（通信与信息系统专业论文）ofdm系统中的预失真技术研究(1).pdf

摘要 在本文中，针对o f d m 传输系统中高功率放大器对信号的失真放大问题进行一 系列的研究，目前广泛流行的是自适应数字预失真算法。在一般的预失真算法中， 主要有两类：无记忆非线性预失真和有记忆非线性预失真。无记忆非线性预失真 主要是比较高功率放大器的反馈信号和已知输入信号的幅度和相位，通过两者的 误差来估计预失真器的各种修正参数。而有记忆非线性预失真主要是综合考虑宽 带高功率放大器非线性和记忆性对信号的污染，需要同时分析信号的当i j 状念和 历史状念。 本文首先回顾了比较成熟的无记忆非线性预失真算法。随后，为了适应当前 自适应数字预失真算法的主流方向，重点研究了有记忆非线性预失真。在总结以 前多种有记忆算法的基础上，提出一种基于二维l u t 的有记忆非线性预失真方法， 对相同的当前输入功率值，划分其不同的历史状念索引不同的修正因子。最后利 用星座图、频谱图和误码率图等多种仿真结果证明了此方法的有效性。 关键字：正交频分复用非线性失真无记忆失真有记忆失真自适应预失真 a b s t r a c t i ti sw e l lk n o 、v nt h a th p a s ( h i g hp o w e ra m p l i f i e r s ) a r ei n h e r e n t l yn o n l i n e a r d e v i c e s 0 f d m( 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 )e x h i b i t sl a r g e p e a k - t o - a v e r a g ep o w e rr a t i o s ，a n dt h ep e r f o r m a n c eo ft l et r a n s c e i v e r sj sv e r ys e n s i t i v e t on o n n n e a rd i s t o r t i o n s ，w h i c ha r i s e sm a i n i y 行o mt h eh i g hp o w e ra m p l i n e r m a n y r e s e a r c h e sh a v ef o c u s e do nt h cp r e d i s t o r t i o nf o rm e m o r y l e s sh p a s h o w e v e r ，m e m o r y e h c c t so fh p a sc a nn dl o n g e rb ei g n o r e dw h e nc o m m u n i c a t i o ns y s t e m sh a v ew i d e r b a n d w i d m m e m o r y l e s sp r e d i s t o r t i o nt e c i l i l i q u e sp m p o s e dp r c v i o u s l ys e l d o mh a v e s a t i s f a c t o r ye 虢c t i v e n e s sf o rt y p i c a lw i d e b a l l da p p l i c a t i o n s p r e d i s t o r t i o nw i t hm e m o r ye f 艳c t sh a sb e c o m et h ed o m i n a t i n gt r e n di nt h eo f d m s y s t e m s i nt h ef o l l o w i n gs e c t i o n s ，w ew i l ic o n c e n t r a t eo u ra n a l y s i so nt h ed i s t o f 6 0 n s m u t u a l l yc a u s e db yn o n l i n e a r i t ya n dm e m o r y i nt h i sp a p e r a ni m p r o v e da d a p t i v e p r c d i s t o n i o nm e m o dc a l l e d 2 dl u t ( 2 d i m e n s i o ni o o k u pt a b l e ) w i t hd i 虢r e n t a c c u r a c yl e v e l si sp r e s e n e dt oi i n e a r i z eh p a sw i t hm e m o r ye f r e c t s s i m u l a t i o na n d e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a t2 dl u ti m p l e m e m se x c e l l e n tp e r f o r m a n c ei nm i