（通信与信息系统专业论文）基于ofdm的射频功率放大器模拟预失真技术的研究.pdf

基于o f d m 的射频功率放大器模拟预火真技术的研究 摘要 现代通信中的移动终端设备正朝着更小，更轻的方向发展，同时要求其功率放大器 工作更长的时间。然而，具有非恒定包络的数字调制系统，尤其是具有高峰值平均功率 比的系统，例如o f d m ，正广泛的应用于许多现代无线通信系统中。因此，如何使射频 功率放大器在获得良好线性特性的同时，具备较高的功率效率，成为了一个重要的研究 课题。 本文主要研究了模拟预失真器在o f d m 系统中的应用。 首先，分析了射频功率放大器中的两种主要非线性特性，a m a m 特性和a m p m 特性，并介绍了一些功放非线性特性的描述指标。此外，还介绍了几种常见的线性化技 术：前馈、反馈、l 1 n c 及预失真等技术。 其次，着重介绍了模拟预失真技术的基本概念和单个二极管模拟预失真器。包括： 串联二极管预失真器、并联二极管预失真器及变容二极管预失真器。 本文使用模拟预失真技术补偿功率放大器在准饱和区中等程度的非线性特性。为了 模拟功率放大器在准饱和区域的非线性，文中用r a p p 模型拟合两种放大器：理想限幅 放大器和用c u r t i c e 场效应管模型表示的场效应管放大器。 本文采用的预失真器结构为串联二极管结构。通过控n - - 极管的偏置电压，可以优 化预失真器的非线性补偿性能。从仿真结果可以总结出，当系统采用双音信号作为输入 时，功率放大器输出的三阶互调失真可以平均减少1 0d b 。 最后，将二极管偏压控制预失真器应用于o f d m 系统中。文中选取i e e e8 0 2 1 l a 标 准的o f d m 信号作为系统输入信号。可以总结出，这种预失真器可以有效地减小o f d m 信号的带外辐射。 关键词：二极管线性器；功率放大器；预失真；调制干扰；o f d m 哈尔滨t 程大学硕+ 学位论文 a b s t r a c t t h ec u r r e n tt r e n di nm o b i l et e r m i n a ld e v i c e si st ob e c o m es m a l l e ra n dl i g h t e rw h i l e t a r g e t i n gal o n g e ro p e r a t i o nt i m e t h en o n - c o n s t a n te n v e l o p ed i g i t a lm o d u l a t i o ns c h e m e s ， e s p e c i a l l yh a v i n gh i g hp e a k - t o - a v e r a g er a t i o ( p a p r ) s u c ha so f d m ，a r eu s e di nm a n y m o d e mw i r e l e s ss y s t e m s i tm a k e st h er a d i of r e q u e n c y ( r f ) p o w e ra m p l i f i e r ( p a ) d e s i g n c r u c i a lt os a t i s f yg o o dl i n e a r i t ya n dh i g hp o w e re f f i c i e n c ya tt h es a m et i m e t h i sr e s e a r c hi sm a i n l ya b o u ta n a l o gp r e d i s t o r t i o ni no f d m s y s t e m f i r s t l y , t w on o n l i n e a rc h a r a c t e r i s t i c sh a v eb e e ns t u d i e d ，a m a mc o n v e r s i o na n d a m p mc o n v e r s i o n a n dt h e ns o m ed e s c r i p t i v em e a s u r e so fr fp a n o n l i n e a r i t yh a v eb e e n s h o w n f u r t h e r m o r e ，w ei n t r o d u c e ds o m eb a s i cl i n e a r i z a t i o nt e c h n i q u e s ：f e e d f o r w a r d ， f e e d b a c k ，l i n ca n dp r e d i s t o r t i o n s e c o n d l y , w ef o c u s e do na n a l o gp r e d i s t o r t i o nt e c h n i q u ea n ds i n g l ed i o d ep r e d i s t o r t e r , i n c l u d i n g s e