（电路与系统专业论文）基于预失真的功率放大器线性化技术研究[电路与系统专业优秀论文].pdf

摘要 摘要 功率放大器是无线通信系统中一个关键的组件，其线性度和效率一直是被关 注的焦点。在第三代移动通信系统中( 如w c d m a ，c d m a 2 0 0 0 ) ，线性调制技 术被广泛采用。然而，峰均比高的非恒包络信号经过线性度较差的功率放大器后 会产生非线性分量，造成频谱扩展，干扰相邻信道。虽然通过功率回退，可以得 到较好的线性度，但是对于峰均比高的信号而言，效率就会很低。因此，需要采 用线性化技术来提高线性度，减小邻道干扰，同时提高效率。 功率放大器线性化技术主要包括反馈、前馈、交互抵消、预失真等，本文主 要针对预失真技术中的模拟预失真技术进行研究和分析。 首先介绍功率放大器的一些非线性特性和指标，并对功率放大器记忆效应的 产生原理进行分析。随后就不同的线性化技术进行了扼要的原理分析与比较，指 出模拟预失真技术的优越性。 然后针对模拟预失真器进行了专门研究，分别就基于肖特基二极管和基于场 效应管的预失真器进行了理论分析及仿真，比较两者的不同之处。同时，对环路 模拟预失真器结构进行了研究，包括单环结构、双环结构和多环结构。通过分析 比较，最终采用基于双环结构和场效应管相结合的模拟预失真模块方案。 最后在对模拟预失真系统详尽理论验证的基础上，通过设计1 6 ww c d m a 直放站功率放大器来验证所设计的预失真模块的特性。测试结果表明，输出功率 为4 2 d b m 时，在6 0 m h z 带宽内a c p r 指标不同程度的改善了5 - s d b ，效率达到 1 5 以上。功率放大器的线性度和效率均得到了一定的改善。 关键词：功率放大器，线性化技术，预失真，双环结构，a c p r a b s t r a c t a b s t r a c t p o w e ra m p l i f i e r sa r ek e yc o m p o n e n t si 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 ，w h o s e l i n e a r i t ya n de f f i c i e n c ya r ea l w a y st h ee m p h a s e s l i n e a rm o d u l a t i o nt e c h n o l o g yi s w i d e l ya d o p t e di nt h et l l 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 ns y s t e m s ( e g w c d m a ， c d m a 2 0 0 0 ) h o w e v e r , t h ed i s t o r t i o nw i l l b eg e n e r a t e dw h e nt h en o n c o n s t a n t e v e l o p es i g n a l s 、i t l lh i g hp e a k a v e r a g e r a t i o ( p a r ) a r ea m p l i f i e db yan o n - l i n e a r p o w e ra m p l i f i e r t h e s ed i s t o r e ds i g n a l sw i l lr e s u l ti nt h es p e c t r u mg r o w t ha n di n t e r f e r e 、访吐1a d j a c e n tc h a n n e l s i fw es i m p l yb a c k o f ft h ei n p u ts i g n a lt oa c h i e v et h el i n e a r i t y r e q u i r e df o rt h ep o w e ra m p l i f i e r , t h ep o w e ra m p l i f i e re f f i c i e n c yw i l lb ev e r yl o wf o r k g hp a rs i g n a l s t h e r e f o r e ，t h el i n e a r i z a t i o nm e t h o d sa r en e e d e dt oi m p r o v et h e l i n e a r i t y , t h u sr e d u c i n gt h ei n t e r f e r e n c ea n di m p r o v i n gt h ee f f i c i e n c y t h e r ea r es e v e r a lp al i n e a r i z a t i o nm e t h o d sa v a i l a b l ew h i c hc a nb ec l a s s i f i e d m a i n