t i g a t i n g m es i g n a ld e t e r i o r a t i o nc a u s e db ym e m o r ye f r e c t s ，b o t hr e c t i f i e sm es i g n a lc o n s t e l l a t i o n d i s t o r t i o na n ds u p p r e s s e st h es p e c t r u me m i s s i o n l a r g es c a l em a t r i xc o m p u t a t i o ni sa l s o a v o i d a b l ei nt h e s ea d a p t i v ea l g o r i m m s ，w h i c hm a k e st h e mf e a s i b l ew h e nar e a l - t i m e s y s t e mi sn e c e s s a m k e y w o r d ：o f d m n o n l i n e a rd i s t o r t i o n m e m o r y l e s sd i s t o r t i o n m e m o i ye f f 奄c t sa d a p t i v ep r e d i s t o r t i o 创新性声明 本人声明所呈交的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，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他入已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或 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 的任何贡献均己在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 本人签名：啦 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属话安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍为西安电子科技大学。学 校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。( 保密的论文在 解密后遵守此规定) 本人签名 导师签名： 笪邀同期：垒照堕 日期：2 竺：! ：芝 第一章绪论 第一章绪论 任何人在任何地点、任何时削以任何方式和其他任何人进行通信是通信人追 求的最终目标【lj 。现代移动通信技术的发展使人们能够随时随地进行实时语音通 信，互联网的普及使用使人们获得了准实时的语音、视频等宽带多媒体业务【2 1 。然 而，现代社会对各种无线通信业务需求的迅猛增长，使无线通信在具有较高传输 质量的同时，还必须具有较大的传输容量。无线通信业务的需求使得在无线通信 中必须采用效率较高的线性调制方式如q p s k 、1 6 q a m 甚至6 4 q a m l 3 1 ，以提高有 限频带带宽的数据速率和频谱利用率，而散率较高的调制方式通常会对发端发射 机的线性要求较高，这就使功率放大器线性化技术成为下代无线通信系统的关 键技术之一。 1 1 无线通信的发展趋势 下一代无线通信希望向任何个人提供快速可靠的通信业务，这就要求无线通 信技术不断发展。从现有的2 g 和已出现的2 5 g 及3 q 系统的逐步成熟，可以看到 这一目标实现的可能性。2 g 提供了相对便宣且有效的话音业务。而2 ，5 g 和3 g 引 入了高速数据业务，其中包括一些视频业务。虽然采用无线局域网( w l a n ) 和 无线城域网( w m a n ) 技术的丈规模网络建设还处于初期，但该技术已开始流行。 其实，这些方式及其扩展的目的都是为了实现全i p 网络，从而进一步实现网络融 合。i p 是最好的集成技术，无线通信走向i p 正在成为一种方向。下一代无线通信 的关键是建立起以i p 为中心的多网结构。实现多网的有机融合，提高无线通信的 综合性，灵活性、有效性和自适应性，使网络中的技术能够动态组合，动念优化 其配置和结构来满足用户的需求，提供可用资源，并且可以动态地适应网络的流 量和服务质量。 多网融合必须由一种高效的多载波无线接入方式作为支持。采用多载波传输 的最初目的是要克服g s t n ( g e n e r a ls 、v i t c h e dt e l e p h o n en e t 、v o r k ) 传统的电话线 路中因信道特性不理想对信息传输产生的影响。后来发现，对其它非理想信道( 如 频率选择性衰落的无线信道) 多载波传输也具有明显的优越性。又由于近年来数 字信号处理技术和大规模集成电路技术的发展，使得多载波技术应用于无线环境 的前景豁然开朗，故近年来对o f d m 技术的研究已经成为热点。