（通信与信息系统专业论文）功率放大器的基带预失真方法研究.pdf

摘要 现代无线通信系统通常采用具有高效频谱利用率的线性调制技术来解决频谱 资源紧张与更高信息传输率需要之间的矛盾，这些高效频谱调制技术的性能在非 线性条件下会严重劣化。但在实际应用中，为了提高功率效率，功率放大器通常 工作在接近饱和区的非线性区域，这时功放会产生非常严重的非线性失真，从而 使输出信号频谱扩展，造成邻近信道干扰，导致带内信号发生畸变，降低系统性 能。因此，为了兼顾系统性能和功率效率，功率放大器线性化技术已成为无线通 信系统的研究热点。 本文主要的工作内容如下： 1 分析了功率放大器非线性特性，介绍了无记忆功率放大器的非线性模型 以及几种常用的线性化技术。 2 在无记忆功放模型的预失真研究中，首先研究了查找表方法，仿真结果 表明，查找表法能有效地补偿功放的非线性，且在相同的查找表大小下，分段均 匀量化查找表法性能要比全段均匀量化的查找表法好；其次研究了多项式方法， 分别基于l m s 和r l s 算法进行仿真，结果显示多项式法也是一种有效的线性化 方法；最后把这种多项式预失真方法中的l m s 算法的迭代步长改进为可变迭代 步长，仿真发现其收敛速度和精度都优于原l m s 算法，性能接近于r l s 算法。 3 在有记忆功放模型的预失真研究中，在介绍了几种常用的记忆功放模型 基础上，研究了记忆多项式预失真方法，仿真结果表明，对w i e n e r 模型和 w i e n e r - h a m m e r s t e i n 模型，该方法能很好地补偿记忆功放的非线性，星座图与源 信号基本一致，带外功率分别降低了2 0 d b 和2 6 d b 。 4 提出了一种新结构的记忆预失真方法，该方法复杂度低、实现简单，但 功率效率有所下降，仿真结果表明，新方法能很好地补偿记忆多项式功放模型的 非线性失真，带外功率下降了2 8 d b ，比记忆多项式预失真方法改善了1 3 d b 。 关键词：非线性失真预失真查找表多项式方法记忆效应 a b s t r a c t i no r d e rt os o l v et h ec o n t r a d i c t i o nb e t w e e nt h es c b i c es p e c t r u mr e s o u r c ea n dt h e h i g h e ri n f o r m a t i o nt r a n s m i t t e dr a t e ，t h em o d e mc o m m u n i c a t i o ns y s t e m sc o m m o n l y a d o p tt h el i n e a rm o d u l a t i o nm e t h o d sw i t hh i g hs p e c t r u me f f i c i e n c y h o w e v e r , u n d e r t h ec o n d i t i o no ft h en o n l i n e a r i t y , t h ep e r f o r m a n c eo ft h e s ee f f i c i e n tm o d u l a t i o n t e c h n i q u e sw i l ld e t e r i o r a t eb a d l y b u ti nt h ea c t u a la p p l i c a t i o n sf o ri m p r o v i n gp o w e r e f f i c i e n c y , t h ep o w e ra m p l i f i e rc o m m o n l yw o r k si nt h e n o n l i n e a ra r e an e a rt h e s a t u r a t i o n t h e nt h ea m p l i f i e ri sa b l et ob r i n gv e r ys e v e r en o n l i n e a r i t yd i s t o r t i o n , w h i c hr e s u l t si nt h es p e c t r u me x p a n s i o no ft h eo u t p u ts i pa n dt h es i g n a ld i s t o r t i o ni n t h eb a n d ，b r i n g st h ea d j a c e n t - c h a n n e li n t e r f e r e n c ea n dt h ef a l lo ft h es y s t e m p e r f o r m a n c e h e n c e ，i no r d e rt o c o n s i d e rb o t hs y s t e mp e r f o r m a n c ea n dp o w e r e f f i c i e n c y , t h el i n e a r i z a t