（电磁场与微波技术专业论文）射频功率放大器的设计与数字预失真技术研究.pdf

nanjing university of aeronautics and astronautics the graduate school college of information science and technology design of rf power amplifier and re- search on digital predistortion a thesis in electromagnetic field and microwave technology by zhong-shan xie advised by assoc. prof. bing liu submitted in partial fulfillment of the requirements for the degree of master of engineering december, 2012 承 诺 书 本人声明所呈交的硕士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。 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， 也不包含为获得南京航空航天大学或其 他教育机构的学位或证书而使用过的材料。 本人授权南京航空航天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适用本承诺书） 作者签名： 日 期： 南京航空航天大学硕士学位论文 i 摘 要 随着无线通信技术的高速发展和人们对高功率效率和高频谱利用率的追求，高效率的射频 功率放大器和线性调制技术得到了广泛应用。非恒包络调制方式的使用使得射频放大器通常需 要采用功率回退的方法来达到系统线性的要求，但是为了提高功率放大器的效率，又要求其工 作在饱和状态，这必然就会带来严重的非线性。非线性不仅会在信号带宽内造成失真，还会导 致信号带宽之外的频谱再生或扩展，对邻近信道造成干扰。 为了使功率放大器保持高效率、高线性度工作，通常采用线性化的方法来实现。在众多线 性化技术中，数字预失真以其稳定、高效、带宽较宽与自适应等优势成为了所有线性化技术中 性价比最高的一种。研究数字预失真系统，需要对功率放大器的非线性特性及其记忆效应有非 常深入的理解，并构建准确的功率放大器行为模型。本文主要针对功率放大器设计及其非线性 特性、记忆效应、行为模型和数字预失真系统进行研究，主要内容包括以下几点： 1、 介绍了功率放大器的基本理论，分析了功率放大器的非线性特性及其影响，并分析记 忆效应的产生及其对预失真系统产生的影响； 2、 设计了一款应用于gsm频段的ab类功率放大器并进行了加工测试； 3、 使用ads软件，基于一款ab类功放设计了doherty功率放大器并进行仿真验证； 4、 详细介绍了用于模拟功率放大器的各种模型及常用线性化方法，并提出了一种基于系 统阶数和记忆深度修正函数的改进volterra模型，搭建了基于matlab编程语言和测试仪 器的仿真实验平台， 并对基于所建模型采用数字预失真技术对一款doherty功率放大器 进行了线性化。 关键词：关键词：功率放大器，非线性，记忆效应，行为模型，线性化，数字预失真 射频功率放大器的设计与数字预失真技术研究 ii abstract with the rapid development of wireless communication, linear modulation techniques and high-efficiency rf power amplifiers are widely used to make more efficient use of frequency spec- trum and achieve greater efficiency. rf amplifiers usually use power back-off to achieve the systems linearity requirement under non-constant envelope modulation. however, in order to improve output power and efficiency of power amplifier (pa), pa always works in saturated state, which will produc- es nonlinear distortions. the nonlinearity causes distortions within the signal bandwidth, which de- creases the bit error rate at the receiver. it also creates spectral growth beyond the signal bandwidth, which interferes with adjacent channels. for achieving high linear and reasonably efficient power amplifier, we always use linearization techniques in general. in the all linearization techniques, digital predistortion (dpd) is the most effec- tive way for its advantages of stability, high efficiency, wide-bandwidth and adaptive. to study digital predistortion system, it is required to understand the nonlinear characteristics and memory effects of pa, and to build exact behavioral model of power amplifier. in this paper, following contents are dis- cussed and studied, including nonlinear characteristic and distortion of power amplifier, memory ef- fect and cancellation of power amplifier, pa behavioral model and digital predistortion system. ac- cordingly the research works are as follows: 1. introduce the basic theory of power amplifier and analyzes the nonlinear characteristics and its influence, also analysis the memory effect and the influence of predistortion system. 2. designed a class ab power amplifier applied in gsm frequency and test the pa. 3. designed a doherty power amplifier based on a class ab pa with ads. 4. introduce the models and linearization methods of power amplifier, proposed a new pruned volterra model based on memory and nonlinearity function for power amplifier. built ex- periment platform with matlab and instrument, linearized a doherty power amplifier with digital predisitortion based on the proposed model. keywords: power amplifier, nonlinearity, memory effect, behavioral model, linearity, digital predistortion 南京航空航天大学硕士学位论文 iii 目 录 第一章 绪论 . 