（通信与信息系统专业论文）功率放大器宽带自适应预失真技术研究.pdf

摘要 功率放大器宽带自适应预失真技术研究 作者简介 姚瑶 女 1 9 8 3 年0 6 月生 师从成都理工大学李灿平副教授 2 0 1 1 年0 6 月毕业于成都理工大学通信与信息系统专业 获得工学硕士学位 摘要 在现代无线通信系统中 功率放大器是最重要的模块之一 但是也是固有的 非线性器件 其非线性会产生带内和带外误差失真 其结果就是导致邻道干扰和 误码率性能的恶化 此外 为了在有限带宽内尽可能的增加传输容量 现代通信 系统 比如w c d m a 和w i m a x 等 通常使用高效频谱利用效率的数字调制格 式 其结果就是这种系统的信号包络有较大的波动并具有较高的峰均功率比 相 应的也就加重了发射机的强非线性记忆效应的影响 因此 功率放大器线性化技 术就成为减少通信误码率 抑制频谱再生和邻道干扰并提高功率放大器效率的必 要手段 并且可以加速通信系统设计和验证过程 具有重大的理论价值和广阔的 应用前景 在所有线性化技术中 由于其具有高精确性 高效操作 使用灵活等优势 数字预失真技术成为最有前途的功放线性化技术 并且在现代通信系统中得到了 广泛应用 本文针对这一技术 重点研究了宽带通信系统中带有非线性记忆效应 的功率放大器行为建模和自适应数字预失真技术 主要内容有 l 研究了功放非线性特性的基本理论 详细描述了评价功率放大器非线性 特性的主要技术指标 并总结了常见的功放无记忆和有记忆行为模型 这些都为 自适应预失真技术的研究奠定了重要的理论基础 2 构建了用于功放行为模型提取和验证的测量和仿真平台 功率放大器非 线性特性的测量结果直接决定了所建立的行为模型的精度 本文从两个方面构建 了宽带通信信号激励下的行为模型提取和验证的平台 一是基于安捷伦测量仪器 的实时测试平台 二是基于a d s 2 0 0 6 的系统仿真平台 并分别给出了实际功率放 大器主要特性的测量和仿真结果 3 给出了预失真应用中基于增强n a r m a 结构的宽带功率放大器行为模型 并分别使用普通最小二乘 l s 算法和递归最小二乘 r l s 算法进行模型参数 的提取和更新 模型分别使用a d s 2 0 0 6 仿真和实际测量数据来进行验证 广义 n a r m a 模型性能通过使用归一化的均方误差和邻道误差功率比等带内和带外 失真误差进行评价 并且在计算精度和计算复杂性方面和传统的n a r m a 模型及 记忆多项式模型进行比较 仿真结果表明 在所有研究的模型中 增强n a r m a 成都理工大学硕士学位论文 模型在刻画宽带功率放大器动态性能方面具有精确性和复杂度矛盾的最好折中 特性 4 阐述了一种用于宽带通信系统中由记忆功率放大器引起的信号非线性失 真的高效自适应数字预失真方法 该方法使用广义n a r m a 模型和间接学习结 构构造自适应预失真系统 并使用高斯 牛顿算法实时在线动态估计预失真器参 数 计算机仿真结果表明 广义n a r m a 模型预失真器能够较好地补偿宽带功 率放大器的非线性特性及记忆效应 同时 该预失真方法还具有收敛速度快 数 值稳定和适合数字电路硬件实现等优点 关键词 功率放大器行为模型自适应预失真r l s 算法高斯 牛顿算法 h a b s t r a c t 一一一 一 r e s e a r c ho fw i d e b a n da d a p t i v ep r e d i s t o r t i o nt e c h n o l o g y f o rp o w e ra m p l i f i e r s h l n l o i h i c t i o no ft h ea u t h o r y a o y a o f e m a l e w a sb o r ni nj u n e 19 8 3w h o s e t u t o r w 弱a s s o c i a 把p r o f e s s o rl ic a n p i n g h eg r a d u a t e df r o mc h e n g d uu n i v e r s i t yo f t e c h n o l o g yi nc o m m u n i c a t i o n a n di n f o r m a t i o ns y s t e mm a j o ra n dw a sg r a n t e dt h e m a s t e rd e g r e ei nj u n e 2 0 11 a b s t r a c t t h ep o w e ra m p l i f i e r p a i s a ne s s e n t i a ld e m e n ti n m o d e r nw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o ns y s t e m s h o w e v e r i ti si n h e r e n t l y an o n l i n e a rc o m p o n e n t t h e n o n l i n e a r i t yi n d u c e si n b a n da n do u t o f b a n de l l