i o no fp o w e ra m p l i f i e rh a sb e e nt h eh o ts p o ti nt h ew i r e l e s s c o m m u n i c a t i o nr e s e a r c h t h em a i nc o n t e n t so ft h et h e s i sa r ea sf o l l o w e d ： 1 t h en o n l i n e a rc h a r a c t e r i s t i co fp o w e ra m p l i f i e ri sa n a l y s e d ，t h e nt h em o d e lo f m e m o r y l e s sp o w e ra m p l i f i e ra n d s e v e r a lc o m m o nl i n e a r i t yt e c h n i q u e sa r ei n t r o d u c e d 2 i nt h ep r e d i s t o r t i o nr e s e a r c hb a s e do nt h em e m o r y l e s sa m p l i f i e r , t h em e t h o d o fl u ti sf i r s t l ys t u d i e d ，s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wl u tc a nc o m p e n s a t et h en o n l i n e a r i t y e f f e c t i v e l y a n di nt h es a n l es i z eo fl u t ，t h ep e r f o r m a n c eo ft h el u t 、以mu n i f o r m q u a n t i z a t i o ni ns u b s e c t i o ni sb e t t e rt h a nt h et r a d i t i o n a ll u t s e c o n d l y , t h em e t h o do f p o l y n o m i a li ss t u d i e d b a s e do nt h el m sa l g o r i t h ma n d t h er l sa l g o r i t h m ，s i m u l a t i o n r e s u l t ss h o wi ti sa ne f f e c t i v em e t h o do fl i n e a r i t y f i n a l l y , t h ei t e r a t i v es t e p sb e c o m e a l t e r a b l ei nt h el m sa l g o r i t h mo ft h ep o l y n o m i a l ，s i m u l a t i o nr e s u l t sp r o v et h a tt h e c o n v e r g e n c es p e e da n dp r e c i s i o na r eb e t t e rt h a nt h eo r i g i n a ll m sa l g o r i t h m ，t h e p e r f o r m a n c ei sc l o s e dt ot h er l sa l g o r i t h m 3 i nt h ep r e d i s t o r t i o nr e s e a r c hb a s e do nt h em e m o 巧a m p l i f i e r , o nt h e f o u n d a t i o no fi n t r o d u c i n gs e v e r a lc o m m o nm o d e l so ft h em e m o r ya m p l i f i e r , t h e m e m o r ) ，p o l y n o m i a lp r e d i s t o r t i o ni ss t u d i e d ，s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t i tc a l l c o m p e n s a t e t h e n o n l i n e a r i t ye f f e c t i v e l y b a s e do nt h ew i e n e rm o d e la n dt h e w i e n e r - h a m m e r s t e i nm o d e l ，t h ec o n s t e l l a t i o ni st h es a m ea st h es o u r c es i g n a lo nt h e w h o l e ，a