l ya sf e e d b a c k ，f e e d f o r w a r d ，c r o s sc a n c e l l a t i o na n dp r e d i s t o r t i o n t h i sd i s s e r t a t i o n d e a l sm a i n l yw i t ha n a l o gp r e d i s t o r t i o n m n o n l i n e a r i 够c h a r a c t e r i s t i c sa n dp a r a m e t e r so fp o w e ra m p l i f e r sa r ef i r s t l y i n t r o d u c e d t h ep r i n c i p l eo fm e m o r ye f f e c to fp o w e ra m p l i f i e ri sa n a l y z e d t h e n , s e v e r a ll i n e a r i z a t i o nm e t h o d sa r ea n a l y z e da n dc o m p a r e di ns i m p l ew a y m e a n w h i l e ， t h ea d a v a n t a g e so fa n a l o gp r e d i s t o r t i o na r ep r e s e n t e dc o m p a r e d 、析t l lo t h e rm e t h o d s t h e a n a l o gp r e d i s t o r t e r s a re s p e c i a l l y d i s c u s s e df o rt h e s y s t e m ，t h e s c h o t t k y - d i o d e s b a s e dp r e d i s t o r t e ra n d t h ef e t - b a s e dp r e d i s t o r t e ra r e a n a l y z e d ， s i m u l a t e da n dc o m p a r e df o rs y s t e ms c h e m e m e a n w h i l e ，t h el o o ps t r u c t u r e so fa n a l o g p r e d i s t o r t i o na r ea n a l y a e d ，i n c l u d i n gs i n g l e l o o p ，d u a l l o o p sa n dm u l t i - l o o p s t h r o u g h t h ea n a l y s i sa n dc o m p a r i s o n , t h ef e t - b a s e da n a l o gp r e d i s t o r t e rw i t hd u a l l o o p si s a d o p t e df o rt h i sd e s i g n b a s e do nt h ed e t a i l e da n a l y s i so ft h ea n a l o gp r e d i s t o r t i o ns y s t e m , t h e16w a t t s p o w e ra m p l i f i e ro fw c d m ar e p e a t e r si sd e s i g n e df o rv a l i d a t i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so f t h ed e s i g n e da n a l o gp r e d i s t o r t e r t h er e s u l t si n d i c a t et h ea c p ri si m p r o v e db y5 - 8 d b w i t h i n6 0 m h zb a n d w i i d t ht od i f f e r e n te x t e n t sa n dt h ee f f i c i e n c yi so v e rt h a n15 i na a b s t r a c t w o r d ，b o t ht h el i n e a r i t ya n dt h ee f f i c i e n c yo ft h ep o w e ra m p l i f i e ra r ei m p r o v e db yt h i s a d o p t e dp e r d i s t o r t e r k e y w o r d s ：p o w e ra m p l i f i e r , l i n e a r i z a t i o r t , p r e d i s t o r t i o n , d u a l l o o p s ，a c p r 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。 