（电路与系统专业论文）20w线性预失真功率放大器的研究.pdf

摘要 摘要 在欧洲第三代移动通信( 3 g ) 已经融入人们的生活，在中国3 g 也已指日可 待。第三代移动通信系统要支持大量各种类型的业务，可在任何地方、任何时间 向任何人提供个人通信业务，就需要良好的网络结构支持。干线放大器、直放站 在网络优化中起着相当重要的作用。功率放大器作为干线放大器和直放站中的关 键部件，其性能对系统有较大影响。现代通信系统的信息传输技术正朝着多载波、 多电平、宽频带和高峰均比方向飞速发展，新的宽带数字传输技术( 如o f d m 、 w c d m a 等) 和高频谱效率的调制方式( 如q p s k 等) 正获得越来越广泛的应用。但 这些基于非恒定包络的高效的多载波多信道数字调制传输技术对于射频功率放大 器的线性度具有很高的要求，经过非线性射频功率放大器放大后会产生众多的互 调失真分量，从而导致功率放大器输出信号频谱的扩展，形成对邻近信道的干扰。 现代无线通信系统对于邻道干扰都有严格的限制，这就为功率放大器设计带来了 挑战。 本设计主要是针对w c d m a 通信系统中干线放大器、直放站的应用设计出 2 0 w 高线性功率放大器。论文首先介绍了在应用于w c d m a 下行链路信号放大情 况下影响功率放大器的线性度的指标参数以及线性指标的测量参数。详细分析了 射频功率放大器的非线性特性，简单介绍了回退、前馈、预失真等各种线性化技 术的基本原理。论文在参考国内外文献的基础上对记忆效应也作了相应的总结。 透过这些分析总结最终选择模拟预失真作为本设计的线性化手段。通过严格的预 失真模块方案论证、预失真器的器件选择和精心调试，设计实现了工作频率范围 在2 1 1 0 m h z 2 1 7 0 m h z 放大器的预失真模块部分、驱动级、主功放，最终实现了 结构简单、成本较低的模拟预失真系统，完成了对放大器的线性化。 关键字：线性化，预失真，w c d m a ，a c p r ，交调失真 a b s t r a c t t h et h i r dg e n e r a t i o nm o b i l ec o m m u n i c a t i o n ( 3 g ) h a sa l r e a d yi n t e g r a t e dw i t h p e o p l e sl i f ei ne u r o p e a n ，w h i c hi sa l s oj u s tb e e na r o u n dt h ec o m e ri nc h i n a t h em i r d g e n e r a t i o nm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e mw h i c hc o u l d s u p p o r tm a s s i v ed i f f e r e n t k i n d so fs e r v i c e s ，a n dp r o v i d ep e r s o n t o p e r s o nc o m m u n i c a t i o ns e r v i c et oa n y b o d y , i n a n yp l a c e ，a n yt i m en e e d sg o o dn e t w o r ka r c h i t e c t u r es u p p o r t t h et r u n ka m p l i f i e ra n d t h er e p e a t e ra r ev e r yi m p o r t a n ti no p t i m i z i n gt h en e t w o r k a st h ek e y p a r to ft h et r u n k a m p l i f i e ra n dr e p e a t e r , p o w e ra m p l i f i e rp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei nt h e s es y s t e m s i t s p e r f o r m a n c eh a sg r e a t l ya f f e c t so nt h es y s t e m t h ei n f o r m a t i o nt r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g y o fm o d e r nc o m m u n i c a t i o n s y s t e i i l i s d e v e l o p i n gr a p i d l yi n t h ed i r e c t i o no f m u l t i - c a r r i e r ，m u l t i l e v e l ，b r o a db a n da n dh i g hp e a k a v e r a g e - r a t i o ( p a r ) n e wb r o a d b a n dd i g i t a lt r a n s m i s s i o nt e c h n i q u e s ( s u c ha so f d m ， w c d m a ) a n dh i g hs p e c t r u m e f f i c i e n c ym o d u l a t i o nt e c h n i q u e s ( s u c ha sq p s k ) a r ee x t e n s i v eu s e d t h e s eh i 曲 e f f i c i e n tm u l t i c a r r i e r & m u l t i c h a n n e ld i g i t a lm o d u l a t i o nt r a n s m i s s i o nt e c h n i q u e s w h i c ha r eb a s e do n 1 0 1 1 一c o n s t a n te n v e l o p e ，r e q u e s th i g hl i n e a r i t yo fr a d i of r e q u e n c y p o w e ra m p l i f i e r s ( r fr a s ) w h e ns i g n a l i sa m p l i f i e db yr fp a s ，i n t e r m o d u l a t i o n d i s t o r t i o ni sg e n e r a t e d ，w h i c hr e s u l t si ns p e c t r a lr e g r o w t h ，t h e nl e a d st oa d ja c e n tc h a n n e l i n t e r f e r e n c e i nm o d e r nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，a d j a c e n tc h a n n e li n t e r f e r e n c e h a sg o ts t r i n g e n tr e s t r i c t i o n s ， s oi ti sc h a l l e n g et od e s i g n i n gp au s e di nm o d e r n c o m m u n i c a t i o ns y s t e m s t h em a i nj o bo ft h i sp r o j e c ti sd e v e l o p i n ga2 0 w h i g hl i n e a rp o w e ra m p l i f i e r w h i c hc o u l db eu s e di nt h et r u n ka m p l i f i e ra n dr e p e a t e rt h a tw o r k i n go nw c d m a c o m m u n i c a t i o ns y s t e m i nt h i sp a p e r ，w ef i r s ti n t r o d u c e dt h ep a r a m e t e r sw h i c hm a y a f f e c tt h el i n e a r i t yo fp o w e ra m p l i f i e rw h e nu s e di nt h ee n l a r g e m e n to fw c d m a d o w n l i n ks i g n a la sw e l la st h el i n e a r i t yp a r a m e t e r t h er e s p o n s eo fn o n l i n e a rr a d i o f r e q u e n c yp o w e ra m p l i f i e ra l s od i s c u s s e da sw e l la s t h ep r i n c i p l eo fl i n e a r i z a t i o n t e c h n o l o g ys u c ha sb a c ko f f , f e e d b a c k ，p r e d i s t o r t i o na n ds oo n t h es u m m a r yt ot h e m e m o r ye f f e c ti sm a d ei nt h i sp a p e rw i t hr e f e r r i n gt ot h ed o m e s t i ca n df o r e i g nl i t e r a t u r e w i t ht h e h e l po f t h e s ea n a l y s e sa n d s u m m a r i z e ，f i n a l l yw ec h o o s et h ea n a l o g i i a a s r r a c l p r e d i s t o r t i o na st h el i n e a r i z a t i o nm e t h o do ft h i sd e s i g n t h r o u g ht h es t r i c tp r e d i s t o r t i o n m o d u l ep r o j e c tc o n c e p td e m o n s t r a t i o n ，t h ep r e d i s t o r t i o nc o m p o n e n tc h o i c ea n dt h e c a r e f u ld e b u g g i n g ，w ef i n i s h e dt h ed e s i g no ft h ep r e d i s t o r t e r , t h ed r i v e ra n dt h em a i n p o w e ra m p l i f i e rw h i c hw o r k i n go n2 110 m h z 一217 0 m h z t h ep r e d i s t o r t i o ns y s t e ma l s o f i n i s h e df i n a l l yw i t hs i m p l ys t r u c t u r e ，l o wc o s tw h i c ht h el i n e a r i t yo fp o w e ra m p l i f y i n g i si m p r o v e d k e yw o r d s ：l i n e a r i z a t i o n ，a n a l o gp r e d i s t o r t i o n ，w c d m a ，a c p r ，i n t e r m o d u l a t i o n d i s t o r t i o n 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。 躲寺垃吼瑚年y 月厢 关于论文使用授权的说明 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：聊繇龇导师签名：型鱼垡墨 日期：乎年j 月2 夕日 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 截至2 0 0 7 年6 月底，全球移动用户即将达到3 0 亿，当年新增用户约5 6 4 亿， 增长速度达2 3 1 5 。无线移动通信已经进入规模化发展的道路，并已成为信息产 业中最耀眼的新星。国际上通常将2 0 世纪7 0 年代末出现的模拟蜂窝网、低速无 线寻呼、模拟无绳电话及模拟集群系统等称为第一代移动通信系统，而将2 0 世纪 8 0 年代末和9 0 年代初开发的数字蜂窝网、高速无线寻呼、数字无绳电话和数字集 群系统称为第二代移动通信系统。1 1 r u 在1 9 8 5 年就提出了第三代移动通信( 3 g ) 的 概念，当时称为未来公共陆地移动通信系统。1 9 9 6 年，由于i t u 预期该系统在2 0 0 2 年左右投入商用，而且该系统的一期主频段位于2 g h z 频段附近，故i t u 正式将 其命名为i m t - 2 0 0 0 ，即第三代移动通信系统( 3 g ) ，在欧洲称为通用移动通信系统川。 第三代移动通信系统的目的是支持大量各种类型的业务，如语音业务、8 k b i t s 的 低速数据业务到3 8 4 k b i t s 以及2 0 4 8 m b i t s 的高速数据业务，系统支持电路交换和 分组交换，可工作在城市、乡村、丘陵和山区环境，可在任何地方、任何时间向 任何人提供个人通信业务。 对于数据传输速率要求不高的第一、第二代移动通信系统，基于恒定包络调 制技术基本上就能满足要求。第一代移动通信系统采用模拟制式，无线传输中的 信号调制方式是恒定包络的，包括第二代移动通信主要技术中之一的g s m ，采用 的的调制方式为g m s k ，也是具有恒定包络的调制信号，在此之前几乎所有的地 面移动无线通信系统都是基于恒定包络调制技术，恒定包络调制技术的一个优点 在于这类信号对功率放大器线性度的要求不是那么苛刻，它在发射机上最终的射 频信号对功率放大器的线性度不需要有很高要求，因此功率放大器能够工作在它 效率较高的临近饱和区，此时射频功率放大器有着较高的工作效率。然而，恒定 包络调制技术的最大缺陷，就是其频带资源的利用效率低。频率这种宝贵的无线 电资源就像石油一样具有不可再生性，并且随着人们对移动通信技术的迅猛需求， 其稀缺性也日益凸显。为了改变这种局面，o f d m 、w c d m a 等新的宽带数字传 输技术和q p s k 、b p s k 、q a m 等新的调制方式得以被开发，以求达到更高的频谱 利用密度和更广泛的信道空间分配【2 】。