（电磁场与微波技术专业论文）射频功率放大器数字预失真算法的研究和实现.pdf

东南大学顾士学位论文 摘要 随着各种包络，1 i 恒定的调制方式的出现，对功放的线性度的要求越米越高。对于射频功率放大 器，通常采用回退的方法米达到线性的要求，然而，同退方法将大大降低功放的效率。因此线性化 功放成为了一个有意义的课题。而在各种线性化技术中，数字预失真技术( d i g i t a l p r e d i s t o r t i o n ) 是 最近研究的热。吲为它一一旦实现，不会受温度和环境的影响，有较好的稳定性。而且在数字域里 而也更方碰得实现各种算法，具有更高的灵活性。 论文的研究主要集中在数字预失真技术的软硬件实现。采用闭环链路来提取功放模型和实现线 性化算法。整个系统分成射频和基带两块，本课题的研究主要是基带板的实现。在d p d 的具体实现 中，我们采用了l u t 查找表的结构。首先发送锯齿波的训练序列经过射频和功放端后，j 扎豆馈a d 采样来得到失真的反馈信号。反馈信号通过同步年u 相位校正处理后，利削m a t l a b 提取功放的模型。 根据得到的模型，求出预失真的值反馈给f p g a 更新l i j t 表。这样就完成了一次预失真优化的过程。 当然这个时候还可以在次发送训练序列米进行多次迭代训练以便获得更好的改善。 最终洲试结果表明，这套d p d 实现方案可行有效。对于单码道的c d m a 2 0 0 0 信号，a c p r 改善 1 0 d b 以上。对于单码道的w c d m a 信号，尽管其峰均比利对c d m a 2 0 0 0 信号要高很多，但是近端频 谱改善仍然达到7 d b 以上。对于6 4 码道的w c d m a 信号，近端频谱改善也在6 d b 以上。最后，测 试了2 载波6 4 码道的w c d m a 信号，在频偏2 2 m h z 的交调分量改善了7 d b 以上，同时近带频谱的 改善也达到76 5 d b 。 关键字：数字基带预失真，f p g a 实现，l u t 表 东南大学顾士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ee m e r g e n c eo fv a r i o u sn 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 nm e t h o d s ，h i g h1 i n e a rr fp o w e r a m p l i f i e r sa r er e q u i r e di nm o d e mc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s t h eb a c k - o f fm e t h o di su s u a l l yu s e dt oo b t a i n l i n e a ra m p l i f i c a t i o n h o w e v e r , t h eb a c k - o f f m e t h o dr e d u c e st h ee f f i c i e n c yd r a m a t i c a l l y h e n c e ，t h er e s e a r c h o fp o w e ra m p l i f i e rl i n e a r i z a t i o ni so fg r e a ti m p o r t a n c ef o rn e x tg e n e r a t i o 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 s i nd i t i e r e n tk i n d so fl i n e a r i z a t i o nt e c h n o l o g i e s t h ed i g i t a lp r e d i s t o r t i o nm e t h o di so o eo f t h em o s ta t t r a c t i v e w a y sd u et oi t ss t a b i l i t y , c o n v e n i e n c ea n df l e x i b i l i t y t h i st h e s i sc o n c e n t r a t e so nt h es o f t w a r ea n dh a r d w a r ei m p l e m e n t a t i o no ft h ed i g i t a lp r e d i s t o r t i o n m e t h o d t h en o n l i n e a rm o d e io ft h ep o w e ra m p l i f i e ri se x t r a c t e dw i t ht h ec l o s e d l o o pm e t h o d t h e 1 i n e a r i z a t i o na l g o r i t h mi