（信号与信息处理专业论文）放大器预失真电路分析与实现.pdf

摘要 摘要 绝大多数无线通信系统都要求对相邻频段的用户产生最小的干扰，也就是必 须在所规定的频段范围内传送信号。但是，由于非线性器件的失真，必然会对相 邻信道产生不同程度的干扰。如果采用恒包络调制( m s k 、f m 等) ，谐波干扰可 通过滤波器滤除。为了利用有限的带宽，容纳更多的信道，现代通信系统多采用 频谱利用率较高的线性调制和宽带通信传输技术。典型的线性调制技术，如q a m ( q u a d r a t u r e a m p l i t u d em o d u l a t i o n ) 和q p s k ，它们的包络上下波动起伏。这种信 号通过非线性功率放大器时，工作在饱和区域附近的器件会产生交调失真，也就 是由功率放大器的a m a m 、p m p m 特性所带来的失真。这种失真表现在频谱上， 则是其谱发散到邻近信道，从而对其它用户产生干扰。 现代无线通信系统一般都要求邻近信道干扰的水平比带内低4 0 - 6 0 d b 。所以， 线性调制信号由于其非恒包络的特性，在带来优越的带宽利用效率的同时，也对 系统的非线性失真非常敏感。为了获得更大的输出功率，放大器不得不工作在饱 和状态，此时非线性失真也随着功率的增高变得更为严重。既要提高频谱利用率， 又要保证信号不失真，解决这一问题的办法，便是使功率放大器线性化。 在g s m ( g l o b a ls y s t e m f o rm o b i l e ) 、i s 一9 5 系列，c d m a 2 0 0 0 ， w c d m a ( w i d e - b a n dc o d ed i v i s i o n m u l t i p l ea c c e s s ) 等现代无线通信系统中，人们已经 对射频功率放大器的线性化技术做了广泛而深入的研究。 本文研究了前人所提出的各种功放线性化技术，如功率回退法、正负反馈法、 预失真和非线性器件法等等，采用射频技术与数字技术相结合，组成自适应预失 真系统。论文的特色在于，以数字信号处理技术为核心的数字电路与射频模拟电 路相结合，有效实现自适应算法，进一步提高功率放大器的线性化程度；将数字 信号处理器与f p g a 相结合，使系统既有灵活的可操作性，又具有快速处理数字 信号的能力，缩短了自适应搜索的时间，提高了系统的整体性能和稳定性。 最后，通过实际测试，指出了存在的问题和不足，并提出了可能的改进方案。 关键词：功率放大器、交调失真、预失真技术、t m s 3 2 0 v c 5 5 0 9 a 、自适应 算法 a b s t r a c r a b s t r a c t m o s to f t h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m sa r er e q u i r e dt oa d d e v el e a s t 删a c e n t c h a n n e le m i s s i o n sa n dh i g hb a n d w i d t he f f i 蝴t h a ti st os a ys i g n a l sm u s tb e t r a n s m i t t e di nal i m i t e db a n d h o w e v e r , d i s t o r t i o nc a u s e db yn o n l i n e a rd e v i c e sc e r t a i n l y w i l ld i s t u r bo t h e rc h a n n e l s i no r d e rt ot a k eg o o da d v a n t a g eo ft h el i m i t e db a n da n d c o n t a i nm o r ec h a n n e l s ，m o d e r nc o m m u n i c a t i o ns y s t e m so f t e nu s el i n e a rm o d u l a t i o na n d w i d e b a n dt r a n s m i s s i o nt e c h n i q u e s t y p i 跚m o d u l a t i o nt e c h n i q u e s ，s u c ha s 删 ( q u a d r a t u r ea m p l i t u d em o d u l a t i o n ) a n dq p s 艮h a v ev a r y i n ge n v e l o p e s d e v i c e s w o r k i n gn e a rs a t u r a t i o nw i l lp r o d u c ei