这些高效的数字调制传输技术几乎都是基于 电子科技人学硕士学位论文 非恒定包络的。 w c d m a 作为第三代移动通信的四大标准之一，其上下行调制方式分别是 b p s k 和q p s k ，这种数字调制产生的信号波形就是非恒定包络的调相信号。在实 际的应用中，为了充分利用频谱资源，增加用户容量，还会采用多载频技术，传 统的多载频基站的架构是每一个频率都使用单独的发射机，但是这是以增加系统 的复杂性和成本为代价的【3 i 。一种更佳的做法是在低功率的时候便合成信号，最后 用一个功率放大器来放大，随着载波的增加和非恒包络调制方式的使用，信号的 峰均比提高了，信号带宽也增加了，随之而来的问题是带外辐射的增加，造成对 邻道干扰增加。出现这种情况的主要原因是在许多无线通信系统中，为提供足够 高的输出功率和实现最大输出，功率放大器常常工作在非线性区甚至工作在饱和 区的附近，此时功率放大器呈现出很强的非线性特性。在现有及未来移动通信系 统中，对邻信道干扰的要求是非常严格的要求。通常要求基站功率放大器输出的 己调信号在邻信道的辐射功率带外发射功率与所需功率之比应小于4 5 d b c t 4 1 。 为了满足这个要求通常让放大器工作在a 类或a b 类状态并采用功率回退法 来减少互调失真分量的产生，这样做的缺点是对功率放大器的饱和功率要求很高， 并且将大大地浪费功率放大器的功率容量，降低功率放大器的使用效率，例如一 个接近饱和应用的功放，其典型三阶交调失真系数近似为2 0 d b c 或者更差，如果 从压缩点回退1 0 d b ( 假设此时的峰均比是1 0 d b ) ，即减小至十分之一输出功率时， 其互调失真可以改善二十几个分贝。但这种功率放大器线性的改善是以大大降低 系统的效率( 理论上a 功率放大器的效率为5 0 ，当回退1 0 d b 时效率约为1 4 ) 和增加系统的成本为代价的。另外，当功率回退到一定程度，即i m d 3 达到4 0 d b c 以下时，继续回退将不再改善放大器的线性度。因此，在线性度要求很高的场合， 完全靠功率回退是不够的【5 】。这种以效率换线性的方法在移动终端等很多应用场合 中也是不可取的，在第三代及第四代无线移动通信系统中功率放大器是终端设备 上功耗最大的部分，受到手机终端电池电量的这一限制，功率放大器就必须要有 很高的功率效率。为解决上述这些矛盾，要求功率放大器除具有良好的线性性能 外还必须要有很高的效率，这样就对功率放大器提出了线性化处理的需求。近年 来国外大的通信公司与研究单位和高校都积极投入研究，并且有各种线性化技术 及产品的成功实现，国内中兴通讯! 华为等大型通信设备提供商也在积极丌展这方 面的研究工作并取得不少成果，但目前线性化技术的发展还远远达不到无线通信 对其不断提出的更高的需求。 2 第一章绪论 1 2 线性功率放大器的现状与发展趋势 功率放大器线性化技术研究可追溯到上世纪二十年代。1 9 2 8 年贝尔实验室的 美国人h a r o l d s b l a c k 发明了前馈和负反馈技术并用于p a 的设计，成功地减少了 放大器的失真。从概念上讲，线性化技术就是用附加的电路来消除i m d 。但须指 出的是：线性化技术不会增加放大器内在的功率能力，仅能给出更“硬”的饱和 特性，一旦放大器达到饱和点后，线性化技术也是无效的。多数情况下，采用线 性化技术的p a 仍要从压缩点回退【5 1 _ 1 【7 1 。 随着移动通信技术的发展，到上世纪八十年代r f 功率放大器线性化技术飞速 发展，人们相继提出了一系列p a 线性化技术，前馈、反馈、预失真、使用非线性 器件的线性放大( l i n c c a l l u m ) 和包络对消和恢复( e e r ) 等技术都得到深入的 研究和探讨。 负反馈【6 】1 9 1 法由于基于反馈原理，受反馈网络延迟的限制，带宽有限，这种技 术使得放大器带宽很窄，不适合宽频带放大。若相位控制不好，容易产生正反馈 而引起不稳定，因此稳定性问题是其主要缺点。当系统频率较高时，必须减小环 路增益，否则系统的稳定性则很难保证，但减小环路增益又影响到失真的抑制。 前馈【6 】1 【7 1 i i 昨1 【1 1 1 法需要两套完全相同的放大器和延时线，其误差信号不是在同一 个环路中抵消掉，而是在一个辅助环路中将失真信号抵消掉。因此，整个系统结 构复杂、增益、相位调整困难、硬件实现成本高。前馈法在温度、电源电压、工 作频率等周围环境变化时，电路的参数变化不可能完全一致，从而使放大器的线 性度变坏，影响放大器的性能，因此其稳定性不好。 e e & r t l 2 i 法优点在于它可以让射频功放总是工作在比较高效的开关模式状态， 在输出功率很宽的范围内都有比较高的功率效率，但由于存在调制的精确度和性 能随时间和温度的变化问题，并且限幅器的非理想性和调制器的一转换等因素都 将影响放大器输出的失真产物，有时会产生附加的高阶产物。e e & r 在现代数字无 线通信中的应用研究还处于初级阶段。 l i n c t l 3 j 法的信号分离技术早期在射频频段用模拟技术实现，但硬件的复杂性 和高代价阻碍了该技术的发展和应用。