（通信与信息系统专业论文）宽带无线通信中的放大器线性化技术研究.pdf

摘要 , 、y 5 7 8 8 5 a 尤线频率( r f ) 功率放大器已经成为现代无线通信系统发展的瓶鲫，其内在的 _ 线性会使信号j 、：牛失真，并引起邻信道干扰。为了消除_ l 线性，通常的办法是对 大功率信号进行吲退，使放大器t 作在低效率的准线性状态。随着无线通信技术的 不断发展，传统的功率回退力法已无法适庸现代尤线传输技术越米越严格的线性要 求。i 町另方面，放大嚣的低效率更造成通信系统成本和运行费川的急剧提高。放 大器线。眺化是提高传输系统线性皮，并保证放大器i ：竹：在高效率状态的关键技术。 本文在分析”1 前各种放大器线性化技术的拭础上，系统地分析和研究了种最有前 途的、适合米来无线通信宽带麻川的放大器线性化技术一一暴于多项式的基带自适 廊预失真，免：重点解决了? 1 前预失真技术i l i 存在的难点。 本文首先引入非线性理沦，分析和探泔了放大器的：i l 线性特性和川于消除放大 器非线性影响的预失真器的特性。结果表明，多项式函数是进行非线性分析和模拟 的最好l ：具，耵且放大器的n 阶失真可以通过准确选择多项式预失真器刈麻阶的系 数来完全消除，为多项式预失真技术的麻川提供了删论依据。o j 查询表预失真技术 的分析和对比也表明多项式预失真更适合尢线系统宽带心川。 多项式预失真技术的关键在十预失真器多项式系数的自适应。”1 前多项式预失 真器的几利r 传统的自适应方案都难咀同时实现快速的自适麻和高度的线性化。厂泛 使川的最小二乘快速自透席算法是进行模刑辨识的有效i 具，文章通过对传统预失 真力案往适川这些算法上存在的问题的分析，提卅了利一高效的自适应预失真方 案。所提的预失真力案迎过构造期望预失真器的输出，可直接利川自适应滤波领域 j 1 1 人部分快速高效的白适心算法文现多项式预失真器的快速有效自适麻。并进步 邢论分析了所提与+ 案的可行性、预失真解的准确性，及项失真系统的鲁棒性。仿真 结果也表明所提方案不仪白适应速度快，而月有满意的线性化性能和抗干扰性能。 “1 前对预失真技术的研究大多局限于无记忆放大器。然而，在宽带信号输入 下，放大器展示记忆特性。记忆放大器的预失真直是预失真技术一| l 的难点。传统 的预失真技术皋本都聚川查询表预失真，尤法解决记忆失真的补偿，而举于多项式 的记忆预失真又存在模型复杂和自适麻俐难的问题。我们分析了记忆非线性的几利 常见我现形式，及其在记忆预失真庶川i ：存在的04 题。通过对h a m m e r s t e i n 模型的 泰獬、导黜 ；- 睦文公布 8 8 8 譬0 。 简化，建立了引r 形式简甲的记忆预失真嚣模型一一抽头延时多项式( n t d l ) 模 刑。仿真结果表明，联合n t d l 模型和所提的高效白适心预失真方案可快速实现记 忆放大器的预失真，而且n t d l 模型只需使j 1j 很少的参数就可达到满意的线性化性 能。 最后，进步分析了无线传输链路小可能出现的其他环节误差，如：训制解训 不平衡、信号传输延时估计偏差等，对多项式预失真性能的影响，对今后实际预失 真系统的开发具有实际意义。 关键词t 放大器线性化多项式预失真无线通信白适应算法 抽头延时多项式模型 t t a b s t r a c t r a d i of r e q u e n c y ( r f ) p o w e ra m p l i f i e r sh a v eb e c o m et h eb o t t l e n e c kf o rm o d e r n w 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 t h ei n t e r n a ln o n l i n e a r i t yo ft h ea m p l i f i e rw o u l d - d i s t o r t t h et r a n s m i t t e ds i g n a la n dc r e a t ei n t e r f e r e n c et ot h ea d j a c e n tc h a n n e l s t oc o m p e n s a t ef o r t h e s en o n l i n e a re f f e c t s ，ac o m n f l o nm e t h o di st ob a c ko f ft h eo u t p u tp o w e ro ft h ea m p l i f i e r s ot h a ti tc a l lo p e r a t ei nt h eq u a s i l i n e a rr e g i o n h o w e v e lt h i sm e t h o dc a n n o tm e e tt h e i n c r e a s i n gl i n e a r i t yr e q u i r e m e n t so f m o d e mc o m m u n i c a t i o nt e c h n i q u e s o nt h eo t h