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射频预失真功率放大系统设计与实现 摘要 无线通信的发展对射频发射系统尤其是射频功率放大器的线性 化提出了更高的要求。对于射频大功率放大器结构和系统的设计方 法，国内国外各大通信公司和高校在这方面都在着手进行研究与开 发。 本文所讨论的射频预失真放大系统的设计正是为更好的实现射 频大功率放大器的线性化而进行研制和开发，特别是针对w c d m a 基站 中的应用。 本课题首先通过分析和论证，阐明了设计预失真功放系统的意 义，并比较多种主流线性化技术的结构和优缺点，然后根据w c d m a 标 准要求和功放的指标，提出射频预失真放大系统的设计方案，其目标 是通过制作一个完整的射频预失真线性化实现系统，完成对射频功率 放大器的自适应线性化和相关器件的研究。经过仔细的器件选型和系 统分析，完成整个系统原理图的设计，之后进行p c b 制板。最后给出 了系统测试方案。 关键词：射频预失真线性化自适应预失真系统数模混 合电路 d e s i g na n dr e a l i z a t i o n o ft h er fp r e d i s t o r t i o np o w e r a m p l i n e rs y s t e m a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s ，t h ed e s i g no ft h e r ft r a n s m i ts y s t e me s p e c i a l l yr fh i g hp o w e ra m p l i f i e rl i n e a r i z a t i o na r e m o r ea n dm o r ed i f f i c u l t y m a n yd o m e s t i ca n df o r e i g nc o m p a n i e sa n d u n i v e r s i t i e sa r em a k i n gr e s e a r c ho nt h ea r c h i t e c t u r ea n ds y s t e mo fr f p o w e ra m p l i f i e r t h ed e s i g no ft h er f p r e d i s t o r t i o na m p l i f ys y s t e md i s c u s s e di nt h i s p a p e ri su s e df o rb e t t e rr e a l i z et h el i n e a r i z a t i o no ft h er fh i g hp o w e r a m p l i f i e r , e s p e c i a l l yf o rt h ea p p l i c a t i o no fw c d m a b a s es t a t i o n t h r o u g ha n a l y s i s a n d a r g u m e n t ，t h i sp a p e r i l l u s t r a t e s t h e s i g n i f i c a t i o no fd e s i g n i n gp r e d i s t o r t i o np o w e ra m p l i f i e rs y s t e m ，a n d c o m p a r e st h ea r c h i t e c t u r ea n dd o m i n a n c eo fv a r i o u sl e a d i n gl i n e a r i z a t i o n t e c h n o l o g i e s ，t h e nb a s e do nt h er e q u i r e m e n to fw c d m a s t a n d a r d sa n d p o w e ra m p l i f i e ri n d e x ，p u t sf o r w a r dt oaf e a s i b l ea r c h i t e c t u r eo fr f p r e d i s t o r t i o na m p l i f ys y s t e m t h r o u g hm a e n gac o m p l e t es y s t e mf o rr f p r e d i s t o r t i o nl i n e a r i z a t i o n ，r e a l i z et h ea d a p t i v el i n e a r i z a t i o nr e s e a r c ho f r f p o w e ra m p l i f i e r a f t e rs e r i o u s l yd e v i c e ss e l e c t i o na n ds y s t e ma n a l y s i s ， t h i sp a p e