签名： 日期：如? 年r 月圹日 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：垄墅导师签名： 日期：加。7 年r 月圹日 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 第三代移动通信技术( 3 g ) 在语音和数据传输的速度上比前两代技术有所提 升，它可以在全球范围内更高地实现无缝漫游，并处理图像、音乐、视频流等多 种媒体形式，提供包括网页浏览、电话会议、电子商务等多种信息服务。国际电 信联盟( i t u ) 确定的第三代移动通信系统主流无线接口标准主要有以下四种： w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 、t d - s c d m a 和w t m a x 。这四种标准，其r f 信号都具 有多载波和信号功率谱动态范围大等共同特点。中国从2 0 0 9 年起将全面开始3 g 的商用，由中国移动负责t d s c d m a ，中国联通负责w c d m a ，中国电信负责 c d m a - 2 0 0 0 ，这更加促使通信设备商加大力度投入生产与研究，以提供优质的网 络服务质量。 w c d m a 已经在全球1 0 0 多个国家商用，共铺设了2 5 8 张网络。全球用户占 到3 2 亿，市场占有率达到7 7 。全球的主要设备商有爱立信、诺基亚西门子、 华为、中兴、阿尔卡特朗讯等。它的产业链最广，全球用户最多，技术也是最完 善的。w c d m a 的下行速率可达到1 4 4 m b p s ，上行速率达到5 7 6 m b p s ，可实现 可视电话、高速数据上网、w a p 等业务。 从技术层面上讲，w c d m a 的下行通道，即基站到用户终端通路，采用q p s k ( i e 交相移键控) 数字调制方式，而q p s k 信号是非恒包络信号，当其经过线性 度较差的功率放大器放大后，信号会产生失真，并且造成频谱扩展，对相邻信道 造成干扰。在现代移动通信系统中，特别是3 g ，对功率放大器的线性度提出了较 高的要求。通常要求基站功率放大器输出信号的临信道功率比小于- 4 5 d b c 。 传统改善功率放大器线性度的方法是采用线性度较好的a 类或a b 类功率放 大器，通过功率回退使得功率放大器尽可能的工作于远离饱和点的线性区域。这 样做的不足之处在于它会很大程度的降低功率放大器的效率。 为解决这个问题，要求功率放大器除具有良好的线性性能外还必须要有较高 的效率，这样就对功率放大器提出了线性化处理的要求。所以本文就线性化技术 中的预失真技术展开探讨，寻求一种既简单又实用的预失真方法。 电子科技大学硕士学位论文 1 2 射频功率放大器线性化技术的发展及研究现状 对功率放大器的线性化技术研究始于上世纪二十年代。美国人h s b l a c k 发 明的前馈和负反馈技术对放大器的非线性失真的改善非常明显，可以说他开创了 功率放大器线性化技术的先河。j r m a c d o n a l 通过设计相应的补偿电路来减小非 线性失真，里面提到了预失真的思想【l 】。h e l m u tk vl o t s c h 详细分析了二极管中 所存在的非线性失真【2 j 。g a b f i e l l a 将最小均方误差预失真技术用于o f d m 系统中 【3 】。s e s t a p l e t o n 通过一个工作在中频的自适应预失真器和简单的反馈支路减小了 发射机输出信号中的互调失真【4 。5 】。b e m a r d i n i 详细分析了用于五阶模拟预失真技 术中的不同控制方案与优化标准【6 】。e gj e c k e l n 将数字接收机技术应用于功率放 大器的线性化技术中，并设计实现了自适应基带预失真器【7 1 。 近1 0 年来，对模拟预失真技术的研究也越来越多。m i c h a e l 提出自适应方法 来提高多载波功放的线性度和效率，其模拟预失真器的传输特性基于一个奇次的 复多项式【8 】。l a i 提出新的基于多项式的功放模型，与传统的预失真器相比，在非 线性失真改善上具有更好的一个特性【9 】。s t o n i c 提出一种新的用于表征无记忆功 放非线性的结构【l 们。k a n g 设计了一个用于v 盯跳频系统中的线性功放，采用自 适应预失真器实现，实验结果表明频谱扩展减小了1 0 d b 1 1 j 。r a h k o n e n 研制了基 于复值多项式的五阶预失真器的芯片。该预失真器可用于基带和低中频，它对a 和a b 的放大器的线性度改善量分别达到2 0 d b 与3 0 d b 1 2 】。b a n e l l i 研究了模拟数 字相结合的预失真技术对o f d m 信号非线性度的改掣1 3 】。l e e 研究的预失真器能 独立控制三五阶非线性失真分量【1 4 1 。