e rh a n d ， t h ei n e f f i c i e n c yc a u s e db yr b a c k o f fm e t h o dm e a n st h eh i g h e rc a p i t a la n dm i m i n gc o s t s a m p l i f i e rl i n e a r i z a t i o ni sak e yt e c h n i q u et oi m p r o v el i n e a r i t yw h i l ea t t h es a m et i m et o m a i n t a i ng o o de f f i c i e n c y au s e f u lo v e r v i e wo ft h ee x i s t i n gt i n e a r i z e r sc o n s t i t u t e st h e s t a r t i n gp o i n tf o rt h i st h e s i s ，a n di tc o u l db ed e d u c e dt h a ta d a p t i v eb a s e b a n dp r e d i s t o r t i o n u s i n gp o l y n o m i a lf u n c t i o n sw o u l db et h em o s tp r o m i s i n gt e c h n i q u ef o rt h ef u t u r ew i d e b a n d w i r e l e s ss y s t e m s t h i sd i s s e r t a t i o np r e s e n t sas y s t e m a t i ci n v e s t i g a t i o no f t h i st e c h n i q u ea n d d e v e l o p ss o m ei m p o r t a n ti m p r o v e m e n t sf o rp r e d i s t o r t i o nt e c h n i q u e f i r s t ，n o n l i n e a rt h e o r yi si n t r o d u c e dt oa n a l y z et h ep e r f o r m a n c eo f ，t h er fa m p l i f i e r s a n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h e c o r r e s p o n d i n gp r e d i s t o r t e r i t i ss h o w nt h a t p o l y n o m i a l f u n c t i o n sa r et h e b e s tf o r mf o r n o n l i n e a r i t ya n a l y s i sa n dm o d e l i n g ，a n dt h en - o r d e r d i s t o r t i o nt e r ma tt h ea m p l i f i e ro u t p u te v e nc a nb ee l i m i n a t e db yc a r e f u lc h o i c eo ft h e p o l y n o m i a lp r e d i s t o r t e r c o e f f i c i e n t s a l lo ft h e s e p r o v i d e t h et h e o r e t i c a l p r o o f f o r p o l y n o m i a lp r e d i s t o r t i o n c o m p a r i s o nb e t w e e np o l y n o m i a lp r e d i s t o r t i o na n dl o o k u pt a b l e s p r e d i s t o r t i o n a l s os h o w st h a t p o l y n o m i a lp r e d i s t o r t i o n i sm o r es u i t a b l ef o rw i d e b a n d i m p l e m e n t a t i o n t h e k e yp r o b l e m o f p o l y n o m i a lp r e d i s t o r t i o ni st h ef a s ta n da c c u r a t ei d e n t i f i c a t i o no f t h ep r e d i s t o r t e rc o e f f i c i e n t s h o w e v e r ，p r e v i o u s l yp u b