rf i n i s h e st h ed e s i g no fs y s t e mp r i n c i p l ed i a g r a ma n dm a k e st h e p c bb o a r d t h et e s ts c h e m ei sb r o u g h to u ti nt h el a s tp a r to ft h i sp a p e r k e yw o r d s ：r f p r e d i s t o r t i o n l i n e a r i z a t i o n a d a p t i v e p r e d i s t o r t i o ns y s t e m a n a l o g d i g i t a lm i x e d - s i g n a lc i r c u i t 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的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。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 不包含为获得北京邮电大学或其他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了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：查避 日期： 趔8 = 幺上 一 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电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北京 邮电大学。学校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，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部 或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学 位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权 书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名：到继 导师签名： e l 期：丝! 星：丝上 日期：垄堕：生兰： 北京邮电大学硕士学位论文射频预失真功率放大系统设计与实现 1 1 研究背景及意义 第一章引言 随着历史的巨轮不断的推进，无线通信技术和电子技术在过去的近十年中以 惊人的速度蓬勃发展着，不仅改变了人们的通信方式，还从某种程度上改变了人 们的生活方式。如今，无线通信已经成为人们生产和生活中必不可少的一部分， 并且作为信息产业的一个重要部分，发挥着不可替代的作用，成为社会经济飞速 发展的强劲推动力。 第一代移动通信系统采用模拟制式，无线传输中的信号调制方式是恒定包络 的，第二代移动通信主要技术之一的g s m ，采用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严格，但其最大缺陷，就是其频带资源的利用效率低。随着 社会的发展，对现代通信提出了更高的要求，特别是第三代移动通信技术，其核 心业务不再局限于语音、图像，而是更高要求的多媒体业务。这就要求通信系统 的容量不断扩大，信息的可靠性和安全性不断提高，致使通信频段越来越拥挤。 频带资源越来越紧张，为了改变这种局面，实现更高的频谱利用密度和更广泛的 信道空间分配，人们采用了许多新的宽带数字传输技术( 如o f d m 、m c c d m a 和w c d m a 等) 和高频谱效率的调制方式( 如q p s k 和m q a m 等) 1 1 1 ，。这些 高效的数字调制传输技术与前两代的通信技术的关键不同在于这些几乎都是基 于非恒定包络的。 一直以来，在移动通信系统中，对邻信道干扰的要求是非常严格的。通常要 求基站输出的已调信号在邻信道的辐射功率( 带外发射功率) 与所需功率之比应 低于- 6 0 d b ，即与带内信号功率相比，带外发射功率应小于- 6 0 d b 到- 7 0 d b 。为了 避免对w l a n 的干扰，3 g - w c d m a 规范要求带外辐射信号在2 2 0 0 b f l - l z 以上频带内小 于一4 0 d b c 10 0 k h z t 2 1 。 对于早期采用f m ( f r e q u e n c ym o d u l a t i o n ) 、m s k ( m i n i m u m s h i f tk e y i n g ) 等恒包络调制方式的无线通信系统，可以采用滤波技术来消除谐波干扰。然而对 于非恒包络的调制技术，滤波并不能消除互调产物，如果将其直接作为功率放大 器的输入信号，必将产生非常严重的互调失真，使得功率放大器输出信号频谱扩 展，产生对邻信道的干扰，因此提高发射系统，特别是系统中射频功率放大器的 线性度就成为现代射频系统构建的关键。 