[硕士论文精品]基于预失真技术的射频功率放大器线性化研究

中文摘要厂随着无线通信技术的飞速发展，线性调制技术正得到越来越广泛的应用。但包络变化的调制信号经过非线性射频功放后会产生交调分量，因此必须采用线性化技术来减少由此产生的邻道干扰。预失真技术是一种广泛使用的线性化技术，基于预失真技术的线性化系统J下逐步成为研究热点。本论文的研究分别涉及三阶模拟预失真系统、查找表预失真系统和前馈预失真系统，其中有创新和有价宿髓稚主要体现在以下三个方面1对于采用二极管反向平呵宁对的三阶模拟预失真系统，本文提出了一种可以抑制驻留二阶交调IMD2信号的新型三阶扰动器。该扰动器通过一个山J极管和电阻组成的反馈网络来平衡驻留IMD2信号，本文理论分析了其基本原理并仿真研究了其性能特点、向J比相同类型的三阶扰动器，新型扰动器具有更好的IMD2抑制特性，并能自适应二极管对的不同匹配特性。仿真研究表明由该三阶扰动器组成的模拟预失真系统能有效抑制的IMD2分量，并可达到46DB的三阶交调IMD3压缩性能。J2对基于查找表技术的数字预失真系统，本文着重研究了预失真表F10农M索引技杷、借先理论推导了实现表项最优分布的压缩函数，然后提了种非线性表项索引技术一查找表索引技术，分析了该技术的特点并给出了具体实现方式，最后还提出了自适应改进方案。仿真研究表明，在相同64位表项的极坐标预失真系统中，对比幅度索引技术该新型索引技术可以提025DB的IMD3压缩性能，但不增加硬件实现成本。本文还研究了自适应表蛐W新算法，提出了一种收敛速度较快的改进弦线算法。，3本文提出了一种射频预失真技术和前馈线性化技术相结合的前馈JJI失真技术。由于在主功放和误差功放前分别加上了射频预失真单元，因此提高了整个系统的线性度和功率效率。咳技术改变了误差通路中的信号特性生，使误差放大器也输出有用信号功率，、提高了整个放大系统的性能。考虑到固态功率放大器SSPA幅度和相位非线性特性的差异，该系统采旧度和相位不平衡调节的射频预失真结构F】_F；JI幺技术方案可以到达63DB左右的IMD3。仿真结粜关键词射频功率放大器，预失真，线性化，交调失真，查找表，索引技术，自0馈预失真系统ABSTRACTWITHTHERAPIDDEVELOPMENTOFWIRELESSCOMMUNICATIONTHELINEARMODULATIONMETHODSAREWIDELYUSEDSINCETHEENVELOPEOFMODULATEDSIGNALFLUCTUATES，THESEMETHODSGENERATEUNWANTEDINTERMODULATIONDISTORTIONIMDPRODUCTSINANONLINEARRADIOFREQUENCYRFPOWERAMPLIFIERPASOITISNECESSARYTOUSELINEARIZATIONTECHNIQUETOREDUCETHEADJACENTCHANNELINTERFERENCEACIPREDISTORTIONISAWIDELYUSEDLINEARIZATIONTECHNIQUEBECAUSEOFITSUNIQUEADVANTAGE，ANDTHERESEARCHOFPREDISTORTINGLINEARIZERISBECOMINGTHEHOTRESEARCHFIELDTHEMAINSTUDYINGOFTHISDISSERTATIONISABOUTCUBICANALOGPREDISTORER，DIGITALPREDISTORTIONLINEARIZERBASEDONLOOKUPTABLELUTTECHNOLOGYANDFEEDFORWARDPREDISTORTIONLINEARIZATIONSYSTEMTHEORIGINALWORKANDVALUABLERESULTSINTHISDISSERTATIONAREASFOLLOWS1ANOV7ELTHIRDORDERDISTORTIONGENERATORWHICHCANSUPPRESSTHERESIDUALSECONDORDERINTERMODULATIONDISTORTION1MD2ISPRESENTEDTHISNEWDISTORTIONGENERATORUSESAFEEDBACKCIRCUITNETWORKCOMPOSEDOFDIODESANDRESISTORSTOBALANCETHERESIDUALIMD2COMPONENTATHEORETICALSTUDYISCARRIEDOUTANDBASICFEATUREOFTHISGENERATORISANALYZEDCOMPAREDU，ITHCOLNNLONUSEDDISTORTIONGENERATOR，THECUBICPREDISTORTERSTHATUSETHISKINDOFNOVELGENERATORHAVEABETTERIMD2SUPPRESSIONPERFORMANCEANDCANADAPTIVETHEDIFFERENTMATCHINGPERFORMANCEOFDIODEPAIRSTHESIMULATIONRESULTSSHOWTHECUBICPREDISTORTINGLINEARIZATIONSYSTEMCANACHIEVE46DBTHIRDORDERINTERMODULATIONDISTORTIONIMD3SUPPRESSION2THEINDEXINGMETHODOFLUTPREDISTORTINGLINEARIZATIONSYSTEMISSTUDIEDINTHISDISSERTATIONFIRSTTHECOMPANDINGFUNCTIONTHATCANREALIZEOPTIMUMTABLESPACINGISDERIVED，ANDANEWNONLINEARINDEXINGMETHODBASEDONLUTTECHNIQUEISPUTTINGFORWARDTHEADVANTAGEOFTHISNEWINDEXINGMETHODISSTUDIEDANDTHEPRACTICALIMPLEMENTATIONISPRESENTATLASTANIMPROVEDADAPTI、ESCHEMEOFTHENEWMETHODISCONSIDEREDSIMULATIONSTUDYSHOWS25DBIMD3SUPPRESSIONCANBEIMPROVEDCOMPAREDWITHCOMMONPOLARLUTIIIDREDISTORTINGSYSTEMTHATHASSAME64LUTENTRIESBESIDESTHESTUDYINGOFINDEXINGTECHNIQUE，THEADAPTIVEREFRESHALGORKHMSOFLUTARESTUDIEDANDANEWALGORITHMISOBTAINED3ARFPALINEARZIATIONSYSTEMTHATCOMBINESRFPREDISTORTINGTECHNIQUEANDFEEDFORWARDTECHNIQUEISPRESENTCONTRASTEDWITHBASICFEEDFORWARDSYSTEMTHELNAINIMPROVEMENTOFNEWSYSTEMISTHESIGNALFEATUREOFERRORSIGNALPATHINNEWSYSTEMTHEERRORPACANALSOAMPLIFYTHEORIGINALSIGNAL，SOTHEPERFORMANCEOFWHOLEAMPLIFIERSYSTEMINCREASESSINCERFPREDISTORTERSUSEDINTHENEWSYSTEM，THELINEARITYANDPOWEREFFICIENCYCANBEENHANCEDCONSIDERINGTHENONLINEARDIFFERENCEOFTHEGAINANDPHASECHARACTERISTICINSOLIDSTATEPOWERAMPLIFIERSSPA，APARALLELBUTIMBALANCEDPREDISTORTINGADJUSTERISUSEDANDTHEHARDWARECOSTCANBEREDUCEDTHESIMULATIONRESULTSHOWSTHISNEWKINDOFLINEARIZATIONSYSTEMCANGET63DBIMD3SUPPRESSIONKEY、ORDSRADIOFREQUENCYPOWERAMPLIFIER，PREDISTORTION，LINEARIZATIONTECHNIQUE，INTERMODULATIONDISTORTION，LOOKUPTABLE，INDEXINGMETHODFEEDFORWARDPREDISTORTIONSYSTEMV第一章引言第一章引言11课题研究的目的和意义毫无疑问，过去十年中无线通信技术的飞速发展，不仅改变人们的通信方式，还从某种程度上改变了生活方式。