o r d i s t o r t i o n st h a tc a u s 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 dd e g r a d a t i o no fb i t e r r o r r a t ep e r f o r m a n c e m o r e o v e r m o d e m c o m m u n i c a t i o ns y s t e m s s u c ha sw i d e b a n dc o d e d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s w c d m a a n dw o r l di n t e r o p e r a b i l i t yf o rm i c r o w a v ea c c e s s w i m a x u s u a l l yu s es p e c t r a l l y e 佑c i e n tm o d u l a t i o ns c h e m e st ot r a n s m i tl a r g eq u a n t i t i e s o fi n f o r m a t i o nw i t h i na l i m i t e db a n d a sar e s u l t t h es i g n a le n v e l o po ft h es y s t e m sv a r yr a p i d l ya n dh a v ea l a r g ep a p r a c c o r d i n g l ya g g r a v a t et h ei m p a c to fs t r o n gn o n l i n e a rm e m o r y e f f e c tm 饥m s m i t t 既n e r e f o r e p al i n e a r i z a t i o ni so f t e nt h en e c e s s a r y m e t h o d st or e d u c et h eb i t e 唧r a t e s u p p r e s ss p e c t r a lr e g r o w t ha n da d j a c e n tc h a n n e li n t c r f e r e n c e a n de n h a n c e t h ep ae f f i c i e n c y a l s os p e e du pt h ec o m m u n i c a t i o ns y s t e md e s i g na n dv e r i f i c a t i o n p r o c e s s w h i c hh a v et h ei m p o r t a n tt h e o r yv a l u e a n db r o a da p p l i c a t i o np r o s p e c t a m o n ga l l l i n e a r i z a t i o nt e c h n i q u e s d i 西t a lp r e d i s t o r t i o n d p d i st h em o s t p r o m i s i n gt e c h n i q u eb e c a u s eo fi t sh i g ha c c u r a c y e n e r g y e f f i c i e n to p e r a t i o n a n d f l e x i b i l i t y t h e r e f o r e i ti sw i d e l ye m p l o y e di nm o d e m e o m m u n i c a t i o ns y s t e m i nt h i s d i s s e r t a t i o n t h et e c h n o l o g yo fb e h a v i o r a lm o d e l i n ga n da d a p t i v ed i g i t a lp r e d i s t o r t i o n o fp aw i mn o n l i n e a rm e m o r yi ss t u d i e di 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 e m a i nc o n t e n t sa r e f i t sf o l l o w s i t h eb a s i ct h e o r yo fn o n l i n e a rc h a r a c t e r i s t i c so 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 j o rt e c h n i c a li n d e x e se v a l u a t i n gn o n l i n e a rc h a r a c t e r i