n t e r - m o d u l a t i o nd i s t o r t i o nw h i l et h o s ek i n do f s i g n a lf l o w i n g t h r o u g hn o n l i n e a rp o w e ra m p l i f i e r , s p e c i f i c a l l yt h ed i s t o r t i o nb r o u g h tb y t h ea m - a ma n dp m - p mc h a r a c t e ro ft h ea m p l i f i e rw h i c hw i l ld i s t u r bo t h e ru s e l 瞎i n m o d e mm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m s ，t h ea d j a c e n tc h a n n e li n t e r f e r e n c er e q u i r e m e n t s r a n g ef r o m - 4 5t o 6 0d b cr e l a t i v et ot h ei n - b a n dc a r r i e rl e v e l t h el i n e a rm o d u l a t i o n s i g n a lw h i c hh a st h ea d v a n t a g eo fh i g hb a n de f f i c i e n c yi ss e n s i t i v et ot h en o n l i n e a r d i s t o r t i o no ft h es y s t e mb e c a u s eo fi t sn o n c o n s t a n te n v e l o p e mo r d e rt oo b t a i nh i g h o u t p u tp o w e r , a m p l i f i e rh a st ow o r ka ts a t u r a t i o ns i t u a t i o n ，w h i l et h en o n l i n e a r d i s t o r t i o nb e c o m e ss e v e r e ra st h ep o w e ri si n c r e a s i n g p e o p l eh a v ed o n ew i d e l yr e s e a r c ho nt h el i n e a r i z a t i o nt e c h n i q u eo fr fp o w e r a m p l i f i e ri nm o d e r 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 ，s u c ha sg s m ，i s - 9 5s e r i a l ， c d 队2 0 0 0a n dw c d m a t h i st h e m ea d e q u a t e l ya n a l y s e ss e v e r a lm a i nt y p e so fl i n e a r i z a t i o nt e c h n i q u e s p e o p l ep r o p o s e d ：f e e d f o r w a r d , f e e d b a c k , a n dp r e d i s t o r t i o n t h ea p p l i c a t i o no ft h e d i 百t a ls i g n a lp r o c e s s i n gc o m b i n e dw i t ht h er fc i r c u i tm a k e st h ep r e d i s t o r t i o n a l g n d t h mm o r ee f f i d e n ta n dt h es y s t e mm o r ef l e x i b l e ，s t a b l ea n db e t t e rp e r f o r m a n c e a tl a s t ，b a s e do nt h ea c t u a lt e s t i n gr e s u l t s ，t h ee x i s t i n gp r o b l e m sa r ep o i n t e do u t ，龉 w e l la st h ep o s s i b l e m e t h o df o ri m p r o v e m e n t k e yw o r d s ：p o w e ra m p l i f i e r , i n t e r m o d u l a t i o nd i s t o r t i o n , p r e d i s t o r t i o n t e c h n i q u e , t m s 3 2 0 v c 5 5 0 9 aa d a p t a t i o na l g o r i t h m 图表目录 图表目录 图2 - 1 功率放大器分别在有预失真与无预失真情况下的输入输出特性5 图2 2 放大器的极坐标非线性模型。