d s p 技术的发展使得信号分离完全可以采 用d s p 设备用软件实现，但技术对两条路径上的增益和相位差异极其敏感，增益 和相位匹配的任何误差都会导致失真信号的不完全消除，严重影响系统的线性性 能。增益和相位匹配的困难使得技术至今还很少应用。 预失真f 6 h 7 1 【1 4 】- 【1 6 j 法顾名思义采用预先失真的方法，对后面的失真进行抵消，这 电子科技人学硕士学位论文 种方法的难点在于预失真信号的产生。目前分类主要有数字基带预失真、射频预 失真、数字模拟混合预失真。预失真法明显的特点是电路结构简单。 1 3 选题依据及论文内容安排 预失真法在功率放大器的线性化中是成本较低的一种选择，其最主要的优点 是预失真的频带较宽，电路相对比较简单。通过简单的预失真电路，使功率放大 器输出功率提高，从而提高通信系统的信息处理能力及微波电视发射机系统的发 射能力，带来更大的经济效益。结合本课题来源于电子科技大学与四川某企业集 团的合作项目，具体工作是针对扩大w c d m a 下行信号覆盖范围，设计可用在 w c d m a 干线放大器和直放站系统中的2 0 w 线性功率放大器这一实际情况，决定 采用模拟预失真作为本次设计的主要线性化方案。根据3 g p p 标准( t s 2 5 1 0 4 ) ， 将以如下技术指标作为本设计的研究方向： 频率范围： 2 1 1 0m h z 2 1 7 0 m h z 输出平均功率：4 3 d b m 三阶交调抑制： 4 5 d b c 邻道功率比： 5 0 d b c a ：5 m h z 一5 9 d b c a ：10 m h z 幅度矢量误差： 1 2 5 峰值码域误差： 4 5 d b 本文的研究工作主要围绕预失真射频功率放大器的理论研究。其中， 第一章绪论首先介绍了无线通信的发展趋势及本论文的研究背景，说明了功率 放大器线性化技术的研究在目前以及未来无线通信系统中的必要性； 第二章简述了微波功率放大器在w c d m a 系统应用中非线性指标并介绍了 各种常用线性化技术的基本原理； 第三章介绍了功率放大器的非线性模型及常用分析方法； 第四章叙述了运用预失真技术设计应用于w c d m a 直放站的模拟预失真功率 放大器的方案设计和仿真验证过程。 第五章详细介绍了模拟预失真功率放大器的调试并给出了本设计的测试结果 和数据分析。 第六章总结与展望，对本文所做的主要研究工作作了的概括性总结，并对下 步具体研究工作进行了简单说明 4 第二章功率放大器的线性化技术简介 第二章功率放大器的线性化技术简介 2 1w c d m a 系统中功率放大器的主要线性指标 功率放大器是射频微波器件中重要的一员，在发射机中更是扮演着主要的角 色。功率放大器的技术指标主要包括工作频带、增益、驻波比、噪声、效率和线 性度。工作频带、增益、驻波比、噪声、效率这些都是较为常见的技术指标，在 这里就不作详细阐述。随着线性调制技术的发展，对功率放大器的线性度要求也 越来越高。线性度这一指标已经上升为功率放大器的主要指标之一。在w c d m a 系统中，对线性度的要求主要是通过以下几个指标来体现，临近信道干扰率 ( a d j a c m a t c h a n n e l p o w e r l e a k a g er a t i o a c p r ) 、峰均功率k 匕( p a p r 或p a r ) 、互补累 计分布函数1 1 8 1 1 1 9 i ( c c d f ) 、误差矢量幅度( e v m ) 、峰值码域误差( p c d e ) 。在 w c d m a 直放站设计中，线形度主要通过a c p r 来衡量。以下将对和线形度有关 的参数作一一介绍。 2 1 1 临近信道干扰率a c p r ( a d j a c e n tc h a n n e lp o w e rr a t i o ) 射频信号非线性的程度由带外辐射电平决定，各种无线通信协议都对频谱再 生做出了严格规定，通常用a c p r ( a d j a c e n tc h a n n e lp o w e rl e a k a g er a t i o 有时也用 a c l r ) 来表示。它的含义是：泄漏到相邻信道的总功率与主信道的总功率的对数 比值，它是衡量c d m a 放大器线性性能的一项重要指标。在3 g p p 规定的w c d m a 的f d d 标准中，也使用a c l r 度量相邻信道功率的大小。定义为用滚降因子q = 0 2 2 的根升余弦滤波器在偏离载波中心频率5 m h z 滤得的功率与在主信道处滤得 的功率之比，它描述了由于发射机功放非线性造成的失真大小。a c l r 对于 w c d m a 发射机来说是至关重要的，因为w c d m a 技术采用随机包络的宽带信道， 其调制在调制载波中产生紧密相邻的频谱成分，这些成分的互调导致中心载波两 侧频谱的再生，发射机的非线性将使这些频谱再生成分进入相邻信道。根据 3 g p p 2 5 1 0 4 规范，a c p r 要求低于4 5 d b c 5 m h z 。在多信道通信系统中功率放 大器产生的非线性信号对临近信道干扰与三阶交调系数有密切的关系，a c p r 可由 i m d 推算出【6 】，公式如下： 电子科技人学硕+ 学位论文 式( 2 1 ) 中： 彳吼= 肋m 。