（通信与信息系统专业论文）射频功放数字预失真技术的研究.pdf

杭州电子科技大学硕士学位论文 摘要 现代通信系统中，由于受到高速率数据传输需求和有限频谱资源的双重压力，频谱利用 率较高的非恒包络调制技术得到了广泛应用( 女i q a m 和o f d m ) 。但是射频功放固有的非线性 严重影响现代无线通信系统，非线性失真造成了带内误比特率增加和带外邻近信道干扰。所 以对功率放大器进行线性化处理是当代通信面临的重大课题。在各种线性化技术中，数字预 失真以其良好的线性度、带宽宽、高效率和全自适应性等优点而被业界视为最有前途的一种 功放线性化技术。所以本文以数字预失真的功放线性化技术为核心，对射频功率放大器的非 线性、记忆效应、行为模型以及线性化技术进行了研究。主要工作如下： 1 、本文首先全面、系统的研究了功放的非线性理论和技术指标，然后在a d s 软件中用实 例仿真分析了功放的主要非线性特性，包括互调失真、对频带信号的影响以及功放的记忆效 应等。 2 、详细介绍了功率放大器常见的功放模型，同时讨论了目前各种功放线性化技术的原理 和优缺点。 3 、巧妙的结合a d s 软件和m a t l a b 软件进行功放的建模研究，即利用a d s 仿真得到采样 数据后用m a t l a b 进行模型系数估计。测试结果表明a d s 软件可以得到近似真实环境中的数 据并能够应用于功放的行为模型建模，并且通过m a t l a b 估计得到的功放模型应用于数字预 失真的分析也能够得到较好的效果。 4 、讨论了预失真器的自适应结构和自适应算法的基本原理，并且一些结构和算法在 m a t l a b 软件中得到了编程验证。对查找表和多项式两种常用的预失真技术进行了分析和仿 真，其中在多项式预失真技术中，针对宽带通信系统中的有记忆功放模型，创造性的提出了 一套联合功率回退、峰均比抑制技术和自适应算法的功放线性化技术。 5 、对数字预失真系统在s y s t e m v u e 环境下进行了构建并对信号的e v m 、a c l r 以及频谱 进行了仿真分析，结果表明构建的系统能够达到预失真的效果。 6 、介绍了一种基于a d s 软件仿真的数字预失真技术，使用矢量信号发生器、频谱分析仪 及矢量信号分析软件，将软、硬件联合仿真。实现了无线系统中实际功率放大器的最优线性 化。 关键词：射频功放，非线性，数字预失真，行为模型，s y s t e m v u e 杭州电子科技大学硕士学位论文 a bs t r a c t i nm o d e r nc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s ，d u et ot h ed u a lp r e s s u r e so fh i g h s p e e dd a t at r a n s m i s s i o n n e e d sa n dt h el i m i t e ds p e c t r u mr e s o u r c e s ，u n c o n s t a n te n v e l o p em o d u l a t i o nt e c h n o l o g i e s ，s u c ha st h e q a ma n do f d m ，a r ew i d e l ya p p l i e df o rt h e i rh i g h e rs p e c t r a le f f i c i e n c y b u tt h e i n h e r e n t n o n l i n e a rf e a t u r eo fr fa m p l i f i e r sh a v eas e r i o u si m p a c to nt h em o d e r nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s y s t e m s ，n o n l i n e a rd i s t o r t i o nl e a d st ot h ei n c r e a s eo fi n - b a n db e ra n do u t b a n da d j a c e n tc h a n n e l i n t e r f e r e n c e s ot 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 r sb e c o m e st h e m a j o ri s s u eo fm o d e r n c o m m u n i c a t i o n d i g i t a lp r e d i s t o r t i o n i sc o n s i d e r e dt h em o s t p r o m i s i n gt e c h n o l o g yo fa l l l i n e a r i z a t i o nt e c h n i q u e sb e c a u s eo fv a r i o u sa d v a n t a g e s ，s u c ha sg o o dl i