l i s h e ds c h e m e sf o rp r e d i s t o r t i o na l l h a v et h ed i f f i c u l t i e si na c h i e v i n gb o t hf a s ta d a p t a t i o na n dh i g hl i n e a r i t y w i d e l yu s e dl e a s t - s q u a r ef a s t - a d a p t i v ea l g o r i t h m sa r ee f f i c i e n tt o o l sf o rm o d e li d e n t i f i c a t i o n w ea n a l y z e t r a d i t i o n a lp r e d i s t o r t i o ns t r u c t u r e sa n dt h e i rd i f f i c u l t i e si na d a p t i n gw i t ht h e s ea l g o r i t h m s ， a n dt h e np r e s e n tan e we f f i c i e n tp r e d i s t o r t i o ns c h e m e t h ep r o p o s e ds c h e m ec o n s t r u c t st h e d e s i r e do u t p u to ft h ep r e d i s t o r t e r ，s om a n ye f f i c i e n tf a s t - a d a p t i v ea l g o r i t h m sc a nb eu s e d d i r e c t l y ，w h i c hi m p l i e st h a tw ec a no b t a i nf a s t e rc o n v e r g e n c ea n dl o w e rc o m p l e x i t yi n a d a p t i v ep r o c e s s t h ef e a s i b i l i t yo ft h es c h e m e t h ea c c u r a c yo ft h eo b t a i n e ds o l u t i o na n d i h i t sr o b u s m e s st oi n t e r f e f e n c ea l la r ep r e s e n t e de i t h e r s i m u l a t i o nr e s u l t sd e m o n s t r a t et h e c o n c l u s i o n 。， t h ew o r ko nt h ef i e l do fp r e d i s t o r t i o ni s m o s t l yl i m i t e dt om e m o r y l e s sa m p l i f i e r s h o w e v e r , m e m o r ye f f e c t sa r et y p i c a l l yo b s e r v e di nr fp o w e ra m p l i f i e r sf o rw i d e b a n d a p p l i c a t i o n s t h et r a d i t i o n a lt e c h n i q u e si np r e d i s t o r t i o na r em o s t l yb a s e d o nl o o k u pt a b l e s b u t t h e ye a t l u o te o m p e n s a t et h em e m o r y d i s t o r t i o n f o rt h e p o l y n o m i a lp r e d i s t o r t i o n ：m o d e l c o m p l e x i t ya n da d a p t a t i o nd i f f i c u l t i e sa l s op r e v e n ti t sf u r t h e rs t u d y i nt h i sp a p e r v a r i o u s n o n l i n e a rm o d e l sw i t hm e m o r ya n dt h e i ra p p l i c a t i o n si np r e d i s t o r t i o na r ca n a l y z e d a n da s i m p l i f i e dm e m o r ym o d e lc o m ef r o mh a m m e r s t e i nm o d e l ，n o n l i n e a rt a p p e dd e l a yl i n