n 3 百) 仁。， 2，l一3，122nmod(n2)a= + 上 2 48 ( 2 2 ) n 为信道个数，m o d ( ) 是取余函数。 曰：n 2 - m o d ( n 2 ) 4 2 1 2 峰均功率比( p a p r 或p a r ) 巴 脯“删i 出肌 j i 圳 蕊矧五汛蛐川蝴山 | l i 川t l 州i i” 艄叫哪- 1 岬 ，n ll l ( 2 3 ) w c d m a 下行信号时域图如图2 1 所示。从图中可以看出，与g s m 以及f m 等调制信号不同，该信号的包络不再是恒定的，峰均l t 定义为信号峰值功率与平 均功率的比值，如下： 删一嘶伴p 旧 z ) = l 一尸( p a p r z ) ( 2 1 3 ) 式中，z 表示某一给定的p a p r 门限值，p 【) 表示求概率运算。 4 0 0 0 0 0 0 0 0 06 h z 1 9 。1 4 曲 f 啪嘲熙勰p 魁船强i l t 瑚 图2 2 削峰后的单载波w c d m a 信号c c d f 图 由此可以看出，信号峰均功率比的c c d f 表示一个数据块的峰均功率比超过 某一给定p a p r 门限值的概率大小。考虑一个单载波，在测试模式1 下，有6 4 个 用户信道的w c d m a 信号的c c d f ，如图2 - 4 所示。图中表明一个实际信号的p a p r 取值跨越了一个较宽的范围，这依赖于所感兴趣的峰值功率出现的概率。通常主 要关注峰值功率出现的概率为1 0 4 的概率值，因为当峰值功率出现的概率低于该值 时，峰值功率出现的情况对放大器的实际交调失真特性或波形质量参数退化产生 更少的影响。这种情况中，选择能够处理p a p r 为8 5 d b 的功率放大器已经足够。 在最差的情况下，则需要选择能够处理p a p r 为9 1 d b 的功率放大器。 第二章功率放人器的线性化技术简介 多载波w c d m a 信号的实际c c d f 依赖于潜在的单个载波信号的特性，表2 一l 表明了一个三载波w c d m a 信号的p a p r 对信号参数的依赖性。测试结果使用 r & sw i n i q s i m 信号源测试得到。选择不同的编码方式和功率电平将会导致信号 在概率l o 一为时的p a p r 不同。 表2 - 1 三载波w c d m a 信号，3 2 个信道 d p c hc o d en u m b e ro fc a r r i e rt i m e s o m n b l i n g p a p ra t l o s e l e c t i o nc h a n n e l s s h i f v s a m p l e s c o d e p r o b t m l3 2o 51 2 1 0 2 4o l 2 9 8 t m 33 2o 51 2 1 0 2 4o i 21 0 6 m i n p a r3 20 5 1 2 1 0 2 4o l 2 9 5 m a x p a r3 2珏s1 2 1 0 2 4o l 21 6 3 由于w c d m a 信号是一种具有伪噪声统计特性的带限信号，因此采用c c d f 曲线可以准确反映出w c d m a 信号的时域幅度概率分布特征，较之常用的最大峰 均功率比，更全面地反映了在一定时间内的w c d m a 信号包络变化情况。 2 1 4 误差矢量幅度( e v m ) 在恒包络调制方案中如g m s k ，相位误差和频率误差用来表示调制质量，但 对于w c d m a 非衡包络调制模式下，还有幅度的误差。因此调制质量要求考虑相 位误差，频率误差，还要考虑幅度误差，要用矢量幅度误差e v m ( e r r o rv e c t o r m a g n i t u d e ) 表示，在宽带码分多址系统中，基站发射的下行信号被设计为满足3 g p p 标准中所规定的指标。时域中的理想调制信号和实际发送信号之间的差别则是通 过测量误差矢量幅度( e v m ) 得到的。 在数字调制和解调后的情况下，符号问干扰的快速和定性描述可以通过观察 i q 眼图实现。一个偏离最初位置的符号点正好在放大级后经由眼图孔径缩小( 例 如误码率的增加) 而被传输，失真能够通过误差矢量幅度描述和表达。 e v m ( r m s ) = 专荟 t - s 蛔，) 2 ， 专砉s 2 1 0 0 ( 2 1 4 ) 式中，s 舡胁，表示i q 星座图的第k 个理想符号；s h 阳，表示i q 星座图的第k 个实 际符号；表示i - q 星座图必要的符号个数。用百分比形式表示的e v m 如图2 - 3 所示，通常用于刻画来源于传输过程中的附加噪声。但是对于有关的应用来说， 9 电子科技大学硕士学位论文 这个规范可以用在包括由于功率放大器增益改变和相位波动引起的符号变化方面 的描述。使用瞬时包络仿真，可以完成e v m 的测试。 图2 3e v m 示意图 仅仅当完成了i m 3 和a c p r 线性度规范，从节省时间的设计观点出发，使用瞬时 包络算法的e v m 计算可以简化为一种准静态方式的单音仿真，对于不同的功率电 平，使用谐波平衡分析。