：8 图2 3 放大器的正交坐标非线性模型8 图3 - 1 前馈技术基本原理图1 2 图3 - 2 反馈技术框图- 1 3 图3 3 正交负反馈技术原理框图1 3 图3 - 4 笛卡儿技术框图1 4 图3 5 极坐标负反馈技术原理框图1 5 图3 - 6l i n c 原理框图1 5 图3 7 利用d s p 分离信号的l i n c 框图1 6 图3 8 预失真技术基本原理框图1 7 图3 - 9 功放输出交调失真分量：2 0 图3 1 0 自适应预失真方案基本框图2 2 图3 - 1 1 复数p d 、p a 模型框图2 3 图3 1 2 复数p d 、p a 合成模型框图2 4 图3 1 3 软件流程2 9 图3 1 4 自适应预失真方案二基本框图3 1 图4 - 1 预失真技术基本原理框图3 8 图4 2 主要硬件结构3 9 图4 3 硬件实物图4 0 图5 1 代码性能分析工具4 3 图5 2d s p 主要初始化流程4 6 图5 3 多个1 2 c 兼容设备互联：4 7 图5 - 41 2 c 主要组成模块4 8 图5 51 2 c 模块开始和结束条件，4 9 图5 61 2 c 数据传输格式4 9 图5 - 7a d 7 9 9 4 地址指针寄存器写操作5 0 图5 8a d 7 9 9 4 单个地址寄存器写操作5 0 v 1 图表目录 图6 - 1 下变频后的放大器输出w c d m a 信号5 3 图6 2 有预失真的功率放大器输出信号谱5 3 图6 - 3 无预失真的功率放大器输出信号谱5 3 v i i 缩语表 w c d m a 肿a a c i a c p r l 矾c p a p r d s p f p g a f f r q a m o f s k 姗 l u t 缩语表 w i d e - b a n dc o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s h i 曲p o w e r a m p l i f i e r a d j a c e n tc h a n n e li n t e r f e r e n c e a d j a c e n tc h a n n e lp o w e rr a t i o l i n e a ra m p l i f i e rw i t hn o n l i n e a rc o m p o n e n t s p e a k - t o a v e r a g ep o w e rr a t i o d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y f a s tf o u r i e rt r a n s f o r m q u a d r a t u r ea m p l i t u d em o d u l a t i o n q u a d r a t u r ep h a s es h i f tk e y i n g i n t e r m o d u l a t i o nd i s t o r t i o n l o o k - u pt a b l e v m 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。 躲望遂一吼哆年衫月加 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) 第一章引言 1 1 课题研究的目的和意义 第。章引言 在当前无线通信系统中，高度线性化功率放大器存在较大需求。 近年来，无线通信系统的发展都在致力于获得更高的带宽利用率。这些现代 通信系统，如w c d m a ( w i d e - b a n dc o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) r 1 1 、c d m a 2 0 0 0 、 i s 9 5 等，由于它们的信号调制方式而具有高频谱利用率的特点。但是，这些系统 对影响整个系统的性能的非线性失真更加敏感。因此，对基站发射机和手持设备 的线性化，都提出了更高的要求。 微波功率放大器在无线通信系统中有着重要的应用，通常用在发射机的末级。 一个射频发射机的最后r f 放大阶段通常会消耗较多的功率。