（电路与系统专业论文）宽带射频功率放大器的数字预失真技术研究[电路与系统专业优秀论文].pdfVIP

摘要 摘要 随着第三代无线通信系统的迅猛发展，宽带射频功率放大器将会起到越来越 重要的作用。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，通常又要求其工 作在饱和状态，这必然就会带来严重的非线性。射频功放的非线性失真会使得原 始信号的频谱扩展，从而对邻近信道造成较大的干扰。 射频功率放大器的线性化，是解决其效率和线性度矛盾的有效方法，能够使 射频功放在输出高功率和高效率的同时，保持良好的线性度。常用的线性化方法 包括包络消除和恢复技术( e e r ) ，包络追踪技术( e t ) ，使用非线性元件的线性 放大技术( l i n c ) ，d o h e r t y 技术，前馈技术( f e e d f o r w a r d ) 和预失真技术 ( p r e d i s t o r t i o n ) 等。随着d s p 技术的飞速发展，数字预失真技术成为了功放线性 化技术的热门研究项目，并且易于和其它线性化技术相结合。 本课题主要研究对象为数字预失真技术中的功放模型的建立及数字预失真算 法的研究。功放的数学模型主要分为无记忆模型和记忆模型，分析了不同模型的 参数估计的方法。针对以往常见的模型反转数字预失真算法，课题分析并使用了 新颖的间接学习( i n d i r e c tl e a r n i n g ) 数字预失真算法，从而有效避免了无法对功放 模型进行求逆的缺陷，并在此架构下仿真了不同功放模型的参数估计对于数字预 失真效果的影响。针对w c d m a 移动通信基站系统中使用的宽带功率放大器，使 用a d s 和m a t l a b 软件联合仿真的形式来评估整个d p d 系统的性能并使用实际 功放进行了测试。 仿真结果表明整个d p d 模块对系统e v m 的影响不是很大，但是对于a c p r ， 无论输入信号是单载波w c d m a 信号，三载波w c d m a 信号或者l t e 测试信号， 至少可以改善2 3 d b 以上。软硬件联合闭环测试可以得出同样的结果。这表明采用 参数估计为记忆多项式模型的i n d i r e c tl e a r n i n g 数字预失真系统对宽带w c d m a 功 率放大器的线性度有着相当好的改善作用。 关键词：数字预失真功放模型参数估计系统测试 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to f3 l 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 , w i d e b a n dr f p o w e ra m p l i f i e rp l a y st h ei m p o r t a n tr o l e t h er fa m p l i f i e r su s u a l l y u s ep o w e rb a c k - o f f t oa c h i e v et h es y s t e m s1 i n e a r i t yr e q u i r e m e n tu n d e rn o n - c o n s t a n te n v e l o p em o d u l a t i o n h o w e v e r , i no r d e rt oi m p r o v eo u t p u tp o w e r a n de f f i c i e n c y , p o w e ra m p l i f i e r sa l w a y s w o r ki nt h es a t u r a t e as t a t e ，w h i c hw i l lp r o d u c es e v e r en o n l i n e a rd i s t o r t i o n l i n e a r i z a t i o no fr fp o w e ra m p l i f i e rc a l ls o l v et h ec o n f l i c t o fe f f i c i e n c ya n d l i n e a r i t ye f f e c t i v e l ya n d s ot h er f p am a y r e t a i nh i g hl i n e a r i t yw h i l eo u t p u t t i n gh i g h p o w e ra n dh i g he f f i c i e n c y t h e r ea r es e v e r a lw a y ss u c ha se e 民e t , l i n c ，d o h e r t y , f e e d f o r w a r da r l dp r e d i s t o r t i o ni nc o m m o nu s e t h i st h e s i sc o