从全球范围来看，无线通信用户的年增量都在持续逐年大幅度增长，无线通信已经进入规模化发展的阶段。如今，快速发展的无线通信己成为信息产业中最为耀眼的亮点，并成为推动社会经济发展的强劲动力。无线通信系统的目的是用最小的功率来保持每个信道的有效链接，但随着无线用户的飞速发展和宽带通信业务的开展，通信频段变得越来越拥挤，在频谱效率和功率效率这两个重要指标之间更趋向于选择频谱效率。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，因此线性调制技术技术如QAMQUADRATUREAMPLITUDEMODULATION、QPSKQUADRATUREPHASESHIFTKEYING等在现代无线通信系统中被广泛采用。所有的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。但通信系统中的非线性器件必定会使发送信号产生非线性失真，从而对相邻信道产生不同程度的干扰。对J二一个高功率的射频发射机而言，这些失真信号虽然比所要输出的信号小许多，但它的绝对值还是很大，会对系统产生干扰，因此必须控制在一定的范围以内。对于采用恒包络调制如FMFREQUENCYMODULAITON、MSKMINIMUMSHIFTKEYING的无线通信系统，可以采用滤波技术等来消除谐波干扰。但对于包络变化的线性调制技术，滤波并不能消除交调产物，因此必须采用线性化的发射机系统。射频功率放大器是发射机系统中非线性最强的器件，特别是为了提高功率效率，射频功放基本工作在非线性状态，因此线性功率放犬器设计技术己成为线性化发射机系统的关键技术。目自D，无论是在无线通信还是有线通信领域，功率放大器的线性化技第一章引言术已成为一个广泛而活跃的研究领域。除了线性化调制技术的广泛采用等原因以外，以下一些原因也促进该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，不能采用简单的功率回退技术来解决功放线性化问题。所谓功率回退就是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域。如果采用该技术，一方面电源利用率一般仅为15，会产生导致终端自主时间过短、基站热管理等一系列问题。另一方面大功率器件只能输出很小的功率，其本身潜力不能充分发捣二，也造成整机制造成本的提高。2多载波调制技术的逐渐采用也要求线性化的功率放大器。以OFDMORTHOGONALFREQUENCYDIVISIONMULTIPLEXING为代表的多载波调制技术具有高传输速率、不需均衡等明显优点，已为许多标准如80211、HDTVHIGHDEFINITIONTELEVISION、4G等所采用I“。由于OFDM信号具有很高的峰值F均功率比，功率放大器的非线性将影响到整个系统的性能。3多载波系统要求线性化的功率放大系统。多载波放大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，基站系统对邻道干扰的要求非常严格【31，这就要求采用高线性度的发射机系统，减少交I周分量对相邻邻信道的干扰。4自适应天线系统的需要。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宽带、旁瓣抑制、零位深度等一系列天线的性能指标变差【4J。