s t i c so f t h ep o w e ra m p l i f i e r a r ed e s c f i b e di nd e t a i l a n dt h ef a m i l i a rm e m o r y l e s sb e h a v i o r a lm o d e l i n g a n d b e h a v i o r a lm o d e l i n gw i t hm e m o r yo fp aa r es u m m a r i z e d t h e s el a ya ni m p o r t a n t 1 1 1 成都理工大学硕士学位论文 t h e o r e t i c a lb a s i sf o rt h ea d a p t i v ed i g i t a lp r e d i s t o r t i o nt e c h n o l o g yr e s e a r c h 2 t h em e a s u r e m e n ta n ds i m u l a t i o ns e t u pu s e df o rm o d e le x t r a c t i o na n d v a l i d a t i o ni se s t a b l i s h e d t h em e a s u r e m e n tr e s u l t so fn o n l i n e a re h a r a e t e r i s t i e so fp a s d i r e c t l yd e t e r m i n et h ep r e c i s i o no ft h ee x t r a c t e db e h a v i o r a lm o d e l 功em e a s u r e m e n t s e t u pu s e df o rb e h a v i o r a lm o d e l i n ge x t r a c t i o na n dv e r i f i c a t i o nu n d e rt h eb r o a d b a n d c o m m u n i c a t i o n s i g n a le x c i t a t i o ni sc o n s t r u c t e df r o mt w oa s p e c t s o n ei st h er e a l t i m e t e s ts e t t i n gb a s e d0 1 1a g i l e n tm e a s u r ei n s t r u m e n t t h eo t h e ri st h es y s t e ms i m u l a t i o n s e t t i n g b a s e di na d s 2 0 0 6 a n dt h em e a s u r ea n ds i m u l a t i o nr e s u l t so fm a j o r c h a r a c t e r i s t i c so f r e a lp aa r ep r e s e n t e d 3 t m st h e s i sp r e s e n t st h eb e h a v i o r a lm o d e l i n go f b r o a d b a n dp af o rp r e d i s t o r t i o n a p p l i c a t i o nu s i n ge n h a n c e dn o n l i n e a ra u t o r e g r e s s i v em o v i n ga v e r a g e n a r m a m o d e l t h ep a r a m e t e rv e c t o ro f t h ep r o p o s e dm o d e li su p d a t e du s i n gt h ec o m m o nl e a s t s q u a r e s l s a l g o r i t h ma n dr e c u r s i v el e a s ts q u a r e s r l s a l g o r i t h mr e s p e c t i v e l y t h e m o d e lh a sb e e nv a l i d a t e du s i n ga d s 2 0 0 6s i m u l a t e da n dr e a lm e a s u r e dd a t a t h e m o d e l i n gp e r f o r m a n c ei sa s s e s s e di nt e r m so f i n b a n da n do u t o fb a n de r r o r s s u c h 觞 n o r m a l i z e dm e a ns q u a r ee r r o ra n da d j a c e n tc h a n n e le l i o rp o w e rr a t i o a