y o u n gk i m 提出了一种新型的模拟预失真器， 它能够独立产生和控制三阶和更高阶的失真产物，测试结果表明对c w 信号而言， 功放的三阶和五阶分量可以分别改善至少4 0 d b 和2 0 d b 。对于4 载波的c d m a 信号a c p r 可以改善至少1 0d b 【l5 1 。s e u n g y u pl e e 提出了一个用于直放站的全自 动的自适应模拟预失真功率放大器，其通过检测r f 功率放大器输出频谱，再利 用d s p 来控制主功放的栅极偏置电压和矢量调制器的电压。结果表明对于单载波 和四载波的w c d m a 信号，它们的a c p r 可分别改善2 2d b 和2 0 5d b 1 6 j 。 w a n g m y o n gw o o 提出了一个r f 包络预失真系统，它采用模拟包络预失真和数字 查找表相结合的方法。结果表明对于一个9 0 w 峰值包络功率的功率放大器，其 a c p r 可改善6d b 1 7 】。s u n g c h a r tj u n g 提出一个包含了包络延时抽头和控制电路 的包络预失真器，其可以补偿记忆效应。最终结果表明对于一个3 0 w 峰值包络功 2 第章绪论 率的功率放大器，用间隔为2 0 m h z 双音信号进行测试，仅用一个延时抽头，低 i m 3 和高i m 3 可分别改善2 0 8 4d b 和1 8 1 7d b t l 8 j 。j a e h y o k y i 提出了用于c d m a 基站的基于模拟预失真的高功率放大器。为了有效抑制相邻信道的频谱扩展，应 该消除奇次互调分量。为此，研制了用于消除三五阶分量的预失真器。其设计的 预失真功率放大器在2 3 7 2 4 g h z 时，输出功率为4 5 d b m 。对于码片速率为 8 1 9 2 m c s 、带宽为3 0 m h z 的c d m a 信号，其a c p r 改善了9 d b 1 9 1 。c h a r t w a n g p a r k 提出了用于3 g 系统的基于l d m o s 的l 强预失真器。通过使用一个与功率 放大器相同的晶体管作为预失真器，可以得到一个准反向的a m a m 和a m p m 曲线。通过均衡有着同样器件的线性支路和非线性支路的群延时，可以获得一个 宽带的特性。将此线性器用于c d m a 2 0 0 0 基站中的3 1 0 w 功率放大器，a c p r 改 善了6 5d b ，在同样的线性度指标下，增益提高了2d b ，效率为8 t 2 0 j 。j e o n g h y e o n c h a 等人对设计线性功率放大器提出了一个设计导向。定量的分析了三个影响线 性度的因素，即高阶项、幅度失配和相位失配。设计了一款基于w c d m a 的线性 功率放大器，其峰值包络功率( p e p ) 为3 0 w 。一个简单的三阶预失真器用于测 量谐波的相位，同时也用于产生预失真分量。实验结果表明，对于一个4 载波的 下行w c d m a 信号，预失真功率放大器在输出功率为3 6d b m 时的a c p r 为- 4 6 d b c ，改善了1 3 4d b t 2 。 近几年来，国内的科研院所和通信设备公司也开始重视对功率放大器线性化 技术的研究。电子科技大学、浙江大学、西安电子科技大学等院校在这方面有了 相关的研究 2 2 - 2 4 1 。华为、中兴、大唐等通信设备公司也进行了线性功率放大器的 研制，并取得不少成果。但由于国内相关研究起步较晚，而且相关研究人员较少， 在学术研究论文数量、专利申请和产品性能上，与国外存在着一定的差距。为了 改善这一局面，就需要国内的科研院所及通信设备提供商在功率放大器线性化技 术研究上投入更大的研发力量。 1 3 论文的内容安排及主要工作成果 本文的研究工作主要围绕模拟预失真功率放大器的理论研究、仿真和设计实 现来展开。模拟预失真功率放大器，包括射频功率放大器和模拟预失真模块两部 分。功率放大器是研究的基础，模拟预失真线性化技术是改善线性度的手段。本 文先对功率放大器的非线性特性等进行研究，接着展开对模拟预失真技术的研究， 电子科技大学硕士学位论文 最后两者结合进行综合系统的研究。 本文除第一章绪论外，主体部分为五章，其主要内容如下： 第二章首先对功率放大器的非线性失真特性进行研究，主要为a m a m 失真 和a m p m 失真；然后简要介绍了功率放大器的一些非线性指标，如输出功率l d b 压缩点、输出三阶交截点等：接着就功率放大器的记忆效应结合实际进行了分析； 最后简要的介绍了当前主流的射频功率放大器的线性化技术，从前馈技术、交互 抵消技术到本文使用的预失真技术，分析了各技术的特点，并对这些线性化技术 进行了比较。 第三章着重对射频模拟预失真器进行了研究。分别对基于肖特基二极管和基 于场效应管的模拟预失真器进行了理论研究和仿真，比较两种方法的优缺点。然 后对模拟预失真器的环路结构进行了研究，从最简单的单环结构到复杂的多环结 构，用数学推理验证了其可行性，最后通过综合考虑确定本设计中使用的模拟预 失真器结构。 第四章就采用的模拟预失真结构，结合具体项目进行了设计与仿真。