5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个信道【5I，最终要求采用宽带线性化的功率放大器。6一些新兴无线通信技术的需要。以软件无线电为代表的新兴无线通F刊支术，从本质上要求线性、宽频的发射机技术，因此需要高度线性化的刑频功率放大器16J。12国际国内研究状况和进展小小节回顾了国内外射频功率放大器线性化技术的研究状况，着重介绍了基_J预失真技术的射频功放线性化系统的研究现状及进展。一2第一章引言121射频功放线性化技术国内外研究现状功率放大器的线性化技术研究可以追溯到上个世纪二十年代。1928在贝尔实验室工作的美国人HAROLDSBLACK发明了前馈和负反馈技术并应用到放大器设计中【78，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丌端。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。随着无线通信技术的兴起和飞速发展，到上世纪七八十年代射频功率放大器的线性化技术得到飞速发展，主要呈现以下两个特点1一些新兴的功放线性化技术，如基于查找表的自适应基带预失真技术、自适应前馈线性化技术、EERENVELOPEELIMINATIONANDRESTORATION技术、LINCLINEARAMPLIFICATIONUSINGNONLINEARCOMPONENTS技术、CALLUMCOMBINEDANALOGUELOCKEDLOOPUNIVERSALMODULAR技术等得到广泛研究和发展，申请了一大批专利。2研究人员从器件设计人员扩展到系统设计人员，许多学者试图从系统的角度解决射频功放的非线性问题。实际上有些线性化技术完全避丌了功率放大器本身的非线性特性，同样有些技术则能对整个发射机系统进行了线性化。日IU在围际上，无论是学术界还是工业界，对射频功放的线性化技术研究部非常重视。近年来，IEEE每年关于这方面论文以百分之十几的速度增长，2001年直接相关论文就达四五十篇19。2001年微波理论与技术国际会议IEEEMTTS有5个组讨论功率放大器，其中一个组专门讨论改进助；棼放大器线性度和效率的方法F】OL。与此同时，由于该技术较强的实用性，缳年都有上百个相关的明专利被申请，仅2001年批准相关的专利超过150个I“I。相比之下，国内还没有对该技术研究引起足够重视，只有东南大学、华中科技大学、华南理工大学等少数单位丌展这方面的研究工作【”。5I。从Z三表的论文看，绝大部分部属于介绍性文章，学术研究论文较少。专利的申请更不容乐观，关于这方面的发明专利很少I”】，因此非常有必要开展这方面的研究工作。第一章引言122基于预失真技术的线性化系统研究进展预失真技术是一种广泛使用的射频功放线性化技术，图11就是一个典型的开环预失真系统。根据预失真器在发射机中的位置，可以分为射频预失真技术、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，可以分为模拟预失真技术和数字预失真技术。基于预失真技术的射频功放线性化系统是本论文的主要研究内容，本文分别就三阶模拟预失真系统、查找表预失真技术和前馈预失真系统中一些关键的技术问题进行了研究。HIN|F11PAR图11开环预失真系统框图1221模拟预失真技术的研究状况及进展模拟预失真技术起源于上世纪中叶对晶体管器件非线性特性研究的丌展。1959年MACDONALD就提出了用相反的非线性特性来补偿三极管本身二怍线性的方法【”】，这就包含了模拟预失真技术思想。1968年LOTSCH提出了分析二极管非线性的理论【”L；1967年NARAYANAN提出了用VOLTERRA级数研究品体管的非线性191并研究了串联晶体管的交调扰动问题【2，REVLLOLDS【2”2I、THOMAS23。241等也研究了晶体管的非线性失真和消除问题。模拟预失真技术早期主要应用于行波管功率放大器中，行波管功率放大器是一种典型的三阶非线性器件，采用三阶模拟预失真器可以取得较好的线性化效果。1979年日本人SATOH就把模拟预失真技术应用于行波管功放。