北京邮电大学硕士学位论文 射频预失真功率放大系统设计与实现 1 2w c d m a 系统概要 u m t s 包括有国际电信联盟( i t u ) 指定的两个空中接口协议，这两个协议 都是满足国际移动通信( i m t - 2 0 0 0 ) 要求的建议方案，且都采用直接序列宽带 c d m a ( d s w c d m a ) 。一个解决方案用频分复用( f d d ) 技术，而另一个则采 用时分复用( t d d ) 技术。 第三代合作伙伴项目( 3 g p p ) 分析这些提议的技术的结果是，w c d m a 成 为了3 g 系统最倾向于采用的技术。3 g p p 技术规范中的2 5 1 0 1 章包括了w c d m a 移动终端r f 硬件部分的核心性能要求。另外，3 g p p 还定义了w c d m a 终端两 种可选择的工作模式：频分复用模式 f d d - 与时分复用模式 t o o l 。 3 g p p 规范了f d d 终端使用仅6 0 m h z 带宽，双工间隔为1 9 0 m h z ： 2 1 1 0 m h z 2 1 7 0 m h _ z 用于移动r x ，1 9 2 0 m h z 1 9 8 0 m h z 用于移动t x 。 在f d d 方案中，在上行和下行链路中用的是5 m h z 带宽的载波，而且上行 链路分配的频段为1 9 2 0 1 9 8 0 m h z ，下行链路分配的频段为2 1 1 0 2 1 7 0 m h z 。这 样，用f d d 方式的工作模式运行时，上行链路和下行链路之间就有1 9 0 m h z 的 频率间隔。尽管5 m i - i z 是正常的载波间隔，但在载波间隔4 4 m h z 一5 m h z 之间的 频带间隙中可有几个2 0 0 k h z 的间隔。这些间隔可以用来避免相邻信道之间产生 相互干扰，尤其是当下一个5 m h z 宽带分配做其它载波时。 对于t d d 方案，确定的频率包括1 9 0 0 1 9 2 0 m h z 和2 0 1 啦2 0 2 5 m h z 。当然， 对于t d d ，一个确定的载波要同时用于上行链路和下行链路，因此也就没有载 波问隔的存在。 按照3 g p p 标准( t s 2 5 1 0 4 ) ，在欧洲和亚洲的大多数地区，为w c d m a - f d d 分配的是1 9 2 0 1 9 8 0 m h z 和2 1 1 0 - 2 1 7 0 m h z 带宽。实际的带宽为4 0 9 6 m l - l z ，码 片速率为3 8 4 m c h i p s ，一般的频道间隔选择为5 m h z ，但是可以根据需要进行调 整，中心频率可以以2 0 0 k h z 为最小单位进行调整。w c d m a 的载频频率信道号 称为绝对无线频率信道序号( u a r f c n ) 。 1 3 射频功率放大器线性化技术发展现状 功率放大器的线性化技术研究始于到上个世纪二十年代。美国人h a r o l d s b l a c k 通过在放大器设计中应用前馈和负反馈技术【州，从而有效地减少了放大 器失真，可以认为是功放线性化技术研究的开端。但那时主要是从器件本身的角 度来提高功率放大器的线性度，所研究的功率放大器频率也较低。 第2 代移动通信系统g s m 采用的高斯最小频移键控( g m s k ) 调制方式，允许采 2 北京邮电大学硕士学位论文射频预失真功率放大系统设计与实现 用具有极高效率的非线性功率放大器，功率放大级可以进入压缩状态。因此，g s m 基站中功率放大器通常具有较高的效率。 第2 5 代移动通信系统g s m e d g e 采用更高带宽效率的3 兀8o f f s e t8 p s k 调制技术来实现三倍于g s m 的数据传输率。由于这种调制技术不具有恒定包络， 因此出于成本和复杂性考虑，e d g e 基站中功率放大器一般采用功率回退技术来 满足g s m 标准线性要求。 第3 代和第4 代移动通信采用宽带高频谱利用率的数字多电平线性调制技 术，这些调制技术产生的信号具有相当大的包络变化，同时支持多载波发射，此 时简单的功率回退技术已经不可能满足这些新的要求，射频功率放大器线性度成 了主要问题，因此必须采用复杂的线性化技术如自适应前馈、自适应预失真等。 由上述无线通信系统和基站功放的发展可以看出，射频功率放大器作为无线 通信系统最为关键的组件之一，其线性度与功率效率由于对于系统的效能与效率 有决定性的影响，故随着无线通信系统的发展在不同时期有着不同的技术要求， 并且要求越来越严格。 近年来国外大的通信公司与研究单位和高校都积极投入到功率放大器线性 化技术的研究中，并且有各种线性化技术及产品的成功实现，国内一些大型通信 设备提供商和高校也在积极开展这方面的研究工作并取得不少成果1 5 锕，但无线 通信的快速发展不断地对线性化技术提出了更高的要求，需要我们不断的进行积 极深入研究。 1 4 主要工作 本论文计划采用技术路线及实施方案，并对其的应用前景作了预测。主要工 作有如下几方面： a ) 研究w c d m a 系统的基本原理。详细介绍w c d m a 收发系统的特点。分析常 用的r f 功率放大器的线性化技术及各自特点。重点研究预失真技术，包 括射频预失真和基带预失真的基本原理，并阐述了自适应法的基本原理。 