为了获取最高的效 率，通常选择b 或c 类放大器。但是，这些放大器存在着两种非线性失真：a m 。a m 、 p m p m ，因此只适合于恒包络信号，如m s k ( 最小频移键控) 、c p m ( 连续相位 调制) 等等。不幸的是，这些产生恒包络信号的调制方式，其谱利用效率小于线 性调制，如q p s k 或q a m ，他们使信号的相位和包络都有变化，从而产生带外辐 射。对有限的可用频谱的持续不断的压力，迫使发展出有效利用频谱的线性化调 制，如1 6 q a m 和q e s k 。他们的包络上下波动，在非线性功放中产生交调。在移 动通信中，对带外辐射的限制非常严格，从而强烈要求功放的线性化。 为了获得更高的谱利用效率，必须采用更有效的调制技术，比如m a r yq a m 等。但是，线性调制技术的性能与传输系统的线性化密切相关。为了使效率及输 出功率最大化，功率放大器通常工作在接近饱和点的区域，而此时的非线性失真 更为严重，如图2 - 1 所示。当一个包络有起伏的线性调制信号，通过个b 或c 类放大器时，便产生了预失真，导致信号谱扩展到邻近信道，对其它用户产生干 扰。在这种情况下，既要考虑获得高的功放效率，又要使带外辐射尽可能低。为 了满足这一要求，通常采用一种带有线性化电路的非线性功放发射机结构。 移动通信中线性调制的出现，使功率放大器的线性化日益成为一个重要的研 究热点。在c d m a 系统中，指标要求最苛刻的部件之一便是微波功率放大器。而对 功率放大器考虑的核心问题，则是线性化特性。为了获得较大的功率输出，功率 放大器通常工作在饱和状态附近，此时其非线性效应较为严重，使c d m a 信号质量 电子科技大学硕士学位论文 下降，误码率增加。1 9 9 7 年制定的c d m a 技术标准，就严格要求频谱再生必须符合 i s 一9 5 。所以，在数字通信系统中，功率放大器被认为是非线性失真的主要原因。 1 2 国内外研究现状和发展态势 线性化技术自诞生以来，已用于卫星通信、蜂窝移动通信等各个领域。随着 各种形式的通信业务的增长，对高线性功率放大器的需求也日益迫切。因此，国 内外对高功率放大器的线性化的研究已成为一个热点，并有相应产品问世。美国 p o w e r w a v e 技术公司、a m p l i d y n e 公司、m p t 公司、s t e a l t h 微波公司、线性 器件技术公司、加拿大a m p l i 集团、韩国电子学与通信研究所、日本三菱公司信 息技术研发中心等多家单位，均有不同波段不同功率的产品问世。 早在上个世纪二十年代，贝尔实验室工作人员就发明了前馈和负反馈技术， 并应用于放大器的设计，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。直到上世纪七八十年代，射频功率放大器的线性化技术在无线通信技术 的推动下得到飞速发展，出现了一些新的功放线性化技术，研究人员也将线性化 从器件的设计扩展到系统设计。 目前，不论是学术界还是工业界，都十分关注射频功放的线性化技术研究。 i e e e 近年关于该领域的论文，以每年约百分之十几的速度增长。由于该技术的实 用性，每年都有几十上百个相关专利出现。但是，国内对该技术的研究还没有引 起足够的重视，只有少数单位开展这方面的研究工作，所发表的论文也大都为介 绍性的，相关的发明专利则更少。 围绕着功率放大器的线性化课题，人们已经提出了各种各样的算法【2 】，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，但是却限制了放大器的实际输出功率； 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；预失真法是目前用得最多的一种方法， 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。 根据预失真器在发射机中所处的位置，预失真技术可以分为射频预失真技术、 2 第一章引言 中频预失真技术和基带预失真技术。根据预失真器处理信号的形式，又可以分为 模拟预失真技术和数字预失真技术。其中，数字预失真技术一般有两种实现方式， 基于查找表方式和基于非线性射频功放的参数模型。射频功放的参数模型有级数 模型、多项式模型等等。 上个世纪八十年代，提出了利用查找表和曲线拟合的预失真方法。紧接着又 出现了映射预失真。1 9 9 0 年，提出了用两张一维预失真表实现预失真。同年提出 了复增益查找表的方法。可以认为，基于查找表的方法是目前预失真技术的一个 重要分支。 另一方面，随着无线通信技术的发展，对发射机系统的功率效益、线性化程 度以及频谱效率等性能要求的提高，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；最近还出现了预失真技术与l i n c 技术的结合；随着数字信号处理技术的 进步，尤其是高速度d s p 技术的飞速发展，线性化技术中逐渐加入了自适应的思 想，使得功率放大器线性化系统的稳健性有了更大的提高。 