r i e sd i o d e p r e d i s t o r t e r , t h ep a r a l l e l d i o d ep r e d i s t o r t e ra n dv a r a c t o rd i o d e p r e d i s t o r t e r i nt h i st h e s i s ，w ep r o p o s et ou s ea na n a l o gp r e d i s t o r t e rt oc o m p e n s a t em e d i u m 1 e v e l n o n l i n e a r i t yo fp ai nq u a s i - s a t u r a t i o nr e g i o n i no r d e rt om o d e lt h ec o m p l i c a t e dn o n l i n e a r i t y i nq u a s i - s a t u r a t i o nr e g i o n ，t h er a p pm o d e li se m p l o y e dt of i tb o t ht h ei d e a lc l i p p i n gd e v i c e a n df e td e v i c er e p r e s e n t e db yc u r t i c ef e tm o d e l t h el i n e a r i z e rw ee m p l o y e di ss e r i e s - d i o d ec o n f i g u r e dt y p e ，w h i c hc a no p t i m i z et h e l i n e a r i z a t i o np e r f o r m a n c eb yc o n t r o l l i n gt h eb i a sv o l t a g eo ft h ed i o d e f r o ms i m u l a t i o nr e s u l t s ， t h et h i r d o r d e ri n t e r - m o d u l a t i o nd i s t o r t i o nr a t i o ( i m d 3 ) c a nb er e d u c e db y - 10d bo na v e r a g e w h e nat w o t o n es i g n a li si n p u t f i n a l l y , t h eb i a s - c o n t r o l l e dp r e d i s t o r t e rh a sb e e nu s e di no f d ms y s t e m i e e e8 0 2 1la o f d ms i g n a li s a d o p t e da ss y s t e mi n p u t i ti sa l s oc o n c l u d e dt h a tt h ep r e d i s t o r t e rc a n e f f e c t i v e l yd e c r e a s et h eo u to fb a n de m i s s i o ni no f d ms i g n a l k e yw o r d s ：d i o d el i n e a r i z e r ；p o w e ra m p l i f i e r ；p r e d i s t o r t i o n ；i n t e r - m o d u l a t i o n ；o f d m 第1 章绪论 第1 章绪论 模拟预失真技术是移动终端射频功率放大器线性化的最佳解决方案，因为其具有简 单的电路结构，较低的成本和一定的非线性补偿特性。然而随着无线通信技术的发展， 非恒定包络数字调制技术得到广泛应用，其对发射通道尤其是射频功放部分提出了更严 格的线性要求。如何利用模拟预失真器有限的补偿特性来消除由射频功放非线性引起的 严重信号失真，成为了线性化技术中一个研究的热点。 1 1 研究背景及意义 近年来，随着无线通信的迅猛发展和移动用户数量的快速增长，射频信道环境日益 恶化，其中经常伴随着复杂的信号成分。功率放大器固有的非线性特性是造成这一现象 的原因之一。为了实现高效率的功率输出，功率放大器需要工作在非线性状态，甚至是 放大器的饱和区附近。这样会带来许多诸如谐波，互调干扰等的非线性问题，严重地影 响了通信系统的传输质量。同时，人们对频谱资源的要求正在不断提高。为了在有限的 频带宽度内容纳更多的传输信道，宽带、高峰值平均功率比信号，例如w i d e b a n dc o d e d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ( w c d m a ) o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ( o f d m ) 信号，得到了越来越广泛的应用。