理想符号和实际符号之间的差别能够分解为两步( o n 图2 3 所示) ：第一步表达放大器增益的变化，第二步表达放大器相位的变化。它们可以 通过如下等式表示： a t = i 1 一c o s ( 伊) 】一a g c o s 一缈) 一q s i n ( 缈) i ( 2 1 5 ) i q i = l q 【l c o s ( 妒) 】一a g s i n 一伊) 一i s i n ( 伊) l ( 2 - 1 6 ) 当妒20 ，g = 0 时，世= q = 0 。当缈和a o ；戚d 、时，e v m 也随之减小。上 述关系表明增益波动a g 比相位波动妒对和a q 的影响更大。相位偏离和增益 差异必须尽可能的小以保持最好的线性度瞄l 。 测试时需要知道参考信号，根据测试信号才能得到e v m 。测试e v m 时，除 了测试实际的信号矢量，还要解调出正确的数据，得到参考信号矢量，两者相减 得到e v m 。因此信号分析仪在解不出信号的情况下，e v m 是测不出来的，或者 信号很弱，解调有误码的情况下，e v m 测试结果是不可靠的。影响输出信号e v m 指标的因素很多，主要有带内波动、i q 幅度相位不平衡、相位噪声以及本振泄漏 等等1 2 3 1 。 2 1 5 、峰值码域误差( p c d e ) 如前所述，时域中的理想调制信号和实际发送信号之间的差别是通过误差矢 量幅度( e v m ) 测量的。时域误差信号被映射到码域，码域中的最大误差则是通过峰 值码域误差测量得到。峰值码域误差是指码域中误差矢量的最大值。其中，码域 l o 第二章功率放火器的线性化技术简介 矢量误差是指一个码字信号的平均功率与码域中除该码字之外的其余码字信号的 平均功率之比。在文献【2 0 】中对p c d e 作了数学分析，大致介绍如下：在w c d m a 系统中，基站为不同的用户接收和发送基带信号。对于第k 个用户，信号表示为： d k ( 加) = 仇如hm ) r 2 1 7 、 式中，吼是数据波形，q 是扩展波形。假设采用q p s k 调制方式，则符号钆具有 恒定的幅度。合成的基带信号可以表示为： f j = 口t d 女 k = l 式中，k 表示码字个数，口t 表示与码道k 的功率成比例的权系数。 它非线性原因，噪声e 被附加到发射机中。发射信号s7 可以表示为： s = s + e ( 2 1 8 ) 由于截断和其 ( 2 1 9 ) 一删d 制 亿2 式中，p 姒是信号e 的分解形式，代码k 被用在这种分解操作中。当码字个数足够 大时，根据中心极限定理，信号s 呈正态分布。同时，e v m 和p c d e 之间的关系 可以表示为： p 伽= 1 0 l 。( 去删2 ) 协2 。， 在w c d m a 一致性测试中，当用到具体的测试信号时，e v m 和p c d e 的测试在 一些情况下是受到限制的。 2 2 常用功率放大器的线性化技术 线性化技术，即采用适当的外围电路，对放大器的非线性特性进行线性化纠 正，从而在电路整体上呈现对输入信号的线性放大效果。对放大器进行线性化的 方法很多，而主要的方法有回退法、前馈法、法包络消除与恢复法( e e & r ) 、非 线性器件的线性放大法( l i n c ) 和预失真法等。本节前面部分主要针对负反馈法、 前馈法、e e & r 法、l i n c 法等线性化技术作概述性介绍，最后部分对于预失真技 术作了比较详细的阐述。 电子科技火学硕士学位论文 2 2 1 功率回退法( b a c k o f r ) 功率回退法就是限制功率管的实际输出功率让其工作在额定输出功率以下。 功率回退法的理论依据可以参考泰勒级数法，从后面的泰勒级数法分析很容易可 以看出：当输出功率在l d b 压缩点附近功率每回退l d b ，三阶交调系数将降低2 d b 。 按照此理论假设一个l d b 压缩点输出功率l o 瓦的功率放大器，对应的三阶交调系 数为- - 2 0 d b ，若限制输入功率，使其输出功率仅为l 瓦，则三阶交调系数变为4 0 d b 。 功率回退法是一种最简单、最可靠的线性化措施，但它限制了功率放大器器件的 实际应用功率，当需要高功率输出，用单管不能达到要求的功率，还将增加放大 器的成本：另一方面一般来说放大器工作在饱和或接近饱和状态时效率最高，理论 上a 类功率放大器的效率为5 0 ，实际应用中当输出功率回退1 0 d b 时效率大概 为1 4 ，这对于移动通信来说是不可以接受的。 2 2 2 前馈法 前馈法的原理框图如图2 4 所示。前馈法的原理框图其工作原理如下：输入信 号经耦合器分成两路，一路进入主功率放大器，由于其非线性失真，输出端除了 有放大的主频信号外，还有三阶互调干扰。从主功放的输出中耦合一部分信号经 相位和幅度调节后与另一路经过t 1 延时的输入信号在合成器中合成，由于输入合 成器的两路信号的主信号相位相反使主频信号基本抵消，只剩下反相的三阶互调 分量。三阶互调分量经辅助放大器放大后与经t 2 延时后的主功放输出信号在耦合 器叠加，抵消主功放的三阶互调干扰，从而得到线性放大信号，r f 前馈技术使 功放的三阶互调改善2 0 d b 左右。