n dt h ep o w e ro u tt h eb a n df a l l s2 0 d ba n d2 6 d br e s p e c t i v e l y 4 an e ws t r u c t u r a lp r e d i s t o r t i o ni sp r o p o s e d ，t h em e t h o di ss i m p l ea n de a s yt o c o m et r u e ，b u tt h ep o w e re f f i c i e n c yw i l lf a l lab i t s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h i sm e t h o d c a nc o m p e n s a t et h en o n l i n e a rd i s t o r t i o nw e l lb a s e do nt h em e m o 巧p o l y n o m i a lm o d e l ， t h ep o w e ro u tt h eb a n df a l l s2 8 d b ，i m p r o v e s13 d bc o m p a r e d 州t l lt h em e m o r y p o l y n o m i a lp r e d i s t o r t i o n k e y w o r d s ：n o n l i n e a rd i s t o r t i o n p r e d i s t o r t i o nl u t p o l y n o m i a l m e m o r ye f f e c t 西安电子科技大学 学位论文独创性( 或创新性) 声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 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 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果；也不包含为获得西安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做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名：剁丕旌 e tn - 墟缨一芰：鲤 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在一年解密后适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 日期：塑翌：篁：妇 日期：土4 剐。沁 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究的目的及意义 自2 0 世纪7 0 年代末以来，移动通信系统经历了第一代的模拟蜂窝系统，第 二代的基于t d m a 和窄带c d m a 基础的数字蜂窝系统，现在已发展到第三代移 动通信系统，例如w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 和t d s c d m a 。对于数据传输速率要 求不高的第一、二代移动通信系统，无线传输中的信号调制方式基本上是恒定包 络的，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，因此功率放大器能够工作在效率比较高的临近饱和区，此时功率放 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 利用效率低。 随着无线用户的飞速发展和宽带通信业务的开展，通信系统旨在为用户提供 高速、大容量和多种服务，通信频段变得越来越拥挤。为了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更高的传输技术。因此，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 、q a m 等新的调制方式在现代无线 通信系统中被广泛采用。这些调制技术具有非恒定包络、宽频带和较高的峰平比 等诸多特点【l j 。 当这类线性调制信号在多载波系统中，通过功率放大器后将产生互调信号失 真【2 】【3 】，互调失真对邻近信道产生不同程度的干扰【3 】【4 】，这种情况产生的主要原因 是功率放大器工作在非线性区甚至工作在饱和区附近。而这种互调产物无法用滤 波去除，因此第三代移动通信系统对功率放大器的线性度提出了更高的要求，功 率放大器的线性校正成为整个系统工作性能的关键技术之一。 除了线性调制技术的广泛采用原因外，以下一些原斟5 】也促进功率放大器线 性化技术得到广泛研究并迅速发展： ( 1 )出于对通信系统功率效率的要求，不能采用功率回退技术来解决功率放 大器的线性化问题。所谓功率回退法就是指采用大功率的放大器，然后 通过功率回退使之工作在线性放大区的方法。