n c e r n si nt h ep am o d e l i n g a n da l g c r i t h mo fd p d p a sm a t h e m a t i cm o d e l sc o n t a i nm e m o r y l e s sm o d e la n dm o d e l w i t hm e m o r y t h ep a p e ra n a l y s i st h ep a r a m e t e re s t i m a t i o no fd i f f e r e n tp am o d e l s r e g a r d l e s so ft h et r a d i t i o n a lm o d e li n v e r s i o na l g o r i t h m ，t h ep a p e rb r i n gf o r w a r dt h e i n d i r e c tl e a r n i n ga l g o r i t h mt oa v o i dt h ed i s a d v a n t a g eo ft h ep r o c e d u r eo fg e t t i n gt h e i n v e r s en l o d e l a n ds i m u l a t e sh o wt h ed i f f e r e n tp a r a m e t e re s t i m a t i o ne f f e c t i n g t h e d 拍n n a n c eo ft h ed p d f o rw c d m a b a s e s t a t i o np o w e ra m p l i f i e r , u s et h ej o i n t s i m u l a t i o no fa d sa n dm a t l a bs o f t w a r et oe v a l u a t et h ep e r f o r m a n c eo ft h ed p d s y s t e m t h es i m u l a t i o na n dt e s tr e s u l t sd e m o n s t r a t et h ed p dm o d u l et i g h t l ya f f e c tt h e s y s t e m ，se v mp e r f o r m a n c e h o w e v n om a t t e rw h a tt h ei n p u ts i g n a l i st h ea c p r p e r f o r m a n c ec a ni m p r o v ea t1 e a s t2 3d bt oa b o u t5 8d i 3 t h es y s t e mt e s th a st h e s a m e r e s u l t t h i ss h o w st h a tt h ei n d i r e c tl e a r n i n gd p ds y s t e m w h i c hu s i n gm e m o r y p o l y r i c i m i a l m o d e lp a r a m e t e re s t i m a t i o n c a n i m p r o v e t h ew i d e b a n dw c d m a b a s e s t a t i o np a sl i n e a r i t ye x t r e m e l y k e yw o r d s ：d i g i t a lp r e d i s t o r t i o n ，p am o d e l ，p a r a m e t e re s t i m a t i o n ，s y s t e m t e s t 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己在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：盛妊 日期：彭阳7 年莎月日 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：避导师签名：i 亟互竺堡垒 日期：p 加夕年二月伞日 第一章引言 1 1 应用背景 在中、大容量的数字微波系统中，为了扩大通信容量，提高频谱利用率，通 常都要采用正交调制技术和多电平调制技术。为了保证质量指标，系统对信道的 非线性指标有严格要求。一般地，系统的频谱利用率越高，对信道的非线性指标 要求越高。功率放大器是射频系统中重要组成部分，也是实现难度最大，价格最 昂贵的部分。功率放大器具有非常明显的非线性特性。当输入信号功率较大时， 功放就会进入饱和区甚至截止区，产生严重的非线性失真【l 】。为了保证功放工作 在线性区中，往往需要控制功放输入信号的功率大小。