 2 q + 哆) ，) ( ( 2 q 一哆) r ) + 华 c o s ( ( 2 哆+ q ) r ) ( ( 2 哆一q ) r ) 7 i l l 千科技大学硕十学位论文 从( 2 1 2 ) 式我们可以发现由于p a 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：o j , + q - c o , = q 和吐+ 吐一吐= 吐； 捕获分量。q + 屿一吐= m l 和吐+ i q = o j z 。 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2 2 0 s 2 和三阶谐波失真3 c o ，3 0 ) z ： 交调失真可分类为：二阶交调失真扛，+ 峨，o o , 一c o ，和三阶交调失真 2 c o z + q 2 t 0 2 一q 。 谐波失真和交调失真属于带外失真。 o u u t s h j l jbjluj oh ， o hb om 口uh 口u o ” o 口。 一a k m 嚣一 j 打” ：淬，j i l ；l ； 闰2 - 3p a 般音测试输出频谱 图2 - 3 显示了使用a d s 仿真非线性p a 双音测试的输出频谱其中中心频率 为8 5 0 m h z ，双音日j 隔为2 0 m h z 。图中显示了7 阶的交调失真频谱。既然主要由 p a 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p a 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p a 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p a 交调失真的方法p i 。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c i ( 载波交调功 率比) 、i p 3 ( 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( 2 1 2 ) 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l d b ，则三阶交调信号功率上升3 d b 。因 此，i p 3 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2 4 表示了获得i p 3 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i p 3 的值。 图2 - 4 p a 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p a 的情形，可通过i p 3 值来计算，通常制造商提供 的p a 特性里有i p 3 的值： d b c = i m d 3 。咖【扭c 】_ 2 ( p o , d b c 】一o i p 3 d b m ) ( 2 - 1 4 ) 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。 2 1 4 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p a 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p a 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w c d m a 调制信号在p a 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( a c p r ) 或称为邻道泄漏功率比( a c l r ) ，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： 。i l ( ，) 够 盖= 2 瓦苗万弘而而 m r 】 ( 2 。5 ) 一一j 气( ，) 矿+ i 巳( ，) 妒 1 f r h j e n c y m 图2 巧w c d m a 调制信号的p a 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( m a s k ) 和a c l r 指标。 为了不干扰邻近信道，a c l r 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p a 压缩点) 。然而，通过下一节我们将会了解 功率回退将导致p a 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( 2 6 ) 式的调制输入信号和( 2 7 ) 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( f ) = g 彳( f ) c o s ( 厂( 彳( f ) ) ) c o s 咄+ 伊( f ) 一g 删莓( 俐) s i n 吵酬 仁1 6 ) 、_ - - - ，_ - 。o 口u a d r a t u r e 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2 - 5e v m 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q a m 会受p a 非线性失真的影响，我 们可以通过性能指标e v m 来衡量这种影响。如图2 - 6 显示了参考信号与测试信 号之间的误差向量。e v m 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( r m s ) 之间的比值，并把这种比值以百分比的形式表示。 e y m = 【】 ( 2 - 1 7 ) e v m 这个指标包括了发射滤波器精度、d a 转换器、调制器的不平衡、相位噪声 和p a 非线性的影响。与对频谱再生限制一样，通信标准1 9 - 1 0 1 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e v m 值。 电子科技大学硕士学位论文 2 2 线性度和效率的折中 在无线设备中p a 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p a 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 t h 。在i 强电路中p a 是消耗功率最多的元件，能达到l 心子系统功率 消耗的7 0 【1 2 】。 p a 效率是d c 功率如何有效的转换为r f 功率的量度，通常可表示为 p一 刁= 【】 ( 2 - 1 8 ) l - d c 但以上表达式仅考虑了转换后的r f 功率，没有考虑p a 输入已经存在的r f 功率，所以功率附加效率p a e 被定义为如下： 脚：冬益【】( 2 - 1 9 ) r d c 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( p a p r ) 。一般的，p a 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p a 非线性的影响要求传输的信号幅度峰值低于p a 能输出的峰值，这样就 降低了p a 的平均效率【1 3 】。而且，p a 的效率不仅决定于p a 的i b o 或o b o ，还决 定于p a 操作类型。