如果采用此方法，一方面 降低了电源的利用率，增加了供电系统的能量消耗，给基站热管理带来 了困难；另一方面不能充分发挥出功率管的潜能，增加了制造成本。 ( 2 ) 多载波系统要求线性化的功率放大系统。多载波系统广泛应用于无线通 信的基站系统中，由于多径传播和远近效应的存在，基站系统对邻近信 道干扰要求非常严格，这就要求采用高线性度的发射机系统，减少交调 2 功率放大器的基带预失真方法研究 分量对相邻信道的干扰。 ( 3 )自适应天线系统的要求。发射机非线性引起的邻道干扰会影响相邻蜂窝 甚至相邻波束的用户，非线性交调产物会导致波束带宽、旁瓣抑制、零 位深度等二系列天线的性能指标变差。 ( 4 ) 动态信道分配的要求。动态信道分配技术要求发射机能工作于任何一个 信道，最终要求采用宽带线性化的功率放大器。 ( 5 ) 一些新兴无线通信技术的要求。以软件无线电为代表的新兴无线通信技 术，从本质上要求线性、宽频的发射技术，因此需要高度线性化的功率 放大器。 1 2 线性化技术的发展 功率放大器的线性化技术研究要追溯到1 9 2 8 年美国人h a r o l d s b l a c k 在贝尔 实验室工作时发明了负反馈和前馈技术，并应用到放大器设计中，使功率放大器 的失真得到了明显的改善，但其主要着眼点是器件本身，所以工作的频率和线性 度都较低。 直到上个世纪七八十年代，在无线通信技术的推动下，功率放大器的线性化 技术得到飞速发展，出现了一些新的功放线性化技术，主要分为这样几类：前馈 法( f e e d f o r w a r d ) 、负反馈法( f e e d b a c k ) 、功率回退法( b a c k o f f ) 、非线性器件 法( l i n c ) 、预失真法( p r e d i s t o r t i o n ) 等。其中，功率回退法是一种简单、可靠 的线性化措施，但却限制了放大器的利用率；反馈法并不适用于宽带信号；前馈 法相比于反馈法，克服了延迟带来的影响，更适宜于宽带信号，但随着器件特性 的变化其性能将变坏；非线性器件法是将输入信号变成恒包络信号再由放大器放 大，它操作复杂且对器件特性的漂移很敏感，所以不适于要求具有自适应特性的 应用；预失真法是目前用的最多的一种方法，它的基本原理很简单，就是将放大 器的输入信号做一个与放大器的传输特性相反的预畸变，使得它与放大器所带来 的失真相抵消。 预失真技术是线性化技术发展中非常重要的一步，预失真技术最初应用于模 拟通信系统中的射频部分。随着数字信号处理( d s p ) 技术的发展，预失真技术 也可以在数字域内实现，在基带就可以完成对信号的预失真处理。自1 9 8 9 年， y n a g a t a 首次【6 】提出了映射法数字预失真的方案以及相应的自适应算法以来，数 字预失真技术在不断发展，提出了大量的预失真方法【| 卜r 7 1 。线性化技术发展到现 在，逐渐表现出各种技术相互融合的趋势：预失真技术中也加入负反馈的思想； 预失真技术与前馈技术的结合；还出现了预失真技术与l i n c 技术的结合。总之， 预失真技术不但可以提升发射机的效率，降低成本与缩小体积，亦能有效增加发 第一章绪论 3 射机的线性度以提升系统效能与通信质量，是一种适应现代数字通信发展的线性 化技术j 在现代通信发展中扮演着重要的角色。 总之，功率放大器线性化技术已成为下一代无线通信系统的关键技术之一。 该技术不管是从提高未来无线通信系统的性能，还是从提高功率效率，节约能源 来讲都具有非常重大的意义。近年来国内外的通信企业与研究单位都已经积极投 入研究，并且已有多种线性化技术的成功实现，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要求。 1 3 本论文的主要工作及内容安排 本文主要研究功率放大器线性化技术中的基带预失真方法，且只考虑功率放 大器的非线性影响，把预失真单元与功率放大器之间的部分当作线性结构处理。 本文分别对无记忆功率放大器和记忆功率放大器的预失真方法进行分析。以下是 本文的章节安排： 第一章阐述了本文研究工作的背景及意义，说明了功率放大器线性化技术研 究的重要性，并简单介绍了线性化技术的发展历程。最后对全文内容作了安排。 第二章首先介绍了功率放大器非线性失真含义及非线性特性，对谐波失真、 互调失真和交调干扰做了详细的说明。随后介绍了无记忆功放的建模，给出了几 种无记忆功放模型的特性函数。最后阐述了常用的几种线性化技术的原理和特点， 其中预失真法是后面两章所要研究的线性化方法。 第三章研究了无记忆功率放大器的预失真方法。首先介绍了查找表预失真方 法，对其原理，结构框图，查找表的建立及自适应算法的推导做了详细的分析， 然后对基于极坐标形式的查找表法进行了仿真分析。根据在不同的区域非线性失 真性不同，研究了一种分段均匀量化的查找表法，并进行了仿真比较。其次介绍 了多项式预失真方法，分别对基于l m s 算法和r l s 算法的多项式预失真法进行 了仿真比较。最后提出了一种可变步长的l m s 算法，对其进行仿真，并与原l m s 算法和r l s 算法性能进行了比较。 第四章研究了记忆功率放大器的预失真方法。首先详细总结和分析了当前的 各种记忆功放模型。