2 0 世纪6 0 年代， c h a n g 首先提出了在有限带宽信道上无码间干扰和无载波间千扰并行传输数据的 o f d m 系统中的预火真技术研究 方法。s a l t z b e 蝎对该方法进行了分析，并指出在该系统中干扰主要来源于相邻的 子信道，这一预见在后来的数字基带信号处理中得到了证明。w e i n s t e i n 和e b e n 首次提出用离散傅立叶变换( d f t ) 来实现o f d m 的基带调制和解调。为了消除 载波问干扰( i c i ) 和符号间干扰( i s i ) ，该方案还使用了保护时间和升余弦窗函 数。1 9 8 0 年，p e l e d 和r u i z 对o f d m 作了重要改进，提出使用循环前缀( c y c l i c p r e f i x ) 来解决正交性问题。后来，w yz o u 对o f d m 的原理和实现方案进行了 概括总结。 o f d m 技术良好的性能使得它在很多领域得到了广泛的应用。欧洲的d a b 系 统使用的就是o f d m 调制技术【4 j 。试验系统己在运行，很快吸引了大量听众。它 明显地改善了移动中接收无线广播的效果。用于d a b 的成套芯片的开发正在一项 欧洲发展项目中进行，它将使o f d m 接收机的价格大大降低。当前国际上全数字 高清晰度电视( h d w ) 传输系统采用的调制技术中也有o f d m 【扪，欧洲h d t v 传输系统已经采用c o f d m ( c o d e do f d m ) 技术【6 l 。它具有很高的频谱利用率及 很强的抗干扰能力f 7 j ，能满足电视系统的各种传输要求。在无线局域网领域中，1 9 9 9 年i e e e 8 0 2 1 1 a 通过了一个5 g h z 的无线局域网标准，其中o f d m 调制技术被采 用为物理层标准。e t s i 的宽带射频接入网( b r a n ) 的局域网标准也把o f d m 定 为项标准调制技术。随着i e e e 8 0 2 1 l a 协议、e t s i b r a n ( b r o a d b a n d r a d i o a c c e s s n e t w o r k ) 和多媒体应用的引入，无线通信领域已经为o f d m 技术的应用做好了充 分的准备，世界各国许多大公司、研究团体已经充分认识到o f d m 技术的应用前 景。1 9 9 9 年，在w i - l a n 、p h i l i p s 等公司的邀请下，来自世界六十多家公司的一 百多名代表成立了一个世界性组织0 f d m 论坛，专门讨论o f d m 在技术和市 场推广上的问题，从而进一步推动了o f d m 技术的商用化。 总之，0 f d m 的多种技术优势，已经确保其成为未来移动通信的主流技术之 一。若以技术层面来看，第三代移动通信系统主要以c d m a 为核心技术，第四代 移动通信系统则以0 f d m 最受瞩目，特别是有不少专家学者针对o f d m 技术在移 动通信技术上的应用提出很多相关的理论，所有这些工作都为0 f d m 在未来实现 个人通信的征程中开辟出明朗的前景。 1 2o f d m 系统中线性化技术的必要性 在具体应用中，o f d m 还是有些固有的不足和缺点。例如，相对于单载波系 统，o f d m 系统对同步精度的要求会更高，同步偏差会在o f d m 系统中引起i s i 和i c i 。另外，无线通信中一般采用插入导频的方法进行信道估计，如何设计导频 图案和性能好、复杂度低的信道估计算法也是o f d m 系统中的一项重要研究内容。 此外，o f d m 系统一个最严重的缺点就是信号峰平比( p a p r ) 非常高，高的p a p r 第一章绪论 对发送端i j i 置高功率放大器( h p a ) 的线性度提出了很高的要求。如果对o f d m 信号迸行非线性放大，将会使信号产生带内失真和带外失真fs 】。为了减轻功率放大 器非线性对o f d m 信号的影响，就必须对功率放大器的非线性特性进行补偿，因 而功率放大器的线性化技术就成为了o f d m 系统的核心技术之一【9 i 口在线性化技 术出现以前，为了避免由于功率放大器非线性引起的信号失真，系统设计者通常 选用功率回退法，即把功率放大器的信号输入功率降低，使功率放大器工作在线 性工作区内，远离非线性饱和区，从而改善功率放大器的三阶交调系数。功率回 退法原理简单且易实现，不需要增加任何附加设备，但这样做的同时会使功率放 大器的效率大为降低，从而影响整个系统的效率。 为了既保证整个系统的效率，又避免信号由非线性造成的失真，线性化技术 作为o f d m 通信中的一种重要技术进入了研究人员的工作日程。2 0 世纪2 0 年代， hs b l a c k 提出了两种减少功率放大器失真的线性化技术，分别称为前馈线性化技 术和负反馈线性化技术用柬消除功率放大器造成的非线性失真。后来d c c o x 改进了负反馈线性化技术，提出了c a r t c s i a f l 负反馈，使负反馈技术曾在一段时削 内基本代替了前馈技术。然而，随着通信技术的发展，人们逐渐认识到负反馈技 术中的带宽限制和稳定性差等缺点，不能完全适应通信技术的发展，对前馈及其 它线性化技术的研究又开始作进一步研究。