n di ti s c o m p a r e dw i mac o n v e n t i o n a ln a r m a am e m o r yp o l y n o m i a l w i t hr e s p e c tt o a c c u r a c ya n dc o m p u t a t i o nc o m p l e x i t i e s 砀er e s u l t ss h o wt h a 毒a m o n gt h em o d e l s s t u d i e d t h ee n h a n c e dn a r m am o d e lh a st h eb e s tt r a d e o f ff o ra c c u r a c yv e r s u s c o m p l e x i t yi nm i m i c k i n gt h ed y n a m i cb e h a v i o r so f aw i d e b a n dp a 4 t h et h e s i s p r e s e n t s a l le f f i c i e n ta d a p t i v e d i g i t a lp r e d i s t o r t i o nm e t h o d c o m p e n s a t i n gf o rn o n l i n e a rd i s t o r t i o n sc a u s e db yp o w e ra m p l i f i e r sw i mm e m o r yi n w i d e b a n dc o m m u n i c a t i o ns y s t e m t h eg e n e r a l i z e dn o n l i n e a ra u t o r e g r e s s i v em o v i n g a v e r a g ef n m m a m o d e la n dt h ei n d i r e c tl e a r n i n ga r c h i t e c t u r ea r ee m p l o y e dt o c o n s t r u c tt h ea d a p t i v ep r e d i s t o r t i o ns y s t e mi nt h i sa p p r o a c h a n dt h ep a r a m e t e r so ft h e p r e d i s t o r t e re a rb ed i r e c t l ye s t i m a t e df r o mar e a l t i m eo n l i n es y s t e mi d e n t i f i c a t i o n p r o c e s sb yu s i n gt h eg a u s s n e w t o na l g o r i t h m 1 1 1 er e s u l to fc o m p u t e rs i m u l a t i o n s h o w st h a tt h eg e n e r a l i z e dn a r m am o d e lp r e d i s t o r t e rc a nc o m p e n s a t eb o t hd y n a m i c n o n l i n e a r i t ya n dm e m o r yo fw i d e b a n dp o w e ra m p l i f i e rv e r yw e l l m e a n w h i l e t h i s m e t h o do w n st h ea d v a n t a g eo fc o n v e r g e sf a s ta n dr o b u s ta n ds u i t e f o rh a r d w a r e i m p l e m e n t a t i o no fd i g i t a lc i r c u i t k e y w o r d s p o w e ra m p l i f i e r s b e h a v i o r a lm o d e l i n g a d a p t i v ep r e d i s t o r t i o n r l s a l g o r i t h m s g a u s s n e w t o na l g o r i t h m i v 第1 章引言 第1 章引言 移动通信系统的发展已经完整经历了两代 1 9 9 5 年问世的第一代模拟制式手 机 i g 只能进行语音通话 1 9 9 6 到1 9 9 7 年出现的第二代g s m t d m a 等数字 制式手机 2 g 便增加了接收数据的功能 如接受电子邮件或网页 如今随着 信息产业的发展 仅仅是语音的交流已经越来越满足不了人们的需要 通过无线 通信系统 人们希望从中可以获取到数据 图像 视频以及互联网内容等多媒体 信息 因此 国际电信联盟 h u 在2 0 0 0 年5 月确定w c d m a c d m a 2 0 0 0 t d