b ) 详细介绍本课题射频预失真放大系统方案的基本设计原理、实现方法， 拟采用数字信号处理( d s p ) 为代表的数字电路技术与射频模拟电路相结 合，实现自适应线性化，以改善功率放大器的线性度，满足工程需要。 c ) 在实施过程中，准备首先对各射频模块进行认真的设计，对其选用的器 件进行仔细的筛选和比较，尽量使用现有的成熟稳定的器件，以达到既 保证质量又节约成本的目的。对于一些数字逻辑电路，则先通过仿真软 件进行仿真分析，然后进行调试和完善。 3 北京邮电大学硕士学位论文射频预失真功率放大系统设计与实现 d ) 设计完成后，对设计的原理图进行p c b 布板，采用各模块逐一布局的方 式，对于布线中会出现的问题加以慎重考虑，对于电源层和地层的分割， 根据电路和器件的位置进行仔细划分，最后完成制板工作并给出系统的 测试方案。 1 5 论文基本架构 论文的基本架构如下： 第一章引言 简述本论文研究背景和研究意义，引入本课题所基于的环境- w c d m a 系统， 介绍其概要和射频指标，在此基础上介绍了射频预失真功率放大器的发展现状， 以阐明射频预失真功放设计的必要性，最后说明了主要工作和论文基本架构安 排。 第二章功率放大器线性化技术 针对本课题的研究目标，着重分析了当前功率放大器线性化的三种主流技 术，并比较其各自优缺点，阐明射频预失真的可行性。另外介绍了自适应基本原 理。 第三章射频预失真放大系统概述 从这章开始进入论文主体部分，先阐述了本射频预失真放大系统设计的目标 和意义，给出了系统设计目标的基本考虑并简单介绍了系统的测试项目。之后总 述了放大系统的结构和功能，列出系统的指标。 第四章射频预失真放大系统设计 根据技术指标要求设计出射频预失真放大系统的总体方案，分射频、模拟和 数字三部分，详细介绍了设计目标、步骤、器件选型依据和原理图方案。最后对 整个系统电源部分的设计进行了说明。 第五章系统电路硬件实现与测试 对射频预失真放大系统进行p c b 制板，阐述了制板原则，研究了制板中会遇 到的一些问题，介绍了系统板图设计情况，给出系统的实物照片。最后设计系统 测试方案。 第五章结论及展望 对整个设计进行总结，并给出工作展望。 4 北京邮电大学硕士学位论文 射频预失真功率放大系统设计与实现 第二章功率放大器线性化技术 射频功率放大器的非线性失真会使其产生新的频率分量，如对于二阶失真会 产生二次谐波和双音拍频，对于三阶失真会产生三次谐波和多音拍频。这些新的 频率分量如落在通带内，将会对发射的信号造成直接干扰，如果落在通带外将会 干扰其他频道的信号。为此要对射频功率放大器的进行线性化处理，这样可以较 好地解决信号的频谱再生问题。 线性化技术，即采用适当的外围电路，对放大器的非线性特性进行线性化纠 正，从而在电路整体上呈现对输入信号的线性放大效果。对放大器进行线性化的 方法很多，而主要的方法有负反馈法、前馈法、e e & r 法( 包络消除与恢复法) 、 l i n c 法( 非线性器件的线性放大法) 和预失真法等【。 理论上，前馈能够消除二阶和三阶非线性，并且稳定性比较好。但是，前馈 线性化器的实际实现比较困难，因为前馈环中需要精确的相位平衡及幅度补偿。 负反馈比较简单，也很稳定，但在高频反馈中，反馈环路的相移很难控制。预失 真在功率放大器的线性化中是成本较低的一种选择，其最主要的优点是预失真的 频带较宽，电路相对比较简单。通过简单的预失真电路，使功率放大器输出功率 提高，从而提高通信系统的信息处理能力及微波电视发射机系统的发射能力，带 来更大的经济效益。而使用非线性器件的线性放大技术( l i n c ) 和动态偏置技术等 特殊的线性化技术基本没有广泛应用到无线和微波通信中。下面对提到的三种主 要线性化技术进行简单地介绍。 2 1 负反馈技术 负反馈法是改善放大器线性度的一种较早的方法，在线性化系统中，负反馈 对失真也有很好的抑制作用。负反馈法是将放大器的非线性失真信号反馈到输入 端，与原输入信号一起作为功放的输入信号，以减少功率放大器的非线性的一种 方法。负反馈系统基本框图如图2 - 1 所示，反馈增益表达式为：, 4 w - , 4 o + , 4 b ) ，保 证是负反馈的条件是：a b 为正数，其中，a 为放大器的开环增益，8 为反馈系数。 通常情况下，a l l 远远大于1 ，这时放大器的反馈增益仅依赖于反馈网络的反馈系 数，而与放大器的开环增益无关，反馈网络可由高准确度的线性无源元件构成。 从功放线性化的角度考虑，负反馈系统是牺牲功放增益来达到压缩失真信号的目 的。 5 北京邮电大学硕士学位论文射频预失真功率放大系统设计与实现 反馈网络 图2 - 1 负反馈原理图 负反馈法可以控制功放输入输出阻抗，减小噪声的影响，减小功放对电路元 件特性变化的敏感性，通常是温度变化的敏感性。 由于基于反馈原理，负反馈法受反馈网络延迟的限制，带宽有限，这种技术 使得放大器带宽很窄，不适合宽频带放大。若相位控制不好，容易产生正反馈而 引起不稳定，因此稳定性问题是其主要缺点。当系统频率较高时，必须减小环路 增益，否则系统的稳定性则很难保证。但减小环路增益又影响到失真的抑制。为 了使系统工作在低频状态，一般不采用直接的r f 反馈，而是采用调制反馈技术。 