e a r ( n t d l ，) ，i su s e da st h em e m o r yp r e d i s t o r t e rm o d e l c o m b i n e dt h en t d l m o d e lw i t ht h e p r o p o s e dp r e d i a t o r t i o ns c h e m e c a l le f f e c t i v e l yr e a l i z et h el i n e a r i z a t i o no f t h ea m p l i f i e rw i t h m e m o r y , a n d 【m o r e o v e r , o n l yv e r y l o wn u m b e ro fm o d e lc o e f f i c i e n t sa r e r e q u i r e d f o r s a t i s f a c t o r yp e r f o r m a n c e f i n a l l y as e to f n o n i d e a l i t i e si si n t r o d u c e di no r d e rt od e a lw i t ham o r er e a l i s tm o d e l t h ee f f e c t so fm o d u l a t o ra n dd e m o d u l a t o ri m b a l a n c e sa n dt h ee s t i m a t i o ne l t o ro ft h el o o p d e l a yi no u rp o l y n o m i a lp r e d i s t o r t i o na r ei n c l u d e d k e y w o r d _ ：a m p l i f i e r l i n e a r i z a t i o n p o l y n o m i a lp r e d i s t o r t i o n w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n a d a p t a t i o na l g o r i t h m s n o n l i n e a r t a p p e dd e l a yl i n e a r ( n t d l ) m o d e l i绪论 白1 8 9 7 年马可尼第一次利用无线电和英格兰海峡里行驶的船只保持连续不断的 通信以来，无线通信已得到举世瞩目的发展。自那以后，全世界的人们都在热切地盼 望使用新的无线通信方法和技术。特别是在过去的十年里，无线移动通信在数字和射 频电路制造技术方面的进步的推动下获得了巨大的发展，臼益成为社会和经济发展的 主动力。然而，j f 线性的r f 功率放火器却成为现代无线通信技术进一步发展的瓶 颈。本章首先介绍了功率放大器对无线通信发展的影响，然后概述了r f 放大器线性 化技术的研究现状，最后介绍了全文的要点和章节安排。 1 1 研究背景 “1 今世界是个信息丰宰的世界，信息已成为经济发展的战略资源和独特的最 有活力的牛产要素。人们对信息的需求越来越多，对通信的要求越来越高，期望能 够随时随地、及时可靠、不受时空限制地进行任何彤式的信息交流。无线移动通信 作为人类实现坪想通信几标的必要手段，在过去的j 年坐以空前的速度迅猛发展， 日益成为社会和经济发展的丰动力。 在短短的几年姑，无线通信经历了从模拟通信到数字通信，直至即将到来的 筇三代移动通信【1 。 。无线通信技术发展的每步郡是沿着高容量、低成本、高质 量、小体秋的力向演进。在现代无线通信系统的设计h i无线频率( r f ) 功率放大 器越米越扮演着重要的角色。众所周知，r f 功家放大器是无线传输系统的丰要部 件，其晶体管具有内在的非线性，是无线通信系统l i 羊要的非线性源 3 - 4 】。当传输信 号经过非线性的放大器后，信号发牛失真，不仪影u 向了信号的准确接收，还会对相 邻川户产牛干扰。为了减小放大器i l l i 线性的影响，第、第二代移动通信系统均采 川恒色络调制。这种调制技术l = = 于信号的包络0 i 发牛变化，对非线性不敏感，冈此 放大器可以t 作在接近饱和点的高效率区。但这种调制技术的频谱使j j 效率低，限 制了通信系统的容量，无法通虑、1 今不断增加的无线业务需求。 有限的频谱资源是切无线通信赖以牛存的基石，不断提高频谱效率是满足未 米人们随时随地埘除语音之外的数据、视频和图像等多媒体业务信息需求的唯途 狰。然1 衔，下列众多优秀的提高频谱效率的新技术无不受到j i 线性放大器的限制。 码分多皱( c d m a ) ：c d m a 技术采拜l 不黼筑簸鹃序列在阉鹱谱上转稳不潮 的信号，是渖 j 比频分多址( f d m a ) 和时分多址( t d m a ) 更有效的多址技术，具 有频潜利用率离、系统容量犬、抗干扰熊力强、低功耗等优点，是第三代移动通信 帮未寒个人趣髂数优选矗塞附。1 。