sc a r r i e do u tb a s e do nt h ee x t r a c t e dp o w e ra m p l i f i e rm o d e l t b ew h o l es y s t e m i n c l u d e sa nr fp a r ta n dab a s e b a n dp a r t t h i st h e s i sf o c u s e so nt h ed e s i g no f t h eb a s e b a n db o a r d t h el u t a r c h i t e c t u r ei su s e di nt h ed p di m p l e m e n t a t i o n a tf i r s t ，at r a i n i n gs i g n a li ss e n tt ot h er fp a r ta n dt h e f e e d b a c ka dg e t st h ed i s t o r t e ds i g n a lt h e n a f t e rs y n c h r o n i z a t i o na n dp h a s ea d j u s t m e n t n e wl u tv a l u e s a r eu p d a t e di nt h er a ma c c o r d i n gt ot h ep r e d i s t i o na l g o r i t h mw 油m a t l a b t b u s a no p t i m i z a t i o nj t e r a t i o n i sd o n e ，m o r eo p t i m i z a t i o ni t e r a t i o n sc a nb ec a r r i e do u t t oo b t a i nb e t i e ri m p r o v e m e n to f l h l e a r i t y t h ep e r f o r m a n c eo ft h ed p ds y s t e mi se x c e l l e n ta c c o r d i n gt ot h et e s t e dr e s u l t s f o rt h ep i l o t c d m a 2 0 0 0s i g n a l m o r et h a n1 0 d ba c p ri m p r o v e m e n ti so b t a i n e da l t h o c 【g ht h ep a ro ft h ew c d m a s i g n a li sm u c hh i 曲e rt h a nt h a to ft h ec d m a 2 0 0 0s i g n a l ，m o r et h a n7 d ba n d6 d bi m p r o v e m e n t nt h en e a r b a n da r eo b t a i n e df o rt h e1 d p c ha n dt h e6 4 d p c hw c d m as i g n a lr e s p e c t i v e l yw h e nt h et w o c a r r i e r 6 4 d p c hw c d m as i g n a li sa p p l i e do nt h i sd p ds y s t e m ，m o r et h a n7 d ba n d6 d bi m p r o v e m e n ta r e o b t a i n e df o rt h ei n t e r - m o d u l a t i o na n dt h ei n b a n ds p e c t r u m k e yw o r d s ：d i g i t a lb a s eb a n dp r e d i s t o r t i o n ，f p g ai m p l e m e n t a t i o n ，l u t i l l 东南大学硕士学位论文 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所早交的学位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， 也不包含为获得东南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了谢意。 研究生签名：翻凼缘e t期：趣业，吵 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和电 子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相 一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或 部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 黼妙 研究生签名：丛亚超 导师签名： 日期：c 2 6 、7 ，歹 东南大学硕士学位论文 1 1 课题背景n 1 第一章序论 随着移动通信技术的发展，人们对手机的要求已经从单一的通话发展到现在的多媒体通信和应用。