此章中 设计实现了模拟预失真器，并对两级功率放大器进行了仿真，最后进行了级联仿 真。同时针对系统的实际应用需要设计了控制和监控电路。 第五章对模拟预失真功率放大器系统进行了测试与调试，并对测试结果进行 了分析。 第六章对本文进行总结，并就存在的不足及下一步工作进行扼要的说明。 本文的主要工作成果是研究了基于场效应管和双环结构相结合的模拟预失真 器。其优点在于体积小，结构简单，易于调试，能对功率放大器的线性度起到一 定的改善作用。该模拟预失真器可应用于w c d m a 直放站功率放大器系统中。 4 第二章功率放大器的非线性特性和线性化技术 第二章功率放大器的非线i l 生特性和线性化技术 一个理想的放大器具有线性的传输特性，输入与输出的关系可表示为： t o = o ) = k 1 圪( r ) ( 2 - 1 ) 其中k l 为放大器的电压放大倍数。 在输出信号中，带内和带外没有新的频率成分，仅仅是输入信号的一个无失 真放大。但是，当一个系统中存在非线性元件时，就有可能有其他的失真出现。 在这种情况下，不能够用一个简单的转移函数来描述传输特性，输出信号通常是 输入信号的非线性函数，这种信号失真常称为“非线性失真 。 2 1 功率放大器非线性失真特性 功率放大器的非线性失真特性主要由幅度幅度( a m a m ) 失真、幅度相位 ( a m p m ) 失真这两个特性来表征。a m a m ，a m p m 的特性图如图2 1 所示【2 熨。 五m p m ( d e g ) l 妒j =：1 6 0 ： o巴 l - 1 。j ， - - 弋 一_ 一 - 一i a ma mi d 瓮 i n p u tp o w e r1 2d b l f d i v i 图2 - 1 功率放大器a m - a m ，a m - p m 特性图 o o 衢 加 o 一 之 电子科技大学硕士学位论文 2 1 1 幅度一幅度( a m - a m ) 失真 在以f 的分析中，假设功率放大器是无记忆的。所谓无记忆是指输出电压是 输入电压瞬时值的函数，那么功放的传输特性可以描述为： k ( f ) = 厂【v ( f ) 】 ( 2 2 ) 其中v i ( t ) 和v o ( t ) 分别为功放的输入和输出电压。 将此函数以泰勒级数的形式展开，便于分析，只取前3 项。 v o ( t ) = l q v , ( t ) + k 2 v j 2 ( f ) + 坞_ 3 ( f ) ( 2 - 3 ) 当输入信号为单音信号时，即m = a c o s c o 。t ，则输出信号为： 。，= 三乞彳2 + ( 毛彳+ 号岛彳3 ) c o s c o l t + 乏1k ：a 2 c o s 2 c o 。t + 丢坞彳3 c 。s 3 q ，c 2 4 ， 从上式中看到，由于功放的非线性，输出信号中不仅包含有输入信号频率分 量，还出现了新的直流分量、二次谐波和三次谐波等谐波分量。其中，基波分量 的振幅为q 1 + 0 7 5 ( k 3 墨) 4 2 】彳，其中k l 为线性增益，0 7 5 ( k 3 a 2 ) 是非线性失真项。 当k 3 o 时，k a 1 + 0 7 5 ( k 3 白) 彳2 】 毛，此时增益呈现扩张特性；反之当k 3 0 时， f i 1 + 0 7 5 ( k 3 局) 彳2 】 岛，此时增益呈现压缩特性。大部分非线性器件如功率放大 器，其k 3 o 的增益扩张特 性，可以利用这一特性来将之设计成预失真器【2 4 】。 2 1 2 幅度一相位( a m - p m ) 失真 幅度一相位o 蝴p 旧失真，是指输出信号的相位随输入信号幅度的变化而变 化。对于一个理想的放大器，它的输出信号的相位可表示为： ( 圪( t ) ) 2 k o ( 2 5 ) 6 第二章功率放大器的非线性特性和线性化技术 其中，k m 是常数，p i 。( t ) 是输入信号。也就是说，输出信号的相位与输入信 号的幅度无关。 然而，在实际的放大器中，输入信号的幅度调制会导致输出信号的相位调制， 所以式( 2 5 ) 会变成为： ( 圪( t ) ) = k m j , , ( a m ) c o s ( c o 。+ m o m ) t ( 2 - 6 ) r = - - o o 其中j n 是n 阶贝塞尔函数，吐是载波信号的角频率。 实际表明，当输入为小功率信号时，功率放大器的非线性主要以幅度一幅度 ( a m a m ) 失真为主，而当输入为大功率信号时，幅度- 相位( a m - p m ) 失真较之前 者对功率放大器线性度的影响更为明显。 2 2 功率放大器的非线性指标 2 2 1 输出功率1d b 压缩点( p ，棚) 图2 2 为用m a t l a b 对功率放大器的输入和输出关系的仿真图。图中有三条曲 线非常重要，分别是理想增益曲线，实际增益曲线和三阶交调失真曲线。 图2 - 2 功率放大器输入与输出关系图 7 电子科技大学硕士学位论文 从图中可以看出，理想的功率放大器，其输出与输入呈线性关系，其增益与 输入功率大小无关，如理想增益曲线所示。