接着介绍了一种记忆多项式预失真方法，并介绍了两种算法， 基于这两种算法对记忆多项式功放模型进行了仿真，同时基于算法二对w i e n e r 功放模型和w i e n e r - h a m m e r s t e i n 模型进行了仿真。最后提出了一种新的记忆功放 预失真方法，并进行了仿真，该方案是一种有效的线性化方法。 第二章功率放大器的非线性原理 第二章功率放大器的非线性原理 在通信系统中，除了存在系统的噪声和有限带宽以外，当系统网络转移函数 ( 一) = i ( 一) l e x p _ 中( 一) 的振幅i 胃( 一) | c ，( c 为常数) ，则会产生频率 一幅度失真，相角中( 一) w ，( q 为常数) ，则会产生频率一相位失真。这两 种失真与器件的频率非线性特性有关，通常称为线性失真”【1 1 ，线性失真并没 有产生新的频率分量。如果，假定输出信号y ( f ) 是一延迟的输入信号x ( ，) 按比例 改变的模型，则出现无失真传输，1 1 1 有y ( t ) = k x ( t - t o ) ，这意味着，系统的转移 函数日( 一) 应为日( 加) = k e x p - j w t o 】。 除了这种失真以外，系统中的非线性元件导致输出信号是输入信号的非线性 函数，即y ( f ) = 丁( x ( ，) ) 。y ( ，) 与x ( f ) 之间仅在工( f ) 较小的时候是线性的，在x ( f ) 较大时则偏离线性，这种偏差称为非线性失真1 8 1 。 2 1 1 谐波失真 2 1 功率放大器的非线性特性 假定功率放大器是无记忆的，输出电压r o ( ，) 可以用输入电压杉( f ) 的级数表 示【1 4 1 为： v o ( t ) = 毛k ( f ) + 乞k 2 ( f ) + 屯k 3 ( f ) + ( 2 一1 ) 通常情况下，它们的输入输出特性如需要达到一定的精度，仅取前三项即可： 圪( ，) = 毛k ( f ) + 如k 2 ( f ) + 岛k 3 ( ，) ( 2 2 ) 假定输入信号是简单的单频信号为k ( ，) = a c o s w 。t ，那么输出可表示为： ( ，) = 互1k ：彳2 + ( 局+ 三岛彳2 ) a c o s w , t + l k ：么2c 。s 2 f + 丢岛么3 c 。s 3 m ，c 2 3 ， 由式( 2 3 ) 可见，输出信号中除了包含基波分量外，还产生了新的直流 项、二次谐波频率2 嵋和三次谐波频率3w 1 分量。谐波分量的角频率是基波分量的 6 功率放大器的基带预失真方法研究 整数倍。由于谐波分量通常远离基波频率，接收机很容易用带通滤波器滤除谐波 分量? 因此谐波分量对接收系统的影响不大【1 3 】。( 毛+ k 3 a 2 是输入信号的非线 性增益，它与输入信号幅度有关j 对带内不同幅度的频率分量有不同的放大倍数， 势必造成带内信号失真，影响接收机的误码性能。 由上式可得基波分量的增益为：g = 2 。l o g ( 霸+ 三如4 2 ) ，系统的线性增益定 义为：g o = 2 0 1 0 9 q 。把增益下降到比线性增益低l 裆时的点定义为功放的1 裆压 缩点：g l 劣= g o - i ，相应的输出功率和输入功率分别称为“1 扔压缩点输出功率 墨招和“1 如压缩点输入功率圪墙 ，如图2 1 。 2 1 2 互调失真 当多个不同频率的信号经过功率放大器时，由于非线性的作用，输出信号的 频谱中，除了谐波分量外，还包含多种组合频率： 强m + n 2 w 2 + n w t ，l l ，n 2 ，一= l ，2 ，3 ， 由于这些组合频率成分是由输入信号的相互调制引起的，所以将它们称为互 调失真( i m d ) 。 现在对互调失真产生的过程进行分析。假设输入信号为两个频率成分的等幅 信号所组成，即形( ，) = a ( c o s w + c o s w 2 t ) ，代入公式( 2 2 ) ，则输出信号为： v o ( ，) - + c o s ( 一也) ，+ ( 毛彳+ 詈 c o s w 。t + ( q 彳+ 詈 c o s 咐 + 言岛彳3c 。s ( 2 川一) ，+ 4 q 4 3c o s ( 2 w , 一w 1 ) ，+ 屯彳2c 。s ( + ) f + l ka 2c o s 2 f + x k 2 a 2 c o s 2 w 2 r + 言岛爿3c o s ( 2 + w 2 ) f + 3 k 3 a 3 c o s ( 2 w 2 + 嵋) f + k 3 ac o s 3 w l f + 4 k 3 a 3 c o s 3 w 2 f ( 2 - 4 ) 由式( 2 4 ) 可见，输出信号包括直流分量、基波w l 和w 2 、二次谐波2 w l 和2 w 2 、 三次谐波3w l 和3 w 2 ，以及频率为：t ：1 4 2 的二阶互调成分和频率为2 + w 2 、 2 w 2 w l 的三阶互调成分。在工作频带小于一倍频程的系统中，n 有2 w , 、2 w 2 、 2 + w 2 、2 + w l 以及3w l 和3 w 2 都在通带之外，可以通过使用合适的滤波器滤除 第二章功率放大器的非线性原理 7 这些分量，然而所有频率为2 一w 2 、2 w 2 一w l 的三阶互调成分却在通带之内，无 法通过滤波器将它们滤除，并且这些三阶互调成分会影响基频川和。 