这对于恒包络调制方式的 信号，如g s m 中使用的g m k s 调制方式，并不是困难的事情，但对于高p a r ( p e a k t o a v e r a g e r a t i o ) 的信号来说情况就不一样了。功放为了能够容纳信号的高p a r ， 保证即使是信号的峰值功率来临的时刻功放仍然不会进入饱和区，就必须将功放 的平均输入功率控制一个在较低的水平上，也就是通常所说的回退较多的功率。 这样做会大大降低功放的效率，而且增加了功放的成本【2 j 。 近年来，随着3 g 通信系统的蓬勃发展，无线通信频段变得越来越拥挤，为 在有限的频谱范围内容纳更多的通信信道，要求采用频谱利用率高的传输技术。但 是由于放大器存在非线性( 其输入输出特性与输入信号的包络幅度有关) ，信号的 包络波动将产生交调失真和频谱扩展。为了解决这个问题，一般的方法是采用大 功率放大器进行功率回退，使放大器工作在线性放大区。在这种情况下，电源利 用效率一般仅为1 5 左右，而且大功率器件只能输出很小的有效功率，其本身 潜力不能充分发挥，造成整机成本的提高。另外一个办法是采用线性化技术，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。 为了缓解信号高峰均比对功放的压力，通信界已经提出了多种方案。一种思 路是从源头入手，即直接对基带信号进行处理，想办法降低信号的峰均比，达到 缓解功放压力的作用。如现在刚刚兴起的c f r ( c r e s tf a c t o rr e d u c t i o n ) 0 峰技术就 是这种思想的一个代表。另一种则是从功放入手，想办法提高功放的线性度，增 大功放线性工作的范围，以便适应高p a r 的输入信号。线性化功放是在不影响调 电子科技大学硕七学位论文 制方式的前提下提高功放利用率的有效方法之一。常用的方法有前馈法 ( f e e d f o r w a r d ) 、反馈法( f e e d b a c k ) 、预失真法( p r e d i s t o r t i o n ) 、用非线性部件 实现线性化( l i n c ) 等。数字信号处理( d s p ) 技术的飞速发展为线性化技术提 供了有效手段，相应出现了自适应线性化技术【3 1 。 1 2 研究现状 追溯历史，功率放大器线性化技术诞生于2 0 世纪2 0 年代。1 9 2 8 年，贝尔实 验室的h a r o l db l a c k 发明了前馈和负反馈线性功率放大器应用于贝尔电话系统。 这一方案有效地减少了放大器失真，可以认为是功率放大器线性化研究的开端。 但那时主要是从器件本身的角度来提高线性度，且只在模拟条件下做，功放频率 也较低。线性化技术发展中非常重要的一步是预失真技术的出现，预失真技术应 用于模拟通信系统中的射频部分，2 0 世纪8 0 年代后期，模拟预失真进入发展时 期，这时的主要应用对象是移动通信系统。后来随着数字信号处理的发展，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，一般有两种实现方 式，基于非线性射频功放的参数模型实现和基于查找表实现。射频功放的参数模 型有多项式模型、v o l t e r r a 级数模型等，都是预失真研究的热点。 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，美国电气电子工程师学会( i e e e ) ：i j 物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 1 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，减小整个通信系统的失真。 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对温度、湿 度等环境因素改变而造成的误差。总体来说，预失真技术不但可提高发射机的效 率，降低成本与缩小体积，亦能有效增加发射机的线性度以提升效能与通信质量， 是一种适应现代数字通信发展的线性化技术，在现代无线通信中扮演着关键性角 色。 多家厂商提供了数字预失真解决方案。早在2 0 0 2 年i n t e r s i l 公司就推出了基 于一维查找表的复增益数字预失真a s i c 芯片i s l 5 2 3 9 ，输入输出接口能够达到 1 2 5 m h z 采样率和2 0 m h z 信号带宽，对于2 0 m h z 带宽的信号具备抑止5 阶互调失 真能力。p m c s i e r r a 公司的第三代p a l a d i n 架构采用数字预失真( d p d ) 技术， 2 第一章引言 与传统的模拟前馈式解决方案相比提高了超过百分之五十的功率。a l t e r a 公司和 x i l i n x 公司都基于各自的f p g a 模块推出了数字预失真的参考设计和i p 。此外， 各系统厂商和功放厂商如爱立信、华为、中兴、安德鲁等也已经推出各自的数字 预失真解决方案并已经成功应用于3 g 基站功放上面，使得主流的基站功放的效 率达到了3 5 左右的水平。 