利用负反馈改善放大器线性的方法很多，常用的反馈方式有：包络负反馈1 1 2 1 ， 极坐标负反馈1 1 3 l 、笛卡尔负反例1 鲫。不同反馈系统的复杂度相差很大，主要区 别是反馈信号取得的方式不同。 包络负反馈技术是极坐标负反馈的一种简化技术，不考虑相位负反馈因而系 统相对简单。它能够减小幅度非线性引起的失真，它既可以应用到发射机中也可 以应用到单个放大器中。耦合器抽样射频输入信号，检测输入抽样的包络。然后 产生的包络反馈到差分放大器的一个输入端口上，并和射频输出抽样相减。代表 输入输出信号包络误差的差分信号被用于驱动主射频路径上的调制器上，该调制 器改变射频信号的包络并输入到射频功率放大器。因此，产生输出信号的包络能 够被线性化，其线性化程度由反馈处理环路增益所决定。 极坐标负反馈可以达到较好的互调抑制性能，但是系统相对于比较复杂。克 服了包络反馈的不稳定，通过将锁相环增加到包络反馈系统达到纠正伽m 失 真的目的。包络检测和相位比较通常在中频进行。这种技术其包络带宽至少是射 频带宽的两倍，相位带宽至少是射频带宽的十倍。 笛卡尔反馈技术相对于极坐标反馈结构易于实现并且利用d s p 技术使得互 调失真得到极大改善，其通过采用l 和q 路( 笛卡尔) 的调制反馈，克服了信号 相位引起宽带宽所涉及的问题。由于i 、q 分量是现代d s p 的实际输出信号，因 此，笛卡尔环广泛应用到移动射频系统中。在c 类功放放大一个i s 1 3 6 ( d a m p s ) 信号，采用笛卡尔反馈能够改善a c p r 达到3 5 d b ，而效率能达到6 0 。 6 北京邮电大学硕士学位论文 射频预失真功率放大系统设计与实现 2 2 前馈技术 早在2 0 世纪2 0 年代，贝尔室验室的h s b l a c k 就提出了减小放大器失真的 两种方法：前馈【1 9 - 2 6 1 和负反馈。由于前馈技术的缺点是要求两路信号通路的幅度 和相位特性完全匹配，所以最简单的前馈系统也远比负反馈系统复杂，导致在接 下来的几十年中负反馈技术得到广泛应用，而前馈技术遭到冷落。后来，到1 9 6 0 年，贝尔实验室的s e i d e l 和他的同事发现负反馈会造成放大器固有的群时延， 它受条件稳定和抑制互调失真有限等限制，他们才开始研究前馈在放大器中的用 途。目前，前馈技术已经成为一种主要的线性化技术，在宽带和多载波系统中得 到广泛应用1 2 7 - 2 9 1 。 前馈线性放大器由两个放大器( 主放大器和误差放大器) ，通过耦合器、衰 减器、合成器、延时线、功分器等组成两个环路，其中一个为由幅度和移相网络 组成的环路控制网络。射频信号输入后，经功分器分成两路，其中一路到高功率 主放大器，另一路到延迟单元。主放大器输出信号包括理想信号和失真，这个信 号被抽样、衰减，然后和经延迟后的输入信号合成，这个过程称为误差消除过程。 产生的误差信号仅仅包含主放大器输出的误差信号。然后这个误差信号被低功 率、高线性的误差放大器所放大，再和延迟后的主放大器输出合成。第二次合成 消除了主放大器的失真分量，而仅仅留下理想的信号，从而了改善功放的线性度。 图2 2 为前馈线性化原理图。 信号抵消环 失真抵消环 图2 - 2 前馈线性化原理图 前馈线性化技术能够提供了较高校准精度的线性度，又不存在不稳定和带宽 受限这些缺点，但有比较差的效率和较高的成本，同时它受限于复杂而昂贵、性 能较难控制模拟器件，要求辅助放大器本身的失真特性应处在前馈系统的指标之 上。 前馈功放的抵消要求是很高的，需获得幅度、相位和时延的匹配，由于前馈 7 北京邮电大学硕士学位论文射频预失真功率放大系统设计与实现 技术固有的开环处理进程，随时间、温度、电压和信号电平而变化的器件特性及 器件老化等均会造成抵消失灵，增加了发射输出的失真。另外在末级大功率合路 器处构成自适应环路具有一定的技术难度，所以一般在功率合成级不便采用自适 应技术。此外，该方法效率低而且设备很复杂。 2 3 预失真技术 预失真是目前补偿功率放大器非线性最好的技术之一。其基本思想是：通过 在输入信号和p a 之间插入产生“反向p a 特性响应的预失真模块( p d ) 对输入信 号先进行预处理再馈入p a 中以补偿由非线性p a 产生的a m a m 、a m p m 失真， 最终使整个p d 和p a 级联电路的输入输出呈现线性关系。这种技术的实质就是 预先使放大器的输入信号在幅度和相位方面产生预定的反失真去抵消放大器内 的非线性失真。预失真线性化原理框图如图2 3 所示，其实现机理如图2 4 所示。 图中，瞰) 为预失真模块的传递函数。g 为功率放大器传递函数，a f f ( x ) 为预 失真系统总的输入输出传递函数。预失真函数与功率放大器的传输函数呈反相关 系，即功率放大器的失真特性为增益压缩时，预失真器的失真特性应该是增益扩 张。 k。夕 l 只k ) 、 少 ，r ，- _ 图2 - 3 预失真线性化原理框图 k 预失真模块 传递函数 功率放大器 传递函数 k 预失真系统 传递函数 图2 - 4 预失真技术实现机理 预失真技术的优点在于不存在稳定性问题，有更宽的信号频带，能够处理含 多载波的信号。