同 时，伴随着不断激增的数据业务量的却是e l 益稀缺的频谱资源。为了能够在保证高速的数据传输的 同时提高频谱利用率，最新的移动通信系统大多采用了高效率的数字多阶调制方案，如q p s k ，q a 5 i ， o f d m 等，使用这些方案往往可以提供超过系统占用带宽的数据传输速率，相比第二代通信系统使用 的调制方式，无论是数据传输速率还是频谱利用率，都有了极大的提高。 尽管新的调制方式可以有效地缓解频谱和高速数据传输之间的矛盾，但是却对通信系统中的射 频处理部分提出了新的难题。由于这些数字调制方式都属于非恒包络调制，往往效率越高的调制方 式，信号的峰均比( p a r ，p e a k t o a v e r a g er a t i o ) 也越大。一般来说，在g s m 中功放效率j , ：e 3 m e 右， 而c d 姒中，由于采_ 咐了非恒定包络的调制方式，增加了峰均比，所以功放效率只有1 0 9 6 左右。随着高峰均 比0 f d m 技术的应用，功率放人器的利用率进一步降低。高p a r 意味着信号的功率波动范围很大，这会对 射频处理部分，特别是射频部分中的功率放大器的正常j 二作产生巨大的影响。 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。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 定包络调制方式的信号，如g s m 中使h j 的g m s k 调制方式，并不是困难的事情；但对于高p a r 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 的同退较多的功率。这样做会大大降低功放的效率，而且增加了功放的成本。直接导致手机等移动 设备待机时间缩短。 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娟。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 ) 削波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 影响调制方式的前提下提高功放利用率的有效方法之一。常用的线性化技术有前馈法 ( f e e d f o r w a r d ) 、笛卡几负反馈法( c a r t e s i a nf e e d b a c k ) 、功率合成法( l i n e ) 和各种预失真方法 ( p r e d i s t o r t i o n ) 等。本文主要研究数字预失真技术在功率放大器中的应用。 1 2 历史回顾嫡1 在第一代移动通信系统中，比如，n m t ( n o r d i c m o b i l e t e l e p h o n e ) 或者a r p s ( a d v a n c e d m o b i l e p h o n es e r v i c e ) ，射频信号采用的是f m 调制。由于没有幅度不用来代表传输的信号，所以高效率的 功放可以用在f m 调制的系统中。即使这样，那个时候的手机功耗仍有8 5 花在功放上。 我们知道，移动通信的可利用频谱受到限制，所以信道的利用率直接和你的利润相关。为了更 好的利用信道，第二代移动通信技术中采用了数字传输和时分复用技术。这样，多个用户被时分在 多个信道上通话。例如g 驯中，8 个呼叫可以在一个频段上复用。幸运的是，g s m 利用的调制技术仍保 持了横包络调制。但是为了保证在分配的每个时隙中间功率的大小变化是平滑的，就已经对功放的 线性度有了一定的要求。这也导致了功放的效率要比f m 中的功放的效率有所降低。但是由于手机中 的功放只有1 8 的时候是工作的，再加上智能的待机模式。使得g s m 手机的待机时间比第一代的手机 有了明显的提升。 为了进一步提高比特率，g s m - e d g e 中使用了8 p s k 来代替g m s k 的调制方式。但是8 p s k 不是一种恒 东南大学硕十学位论文 包罗调制方式，所以随着无线通信系统向更高的信道容链挑战，对功放的线性度也进一步提出了更 高的要求。然后这也使得功放的效率却不得不进一步下降。 最后，第二代移动通信中采用的c d m a 技术可以在一个无线信道中同时传送几十个服务。这些服 务可以由他们各自互相正交的扩频码来分辨。第三代移动通信中，由于信号的带宽增加到了4 m l t z 以 上，时域中，信号包络的变化也更大。所以对功放来说，线性度的要求也更加高。而且往往现在带 宽更加宽的多载波系统，射频信号的峰均比都丈人的提高，所以对于射频端的功放的要求也更加高 了。 在9 0 年代，由于实际系统中对功放的线性度要求不是很高，所以对线性化的研究一般都集中在 传统的功放模型提取上。也有少些的研究集中在前馈或者包络预失真上。