而实际的功率放大器，当输入功率较 小时，输出功率与输入功率呈线性关系，而随着输入功率的增大，输出功率与输 入功率的比值将减小，即出现增益压缩现象，如实际增益曲线所示。 当功放的实际增益比理想线性增益低l d b 时，对应的输出功率值为输出l d b 压缩点，即p l 曲。当输入功率继续增大，输出功率会达到一个最大点，这一点就 称为功率放大器的饱和输出功率点。放大器工作在饱和点附近时，虽然效率可以 达到最大，但是线性度会变得非常的差。 2 2 2 输出三阶交截点( 0ip 3 ) 三阶交截点表示线性输出功率和三阶互调干扰的功率随输入功率增长而最终 相交与某一点，此点的输出功率为o i p 3 。图2 2 中，三阶交调曲线与理想增益曲 线的相交点即为输出三阶交截点o i p 3 。三阶交截点和三阶交调的关系如下： p a 厕o ，四= 2 ( 置，跏一只，d ，锄) ( 2 7 ) p i ，d b m 是输入功率，p 3 r d , d b m 是三阶交截点，p i n t o ，d b 是三阶交调系数。例如， 当一个功放的p 1 ，d b m 和p 3 r d ，d b m 分别为0d b m 和1 0 d b m ，其三阶交调系数为 2 0 d b e 。此外，当一个功放的非线性可以用幂级数展开时，o i p 3 和p l d b 的关系有： o i p 3 = 日四+ 1 0 6 3 ( d b m ) ( 2 - 8 ) 2 2 3 三阶交调系数( im d ) 对功放进行双音测试时，输入为两个等幅的不同频率的信号f l 和f 2 。因为功 放存在非线性失真特性，所以输出信号的频谱上会有新的频率成分产生，最靠近 基频分量的分别为2 f 1 和2 龟f l ，这就是三阶互调失真分量，如图2 3 所示。 由于三阶互调分量与基波频率f l 和龟非常接近，即使在窄带系统中也很难把 它们从信道中滤除。定义三阶互调系数i m d 3 为： dd 3 = 1 0 1g 之等=gimd 0 l o g 1 0 l o g 等等 ( 2 9 )= 业= 二兰：生( ) nn 8 第二章功率放大器的非线性特性和线性化技术 其中p 表示功率。互调失真分量会造成频谱再生，对相邻信道产生影响。因 此对于一个功率放大嚣而言，输出信号的三阶互调失真越低越好。 越 馨 3 捌作恶硼 频率 图2 3 三阶交调系数 功放的三阶交调系数指标与输出功率之间的关系如下：当输入功率超过p 1 皿 后，如果继续增加输入功率，输出功率增加量会很小，而且三阶互调失真分量也 会变得很差。虽然通过回退可以改善三阶交调系数指标，但功放的效率就会变差。 因此，在线性度要求不高的场合，通过功率回退是可以达到所需的线性度指标的。 但是在线性度要求很高的场合则必须采用合适的线性化技术来实现。 2 2 4 邻信道功率比( a c p r ) 在现代数字通信系统中，由于使用数字调制和多载波技术，载波调制带宽会 对临信道造成干扰。因为双音信号是未经过调制的信号，所以仅仅通过三阶互调 指标来衡量功放的非线性程度是有局限性的。邻信道功率比( a d j a c e n tc h a n n e l p o w e rr a t i o ，a c p r ) 是用来衡量由于功放的非线性导致的信号功率扩散到临近信 道的程度。定义为相邻信道功率与主信道功率之比，如图2 4 所示。 图2 4 相邻信道与主信道功率 9 电子科技大学硕士学位论文 a c p r 指标对于一个用于w c d m a 直放站中的功率放大器而言是相当重要 的，因为w c d m a 单载波信号的带宽为5 m i - i z ，当功放的线性度较差时，输出信 号的频谱就会拓展，这样原本在5 m h z 带宽内的信号功率就会泄露到相邻信道， 对相邻信道造成干扰。在w c d m a 中，就单载波信号而言，相邻信道是指偏离中 心频率5 m h z 处的左右两个信道，对这5 m h z 带宽内的信号进行积分运算就可以 得到相邻信道的功率值。3 g p p 规定，a c p r 需低于4 5 d b e 5 m h z 。 a c p r 指标与i m d 指标存在一定的近似关系【2 6 】： 3 彳呱c = i m d 2 一胍- 6 + 1 0 1 0 9 ( 石n 万) ( 2 - 1 0 ) 在式( 2 1 0 ) 中，a 与b 的值可由下面两个表达式计算。 彳：2 n 3 - 3 n 2 - 2 n + m o d ( n 2 )( 2 1 1 ) 以= 一十一 l z 一， b ：n 2 - m o d ( n 2 ) 4 其中n 为信道个数，m o d ( x y ) 是取余函数。 2 2 5 误差矢量幅度( e v m ) ( 2 1 2 ) 误差矢量幅度( e v m ) 定义为误差矢量信号平均功率的均方根和参考信号平 均功率的均方根的比值，以百分数形式表示。e v m 定义如图2 5 所示。 图2 5 误差矢量幅度 1 0 第二章功率放大器的非线性特性和线性化技术 假设x n 是实测信号，r n 是参考信号，1 1 为取样序列。