根据预失真处理信号的频段不同，可以把预失真技术分为射频预 8 北京邮电大学硕士学位论文射频预失真功率放大系统设计与实现 失真和基带预失真两种基本类型 射频预失真一般采用模拟电路来实现，具有电路结构简单、成本低、易于高 频、宽带应用等优点，缺点是频谱再生分量改善较少、高阶频谱分量抵消较困难。 数字基带预失真由于工作频率低，可以用数字电路实现，适应性强，而且可 以通过增加采样频率和增大量化阶数的办法来抵消高阶互调失真，是一种很有发 展前途的方法。 2 3 i 射频预失真技术 射频预失真在微波频段实现，直接处理射频已调信号。优点是具有电路结构 简单、电源效率高、成本低、易于高频、宽带应用，是目前较有发展前途的一种 方法 3 0 - 3 6 1 。 射频预失真实现原理图见图2 5 ，其工作原理是：预失真模块的复数增益调 制器根据工作函数的输出参数调整r f 输入信号的幅度和相位，预失真处理后的 信号馈入功率放大器。输入信号的包络作为工作函数的输入变量，反馈回路采用 边带带通滤波器对需要抑制的频谱( 邻道频率) 取样，并借助d s p 算法调整工 作函数的输出参数最终使得功率放大器输出邻道功率最小。 图2 - 5r f 预失真实现原理图 射频预失真通常采用工作函数、查询表( l u t ) 和模拟器件等三种方式实现。 工作函数使用低阶多项式来拟合功率放大器的a m - a m 和a m p m 特性；查询表 技术对于功率放大器特性的拟合具有更高准确性，但需要复杂的自适应算法；模 拟器件预失真一般采用二极管预先生成互调失真分量i m d ，此i m d 正好与功率 放大器所生成的i m d 成反相关系，达到抵消功放输出i m d 的目的。 9 北京邮电大学硕士学位论文 射频预失真功率放大系统设计与实现 2 3 2 基带预失真技术 基带预失真由于不涉及难度大的射频信号处理，只在低频部分利用数字信号 处理器r ( d s p ) 技术对放大器输出反馈的基带信号数据进行计算、处理，用软件来 实现非线性补偿，适应性强，而且可以通过增加采样率和增大量化阶数的办法来 抵消高阶互调失真【3 7 4 5 1 。 基带预失真线性化系统框图见图2 6 所示。主要包含两条路径：一条为信号 路径，一条为控制路径。信号路径中预失真器首先对基带输入信号进行预失真， 输出信号经d a 转换成模拟信号，再通过正交调制上载频至无线频率，最后到 功率放大器。控制路径主要用于预失真器的自适应调整，使得预失真器的输出能 完全补偿p a 产生的非线性失真。图中，已调射频信号均以其基带复包络的形式 表示。数字域的信号变换过程全部由数字信号处理器软件完成。输入端的信号经 过a d 变换后得到数字域中的等价信号，记为，对其进行预失真d s p 信号处 理之后，得到数字域中的预失真信号，记为，在经过d a 变换后输出预失真 信号，此预失真信号通过线性调制器( 正交调制器) 调制到载频上并进行功率放 大，功放p a 的输出信号记为k 。k 送往天线输出，其中的- d , 部分输出功率通 过耦合器送往线性解调器( 正交解调器) ，解调器经过a d 变换后得到的反馈信 号记为此信号用于提供给误差比较模块和自适应算法模块作为参考信号，从 而决定正确的预失真特性。 i 图2 - 6 基带预失真电路框图 定义误差函数为e = 珞a ，其中a 为期望的解调信号波形，a 为常数， 表示系统的线性增益。当误差为零时，预失真线性化系统达到理想的收敛状态。 解调信号所将与的波形相同，只是在幅度上相差常数增益。 由于功率放大器的非线性特性主要由输入信号的幅度i v o l 决m ，与输入信号 的相角a r g ( v d ) 几乎无关，所以其增益函数可以等价为输入信号幅度的复值函数。 1 0 北京邮电大学硕士学位论文 射频预失真功率放大系统设计与实现 表征预失真其特性的预失真函数雕) ( 即预失真器的增益) 可用如下的数学形式 表示： f ( 邑) 一e ( x ) e x p ( f o ( 以) ) 式( 2 1 ) 其中以一i e 1 2 ，为输入信号的幅度的平方；，和p 分别表示模值和相角。 设放大器的复增益为 g ( 局) = g ，( 蜀) e x p ( j a , ( 蜀) ) 式( 2 2 ) 其中x 。- 忆1 2 则功放的输出信号模值和相角分别为 k i 一阢i 掌o r ( i v 毒c ( 瞻1 2 ) j 2 ) 式( 2 - 3 ) 鹕( 圪) o o ( 1 i v i e ( i 屹1 2 ) | 2 ) + 磊( i l 以卜c ( i 圪1 2 ) 1 2 ) + 鹕( 屹) 式( 2 。4 ) 对幅度而言，系统收敛时必须满足g ，( 工) 1a ，其中a 为常数；对相位而言， 系统收敛时必须满足q ( z ) + e ( x ) 一o 。 系统自适应的目标是，选择最优的复增益函数，佩) ，使得系统的增益为一r 线性常数a ，即： 圪，屹幸f ( k 1 2 ) 事g ( k ，( 畋1 2 ) 1 2 ) = 彳屹 式( 2 5 ) ， 理论分析表明，采用数字基带预失真线性化技术对微波功率放大器进行线性 化补偿，可以大大提高微波功率放大器的线性度，从而达到减d x - 、三次谐波和 互调分量的目的。因此，数字预失真线性化技术不失为一种l 珂功率放大器线性 化技术的新方法，完全有可能满足现代通信信号电磁环境对谐波和互调失真的技 术指标要求。 