因此，放大器的非线性现象给通信传输带来的各种问 题将更加突出。 从上个世纪9 0 年代开始，o f d m 开始大量地应用于各种数字传输通信系统中。随 着3 g 技术的广泛应用和4 g 技术的不断成熟，o f d m 开始在各种无线通信标准中扮演 重要角色。由于o f d m 信号的调制是将多个互相正交的子载波相互叠加，因而可以获 得较高的频谱效率。但是o f d m 也存在一个十分致命的缺点，即具有较高的峰值平均 功率比。在发射端，功率放大器的最大输出功率限制了信号的峰值，这会在o f d m 信 道内和相邻信道之间产生干扰。因此如何降低o f d m 的p a p r 和提高功率放大器的线 性度便成为了一个重要的研究课题。 一般情况下，射频功率放大器在高效工作区域呈现非线性特性，由此引起的互调失 真对邻近无线信道的信号产生干扰。邻道信号干扰功率水平应该远低于传输信号功率。 因此，为了抵制互调失真对系统的影响，射频功率放大器的输入输出特性应呈现线性特 性。 在大多数情况下，线性特性可以通过降低放大器效率或线性化技术获得。如今线性 化技术已经不断地取得发展。它在提高系统线性度的同时，使功率放大器输出更高的功 率，从而提高效率。 哈尔滨t 稃大学硕十学何论文 目前射频放大器的主流线性化技术包括前馈，反馈和预失真等等。反馈预失真器的 电路结构简单并且成本较低，但由于系统本身存在延迟，很难获得同一时刻的输入信号 和反馈信号；前馈方法可以提供较好的射频功放线性化的指标，但是其需要用复杂和昂 贵的模拟设备来实现，稳定性较差，其性能也较难控制。在各种线性化技术中，预失真 技术l lj 是一个既能实现小成本也能取得一定非线性补偿性能的颇具吸引力的选择。该技 术的基本概念是在功率放大器之前插入一个非线性元件，从而使系统总的输入输出特性 呈现线性。与反馈法相比，其具有更稳定的性能和更宽的工作频带，同时相对于前馈方 法，预失真技术具有较低的功耗和更简单的电路结构。 本研究将采用预失真的方法来减小o f d m 输出信号的三阶互调失真。 预失真技术可以通过数字或者模拟的方法来实现。模拟预失真方法能有效的提高功 放的线性度，并具有简单的电路结构和较低的成本，这些优势对于移动终端的设计来讲 十分具有吸引力。数字预失真技术的非线性补偿特性更为精确，但由于要采用d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ) 等较为昂贵的设备，系统成本较高。在模拟预失真技术中， 基于二极管指数特性实现功放非线性补偿的预失真方法是目前的主流技术。在本课题 中，二极管偏压控制模拟预失真器将被用于提高o f d m 系统中功率放大器准饱和区的 线性特性。 1 2 国内外研究现状 上个世纪二十年代，工作在贝尔实验室的美国人h a r o l d s b l a c k 为了减小放大器非 线性引起的失真，成功地发明了前馈和负反馈线性化技术，并应用到功率放大器中，这 标志着功放线性化技术的开始。然而，当时线性度的提高主要是通过器件本身来实现， 此类线性化技术只能应用于效率较低的功率放大器中。 四十年前左右，无线通信技术取得了迅猛的发展，同时带动了功率放大器线性化技 术的飞速发展，新的技术不断涌现。这其中主要包括基于查表的自适应基带预失真线性 化技术、自适应前馈线性化技术、e e r ( e n v e l o p ee l i m i n a t i o na n dr e s t o r a t i o n ) 技术、l i n c ( l i n e a ra m p l i f i c a t i o nu s i n gn o n l i n e a rc o m p o n e n t s ) 技术以及c a l l u m ( c o m b i n e da n a l o g l o c k e dl o o pu n i v e r s a lm o d u l a r ) 技术等等。 反馈法是最早的线性化技术之一，由于其电路结构简单，现在仍然广泛应用于音频 功率放大器等低频模拟功率放大器中。但是因为其存在较差的稳定性及信号延迟等问 题，在射频领域很少使用，也不再是如今线性化技术的研究重点。 前馈线性化技术是起源最早的线性化技术，比反馈技术还要提前9 年时间，但发展 2 第l 章绪论 较晚。前馈技术稳定性和线性度高，并且线性度与增益相互独立，噪声系数好，即便如 此，由于受到当时器件工艺水平的限制，前馈技术难以实现，因此一直没有被当作线性 化技术的研究重点。现代的针对于射频功率放大系统的前馈技术是上个世纪6 0 年代末 开始出现的，但其仍然一直落后于预失真技术的发展，存在较大差距。近年来3 g 技术 和4 g 技术的不断发展，对射频功放的线性度提出了更高的要求。同时，随着电子器件 制造和数字信号处理技术的不断发展，前馈线性化技术又得到了学者们的重视。 相对于前两种线性化技术，预失真技术的起步最晚。预失真技术可以在取得较理想 线性度的同时，获得较高的发射效率，降低发射机的成本，因此应用广泛。由于预失真 系统属于开环系统，不存在同反馈法一样的稳定性问题。预失真技术可以在基带或者射 频实现，取决于预失真器在发射端的位置。根据预失真技术的实现方法，可以分为模拟 预失真和数字预失真技术两类。 