s c d m a 等几大主流无线接口标准 写入3 g 技术指导性文件i m t 2 0 0 0 第三代的移动通信系统实现了更多的信息交流方式 导致系统的容量不断增 加 例如i n t c m e t 接入 10 1 0 0 0 k b i t s s e m a i l 1 10 0 k b i t s s 计算机网络 1 0 0 1 0 0 0 0 k b i t s s 和视频会议 1 0 0 1 0 0 0 k b i t s s 因此 为获得更大量的数据 传输功能 在传输技术上广泛使用新的更高效的多址方式 如c d m a f d m a t d m a s d m a 等 在频谱高效利用方面采用更加高效的调制方式 如m p s k 和m q a m 等 f l 4 系统要求多路信号利用同一信道进行独立的传播 随着数据 量的增大 传播路数的增加 必然导致信号间相互干扰的增加 尤其这些信号还 需要通过非线性功率放大器放大后发射 信号经过非线性功率放大器放大后会产 生谐波和交调失真分量 传统的计算解析方法已经不能解决信号的失真问题 因 此需要建立非线性功率放大器的行为模型 通过对非线性功率放大器的模型进行 通信系统仿真 可以方便准确的预测 评估 量化其对通信系统的非线性影响 并在其基础上采用数字预失真技术对系统进行线性化处理 这一方法是解决移动 通信系统中信号传输问题的有效途径之一 极具研究价值 3 5 j 本章主要叙述选题的依据 以及简要概述功率放大器行为模型及预失真技术 研究背景 意义及国内外研究的现状 最后介绍下本文研究的主要内容和工作的 创新之处 1 1 选题依据及研究意义 功率放大器是可以将直流输入功率转化为射频 微波输出功率的一种电路 其基本原理就是将己调的频带信号放大到所需要的功率值 通过天线进行发射 以保证在一定的区域内 接收机可以接收到满意的信号电平 它的频率范围从几 l d i z 的音频信号到几百g h z 的微波信号 因此 它的应用及其广泛 几乎包括 了所有的无线发射系统 功率放大器是无线通信系统中的一个重要的组成部分 在把已调的频带信 号功率放大到所要求的功率的过程中 为了提高功率效率 要求功率放大器工作 成都理工大学硕士学位论文 的范围接近饱和点 由于其自身的性质 在接近饱和点范围功率放大器的非线性 失真现象将非常严重 第三代移动通信为了满足更全面的通信需求 推出新的通 信系统如w c d m a t d s c d m a l t e 等 这些系统所应用的传输方式和调制 格式需要信号都具有较高的峰均功率比 通常大于1 0 d b 信号的包络波动过大 这更加重了功率放大器非线性和记忆效应的影响 以往选用的恒包络调制方式 虽然对功率放大器的设计没有较高的要求 即使工作在饱和工作区 功放对信号 非线性也不会产生影响 但是 这种调制方式是以牺牲频谱利用率为前提的 所 以根本无法适应当今快速增长的通信需求 所以当前的无线通信系统所采用的传 输方式和调制格式所产生的信号均为非恒包络信号 当前无线通信系统要求功率 放大器的输出信号不仅有高的输出电平还需要有高的线性度 以往所应用的功率 回退法虽然方法简单 而且不需要增加任何器件和电路设计 但是功率放大器的 效率也大大降低 当三阶交调失真达到 4 0 d b 及以下时 回退法也无法进一步改 善功率放大器的线性度 因此功率放大器线性化设计作为最重要的环节在无线通 信系统研究中具有及其巨大的研究价值 5 1 1 2 国内外研究现状 功率放大器的线性化技术是一种通过增加适当的外围电路来改善功率放大 器的非线性性能的方法 同时又不以牺牲其他性能指标为代价的功率放大器系统 设计方法 这一技术始源于上个世纪二十年代 由贝尔实验室的h s b l a c k 提出 前馈和负反馈技术 并应用到放大器设计中 有效的减少了放大器的失真现象 开启了功率放大器线性化技术研究的开端 如今 线性化技术有很多种 但是按照其基本原理我们主要把这些方法分成 三类 第一类为反馈 由于其电路简单 时下主要应用于音频功率放大器中 在 射频电路中 固态晶体管的性能在高频状态下大幅度下降 系统的稳定性无法保 障 因此在高频电路中主要使用调制反馈技术 包括负反馈 极坐标调制负反馈 以及笛卡尔调制负反馈等 通过调制使工作在低频状态下 保障了系统的稳定 性 反馈法由于工作的带宽受限制 所以应用范围相对比较狭窄 第二类为前馈 技术 虽然此种技术提出的更早 相较反馈法 前馈技术不存在系统稳定性担忧 非线性影响也不会随放大器增益的加大而变得严重 但由于当时器件制造水平有 限 无法达到增益和相位的精确匹配一直被人们所忽视 如今 随着电子制造业 的发展 前馈技术所需要的精确幅度 相位和延时平衡控制在如今的电子器件水 平下逐渐成为可能 此种技术也逐步成为时下线性化技术研究的热门方向 第三 类为预失真技术 包含模拟预失真法和数字预失真法 1 9 5 9 年m a c d n o a l d 提出 用相反的非线性特性来补偿三极管自身非线性的方法 这就是基本的模拟预失真 2 第1 章引言 思想 这种线性化方法可以直接处理模拟信号 电路设计简单 电源效率高 成 本也比较低 因此 早期主要应用在有线电视和卫星通信中 近年来 随着信息 科学的发展 对功率放大器线性度的要求更高 预失真技术的研究也变得更加突 出 模拟预失真系统中由于大量使用模拟器件 