到2 0 0 0 年左右，随着数字 信号处理器和町编程逻辑器什速度和资源的提高，数字基带预失真技术越来越受到人们的关注。但 是由于这对功放模型的提取和算法的稳定性有着较高的要求，因为在实际的数字系统中，受到速度 和资源的限制，所以一般字长不可能取无限长，也不可能取到仿真中的精度，所以这里就产生了很 多可供研究和提高的地方。当然如前所述，也有人采用了数字和r f 结合起来做预失真的，复杂度比 价高，但是效果很好。我们j 的研究主要集中搭建硬件平台实现数字基带预失真。 1 3 课题工作介绍和本文安排 我们的研究主要采用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。当功放的 模型提取出来之后，只要求其反函数。就是需要预失真的曲线了。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，神经网络法等等。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巾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。v o l t e r r a 级数 早在上个世纪中期就被提出来了。然而，随着1 9 9 9 年a l b e r t o c a r i n i 教授提出了v 向量的概念后， v o l t e r r a 级数法开始被广泛地应用到功放模型提取中，因为v 向量结合v o l t e r r a 级数可以使得这个非 线性系统的数学表达式成为线性表达式。也就是说，具有了线性系统中的时移不变得特性。所以数 字信号处理中，很多经典的和现代的算法被应用到预失真系统中，实现自适应的数字预失真。这个 研究上面已经有很多文章。都柏林大学的a n d i n g z h u 博士等人已经做了火量的研究。但是由于其计 算复杂，硬件系统还没有见到，所以也是一个可以研究的分支。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。神经网络通常用来描述一个不能确定的数学表达式来 描述的系统。所以也很自然的被用到了功放的模型提取中。随着增加节点数，神经网络复杂度增加， 但是曲线的逼近程度也更好，往往好于上面两种方法，但是神经网络的训练过程比较长，收敛的问 题也是需要重点考虑的。而且无论是计算量还是结构复杂度都不大可能用硬件实现。所以实用价值 不大。虽然国际上也有一些研究，但是不是很多。涉及至0 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 热门的研究软件无线电的范畴。 本课题主要在前人工作的基础上，重新设计了硬件平台和软件算法，以求更加贴近实际应用和 适用更宽的频带宽度和更多的功放。在理论分析和仿真的基础上，我们选取了合适的a d ，d a ，f p g a 等关键器件并完成了8 层基带p c b 版的设计。系统时钟工作在6 0 m h z 。首先用计算机对系统各个 模块进行了仿真测试，然后把电路下载到f p g a ，把程序加载到控制器进行调试。先用单音信号测 试了硬件通路，确保其正常工作。然后再此基础上，加上了功放非线性模型和预失真的算法。软硬 件通过测试，达到了预期的目标。全文共分为6 章： 第一章绪论主要介绍选题的背景和涉及的主要技术和当前国内国际上的研究进度。同时对本文 主要的工作也作了简单的介绍和概括。 第二章首先从理论方面讨论非线性失真给通信系统带来的问题。接着着重讨论几种流行的功放 模型和几种数字基带线性化的基本原理和优缺点。 2 东南大学硕士学位论文 第三章主要介绍数字基带预失真系统的设计。包括方案的讨论以及系统整体仿真。 第四章是本课题研究的主要部分。包括基带板芯片的选取，原理图和版图设计，d p d 各功能模 块的实现及仿真，控制器部分程序的设计。 第五章给出了硬件平台的测试结果，并解释了得出这些结果的原因。 第六章总结了课题目前为止的工作以及仍需改进的地方。 3 东南大学硕士学位论文 第二章预失真相关理论介绍 本章分为三节，主要介绍下面系统设计中主要涉及的理论基础。第一节简单介绍非线性系统中 的一些基本概念和指标。以及非线性失真产生的原因以及危害。第二节主要介绍几种常见的线性化 技术，着重介绍了我们系统中将要采用的预失真技术。第三节将围绕数字基带预失真技术中必须采 用的功放模型提取来介绍几种常见的方法。 2 1 非线性系统嘲 2 1 1 非线性失真 如果一个系统得输入和输出成线性比例，这样的系统被称为线性系统。输出和输入的比值成为 系统得增益。系统增益和系统所加的信号幅度没有关系。同样，非线性系统的输出是输入的一个非 线性的函数，这个时候，系统的增益将取决于输入信号的大小。非线性系统可以用多种方法来描述。 其中一种就是多项式法，这也是本文主要采用的方法。一个系统的输出用一个三阶的多项式可以描 述成 y = t hx x + a 2 x 2 + a 3 x 3 ， ( 2 1 ) 式中a 。到a 。是实系数。第一项描述了系统的线性分量，第二和第二项分别描述了平方项和立方项。 如果把一个单音信号代入( 2 1 ) 中，在频域中，我们可以看到由于非线性分量产生了新的频谱分 量。 