1 1.1 研究背景 . 1 1.2 射频功率放大器和预失真技术发展现状 . 2 1.2.1 射频功率放大器的发展现状 . 2 1.2.2 预失真技术的发展现状 . 3 1.3 本文的主要研究内容 . 4 第二章 功率放大器的基本理论 . 5 2.1 功率放大器的类型 . 5 2.2 功率放大器性能参数的分析 . 6 2.3 功率放大器的记忆效应 . 9 2.3.1 电记忆效应 . 9 2.3.2 热记忆效应 . 10 2.4 本章小结 . 10 第三章 功率放大器的电路设计 . 11 3.1 功率放大器的设计流程和设计指标 . 11 3.1.1 设计流程. 11 3.1.2 设计指标. 11 3.3 负载牵引设计方法 . 11 3.4 功率放大器的仿真设计 . 12 3.4.1 静态工作点的确定 . 12 3.4.2 偏置和稳定性分析 . 12 3.4.3 匹配电路的设计 . 13 3.4.4 谐波平衡仿真 . 16 3.5 功率放大器的 pcb 制版 . 16 3.6 功率放大器的测试 . 17 3.7 本章小结 . 18 第四章 doherty 功率放大器的设计. 19 4.1 doherty 功率放大器的原理. 19 4.1.1 有源负载牵引原理 . 20 射频功率放大器的设计与数字预失真技术研究 iv 4.1.2 doherty 功率放大器有源负载牵引原理 . 20 4.1.3 doherty 功率放大器工作状态分析 . 23 4.2 doherty 功率放大器的仿真设计 . 24 4.4 本章小结 . 26 第五章 功率放大器的行为模型 . 27 5.1 行为模型的种类. 27 5.2 行为模型的数学描述 . 27 5.2.1 saleh 模型 . 27 5.2.2 wiener 模型 . 28 5.2.3 hammerstein 模型 . 29 5.2.4 wiener-hammerstein 模型 . 29 5.2.5 volterra 模型 . 30 5.2.6 记忆多项式模型 . 31 5.2.7 神经网络模型 . 31 5.3 基于 volterra 模型的改进模型 . 32 5.3.1 行为模型识别准则 . 33 5.3.2 基于系统阶数和记忆深度修正函数的改进模型 . 33 5.4 本章小结 . 36 第六章 功放数字预失真系统及其仿真实现 . 37 6.1 功率放大器的线性化技术 . 37 6.1.1 负反馈技术 . 37 6.1.2 前馈技术. 38 6.1.3 包络消除与恢复技术 . 39 6.1.4 非线性器件的线性放大技术 . 39 6.1.5 预失真技术 . 40 6.2 数字预失真系统的实现 . 41 6.3 本章小结 . 43 第七章 总结与展望 . 45 7.1 本文的创新性和贡献 . 45 7.2 下一步工作与展望 . 45 参考文献 . 47 致谢 . 53 南京航空航天大学硕士学位论文 v 在校期间的研究成果及发表的学术论文 . 54 射频功率放大器的设计与数字预失真技术研究 vi 图表清单 图 2. 1 功率放大器的不同类型 . 5 图 2. 2 1db 功率压缩点示意图 . 7 图 2. 3 交调失真示意图 . 8 图 2. 4 邻道功率定义示意图 . 9 图 3. 1 mw6s010n 的直流扫描特性 . 12 图 3. 2 稳定性仿真结果 . 13 图 3. 3 load-pull 仿真结果 . 14 图 3. 4 source-pull 仿真结果 . 14 图 3. 5 输出匹配 smith 圆图 . 15 图 3. 6 输出匹配电路 . 15 图 3. 7 输入匹配 smith 圆图 . 15 图 3. 8 输入匹配电路 . 16 图 3. 9 特性曲线图. 16 图 3. 10 pcb 版图 . 17 图 3. 11 功率放大器实物图 . 17 图 3. 12 性能测试结果 . 18 图 4. 1 doherty 功率放大器原理框图 . 19 图 4. 2 有源负载牵引原理图 . 20 图 4. 3 doherty 功率放大器有源负载牵引示意图 . 20 图 4. 4 doherty 功率放大器输入输出功率图 . 22 图 4. 5 doherty 功率放大器电流电压特性曲线 . 23 图 4. 6 doherty 功率放大器原理框图 . 23 图 4. 7 功率管直流特性分析 . 25 图 4. 8 doherty 功率放大器的增益和输出效率 . 25 图 4. 9 doherty 和平衡放大器的 pae 对比 . 26 图 4. 10 doherty 和平衡放大器的 imd3 系数对比 . 26 图 5. 1 wiener 模型 . 28 图 5. 2 hammerstein 模型 . 29 南京航空航天大学硕士学位论文 vii 图 5. 3 wiener-hammerstein 模型 . 29 图 5. 4 单位延迟抽头的多项式模型 . 31 图 5. 5 rbfnn 模型方框图 . 32 图 5. 6 不同值得对比 . 35 图 5. 7 模型输出和误差频谱 . 36 图 6. 1 负反馈技术原理框图 . 37 图 6. 2 前馈技术原理图 . 38 图 6. 3 ee taijun liu. a novel analog broadband rf predistortion circuit to linearize electro-absorption modulators in multiband ofdm radio-over-fiber systems. ieee transactions on microwave theory and techniques, 2010, 58(11): 3327-3335. 33 j. pochmara, r. mierzwiak, k. werner. a combined adaptive predistortion scheme with input back-off. mixed design of integrated circuits & systems, 2009. mixdes 09. mixdes-16th international conference, 2009, 3(22):583-587. 34 kathleen j. muhonen, mohsen kavehrad, rajeev krishnamoorthy. look-up table techniques for adaptive digital predistortion: a development and comparison. ieee transactions on vehic- ular technology, 2000, 49(5): 1995-2002. 35 b. d. laki, c. j. kikkert. adaptive digital predistortion for wideband high crest factor appli- cations based on the wacp optimization objective: a conceptual overview. ieee transactions on broadcasting, 2012, 58(4): 609-618. 36 hu g su gw l ws igit pr ist rti usi g qu r tur u ti with f st adaptation for wlan power amplifiers. microwave symposium digest (mtt), 2011 ieee 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