射频预失真器可以用简单的模拟电路实现，并且消耗很小的功率，因此适宜补偿移 动终端功率放大器的非线性。预失真器的线性补偿特性取决于预失真器和功率放大器非 线性特性的吻合程度。 随着上个世纪中期人们对晶体管非线性器件特性的研究，模拟预失真技术的发展也 开始起步。通过晶体管本身的非线性特性与功率放大器的非线性相反这一特点，来实现 发射端系统整体的线性化，这便是模拟预失真的基本思想。 1 9 7 9 年，s a t o h 将模拟预失真技术应用于行波管功率放大器中，成功的观察到了系 统线性度的提高。行波管功放是典型的三阶非线性器件。三阶模拟预失真技术在行波管 功放中取得成功后，马上被推广到固态功率放大器中。1 9 8 4 年，日本的学者n o j i m a 借 助于二极管的非线性特性，成功地实现了三阶模拟预失真器。随后，k u m a r 通过二极管 偏压控制的方法，进一步提高了预失真技术的性能。模拟预失真技术主要应用在移动通 信系统中，尤其是移动终端，因为其具有较低的成本。目前主流的模拟预失真方案是三 阶模拟预失真技术，但在文献【2 j 及文蒯3 l 中，已经开始对五阶非线性模拟预失真进行研 究，加速了模拟预失真技术的发展。 上个世纪九十年代后期，移动通信技术进入了飞速发展的时期。大量的多载波高速 率数字调制方式开始涌现，例如w c d m a 及o f d m 等。这些数字调制体制一般都有较 大的动态范围，对射频功率放大器的线性度要求很高。当输入信号为大功率信号时，功 率放大器的非线性问题变得十分严重。由于非恒定包络调相信号的大规模应用，例如四 相相移键控( q p s k ) 、多进制正交调幅( m q a m ) 等，导致了多载波信号的包络出现很 大的峰值平均功率比( o f d m 为1ld b 左右) ，这样使原本主要工作在非线性区域的功 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 放面i 恸艮大的非线性失真问题。 功率放大器是通信系统中最主要的非线性器件。一般非恒定包络的调制信号经过功 放的非线性放大之后，输出信号中将会出现互调失真产物( i m d ) ，对相邻信道信号产 生干扰。互调干扰落在相邻信道的功率成分与主信号功率的比值称为相邻通道功率比 ( a c p r 4 1 ) 。为了保证在接收端信号能被成功检出，要求a c p r 较小，具体数值根据不 同的应用不同。功放的非线性失真还会对无线通信系统产生诸多不良影响，因此线性功 率放大器的设计成为了系统发射端的关键技术。 面对着第三代及第四代移动通信系统对功放线性更加严格的要求，功率放大器的线 性化技术受到越来越多的关注。各大高校及研究机构不断的投入研究并发表大量相关论 文；各大通信公司也不断投入资本并推出线性化产品。即便如此，随着无线通信对频谱 资源的需求不断提高，线性化技术的发展也不断向前推进。 近年来，针对多载波宽带信号的模拟预失真研究也逐渐开始。文献【5 】中，已经提出 了一种应用于w c d m a 的模拟预失真系统。文献【6 】t 7 1 q b 将三阶模拟预失真器应用于 o f d m 系统中。但是，目前在o f d m 系统中应用的模拟预失真技术都是静态的方法。 虽然射频二极管是一种常见的用来实现射频预失真的器件，但其线性补偿特性的好坏很 大程度上取决于二极管的非线性特性。然而，二极管的指数非线性特性在一定程度上限 制了模拟预失真器对严重非线性的补偿。为了提高模拟预失真器的补偿能力，许多学者 开始对偏压控制方法进行研究【8 11 9 l 。但是这些研究采用的都是具有较小p a p r 的调制信 号，例如w c d m a 。因此，对于具有高p a p r 的信号，如o f d m 的模拟预失真补偿能 力还没有被证明。本课题将主要对基于二极管偏压控制的模拟预失真器进行研究，并将 其应用到o f d m 系统中。 1 3 研究内容与章节安排 模拟预失真技术是放大器线性化技术的一种，可以使发射系统取得中等程度线性度 的提高。二极管是一种非线性半导体器件，是最适合功率放大器的模拟预失真器件。二 极管预失真技术具有结构简单，成本较低的特点。目前国内外学者对二极管预失真器的 研究十分重视，并取得了很多重要成果。 在现代无线通信系统中，具有高数据传输速率的多载波信号已经成为了主流的调制 技术。o f d m 在未来的准4 g 及4 g 标准中，被确定为主要的数据调制方式。本论文着 重研究二极管模拟预失真器对o f d m 信号非线性放大进行补偿的线性化技术。由于 o f d m 信号具有大于1 0 d b 的p a p r ，如何降低输出的功率回退便成为提高功率效率的最 4 第1 章绪论 大问题。从这个意义上，射频功率放大器的准饱和区非线性补偿能力变得十分重要。 本文的研究主要基于两种功率放大器模型。第一种是具有理想限幅特性的硬限幅功 率放大器。另外一种是更接近于实际固态( s s ) 功率放大器的c u r t i c e 场效应管模型。 我们用r a p p 模型1 0 】近似这两种放大器的输入输出特性，并用其来代表具有非记忆效应 的功率放大器准饱和区的非线性特性。 二极管预失真器的形式有很多种，并联二极管预失真器，串联二极管预失真器，可 变容二极管预失真器等等。