1 3 本论文的主要工作和结构 本文分析了目前的各种放大器线性化技术，研究了几种预失真算法。本课题 由d s p 小组与射频小组共同完成，d s p 小组负责预失真算法的实现与控制，包括 产生控制预失真模块的信号以及产生各种告警或开关信号。本人的主要工作为预 失真算法的研究与仿真以及d s p 软件代码的编写实现，并配合组内成员完成软硬 件系统的调试。 论文的主要特点如下： 1 以数字信号处理技术为核心的数字电路与射频技术相结合，使预失真方案 有效地实现，提高了方案的可行性与有效性； 2 数字信号处理器与数字逻辑器件的结合，使系统兼具了灵活的操作性和快 速的处理能力，提高了系统的整体稳定性； 3 射频预失真法使系统适宜于宽带应用。 论文共分为六章。第一章简要介绍课题研究的意义和国内外研究现状；第二 章介绍射频功率放大器的特性及其非线性失真对通信系统的影响；第三章是论文 的重点，首先介绍目前各类线性化技术，接着详细讨论本课题所采用的预失真算 法及其软件实现；第四章简要介绍方案的硬件平台；第五章介绍软件系统的实现， 3 电子科技大学硕士学位论文 分析了软件代码的性能；第六章给出了系统的测试结果，分析了存在的问题；最 后第七章给出总结，重点分析了实验结果，并列出了可能的进一步工作内容。 4 第二章射频功率放大器非线性模型 第二章射频功率放大器非线性模型 本章介绍射频功率放大器的主要特性、技术指标、分类以及几种常用的非线 性模型，最后分析了射频功率放大器的非线性特性对通信系统发射机性能的影响。 2 1 功率放大器 高速率数据传输需求和来自于有限频谱资源的压力，使现代无线通信系统通 常需要使用非恒包络的线性调制信号，它们比恒包络更有效。但是，起伏波动的 包络通过非线性放大器后，会由于交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。 尽管采用非恒包络数字调制机制的现代通信系统，烈需要放大器表现出较高 的幅度线性特性，但是众所周知，功率放大器仍然是一个主要的非线性失真源【3 】。 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 4 】，如图2 - 1 所示。 输出 线性预失真极限点输入 图2 - 1 功率放大器分别在有预失真与无预失真情况下的输入输出特性 如图2 一l 为功率放大器分别在有预失真和无预失真情况下的大致输入输出特 性。实线代表没有预失真的情况，此时输入输出呈一条曲线，通常放大器都工作 在饱和点附近，虚线代表在理想预失真情况下的特性曲线。 5 电子科技大学硕士学位论文 2 1 1 产生非线性的原因 所有电子电路和各种电子器件都是非线性的。通常，工作在饱和点附近的功 放是通信系统中非线性的一个主要的产生原因。非线性器件的物理特性一般较复 杂，功率放大器中所使用的晶体管的非线性，使放大器的输出频谱具有旁瓣，也 即产生了邻频干扰。 2 1 2 功率放大器的分类 功率放大器主要分为a 、b 、a b 和c 类，不同类别的放大器有不同的线性度、 不同的工作原理、不同的应用场合以及功率效率。下面简单总结这几种不同类别 放大器的特性。 a 类放大器( 也称为甲类放大器) 的晶体管总是工作在放大区，导通角为3 6 0 度。a 类功放的线性特性很好，但是以牺牲功率效率为代价。当晶体管工作在接 近饱和区域时，获得理论上的最大功率效率2 5 。但是在到达饱和点之前，就表 现出非线性特性，实际上获得的功率效率约在1 0 到2 0 之n 5 1 。 b 类放大器( 也称为乙类放大器) 的晶体管只有半周期导通，即导通角为1 8 0 度，因此实际工作时必须采用双管轮流导通，它又叫推挽电路。b 类功放较之a 类放大器功率效率更好，但是线性度更差。当输入为正弦信号时，其最大功率效 率理论上可以达到7 8 5 5 】。 a b 类放大器( 又叫甲乙类功放) 是a 类和b 类放大器的一个折衷，比甲类 功放减小了非线性失真，并兼顾功率效率，当然其效率低于乙类功放【5 】。 c 类放大器( 又叫丙类功放) 进一步提高了功率效率但线性度更差，它的导通 时间小于半周期。因此，c 类放大器通常不用在要求线性响应的调制中，它们更适 宜于f m 或f s k 这些可以接受非线性放大器的调制方式【5 。 此外，还有d 类放大器( 又叫丁类功放) ，其功率效率最高，属于脉冲数字电 路的范畴。 除了按照放大器中晶体管的工作状态和导通角来分类外，功率放大器还可以 按负载性质来分，如谐振功放、非谐振功放、宽带匹配网络功放等等。 2 2 功率放大器的特点及技术指标 固态器件及真空管都可作为功率放大器。固态放大器主要包括两端的反射型 6 第二章射频功率放大器非线性模型 电路和三端的传输型电路。