2 0 世纪7 0 年代初，d c c o x 将移相 技术应用到线性化技术中，提出种称为l i n c ( l i n e a r a m p i i f i c a t i o n w i 也n o n l i n e a r c o m p o n e n t s ) 的技术。l 矾c 主要应用予模拟通信系统中，能适应幅度和相位都发 生变化的信号调制方式，但l i n c 技术的不足之处在于对信号合成器的要求较高。 预失真技术是线性化技术发展中非常重要的一步，预失真技术最初应用于模 拟通信系统中的射频部分，后来随着数字信号处理( d s p ) 技术的发展预失真线 性化技术也可以在数字域内实现，形成数字预失真技术。数字预失真技术既可以 应用在数字通信系统的基带部分，也可以应用在射频部分，而且预失真技术还可 以利用自适应原理来跟踪补偿功率放大器由于温度、湿度等环境因素改变而造成 的误差。总之，预失真技术不但可提升发射机的效率，降低成本与缩小体积，办 能有效增加发射机的线性度以提升系统效能与通信质量，是一种适应现代数字通 信发展的线性化技术，在现代通信发展中扮演着关键性角色。 然而，历史上的这些方法大多是针对无记忆h 队而提出的，对有记忆h p a 引 起的影响未能充分考虑f j o j 。事实上，o f d m 信号对很多h 】璇来说是宽带信号，这 些hp _ a 的幅频特性在0 f d m 信号的带宽范围内并不是完全平坦的，放大倍数不仅 与当前输入值有关，还与之前的历史输入值有一定关系，这就是h p a 的记忆特性。 当o f d m 信号带宽足够宽，当前值与历史值的耦合程度足够大时，这种记忆特性 对输出信号的影响就不能随便忽略了。对h p a 记忆特性的研究中，v o l t e r r a 模型应 用得比较广泛，v 0 l t e r r a 是一种基于多项式的模型，能完整地表达h p a 的非线性与 0 f d m 系统中的预火真技术研究 记忆性l l ，基于v o l f e n a 模型的自适应收敛算法也有一定成果，其中最有代表性是 v 0 l t e r r al m s 算法和、b l t e n ar l s 算法。比较常见的还有h a m m e r s t e i n 模型及其 相应的预失真方法i i 。然而，由于这些模型结构复杂，收敛迭代运算繁琐，不少 还牵涉到大规模的矩阵运算，必然要求硬件具备高速实时运算能力，使这些理论 难以应用于实际工程项目。因此，目前对预失真技术的研究重点已经逐渐转移到 h p a 的记忆性上面，提出简单高效的有记忆非线性预失真方法，是o f d m 实际应 用中一个急需解决的问题。 1 3 本文工作概述与安排 本文的主要内容是对o f d m 系统中射频功率放大器线性化技术的研究。论文 主体部分总共分为六章，各部分内容安排如下： 第一章介绍了无线移动通信的发展现状和未来发展趋势，阐述了线性化技术 提出的背景，论述了功率放大器线性化技术研究的必要性和重大实际意义。 第二章介绍了o f d m 技术的基本工作原理和关键技术，阐述了o f d m 信号的 功率峰平比问题，分析了o f d m 信号对放大器非线性敏感的原因。 第三章讨论了o f d m 系统的无记忆非线性预失真。首先总结出各种无记忆非 线性h p a 的通用结构图，然后用一种通用的自适应预失真方法统一修正h p a ，最 后提出一种消除残余相位误差的方法，使系统的最终收敛性能得到进一步提高。 第四章讨论了o f d m 系统的有记忆非线性预失真。首先使用h a m m e r s t e i n 模 型来描述有记忆h p a 模型，然后采用w i e n c r 模型作为预失真器进行补偿。同时讨 论了能完整描述h p a 特性的v o l t c r r a 级数及几种有记忆预失真算法，分析了他们 的有效性、算法复杂度和适用场合。 第五章是本文的核心部分。先前的有记忆预失真算法通常牵涉到繁琐的大规 模矩阵运算，难以应用于实际工程项目。这一章提出了一种二维l u t 预失真算法， 对相同的当前输入功率值，划分其不同的历史状态索引不同的修正因子。无论是 矫正带内信号的畸变，改善接收端的误码率性能，还是抑制带外频谱的泄漏，二 维l u t 都表现出优越的性能，是一种针对有汜忆 丑) a 行之有效的线性化方法。 第六章是本文的结论部分，对本文作一个全面的总结。 釜三差旦! 里塑墨丝墨奎堕垄塑鲨 ! 第二章o f d m 系统基本原理概述 a s k 、p s k 、f s k 等多种数字调制解调方式都是属于串行体制，和串行体制相 对应的一种体制是并行体制。它是将高速率的信息数据流经串并变换，分割成若 干路低速率并行数据流，然后每路低速率数据采用一个独立的载波调制并叠加在 一起构成发送信号，这种系统也称为多载波传输系统。 在并行体制中，正交频分复用( 0 f d m ) 方式是种高效的调制技术，它具有 较强的抗多径传播和频率选择性衰落的能力以及较高的频谱利用率，因此得到了 深入的研究。o f d m ( o n h o g o n “f 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 ) 系统己成功地 应用于接入网中的高速h d s l 、非对称数字环路a d s l ，高清晰度电视h d t v 的 地面广播系统。