n e a r i t y , w i d eb a n d w i d t h , h i 曲e f f i c i e n c y , f u l la d a p t a t i o na n ds oo n s ot h ec o r eo ft h i sp a p e ri st h et e c h n o l o g yo fp o w e r a m p l i f i e rl i n e a r i z a t i o no fd i g i t a lp r e d i s t o r t i o n b a s eo n t h i st e c h n o l o g y , n o n - l i n e a r i t y , m e m o r y e f f e c t s ，b e h a v i o r a lm o d e la n dl i n e a r i z a t i o no ft h er fp o w e ra m p l i f i e ra r er e s e a r c h e d t h em a i n a c h i e v e m e n t sa r ea sf o l l o w s ： 1 p o w e ra m p l i f i e rn o n l i n e a rd i s t o r t i o nt h e o r ya n dt e c h n i c a li n d e xa r ee x t e n s i v e l yr e s e a r c h e d ， t h e nt h em a i nn o n l i n e a rc h a r a c t e r i s t i c so fp aa r e a n a l y z e dw i t ha d ss o f t w a r e ，i n c l u d 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 ，t h ei n f l u e n e eo f f r e q u e n c yb a n ds i g n a la n dm e m o r ye f f e c t so f p a 2 t h em o s tc o m m o nb e h a v i o r a lm o d e l so fp o w e ra m p l i f i e r sa r ei n t r o d u c e di nd e t a i l t h e p r i n c i p l e ，a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fv a r i o u sl i n e a r i z a t i o nt e c h n i q u e sa r ed i s c u s s e da tt h e s a m et i m e 3 t h ep o w e ra m p l i f i e ri sm o d e l e db yc o m b i n i n gt h ea d sa n dm a t l a bs o f t w a r es k i l l f u l l y t h es a m p l e dd a t ai so b t a i n e dv i aa d ss i m u l a t i o na n dt h em o d e lc o e f f i c i e n t sa r ee s t i m a t e db y m a t l a b t h et e s tr e s u l t ss h o wt h ea d ss o f t w a r ec a ng e td a t a a p p r o x i m a t et ot h a t i nr e a l e n v i r o n m e n ta n dc a nb ea p p l i e di nt h eb e h a v i o r a lm o d e l i n gf o rp o w e ra m p l i f i e r a p p l y i n gt h e p o w e ra m p l i f i e rm o d e l ，w h i c hi se s t i m a t e df r o mm a t l a b ，i nt h ea n a l y s i so fd i g i t a lp r e d i s t o r t i o n ， t h er e s u l ti sg o o d 4 t h ea d a p t i v es t r u c t u r e so fp r e d i s t o r t i o na n dt h eb a s i cp r i n c i p l e so fa d a p t i v ea l g o r i t h ma r e d i s c u s s e d ，w h a t sm o r e , s o m es t r u c t u r e sa n da l