v o ( t ) = k y , c o s ( a t + 如巧2e o s o , t + k 3 v , 3 c o s t o t + = 丢岛2 + ( 毛k + 三岛3 ) c o s 哆f + k 2 呼e o s 2 q f + l k 3 v , c o s 3 哆f + ( 2 2 ) 可见由于放大器的非线性，输出信号中除输入信号频率外，还增加了新的直流分量， 2 。、3 m j 等谐波分量。 若输入为双音信号：t o ) = v , ( e o s 鸭f + e o s c 0 2 t ) ，则 v o ( t ) = q v , ( c o s c o l t + c o s c 0 2 t ) + k 2 v 1 2 ( c o s o j t t + c o s c a 2 t ) 2 + 毛k 3 ( c o s q f + c o s f 巩f ) 3 十 = k y , 2 + ( 置巧+ 詈屯口) c o s q f + ( 毛巧+ 詈屯巧3 ) c o s 哆h k y , 2 c o s ( q 一哆y + 如巧2 c 。s ( 魄+ 吐v + l k 2 v j 2e o s 2 c 0 1 t + 1 2 巧2 c o s 2 吃 ( 2 3 ) + 言岛口c o s ( 2 q 一吐v + 3 k y j 3 c o s ( 2 c a 2 一q 弘+ 言岛口c o s ( 2 c o - + q 弘 + 三岛口c o s ( 2 伤+ q 弦+ 岛3c o s 3 q f + 丢岛哆c o s 3 吐f + 可以看到，双音信号的输出中，比单音又多了互调分量。1 。2 ，2 。1 2 ，2c a 2 l 等。 一般情况下，仅有2 。1 一口2 ，2 2 一口1 分量落在通带内，是主要考虑的三阶交调非线性失真。图 2 1 ”1 表示了单音信号经过非线性系统后时域和频域中的失真情况。 4 东南大学硕士学位论文 t i m e 图2 1 单音信号经过非线性系统后的失真 2 1 2 功率放大器介绍“1 功放可以分为a 、b 、a b ，c 、d 、e 、f 等多种，按照晶体管的等效电路分，a 、b 、a b 和c 类属 于一类，它们的特点是输入均为正弦波，晶体管都等效于一个受控电流源；o 、e 、f 属于另一类， 它们的特点是输入为矩形波，晶体管等效成一个受输入信号控制的开关。按照功放的线性度来看a 、 b 、a b 类都属于线性功放，而c 、d 、e 、f 则属于非线性功放。 常用的功放中，a 类功放提供了最佳的线性度，但是效率最低，理论上最高只有5 0 0 ；b 类功放 线性度较差，效率却能达到7 8 5 ；a b 类功放是介于a 类和b 类功放之间的产物，能在提供优于b 类 功放的线性度的同时，仍保持较高的效率；而c 类功放相比上述几种功放，线性度较低，但效率却有 较大的增加。实际应用中，高功率功放大多采用在效率和线性度问获得较好平衡的a b 类功放；小功 率应用场合下，线性度优异的a 类功放使用较多。 衡量功放的主要指标有输出功率( o u t p u tp o w e r ) ，增益( g a i n ) ，增益平坦度( g a i nf l a t n e s s ) ， 效率( r 1 ) 和功率附加效率( p a e ) ，工作频率( f r e q u e n c y ) ，带宽( b a n d w i d t ”，噪声系数( n o i s e f i g u r e ) ，l d b 增益压缩点( 1 d bp o w e rc o m p r e s s i o np o i n t ) ，三阶交调截断点( t h i r d o r d e ri n t e r c e p t p o i n t ) ，邻近信道功率比( a c p r ) ，误差矢量幅度( e r r o rv e c t o rm a g n i t u d e ) 等。其中几个我们感 兴趣的主要指标介绍如下。 ( 1 ) 、输出功率( o u t p u tp o w e r ) 和增益( g a i n ) ： 输出功率表示功放输出信号的强度。一般功放的输出功率根据用途不同差别很大，从移动终端 的0 3 0 6 w 到基站的i o w i o o w 不等。一般而言输出功率越大，功放的设计与实现的难度就越大。 增益定义为放大器输出功率与输入功率的比值，它决定了功放对于输入信号的放大能力。一般 功放管的增益范围有从l o d b 到2 0 d b 不等，当功放需要的输出增益超过这个范围时就需要把几个功放 管连接起来，组合成多级放大网络。增益定义如下： 鼢= 1 0 l 0 9 1 0 ( 2 4 ) ( 其中圪。是输出功率，己是输入功率) ( 2 ) 、效率( e f f i c i e n c y ，n ) 和功率附加效率( p o w e ra d d e de f f i c i e n c y ，p a e ) ： 功放工作的实质是将电源的直流功率转化为交流信号功率输出。实际工作中，只有一部分直流 功率能被转化成为有用的信号功率并为负载所获得，其他的功率被放大器本身以及电路中的寄生元 5 东南大学硕1 ：学位论文 件所消耗。