基带预失真技术从原理框图上来看，和调制反馈线性化技术有一定的相似 性，都存在反馈回路，但它和反馈线性化存在根本的不同。反馈线性化是信号的 实时反馈，反馈信号直接影响放大器的输出，因此存在稳定性问题。而基带顶失 真的反馈，是对输出输入信号的采样进行比较，然后通过自适应算法进行运算， 当算法收敛后才周期性改变预失真器的输出，反馈控制行为是非实时的，反馈信 号小不会直接影响放大器的输出，因此不存在稳定性问题。 2 4 线性化技术的比较 在各种线性化技术中，前馈线性化同时能够提供宽带宽和良好的互调失真压 缩，但是具有较差的效率，加入提高性能的自适应技术会使它成为复杂而昂贵的 北京邮电大学硕士学位论文 射频预失真功率放大系统设计与实现 解决方案。负反馈方法具有不稳定和带宽受限的严重问题，比如笛卡尔负反馈尽 管复杂度不高也能提供合适的互调失真压缩，但稳定性限制了带宽仅仅在几百 k h z 。l i n c 系统对器件漂移比较敏感。预失真技术能够提供稳定、高效、宽带 宽与自适应等优势。预失真系统的射频预失真系统具有结构简单、成本低和线性 度较好和带宽适中等优点，然而，和前馈技术一样，射频预失真的工作带宽受限 于预失真器本身和射频功率放大器的增益和相位平坦度，另外，功率放大器和预 失真器的记忆效应限制了消除的程度。基带预失真技术显得更为复杂，但这种技 术提供了更好的互调失真压缩和自适应性能，。 由以上分析，在各种线性化技术中，基带预失真是性价比较高的一种，这种 预失真结构使用少量的模拟器件，其高效性不依赖于系统的工作频率，且自适应 技术能容易地应用到基带预失真结构中。射频预失真抵消性能较低主要受放大器 记忆效应的限制所致，如果配合采用记忆效应最小化设计方法，则其抵消性能可 以大幅提高。 预失真由于功放本身的记忆效应使得带宽和改善量都受到影响。记忆效应又 可以分成热记忆效应和电记忆效应两种，在实际线性化补偿时需要加以考虑，以 及由于依赖环境线性度变化的问题。因此，自适应控制方法在改善预失真功放性 能方面是需要的。 2 5 自适应技术 2 5 1 基本原理 现代通信系统采用的都是多载波信号进行通信，信号的峰均比变化很大，一 般在3 d b - 1 0 d b 之间，多载波和峰均比的信号对于功率放大器的非线性特性是非 常敏感的：峰均比大，说明功率放大器会工作在更深的饱和区( 强非线性区) ， 这样就会产生功率电平更高的互调失真产物；而多载波通信方式则会产生更丰富 的互调失真产物。因此，在现代通信的体制下要使得功率放大器有良好的线性性 能，又要保证放大器的效率没有下降。此外功率放大器的特性会随环境温度、供 电电压、器件老化、信道切换发生改变，导致通信系统性能下降。为保证预失真 系统的稳定工作，要求预失真模块的补偿特性具有随功率放大器特性变化而自适 应调节的能力。既能够灵活地对功率放大器进行线性化，又能够较好的解决放大 器系统的稳定性问题，同时还要保证具有较高的非线性性能改善程度，自适应线 性化技术随之出现。该技术能够随着上述诸因素的变化作自适应的补偿。显然， 要实现自适应的补偿就要求系统具有记忆功能( 即存储功能) 和自适应算法。随 1 2 北京邮电大学硕士学位论文射频预失真功率放大系统设计与实现 着d s p 技术的飞速发展，其能够快速完成各种运算量较大、复杂的算法，同时 也能提供大容量的存储空间。因此，采用自适应线性化技术能够有效的改善功率 放大器的非线性性能，满足许多现代通信的高指标要求。 运用d s p 技术，必须把射频信号下变频到基带信号，然后经过a ，d 变换器 把模拟信号变换成数字信号，通过d s p 处理后再经d a 和上变频处理，把信号 恢复为射频信号。d s p 芯片中的算法能够提供动态的或自适应的线性化功能。随 着各种性能优良的数字信号处理算法的涌现，特别是d s p 技术的飞速发展，其 处理的功能越来越强大，体积越来越小，而价格却越来越低廉，使得自适应线性 化技术成为一种前景倍受人们看好的方法。前面小节所介绍的模拟线性化技术， 如负反馈法，前馈法和预失真法等，采用自适应算法后，功率放大器的线性性能 均得到明显的提高，系统的稳定性问题也得到较好的解决。而且自适应线性化技 术也适用于宽带信号的系统，这对采用扩频通信的现代通信系统来说是很有意义 的。 2 5 2 自适应预失真 自适应预失真线性化方法属于预失真方法的一种，也即它是在预失真线性化 的基础上加入了自适应技术而形成的一种综合性的线性化方法。 由于功率放大器的特性在实际工作环境下会随温度、供电电压、器件老化、 信道切换的原因发生改变，因此为保证功率放大器的稳定工作，就要求预失真模 块具有随功率放大器的非线性特性改变而自动调节自身响应特性的功能，即实现 预失真模块的自适应功能。 自适应预失真线性化技术的实现方法有很岁饿w 7 1 ，主要有三类，第一类是复 增益映射查询表技术；第二类是复增益查询表技术；第三类是多项式技术。 复增益映射查询表采用二维表形式，可以达到非常好的性能，主要缺点是二 维表太大需要几兆比特的存储空间，自适应过程太长。 复增益查询表采用一维表方式，使用一个笛卡尔形式的复增益表，其基本步 骤都是将放大器的输入功率( 或幅度等) 作为查询表的索引指针，功率放大器的复 增益预调整值作为指针对应内容。复增益查询表相对复增益映射查询表极大减小 了存储空间，因此只需要较少的运算就可对输入信号进行预失真。