然由，南1 c d m a 系绞存在远近效瘴，慰其饿删 户的干扰更加敏感。为保证c d m a 技术的应川，1 般要求传输系统具有严格的线 性，便非期蘩输出信号功率吃每信号功率低6 0 d b ，遮藏簧戡高痊线性豹r f 放大 器。 线性调制，线性调制( 如：q a m 调制、厢4 q p s k 调制等) ，不同予传统的恒 包终稍制，它| 霹时剩j hr e 信号黝蜓度积翱位进行菇号霞羧，缝有效提裹二畦线壤落期 j u 率，是j 。1 今光线传输系统普遍看好的制制技术 8 。但由于信号幅度变化，通过非线 经的功率簸大器后，信号失真，淡琵褥率增蕊；弼盈鞭谱拶+ 敬，产牟互稍失真，、造 成邻信道于扰传统的非线性功率放大器使得线性调制技术的使川变得不可能。 多载波调制z 多躐波调制( 如：o f d m ) 魁种商效的数据传输力式碍j ，常朋于 数字竟带系绞，翔数字啻毅f _ 掇( d a b ) 【9 】帮数字褪频广摄( d v b ) ”j 。它通过褥 高速数据流分散到多个正交的子城波上传输，使子载波符号迷率大幅降低，符号持 续时阳加长，能有效抵抗时延扩菇；通过准确的傈护黼隔设澄簏轻松遮滴除码闻干 扰和偿道婀千扰；同时，盍奎具有麓频谱效率，期对多经哀落期脉冲嵘声的免疫4 生等 优点。但是，由于备子载波之问百树独立，多貔波信号的蜂平比叱学绒液信号盛高 褥多，) ( 重r f 凌率敖大器羽嚣线经雯热敏缮，造成更丈失真帮于挠。 多载波基站t 传统的撩站发剁机在r f 对多路信号进行合弗，熨求使川多个r f 功率放大器、隔离器和空腔滤波器”。多载波箍站_ 在鏊带对不同信逶实蕊低功察合 并，然后通过网个功率放大器救大。这弛技术可减，3 、功露损失，降低发射机成本 和尺寸，并能提高信道分配的灵活性1 1 2 。然弼，多载波传输比单载波传输同样更容 荔受裂嚣线羲羧大器秘彩旗。 为了提高放大器的线性度，通倦的解决办法是对大功率放大器谶行功率回退，使 放大嚣t 佟在线侄噬，这导致放大器的输出功率降低，大量的电流糕费，溆源懿翻圳 效率只有1 5 。提赢放大器的线性度的另秘力法是增加偏蛰电流，使晶体箭丁 作在仝睁通的状态，如a 类放大器，但这利t 力法同样导致放大器的效率低下 3 , 1 3 。”。 对于移动终端，低效率意味着电池的寿命短，不利于移动设备的使川。而为了保证 档嗣静瞧涩寿命，戴必颈臻大电漶，这玟过来导致移动终端瀚镩秘帮重羹增麓。对 于定设备，如基站，放火器为高功率放大器( i i p a ) ，虽然不使州电池可以忽略 功率耗赞的问题，但低效率锌致大量羽能潼转换成热能，引起严重盼散热问题。 低效率导缎的最严重的瓣题逐楚费捌翘题。睫惹戈线壤霉瓣提蒜，h p a 瞧成本 急剧增加。在移动通信系统r i _ ，通常h p a 的价格吁整个皋站赞刚的4 0 。功率回退 帮增热债黄电流都会使褥放大器静输出功率太大降低，为了保证弼凝的输出功率， 必须配艘能够输出更大功率的放大器。例如，。个饱和输出功率为3 0 d b 的放大器， 如果需旗回退1 0 d b 才能达到要求的线性文，则实际使刖的放大器麻有1 0 倍期望输 逡功率豹熊力。_ 惠放大器鞠设计都楚鬻刚增船缀联的鑫俸管麴个数来提悫蘩舞毫功 率，这无疑造成发射机成本的急剧提高。另外，为了解决散热问题，必须增加冷剐 设备，阏样也会增丽系统豹成本和运行费圳。 另t 方蕊，采j j 功率屡退和偏蔗电路等传绕的设计方法所得的线性放大器的线 性度不商，也无法满足未来无线技术发展越来越严格的线性传输要求。7 霉线性功率效大器已经成为臻代光线遂蔼技术发裂戆瓶鞭，赢绫经敖丈器豹凌 计已成为保证其他高效的光线技术褥以应川的首要前提。尤其是高线性的h p a 的设 计更楚| j 簪低无线传输成本簸有效的途径，在市场竞争 j ： 益激烈的今天，低成本意味 羲更强姻竞争力和生命力。闲此，研究禽线性的h p a 已经成为鼍翦无线通信领域最 迫切、最有意义的t 作之。 1 2r f 放大器线性化技术的研究现状 放大器的设计存在线性废和效率的矛詹，传统的线性放大器都建利圳牺牲电源 的刹刈效率来换取线燃痊鹊提高。鳓要蠢效的疑时羲颞放大嚣的线性度葶眭效率瓣 乃法是对放大器进行线性化。所谓放大器的线性化，魁指让放大器逝接 i 作在商效 率瑟 线性翡获态，再采翊适? 翡羚嗣电路对放夫嚣瓣 # 线牲特链送行线性纯鲻 正，从而在整体上呈蚬对输入信号的线性散大效果。 放大器的线性化技术最早用于设计高保真的音频放大器。早在t 9 世纪2 0 年代， 牲s b l a c k 载撵瞧了媳秘穷繁蹦予城小音频放大器鼹失炎，分别称为翦镬线援化耧反 馈线性化 1 5 , 1 6 ( 具体技术原理参看蒴二章线性化技术综述) 。音频放大器线性化的 几的丰要在于消除音频信号失真对人耳的影响，因此只需将失真输出控制在入耳的 可听范嗣之外。反馈线性化技术使这。切变得轻而易举，度获得广泛的麻川，同 时也限制了前馈线性化技术的发展。 近 年来，无线通信技术的蓬勃发展使得放大器的线性化技术：扣望转向r f 高功 率放大器。对于无线通信系统，甲纯的音频保真已经不是唯的f 1 的，频谱效率和 对其他川户的干扰都变得同样重要。负反馈系统吲有的稳定性问题，使得反馈线性 化技术t 作在尤线频率无法保持系统的稳定。