g o r i t h m so fp r e d i s t o r t i o nh a v eb e e nv a l i d a t e db y p r o g r a m m i n gi nm a t l a bs o f t w a r ea sw e l l t h et w oc o m m o np r e d i s t o r t i o nt e c h n i q u e s ，l o o k u p t a b l ea n dp o l y n o m i a l ，a r ea n a l y z e da n ds i m u l a t e d o nt h ep o l y n o m i a lp r e d i s t o r t i o nt e c h n i q u e ，f o r m e m o r yp o w e ra m p l i f i e rm o d e l si nb r o a d b a n dc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s ，t h i sp a p e rc r e a t i v e l y p r o p o s e sap o w e ra m p l i f i e rl i n e a r i z a t i o nt e c h n i q u e ，w h i c hc o m b i n e dw i t hp o w e rb a c k o f f , p a p r s u p p r e s s i o nt e c h n o l o g ya n da d a p t i v ea l g o r i t h m s 1 i 杭州电子科技大学硕士学位论文 5 b u i l d st h ed i g i t a lp r e d i s t o r t i o ns y s t e mi ns y s t e m v u ec i r c u m s t a n c e ，e v m 、a c l ra n dt h e f f e q u e n c ys p e c t r u ma r es i m u l a t e da n da n a l y z e d ，a n dt h er e s u l t ss h o wt h es y s t e mc a ng e tt h ee f f e c t o f p r e d i s t o r t i o n 6 am e t h o df o ru s i n gd i g i t a lp r e d i s t o r t i o ni na d si sd 硎b e d ，i nw h i c hv e c t o rs i g n a l g e n e r a t o r , s p e c t r u ma n a l y z e ra n ds e r i e sv e c t o rs i g n a la n a l y s i ss o f t w a r e a r ec o n n e c t e dt ob u i l da s o f t w a r e h a r d w a r ec o n n e c t e ds y s t e m ，t h i ss y s t e ma l l o w sa l la c t u a lh a r d w a r ep o w e ra m p l i f i e rt ob e o p t i m a l l yl i n e a r i z e di 1 1w i r e l e s ss y s t e m k e y w o r d s ：r fp o w e ra m p l i f i e r , n o n l i n e a r i t y , d i g i t a lp r e d i s t o r t i o n , b e h a v i o r a lm o d e l ，s y s t e m v u e i i i 杭州电子科技大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景和意义 随着社会的进步及科学的发展，人们也从电气时代走进了信息时代，随时随地、迅速可 靠的进行通信成为了人们不断追求的目标。在过去的几十年里，移动通信技术先后经历了从 第一代模拟通信到第二代数字通信再到第三代多媒体通信的三个重要发展阶段，第四代无线 通信标准的最新技术也在实验室悄然进行当中。世界各国都把重点放到了无线宽带多媒体通 信系统上来，分组化、宽带化、综合化、个人化的未来无线通信系统，使得“全球信息村 这个美好的蓝图正在不断的清晰起来。 第一代移动通信是模拟调制方式的，而且其调制方式基本上是恒定包络，第二代移动通 信系统，如在我国广泛应用的g s m 数字无线蜂窝技术，采用的是g m s k 调制方式，也是具 有恒定包络的调制信号，恒定包络调制技术的主要优点就是非线性对信号的失真影响比较小。 因此该类信号对功放的线性度要求也不高，所以功放可以工作在临近饱和区，工作效率高， 但是其缺点是频谱利用率低。