诈取得不错的效果25LBREMENSON等人研究了卫星通信系统中预失真行I；Y管功率放大系统【26L；NAMIKIY等研究了QAM调制下模拟预失真技术对行波管放大系统性能的提高27】KATZ研究了可自动适应环境变化的二极管模拟预失真嚣【28】；此外还有一些相关的文章和专利129361。I阶模拟预失真技术在行波管功率放大系统中成功应用后，就迅速推广到固态功率放大系统中。1984年日本人NOJIMA用二极管搭成了一个三第一章引言阶模拟预失真系统【”1，并成功地应用到800MHZ移动电话系统【3。NOJIMA还研究了256QAM调制方式下模拟预失真技术对系统性能的影响，在6GHZ载波500MHZ带宽情况下可以压缩三阶交调分量6DB，25MHZ带宽的时候可以抑制20DBL39】。KUMAR把三阶模拟预失真器应用到12W3842G吲态功率放大器中，并可以通过改变偏置电压来改变预失真器的非线性特性M4”。NAL3NICINI研究了带温度补偿的固态功放预失真系统【42】CZECH研究了模拟预失真技术4GHZ场效应功放性能的影响1431；AMADESI提出了分级预失真的方法【441STEWART研究了应用于小功率终端的模拟预失真技术14“。早期的模拟预失真技术主要应用于有线电视和卫星通信系统中，主要研究文献还包括4650。19世纪80年代后，模拟预失真技术进入快速发展时期，这时的主要应用对象是移动通信系统。在自适应技术方面，STAPLETON提出了通过带外J力簪采样来控制预失真器的自适应技术，该技术可以用在模拟和数字预失真系统中151521。BENEDETTO提出了一种通过最小化输入和输出信号均方根误差来实现自适应控制的技术，分析指出了其优缺点“。JECKELN则通过对非线性J力放直接建模，来自适应控制预失真器川。BERNARDINI仿真研究了不同控制策HS对血阶模拟预失真系统性能的影响B”。许多文献对不同应用背景下模拟预失技术的性能进行了分析研究。MICHAEL提出了一种应用于多载波放大系统的模拟预失真技术，该技术通过对多通道输出信号的采样来完成自适应控制功能【5“。KANG等研究了模拟顺、且器在跳频系统中性能，实验研究表明交调失真可以压缩10DB左右P“。LAJ等人提出了一科一采用新型放大器模型的预失真系统，与相同阶数的预失真器相比该系统可以取得更好的性能【581。STONIC提出了00应用于数字电视系统的多级模拟预失真系统159J韩国的YI研究了一种应用于CDMA基站L的模拟预失真系统【60；BENEDETTO等人研究了三阶模拟预失真器对OFDM系统的影响I“】BANELLI研究了模拟中频预失真同数字预失真相结合的系统对OFDM信号的影响162。RAHKONEN研制了一种五阶模拟预失真器的芯片，该芯片可以用于A类、B类或AB类功率放大器，当带宽为MHZ时交凋扰刊JI以JJ三缩O一30DBL631。第一章引言1222查找表预失真技术的研究状况及进展数字预失真技术是指用在数字域内完成信号预失真处理的技术，一般有两种实现方式，基于非线性射频功放的参数模型实现和基于查找表方式实现。射频功放的参数模型有许多种，如多项式模型、VOLTERRA级数模型等。多项式预失真系统是三阶预失真系统的推广，在模拟多项式预失真器出现后就出现了用数字技术实现的多项式预失真系统【64巧61，并逐步发展完善16769。VOLTERRA级数是描述非线性系统的通用模型，因此基于VOLTERRA模型数字预失真技术也是研究的热点17072。1988年BATEMAN等提出了利用查找表和血线拟合的方法来实现信号的预失真H“，这可以认为是查找表预失真技术的起源。1989年NAGATA提出了映射预失真技术【741，该技术采用两张二维预失真表来实现预失真功能，但系统收敛速度较慢。MANSELL提出了一种实用的查找表预失真系统【7”，但L亥技术需要做差值计算，运算负担较重。1990年MINOWA等提出了与功率回遐技术相结合的类似系统【7。对于映射预失真技术的进展还可参见文献F7778】。