为了提高系统的稳定性，在r f 放大器 的线性化小，反馈线性化技术从r f 反馈发展射涮制反馈直至杰出的c a r t e s i a n 调制 反馈【 。2 ”，将信号的r 作频率有效地从射频降低到皋频，使得反馈线性化技术又有 了新的廊川。倪传输系统t 1 存在的信号延时却限制 ，允许传输信号的最大带宽，这 点从根本上限制了反馈技术只能川于窄带信号传输，光法适麻未来高速率宽带宽 的无线传输要求。 反馈线性化技术在宽带无线通信上的失败，使得人们又将眼光投向前馈线性化 技术。前馈线性化技术能够处理任意带宽的信号，适合宽带麻j j ，因此很多学并又 开始r f 放大器的前馈线性化技术研究 2 。” 。但前馈线性化技术最大的缺点也是最大 的难点在于保持不同器件之问的幅度和丰h 位特性的完全匹配【2 7 1 。埘于实际系统，即 使经过严格匹配牛产出来的器件也会随着时问、温度等外界环境的变化而发牛特性 变化，造成失真信号不能完全消除，恶化系统的线性化性能。虽然通过增加反馈回 路可实时监测器件的特性变化，米调整柏应器件的幅度和相位，以保证器件之问的 特性匹配【2 8 ，侗反馈回路的采川又会引起稳定性问题和增加线性化系统的成本。 预失真技术是r f 放大器线性化的另丰流技术。列论上，预失真可以实现任意 非线性的完全补偿，且可圳于仃意带宽的信号。早期的预失真技术_ 模拟器件实 现，如文献 2 9 】j | j 二檄管构造的三阶预失真器，只能对放大器的低阶非线性进行有限 的补偿，存在很大的局限性，而且线性化性能也不太理想。直到近年来，数字信号 处理技术的突破性发展才为预失真技术注入了新的活力。预失真技术已从模拟走向 数字，从开环走向闭环，从射频、- i 一频走向赭带1 2 9 3 7 1 。撼带自适应数字预失真是”1 前顸失真技术的研究热点，而在预失真器的具体农_ i 上，r | 前主望有多项式方式和 查询表方式。高阶多项式形式的预失真器作为三阶预失真器的自然扩展，可以对放 大器的高阶非线性进行有效的补偿，提高线性度，伊多项式系数的自适麻去非常刖 4 难。s t a p l e t o n 采川最小化带外功率的办法简化了对预失真器的多项式系数的自适 麻，但这种力法只适合吲定带宽的传输信号，无法适应尤线通信多业务需求 3 “”】。 基于查询表方式的预失真器是当前研究最深入、也最成功的基带自适麻数字预失真 技术。业界丰要从事放大器线性化研究和开发的p m c s i e 咖m 】和i n t e r s i l 4 1 1 公司已 开发出皋于查询表方式的预失真器芯片，并高价提供给第三代移动通信系统研究公 司进行试验。罐于查询表的预失真器可以有效抑制甲载波信号( 5 m h z ) 通过放大器 的_ l 线性失真，但对多找波信号，即信号带宽增大时，线性化效果仍不太坪想。这 丰要是由于前期对预失真技术的研究捧本都基于放大器的非线性为无记忆的假设。 众多的实验研究发现h 2 “】，当信号为宽带时，放大器展示出记忆非线性特性。”j 门 无记忆的预失真器进行记忆放大器的预失真时，线性化性能将迅速恶化。 为了适麻未米尤线通信高速率宽带宽的发展要求，近年来些学者纷纷开始记 忆预失真器的研究。考虑到查询表在表示记忆非线性特性上的闲难，人们又开始倾 向十多项式预失真器形式。v o l t e r r a 级数、h a m m e r s t e i n 模型、神经网络等等可以 于表示记忆非线性函数的数学形式都被1 1 1 ：| 于记忆预失真器的研究。但由于多项式系 数自适应的州难和放大器记忆特性的复杂，仍然限制了记忆预失真技术的发展。 需求的牵引是发展的动力，n 前r f 放大器线性化技术的发展可谓百花齐放，除 了反馈线性化、前馈线性化和预失真这三大丰流以外，还出现了很多其他的新技 术，如e e r ( 包络消除和恢复) 4 5 - 4 7 、l i n c ( 采川非线性部件的线性放大) 4 8 - 5 0 、 c a l l u m ( 联合模拟锁相环整体调制) ”1 。”】等等。 为了争夺未来的光线通信市场，几前除了些大学的研究机构和+ 些专门的高 技术设备研究公司外，无线通信行业的并大巨头，如：n o k i a 、e r i c s s o n 、m o t o r o l a 、 l u c e n t 、n o r t e l 等，也都纷纷投入大量的人力物力进行r f 放大器线性化技术的研 究，但研究成果都予以保密。“佰i ，我国对r f 放大器的线性化方面的研究还刚刚处 于萌芽阶段，还没有形成争门的研究力量，些通信大公司对r f 放大器线性化的需 求仍然受制于人。相信随着市场竞争的需求，必将有越来越多的研究者投 到高线 性放大器的研究和开发上米。 1 3 本文主要研究内容及章节安排 本文丰受研究适合未来无线通信系统宽带应川的h p a 的线性化技术耀于多 项式的摹带自适应预失真技术。本文针对j 0 前多项式预失真技术存在的难点，重点 解决了多项式预失真器的快速自适应问题和记忆放大器的预失真问题。概括起来， 本文的研究丁作主要有以下几个方面： ( 1 ) 系统分析和对比当前各种线性化技术的优缺点，选择利，最有前途的、最 适台未来技术发展方向的线性化技术，确立研究l ：1 标。