微波晶体管功率放大器主要包括双极性晶体管( b ，r ) 功率放大器、硅金属氧化物场效应管( m o s f e t ) 功率放大器、赝高电子迁移率 晶体管( p h e m t ) 功率放大器、异质结双极晶体管( h b t ) 功率放大器及砷化镓 金属半导体场效应管( m e s f e t ) 功率放大器等等。 功率放大器的主要技术指标包括：输出功率、功率效率及功率附加效率、工 作频带、交扰调制失真、寄生杂波、稳定系数、输入输出驻波比、调幅调幅( a m - a m ) 转换和调幅调相( a m p m ) 转换、谐波失真。在这诸多技术参数中，最重要的两 个是非线性失真( a m - a m 、a m - p m ) 和输出功率。 负载吸收的功率也就是输出功率，是由直流电源提供的，用功率放大器的效 率来衡量放大器转换功率的能力，定义为平均输出功率与电源消耗的平均总功率 的比值。 理想线性功放的输入输出呈线性关系。本质上，射频功率放大器都是非线性 的，也就是其输出信号中会包括非线性引起的失真分量。并且，功率放大器都是 有记忆效应的，其输出不仅同现在的输入信号相关，也同过去的信号有关。此处 的分析，假设所研究的射频功率放大器是没有记忆效应的。 在不考虑记忆效应的情况下，输出信号的非线性失真可以利用调幅调幅 ( a m a m 3 转换和调幅调相( a m p m ) 转换模型来描述，也就是认为失真的幅度 和相位均是由输入信号的幅度变化引入的。这种模型描述方法在实际的工程应用 和研究中很常用。下面一节就简单介绍三种常用的放大器非线性模型。 2 3 功率放大器的非线性模型 本质上，射频功率放大器都是非线性的，并且有记忆效应，即输出不仅跟现 在的输入信号有关，也跟过去的输入信号有关。若输入信号的带宽足够小，可以 把它看成无记忆效应的非线性系统，本文中分析的射频功放都是假设没有记忆效 应的。 2 3 1 极坐标非线性模型 调幅一调幅( a m a m ) 转换特性和调幅调相( a m p m ) 转换特性常用来表述 非线性功放，将它们串联起来就得到极坐标形式的非线性模型 6 】。用石o ) 和五( f ) 分别表示放大器的a m - a m 和a m - p m 特性，j ，= a ( t ) e o s ( 2 f , f + 矽o ) ) 表示输入 信号，则输出信号可以表示为j 。( f ) = 。和( 力) c o s ( 2 矾f + 五 伊( f ) ) ) 。极坐标非线性模 7 电子科技大学硕士学位论文 型如图2 - 2 所示： a ( t ) e o s ( 2 矾f + 妒( f ) )f l a ( t ) c o s ( 2 z f 。t + c a ( t ) + 以 ( f ) ) 石 a ( t ) c o s ( 2 z r f 。t + 妒( f ) ) a m - a ma m - p m 图2 - 2 放大器的极坐标非线性模型 2 3 2 正交坐标非线性模型 将上述极坐标非线性模型进行三角函数变形，可得到另外一种非线性模型： 正交形式的非线性模型。 s 。( t ) = 厂l a ( t ) c o s ( 疋 a ( t ) c o s ( 2 n f , t + 伊( f ) ) ) - 工 a ( t ) s i n 饭 a ( t ) ) s i n ( 2 矾f + 妒( f ) ) ) ( 2 1 ) 进一步可写作 或( f ) = ， 口( f ) ) c o s ( 2 月f d + 妒( f ) ) 一q a ( t ) s i n ( 2 z r f d + 矿( f ) ) ( 2 2 ) 其中 j 口( f ) ) = f l a ( t ) ) c o s f 2 a ( t ) ( 2 - 3 ) q 如( f ) ) = a ( t ) ) s i n f 2 口( f ) ) ) ( 2 4 ) 正交坐标非线性模型如图2 3 所示： l a ( t ) e o s ( 2 n f j + 妒( f ) ) q ( a ( t ) s i n ( 2 矾h 妒( f ) ) 图2 - 3 放大器的正交坐标非线性模型 8 第二章射频功率放大器非线性模型 2 3 3 序列展开非线性模型 对功率放大器非线性模型的展开方法 7 】有：泰勒序列、功率序列和v o l t c r r a 级数 8 9 1 0 0 1 等等。一个无记忆非线性系统，其输出信号可以用输入信号的功率 序列表示如下： s a t ) = c o + c l 墨( f ) + c 2 s i ( f ) 2 + c 3 8 j ( f ) 3 + ( 2 5 ) 5 。是输出信号，墨o ) 是输入信号，q 是各次展开系数。分析交调失真分量可知， 只有基频信号的奇数次项组合才会出现在基频信号附近。对一个通信系统，三阶 交调分量是主要失真信号。如果把三阶交调分量消除到同相邻高次分量( 如五阶 交调) 相等或略低，就可以取得较好的线性化效果。