1 3 本课题研究的主要内容和意义 我们的研究主要针对数字基带预失真的方法。该方法最基本的工作为功放模 型提取和参数估计。当由于功放模型通常为非线性的，所以不能用线性函数来描 述。目前的做法通常有：v o l t e r r a 级数法，多项式法等等。其实，v o l t e r r a 级数法是 一种特殊的多项式法，但是由于其可以用线性系统中转移函数的推导过程类似推 导出来，而且多数用在描述带有弱记忆性的非线性系统中，所以一般把他归为一 类。多项式法其实就是用数值分析中常用的多项式拟合的思想来拟合功放的曲线。 从结构上说可以比v o l t e r r a 级数法简单很多，但是仍然要解多元多次方程，是硬 件实现的首选方法。涉及到射频和数字电路的设计，或者可以说是数字信号处理 在射频领域的应用。所以这是一个在某种程度上跨方向的研究，也属于目前国际 上比较热门的研究即软件无线电的范畴。 以往对数字预失真的研究工作大多集中于窄带功率放大器的领域，但是随着 功率放大器使用频段的不断拓宽，以往的模型和算法已经不能产生很好的预失真 效果。本课题主要在前人工作的基础上，研究了功放模型的参数估计和数字预失 真算法，以使预失真算法能够对宽带和带记忆效应的功放产生更加理想的线性化 作用，并通过搭建软硬件联合的闭环测试系统进行了测试。 电子科技大学硕士学位论文 第二章功率放大器的非线性特性分析及线性化技术 3 g 无线通信系统使用的非恒包络的线性调制信号，如q p s k 调制信号，相 比使用恒包络调制信号的通信系统能更有效的提高频谱利用效率。但是，起伏波 动的包络通过非线性放大器后，会由于互调失真的影响产生同频干扰和邻频干扰。 功放的非线性降低了传输质量，因此必须对其进行补偿。 然而采用非恒包络数字调制机制的现代通信系统，需要放大器表现出较高的 幅度线性特性，在实际的射频系统中，功率放大器仍然是一个主要的非线性失真 源。为了获得较高的功率效率，功率放大器通常工作在饱和点附近，此处的非线 性问题最为严重，系统非线性和效率的问题成为了一个主要的矛盾。 2 1 功率放大器的非线性 一个理想的线性功放，其输入输出响应呈现线性关系，即输出应该是输入的 线性函数，实际的功放则偏离了此线性特征，呈现一种非线性关系，这就是非线 性失真。由于功放物理上的非线性特性，功放从本质上是来说是非线性的，因而 也是接收机系统中失真产物的主要来源。以晶体管为例，当输入为大信号时晶体 管工作在饱和区域使得功放出现增益压缩现象，这是功放的典型的非线性特性产 生的原因。 2 2 功率放大器的非线性的度量 2 2 1 1d b 压缩点 当输出功率接近于饱和点时，功放产生非线性响应。输入信号接近饱和点时， 功放增益下降或称压缩。输出l d b 压缩点功率可表示为增益从它的线性值压缩 l d b 时的输出功率。图2 - 1 显示了典型功放的输入输出关系。l d b 压缩点的己拈和 对应的输出功率只眦m 的关系为： p o u t , d b ( d b m ) = 乞拈( d b m ) + g i 抬( d b m ) ( 2 1 ) g 。拈( 扣) 为压缩点的增益。 4 第二章功率放大的非线性特性分析及线性化技术 f 莎i n p u tf c l b m l 图2 - 1 典型功放的输入输出关系 2 2 2 交调失真 交调失真是一种产生不需要的混频产物的现象，它会造成基波信号的失真并 且产生交调产物。三阶交调产物在频谱中最接近于基波信号因而对信号产生最大 的影响，在输出信号中引入增益压缩和削峰。不需要的频谱分量比如谐波可以通 过滤波除去。但是滤波无法滤除三阶交调产物因为它们太接近于基波信号了。图 2 2 为一个双音信号造成的交调失真的频域表征。 nz n - f 2t lf 2z i ：，f 1n n 2 f r e q u e m y - - - - - 。- - _ _ - _ _ _ 图2 - 2 由双音信号造成的交调失真的频域特性 由上图可见，交调失真的幅度为 i m d ( d b c ) = 只i 拈一p o 眠肿 ( 2 2 ) 式中匕脚表示三阶交调产物的输出功率。 s 电子科技大学硕士学位论文 2 2 3 三阶截断点 衡量线性度的另一个重要参数是截断点。它被定义为输入输出关系图中基频 ( 一阶交调) 与n 阶交调增益曲线各自延长后的交点。图2 3 表示了三阶截断点 ( p 3 ) 的定义。它在对器件性能的分析中起主要作用，因为在大信号情况下i p 3 越高，失真越小。 输出三阶截断点o i p 3 的值为： p o i p 3 = 埘+ 垫竽 ( 2 3 ) 二 输入三阶截断点( i i p 3 ) 可以用i i p 3 来表示： 鹏= 0 1 ，尸3 一g a i n( 2 4 ) t h i r d o r d e rr e 卸哆n 鲐 s l o p e = 3 l n p u tp o w e r ( d b m ) 图2 - 3 三阶截断点的示意图 2 2 4 邻近信道功率比( a c p r ) a c p r 定义为相邻频道( 或偏移) 内平均功率与发射信号频道内的平均功率之 比，它是信号被p a 非线性展宽到邻道的量度。a c p r 被广泛应用于描述多载波 系统的非线性要求。 