然而随着社会的不断发展，通信系统容量的不断扩大，信息的 安全性和可靠性也不断提高，此时恒定包络调制技术已经无法满足现代无线通信的要求，因 此为了更好的利用频谱资源，最新的移动通信多采用频谱利用率高的调制方式，例如幅度和 相位都变化的正交振幅调制技术( 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 , q a m ) 以及以正交频分复用 ( o r t h o g o n a lf r e q u e n c y d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，o f d m ) 为代表的多载波调制技术等。 国际电信联盟( i t u ) 确定的第三代移动通信系统主流的无线接口标准主要是w c d m a 、 c d m a 2 0 0 0 和t d s c d m a 。它们都具有信息传输可靠性高，频谱利用率高等优点，但是它 们也存在着固有的缺点，因为这些调制技术都为非恒定包络，由于功放本身存在非线性，非 恒定包络的调制信号通过功放后会产生带内失真和带外失真，带内失真增加了误码率，引起 信息的丢失，而带外失真对于邻近信道来说又是一个潜在的干扰源f l 】，出现严重的邻道干扰。 因此功率放大器无疑是无线通信系统中的一个关键器件，并且功放也正成为移动通信系统的 一个瓶颈。目前解决此类问题的一种简单易行的方法就是功率回退技术，这实际上也就是将 大功率放大器当作小功率管来使用，使用这种方法不需要增加任何设备，但它的缺点也是显 而易见的，它一方面会造成功放资源的浪费，功放效率降低，另一方面使整个系统的成本也 会增加，例如在现代蜂窝通信系统的基站中，4 0 左右的成本都是用来设计高功率放大器等 设备，因而利用大功率放大器代替小功放管使用无疑增加了设备的成本。此外，当功率回退 到一定程度后，继续回退将不会明显改善功放的线性度，因此仅仅依靠功率回退是不够的【2 】。 同时，近年来随着全球对环保要求的不断提高，全世界各国都在大力提倡环境保护、节能减 排，绿色通信渐渐成为研究的热点，功放功率效率的提高也越来越受到关注。因此为了解决 上述的这些矛盾，要让功放既高效又线性的工作，这就对功放的线性化处理提出了新的要求， 杭州电子科技大学硕士学位论文 因此寻找新的功放线性化方法就已经成为国内外设备厂商和学术界研究的热点问题，这对于 未来无线移动通信的发展和实现有着十分重大的实际意义。 1 2 相关技术的研究进展 1 2 1 功放建模技术的发展 功率放大器建模就是把其特性用数学语言表述出来，根据建模方式的不同，功率放大器 的模型可以分为用于电路仿真的物理模型和用于系统仿真的行为模型，一些著作【3 】都比较详 细的研究了功放的物理模型，而行为模型则是把功放看成一个“黑盒”，完全通过一组输入输 出的测试数据进行模型估计，比较物理模型和行为模型可知，物理模型的研究相对来说比较 复杂，成本较高，而行为模型具有节省开发资金，开发时间短等优点，而且通过行为级模型 建模技术设计高效的射频功放对于提高系统工作性能有着十分重大的意义【4 1 。此外，在系统 仿真中，只有选择恰当的功放行为模型才可以优化系统的性能。因此本文重点研究了功率放 大器的行为模型。 虽然研究人员在很早就开始研究功放的输入输出特性，但是真正的功放模型研究应该开 始于2 0 世纪七八十年代，在1 9 8 9 年，w b o s c h 和g g a t t i 第一次提出了记忆效应这个概念【5 】， 但在当时没有引起足够的重视，直到2 0 0 1 年j v u o l e v i 才明确给出了记忆效应的定义，并且 根据记忆效应产生的原因将其分为两类：热记忆效应和电记忆效应【6 1 。因此按照是否考虑功 放的记忆效应，也可以将功放的行为模型分为记忆行为模型和无记忆行为模型。对于无记忆 行为模型的研究相对来说已经比较成熟，其中1 9 8 1 年提出的s e l a h 模型就是目前一种比较常 用的无记忆功放模型【7 1 。 随着通信系统的发展，无记忆功放模型已经很难精确的描述其特性，因此近年来功放建 模技术的研究重点也开始转向有记忆模型。迄今为止，已经出现了很多不同类型不同特点的 有记忆功放模型。其中v o l t e r r a 级数是一种泛函级数，在记忆功放的建模中已经开始广泛的 应用，但是一般形式的v o l t e r r a 级数模型随着功放非线性程度增加其参数数目会快速增加， 导致参数辨识的计算量非常庞大，因此往往局限于低阶弱记忆非线性系统 8 】。在实际应用中， 常常采它的用几种延伸模型，其中包含h a m m e r s t e i n 模型、w i e n e r 模型以及记忆多项式模型 等几种形式。 近段时间以来，一些科研工作者开始将人工神经网络( n e u r a ln e t w o r k n n ) 理论应用于通 信领域，其中基于神经网络的功放建模方法逐渐被人们所重视，已经取得了很多突破性的进 展，为近年来功放建模技术的研究注入了新的血液，但是神经网络的结构非常复杂，目前大 多数都处于理论研究阶段，所以还需要一些技术的支撑才能得到进一步的发展。 