在移动通信领域，o f d m 是第三代、第四代移动通信系统准备采 用的技术之一。 2 10 f d m 原理介绍 o f d m 是种高效调制技术，其基本原理是将数据流分散到许多个子载波上， 使各予载波的信号速率大为降低，从而能够提高抗多径和抗衰落的能力。如图2 ，1 所示，各子载波保持相互正交，在接收端通过相关解调技术分离出各予载波，同 时消除码问干扰的影响。 图2 1各个子载波正交性在时域的体现 三旦! 叟塑墨丝生塑塑叁壅垫查婴塞 下面从频谱效率方面来分析一下0 f d m 信号。频谱效率即频带利用率，定义 为单位频带内码元的传输速率。频带利用率越高，则系统的有效性就越好。o f d m 信号由n 个子载波信号叠加而成，每个子载波信号的频谱与相邻子载波信号的频 谱有l 2 的交叠，如图2 所示： ( a ) 单个o f d m 子带频谱 ( b ) o f d m 信号频谱 幽2 2o f d m 信号频谱效率分析图 在理想化的情况下，对o f d m 信号的频谱效率分析如下： 假定串行数据流的码元速率为r ，b = r ，则子载波频率间隔为巧1 ，如果 将o f d m 信号频谱两侧的旁瓣忽略不计，则整个频谱的宽度为： b = ( ) + 击协击；等 o f d m 信号的波特率为： 耻击亭 ( 2 1 ) ( 2 2 ) 如果采用q a m 调制，映射的星座为m 点，则比特率为； r = 。i 0 9 2 肘 o ( 2 3 ) o f d m 信号的频带利用率为： ”2 嘉= 嵩山洲 池4 ， 对于一般的单载波系统，同样采用m 点q a m 调制，如果波特率为r 一，相应 的频谱宽度为曰= 罢善，口是滚降系数，频带利用率为： 蹿= 参= 击咄g z 彤 。：渤 比较两个系统的频谱效率表达式可知，当采用q a m 调刮方式时，o f d m 系 一兰三望旦! 殳竺墨竺堇奎垦型塑垄 ： 统的频谱效率比一般的单载波系统的频谱效率高，这正是o f d m 的优势所在。 0 f d m 信号的产生与一般的f d m 方式原理有差异，图2 3 所示是一般的f d m 原理a 而o f d m 是基于快速离散傅立叶变换实现的，其产生原理如图2 4 所示。 传送器 接牧器 图2 - 3 摄简单的基带f d m 模型框图 图2 4o f d m 信母产生与接收原理酬 0 f d m 信号接收端的原理也如图2 4 所示，其处理过程与发送端相反。接收端 输入o f d m 信号首先经过下变频变换到基带，d 转换、串，并变换后的信号去除 循环前缀，再进行快速傅立叶变换( f f t ) 得到帧数据。为了对信道失真进行校 正，需要对数据进行单抽头或双抽头时域均衡。最后经过译码判决以及并串变换， 恢复出发送的二进制数据序列。 o f d m 信号可以用复数形式表示为； 一i s ( f ) = 或( f ) e 一= ( 2 6 j 式中= + ”为第 个子载波的角频率，或( f ) 为第月介子载波上的复数 o f d m 系统中的预火真妓术研究 符号。在个符号周期内为常数，则有： 以2 啪) ( 2 7 ) 若对信号进行采样，采样阳j 隔为r ，则有： s ( 女r ) = 以e 聃叫“ ”。o ( 2 8 ) 假设一个符号周期r 内含有j 、r 个采样值，即相当于： r = 丁 ( 2 - 9 ) 实际上，o f d m 信号的产生通常是首先在基带上实现，然后通过上变频产生 输出信号。因此，基带处理时可令= 0 ，则式( 2 8 ) 可以简化为： s ( t r ) = 巩g 胁” 将上式与离散傅立叶反变换( i d f t ) 形式： 球班薹g ( 斋) e 学 相比较可以看出，若将式( 2 - 1 1 ) 看作频率采样信号， 信号。比较式( 2 1 0 ) 和式( 2 1 1 ) 可以看出，若令： ，：上：土 n tr ( 2 1 1 ) 则式( 2 1 0 ) 为对应的时域 ( 2 ，1 2 ) 则式( 2 - l o ) 和式( 2 - “) 相等。与此可见，若选择载波频率闯隔为4 厂，则o f d m 信号不但保持各子载波的相互正交。而且可以用离散傅立叶变换( d f t ) 来表示【1 4 】。 在o f d m 系统中引入d f t 技术对并行数据进行调制和解调具有十分重要的实用价 值，这样，0 f d m 信号的产生可以通过基带处理来实现，不需要振荡器组，从而 大大降低了o f d m 系统实现的复杂度u ”。 在o f d m 系统中，符号周期、子载波问距和予载波数应根据实际应用条件合 理选择。符号周期的大小影响子载波间距以及编码调制迟延时间。若信号星座固 定，则符号周期越长，抗干扰能力越强，但是载波数量和f f t 的规模也越大，各 子载波间距的大小也受到载波偏移及相位稳定度的影响。一般在选定符号周期时， 应使信道在个符号周期内保持稳定，子载波的数量根据信道带宽数据速率以及 符号周期来确定。o f d m 系统采用的调制方式应根据功率及频谱利用率的要求来 选择，常用的调制方式有q p s k 和1 6 q a m 方式。