三阶互调分量的大小是衡量一个系统的非线性的重要指标，为此引进了三阶 互调系数批。我们把兰阶互调系数弛定义为： =20log蛩dbim3 ( 2 - 5 ) 爿美薏黔 ( 2 - 5 ) 一般基波幅度大于三阶互调幅度，所以眦是个负数，越小，功放的线 性度越好。 三阶截断点皿是衡量功放的另一个重要指标【1 9 1 ，皿即三阶互调分量 2 一w 2 ，2 w 2 一嵋的输出与线性功率线的交点处的功率，如图2 1 。显然，皿越 大，功放的线性度越好。 ( 2 1 3 交调干扰 圪t 翘p j ( d b m ) 图2 1 功率放大器的输入输出特性 若q = 彳c o s ，为一弱的有用信号，s 2 = a ( 1 + m c o s w m t ) c o s w 2 t 是一强干扰 信号，即输入信号( f ) = 而+ 是，代入公式( 2 - 2 ) 中，展开后有用信号基波分量 为 毛么+ 乏3k ，彳3 ( 1 + m c o s 矿 c 。s w l f ，可见基波分量的幅度包含了干扰信号的幅 度变化，这表明干扰信号的幅度调制信息转移到了有用信号的幅度上，如果有用 信号也是幅度调制信号，经过幅度解调后将会听到干扰台的串话音，这就是交叉 8 功率放大器的基带预失真方法研究 调制失真。 2 2 功率放大器的非线性模型 为了便于从理论上探讨功放的非线性特性，有必要对不同种类的放大器进行 数学建模1 8 1 。功率放大器的非线性特性主要表现为a m a m 特性和a m p m 特性， 功放的非线性模型可以分为无记忆模型和有记忆模型，在这一节中，我们首先介 绍了无记忆功率放大器的非线性模型。 2 2 ia m a m 和a m p m 模型 假设不考虑记忆效应，只考虑输出信号的幅度和相位失真，即a m - a m 和 a m p m 变换。如果用串联方式表示功放的a m a m 和a m p m 变换特性，即可 得到极坐标形式的非线性模型例。设输入信号形( f ) = v ( t ) c o s ( w t + 矽( t ) ) ，该信号 通过非线性功放时，得到输出信号： 圪( f ) = 厂( 矿( f ) ) c o s ( w r + 矽( f ) + g ( y ( ，) ) ) ( 2 6 ) z - - t 中厂( 矿( r ) ) 和g ( y ( f ) ) 分别被称为a m - a m 和a m - p m 特性函数。 通过对式( 2 6 ) 所示的极坐标非线性模型的变形，可以得到正交形式的模 型，从而避开了较复杂的a m p m 转换特性。 圪( f ) = 厂( y ( f ) ) c o s ( g ( y ( f ) ) ) c o s ( w f + ( r ) ) 一厂( 矿( f ) ) s i n ( g ( y ( f ) ) ) s i n ( w t + q k ( t ) ) ( 2 7 ) 式( 2 7 ) 可以写成如下的正交形式： 圪( ，) = ，( y ( ，) ) c o s ( w f + 矽( f ) ) 一q ( y ( f ) ) s i i l ( w f + ( ，) ) ( 2 - 8 ) 其中，( 矿( ，) ) = ( y ( ，) ) c o s ( g ( y ( f ) ) ) ，q ( y ( ，) ) = 厂( 矿( ，) ) s i n ( g ( y ( ，) ) ) 2 2 2 级数展开非线性模型 对于非线性系统，可以通过各种基函数对其进行展开，进而得到简单描述的 参数模型，这样可以提高运算的速度。 2 2 2 1 多项式级数模型 a m a m 特性函数厂( y ( f ) ) 和a m - p m 特性函数g ( y ( ，) ) 可以用幂级数展开如 下： 第二章功率放大器的非线性原理 9 厂( y ( f ) ) = 岛+ q 矿( f ) + 乞矿2 ( f ) + + c k v 足( f ) ( 2 9 ) g ( 矿( f ) ) = 死+ 口t l v ( t ) + t b 2 v 2 ( f ) + + 九y ( f ) ( 2 - 1 0 ) 其中y ( f ) 是输入信号的幅度， c o ，q ，c 足】和【唬，孬，丸】分别为a m - a m 与 a m p m 特性的幂级数系数，k 和l 为非线性响应阶数。 2 2 2 2s a l e h 模型 s a l e h 模型【2 0 1 主要是用于描述行波管功率放大器( t r a v e l i n gw a v et u b e a m p l i f i e r ) 的经典模型，其a m - a m 特性和a m - p m 特性都可以表示为以下两式： 巾) 2 南 ( 2 - g ( ，) 2 为 亿1 2 ) 其中各个参数的典型值为口p - 2 1 5 8 7 ，：4 0 0 3 3 ，屏= 1 1 5 1 7 ，岛= 9 1 0 4 0 。 其a m a m 和a m p m 特性曲线如图2 2 所示。 