由于器件自身的非线性已经不能 更精确的构造放大器的逆特性 而且自适应调整也比较困难 数字预失真法是目 前最具有发展潜力的线性化技术 此种技术只使用少量的模拟器件 甚至可以直 接利用发射机中现有的d s p 器件 减少了硬件成本 也解决了大量使用模拟器 件造成的不确定因素 具有高的效率 而且不依赖系统的工作频率 所以此种技 术被广泛应用在软件无线电方面 再加上自适应技术可以在数字预失真系统中得 到应用 因此 数字预失真法可以更好的改善功率放大器的非线性 如今 数字 预失真法所面临的困难是 功率放大器具有依赖环境产生的线性度变化的问题 需要采用合适的自适应补偿方法以改善功率放大器的动态特性 这为数字预失真 技术研究提出了新的挑战 也成为目前研究的热点 进入2 1 世纪以来 随着宽带信号激励下的功率放大器非线性记忆效应概念 的提出 分析非线性记忆效应产生的机理并补偿带有记忆效应的功率放大器非线 性热性逐渐成为功率放大器领域的热点之一 每年的i e e e 汇刊和各种国际会议 都有大量的关于功率放大器数字预失真的文章发表 卜1 3 虽然国内研究人员在放 大器非线性的理论分析和线性化技术方面做了不少工作 并开发出了一些线性化 理论和算法 但总地来说 但无论从学术论文的发表数量 还是相关专利成果的 申请 都还远没有达到国际水平 随着第四代移动通信标准的制定 通信速率进一步增加 基带信号调制带宽 也迅速增加 例如 l t e a d v a n c e d 系统通过引入载波聚合技术可使带宽最大扩 展为1 0 0 m h z i m t a d v a n c e d 规划的带宽已经达到了1 0 0 m h z t 信号带宽 增加 峰值速率提高 反映到射频信号上的主要特征是其记忆效应增强和峰均比 的增加 因此 研究在带宽更宽信号驱动下提高功放的线性和效率变得更加重要 所幸的是 近年来随着高速d s p 器件的发展 在放大器系统中可以采用更为复 杂 准确的模型和更为完善的自适应参数辨识算 法 2 一 制约该技术发展的硬件 瓶颈正在逐步得到解决 1 3 本文的主要工作和创新 本文主要是针对第三代移动通信系统中功率放大器的非线性及其线性化技 术进行研究和探讨 其中主要基于广义n a r m a 模型进行数字预失真方法的研 究 主要工作和创新包括 成都理工大学硕士学位论文 1 研究了功放非线性的基本理论 详细描述了衡量功放非线性特性的主要 技术指标 并总结了非线性功放常用的行为级模型 这些都为数字预失真技术的 研究奠定了重要的理论基础 2 建立了适用于数字预失真的功率放大器行为模型 首先从两个方面构建 了用于行为模型参数提取和模型验证的测量平台 一是基于安捷伦测量仪器的实 时测试平台 二是基于a d s 2 0 0 6 的系统仿真平台 并给出了实际功率放大器主要 特性的测量结果 3 在适用于数字预失真功率放大器行为模型研究方面 提出了基于增强 n a r m a 简化结构的功率放大器行为模型 在模型参数提取时 分别采用了两种 不同的算法 l s 算法和r l s 算法 4 在对一些常用线性化技术各自优缺点分析比较的基础上 提出了采用广 义n a r m a 模型构造的宽带自适应预失真器 该方法使用间接学习结构构造实 时在线的自适应预失真系统 预失真器的参数提取使用高斯 牛顿算法在线动态 估计预失真器参数 具有计算精度高 收敛速度快 数值计算过程较稳定且可以 实时在线更新等优点 本文所做的研究主要依托于科研项目 宽带高效线性发射技术 8 6 3 计划 课题中的研究主要是围绕着对l i n c 发射机系统中功率放大器非线性失真特性的 补偿而展开的 其中涉及到发射机结构中的预失真器的选择和相应的参数提取算 法 本文中的研究及结果包含在这个科研课题的项目中 本文所作的就是提出一 种自适应数字预失真功率放大器的系统设计方案 通过实验和仿真平台的具体实 践 得到了初步可行性证实 并给出了仿真结果 1 4 本文的内容安排 第一章绪论主要介绍了第三代移动通信系统的产生背景 研究方向 通过对 第三代移动通信系统中新的传输方式和调制格式的使用分析得出当前功率放大 器既要输出高的输出功率电平 又要有高的线性度 只有这样才能满足当代无线 通信系统的要求 本章还介绍了功率放大器的非线性性质 以及解决这一问题的 线性化技术的背景知识和研究动态 在业界已经取得的成果基础上 指出当前线 性化技术研究所遇到的主要问题 简单介绍本文根据当前的研究现状 围绕数字 预失真技术所进行的研究和探讨 以及主要的工作和创新方面 第二章第一部分是对功率放大器的基础理论进行介绍 包括其非线性特性及 产生的原因和参数描述 另外在此基础上分析功率放大器记忆效应的表现形式和 产生机理以及对功率放大器非线性的影响并给出了带通信号的基带等效模型 第 二部分 简要介绍当前主要的几种线性化技术 为接下来选用基于广义n a r m a 4 第1 章引言 模型的预失真法改善功率放大器的非线性影响进行理论的铺垫 第三章首先介绍了广泛应用于数字预失真系统的几种功率放大器的行为模 型 比如常见的幂级数模型 s a l e h 模型等无记忆非线性模型 以及能够描述功 率放大器非线性记忆效应的记忆结构的模型 并对它们的优缺点进行了讨论 在 此基础上 提出了一种基于增强非线性自回归滑动平均 n a r m a 结构的宽带 