如果信道条件足够好，也可以使 用高效率的多电平调制，例如3 2 q a m 、6 4 q a m 或1 2 8 q a m 。另外，不同的子信 道还可以采用不同的调制方式。特性较好的子信道可以采用频谱利用率较高的调 制方式，而衰落较大的予信道应选用功率利用率较高的调制方式，这种调制方式 的自适应性也是o f d m 系统众多优点之一。 笙三茎皇! 呈竺墨笙苎查堕堡塑垄 ! 2 - 2o f d m 信号的峰平比 多电平调制信号存在一个固有的缺点，就是包络不恒定。若采用线性功率放 大器，则其功率效率低，使发射机变得昂贵。若在发射机中采用非线性功率放大 器，将会使已调信号的频谱展宽，反而降低了频谱利用率，不能满足相邻信道干 扰功率电平的要求。 在0 f d m 系统中采用多种调制方式，因而也存在包络不恒定这个问题。而且 相对于单载波系统，o f d m 系统的一个主要缺点是峰平比很高，对非线性失真更 加敏感。为了提高放大器的功率效率，提供足够高的输出功率和实现最大输出， 一般采用a b 类功率放大器，允许放大器工作于非线性区甚至饱和区的附近，此时 功率放大器呈现出一定的非线性失真。为了改善功率放大器的动态范围，补偿功 率放大器非线性造成的信号幅度和相位的非线性失真，提高系统性能和效率，人 们已经提出了很多放大器的线性化方法。包括笛卡儿反馈线性化技术，非线性器 件的线性放大技术( l i n c ) ，模拟闭环通用调制器( c a l l u m ) 技术，前馈线性 化技术，预失真线性化技术，包络消除和恢复( e e r ) 技术，极化环技术等。在 发射机中采用线性化技术可以改善发射机的非线性，提高发射机效率，减小系统 体积，降低系统成本，补偿放大器引起的非线性失真。随着研究的不断深入，目 前比较流行且有显著成效的方法是数字预失真，在后续章节我们会推导并总结出 一种通用的无汜忆非线性放大器预失真方法。通过这些线性化技术，可以降低邻 道干扰、带内失真、带外失真和增加发射机的功率效率。而且，由于放大器非线 性受温度、电源漂移、机械振动、老化及其他动态非线性损害的影响，以及信号 概率密度函数的变化，所以预失真一般采用自适应结构，以跟踪系统的非线性特 性。 现在我们来详细分析o f d m 信号非恒定包络的原因。由于发送的数据在频域 充分的随机化，因此0 f d m 信号可以认为是独立同分布的随机变量的线性组合。 当子载波数目很大对，由中心极限定理哥知，o f d m 信号近似服从复高斯分布。 因此，o f d m 信号有很高的p a p r 。从另一个角度看，由于o f d m 信号时域上表 现为n 个正交子载波信号的叠加，当这n 个信号恰好均以峰值点相加时，o f d m 信号将产生最大峰值，该峰值功率是平均功率的n 倍。尽管峰值功率出现的概率 很低，但为了无失真地传输这些高峰平比的0 f d m 信号，发送端对高功率放大器 ( h p a ) 的线性度要求很高，但是这样不可避免地造成发送效率偏低。接收端对前 端放大器以及a d 变换器的线性度要求也很高。 功率峰平比是描述功率放大器非线性一个非常重要的参数，为了引入功率峰 平比的定义，我们重写o f d m 基带信号式： o f d m 系统中的预火真技术研究 ) 2 专薹4 协 其中，爿。为第女个子载波上的数掘，设4 是均值为零，方差为d 2 = e l l 以1 2i 的 一2 揣 协 其中，懋臻f s ( ，) 2 为信号的最大峰值功率，e 小( ，) f 2 为信号的平均功率t 嚣是 c f = 删j d r ( 2 1 5 ) 可以通过增加平均功率实现，但实际中大多数都采用降低峰值的方法，因为增加 平均功率会加剧干扰。目前已经提出的方法大致可分为以下三类： 第一类是信号失真技术，即通过非线性失真降低o f d m 信号的峰值幅度，这 种方法包括限幅，峰值加窗，峰值抵消等，其实现起来比较简单，但由于是一种 非线性过程，可能会导致传输信号严重的带内失真和误码率的快速增大；第二类 第二章o f d m 系统基本原理概述 是编码技术，主要是通过设计特殊的前向纠错码组，使得产生的o f d m 符号具有 较低的峰平比，这种方法主要是指部分传输序列，但这种方法会引入一定的冗余 量，目前一种叫做互补序列的前向纠错编码正受到人们的广泛关注和研究；第三 类是加扰技术，用不同的扰码序列对每一o f d m 符号进行加扰处理，选择具有晟 小峰平比的o f d m 符号进行传输。 虽然降低0 f d m 信号的峰平比在些技术处理下会降低，但这些处理都要付 出相应的代价，会带来信号的失真或引入冗余量，而且这些技术也不能完全保证 o f d m 信号处理后的信号经过非线性功率放大器不产生非线性失真。 本章小结 本章主要介绍了o f d m 系统的基本原理和高峰平比的圆有缺点。随着无线通 信的发展，频率资源变得紧张，而且它们之间的矛盾变得越来越突出，等幅调制 由于其频谱利用率较低也变得越来越不适应无线通信发展的需要。为解决这问 题，采用了频谱效率高的调制方式，如q p s k ，q a m 等。然而，高峰平比使得o f d m 系统的性能大大下降甚至直接影响实际应用。