效率n 就是用来衡量功放把电源功率转化为输出功率能力的指标。 效率定义为消耗在负载上的功率和直流电源的功率的比值。功率附加效率p a e 定义为输出信号功 率减去输入信号功率后和直流电源功率的比值，表示了功放的纯放大效率。 p 刁2 吉 2 5 ) d p a 占= 等吲1 一上g a i n ) 昂 “7 ( 2 6 ) ( 最：负载功率，昂：直流电源功率) ( 3 ) 、邻近信道功率比( a d j a c e n tc h a n n e lp o w e rr a t i o a c p r ) a c p r 是衡餐功放线性度的重要指标，它代表了由于功放非线性化引起的输出频谱再生对相邻频 带的干扰。a c p r 定义为带内信号功率和相邻信道功率的比值 d a c p r = 卫( 2 7 ) p ( 只：带内功率，只：邻带功率) ( 4 ) 、i d b 增益压缩点( 1 d bp o w e rc o m p r e s s i o np o i n t ) l d b 增益压缩点定义为功放实际输出功率低丁：理想输出曲线i d b 处的_ 丁作点。功放作为一个有 源器件，其输出信号无法随着输入信号的增加而无限增加，而会趋近与一个饱和值。i d b 增益压缩 点常用来当做功放开始进入失真区的标志。 上面几个指标，分别代表了对于功放设计的三个要求。设计一个符合要求的功率放大器，就是 要在保持一定的输出功率和增益的前提f ，尽可能地提高效率，同时不降低功放的线性度。效率决 定了功放能量上的利用率，从而直接决定了功放的功耗：而功耗则会对功放的供电，散热，体积， 成本等多方面产生重要影响。线性度决定了功放在频谱资源上的利_ l j 率，良好的线性度可以降低频 谱再生，减少对临近频段的干扰，这样就可以在有限的频谱内放入更多的信道，这点在频谱资源不 断稀缺的今天意义尤其重大。同时线性度也和功放的效率息息相关。效率和线性度是功放设计中的 一对最主要的矛盾，往往不可兼得，功放设计就是要在这两者之间找到一个平衡点。 2 2 线性化常见方法璐1 功率放大器线性化技术的目的是使放大器在保持输出功率和效率达到最高的同时仍具有良好的 线性特性。常用的线性化技术有前馈法( f e e d f o r w a r d ) 、笛卡儿负反馈法( c a r t e s i a nf e e d b a c k ) 、 功率合成法( l i n c ) 和各种预失真方法( p r e d i s t o r t i o n ) 等。本节主要介绍目前常见的几种线性化的 手段。 2 2 1 前馈法 前馈法是将反馈信号加在输出端的特殊反馈方法。其原理是先获得功放输出信号的三阶交调失 真分量，然后使用此分餐的反相信号抵消功放输出中的失真干扰，达到改善功放线性化的目的。前 馈技术的优点是线性改善度高，工作带宽较宽，而且算法稳定；缺点是系统复杂度较大，成本较高。 采用前馈法线性化的系统如图2 2 所示。 6 东南大学硕士学位论文 g a m 2 a o 图2 2 前馈法 2 2 2 笛卡儿负反馈法 笛卡儿负反馈法使用了标准的负反馈结构。基本思想是将功放输出的非线性失真信号反馈到输 入端，与原输入信号共同作为功放的输入信号，以减少功放的非线性。负反馈法的优点是结构简单， 同时互调干扰的抑制效果较好，缺点是带宽较窄。采j 【 j 笛卡儿负反馈法的系统如图2 3 n 示 图2 3 笛卡儿负反馈法 2 2 3 功率合成法 功率合成法就是想办法把输入的基带信号分为两个恒定包络的信号，每个分量都使用一个效率 较高、功率较小的功放进行放大处理，然后将放大后的分量重新合成为一股信号。功率合成法要求 两个功放的工作状态保持一致，否则就会对两路信号放大不同的倍数，造成最终合成信号的失真， 因此频率合成法对于功放元器件的漂移非常敏感；同时，基带信号的合理划分也较难处理。采用功 率合成法线性化的系统如图2 4 所示 7 东南大学硕士学位论文 图2 4 功率合成法 2 2 4 预失真法 预失真法就是在功放之前增加一个非线性电路用以补偿功放的非线性。根据非线性电路与调制 器之间位置前后的不同，预失真方法又可以分为射频预失真( r fp r e d i s t o r t i o n ，见图2 5 ) 和基带 预失真( b a s e b a n dp r e d i s t o r t i o n ，见图2 6 ) 两火类。其中r f 预失真器位丁调制器之后，紧贴功放 输入端，对于信号的预失真处理在射频频段内进行。其优点非线性改善效果明显，性能稳定；缺点 是在射频上处理，难度较大。基带预失真器则位于调制器之前，对丁信号的预失真处理在基带频段 内进行，由于频率较低，基带预失真往往在数字域中进行，冈此也叫做数字基带预失真( b a s e b a n d d i g i t a lp r e d i s t o r t i o n ，d p d ) 。相对于r f 预失真，d p d 系统设备复杂度较高，但是却是在较为容易 控制的数字域中进行所有的处理，可以实现自适应的预失真。图2 7 是自适应预失真的框图。 