0 5 0 0 8 0 6 0 4 0 2 o 、 、 。、 a m a m 00 。511 522 5 归一化输入信号幅度 厂 a m p m 00 51 1 5 2 2 5 归一化输入信号幅度 图2 2s a l e h 模型的a m a m 和a m p m 特性曲线 2 2 2 3g h o r b a n i 模型 g h o r b a n i 模型比较复杂，a m a m 和a m p m 特性分别可以用函数表示为： 魁馨妒妲丑簿甚1日i 勺巴v漤喾攀娶丑簿 l o 功率放大器的基带预失真方法研究 厂( ，) = 再p 乜l r p ，2 万+ p 4 ， ( 2 - 1 3 ) g ( ，) = 薷t 9 4 ， ( 2 _ 其中 奶，仍，扬，致】和k ，q ：，q 3 ，q 。】是由实际功放的工作状态决定。 2 2 2 4r a p p 模型 r a p p 模型是专门用于固态功率放大器( s o l i ds t a t ep o w e ra m p l i f i e r ) 的经典 模型。其特性就是当输入功率小于饱和点的时候可以近似的认为工作在线性区， 其相位失真几乎可以达到忽略的程度，所以只需要考虑幅度失真，即a m a m 特 性。 s ( r ) = ， ( 2 1 5 ) 其中s 是光滑因子，光滑因子是用来衡量实际功放非线性失真的程度，s 越 大，非线性失真越大。典型的取值为【2 ，3 】，在这个范围内曲线非常接近实际功放 的工作特性。根据上式描述的r a p p 模型，我们可以画出图2 3 所示的功放a m a m 特性曲线。 少j 一 k 。 一，一， ， - - 一一。一 ，一一一 j 一一一 ，一 ， ? 7 ，j ， 移 ， 夕 f 7 s = 2 一 s = 5 s = 1 0 00 2 0 40 60 811 21 41 61 82 输入信号幅度 图2 3r a p p 模型的特性曲线 ， 9 8 7 6 5 4 3 2 1 o 0 0 o o o o 0 0 o 瑙兽咿妲罚薅 第二章功率放大器的非线性原理 2 3 功率放大器线性化技术概述 根据2 1 节内容可知，功放非线性会引起非线性失真，导致信号发生畸变， 降低系统性能。因此，为了兼顾系统性能和功率效率，需要采取一定方法来补偿 放大器的非线性，减小放大器引起的非线性失真。 目前，存在着多种补偿放大器非线性的方法，常用到的方法有功率回退法、 前馈线性化技术、负反馈线性化技术、l i n c 技术、预失真技术。每种方法的目 的都是为了在保持较高发射效率的同时，获得较好的线性输入输出特性。 2 3 1 功率回退法 为了降低功放的非线性失真，一个简单的办法就是功率回退法。直观地讲， 功率回退法就是降低功率管的实际工作功率，使放大器由饱和区域退回到线性放 大区域，以得到更好的线性化特性。 在输入等幅双频信号的情况下，功率放大器在l d b 压缩点的三阶互调系数为 - 2 3 7 5 d b c 。进一步分析可以发现任意输入功率的三阶互调系数【1 9 1 为 i m 3 = 2 0 1 9 ( 2 p , 一2 兄脚) 一2 3 7 5 ( d b c ) ( 2 - 1 6 ) 由上式可见，输入功率回退l d b ，则眦可以改善2 d b 。当功率回退到使得 姒达到- 4 0 韶以下时，继续回退将不再改善放大器的线性度。因此在线性度要 求较高的场合，完全靠功率回退是远远不够的。 功率回退法的优点在于：简单易行，能比较好的改善功放的线性度。缺点在 于：线性度的改善是以牺牲输出功率和效率为代价换来的，从而使功放的实际利 用率大大降低。 2 3 2 负反馈法 负反馈法【1 9 】【2 1 1 通常用在较低频段来改善功率放大器线性度。负反馈法的原理 是：将微波功放的输出信号耦合出一部分送入反馈网络后在放大器的输入端产生 反馈信号，该反馈信号与放大器原来的输入信号共同控制放大器的输出。其原理 框图如图2 4 所示： 1 2 功率放大器的基带预失真方法研究 图2 4 基本反馈法原理图 前向通路是一个增益为g 的非理想放大器，反馈通路系数为1 k ，当一个输 入信号为m ( ，) 时，它将产生一个误差信号心( f ) ，( f ) 经过放大器输出v o ( f ) ，由 此可得下式： k ( f ) = v ( t ) - v o ( t ) x ( 2 - 1 7 ) 屹( ，) = 吼( ，) ( 2 - 1 8 ) 放大器的闭环增益g 可表示为： g ：! 生( 2 1 9 ) 。 k + g 由于g 远大于k ，所以，1 o ( ，) = g c h ( f ) ( ，) ，即输出端的信号输入端的k 倍，系统达到了线性化放大的目的。 2 3 3 前馈法 前馈法【2 2 】【2 3 1 从基本思想上来看其完全是反馈法的反相运用，所不同的是前馈 法是在输出端进行幅度校准。 最基本的前馈放大器原理如图2 5 所示，它由两个回路组成：失真信号提取 回路( i ) 和失真信号消除回路( i i ) 。 延时线合成器衰减器移相器辅助功放 图2 5 前馈法原理框图 回路( i ) 是由功分器、主功率放大器、定向耦合器、衰减器、移相器、延时线 和合成器组成。