o f d m 信号的高峰平比意味着射频 前端的功率放大器必须高度线性，否则会引起非线性失真，信号谱扩展，导致接 收端b e r 性能下降。即使r f 功率放大器能线性放大，这也会严重降低发射机的 效率。为了解决这一问题，人们提出了许多解决办法，例如信号畸变技术、信号 编码技术、符号加扰技术和基于信号空间扩展等各种技术束降低o f d m 系统的峰 平比，而目前比较流行且有显著成效的方法是数字预失真。 第二章o f d m 系统的无记忆非线性预火真 第三章o f d m 系统的无记忆非线性预失真 为了克服高功率放大器非线性对o f d m 信号的影响，近年来国内外许多科研 机构和高校都在进行线性化技术的深入研究。目前已有的线性化技术从原理上分 主要有两个大类：一大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；另一大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l i n c 等技术就属于这类线性化技术1 1 6 】。迄今为止，世界上广泛流行且 取得显著成效的线性化技术是数字预失真技术【1 9 】，因为数字预失真技术不但可 提升发射机的效率，同时还能降低成本与缩小体积，线性化性能相对于其他方法 更为稳定1 2 。下面我们将对数字预失真技术作一个总结，建立适用于绝大部分高 功率放大器的通用自适应算法，最后提出一种消除残余相位误差的方法，使系统 的最终收敛性能得到迸一步提高。 3 1高功率放大器的非线性分析 我们可以通过图3 1 ( a ) 所示的高功率放大器输入输出曲线束定性说明非线 性失真的本质。设放大器输入信号的幅度为，希望输出为图3 1 ( a ) 中的理想 输出点，但由于放大器的非线性，输出幅度为气如果要使输出幅度为+ 。，f 确输入信号的幅度为一硝，因而预失真过程中只要把原来的幅度调整到。刊就 能够得到线性放大。相位预失真也可以通过类似的方法得到。从图中可以看出， 如果理想的输出幅度超过了放大器的饱和点，幅度。就不能够完全纠正它的非 线性。只要不大于放大器的饱和电平，我们都可以通过预失真器校范。超过了饱 和电平，即使增加输入信号的幅度也不会带来输出功率的增加。 图3 1 ( b ) 说明了放大器工作点的改善及预失真能线性化的上限。图中的黑 色矩形框表示输入值的范围，第一个表示没有进行线性化的输入功率电平的范围， 它的峰值功率不能进入非线性区太远，即传输信号时失真不能过大。加入预失真 器后，允许放大器以更高的工作点工作，这是由于饱和电平以下的峰值失真都可 以被纠正。饱和线与线性响应的交叉点所对应的输入功率电平就是所能纠正的最 大输入幅度，任何高于这个幅度的信号都不能被完全的纠正。由此可知在给定 失真电平的条件下，经过预失真就可以使用线性度较低的放大器，并获得较大的 效率。 0 f d m 系统中的预火真技术研究 ( a )( b ) 图3 1 放火器的输入输出曲线 3 2 各种典型的非线性高功率放大器模型 要研究非线性高功率放大器对信号的失真情况【2 l 】【2 2 1 ，必须先建立起各种跟实 际工作特性十分相近的模型。高功率放大器的非线性主要表现为a m a m 特性和 a m p m 特性。目前广泛使用的有五种归一化h p a 模型，分别是三阶多项式模型、 双曲f 切模型、g h o r b a n i 模型以及最为经典的r 印p 模型和s a l e h 模型。我们令h p a 的归一化输入信号幅度为阮，相位为舅。，这里以后面三种归一化模型为代表来分 析h p a 的非线性。 为 3 2 1g h o r b a n i 模型 g h o r b a n i 模型的构造比较复杂，a m ，a m 特性和a m ，p m 特性分别用函数表示 r a p p 模型是专门用于固态功率放大器( s o l i ds t a t e p o w e r a m p l i f i e r ) 的经典模 型，由于固态功率放大器相位失真非常少，因此r a p p 模型只用a m a m 特性就能 2 ，： 烧队分 模 池 仲 3 a 艉 几 二_ 土 吼 引 ； 一一一一 一l l r l 剡 第二章o f d m 系统的无记忆非线性预失真 完全表达清楚： 只。( 一。) = ( 3 3 ) ( 1 + ( 圳西 其中，s 是光滑因子，光滑因子是用来衡量实际h p a 非线性失真程度的，s 越 大，非线性失真越大。典型取值为 2 ，3 】，在这个范围内曲线非常接近实际h p a 的 工作特性。根据式( 3 - 3 ) 描述的r a p p 模型，我们画出如图3 2 所示的h p a 输入 输出曲线。 ： 喜。， 就 啊 。2 。： 功率放大器川椭性曲钱 ，旁”1l ，一p ” 。二j ， 3 ，一 f ， r ， ， ，z 。矿 夕 7 2 1 0 ? 0 ， 幽3 2r a p p 模型的特性曲线 3 - 2 3s a l e h 模型 s a l e h 模型主要用于描述行波管功率放大器( t r a v e l i n gw a v et u b ea m p l i 矗e r ) 的非线性特性，t w t a 的a m a m 特性和a m p m 特性都非常明显： w ( ) 3 蔫 4 ) 如) 。