信号激励下的功率放大器行为模型 在模型参数提取时分别采用了两种不同的算 法 l s 算法和r l s 算法 模型结果分别使用a d s 平台的仿真数据和实验平台 的真实测量数据进行验证 第四章详细设计了广义n a r m a 模型预失真器 运用高斯一牛顿算法对参数 进行提取 通过计算机仿真得出频谱及a m a m a m p m 图形 并将之与原始 信号进行对比 证实本文所建立的广义n a r m a 模型预失真器具有收敛速度快 系统稳定等优点 有效地改善了功率放大器的非线性影响 可以应用到大规模电 路硬件实现中 在本文的结语处对全文主要的工作进行了总结 指出取得的成果和工作中存 在的问题 并指出今后预失真技术的主要研究方向和将要进行的主要研究工作 并对此技术的发展进行进一步的展望 5 成都理工大学硕士学位论文 第2 章功率放大器的非线性特性及线性化技术 在第三代移动通信系统中 功率放大器是最大的功耗器件 为了使功率放大 器具有较高的增益 即输出信号具有较大的功率电平同时能够保证信号有效的无 失真的传输 整个系统设计上需要功率放大器工作在饱和工作区的同时其自身也 具有较高的线性度 在实际应用中以上两个要求是相互对立的 要想功率放大器 工作在饱和区 非线性区 不可避免的会产生非线性失真 这个是由功率放大器 自身的特性所决定的 在系统设计中要想达到功率放大器的工作效率与信号的线 性传输的统一 首先需要我们对功率放大器的非线性的产生机理进行了解 本章 运用带通信号作为功率放大器的输入信号进行分析 对非线性失真对系统的影响 做形象深入的研究分析 了解了功率放大器的非线性失真对系统的影响之后 接 下来将简要介绍当前几种主要的线性化技术 通过比较对每种方法的优缺点进行 讨论 2 1 功率放大器的非线性特性 功率放大器的非线性是指当输入信号的幅度增加到一定程度 输出信号会达 到饱和状态 非线性所造成的失真是指输出信号除了具有原有的频率成分以外还 会产生新的频率成分包括谐波失真 会干扰到其他频带的信号 这种失真信号可 以用滤波器进行滤除 然而产生的互调失真靠近信号的有用频率很难用滤波器滤 除 另外 还有一些非线性作用产生的联合频率成分 最后会落入信号的带宽内 产生带内失真 1 5 1 s 在解决功率放大器非线性问题前 首先我们要对功率放大器 的非线性特征的描述和相关的参数定义进行了解 并用数学分析的方法对非线性 失真进行描述 2 1 1 功率放大器的非线 眭描述及参数定义 在不考虑记忆效应的条件下 a m a m 和a m p m 变换是最经常使用的用来 描述功率放大器非线性特性的图像 其中a m a m 变换指的是随着输入信号幅度 的变化输出信号产生的幅度变化曲线 也可用来表示输入信号和输出信号之前功 率的变化关系 a m p m 变换指的是随输入信号幅度的变化引起的相位偏移曲线 图2 1 给出的是由飞思卡尔公司生产的m r f 6 s 2 11 4 0 h 晶体管所设计的功率放大 器的单音信号a m a m 和a m p m 曲线图 从图中我们可以看出在功率放大器的 非线性区域 随着输入信号幅度的增加 不论是输出信号幅度还是输出信号的相 位都产生了比较明显的失真现象 6 第2 章功率放大器的非线性特性及线性化技术 图2 1 功翠放大器的a m a m 和a m p m 曲线 对于功率放大器我们还可以用一些其它参数来对它的非线性程度进行度量 如图2 2 所示 其中包括饱和点 已r l d b 增益压缩点 最d r 以及饱和点 处的输入和输出回退 i b o 和o b o 等 在饱和点 毛r 时 功率放大器的 输出功率是最大的 同时非线性失真也是最严重的 l d b 增益压缩点 彳d 日 就 是功率放大器呈线性放大的增益曲线和实际产生非线性失真时所获得的增益曲 线之间差值为l d b 的点 通常我们用来衡量一个功率放大器性能的好坏主要看 饱和点 足 r 和l d b 增益压缩点 p l d b 之间的距离大小 距离短 说明非线 性工作区减少 整个放大器的线性性能得到提升 回退是指为了减少信号的非线 性失真 使功率放大器工作在较低的功率电平上 图2 2 功率放大器的特性参数 2 1 2 双音测试信号对功率放大器非线性验证 不考虑功率放大器的记忆效应 我们一般用多项式模型来对功率放大器的输 7 成都理工大学硕士学位论文 入信号和输出信号进行表述如下 y 倒 f g k 耋 f 2 1 其中输入信号为 f 输出信号为v o 耐 t g k 为每个多项式级数展开后信号幅 度的增益 设双音输入信号表达式为 f 口ic o s c o l t 口2c o s c 0 2 t 其中q a 2 为不用 频率上的信号的幅度 q 哆是它们的频率 将其带入到表达式 2 1 中 展 开前三象进行分析 第一项 1 9 1 f g l k tc o s w l t a 2 c o s a 2 t 1 2 2 第二项 v 2 9 2 f 譬0 1 24 a 2 2 d 1 2c o s 2 f o i t a 2 2 c 0 2 彩2 t 2 叩 c s 眠 缈 c s 0 i 一功 2 3 第三项 v 0 3 9 3 畦 f 导舀一3 c s 3 唧 a 2 3c o s 3 0 2 t 3 口 2 口z c s 2 q q c s 2 q 一吐 月 2 4 3 a 