尤其是对于基带自适应预失 真技术的两种实现方式一查询褒和多项式函数，进行仿真对比研究，分析各自的 优缺点，指出当前预失真技术存在的问题。 ( 2 ) 引入非线性理论，分析放大器的特性以及川十消除放大器非线性影响的预 失真器的特性，为重点研究的多项式形式的预失真器的使川提供依据。 ( 3 ) 针对当前多项式预失真方案在线性化性能和自适应性能上的矛盾，提出r 冲| 1 新颖的、高效的多项式自适麻预失真力案，能快速实现多项式预失真器系数的 自适应，同时具有高度的线性化性能。并研究预失真模型参数选择对预失真性能的 影响。 ， ( 4 ) 放大器在宽带输入下，展示记忆特性。记忆放大器的预失真存在记忆预失 真模型复杂和难以有效自适应的州难，直是预失真技术的一大难点。分析记忆非 线性模型的几种常4 形式及其在汜忆预失真廊川，通过对h a m m e r s t e i n 模型的简化 得到一利r 形式简单的记忆预失真器模型抽头延刚多项式( n t d l ) 模型。并将提 出的高效自适应预失真方案扩展到记忆放大器的预失真p 。最后，联合n t d l 模型 和高效预失真方案实现了记忆放大器的预失真。， ( 5 ) 进- 步研究了采川本文提出的自适麻预失真方案后，光线传输网路上其他 环节曝差，如调制解调不平衡、循环回路延时匹配误差，对预失真线性化性能的影 响，并简单介绍了多项式预失真l l l 过采样率的选择问题。 沦文章节的具体安排如下： 第1 章绪论。丰要介绍课题的选题背景、线性化技术的研究现状和论文的安排； 第二章无线通信l r f 功率放大器的线性化技术。丰要介绍jr f 功率放大器线性 化有关的些背景知识，包括无线传输系统的结构、放大器的非线性特性 以及j _ 前丰要的线性化技术的原理，井分析了各种技术的优缺点，为本文 确定多项式预失真技术的研究提供依据。 第三章 第四章 菊五章 笫六章 筇七章 多项式预失真技术研究。从# 线性评论的角度，分析和讨论了多项式预失 真器的特性，并介绍了多项式颓失真盼原理和采用的线性化性能的评价标 准。系统分析和比较了传统多项式预失真方案和查询衷方案的优缺j 囊及存 在的问题。 剃，高效的自适麻预失真方案。针对j 前多项式预失真方案存在的问题， 结合自适廊滤波领域的研究成果，提出了+ 利晌皂适合高效自适应算法直接 麻川的自适席预失真力案，并分析了所提方案的可行性和抗干扰性能。最 后，仿真结果证明了所提方案的高效性。 记忆放大器的预失真研究。本章分析了几种常f | _ | 的记忆非线性的数学表示 及它们在记忆预失真r f l 存在的问题，确立了种形式比较简甲的记忆预失 真器模型，并将所提高效预失真扩展到记忆放大器的预失真l i 。本章的最 后还通过仿真研究了预失真器模型参数的选择对线性化性能的影响。 预失真系统设汁i i l 的几点考虑。进步研究了实际无线传输系统l i 可能出 现的调制解调不平衡、延迟估计偏差等冈素对预失真方案的影响。 结论和展望。 2无线通信中r f 功率放大器的线性化技术 本章主要介绍与r f 功率放火器线性化有关的一些背景知识，主要包括：无线通 信系绕传输结构、放大器的非线性特性以及非线性放大器对调制信号的影响。最后， 系统介绍了当前主要的线性化技术的原理和优缺点。 2 1 引言 所有的放大器都存在使被放大信号产牛失真的特性，而原则上任何无线通信系 统都需要线性放大。 开不同的系统又有不同的具体要求，阕此所采取的措施也大不 柏同。例如，对于调频无线电台，传输信号为恒包络的甲载波，可以通过简甲的滤 波把传输信号控制在分配的带宽内，将对其他川户的干扰控制在可以接收的等级： 而对于幅度变化的多级调制系统，虽然谐波失真仍然可以川滤波的方法滤去，但和 信号柏邻的互调失真却无法消除，必须采川更高级的线性化技术。对 二同系统， 不同的对象也有不同的要求。如移动设备通常采川电池供电，为了方便应川，希望 电池的寿命较长而且移动终端体秘小、重量轻，此放大器的效率是第考虑冈 素，线性化的结果不能违背移动设备小型化、易携带的特点；而对于尤线传输綦 站，由于是矧定设备，冈此不存在电池寿命和轻便的要求，但发射功率大，放大器 价格昂贵，而且由于皋站需发送多路信弓，采) j j 多载波传输可节约设备和提高效 能，对线性要求更为严格，因此线性化的丰要r | 的是提高线性皮和放大器的发别效 率，从而节约成本。本文丰要研究基十无线传输笨站的高功率放大器。 在这章坐。莳先介绍r f 功放的_ t 作环境无线皋站传输系统的基本结构， 然后讨沦放大器的非线性特性及其对调制信号的影响，最后综述“1 前幸蛰的线性化 技术。 2 2 无线传输结构 传统苯站的无线传输系统结构如幽2 1 所示【5 4 1 。它丰要包含基带信号处邢、正交 训制和线性r f 功率放火器三个部分。举带信号处理甲j b 将信弓源的数字信号处理成 具有特定带宽和幅度的摹带模拟信号；正交训制部分将皋带信弓正交调制到缄频； 线性r f 功率放大器则将调制后的信号放大到。定功率级以便发射。 誊 竺门j 陟 丛带信弓处州止交酮，i j | j线i qr f 放人器 图2 1 传统的无线传输系统结构图 2 2i 基带信号处理单元 基带信号处理甲儿丰要包含信号矢最映刺、信号频谱整形滤波和数字一模拟转 换接口。 