当然，这样只考虑了通带区 域内失真信号的影响，且没有考虑偶次分量，是一种较简单的分析模型。 2 3 4t w t a 模型 有一类典型的s a l e h 1 1 模型，用来描述行波管功放【1 2 】。行波管功放是一种真 空电子器件，功率大，工作频带宽，a m a m 失真和a m p m 失真都相对严重。s a l e h 模型中，a m a m 响应和a m p m 响应分别为 1 3 】： 2 4l d b 增益压缩点 ) 2 杀 中( r ) = 而口e 矿r 2 ( 2 6 ) ( 2 - 7 ) 在a m - a m 特性曲线中，放大器实际输出比理想线性输出下降l d b 处，称作 l d b 压缩点。l d b 增益压缩点是功率放大器常用的一个特性指标，类似的压缩点也 可以定义在其它地方，常用的如3 d b 和0 1 d b 压缩点。可以用a m - a m 失真曲线 来定义这些点。 2 5 饱和点 饱和现象发生在输入信号达到功率放大器的工作的最大极限的时候。当输入 9 电子科技大学硕士学位论文 信号较小时，放大器具有相对较好的线性指标，随着输入功率的增大，功率放大 器逐渐进入饱和工作状态，线性指标开始急剧下降。在饱和点，输出功率达到最 大值，即使输入功率继续增加，输出功率几乎不变。此时，放大器晶体管工作于 饱和区。除了产生非线性失真外，饱和还会导致信号发生相位失真，这也就是放 大器的j w p m 。 2 6 功率放大器非线性特性对通信系统的影响 发射机系统可以使用非线性器件，但要求整个系统必须呈线性。为了获得更 高的频谱效率，无线通信系统的发展趋势，必然是线性发射机系统。所以，对于 非线性最严重的功率放大器必须做线性化处理。在无线通信系统中，相邻信道干 扰a c i ( a d j a c e n tc h a n n e li n t e r f e r e n c e ) ，常用来衡量输出信号频谱对相邻信道 的干扰程度。对于非线性射频功率放大器，若输入信号幅度较大，使功率放大器 工作在截止或者饱和区域，则会产生更大的交调失真。体现在频域上，非线性射 频功率放大器会扩展输入信号的频谱，对相邻信道产生干扰。不同调制方式下的 频谱扩展不尽相同，一般来讲调制阶数越高，频谱扩展越严重。 1 0 第三章自适应预失真算法分析与软件实现 第三章自适应预失真算法分析与软件实现 为了减小相邻信道的干扰，提高移动通信系统中发射机的总体性能，人们提 出了各种用于功率放大器线性化的技术，主要有前馈法( f e e d 二f o r v c a r d ) 、反馈法 ( f e e d - b a c k ) 、非线性器件法( l i n c ) 、功率回退法( b a c k o f f ) 和预失真法 ( p r e d i s w r t i o n ) 等等。 本章首先介绍了目前已有的几种主要的线性化方法，接着详细介绍本文所采 用的自适应预失真方案，还给出了软件实现的方法。 3 1 几种主要的线性化技术 在主要的几种放大器线性化技术中，前馈法 1 4 1 s 1 需要一个健壮的误差信号 放大器，以抵消非线性失真，它可以获得高度的线性化，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。主 要优点是无条件稳定，并且理论上可以完全消除非线性失真分量，但是要求两路 信号通路的幅度和相位特性完全匹配，因此解决方案复杂而昂贵，绝大多数用在 基站系统中。反馈法 1 6 】【1 7 】的稳定性较差，带宽也受到限制，不适合在射频情况 下使用。因为固态晶体管的增益会随频率的提高而降低。可以把许多晶体管级连 起来，但是稳定性又会下降，且带宽受限。从功放线性化的角度考虑，负反馈系 统以牺牲功放增益来达到压缩失真信号的目的，因此功率放大器必须提供足够高 的增益才能得到较好的功率增益和线性度。非线性器件法 1 8 1 9 ，是由非线性 器件来实现线性器件的功能，将输入信号变成恒包络信号再经放大器放大，缺点 是操作复杂且对器件漂移敏感，且功率效率不高，所以不适于要求具有自适应特 性的应用。功率回退法简单可靠，却限制了放大器的实际输出功率，降低了功率 效率。预失真法 2 0 2 2 是目前采用最广泛的一种方法，其基本原理很简单，是将 放大器的输入信号通过一个可以与放大器失真特性相抵销的预失真器，得到的预 失真信号再通过放大器放大，理想的输出则为线性信号。其中，自适应预失真方 法已被证明可以在通信系统中补偿非线性失真，这源于数字计算的高精确性以及 自适应数字系统固有的稳定性。并且，高速数字信号处理器( d s p ) 的处理能力， 已经可以应付宽带信号的庞大数据量。 电子科技大学硕士学位论文 3 1 1 前馈法 前馈技术和负反馈技术，都是在上世纪初由贝尔实验室发明。由于前馈技术 的复杂性，使其一开始就受到冷落，负反馈技术则得到广泛应用。随着宽带技术 的发展，特别是在射频应用下，负反馈只能消除有限失真分量的缺点日益明显， 前馈技术又重新得到发展。