a c p r 对于发射机来说是至关重要的，因为c d m a 调制在调制载波中产生紧 6 一p)-io乱lndl：o 第二章功率放犬的非线性特性分析及线性化技术 密相邻的频谱成分。这些成分的互调制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。对于相邻信道的接收机来说，它会 增加接收的困难。这些泄露信号对于接收而言是完全随机的，因而唯一的办法是 指定更加严格的线性度指标 2 2 5 误差矢量幅度( e v m ) 误差矢量( 包括幅度和相位的矢量) 是在一个给定时刻理想无误差基准信号与 实际发射信号的矢量差。因为在每个符号变化时它也在不断的变化，这个参数 ( e r r o rv e c t o rm a g n i t u d e ) 定义为误差矢量在一段时间内的r m s 值。 e v m 对于发射机性能也是十分重要的，因为它表示了发射信号的调制质量。 大的e v m 值将导致糟糕的检测精度，从而降低收发机的性能。从放大器的角度 而言，e v m 是一个表征整个系统性能的指标，它描述传输的信息在放大的过程当， 中是如何失真的，比如说，星座上的点偏离了原来的位置造成了接收误码率的上 升。 2 3 功率放大器的非线性特性分析 2 3 1a m a m 失真 当一个幅度变化的信号加到一个非线性电路上时，由于输入信号包络的幅度 变化引起输出信号的幅度变化从而造成增益压缩的现象被称作a m a m 失真4 1 。 可以采用非线性的多项式来表征放大器的这种特性，其数值由输入信号的幅度 ( a m ) 决定。其随输入信号幅度变化如图2 4 所示： 乙( d a g m 图2 - 4 a m a m 火真特性 在射频增益一定的条件下，在数字域中，可以根据输入基带信号的幅度( 功 7 电子科技大学硕：l 学位论文 率) 通过一个多项式可计算出此种非线性失真分量。常用的多项式表达式如下： y = 口l x + a 2 j c 2 + 以3 x 3 + 口4 工4 + 口5 x 5 ( 2 5 ) 从以上表达式可看出，功放的此类失真在数字域比较容易表征。因此很容易 实现预失真。 2 3 2a m - p m 失真 当一个幅度变化的信号加到一个非线性电路上时，由于输入信号包络的幅度 变化引起输出信号的相位变化从而造成相位失真的现象叫做a m p m 失真，其数 值与a m a m 失真相似，也是由输入信号的幅度决定【5 1 。其随输入信号幅度的变 化曲线如图2 5 所示： 假设输入信号为： 轴a 麓 掀= _ 一 理想功放曲缝 气 图2 - 5 a m p m 失真特性 y = c l s f 加上a m a m 失真时，则可表示为： 枷枷) ( 2 6 ) y = 届c o s f + 忍c o s 3 c ot + p 5 c o s 5 c ot + ( 2 7 ) 其中为调制信号角频率( 带宽的一半) 。 加入a m p m 失真后，可把信号表示为： y ：( f i t c o s o ) m t + 岛c o s 3 c o t + 屈c 。s 5 ) c o s 卜+ 善( t s 2 叫+ ( 2 8 ) 第二章功率放大的非线性特性分析及线性化技术 功放的a m p m 失真特性在数字域中，易于表征。 2 3 3 记忆效应引起的失真 功放的记忆效应定义为依赖于调制频率的失真分量。很显然，确实存在电学 和热学的记忆效应。电学的记忆效应产生于调制信号频带内的节点阻抗的不稳定， 此不稳定的包络阻抗通常主要由偏置阻抗导致，它是造成电学记忆效应的主要原 因。热学的记忆效应主要由芯片温度引起，它受到输入信号的调制。由于芯片温 度随着信号的包络频率变化，而晶体管的许多电学参数都是温度的函数，因此就 会产生i m 3 分量。因为功率耗散导致的芯片温度升高与调制频率有着密切的关系， 由此产生的i m 3 分量也取决于调制频率，这将导致记忆效应【6 j 。 如果信号电平相当大，五阶与更高阶的失真就会对i m 3 产生影响。在窄带情 况下，由五阶失真产生的i m 3 与i m 5 保持5 ：1 的比例关系，而且相位差为零。 幅度记忆效应产生于两种现象：( 1 ) 因为五阶信号的频带比三阶信号宽，所以频 带比三阶时更宽；( 2 ) 如果五阶失真很明显的话，三次谐波也会下变频成互调分 量。这些效应称为幅度记忆效应，因为i m 3 中的五阶失真依赖于信号幅度，因此 总的i m 3 分量是所有频带分量引起的i m 3 的总和。 克服记忆效应主要有两种思路：一是可以在预失真电路中构造相反的记忆效 应，或者采用更复杂的自适应的线性化电路( 更消耗功率) ；二是减小p a 的记忆 效应。对于大多数线性化方法来说，记忆效应都是极其有害的。由于记忆效应， 线性化电路只可能对于单一频率单一幅度的信号调整到最佳，它们中任何一个发 生改变，抵消性能就会恶化。这个问题通常是用能够跟踪信号变化的更加复杂更 加耗电的方法来加以克服。 有三种消除记忆效应的方法：阻抗优化、包络滤波、包络注入【7 j 。它们都是 为消除依赖于调制频率的记忆效应而提出的。