图2 7 显示了几种p a 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1 0 0 导通对应a 类，5 0 导 通对应b 类，5 0 1 0 0 导通对应a b 类，最后小于5 0 对应c 、d 、e 和f 类。 不同类的p a 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2 1 显示了不同类p a 之间的线性度和效率的折中。 1 2 第二章功率放大器非线性的基本理论 图2 - 7 常用的p a 类型 当p a 工作在a 、a b 、b 、c 类，三极管表现为一个跨导器；当p a 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p a 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p a 也 可应用于需要线性放大的调制方案 【q 。因此使用a 类p a 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p a ( 如a b 、c 类) 意味着损失 了线性度，造成带内失真和邻道干扰。 表2 - i 不同类型p a 的线性度和效率 类型操作模式 最大效率( ) 线性度 a5 0好 a b 电流源 介于a 和b介于a 和b b7 85中等 c1 0 0 差 dt 0 0差 e 开关 1 0 0差 f1 0 0差 从这点看，采用线性化技术是非常有必要而且合理的。在p a 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。 2 3p a 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p a 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，p a 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2 8 显示了使用a d s 仿真记忆效应造成的不 对称的输出频谱。考虑p a 的低通复数行为模型，图2 - 9 显示输入及输入的延迟 取样和无记忆p a ( 图2 9 - ( a ) ) 及记忆p a 输出之间的关系以及造成的影响( 图 2 - 9 ( b ) ) 。可以观察到记忆p a 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1 3 】。图2 1 0 展示一个通常的p a 原理图并标出了记忆效应的主要来源【1 9 l 。 s p e c t r u mo fg e n e r a t e ds i g n a l ( d b m ) 睢 。i _ ：“ 戮鼎 6 i ， t 1 。枷 涮 鼢 6 - 5一i- 3- 2 r m h z a d s 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 1 1 1 = 【瘩i 】一3 c i e3o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p a 。 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1 m d 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r f 载波。关于这两个技术的进一步细节可以参考文献1 2 ”。对 于包络过滤技术，是生成存在于p a 的相反的记忆效应。所以数字预失真不仅要 补偿p a 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2 - 9 记忆效应对p a 的影响 f h l 记忆p 弑 电子科技大学硕士学位论文 2 4 总结 图2 1 0p a 主要的记忆效应源 通过本章，描述了非线性失真是p a 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p a p r 。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r f 发射链路的互调 失真也很敏感。使用高度线性a 类p a 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。 1 6 第三章功率放大器行为模型 3 1 介绍 第三章功率放大器行为模型 数字基带预失真( d p d ) 线性化技术和p a 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d p d 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p a 记忆效应 的敏感性，使得d p d 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p a 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p a 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( d s p 或f p g a ) 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。 p a 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l z o 】： 物理模型：p a 的物理模型描述了组成p a 各元素之间的物理关系，通常 根据p a 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 p a ，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p a 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p a 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p a ， 而对新设计的p a 无能为力。为了获得p a 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 1 7 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 p a 行为模型是系统级的单输入单输出( s i s o ) 系统。可通过记录p a 复包络 输入输出数据，提取p a 行为模式的参数。图3 1 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： s ( f ) = 么( f ) c o s ( q f + 秒( f ) ) ( 3 一1 ) 这里q = 2 万z 是载波角频率，彳( f ) 和p ( f ) 分别是时变幅度和相位。上式也可 用极坐标形式表示： j ( f ) = r e x ( f ) 少， ( 3 - 2 ) 其中z ( f ) 是复包络，定义如下 z ( f ) = a ( o e 州) = 么( f ) c o s ( 秒( f ) ) + 弘( f ) s i i l ( 秒( f ) ) = 而( f ) + 魄( f ) ( 3 3 ) 这里_ ( f ) 和( f ) 分别是复包络信号的同相( i ) 和j 下交( q ) 分量