较之其它技术，前馈线性化技术具有不降低系统增益 以及稳定等很多优点。 前馈法 2 3 1 2 4 多用于对宽带和多载波信号功率放大器的线性化，前馈技术所 构成的系统是一个非常稳定且带宽固定的。其线性化过程是，从非线性放大器输 出得到畸变信号与输入信号的矢量差，把它看作交调信号，经辅助放大器放大后， 从主放大器输出信号中扣除。 前馈技术的基本原理如图3 1 所示。 信号对消环失真对消环 图3 - 1 前馈技术基本原理图 射频信号经过功率分配器，一路直接进入功率放大器，原始信号上出现了交 调失真和谐波失真，另一路经过延时，与来自功率放大器输出并经衰减后的信号 对消，得到失真分量，也即交调产物。该信号再经辅助放大器放大到需要的程度 后，与经过延时的功率放大器输出对消，便得到不含失真分量的放大信号。当然， 在失真分量放大的时候也会出现非线性失真，因此仍然会影响最后的输出信号， 一种解决办法是加入一个嵌套的误差环路。 前馈法的优点在于，它可以较大程度地改善功放的非线性失真，且不影响其 增益带宽，无条件稳定；缺点是对定位调整敏感，需要两套完全相同的放大器和 延时线，整个系统结构复杂，增益和相位的调整相对困难，硬件实现的成本更高。 第三章自适应预失真算法分析与软件实现 3 1 2 负反馈法 负反馈技术是早期提出的一种方法。早在2 0 世纪2 0 年代，就有工程师提出 了反馈电路的形式，并将其应用于放大器。反馈包括正反馈和负反馈，正反馈可 能引起振荡，所以功放线性化电路中一般都采用负反馈。关于负反馈系统的原理 和性质，许多书籍和文章都已做过深入详尽的讨论。负反馈法的基本框图如图3 - 2 所示。 图3 - 2 反馈技术框图 反馈技术的增益独立于放大器本身，由反馈网络决定。反馈放大器线性化是 以牺牲增益得到的，为了得到好的线性度就必须更高的功率增益。由于负反馈的 稳定性不好，现在用得较少 2 5 2 6 1 。 目前已有的负反馈线性化技术包括正交负反馈、极坐标负反馈等等。其中， 正交负反馈法又叫笛卡尔反馈法，是比较成熟的一种技术。 3 1 2 1 正交负反馈 在这种技术中，功放的输出经由同步解调后，负反馈至输入，经过环路滤波、 正交调制，再送入射频功率放大器。其线性化原理框图如图3 3 所示。 。 图3 - 3 正交负反馈技术原理框图 如图3 - 4 ，i q 两路是被滤波或平滑过的二进制序列，通过差分放大器后，进 电子科技大学硕士学位论文 入矢量调制器，在输出端得到真实的r f 信号s ( f ) ： 占( f ) = j o ) c o s ( - c f ) + q ( f ) s i n ( _ c f ) ( 3 - 1 ) s ( f ) 经过固态功率放大器放大后出现了非线性失真，耦合出部分输出信号，经 下变频，得到包含失真分量的i 、q 信号，与无失真的输入i 、q 比较。正交负反 馈环的精度，不仅依赖于射频电路的增益和带宽，还依赖于下变频器的线性度。 相对于极坐标负反馈，其i 、q 信号处理通道在增益和带宽上都具有对称性。正交 调制解调器成本低廉，应用范围广泛，使得笛卡尔环校准技术 2 7 1 简单而实用。 相对于其它技术，正交负反馈减少了系统环路增益，并且可能会产生跳变， 因此需要一个相位调节器，保持反馈环的稳定性。由于放大器的输入信号是变包 络信号，如果输入信号的幅度低，功率效率也很低。实际使用的正交负反馈系统 更复杂。实际上，笛卡几环校准技术最容易过渡到数字线性化技术，因为i 、o 两 路很有可能使用d s p 和a d c ，所以，可采用数字信号方式直接实现基带信号的比 较和校准。 图3 4 笛卡儿技术框图 3 1 2 2 极坐标负反馈 极坐标负反馈法采用的输入信号是中频信号，它首先被分解成幅度信号和相 位信号，分别控制功放的电压和压控振荡器。极坐标负反馈的基本原理如图3 5 所示。在某些文献中，极坐标负反馈又叫极环校准技术。 极坐标负反馈的难点在于相位的检测和校准，由于其典型特征是对窄带信号 的杂波抑制表现出良好的性能，因此多用于窄带通信系统。极坐标负反馈技术对 于低阶交调失真，如i m 3 ( 三阶交调) 、i m 5 ( 五阶交调) 可以得到较好的改善， 但对于高阶交调失真则不能有效抑制，在频谱上也会出现不对称。 1 4 第三章 自适应预失真算法分析与软件实现 3 1 3 非线性器件法 图3 - 5 极坐标负反馈技术原理框图 为了在获得较高的功率效率的同时，能够尽可能地充分利用频谱资源，1 9 7 4 年c o x 提出一种利用非线性元件的线性化方法。该技术被认为适合幅度和相位都 变化的调制技术，符合现代无线通信系统的需求，因此具有良好的发展前景。l i n c ( l i n e a r a m p l i f i e r 谢m n o n l i n e a r c o m p o n e n t s ) 的基本原理如图3 - 6 所示。 图3 - 6