但以上的二极管预失真技术都是静态的，在消除非线性失真 性能上有一定的局限性。本课题主要阐述了动态的二极管偏压控制模拟预失真技术。首 先，采用双音信号的包络来调整二极管的偏置电压，使输出信号的三阶互调失真i m d 3 最小，因此可以获得不同输入功率水平下二极管的最佳工作点。 最后，将偏压控制模拟预失真技术应用于i e e e8 0 2 “a 标准的o f d m 信号，抑制 功率谱的频谱再生，并给出相关结果。 论文章节安排如下： 第l 章绪论主要介绍了课题的研究背景及意义、国内外研究现状，详细介绍了 主要线性化技术的特点及发展过程。重点介绍了模拟预失真方法的背景，主要优势和近 些年来的主要发展。 第2 章射频功率放大器的非线性特性本章主要介绍射频功率放大器的主要非线 性特性a m a m 及a m p m 特性，其产生的机理及信号形式。此外，还介绍了一些功放 非线性特性的描述指标。 第3 章射频功率放大器的线性化技术本章主要介绍了目前常见的线性化技术，包 括反馈技术，前馈技术、l i n c 技术及预失真技术。对这几种技术的优缺点，及主要应 用场合进行了分析。 第4 章模拟预失真技术的实现本章首先介绍了模拟预失真技术的基本概念，并主 要介绍了单个二极管模拟预失真技术，包括串联二极管预失真，并联二极管预失真及变 容二极管预失真。其中着重介绍了串联二极管预失真技术。与此同时，通过仿真分析了 二极管预失真器和功率放大器的非线性特性，结合这两者特性，给出了二极管模拟预失 真器的系统结构，介绍了其主要原理。随后阐述了本课题中应用的功率放大器模型，r a p p 模型。通过a d s 和m a t l a b 仿真，用r a p p 模型拟合理想限幅功率放大器和c u r t i c e 场效应管功率放大器。 第5 章o f d m 模拟预失真技术在第4 章中介绍的二极管模拟预失真结构基础上， 阐述偏压控制模拟预失真的基本思想，并结合仿真结果介绍了用二极管偏压控制预失真 哈尔滨1 ：稗大学硕十学位论文 器抑制o f d m 非线性失真的过程。最后给出了o f d m 功率谱再生抑制的效果。输出的 功率谱呈现非对称性，这与输入信号的非对称性有关。因此下一步的研究主要是提高输 入o f d m 信号质量。 6 第2 章射频功率放大器的1 f ! 线性特性 第2 章射频功率放大器的非线性特性 2 1 引言 对功率放大器的线性度的要求，一直以来是人们追求的目标。因为实际当中的射频 功率放大器都是非线性的，在通信系统中信号都必须要被线性放大，所以对功率放大器 线性度的要求越来越苛刻。因此为了有效地抑制放大器的非线性失真，提高放大器线性 工作性能，要求人们必须对放大器的非线性产生原理、表现形式，以及非线性失真对系 统性能的影响有着深入的研究分析。 在通信系统有限的带宽内，存在各种噪声与干扰。当系统的总体特性呈现为线性时， 它的传递函数可以用h ( j o ) ) = i 胃( _ ，国) i e x p 膨( ) 来表示。为了提高输出功率效率，射频 功率放大器通常都工作在准饱和区或者饱和区等大信号状态下，此时功率放大器所表征 的系统呈现非线性。因此系统的传输特性不能简单地用传递函数来表示。假设y ( t 1 及 x ( t 1 分别为输出和输入信号，则系统的输入输出关系用非线性函数表示为 y ( f ) = t ix ( ，) l 。当x ( ，) 为小功率信号时，此函数为线性；x ( ，) 为大功率信号时则偏离 线性，这种偏差便称为非线性失真。 当输入信号进入放大器的非线性区域时，新的频率分量会对相邻信道的信号产生影 响。在无线通信中，邻道干扰应该低于一定的功率水平。在实际的功率放大器中，由于 输入信号是高速率、宽带的非恒定包络信号。系统的输出信号不只与当前信号的形式有 关，还与之前的信号有关，这种现象称为记忆效应。本研究的所有讨论都是在具有无记 忆效应的非线性系统中进行。 在无记忆效应的非线性系统中，放大器的非线性特性分为a m a m i n j ( a m p l i t u d e m o d u l a t i o n a m p l i t u d em o d u l a t i o n ) ，输出幅度随输入幅度变化的特性，及a m p m 【1 1 j ( a m p l i t u d em o d u l a t i o n p h a s em o d u l a t i o n ) ，输出相位随输入幅度变化的特性。 2 2 幅度非线性特性( a m a m ) a m a m 转换特性是影响功放输出互调失真的主要因素。当输入信号为小功率信号 时，系统的传输函数如式( 2 1 ) 的幂级数表示【1 2 j ： y - - a l u + a 2 u 2 + a 3 u 3 + + a n u ” ( 2 一1 ) 其中u 和1 ，分别代表输入和输出信号；a ：，a 3 ，是放大器的非线性特性系数， 可以通过曲线拟合的方法或者v o l t e r a 级数逼近计算的方法来获得。通常情况下，式 7 哈尔滨t 稃大学硕+ 学位论文 i i ( 2 1 ) 中的高阶成分不予考虑，我们只对三阶及三阶以下的高次项进行考虑。 