1990年FAULKNER提出了用两张一维预失真表实现预失真功能的技术，FAULKNER的研究表明该技术可以压缩30DB交调失真，但实验系统带麓J仃2KHZ。这种预失真技术同相位相关，因此对正交调制和解调器的瞑差卜分敏感，文献81罐3研究了自动纠正这些误差的方法。同年CAVERS提出了一种用复增益查找表来实现预失真器的方法184。851，该技术用LF交方式表示的复增益来实现预失真表184851。WRIGHT实验研究表明8687I，在中带情况F该技术可以达到25DB的交调失真分量压缩。目FJU，查找表预失真系统以成为预失真技术的一个重要分支，其最新的研究成果综述如下。SUNDSTROM研究了预失真系统各部分量化效应对系统性能的影响【88】；CAVERS研究了调制解调误差对预失真系统性能的影响89I；MANNINEN研究了反馈回路延迟对系统性能的影响901。JECKELN提出了通过刈T0波非线性特性时实建模来刷新预失真表的技术【。L921；MANSELL研究了一种简化反馈形式的复增益预失真系统931；HAN等提出了一种通过时实估计复包络传输函数来刷新查找表的技术【9”。TAKABAYASHI研究了采用数字调制器6一第一章引言的查找表预失真技术，该方法可以消除调制器的IQ信号不匹配、直流偏移等误差195I。HASSANI等对基本复增益预失真系统做了改进，这些改进只需要很小的硬件改动但可以得到不错的效果1961。LEE等比较了在EDGEENHANCEDDATARATEFORGSMEVOLUTION系统中各种自适应算法性能【971；IBNKAHLA等研究了神经网络算法在查找表预失真技术中的应用1981MUHONEN等对比评述了各种查找表预失真技术的特点【99】。1223预失真技术同其它线性化技术相结合随着无线通信技术的发展，对发射机系统的功率效率、频谱效率、线性度等性能要求也越来越高。线性化技术的种发展趋势就是组合几种基本线性化方法，通过各自优点来提高整个系统的性能。预失真技术同各种反馈技术相结合是普遍采用的一种技术，NESIMOGLU提出了一种有源反馈同预失真相结合的技术11001；CARDINAL提出了一种双有源包络反馈的预失真技术【01】PARK研究了一种只反馈包络信号的预失真系统1102I；KIM等人提出了一种新型的电路拓扑结构，这种反馈预失真回路可以实现同前馈系统一样的工作原理I”。此外，还出现预失真技术同前馈技术相结合的系统，但所开展的研究不是很深入。文献104，105在研究卫星地球站系统时指出，前馈技术和预失真化技术相结合可以得到更好的功率效率和线性化性能。文献F】06在一个6U馈功率放大系统中采用了预失真技术。预失真技术同LINC技术相结合是最近提出的一种新型技术1071，该技术的本质是采用预失真器来弥补LINC系统中两条回路的幅度和相位不平衡。13本论文的主要工作和内容安排本论文的主要工作可分为三个部分，分别涉及到三阶模拟预失真系统、基于查找表技术的自适应基带预失真系统和同前馈技术相结合的射频预失真系统。概括起来，本文创新性的工作可简要叙述如下。刈JJ采用二极管反向平行对的三阶模拟预失真系统，当二极管对统计特R不匹配时会产生驻留的二阶交调失真信号，从而会影响整个系统性第一章引言能。本文提出了一种可以抑制驻留二阶交调扰动的新型三阶扰动器，该扰动器采用由电阻和二极管组成的反馈网络来平衡二阶交调信号。本文从带反馈电阻的二极管堆扰动器开始逐步推导了该新型阶扰动器的基本原理，分析了其基本特性。研究表明该扰动器具有两个驻留二阶交调分量最小压缩点，因此具有更好的抑制特性。此外该新型扰动器调节方便，并可以构成自适应系统以适应不同的二极管对匹配情况。仿真结果表明采用该新型扰动器的三阶模拟预失真系统能达到46DB的三阶交调压缩性能。对于基于查找表技术的自适应预失真系统，本文主要研究了这种系统中的一项关键技术一查找表表项索引技术。首先通过理论推导得出了可以实现最优表项分布的压缩函数，然后提出了一种用查找表技术实现的非线性表项索引技术，分析了该技术的优点并给出了具体实现方式，最后提出了一种自适应改进方案。