则e v m 可表示为： e v m m = ( 2 1 3 ) 根据3 g p p2 5 1 0 4 ( r e l e a s e8 ) 规范，当基站系统发射仅为q p s k 调制的信号 时，e v m 应小于1 7 5 ；而包含1 6 q a m 调制信号时，e v m 应小于1 2 5 。 2 3 功率放大器的记忆效应 根据产生机理的不同，记忆效应可以分为两类【2 7 j ：电记忆效应和热记忆效应。 电记忆效应是由于频带内变化的节点阻抗造成的。而其中包络阻抗变化是主 要原因，包络频率变化会导致偏置网络的阻抗变化。它的主要表现是在输出信号 的频谱中，左右非线性失真分量呈现非对称性，更直观说是a c p r 的改善量不一 致。所以说偏置网络设计的好坏影响到电记忆效应的程度。 热记忆效应是功率放大器的结温造成的。结温会随着包络频率变化，而且放 大器的电参量也会受到温度的影响，这样就会造成增益波动和互调失真分量的产 生。由于耗散功率引起的温度升高通常与调制信号频率相关，它们决定了互调失 真分量的幅度。所以说功率放大器的散热问题影响到热记忆效应的程度。 产生记忆效应的来源主要有以下两个方面： ( 1 ) 偏置网络。偏置网络的作用是给功率放大器供电，不影响射频信号的传输， 同时也隔离射频信号馈送到偏置电源，避免功率放大器的不稳定。在设计偏置网 络时，偏置网络须被设计成对射频呈现高阻抗。当输入信号为非恒包络信号时， 偏置网络的阻抗特性会发生变化，这样就会造成记忆效应的产生。v u o l e v i 等人 2 8 1 通过研究发现基频分量阻抗与偶次谐波分量阻抗在带内基本保持不变，而包络分 量阻抗特性会随着频率的变化而变化。为了减小由于这个原因所造成的记忆效应， 偏置网络的阻抗可以设计成对包络频率呈短路，对射频频率呈现开路状态。 ( 2 ) 场效应管的耗散功率。场效应管的热记忆集总元件模型如图2 - 6 所示【2 引。 场效应管的芯片温度是包络频率的函数，可表示为： 乃= z 衄+ 尽掰e ) ( 出) + z 南( q 一呸) e ) 盥( q 一呸) ( 2 - 1 4 ) 电子科技大学硕士学位论文 图2 - 6 场效应管的热记忆集总元件模型 t a m b 是周围环境的温度，r r n 是直流耗散功率导致的直流分量热阻抗，z t n 是直流耗散功率导致在包络频率下的热阻抗，p d i s s 是直流耗散功率。从上式的第 三项可以看到，芯片表面的温度变化与信号的带宽也有关。 如果场效应管的电参量受到温度的影响，那么热记忆效应是不可避免的。所 以只能尽可能的去减小场效应管的热记忆效应。 改善记忆效应的措施有以下一些： ( 1 ) 偏置网络的优化设计【2 9 1 。偏置网络设计在功放设计中非常重要，它应该对 射频通路开路，同时保证直流馈电。在实际设计中，可以在合适的位置适当添加 一些去耦电容，理论上增加了一些传输零点，使得在包络频率点呈现短路，如前 面分析可以有效的减小电记忆效应。但是也要使得偏置网络的阻抗分量在应用频 段上保持恒定。 ( 2 ) 通过双音测试可以观察到三阶分量左右呈不对称，这也是记忆效应的表现。 所以从对称性上考虑，电路设计的对称性有助于改善这一点，对称的偏置电路和 对称的匹配电路可以用于实际的设计中。 ( 3 ) 通过算法也可以改善记忆效应问题，现在很多公司通过数字预失真技术来解 决这个问题，效果比模拟预失真技术要明显。对算法要求比较高，结构相对复杂， 成本也相对高。 2 4 功率放大器的线性化技术 功率放大器的线性化技术有很多种，从原理上可以分为两大类：一类是通过 1 2 第二章功率放大器的非线性特性和线性化技术 获得相反的非线性失真来抵消功率放大器内部的失真，主要包括有前馈技术、交 互抵消技术和预失真技术等；另一类是通过对输入信号进行处理，产生恒包络信 号来避免功率放大器产生非线性失真，如l i n c 技术。 2 4 1 前馈技术 图2 7 是前馈技术的系统框副2 6 1 。通过观察图中双音测试信号的频谱，可以 清楚的知道前馈系统的工作原理。 输入信号被功分器分为两路，两路分离信号的功率并不一定是相同的。上支 路的信号通过主功放，信号被放大，产生了互调失真和谐波失真，同时也产生了 噪声。 定向耦合器c 1 对主功放的输出信号进行取样，然后送至相减器( 18 0 度电 桥) ，而下支路信号则通过一段延时被送至相减器。相减器出来的信号中，即误差 信号，在理论上，主信号被完全抵消，只留下了由主功放产生的一系列非线性分 量。通过c 1 的主信号，经过一段延时，延时时间与信号通过a 2 的时间相同，在 输出耦合端与误差信号耦合，它们两者的信号相位相差1 8 0 度。误差信号经线性 功放放大，并送至输出耦合器，与主信号的输出信号进行耦合，以此来抵消非线 性分量。输出耦合器存在插入损耗，所以在实际应用，应考虑到这点。 图2 7 前馈系统框图 目前，已出现了自适应前馈系统【3 0 】，目的在于根据输出特性自动调整系统中 的各个控制电压，以达到最佳性能。前馈是开环系统，所以是无条件稳定的，在 众多的线性化技术中，前馈能够对线性度提供最大限度的改善。但是前馈系统相 对比较复杂，对器件的精度要求相对较高，而且成本相对也大，所以在实际应用 中需综合考虑。 山吾 电子科技大学硕士学位论文 2 4 2 交互抵消技术 交互抵消技术是基于平衡放大器的原理实现的。