假设输入正弦信号为u = a c o s c 0 1 t ，则输出信号v 如下表示： 1 ，= q 爿c o s q f + 口2 a 2c o s 2c o l t + a 3 a 3c o s 3 q f = q 彳c 。s q r + 口：彳2 ( 圭+ 三c o s 2 c o 。t + 吗么3 ( 丢c 。s q r + 百1c 。s 3 q ，) c 2 - 2 ， + l a 2 a + ( q 彳+ 三a 3 x 3 ) c o s a v + 丢a 2 a 2 c o s 2 c o 。t + 1 q 彳3c 。s 3 q ， 上式的输出信号包括基频分量嵋，直流分量，二次谐波分量2 q ，三次谐波分量3 q 。 放大器输出信号v 的基频分量振幅为q 爿h 彳2 ，输入信号的振幅为彳，因此基 频分量q 的增益为 g ：2 。- g o n + 3 a 3 4 3 ：2 。g ( q + 三码彳z ) c 2 3 ， 当系统为线性时，其增益g 0 的定义如下 g o - 2 0 l g 竽_ 2 0 l g q ( 2 - 4 ) 对于多数的器件来说口3 g ，这种现象称为增益压缩。 当实际增益g 小于g o 一个分贝时，此点称为1d b 增益压缩点。关系如下所示 g l ( 扣) = g o 一1 ( 扭)( 2 - 5 ) 此时对应的输出功率只出为1 分贝压缩点功率，1 分贝压缩点功率是一个衡量功率 器件线性输出性能非常重要的指标。当系统的输入阻抗与输出阻抗都为r = 5 0 q 时，可 以得到只出的表达式如下 名扭- l o l g 商03 a 3 + o 6 2 锄 ( 2 - 6 ) ii 假设系统的输入信号是由两个振幅相同的余弦信号组成的双音信号 u = a ( c o s a v + c o s c o d ) ，其中q 和哆分别为两个余弦信号的频率，则可以推导出输出 8 第2 章射频功率放大器的1 卜线性特性 = 州2 + c 。s c 劬一础+ ( 叫+ 詈a 3 a 3 ) c o s q r + ( q 彳+ 詈a 3 a 3 ) c 。s 哆，+ 丢a 3 a 3 c o s c 2 q 一哆v + 3 a 3 a 3 c o s ( 2 t o l 一吐) t + a 2 爿2c o s ( q + 哆) f + 2 a 2 a 2 c o s 2 q ，+ l a 2 a 2c o s 2 哆， + 3 a 3 a 2c o s ( 2 q + 哆弘+ 3 a 3 a 3cos(2q一哆)f(2-7) + l a 3 a 3 c o s 3 q f + 4 a 3 a 2 c o s 3 皱r 从上式中可以看出，经过系统的非线性传输，产生了由直流分量、基频劬和c 0 2 、二 次谐波2 劬和2 t 0 2 、三次谐波3 劬和3 t 0 2 及互调分量( i m ) 4 - n c o i + m 0 0 2 ( 甩和m 为自然数) 组成的输出信号。当q 和吐数值相近时，三阶互调分量2 q 一鸱及2 0 2 一c o l 可以看作非 常严重的干扰，因为它们在所有的互调分量中最强并且距离基频c 0 1 和幼非常近，因此 对信号的干扰非常强烈并且无法用滤波器滤除。三阶互调系数i m d 3 1 1 3 l 可以定义为 i m d 3 = 2 0 l g 蔫绌 ( 2 8 ) 其余的寄生信号，例如q + 0 2 、 号通带之外，可以用滤波方法去除。 2 t o ) 、2 c 0 2 、2 c o i + 哆、2 t 0 2 + q 、3 0 l 、3 0 2 都在信 输入和输出信号的频谱示意图如2 1 ( a ) 、( b ) 所示。 qc 0 2 图2 1 ( a ) 输入信号频谱 lff 一 2 0 l 一纰q o ) 22 0 2 一q3 0 1 2 0 ! + ( 0 2 2 ( 0 2 + ( - 0 13 c 0 2 图2 1 ( b ) 带有互调分量的输出信号频谱 9 哈尔滨t 程大学硕十学何论文 2 3 相位非线性特n ! ( a m p m ) 当一个大信号输入到非线性电路时，相应输出信号会与输入信号存在相位差，这个 相位差与输入信号幅度的变化有关，这就是放大器的相位非线性特性( a m p m ) 。“调 幅一调相转换系数”用来表示相位失真的大小。 舻半高( o 如) ( 2 - 9 ) 其中只为输入信号的功率电平，为输出信号与输入信号的相位差。功率放大器的 相位非线性特性可以用图2 2 表示。 图2 2 相位非线性转换模型 假设输入信号“( ，) 是两个载波频率分别为q 和的调频信号 “( ，) = 巧c o s q ，+ 仍( f ) + 心c o s 哆h - 仍( f ) ( 2 - 1 0 ) k 和k 分别为信号的幅度，纪( t ) 和r p z ( t ) 分别表示两个载波的调频信息。则甜( ，) 的 幅度为 矿2 ( ，) = kc 。s 仍( ，) + kc 。s ( q ，+ 仍( ，) ) 2 + ks i n 仍( ，) + 圪s i n ( q + 仍( ，) ) 2 、= k 2 + 匕2 + 2 k c 。s 仍( ，) 一仍( ，) 一q ， ( 2 1 1 ) 式中q = 呸一q ，“( f ) 的包络是一个随时间变化的变量。