口 c o s 2 d a 2 t c o s c o i 一2 吡 1 十3 口1 3 2 a l a 2 2c o s 衙 3 g 3 2 a 1 2 a 2c o s h f 从上述式子中我们可以看出 除在所需要的q 嚷两频率上保留了原信号 另外在2 q 2 吐 3 吼 3 他上也产生了谐波失真 分别命名为二次谐波和三次 谐波 同时在 劬 哆 2 t o 咤 蚴 2 吐 处产生了新的频率分量 在频率 为q 上的输出幅度系数为g lq 粤3 k 1 3 2 a l 口2 2j 一般情况下 岛 1 就是说不仅放大器 要有大的增益 反馈回路也要有比较高的增益 在低频状态下可以达到要求 但 是在射频电路中 由于构成反馈回路的固态晶体管的增益会随着频率增加而降 低 所以达不到比较高的反馈增益 信号的失真现象就难以很好的抑制 除非将 多个固态晶体管进行级联 此时系统的稳定性就很难得到保障 所以为保证在稳 定电路中具有较大的反馈增益 一般情况下我们不在射频状态下进行放大 而是 在输入信号进入功率放大器之前对它进行调制处理 调制到低频状态下便可达到 反馈回路较大增益和系统稳定共存的状态 这种方法又叫调制负反馈法 常用的 调制负反馈技术有包络负反馈 极坐标调制负反馈和笛卡尔 c a r t e s i a n 调制负反 馈 电路的稳定性可以通过对信号的调制作用解决 但是整个电路还受网络延迟 的限制 所以应用范围受带宽限制 对于带宽比较大的信号功率放大器放大的带 宽就不够了 2 3 2 前馈法 前馈技术发明的比较早 因为负反馈技术相对比较简单 对它的研究就比较 深入 而结构较复杂的前馈技术就一直被忽视 随着信息科学的发展 高的信息 容量和对频带的高效利用逐步引起人们的重视 线性化技术也适应当前需要相应 的具有无条件稳定特性的可以处理宽带信号的前馈法又重新引起研究者的重视 逐步成为如今线性化技术的主流技术之一 出 图2 7 前馈线性化方法的原理框图 前馈法的工作原理是建立两套完全相同的功放和延时线 如图2 7 通过第一 套系统我们得到原始信号经非线性功率放大器后产生的带有失真信号的输出信 1 3 成都理工大学硕士学位论文 号 将它进行衰减 衰减后将它与原始信号延时后的匹配信号相减 得到完整的 失真部分 第二套系统我们将得到的完整失真部分经过辅助放大器进行放大 将 第一套系统得出的输出信号经过延时减去放大后的失真部分 最后得到所需要的 线性放大信号 通过以上介绍可以看得出前馈法具有许多负反馈法所不具备的优点 前馈法是无条件稳定的电路 通过矢量相减 互调失真信号可以很有效的被抑制 功率放大器的线性度 得到了大大的改善 在提高功率放大器线性性能的同时不受功率放大器记忆效应的影响 前馈法存在以上优点却没有得到广泛的利用主要是在实现过程中存在很多 有待克服的缺点 首先 前馈法是在信号与信号的比较中对失真信号进行抵消 所以整个电路中对信号的延时和衰减处理要求非常严格 要求比较信号之间具有 高的匹配度 另外 整个系统中误差信号是通过辅助环路进行抵消的 辅助环路 的设计比较复杂 增益和相位的调整比较困难 硬件实现成本颇高 同时由于整 个电路存在延时 耦合器和辅助放大器的损耗等原因 前馈法的系统效率很低 与负反馈法不用的是 前馈法是通过开环电路实现的 在元器件受系统工作频率 温度 电压等影响发生参数变化时 整个系统没有反馈电路进行补偿 必须增加 自适应电路设计 整个设计的复杂度大大提高 2 3 3 预失真法 图2 8 预失真基本原理示意图 预失真法是一种最简单的花费最少的功率放大器的线性化技术 原理是在功 率放大器的前端插入预失真器 具有和功率放大器相反的幅度和相位特性的非线 1 4 第2 章功率放大器的非线性特性及线性化技术 性器件 使整个系统总的输入和输出呈现线性特性 如图2 8 所示 预失真法包含模拟预失真法和数字预失真法 模拟预失真法应用的要更早 些 主要用在射频和中频系统中直接处理模拟已调信号 电源效率比较高 随着 数字信号处理技术的发展 对功率放大器的线性水平要求更加严格 在高频宽带 系统中 模拟预失真中应用的众多模拟器件已经不能够准确的构造出功率放大器 的逆特性 整个系统也没法进行相应的自适应调整 致使频谱再生分量不能得到 改善 高阶失真分量也难以抵消等 这些众多的缺点使得模拟预失真法逐步被数 字预失真法所取代 数字预失真法是在数字域构造适用于p a 的预失真特性的方法 目前最具发 展潜力的线性化技术之一 随着d s p 技术的发展 数字预失真器的设计可以直 接利用功放前端发射机中的d s p 器件 大大缩减了成品体积 减少硬件成本 预失真技术按照工作频率不同又分为射频预失真 中频预失真和基带预失真 射 频预失真主要由模拟电路实现 对射频信号进行直接处理 整个电路中非线性有 源器件受温度和频率的影响较大 对它们的控制和调整比较困难 线性指标比较 低 中频预失真法效率要比射频预失真方法高 但是精度就差了些 从设计成本 和实现难易度上考虑 基带预失真是目前比较实用的方法 也是数字预失真的主 要实现形式 结合数字信号处理的技术 数字基带预失真技术具有稳定性好 带 宽比较宽 精度比较高等特点 完全能够满足第三代移动通信系统的要求 用于数字预失真的实现的方法主要有两种 一种是查找表法 1 0 0 k u p t a b l e 另外一种是多项式法 p o l