仿真研究表明，在相同64位表项的极坐标预失真系统中，查找表索引技术可以比幅度索引技术提高25DB左右的IMD3压缩性能，但不会增加硬件实现的成本。本章最后还研究了表项的自适应刷新算法，在分析儿种基本算法的基础上提出了一种改进弦线算法，仿真结果表明该算法可以提高表项收敛速度。本文最后从系统原理的角度研究了一种射频预失真技术和前馈技术相结合的线性化技术，该技术改变了基本前馈技术中误差信号的特性，使误芋放大器也输出有用信号功率，这样提高了整个放大系统的性能。此外由R在主功放和误差放大器前分别添加了预失真单元，因此提高了整个放火系统的线性度和功率效率。考虑到固态功放幅度和相位非线性特性的差异，陔技术采用了幅度和相位不平衡调节的射频预失真结构，可以降低硬件成本。仿真结果表明该技术方案可以到达63DB的三阶交调压缩性能。奉论文的主要内容分为血章，上面三部分研究工作分别在第三章、第四章和第血章中做重点阐述。本论文第二章介绍了射频功率放大器的非线性模型并分析了非线性射频功率放大器对发射机系统性能的影响，然后对常用的线性化技术做了综述性介绍。第二章内容可以看做后续几章研究工作的背景介绍。一8第二章射频功率放大器及其线性化技术第二章射频功率放大器及其线性化技术本章首先分析了射频功率放大器的非线性模型，然后介绍了非线性射频功放对发射机系统的影响，最后对主流的功放线性化技术做了综述性介绍。21节分析了射频功率放大器的非线性模型，包括用AMAM和AMPM转换特性描述的非线性模型和用序列展开得到的带通无记忆非线性模型。21节介绍了线性发射机以及性能指标，着重分析了非线性功率放大器对发射机系统性能的影响。2_3节对主流的射频功放线性化技术做了综述，包括前馈技术、负反馈技术、EER技术、LINC技术和CALLUM技术。21射频功率放大器非线性模型本论文研究对象是高功率高效率的射频功率放大器，本质上射频功率放大器都是非线性的，也就是输出信号中会包括非线性引起的失真分量。此外这些功率放大器都是有记忆效应的，也就是其输出不仅同现在的输入信号相关，也同过去的信号有关。如果假设输入信号的带宽足够小，则叮以把其看成无记忆非线性系统【”8L，在本文的所有分析中都假设所研究的射频功放是没有记忆效应的。211极坐标非线性模型如果不考虑记忆效应，可以把输出信号中的幅度和相位失真看成是由输入信号幅度变化引起的。这种模型实质上考虑功率放大器两种类型的非线性特性，即调幅调幅AMAM转换特性和调幅调XGAMPM转换特陀。由于射频功放的这两个非线性特性可以通过矢量网络分析仪测量得到，因此用AMAM和AMPM特性来描述非线性功放是实际中经常采用的方法。如果把射频功放的AMAM、AMPM转换特性用串联方式表示，则可U得剖极坐标形式的非线性模型。考虑如下形式的单频输入信号第二章射频功率放大器及其线性化技术J。ACOS2矾F211当陔信号通过非线性射频功放后，输出信号变为S。FACOS2刁，妒GDF212上式中FA和G口分别代表功放的AMAM和AMPM非线性转换特性。MINKOFF研究表明【10901，对于调制输入信号式211和式212FFII融述的关系也同样满足，即对于如下调制输入信号S，FATCOS2刀FFR2131输出信号可表示为SOFFATCOS2巧，0GDFF214、式214所示的模型可以描述包络变化的输入信号所产生的带内失真扰动，该模型用框图表示如下ATCOS23R。，则电阻R可以用两个正向偏置的串联二极管实现。如果把图237中的反馈电阻R用两个串联二极管D。和D。代替后，即可得到图3，16所示新型三阶扰动器电路。在上面的分析中曾指出，二极管串联后的电阻R大小是同流过二极管的电流，。相关的，因此可以通过调节可变电压旷，来调节二极管，。，进而可以调节电阻尺的大小。另一方面，从上面的分析可以看到，对于不同的二极管对匹配情况，最优电阻R的值是不同，因此可以通过调节电压矿，来达到最优的二阶交调扰动抑制，这是这种新型三阶扰动器的一个显著优点。可变1乜阻月，对电压灵敏度的控制是容易理解的，当电阻只、较大时，电压Y，变化所引起电阻R的变化相对较小；反之当电阻R。