这就是a m p m 失真的形 成原因。输出信号的表达式如下式 ( ，) = 酗c 。s 耐+ ( ，) + 巧 _ ( ，) ( 2 - 1 2 ) k y ( ，) j 即是由幅度变化产生的调相分量。 在无记忆系统中，a m a m 及a m p m 特性是用来表示放大器非线性特性的主要特 1 0 第2 章射频功率放人器的1 f 线性特性 征。 当固态功率放大器被激励工作在甲类或甲乙类功率放大器的情况下，放大器在小功 率信号区域呈现非常好的线性特性。而当输入信号功率增大时，电流或电压的限幅效应 产生了具有最大输出值的a m a m 转换特性。而当固态功率放大器工作在微波低频段 时，例如超高频，a m p m 失真可以被忽略【1 4 】。这意味着在我们的研究中，只有a m a m 转换的讨论具有意义。 2 4 本章小结 本章主要介绍了射频放大器的非线性特性，包括幅度非线性a m a m 特性，相位非 线性a m p m 特性的产生机理及表现形式，并介绍了一些功放非线性特性的描述指标， 为建立放大器的非线性模型打下了基础。 哈尔滨下稃大学硕十学何论文 第3 章射频功率放大器的线性化技术 3 1 引言 随着无线通信技术的发展和3 g 及4 g 技术的不断推广，具有高频谱利用率的线性化 数字调制方式的应用越来越广泛。在无线传输中，为了成功传输信息，对系统信号传输 功率电平的要求很高。因此射频功率放大器成为了系统发射端最为关键的部分，所占成 本比重极高。但高传输速率的多载波数字调制方式，例如o f d m ，w c d m a ，通常具有 较高的峰值平均功率比，对功率放大器的线性度提出了非常严格的要求。射频功率放大 器的输入信号包络是随机变化的，经过非线性放大后会产生互调失真分量，因而出现频 谱再生效应，从而对邻道信号产生干扰。这样致使在系统接收端，不能正确的检测出信 号。但具有高线性度的功率放大器非常昂贵，大大增加了系统发射端的成本，尤其当系 统发射端为移动用户终端。因此，采用线性化技术对射频功率放大器进行线性化不失为 一种更合适的方法。线性化技术能取得较理想的线性特性，同时对系统的成本要求较低。 常见的功率放大器的线性化技术包括：反馈线性化技术、前馈线性化技术、预失真 技术、l i n c 等。其中预失真技术具有简单的电路结构、较低的成本和较宽的工作带宽。 当系统对功放的线性化程度要求不是很高的情况下，预失真技术是一种较为理想的选 择。预失真技术主要包括两类：模拟预失真技术和数字预失真技术。模拟预失真可以直 接作用在射频上，电路器件简单且成本低、有较宽的带宽，较高的工作频率，并且十分 稳定，适用于各种调制信号；而数字预失真技术【l5 】工作在基频上，线性改善程度高且精 确，控制方便，但由于其采用d s p 作为线性化的主要器件，成本及功耗都较高。因此 在无线通信终端，模拟预失真技术是一种更好的选择。 3 2 反馈线性化技术 反馈线性化技术或许是减小放大器失真最简单也是最明显的方法。在发明及取得专 利后的很长一段时间，反馈技术广泛地出现在各种纠错技术中。然而它最多地被应用在 音频放大器中。 由于音频放大器工作在较窄的频带上( 2 0k h z 左右) ，因此系统稳定性较好。并且 反馈技术固有的问题，不易取得较高的增益和需要用线性度的损失来获得系统增益等， 在音频放大器中并不存在。 但是当反馈技术应用在射频功率放大器中时，这些问题便变得十分突出，在系统的 设计过程中，需要更仔细地考虑稳定性及增益的问题。射频功率放大器的带宽比音频放 1 2 第3 章射频功率放人器的线性化技术 大器要宽的多，因此系统循环周期更短，前向通道的增益更难取得。另外一个需要考虑 的重要因素是射频系统比音频系统的线性程度要求更高。在双音信号的试验中，一个典 型的音频系统要求输出的互调干扰比实际的信号输出功率低3 0d b 到4 0d b 左右，而在 射频系统中，互调干扰要比信号输出功率低7 0d b 或者更多。 应用在射频功率放大器中的反馈技术主要分为四类：r f 反馈，包络反馈，极坐标反 馈和c a r t e s i a n 反馈。 3 2 1r f 反馈 r f 反馈也称作负反馈技术，是较早被用于改善功率放大器线性度的一项技术【1 6 1 。 通常被应用于甲类放大器，甲乙类放大器及乙类放大器的线性化。此技术消除失真的表 现稳定并且可预测，因此更适用于高可靠性的系统。它的基本原理框图m 如下图所示。 等古一r 卜- 一号 一一 一。4 岁卜- - x ( f ) 一。陟 y ( f ) 分压器 l 一_ 【l k 一一 如图3 1 所示，输入信号和输出信号分别为x ( t ) 汞dy ( t ) 。a 为放大器主路增益，k 为反馈系数，此时输入输出表达式为： 川2 而k a x ( ，) ( 3 1 ) 当a 口k 时，可以近似足+ 爿a ，上式可以简化为( 3 2 ) 。 y ( 0 = 戤( f ) ( 3 - 2 ) i 江反馈是一种比较常见的方法，但它以增益的损失来换取对失真的抑制，因此其增 益低于通常的放大器。虽然其具有较好的稳定性和可靠性，但是在对放大器增益要求很 高的r f 系统中，并不是十分适用。 