总之，对于功率放大器有记忆模型的研究还不是十分的成熟，虽然在过去的几十年中， 研究人员已经提出了很多不同的方案，形成了一个非常有生命力的学科领域，但是各种模型 都存在一定的局限性，且相互比较有一定的困难，到目前为止对于功放模型的建立还未出现 一种能被大众所接受的统一方法。因此如何建立适用性更广的模型也成为研究者重点关注的 2 杭州电子科技大学硕士学位论文 课题。 1 2 2 功放线性化技术的发展 追溯历史，对于功率放大器线性化技术的研究在很早的年代就已经开始了，2 0 世纪2 0 年代，美国贝尔实验室的工作人员h s b l a c k 提出了负反馈技术和前馈技术【9 】【1 0 】，这两种技术 在当时非常有效的减少了功放的非线性失真，因而使得功放线性化技术的研究有了一个很好 的开端，后来d c c o x 对负反馈技术进行了一些改进，得出了c a r t e s i a n 负反馈技术【l 。但是 随着通信技术的快速发展，人们慢慢认识到现有的一些线性化技术的缺点，因此对前馈及其 他一些技术的研究又开始进一步的发展，到2 0 世纪7 0 年代，d c c o x 应用移相技术又提出 了一种称为非线性器件线性化技术( l i n e a ra m p l i f i c a t i o nu s i n gn o n l i n e a rc o m p o n e n t s ，l i n c ) 的 功放线性化方法。在功放线性化技术发展历史中非常关键的一步是2 0 世纪8 0 年代预失真技 术的出现，预失真技术最初开始应用在模拟系统中，后来随着数字信号处理技术的不断发展， 预失真技术也可以在数字域应用，从而形成了数字预失真( d p d ) 技术。而且数字预失真技术 能够运用自适应来较好的跟踪和补偿由于环境、湿度、电源漂移、器件老化等因素造成的功 放特性的变化，因而形成了现在所说的自适应数字预失真技术。总之，随着现代通信技术的 发展，特别是以o f d m 、多输入多输丑( m u l t i i n p u tm u l t i o u t p u t ，m r m o ) 、m i m o o f d m 等4 g 核心技术的飞速发展，功率放大器线性化技术将会无时不在继续完善和发展之中。 到目前为止，关于功放线性化技术已经出现了很多方法，总结为：功率回退法、前馈法、 包络消除和恢复技术、l i n c 技术、反馈法、预失真法等( 12 1 。各种方法有各自的优缺点，分 别适用于不同的情况之下，当然也还有一些其它的方法。这些方法中应用较多的还是前馈、 反馈和预失真三种技术，综合考虑线性性能、自适应性、适用带宽和稳定性方面，其中数字 预失真技术最具有发展前景，其应用最被看好。数字预失真可以在射频段和基带范围内实现， 由于基带预失真技术不涉及到难度较大的射频信号处理，且伴随着d s p 技术的飞速发展，我 们更加倾向于基带预失真技术。最后综合自适应等方面因素，则使得自适应数字基带预失真 成为目前研究的重点。 最近几十年，国外很多企业如三星、诺基亚、爱立信、摩托罗拉、n e c 等供应商都投入 大量的人力财力进行功放线性化的研究，很多芯片厂商也研制出了不同特点的d p d 专用芯 片，其中美国德州仪器( t i ) 公司开发的g c 5 3 2 2 芯片采用数字预失真技术可以处理高达4 0 m h z 的输入带宽，它既能够降低输入信号的峰值平均功率比( p e a kt oa v e r a g ep o w e rr a t i o ，p a p r ) ， 还能够同时改善相邻频道泄漏比( a d j a c e n tc h a n n e ll e a k a g er a t i o ，a c l r ) 引。x i l i n x 公司提出 了一种软硬件结合的基于多线索法的预失真方案【1 4 1 。a l r e r a 公司推出了基于查找表( 1 0 0 k - u p t a b l e ，l u t ) 和多项式两种数字预失真参考设计【1 5 】。2 0 0 1 年，p m c s i e r r a 公司采用削峰处理和 反馈的套片实现数字预失真，其结果能够改进带外抑制1 0 d b 左右。此外，还有e r i c s s o n 、 t e l a s i c 等公司都推出了各具特色的预失真芯片。 在国内，由于关于功放非线性特性及线性化技术的研究起步比较晚，应用也刚刚开始， 3 杭州电子科技大学硕士学位论文 所以与国外的研究成果相比还有很大的差距，但是国内还是有很多企业开展了这方面的工作， 如中兴、华为、浙江三维通信、北广电子集团以及中国电子科技集团二十九所等都致力于数 字预失真技术的研究，近年来取得了非常不错的成绩，其中华为技术有限公司对功放线性化 的指标要求已经达到了国际先进水平。此外还有很多高等学府也展开了功放线性化技术的研 究，如清华大学、西安电子科技大学、东南大学、北京邮电大学、华中科技大学以及宁波大 学等，其中华中科技大学的钱业青等人员研究了基于神经网络的记忆功放预失真方法，也获 得了一定的研究成果【1 6 】。相信在众多企业和科研院所的共同努力下，国内也会在功放线性化 领域取得更大的成功。 在未来的发展中，除了宽带功放在带外辐射、带内失真指标方面的要求更加严格外，一 方面，由于便携式移动设备的增多，预失真器件小型、微型化，即在保证预失真性能的前提 下，功放预失真器的复杂度等问题成为研究的难点和重点。