输入的r f 载波信号经功分器后被分成上下两支路信号，调节延 第二章功率放大器的非线性原理 时线和衰减器的值；使得上下两路信号幅度相等，相位相差1 8 0 。，从而抵消载波 信号，在合成器的输出端可以得到只有失真信号。 回路( 1 1 1 是由延时线、误差信号放大器、衰减器、移相器和合成器组成。该 回路也有两条支路构成：上支路将主功率放大器输出的载波信号和失真信号经过 延时后送入合成器；下支路将回路( i ) 提取的失真信号进行放大、移相后也送入合 成器，调节衰减器和移相器，直到合成器输出的信号中失真信号很小，此时输出 的信号就有很好的线性度。 前馈法的优点是经过校准以后前馈线性化电路系统的性能比较稳定，提高了 功放的线性度。缺点在于电路系统结构比较复杂，器件很多，成本较高，而且前 馈法的困难还在于必须要对两个回路中的相位、幅度值进行校准。 2 3 4l i n c 法 l i n c ( l i n e a ra m p l i f i c a t i o nw i t hn o i l l i i l e a rc o m p o n e m s ) 线性化技术【2 2 】【2 3 1 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。其原理框图如图2 6 所示： 图2 6l i n c 法明原理框图 假设输入信号为： s ( f ) = 口( f ) c o s ( w r + 矽( ，) ) ( 2 2 0 ) 该信号被信号分离器分成具有相同幅度的两路信号： 而( ，) = 口m c o s ( w r + 矽( f ) + ( ，) ) ( 2 2 1 ) ( f ) = 口mc o s ( w h 矽( ，) 一( ，) ) ( 2 2 2 ) 其中2 s ( ，) = ( f ) + s ：( f ) ，( f ) = a r c c o s ( 口( f ) ) ，从上面分析可以看出，要 1 4 功率放大器的基带预失真方法研究 从输入信号中分离出( f ) 和是( ，) 信号是比较困难的。l i n c 技术对两条路径中的 信号尽量一致，这要求两个功率放大器支路要基本相同，而其对合成器的效率要 求高。因此，这并不容易做到，实现起来难度较大。 2 3 5 预失真法 预失真技术【矧就是人为地加入一个与功放失真特性相反的网络，使之与放大 器的特性互补，从而达到线性化功放输出的目的。其原理框图如图2 7 所示： 图2 7 预失真技术原理图 预失真器的设计一般是需要功率放大器的非线性特性参数，预失真技术的主 要工作就是通过一定的算法直接或间接地获取放大器的非线性特性，然后利用所 得的放大器参数对输入信号进行预失真处理，补偿放大器的非线性失真使输出为 线性输出。目前，基带预失真是一个发展方向，其优点是可以利用数字信号处理 技术对放大器输出反馈的信号数据进行处理，用软件来实现非线性补偿。 预失真技术发展到现在，出现了多种设计预失真器的方法，如查找表( l u t ) 方法【7 】【8 】【1 5 】【2 5 】【2 6 1 、多项式法【1 1 】【1 2 】【1 4 】【1 6 】【1 7 1 和神经网络法等等。下面两章将基于无记 忆放大器模型和有记忆放大器模型对查找表法和多项式法进行详细的分析。 2 4 本章小结 本章首先简单地说明了功率放大器非线性失真的含义，分析了功率放大器非 线性特性，对非线性造成的谐波失真、互调失真和交调干扰进行了详细的阐述， 并给出了非线性特性指标。其次介绍了无记忆功率放大器的非线性模型，给出了 几种模型的特性函数。最后介绍了几种常用的功率放大器线性化技术的原理和特 点，其中预失真线性化技术是后面两章所要研究的线性化方法，为后面的研究奠 定了基础。 第三章功率放大器的无记忆非线性预失真 1 5 第三章功率放大器的无记忆非线性预失真 3 1 引言 预失真技术是补偿放大器非线性失真最好的方法之一，可以在数字域( 基带) 实现，也可以在模拟域( 基带、中频、射频) 实现。射频预失真具有电源效率高、 成本低等优点，但由于需要使用射频非线性有源器件，其控制和调整都较为困难， 而基带数字预失真技术不涉及难度较大的射频信号处理，只在低频部分对基带信 号进行补偿处理，便于采用现代的数字信号处理技术。 基带数字预失真技术主要分为两大类：一类是基于查找表的方法【丌，即通过 建立一个查找表来抵消功率放大器的非线性，查找表的内容和放大器的非线性特 性相反，采用查找表预失真技术可以达到较好的线性度；另一类是基于多项式的 方法【l 引，即利用一个与功率放大器非线性特性相反的多项式函数来抵消放大器的 非线性，这种方法由于参数较少，所以容易初始化和实时修正。本文重点介绍了 基于查找表方式和基于多项式方式的预失真技术。 3 , 2 查找表预失真方法 查找表法预失真技术是目前最为流行的一种预失真线性化技术，其基本原理 是将放大器的输入功率( 或幅度) 作为查找表的索引指针，把功率放大器的预调 整值存储在查找表中，工作时根据输入信号的功率或幅度查找其对应的预调整值， 并对输入信号作相应的调整，以达到线性化的目的【2 5 儿2 6 1 。查找表技术包括映射预 失真法、复增益预失真法和极坐标预失真法。本文