其中，包络注入技术有更好的消除 记忆效应的性能，也被用于抵消与幅度有关的记忆效应。 1 ) 阻抗优化 有源阻抗原理可以用来寻找射频功放的最优带外输入阻抗。通过优化包络频 率下的阻抗可以将线性度改善8 d b 。8 d b 对应于集电极电流2 0 的增加。这意味 着这个方法可以在不损失线性度的前提下减少大量的功耗。通过在不同包络频率 提供最佳的输入阻抗，放大器与预失真电路的记忆效应都被部分的消除了。 2 1 包络滤波 在多项式r f 预失真电路中，用调制频率来产生i m 3 边带。用一个低通滤波 9 电子科技大学硕士学位论文 器滤除高频分量后就得到边带分量。如果包络滤波信号产生的记忆效应恰好与功 放本身的相反，则预失真电路的抵消性能在整个调制频带上都能保持最大水平。 3 ) 包络注入 包络注入可以认为是实时源负载牵引( s o u r c e p u l l ) 的实现。包络注入是将 一个包络信号施加到放大器的输入端，它需要与多项式预失真技术相结合以消除 放大器的记忆效应。注入信号不是由一个信号发生器产生一个外部的包络信号， 而是由输入信号本身产生：将输入信号平方，再适当滤波后输入放大器。注入的 包络信号在整个调制频率内都虚构了一个最佳的包络阻抗值。 对于由调制频率产生的记忆效应，校正的注入信号很容易产生，只要对信号 适当地滤波就行了。对于信号幅度变化引起的记忆效应，因为下变频的注入信号 取决于输入信号的平方，其相位与输入信号无关，因此可以用一个d s p 产生具有 合适幅度特性的注入信号。 包络注入技术在频率域中，可以在所有调制频率获得最大的抑制性能，但是 随着需要补偿的记忆效应的增加，对注入滤波器精度要求也就更严格了。在幅度 域，补偿性能受到了高阶非线性和记忆效应的限制。 2 4 功率放大器的线性化技术 现代通信系统中，功率放大器非常重要的工作是实现高效率和线性工作。有 多种技术来改善功率放大器性能，其中提高功放效率的技术有k a h n 包络消除和 恢复技术、包络跟踪技术，d o h e r t y 技术等，提高功放线性度的技术包括l i n c 技 术，前馈线性化技术以及预失真线性化技术等。 2 4 1 包络消除和恢复技术( e e r ) 现代无线通信系统中通过功率放大器所要求的信号是非常数包络信号。k a b n 在1 9 5 0 年发明了包络消除和恢复技术( 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 ，e e r ) 来改善发射机在整个动态范围内的效率【8 】。传统的模拟包络消除和恢复方案中如 图2 - 6 所示，需要专门的器件来消除振幅( 包络) 。输入信号的相位调制信息通过 限幅器以后仍得以保持。理想的限幅器消除了非线性r f 功放中产生a m p m 失 真的可能性，因此功放的输出得以保持输入信号的原始的未失真的相位特性。常 包络r f 信号使用d 类、e 类或f 类丌关模式放大器来进行高效率放大。功率放 大器最后一级的幅度调制恢复相位调制载波信号的包络，产生了输入信号幅度的 l o 第二章功率放大的非线性特性分析及线性化技术 复制。在e e r 系统中，r f 晶体管的偏置点根据输入信号的功率动态的改变，因 此功放在整个输出功率的大动态范围内都工作在高效率区域【9 1 。 图2 - 6 e e r 系统框图 e e r 系统的d c d c 转换器如图2 7 所示。在e e r 调制方案中只有相位信息 被直接提供给末级功放。输入信号被分为两路，上面支路中包络被检出并作为电 源电压提供给r f 功放。限幅器提取出相位信息后被一个缓冲放大器放大到功放 需要的水平。延时模块用来同步两个通道的信号。 幽2 7 d c d c 转换器 e e r 系统的一个主要优点是通过使用非线性开关模式功放而达到的高效率。 开关类功放如e 类理论上可以达到1 0 0 的效率。第二个优点是线性度不依赖于 功放的晶体管。相对于末级功放本身的高非线性，功放总的线性是由对电源电压 的精确调制来达到的。电源电压和功放输出的幅度之问存在高度线性的关系。 除了两个通道的时间队列之外，e e r 系统的线性受到两个支路的限制带宽的 影响，特别是包络通路。信号分离为包络和相位( 即从笛卡尔坐标到极坐标的转 换) 展宽了频谱。宽的包络带宽使得设计合适的d c d c 转换器很困难。宽带相 位信号从功放输入到输出的直接穿越也是个问题，因为它被看作一种附加失真。 电了科技大学硕士学位论文 2 4 2 包络追踪技术( e t ) 包络跟踪技术( e n v e l o p et r a c k i n g ，e t ) 就是根据r f 信号包络改善直流供 电电压以提高功放效率的技术，因为集电极效率正比于基波电压振幅与直流供电 电压之比。图2 8 所示为模拟控制的功率放大器包络跟踪方框图，包络检波器用 于检测输入信号的包络。d c d c 变换器可以对线性功率放大器的供电电压进行动 态的调整。延迟线是必须的，用以补偿由于包络反馈途径引起的包络和r f 信号 之间的相位不匹配。与e e r 技术不同，包络跟踪系统有线性功率放大器，没有限 幅器。相比较而言，e e r 技术有着更高的效率因为使用了更高效的非线性放大器， 但相应的设备复杂度也大大提高了。 