另一方面，其应用的领域也将不 只会限制在通信领域，而会向着航空、航天等领域扩展。此外，各种预失真算法的高效性、 可靠性以及算法在工程中的可适用性也将是关注的另一个重要问题。 1 3 本文主要工作及内容安排 本论文研究的重点是功率放大器自适应数字预失真技术，因此在深入研究国内外众多相 关文献的基础上，主要对功放的非线性特性、功放的行为模型及建模、各种线性化技术、自 适应算法、两种主流预失真技术以及基于a g i l e n t 软件平台和软硬件相结合的预失真仿真平台 进行了研究。论文完成的主要内容安排如下： 本论文总共分为六章。在本章中，主要阐述了本文的研究背景和意义，并对功率放大器 的建模以及国内外关于功放线性化技术发展过程进行了讨论，然后简要的论述了各章节中研 究的主要内容。 第二章：功放的非线性特性与仿真 本章首先对功率放大器的基本理论进行了比较全面、系统的分析，其中包括非线性产生 的原因、对系统的影响和主要的技术指标，然后通过在a d s 软件中建立功放电路模块，用实 例仿真的方法分析了功放的一些非线性特性以及热记忆效应和电记忆效应对系统的影响。 第三章：功放模型及功放线性化方法 本章主要讨论了各种无记忆及有记忆功放模型，并对各种功放模型进行了比较详细的公 式推导及分析，然后分析了各种功放线性化技术并进行对比总结，得出数字预失真技术是一 种最优的线性化方法。本章是数字预失真技术的理论基础，其中一些相关理论将在后续章节 中得到体现和应用。 第四章：功放的建模及数字预失真分析 本章首先对在a d s 软件中构建的功放电路进行建模研究，并在估计得到的功放模型基础 上进行数字预失真的仿真验证。然后阐述自适应数字预失真的基本概念，分析了两种常用的 预失真结构及各种典型的自适应算法。最后在基于无记忆功放模型和有记忆功放模型的条件 4 杭州电子科技大学硕士学位论文 下分别仿真研究了目前流行的两种预失真技术，即查找表法和多项式法。其中在基于多项式 的数字预失真技术中创造性的设计了一套联合功率回退、峰均比抑制技术和自适应算法的功 放线性化方案。 第五章：基于a g i l e n t 软件的数字预失真仿真 本章的工作主要分为两个部分，首先利用了a g i l e n t 公司新推出的s y s t e m v u e 软件进行了 数字预失真整个链路的软件平台仿真，这对于预失真系统的设计和实现具有很大的参考价值。 然后利用a d s 软件提供的半实物仿真平台，结合e s g 4 4 3 8 c 矢量信号发生器、p s ae 4 4 4 0 a 频谱分析仪及v s a 8 9 6 0 0 矢量信号分析软件完成了软硬件结合的数字预失真分析，实现了无 线通信系统中的硬件功放的最优线性化。 第六章：总结与展望 本章主要总结了全文的工作，分析了目前取得的研究成果，并指出了接下来需要完成的 任务和今后的研究方向。 1 4 小结 在本章中，阐述了课题研究的背景及意义，其中对射频功放的建模以及国内外有关功放 线性化技术发展过程进行了研究和分析，最后简要的概括了论文中各章节主要研究内容。 5 杭州电子科技大学硕士学位论文 第2 章功放的非线性特性与仿真 通信系统中的功放总是工作在大信号状态，大功率功放的线性指标及其功率利用率等因 素的影响至关重要，所以在设计无线通信系统时，一定要考虑功放的非线性失真，并且尽量 减小它对系统的影响。因此本章首先对功放非线性特性进行分析，包括非线性产生的原因、 影响和主要的技术指标，然后通过在a d s ( a d v a n c e dd e s i g ns y s t e m ) 软件中建立实际的功放电 路模块，进行功放一系列特性的仿真分析。 2 1 功率放大器的非线性特性 一个理想的功放其输入和输出应该是线性的，即当功放输入信号的大小和频率变化时其 增益应保持不变。但实际上几乎所有的电子系统都呈现非线性，并且由于晶体管的内部结构 和物理工艺等特点，使得功放在饱和点后会表现出较强非线性的特性，即输入和输出不再为 线性关系。 通常来说，放大器的非线性特性将会产生谐波失真、互调失真、交调失真、幅度失真和 相位失真等。 2 1 1 谐波失真 由功放的工作原理可知，功放在输入信号达到一定程度时就会呈现非线性特性。而且对 所有非线性系统来说都有一个重要的特点，即当输入单音信号时，输出端的信号不仅有原始 信号的频率，还有频率为输入信号频率倍数的谐波分量。 幂级数一般常用于描述非线性系统，如把功放的输入输出电压关系用幂级数表示为： r ( t ) = 矿( f ) ( 2 1 ) 式中，p ( f ) 为输入信号，( f ) 为输出信号，口。为各项系数。 如果在研究中直接使用式( 2 1 ) 所表示的幂级数，或者级数的项数选取得过多，必将给计 算带来很大的麻烦，而且从工程计算的角度来要求，也没有这种必要。