前馈法实现线性化的关键在于对环路信号的幅度 和相位的精确控制。环路中信号的幅度和相位匹配程度决定了最终的失真信号对 消程度。 图2 _ 4 前馈法的原理框图 1 2 第二章功率放大器的线性化技术简介 2 2 3l i n c 法 l i n c 线性化技术的基本思想是：信号分量分离器将输入信号分解成两个幅度 恒定已知且相等的分量，由于两个分量幅度已知且相等，非线性功率放大器的幅 度增益和相移也已知且相等，所以经过非线性功率放大器的两个分量只需要进行 必要的相移校正后合并就可以得到无失真信号。其原理框图如下： 信 号 分 量 分 暑 图2 5l i n c 法的原理框图 i r n a n q ns ( t ) = a ( t ) c o s ( 2 u f i + 臼( t ) ) ，我们令a m 为输入信号s ( f ) 分解后 两个等幅矢量的幅度值，则经过信号分离器的两路信号s l ( f ) 和s 2 ( f ) 可以分别表 示为： s l ( t ) = a m c o s ( 2 t f + o ( t ) + a ( t ) ) ( 2 2 2 ) s 2 ( t ) = a m e o s ( 2 r t f + o ( t ) 一a f t ) ) ( 2 2 3 ) 此时我们可以通过令口( ，) = a r c e o s ( a ( t ) a m ) 而使。从上面的分析可以看出，要从输 入信号中分离出s l ( t ) 刁x f ls 2 ( t ) 信号是比较困难的。l i n c 技术对两条路径上信号 幅度和相位的不平衡十分敏感，这种不平衡会使邻道干扰增加，所以要求两条路 径中的信号尽量一致，这要求两个功率放大器支路要基本相同，这并不容易做到， 实现起来难度较大。 2 2 4e e & r 法 e e & r 法的英文缩写是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 ，即包络消除与恢 复法。这种技术最早由k a h n 提出。其基本原理图如下图2 - 6 所示。 图2 - 6 e e & r 法的原理框图 输i 电子科技人学硕+ 学位论文 该方法基本思想是下支路主要是采用一个限幅器，把输入的射频信号进行限幅， 使之成为恒定包络的信号，再对这恒定包络的信号进行放大。由于下支路是对恒定 包络信号进行放大，在这里就可以采用高效率的开关模式放大器，并且放大的线性 度比较高，也可以较好的保留相位信息。上支路采用包络检波器对输入的射频信号 进行包络检波，检波后输出的低频幅度信号的放大电压直接做为下支路开关功放的 电源驱动，这样就相当于用它增量调制射频相位信息，于是就将幅度信息和相位 信息重新有机的结合起来了，达到恢复并线性放大原来信号的目的。e e & r 的主要 优点在于它可以让射频功放总是工作在比较高效的开关模式状态，在输出功率很宽 的范围内都有比较高的功率效率。这一点对于在无线系统中有效的利用功率控制 是非常重要的，这是由于利用功率控制技术时，放大器往往会在比最大输出功率低 很多的状态下工作，例如技术中广泛采用的码分多址技术，本身是一个互干扰系统， 为了降低手机终端对其他用户的干扰，要利用功率控制技术来调整手机的发射功率， 这类情况下，在输出功率比较宽广的范围内都有很高的效率就显得尤其重要 了e e & r 的主要缺点在于存在调制的精确度和性能随时间和温度的变化问题，并且 限幅器的非理想性和调制器的一转换等因素都将影响放大器输出的失真产物，有时 会产生附加的高阶产物。e e & r 技术己经在高功率的和广播系统中使用，但是对于 现代数字无线通信应用，还处于研究阶段。最新发展是同负反馈技术相结合来增加 i m d 压缩量。 2 2 5 预失真法 预失真是补偿放大器非线性失真最好的方法之一。使用这种技术，在功率放 大器输入端采用反失真来抵消功率放大器的非线性失真。如果设计这种反失真特 性随放大器的工作点( 输出功率) 变化而变化，那么调节这种失真就可以补偿由 温度、电源电压、管子老化等引起工作点变化造成系统性能的下降。如图2 7 所示， 在放大器之前加了一个预失真器，需要放大的信号通过一个非线性系统( 其特性 是放大器特性的逆特性) ，如果这两个非线性互为逆，那么整个系统将是线性的。 目前，预失真技术包括模拟预失真、数字预失真和混合预失真三种方法。 1 模拟预失真技术 图2 7 预火真框图 1 4 第二章功率放人器的线性化技术简介 模拟预失真顾名思义预失真的信号是由模拟期间产生。针对功放的非线性对 增益传输曲线造成的压缩。模拟预失真则产生一个与之相反的失真来抵消功放的 失真，其基本思想可以用下图2 8 来表示。 图2 - 8 模拟预失真改善功放的非线性示意图 如果两种失真的传输函数能够完全反向一致，则最后得到的是一个线性的幅 度传输函数。对相位的处理也一样，模拟预失真产生一个与功放自身传输函数相 反的传输函数，来抵消功放的相位失真，最后得到线性的相位传输函数。由于模 拟预失真是通过对增益和相位传输函数曲线的扩展，来抵消功放自身对增益和相 位的压缩，因此对