图2 8e t 系统框图 r f 线性功放的供电电压被宽带高效的包络放大器放大的包络信号调制，因此 r f 功放在所有的包络范围内都工作在功率接近饱和的区域从而改善了平均效率。 e t 功放系统的平均效率非常依赖于输入调制信号的峰均功率比( p e a k a v e r a g e p o w e rr a t i o ，p a r ) 和概率密度函数( p r o b a b i l i t yd e n s i t yf u n c t i o n ，p d f ) ，因为 漏极偏置电压的变化与输入信号的幅度成正比。因此根据最大p d f 得到的漏极偏 置电压可以使功放的效率得到优化，使e t 功放工作在最大效率模式下。采用削 峰来减小p a r 使得功放的平均效率得以改善并且限制了包络放大器的动态范围。 包络跟踪有两个主要的失真源：( 1 ) 增益和相位是供电电压的函数，而供电 电压影响功放的线性；( 2 ) d c d c 转换器的不完整的幅度和相位响应增加了失真。 此外还有由于包络和射频通路演示不同造成的失真。由于信号被分为两个独立的 通道，因此在末级功放之前应采取精确的定时措施。一些应用忽略了定时而采用 信号的均方根值来调制供电电压作为替代方案，但这会减小系统的效率。 具有包络跟踪的功率放大器的线性度，一般比具有固定供电电压的功率放大 器的线性度差，这是因为功率增益跟随供电电压的改变而变化。可使用预失真技 术在相当程度上减小由此增加的非线性。但是最好是使用功率放大器包络跟踪的 第二章功率放人的非线性特性分析及线性化技术 数字控制，如图2 - 9 所示【1 0 1 。除了根据信号包络对d c d c 变换器提供合适的控 制电压以外，d s p 系统也利用放大器幅度和相位特性，对同相( i ) 和正交( q ) 两个通道计算预失真输入信号，从而使得功放系统的线性度得以大大改善。 d cl p f 如w n n 增n e r 图2 - 9 采用d s p 产生包络跟踪信号的e t 系统 根据d k i m b a l l 等人的研究，一个使用飞利浦第五代l d m o s 晶体管器件和 e t 技术的w c d m a 基站功率放大器在w c d m a 信号源的激励下，输出功率为 2 7 w 时可以达到4 0 4 的平均效率和1 4 ，9 d b 的增益，使用无记忆补偿的d p d 时 e v m 值为3 3 ，有记忆补偿的d p d 时e v m 值为1 ，从而达到了效率和线性 度的大大改善j 。 2 4 3 使用非线性元件的线性放大技术( l i n o ) 使用非线性元件的线性放大技术( 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 r c o m p o n e n t ，l i n c ) 来源于1 9 3 5 年发明的异相功率放大器( o u t p h a s i n gp a ) 调 制技术，将其扩展用于微波频率以后称为l i n c 技术【l2 1 。异相发射机作为调幅信 号的线性功率放大器工作，它组合两个非线性功率放大器后具有宽输入信号范围 的线性转移特性。这两个非线性放大器的驱动信号是恒振幅，但对应于输入信号 包络，有不同的时变相位。 电子科技大学硕士学位论文 图2 - 1 0 简单l c 系统框图 图2 1 0 表示了一种简单的l i n c 系统【l3 1 。输入的振幅调制信号通过信号分量 分离器( s i g n a lc o m p o n e n ts e p a r a t o r ，s c s ) 产生两个恒包络，具有不同相位+ 妒( f ) 和一c o ( t ) 的两个正弦信号。这两个正弦信号被非线性功率放大器放大，再叠加在一 起产生输出调幅信号。峰值输出功率当矽= 9 0 。时得到，此时从两个功放出来的电 流具有相同的振幅，然后同相相加，类似于推挽工作。零输出功率对应于矽= 0 。时 的信号，功率放大器出来的电流相互抵消。相位在0 。_ 矽 - j ( i n d i r e c tl e a r n i n g ) 数字预失真算法 4 1 1s a l e h 功放模型仿真 a c l i r la n da c l l ：t 2 图4 3s a l e h 模型仿真的a c l r 值 a c l ri m b a l a n e o i t e r a t i o n 图4 _ 4s a l e h 模型仿真的a c l r 不平衡 如图4 3 ，4 4 所示，基于1 0 阶无记忆多项式模型的参数估计对于s a l e h 模型 的功放具有非常好的预失真效果，a c l r 指标在三次迭代后迅速改善，并且a c l r 不平衡也很小。 