查询表技术可 用来拟合任何形式的增益，性能可通过增加或减少表尺寸来调节，缺点是在低输 入功率时性能有所下降并且实现上较困难，一般在基带预失真系统中较多采用。 多项式技术主要是采用多项式方程来拟合理想的复增益曲线，通过计算的方 法来求出输入信号需要预失真的复增益值，来达到预失真线性化的目的。此方式 1 3 北京邮电大学硕士学位论文 射频预失真功率放大系统设计与实现 只有很少参数，参数的初始化和更新都较查询表方式宣于实现，因此在射频预失 真系统中普遍采用多项式拟和方式。本课题所设计的放大系统即采用这种自适应 技术与射频预失真相结合的方法实现对功率放大器的线性化。 2 6 本章小结 本章分析了当前功率放大器线性化采用的各种技术，对于预失真技术做了详 细阐述，然后对这些技术做了比较分析，最后对自适应技术的基本原理和自适应 预失真做了介绍。 1 4 北京邮电大学硕士学位论文射频预失真功率放大系统设计与实现 第三章射频预失真放大系统概述 3 1 射频预失真放大系统设计目标和意义 前两章分别概述了射频功率放大器线性化技术的发展现状以及当前发展成 熟的线性化关键技术等问题，从本章起将进入论文的主体部分，构建一个用于完 成功率放大器线性化的射频预失真放大系统，结合系统本身的技术指标，对当前 芯片硬件的性能水平、射频预失真放大系统部分结构模块机器功能进行综合分析 和研究。 射频预失真功率放大系统的设计目标是设计制作一个完整的射频预失真线 性化实现系统，利用该系统完成对射频功率放大器的自适应线性化和相关器件的 研究。其关键技术包括系统架构的设计、各类器件的选型和系统原理图以及硬件 电路的实现。 3 1 1 设计射频预失真放大系统的意义 功放线性化技术是顺应了实际需求而发展起来的，既要满足高速复杂数字调 制技术的要求，又要满足大容量、低成本的要求。在移动通信系统中，为保证一 定范围的信号覆盖，我们通常使用功率放大器进行信号放大。在c d m a 或 w - c d m a 基站中，即使是单载频，也需要采用线性功放，这是因为c d m a 技 术是随机包络的宽带信道，如果采用一般的大功率放大器( 通常工作于a b 类) ， 将由于互调失真的影响产生频谱再生效应，有趣的是频谱再生尽管对本信道的影 响不大甚至毫无影响，但它将会干扰相邻信道。所以，功放线性化技术在移动通 信系统中具有很重大的意义，它可以很好的解决频谱再生问题。同样，线性功放 对于卫星通信系统的改善频谱泄露、减小信号传输失真也具有很重要的作用。 对于射频大功率放大器结构的设计方法，国内国外各大通信公司在这方面都 在着手进行研究与开发，并做不懈的努力。本文讨论的射频预失真放大系统的设 计正是为更好的实现射频大功率放大器的线性化而进行研制和开发，特别是针对 w c d m a 中的应用。一方面目前w c d m a 正在得到越来越广泛的应用，w c d m a 基站中大功率放大器的设计是今后放大器设计的主流方向，其对线性化的高要求 使得线性化技术的研究具有很大的价值，另一方面对于预失真线性化系统的实现 情况的介绍在国内未见到具体报道，使得本论文的预失真放大系统的设计与实现 具有独到和创新之处。 北京邮电大学硕士学位论文射频预失真功率放大系统设计与实现 3 1 2 系统的设计目标基本考虑 放大系统的设计有以下基本考虑： 一、系统采用模块化设计： 射频预失真功率放大系统在设计过程中采用模块化设计，分别设计解调器、 a d c 和矢量调制器，这些模块正是我们需要研究和分析的内容。 二、系统应具有通用性： 射频预失真放大系统能够提供良好的连接性和通用的数据传输接口，能够方 便更改各个模块的硬件设计，适用于不同增益的放大器需求和不同种类的预 失真算法实现需要。 三、系统具有可用性 射频预失真放大系统能够保证预失真算法能够得以良好的实现，该系统本身 应该具有良好的性能，其各项指标应能够保证其与放大器和数字信号处理部 分一起工作时能够流畅的传输和进行预失真矫正。 四、系统应设计简单、使用方便 本射频预失真放大系统尽量采用成熟的高集成度的芯片，并对外围电路进行 简化设计，保证在完成系统功能的同时最大程度的简化电路。在设置输入输 出端口的位置时，考虑了实际操作和连接的使用方便性。 3 1 3 系统的测试项目 射频预失真放大系统中设计的主要模块有解调器、a d c 和矢量调制器等， 主要是对这几个模块的功能指标以及性能进行测试，另外还要进行系统的电源系 统性能的测试，辅助完成这些测试的电路板有放大器板和数字信号处理板。具体 可以描述为： 1 对电源系统性能的测试 对于系统中的各个电源芯片和各器件工作电压用万用表进行逐点测量，保证 各个电源芯片工作正常，各器件工作电压在要求范围内。 2 对解调器性能的测试 由数字信号处理板提供控制信号和时钟信号，用w c d m a 信号发生器提供 输入信号，解调器输出信号用示波器和频谱分析仪直接进行测试。 3 对a d c 性能的测试 由数字信号处理板提供控制信号和时钟信号，输入解调器的输出信号，a d c 输出信号用示波器和频谱分析仪直接进行测试。 1 6 北京邮电大学硕士学位论文射频预失真功率放大系统设计与实现 4 对矢量调制器性能的测试 对d a c 、乘法器的输入输出信号用示波器和频谱仪进行测量，对矢量调制 器的输入输出信号用频谱分析仪进行测试。