两个功率放大器通过功分器 和合路器连在一起，这种结构通常用于高功率输出的场合。如果我们使用相同的 功率管、偏置和匹配电路，那么这两个放大器就拥有相同的电气特性。从原理上 说，其中一个功放产生的非线性失真用于抵消另一个功放产生的非线性失真。 出 图2 - 8 交互抵消原理框图 而交互抵消技术是基于上述结构的改进。图2 8 为交互抵消技术的结构框图 【3 l 】。它包括了3 个环路：载波抵消环路( 第一环路) 、平衡放大器环路( 第二环 路) 、误差信号注入环路( 第三环路) 。第一个环路利用一个等群延时的信号相减 器，从p a l 的输出信号提取误差信号。第二个环路对输入信号进行放大。第三个 环路接收来自第一个环路的误差信号，并将这些失真信号通过幅度和相位的调整 注入到p a 2 的输出。 这一结构的主要优点是：不需要任何诸如预失真器那样的非线性失真信号产 生器，因为预失真器对功率放大器的传输函数估计带有局限性，这样会导致线性 化效果的降低。另一方面，由于平衡式放大器的两个放大器具有相同的非线性， 所以有可能在宽带范围内实现完美的失真抵消。 2 4 3lin c 技术 l i n c 发射机的基本原理如图2 - 9 所示【3 2 1 。输入信号通过信号分离器，分成 两路恒包络的相位调制信号，分离后的常数包络信号各自经过工作于饱和状态的 非线性功率放大器，放大后的信号再进行矢量求和得到原始信号的放大输出，理 1 4 第二章功率放大器的非线性特性和线性化技术 论上由于恒包络信号经过功率放大器，所以只会产生极小的信号失真。 _ - 、 w c d m a s ( t ) 娜一、 - l 信号分离 一 基带信号( s c s ) 一 图2 - 9l i n c 系统结构框图 s ) = 尹p ) p 7 。烈= s 1 ( f ) + s 2 p ) ；o ，) 氲 = 丢( 即) + p ( 呦= 等( 砷m ( f ) ) s 2 ( 归三( s 叫呦= 等似f ) - ) ) p ( r ) = j s ( f ) 乡( f ) ：a r c c 。s 塑 k ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) ( 2 1 9 ) 其中r ( t ) 是输入信号包络，r m a x 是输入信号包络的最大值，伊( f ) 是基带信号相 位，臼( f ) 是附加相位调制角度。 图2 - 9 中的s 1 ( t ) 和s 2 ( t ) 为上变频后的射频信号， 后再矢量叠加得到最终输出信号s o ( t ) 。 s 1 ( f ) = s 1 ( f ) p 脚 s 2 ( f ) = s 2 ( t ) e 掣 两个信号经过功率放大器 s o ( t ) = s 1 0 ) + s 2 ( t ) = ( s l ( t ) + s 2 ( t ) ) e j 。 t = s ( t ) e 叫 ( 2 2 0 ) ( 2 2 1 ) ( 2 2 2 ) 电子科技大学硕士学位论文 理论上合成器输出信号s 0 ( t ) 经过下变频后可以得到原始信号的无失真输出。 l i n c 技术理论上具有1 0 0 的效率和极高的线性度。 2 4 4 预失真技术 在射频功率放大器的线性化技术中，预失真技术的原理相对来说是较简单的。 将预失真器与功放级联，通过预失真器产生的预失真信号，来抵消射频功率放大 器的非线性失真信号，使得输出信号无失真。这种技术的实质就是预失真器使得 输入信号在幅度和相位上产生反失真去抵消功放内部的非线性失真。预失真技术 结构框图如图2 1 0 所示，其工作原理如图2 1 1 所示。 a m - a m ( 增益 a m p m ( 相位 图2 1 0 预失真技术结构框图 a m - a m ( 增益 a m - p m ( 相位 出 图2 - 11 预失真技术工作原理 预失真系统的效率依赖于以下一些因素1 2 6 ： ( 1 ) 需被线性化的功放类别。 ( 2 ) 预失真器的功耗。 ( 3 ) 在预失真的情况下，为了满足指标，功放输出所需的回退量。 ( 4 ) 输入信号的包络特性。 当输出功率减小时，一般的线性放大器( a 类、a b 类或b 类) 的效率就会 下降。一个经过预失真线性化后的放大器，当其对一个非恒包络信号进行放大时， 它的平均效率会大大的低于它的峰值效率，当然也会低于未经过线性化时的效率， 因为预失真器本身也会消耗功率。然而，效率的减小量主要取决于输入信号的包 络特性。为了满足一定的线性度，牺牲效率是在所难免的。对于一个给定了a c p r 或e v m 指标的系统来说，在很多情况下，它的效率会高于未经过线性化的系统。 1 6 第二章功率放大器的非线性特性和线性化技术 在某些系统中，仍然会有必要通过功率回退来满足线性度指标。在这些情况下， 所需的回退量会降低系统的整体效率。在相同的线性度指标下，预失真系统的效 率都要比通过回退来实现的系统的效率要高。因此，当线性度是系统中一个重要 的指标情况下，预失真是一种有效的效率提高的技术。 预失真技术主要可以分为射频模拟预失真与数字基带预失真技术两类。射频 预失真一般采用模拟电路来实现。图2 。1 2