蔫 5 其中，各个参数的典型取值分别是：“。= 2 1 5 8 7 ，风= 1 1 5 1 7 ，= 4 0 0 3 3 ， 风：9 1 0 4 0 。s a l e h 模型结构简单，但对测量数据具有非常高的拟合性能，自提出 以来一直被广泛引用，是计算机仿真中最为经典和实用的一种模型。其放大器的 a m a m 和a m p m 特性曲线如图3 3 所示。 o f d m 系统中的预火真技术研究 镌 盼r ；黔域 围3 3s a l e h 模型的特性曲线 谛 兰 、 型 匹 # 寻 蓊 3 3 通用的无记忆非线性h p a 模型和预失真算法 上节讨论的五种归一化非线性高功率放大器模型虽然表面形式各异，但是经 过仔细分析，这五种模型都可以统一为如图3 ，4 所示的同一种通用结构，这种归纳 对研究一种通用于各种模型的预失真算法具有非常现实的意义，特别在实际工程 中放大器相当于一个黑盒子。 l 幽3 41 线性高功率放火器通州模型结构幽 如图3 4 所示，o f d m 基带复信号x 进入高功率放大器时，先经过由直角坐标 到极坐标的转换，分别计算出a m a m 失真和a m p m 失真，然后合并失真信号的 幅度和相位，即为h p a 的最终复信号输出y 。特别地，对于没有a m ，p m 失真的 第三章o f d m 系统的无记忆非线性预火真 r a p p 模型，可以认为其a m ，p m 失真模块的输出恒为0 ，这样就保持了图3 4 形式 的统一，当然也不会影响预失真算法的通用性。 罐岩占匦圈| l 匝 立七高 堑斋m 司舟 幽3 5 通州l u t 白适应预火真算法的原理框幽 使用查询表( l o o ku pt a b l e ，简称l u t ) 能很好的修f 图3 4 所示h p a 对信 号的非线性失真。图3 5 是l u t 自适应预失真算法的原理框图，由基带复信号x 。 计算出功率虎，成经过最化得出l u t 的索引值z ： 厂2、 如果蠢 。，x = 如小笋，ki lr m a x 如果成。，x = 一1 ( 3 ，6 ) 其中，。代表p ：的理想功率上限值，o 代表一维索引值x 的区间数量， = 如f ( ) 代表不大于函数值的擐大整数。这样，一维索引值彳就变为落入 o ，1 ，三x 一2 ，三f 一1 的一个整数。 一维索引值确定后，查询l u t 输出该b 。对应的乘法预失真因子 卢= ae x p ( ，州，此时h p a 的输入信号变成： x 州= x 。+ 卢= 日。e x p ( j 只。) + 口e x p ( ，仃) = b 。+ a e x p ( ，( 鼠，+ 盯) ) ( 3 - 7 ) 经过反馈回路获得归一化的h p a 污染信号。后，利用l m s 算法分别对乘法 预失真因子卢的幅度口和相位盯进行刷新： eo = k 4p | h p 。 e 9 = 9 。一e 。| 口，+ l = 口，+ e p + p ( 3 培) ( 3 9 ) ( 3 1 0 ) q + l = q + + 鳓 ( 3 - l i ) 其中，e 。，岛分别代表期待的h p a 输出与实际h p a 输出幅度和相位的误差， 肛，和胁是幅度与相位的迭代步长，而实数k 则是我们期待的h p a 无失真放大倍 数，因为我们这罩讨论的是归一化的h p a 模型，所以取髟= 1 。 8 0 f d m 系统中的预必真技术研究 当步长。和胁选择恰当的时候，这种l m s 收敛方法能够保证h p a 通用模型 稳定到达收敛点，也就是说，这种自适应预失真方法能让包括三阶多项式模型 吲【、双曲f 切模型、g h o r b a n i 模型、r a p p 模型和s a l e h 模型在内的所有h p a 模 型获得线性化输出。不仅如此，实际上，只要h p a 模型满足输入输出曲线的单调 性，这种方法总能发挥作用。 我们利用式( 3 4 ) 、( 3 5 ) 描述的s a l e h 模型来验证这种通用预失真算法的效 果。此处仿真信号源为6 4 q a m o f d m 信号，使用2 0 4 8 个子载波进行调制，其中 1 7 0 5 个子载波传送有效信息，其余子载波为空载波以防止频谱混叠。 我们首先看到的是s a l e h 模型对信号的损坏仿真结果【2 5 j 。图3 6 为原始的 6 4 0 a m 星座图与失真后的星座图对比，可以明显看出，信号经过s a l e h 放大器后， a m a m 使星座点发生了扩散，内部点扩散在理想点的周围，外部点受到了压缩， 并且高幅度的星座点受到了最大的压缩。a m p m 失真使放大器的输出信号的相位 发生变化，使信号星座点发生了歪斜，歪斜程度取决于输入信号的幅度。幅度越 大，失真越厉害【矧。另外，从仿真结果中得出的误码率高达0 1 ，通信系统性能损 坏严重。 除了星座图以外，频谱泄漏也是衡量h p a 失真程度一个重要的标志，失真越 厉害，频谱泄漏也越严重，带内与带外的功率谱比值就越小【2 8 】。从图3 7 中可 以看出，放大器的非线性使信号的功率谱发生了扩展。输出功率回退o b o ( 0 u t p u t b a c k o f f ) 定义为功率放大器