b a s e b a n d d a t a b a s e b a n d d a t a l o 图2 5 射频预失真 l o 图2 6 基带预失真 8 东南大学硕士学位论文 x 图2 7 自适应预失真 当然，最近也有很多人开始不局限于一种方法，出于各取所长的目的，他们在系统中使用多种 方法，结合各个方法的优点。取得了不错的效果。比如，佐治亚理工的s t e v e n s o nk e n n y 教授在他 2 0 0 5 年发表的论文中间，同时用到了射频包络预失真和数字基带预失真，而且取得了比单一方法都 好的效果。 d p d 技术最大的特点就是把原先属于射频模拟领域处理的功放线性化技术，转移到了数字域中 进行处理。当然这种转变需要付出一定的设备复杂度、信噪比和成本作为代价。就目前看情况来， d p d 技术的优点和缺点都相当突出。 首先算法处理在基带数字域中进行处理，大大降低了系统实现难度。 模拟域射频频段内的信号处理，对于 二艺和经验的要求非常高，同时射频器件对于环境的改变 较为敏感，因此在射频模拟域内进行精确的线性化处理，需要考虑的因素很多，实现难度要较大。 而数字信号处理技术最大的优点就是稳定可靠。d p d 技术将原本难以实现的射频模拟域内的信号处 理，转移到了简单、可靠、灵活的数字域中进行处理，大大降低了实现的难度，增加了系统的可靠 性和可控性。 其次系统结构与基带输入信号的调制方式无关，适应性强。 d p d 技术的关键是获得功放本身的增益压缩特性，而与送入功放的已调信号的特性关系不大。 这就意味着套成熟的d p d 系统，一经结构确定，便可以通过调节很少的几个关键参数或者换一套 其他的软件算法来适应不同调制方式的输入信号，而毋需其他硬件上的改动；而一般的射频模拟域 内的线性化处理，需要针对不同的调制信号特性进行特别的硬件处理。d p d 在这方面的超强的普适 能力是普通模拟线性化技术无法比拟的。 第三依托于高速发展的数字技术，发展空间广阔。 d p i ) 技术是随着数字信号处理技术的突飞猛进而发展起来的。理论上来说，一套成熟的d p d 系 统，在不改变总体方案框架结构的情况下，仅仅通过更换使用更高性能的a d 、d a 转换器、f p g a 或者d s p 处理器，就可以获得更好的性能体现。这也是普通模拟线性化技术无法做到的。而现代数 字技术的日新月异，也为这种性能的提升保证了充分的空问。 最后符合现代通信发展趋势，更容易和数字技术结合。 现代通信技术发展的一大趋势，就是把越来越多的部分放到数字域中进行处理，也就是人们通 常所说的把更多的内容放到d a 转换器之前进行处理。d p d 作为数字技术，和目前流行的数字中频 ( d i g i t a li f ) ，c f r ( c r e a s tf a c t o rr e d u c t i o n ) 等技术天生就有很强的结合能力。将这些原先需 要在模拟域中进行的复杂处理放到一块统一的由f p g a 和d s p 构成的数字基带板中，可以大大地提高 系统的集成度，降低设备复杂度。 9 东南大学硕士学位论文 同样，d p d 技术也有许多缺点： 首先系统带宽有限。根据采样定理，为了有效地采集到信号，a d 转换器的采样频率至少需要 有被采信号带宽的一倍。实际应用中，为了采得较准确的信号，往往需要“过采样”，即使用被采信 号带宽1 0 倍以上的采样频率，才获得较好的效果。现代通信系统中的基带信号带宽有越来越宽的趋 势。如c d l i a 2 0 0 0 1 x 采用了1 2 5 m h z 的载波带宽，c d 姒2 0 0 0 3 x 利用三个1 2 5 姗z 载波的合并形成 3 7 5 e l z 的载波带宽。而w c d m a 具有5 m l l z 的载波带宽。对于未来的多载波系统，带宽可能更宽。为 了能够准确采集到基带信号，d p d 系统对丁二a d 和9 a 转换器的性能提出了很高的要求。 其次实时自适应算法实现复杂。d p d 技术的难点是实时自适应算法，这是当前d p d 系统还不能 完全实心化的关键。完全的实时自适应算法需要消耗人龄的运算资源和存储，而且对于器件处理运 算速度有很高的要求，目前能够达到需要的器件往往价格较高，因此在实际应用中还很难做到。目 前实际应用中可行的方案往往采用了简化的一些处理手段。 第三设备复杂度增加。d p d 技术将复杂的射频模拟域处理转移到了数字域中，降低了线性化处 理的难度，但这却需要通过增加一块数字处理部分来实现。虽然现代f p g a 、d s p 的价格不断f 降， 但是相对于原先的模拟线性化技术来说还是增加了不少成本。 最后会引入噪声，降低了信号的信噪比。d p d 技术的另一个问题是会抬高整个频带内的噪声电 平。这是目前所有d p d 系统的通病。一般认为这是由于a d 、d a 转换器的舍入误差造成的。上抬的 噪声电平会对相邻信道的性噪比产生消极的影响，对丁ic d 姒系统，这会直接减少系统的容量。 由上述可见，d p d 系统的优势与缺点都很明显，但是经过仔细分析可以看出，d p d 儿乎所有的缺 点都是由 二数字技术的本身的不完善造成的。无论是系统带宽的限制，信噤比的降低，还是对于目 前的商用级数字处理元器件而言太过复杂的自适戍算法，这些问题都能够随着数字技术的b 速发展 而一一解决。