因此通常情况下对于 一般的非线性系统，只需要取前三项( 不包括直流项) 就可以保证足够的精度【1 7 l ，即： r ( t ) = 口i p ( f ) + 口2 e 2 ( f ) + 口3 e 3 0 )( 2 2 ) 当输入信号为单频信号时，设e ( t ) = a c o s ( r o t ) ，经过非线性系统后输出信号为： ，( f ) = 互1a 2 a 2 + ( 口l + 三呜么2 ) a c o s ( c o t ) + 丢吃a 2 c o s 2 r o t + i i 鸭彳3 c o s 3 刎 ( 2 3 ) 由式( 2 3 ) 可以得到，输出的信号中除了输入的基波成分外，还包含了由于非线性特性而 新产生的直流和谐波分量。对于一个接收系统来说，一般谐波分量远离信号频率，可以比较 容易的用滤波器将其滤除掉，因此谐波的产生对接收系统不是特别的严重。但对于发射系统 6 杭州电子科技大学硕士学位论文 而言，若输出信号中含有谐波成分，则可能会对其他频段的信号产生干扰，即产生邻道干扰。 因此在发射系统中就应该尽量减小谐波的影响。 2 1 2 互调失真 所谓互调失真，是指多个不同频率的信号同一时刻通过功放后，由于功放非线性的作用 产生混合频率分量。在各阶互调分量中，对系统产生的影响主要集中在载波频率附近的三次、 五次阶的互调失真信号，它们难以用滤波器滤除，这是我们重点考虑互调分量【1 8 1 。 若输入信号为r ( t ) = a c o s c o l t + a c o s c 0 2 t ，代入式( 2 2 ) 可得输出信号为： m = + 口2 a 2 一 ( + 9a 3 ) c o s c o l t + ( + 9a3)coa c o s ( c o l c 0 2 ) t + a l a - i a s a ) c oc o l t + a l a - 4 a 3 a ) c o s 吲 厂o ) = 口2 彳2 + 口2 一 ( + 了 3 s ( + ， 3 s 哆f + - 三a 3 a 3c o s ( 2 c 0 1 一吐) h d 3a 3 a 3c o s ( 2 哆一c o i ) t + a 2 a 2c o s ( c o l + c 0 2 ) t + l a 2 ac o s 2 0 l t + 互1a 2 a 2c o s 2 c 0 2 t + 0 3 a 3c o s ( 2 q + c 0 2 ) t + a 3 a 3c o s ( 2 哆+ c 0 1 ) f + a 3 a 3c o s 3 0 ) l t + 三吩4 3c o s 3 哆f ( 2 4 ) 上式中，除了对应所需要的双音信号分量、直流分量、谐波分量以外，还含有频率为 m q + n c 0 2 的互调分量，其中2 q 一哆，2 哆一q 距离双音基带信号最近，我们无法用滤波器把 它们消除，并且极有可能使所需要的基带信号发生畸变。这样由三次方产生的2 劬一致， 2 吃一q 干扰为三阶互调干扰，同理由五次方产生的3 c o i 一2 吃，3 一2 q 干扰为五阶互调干扰。 2 1 3 交调失真 交调干扰又称交叉调s j j ( c r o s sm o d u l a t i o n ，c m ) ，交叉调制【1 9 】是由非线性电路中一个调制 信号转移到了一个未调制信号上而产生了干扰。现对其作以下说明，设输入信号为一个幅度 调制信号与一个载波信号的合成，如下式所示： e l ( t ) = 趣1 + m c o s c o m t c o s c o l t + a c o s c 0 2 t ( 2 5 ) 式中，a 为载波振幅，m c o s c o r o t 为调制信号。将式( 2 5 ) 代入式( 2 2 ) 可以得到其中的交叉 调制项为： 气 ( f ) = a a t + j 口，a 2 + 3 a 3 a 2 m c o sc o 。t c o sc 0 2 t ( 2 6 ) t 式( 2 5 ) 和式( 2 6 ) 比较可知，当合成信号经过功放后，调制信号的载波角频率已经变为， 这种现象就是不希望出现的交叉调制，交叉调制的强弱与系数哦和载波振幅彳有很大的关系。 2 1 - 4a m a m 和a m p m 失真 功放的非线性既可以从频率也可以从时域来观察，而常用的a m a m 和a m - p m 失真则 是对非线性器件比较直观的描述。a m a m 变换是指输出信号幅度与输入信号幅度存在的非 线性关系，a m p m 变换是指输出信号相位与输入信号幅度的非线性关系。图2 1 所示的 a m a m 和a m p m 曲线为a d s 软件中某典型功放的特性曲线。 7 杭州电子科技大学硕士学位论文 j ji ， 一。 f 入 24681 01 21 41 6 r f p o 怕r 图2 1 a m a m 和a m p m 失真 2 2 功率放大器的技术指标 功放的非线性指标可以主要用以下几个参数来说明：l d b 压缩点、三阶互调系数、i p 3 截断点、邻信道功率比( 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 ) 、误差矢量幅度( e r r o rv e c t o r m a g n i t u d e ，e v m ) 等。 2 2 1l d b 压缩点 当功放的输入功率达到饱和状态时其增益开始下降，或者称为压缩。l d b 压缩点为放大 器线性增益和实际的非线性增益之差为l d b 的点，换句话说，它是放大器增益有l d b 压缩的 输出功率点。