i ) 星座映射 数字信号在无线通信系统i i t 进行1 输，首先需要将数字信号转换成适合系统传 输的模拟信号。基带信号处坪甲儿根据定的舭则，将信号源输出的数字信号流映 射成曲路数据脉冲流，。和q 。，和q 。的不同取值和变化轨迹决定了信号的调制格 式。m p s k ( m 逃制干h 移键控) 羽im q a m ( m 进制正交幅度调制) 是“1 前移动通 信【l 最常川的曲利，数字训制格式( 假设m 表示数据源输出信号的可能状态数) 5 ”。 m p s k ：利川绒波信号的m 种不同相位传输信息。，。和q 。的映剁规则为 ，= c o s b q 。= s i n 谚，。其i l l ，一，为( 一疗，7 1 - ) 之问m 个等问隔取值点。如8 - p s k 信 号的星座蚓如l 刘2 2 ( a ) 所示。 m q a m ：同时改变城波的幅度和相位传输信息， 。和q 。在 ( l ，3 ，, m 1 ) 小取值。如1 6 - q a m 信号的星座幽如图2 2 ( b ) 所示。 图22 信号星座图 9 圈2 2 静麓序分布图给出了信息表示的各种状态，假没有给出不闷状态之问的变 化规则。不同蚋变化规则又决定了不同朗谶划撼式，对传输系统也存在蓑z ；网的澎 响。幽2 3 给出了4 - p s k 信号矢量之门的儿种不同变化轨迹。如果信号从个矢量转 换翻另巾失鲞是榴位连续变化瓣，弼幅度不变，剃稼为+ 匿雹络蜇蘧澍，翔鹜2 3 ( a ) 。这种涮制由于具有恒定的幅度，冈此不受放人器幅度非线性的影响，具有较强 的抗干撬能力。在数字调剥t h 若q p s k 每个鸦j i 的包络假定为矩形，则高频信号 也具有担包终特性。币幸鲍是这剥，润划格式对捌港的剥川效率投低。实际，h 信道 的带宽总是有限的，冈此须埘频谱无限宽的矩形码儿进行滤波。 圈2 3 国) 绘出了q p s k 濂潮信写变纯貔辘迹潮，信号驮个矢量转换翻男个矢 鞋是跳变的。抛位跳变量川能为9 0 0 或土j8 0 0 。“1 发生对角过渡，即产牛1 8 扩的捌 移，信号轨迹过零点。经过滤波器限带后，调制信号的幅度也经过零点，这意味着 熔号的动态范溺为戈穷夫。信号 瓣度的火范嗣变化造成羽i 隧热蕴遴失真躲捉度域 燃。 石4 一q p s k 调翻，是避免码，i 转换时弱信号辘迹过零的种有效稍铡力+ 案，如 蚓2 3 ( c ) 。靠4 一q p s k t i t 龋制信哆的捌协妓均匀分配为寿 距糟4 的八个) i ，并被分 成两组，分别加“。”和“”表豕。信弓矢量在“。”和“”组n d 交替地跳变，从 瓶避免了癌号轼迹过零点。壤显然，带缀瑟瑟曩i 4 一q p s k 躲信号 疆痰变纯比带凝螽 的q p s k 训制小，冈此对非线性的敏感度也较低。 ( a ) 恒包络i j 8 制( b ) q p s k 啊制( c ) 硝4 一q p s k 嘲制 漤2 3 馕号转邃溅 2 ) 潜整形 ”谰i 形脉冲通过r 带限信道i i , i ，脉冲会产牛时延扩展，使脉冲进入剑市邻码的 时| 1 | j m 隔内，从而造成码m j 干扰。使码问干扰最小化的种明显方式是增加信道带 宽。然缸，移动迎信系统的蝴潜资源1 分有限，系统都是以最小带宽t 作的。谱整 ) 1 7d - j m t ! j f j 可以l 列叫有效地减小码i 词二f 扰和被训制数字信号的菅宽度。 n y q u i s t 滤波能够将待传输的数字信号控制到尽可能最小的带宽而不引入码问干 扰，具时域表达式为 坤卜l 筹 器f 陋- ， 埘麻的捌率响应l ， h ( 1 ) = 0 i ，f l - a 叫 2 ， 害i 小学 ( 2 z ) 生兰 1 “ 27 式l i i ，0 口1 称为提升冈子，r 为码) i 问隔。 劁2 t 4 分别给出了a = 0 ，0 5 ，】时上述脉冲响应a ( ，) 的波形及其频谱，( l 厂) 。由十 脉冲i 波形有l l 类似余弦波，f h 1 0 部分向i 升起，所以称之为升余弦脉、巾，划应的 滤波器称为刀余弦脉冲成彤滤波器。 厂 卜 ( a ) 时域 m 1 频域 图24 升余弦脉冲的时域和频域晌应 从升余弦脉1 i 的频域l 响麻可以看出，提s i 冈子的大小决定了信号的额外带宽。 ”1 a = o 时，( ) 具自罐小带宽l ( 2 t ) ；f | 丁j 。1 a 0 时，h ( 厂) 为向j ：升起的余弦， 带宽为( 】+ a ) ( 2 t ) ；? 。1 口= l 时，爿( ，) 的带宽为1 7 ，恰好是最小带宽的曲倍。 + 一一一 厂孔 无一 学 另方面，提升闳子的大小还决定信号。的幅度范简。d t , l 警l2 3t t ，我们知道不 嬲调铡掺式，糖号变换的轨迹是不撑嬲，担具体毂售号变换孰迹还矮受到整形滤波 嚣的影响。图2 5 给出了口= 0 2 5 ，0 5 , 1 三军l | l _ i 隋犹r 的情号矢量：的实际变化轨迹幽。可 以发瑶，”g 倍越大，信号的幅度交纯范黼趣小，雨茈对非线性失囊的影f 翻也越，j 、 反之，”1 瑾值越小，信号的幅度变化范闸越大，划。肚线性失真的影响i 也越大。 ( a ) 口202 5 ( b ) 口= 0 5(