3 2 2c a r t e s i a n 反馈 相对于r f 反馈，c a r t e s i a n 反馈是在基带进行线性化的技术。c a r t e s i a n 反馈的优点 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 是可以用简单的基带r c 滤波器来进行补偿滤波。缺点是需要一个高频本振信号来完成 将信号从基带映射到射频的过程，此过程中，还会产生在射频反馈系统中不会出现的宽 带噪声。下图即为c a r t e s i a n 反馈的基本原理框副17 1 。 射频 环路滤波器 图3 2c a r t e s i a n 反馈基本原理图 c a r t e s i a n 反馈的基本原理是将输入信号被分解为两个相位差为9 0 。的正交信号分量 i 、q ，然后对两路信号分别加以控制，因此能获得更好的线性度。 i 、q 两路经过调制后，产生了射频信号s ( ，) ，如式( 3 3 ) 所示。 s ( f ) = 彳( ，) s i n ( 眈，+ ( f ) ) ( 3 3 ) 由于射频功率放大器的非线性放大，射频信号s ( ，) 发生畸变。将畸变信号的部分 提取出来反馈到输入端的差分放大器，这样就可以用失真信号分别来校正i 、q 路信号， 相对其它反馈方法更为精确。 3 2 3 包络反馈 包络反馈是将射频功率放大器输出端信号提取一部分，经过包络检波器提取出包络 1 4 第3 章射频功率放大器的线性化技术 信息作为参数并反馈到输入端，这样可以减少在r f 系统中存在的时延问题。在r f 反 馈系统中，是将射频功率放大器输出的信号直接反馈到输入端，反馈的时延影响了系统 的稳定性。 图3 3 为包络反馈技术在发射机中的应用1 7 1 。将r f 功率放大器的输出信号经过耦 合器提取一部分送到包络检波器，得到输出信号的包络作为反馈信息送到输入端与原本 的输入信号作差。两者相减得到的误差信号用来驱动调制器，调节射频信号的包络，相 当对射频信号做一个“预失真”，这样输出信号的包络便被线性化。反馈环路的增益大 小决定了包络反馈器的线性化程度。 上变频 射频功率放大器 耦合器 分压器包络检波器 图3 3 包络反馈在发射端的基本原理图 包络反馈技术也可以应用于单个功率放大器，其结构如图3 4 所示，原理与在发射 端应用的包络反馈类似。 输入信 耦合器 调制器 射频功率放大器耦合器 ：l j 包络检波器 l 一一l 一_ j 包络检波器 图3 4 包络反馈在发射端的基本原理图 射频输出信号 最基本的包络反馈采用非相关包络检测，因此不能用于补偿放大器内的a m p m 相 位失真。这种简单的技术经常被用在全载波的a m 发射端，这里的检测只包括包络检波， 哈尔滨t 程大学硕+ 学位论文 而不需要相关的相位信息。因此如果系统的a m p m 失真较为严重，则包络反馈技术不 是合适的线性化技术。包络反馈技术一般只适用于非高效的功率放大器，例如甲类功放 和甲乙类功放。 3 2 4 极坐标反馈 极坐标反馈是前两种线性放大器的扩展，也被叫做：包络反馈和包络消除及恢复。 极坐标反馈线性化技术也是在基带实现线性化，最早是由p e t r o v i c 等人提出来的。它在 包络反馈的基础上加入锁相环，因此可以校正a m p m 失真问题。在极坐标反馈中，包 络反馈和相位反馈是两个独立的过程，包络检测可以在中频进行。相位检测的过程也同 样在中频进行，并用限幅器来减小信号幅度对相位的影响。同样，也可以选择在基带进 行包络和相位检测，在基带做比较。极坐标反馈中的两条支路，一条用来跟踪幅度误差， 另一条用来跟踪相位误差。极坐标反馈可以同时校正非线性放大引起的幅度和相位失 真，因此可以减小温度和负载等变化引起的系统波动。 极坐标反馈技术的应用有一定的局限性。虽然其适用于任何调制系统，但是在宽带 系统中，由于宽带信号难于用幅度和相位来表示，因此其更适用于窄带系统。在窄带系 统中，它对其它谐波的抑制效果十分明显。 极坐标反馈技术的另一大缺点是，包络反馈环路和相位反馈环路的带宽不同。一般 来讲，相位带宽是包络带宽的5 到1 0 倍，因此相位失真和幅度失真的改善程度也不同。 相对于c a r t e s i a n 反馈技术，虽然其能改善相位失真，但整体的线性化程度要更差。 3 3 前馈线性化技术 反馈技术一般应用于低频系统，在无线频段它们的应用有很强的局限性。反馈技术 的提出者h s b l a c k ，早在发明反馈技术9 年前就提出了前馈线性化技术。但是由于反 馈技术具有简单的结构和较好的收敛性，前馈技术一直都未受到人们的重视，直到1 9 6 0 年情况才发生了改变。 近年来人们对高输出功率射频功放的研究不断深入，这种功放要求有很高的线性度， 好的稳定性和很宽的带宽( 约为中心频率的4 0 ) ，唯一能合理地应用于这类放大器的 线性化技术就是前馈线性化技术。此技术被证明出可以很好地应用在宽带系统中。最近， 前馈技术还被证明可以应用于军用高频通信系统，集成的有线电视放大器，卫星通信放 大器和移动无线通信系统中( 可同时应用在基站和移动终端) 。 1 6 第3 章射频功率放大器的线性化技术 3 3 1 基本前馈技术 最基本的前馈放大器系统的结构【l ”如图3 5 所示。在输入端，信号经分离器被分离 到两个独立的路径