如图2 2 所示，l d b 压缩点是输出功率的性能参数，压缩点越高意味着输出功 率越高，器件的线性度越好，非线性失真程度也就越小。当输入功率较低时，输出功率与输 入功率成正比关系，然而当输入功率超过一定量时，功放的增益开始下降，最终结果是输出 功率达到饱和 2 0 1 。 l d b 压缩点的相对应增益为g 1 棚，且有g l 棚= g o - 1 ，其中g 0 是放大器的小信号增益， 如果l d b 压缩点的输出功率用, l d b 表示，则它与相对应的输入功率圪。柏的关系为： 乞t , l d b ( d b m ) = 兄，l 衄+ q 扭= 己。l 凹+ g o l d b ( 2 7 ) 图2 2 功放非线性特性参数 8 1 0 0 o o o o i，s母西o p芝do_1譬 杭州电子科技大学硕士学位论文 2 2 2 三阶互调系数和i p 3 截点 离基本频谱比较远的谐波分量和互调分量一般可以通过选用适当的滤波器滤除掉，但是 所产生的三阶互调分量和基波频率比较接近，无法用滤波器较好的进行消除，它对整个系统 影响是最大的。因此在对一个非线性系统进行判断时，一个较为重要的指标就是三阶互调分 量的大小。 三阶互调系数( i m ，) 是指三阶互调分量与基波幅度的比值，它可以比较方便的研究一个 信号在经过非线性系统之后所引起的干扰和频谱畸变，也是最常用的衡量非线性程度的重要 指标。由式( 2 4 ) 可得三阶互调系数表达式： i m 3 = 1 0 l o g 兰硼l o g 羔( d 8 c ) ( 2 8 ) 争= l o l o g 丢等与c ) ( 2 8 ) a , a + 三口，彳3 q 口i 十y 吩艘 三阶截点【2 1 1 肥也是衡量放大器互调失真程度的另一个重要指标，当线性输出和三阶互调 的输出功率最终相交于一点时，此点即被定义为三阶截点，对应的输出功率称为d 职，所对 应的输入功率称职，如图2 2 所示。在数学上，功放的皿可以定义为： 圮( 如m ) ：p o ( 拈朋) + ! 警 ( 2 9 ) 式中，乞，为单音信号的输出。任意器件的皿都是由本身的非线性所决定的一个常量， 它非常简洁的刻画了器件的线性度。 2 2 3 邻近信道功率比 现代通信系统中，输入信号要比双音信号复杂的多，所以简单的单双音信号的非线性指 标已经不能完全反映信号的失真程度，为此随之产生了一些宽带信号特有的非线性指标。比 如邻道功率比( a c p r ) 、误差矢量幅度( e v m ) 等，应该说a c p r 是第二代以及第三代移动通信 系统中功放非线性性能的主要测试指标。 a c p r 2 2 1 定义为信道带宽内的信号功率与相邻信道带宽内泄漏或扩展的信号功率之比， 它是衡量功放非线性引起的邻道干扰程度的指标。 a c p r 定义式为： a c p r = 卫 ( 2 1 0 ) 曰 式中，p o 为信道带宽内信号功率，日为与相邻信道带宽内泄漏的信号功率，简单的示意 图如图2 3 所示。 9 杭州电子科技大学硕士学位论文 图2 3 频谱信道示意图 2 2 4 误差矢量幅度 由于非线性失真会使信号幅度和相位同时出现失真，因此用误差矢量信号平均功率的平 方根值和参考信号平均功率的平方根值之间的比值定义为误差矢量幅度，在星座图上表现即 为信号点偏离理想位置，如图2 4 所示。其数学表达式为： e y m =丙l 善n 【砸) 一厶( 明2 + q ( f ) 一q ( d 】2 ) ( 2 1 1 ) = 恃和( f ) 嘲) ) r ( 2 1 2 ) 式中，n 为测量信号的点数，已为信号的平均功率， 表示实际信号的第i 个 信号，信号的理想值表示为 。 对于一个通信系统来说，只有将误差矢量幅度控制在一定的范围内，信号才能够正确的 解调，e v m 值越大，说明信号受到的干扰越大，恢复出信号的难度也就越大。根据3 g p p 2 5 1 0 4 规范，当信号为q p s k 方式时，e v m 应该小于1 7 5 ，采用1 6 q a m 时，e v m 应该小于1 2 5 ， 只有满足这样的条件才能够正确的解调。 赛际铡量位置 ， ，i ； 差矢量 一一x ，黜位i 一 一 iiii - i i m 一一 一一 图2 4 e v m 原理示意图 l o 杭州电子科技大学硕士学位论文 2 3 功率放大器非线性特性仿真 本文仿真选用的功放管为恩智浦半导体( n x p ) 的l d m o s 晶体管b l f 6 g 2 7 1 0 g t 2 3 】，采用 直流2 8 v 供电电压，其工作频段为2 5 0 0 2 7 0 0 m h z 之间，它采用特殊工艺，具有良好的热 稳定度，是一款广泛使用的功放管。 在众多的e d a 仿真软件中，a d s 软件【2 4 】是美国安捷伦( a 西1 刚公司推出的微波电路和通 信系统的仿真软件，a d s 仿真软件功能强大界面友好，它集合了多种e d a 软件的优点，支 持工程师开发所有类型的射频电路，且可以实现包括时域电路仿真( s p i c e 1 i k es i m u l a t i o n ) 、 频域电路仿真( h a r m o n i cb a l a n c e 、l i n e a ra n a l y s i