3 7 m 已5 d 一p)可ebqe一匹一o 电子科技大学硕士学位论文 4 1 2w i e n e r - h a m m e r s t e i n 功放模型仿真 a 已 g u a c l r la n da c l r 2 i t e r a t i o n 图4 5w i e n e r - h a m m e r s t e i n 模型仿真的a c l r 值 a c l rl m b a l a n c e i t e r a t i o n 图4 - 6w i e n e r - h a m m e r s t e i n 模型仿真的a c l r 不平衡 如图4 5 ，4 - 6 所示，基于1 0 阶无记忆模型的参数估计对于w i e n e r - h a m m e r s t e i n 模型的功放的预失真效果一般，a c l r 指标改善比较小，甚至a c l r 2 的值恶化 得比a c l r l 更差。三次迭代后a c l r 不平衡的现象有所改善。 3 8 一p)oocmeqe一叱ju 4 1 3m e m o r yp oiy n o miai 功放模型仿真 a c l r la n da c l r 2 i t e r a t i o n 图4 _ 7m e m o r yp o l y n o m i a l 模型仿真的a c l r 值 i t e r a t i o n 图4 - 8m e m o r yp o l y n o m i a l 模型仿真的a c l r 不平衡 如图4 7 ，4 8 所示，基于1 0 阶无记忆多项式模型的参数估计对于m e m o r y p o l y n o m i a l 模型的功放的预失真效果比较差，a c l r 指标改善非常小，并且a c l r 不平衡比较大，存在不稳定的现象。 3 9 已世-10 (日p)m，彦qe一芷ju 电子科技大学硕士学位论文 4 2w ie n e r - h a m m e r s t ein 预失真 在这个仿真中，用于参数估计的功放模型是w i e n e r - h a m m e r s t e i n 模型。分别 对s a l e h 模型，w i e n e r - h a m m e r s t e i n 模型和m e m o r yp o l y n o m i a l 模型的功放进行数 字预失真的m a t l a b 仿真。结果如下所示： 4 2 1s aie h 模型功放仿真 已 芷 一 o a c l r la n da c l r 2 i t e r a t i o n 图4 9s a l e h 模型仿真的a c l r 值 r 一一? ”+ ? 一# t 雒_ 一j 56789 i t e r a t i o n 图4 1 0s a l e h 模型仿真的a c l r 不平衡 5 5 4 5 3 5 2 5 1 4 3 2 1 一p)由。u卫暑e一叱jo 、_ 、l _ 一 一 - 。2 一_ | ， i11p1 5 0 0 如图4 - 9 ，4 1 0 所示，基于w i e n e r - h a m m e r s t e i n 模型的参数估计对于s a l e h 模型的功放的预失真效果非常好，a c l r 指标改善明显，并且a c l r 不平衡很小。 4 2 2wie n e r - h a m m e r s t ein 功放模型仿真 a c u 引a n da c l r 2 i t e r a t i o n 图4 11w i e n e r - h a m m e r s t e i n 模型仿真的a c l r 值 a c l ri m b a l a n c e 23 4 56 7 8 i t e r a t i o n 图4 1 2w i e n e r - h a m m e r s t e i n 模型仿真的a c l r 不平衡 如图4 1 1 ，4 1 2 所示，基于w i e n e r - h a m m e r s t e i n 模型的参数估计对于 w i e n e r - h a m m e r s t e i n 模型的功放的预失真效果比较好，a c l r 指标改善约2 0 d b ， 4 1 一p)flo 5 5 4 5 3 5 2 5 1 5 o 4 3 2 1 o p)8c一仃口e一芷一o 电子科技大学硕上学位论文 a c l r 不平衡在三次迭代过后迅速减小。 4 2 3m e m o r yp oiy n o miai 功放模型仿真 岔 已 5 2 a c l r la n da c l r 2 图4 13m e m o r yp o l y n o m i a l 模型仿真的a c l r 值 a c l ri m b a l a n c e 一j 一：一一i 一土- f 一。0 一：j 一一一：，一- j 二二 ：麓_ 一二：一_ 辱： 终：一孝# 23456789 i t e r a t i o n 图4 1 4m e m o r yp o l y n o m i a l 模型仿真的a c l r 不平衡 如图4 - 1 3 ，4 - 1 4 所示，基于w i e n e r - h a m m e r s t e i n 模型的参数估计对于m e m o r y p o l y n o m i a l 模型的功放的预失真效果一般，a c l r 指标改善有限，甚至a c l r 2 指标恶化得比a