我们看到几年前还属于天价的高端数字器件，在今天可能已经能用很低的价格购入； 几年前还遥不可及的性能指标在今天也已经成为了业界的标准配置。相对于数字技术，模拟元器件 的发展速度相对而育就平缓许多了。因此尽管目前业界中的实际功放还大多采_ h j 传统的模拟线性化 技术，但从未来的发展来看，d p d 技术有着更加广阔的发展前景。 2 3 功放模型提取 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：y o l t e r r a 级 数法，多项式法，神经网络法等等。其实，y 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。v o l t e r r a 级数早在上个世纪中期就被提出来了。然而，随着1 9 9 9 年 a l b e r t o c a r i n i 教授提出了v 向量的概念后，v o l t e r r a 级数法开始被广泛地应用到功放模型提取中， 因为v 向量结合v o l t e r r a 级数可以使得这个非线性系统的数学表达式成为线性表达式。也就是说， 具有了线性系统中的时移不变得特性。所以数字信号处理中，很多经典的和现代的算法被应用到预 失真系统中，实现自适应的数字预失真。这个研究上面已经有很多文章。都柏林大学的a n d i n gz h u 博士等人已经做了大量的研究。但是由于其计算复杂，硬件系统还没有见到，所以也是一个可以研 究的分支。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y 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。神经网 络通常用来描述一个不能确定的数学表达式来描述的系统。所以也很自然的被用到了功放的模型提 取中。随着增加节点数，神经网络复杂度增加，但是曲线的逼近程度也更好，往往好于上面两种方 法，但是神经网络的训练过程比较长，收敛的问题也是需要重点考虑的。而且无论是计算量还是结 构复杂度都不大可能用硬件实现。所以实用价值不大。虽然国际上也有一些研究，但是不是很多。 2 3 1 多项式法 假设功放的输入和输出可以表示为 1 0 东南大学硕士学位论文 ) ，= q x + 呸x 2 + a 3 x 3 + a 4 x 4 + ( 2 8 ) 为了确定该多项式，我们需要确定a - 到岛的值。最简单的方法就是已知r 1 个x 和n 个对应得y 这样 就得到一个n 元的一次方程组。虽然有可能这个方程组没有解，但是利用工程矩阵中的晟小二乘解 的思想，我们可以得到一个最近似的解。如何知道这n 个x 和y 的值? 我们可以加训练序列。但是 有一个问题就是要同步。由于环路延时，要确定好x ，y 的位置关系非常重要。最简单的同步算法就 是相关法。 2 3 2v o l t e r r a 级数法和v 向量代数 随着1 9 9 9 年v 向量代数的概念的提出，v o l t e r r a 级数法受到了越来越多的关注。因为v 向量 代数使得v o l t e r r a 级数具备了时移特性。这样就可以把非线性系统看成个线性系统。从而大大简 化运算。 在离散时问域，一个三阶的v o l t e r r a 级数可用下式表示：， nnn y 珂】= o x m 一明+ 唾2 ) 砸栉一k x n 刀 2 0= 0 5 0 ( 2 9 ) nnn + 唾。珈一k x n 1 x n m 】+ e m k = o i = 0m = o 其中h 1 到h 3 表示线性部分，2 次部分和3 次部分的转移函数。要确定该模型，就是要确定这些转移 函数。这里如果我们引入v 向量的概念。假设 矗= 【x ( 咒) ，x ( n 一1 ) ，x ( n 一+ 1 ) 】1 碗：弛一襻p 搿专妒 砖必一越十1 ) z 滞x ( n - i ) 2 s 一魑) 2 一 缸7 i ) ：由t 1 ) t 一她十l 融一蚴 瓠= 、 。 i ) 毋e 一越十1 ) ：妇一1 烦氍一黝 这样我们可以将2 9 式写成 ( 七) = 嵋五 = 一l + q - 1 ) 吃= d ) 一w 鼍 力 一玎 “磅 一 x q 窆 窆 1 1 东南大学硕十学位论文 很明显这是一个线性系统的表达式。只不过其中的x ，w 向量是上面给出的v 向鼍，不是我们传统的 向量。但是这已经大大简化了运算，而且在求系数矩阵w 的时候，可以引入自适应滤波中的许多算 法来自适应刷新系数。 2 4 数字预失真设计考虑 由前面的讨论可以看出，我们实际系统中采用的基带数字预失真技术，关键阀题在于功放模型 提取。而功放模型的提取对于训练序列的设计又有着密切的关系。下面主要讨论训练序列的设计考 虑。 对于训练序列，我们主要考虑一下几个因素：首先，频率越接近实际信号越好；第二，反馈信 号得到的点数越多越好；第三，方便同步和计算。 对于频率和点数，其实是一对矛盾。因为我们的系统时钟频率是固定的6 0 m h z ，如果训练序列 的频率f 和反馈信号所能得剑的点数n 有如一f 的关系： 栉= 6 0 i f ( 2 1 0