较小时，电阻尺随电压矿，的变化则比较灵敏。33新型三阶模拟预失真器的仿真研究本节首先对如图316所示的新型三阶扰动器进行了仿真研究，分析了在T型衰减器组成的预失真系统中该扰动器对二阶交调信号的抑制能力。然后本1，提B了一种采用新型三阶扰动器和L80度相移分配器组成的二二阶预失真系统，该预失真电路的通过自适应反馈可以达到了对二阶变调分量的最佳抑制，最后仿真研究了该三阶模拟预失真器对AB类功率放大器的线性化性能。331新型三阶扰动器对驻留二阶交调抑制能力对于【墨|316所示的新型三阶扰动器，采用T型衰减单元组成三阶模拟预失真器，其仿真模型如图33L所示。其中控制串联二极管D。和D。的控制电压矿。149V，可变电阻R，200【2，电阻R195Q，其它仿真参数同表31。下面来研究当二极管D，的理想因子玑在1到12之间变化时该预失真器羽二阶交调分量的抑制能力。圈332是仿真结果。从图中可以看出，随着理想因子玑增大，二阶变调失真分量反而随之下降，说明该三阶扰动器具有明显抑制二阶交调的能一49第三章具有二阶交调抑制功能的三阶模拟预失真器研究力。对比图330可以发现，新型三阶扰动器抑制二阶失真的特性同电阻反馈的二极管堆扰动器不一样。新型扰动器在仇增大时有两个最小点，因此可以得到更好的二阶交调抑制性能，这是这种新型三阶扰动器另一个明显的优点。O芝图331新型三阶扰动器在ADS中仿真模型N3图332新型三阶扰动器对IMD2的抑制能力L冬|333是在不同控制电压下，理想因子13变化时新型三阶扰动器对阶交调的抑制能力。从图中明显看出，对于不同的理想因子仉存在不同一50第三章具有二阶交调抑制功能的三阶模拟预失真器研究最优控制电压，因此实际使用中需要根据不同的匹配情况对控制电压进行调整，即需要自适应控制过程。LMD2VSDIFFERENTVDC口N3图333不同下新型三阶扰动器对MD2的抑制能力图334仿真了电阻心对系统抑制二阶交调能力的影响，仿真时控制电压取最优值149V。从图中可以看出，在控制电压确定的情况下，存在一个最优的电阻R。195Q，使得二阶交调失真最小。这个特性同前面电阻反馈的极管堆预失真系统是一样的。IMD2VS剐RD图334不同赢流偏置下对二阶交调的抑制能力进一步分析了电阻R。的容差性能对系统抑制二阶交调分量的影响。分别仿真了在最优电阻值R。195Q偏差5的情况下，也就是电阻为R。，18525F和RJ20475F2时二阶交调分量的抑制情况，如图335所示。第三章具有二阶交调抑制功能的三阶模拟预失真器研究当电阻R。偏差5时，输出的二阶交调分量在图中分别如图中用方框和到三角表示的两条曲线。从图中可以看出，新型三阶扰动器对电阻如的容差变化非常敏感，这是实际使用中必需注意的问题。IMD2VSRDTOLERANON3图335R。在5容差变化时二阶交调失真的变化图332采用相移分配器实现的新型三阶预失真系统前面所研究的三阶预失真器是都是采用T型衰减网络，但T型衰减网络有系统噪声大、功率效率低等缺点，一种改进的方法是采用环行器或相移分配器柬实现预失真器，本小节仿真研究了采用相移分配器实现的新型二阶预失真器性能。RR1图336相移分配器实现的三阶预失真系统52兰三童垦塑三堕奎塑塑型垫壁塑三堕堡型堡叁壅墅塑壅对于如图310所示的采用相移分配器的预失真系统，用新型三阶非线性扰动器代替原来的二极管反向平行对后，在ADS中建立仿真模型如图336所示。这种预失真器的关键是调整相移分配器零度输出端的电阻和电容值，它们的作用是分别抵消扰动器所产生线性分量和相位误差，在仿真时可以通过优化的方法得到，其它仿真参数同图33L所示的系统。仿真后发现该预失真器对驻留二阶交调信号的抑制特性基本同T型衰减网络预失真器一样，因此这里不在重述。图337是预失真器输出信号的频谱，其中主要以三阶信号为主，线性分量得到明显抑制。言曼L图337相移分配器实现的三阶预失真器输出信号频谱图图338成J_H新型三阶预失真器的射频功放线性化系统第三章具G_阶交调抑制功能的三阶模拟预失真器研究本文仿真研究了新型三阶预失真器对AB类非线性射频功放的线性化效果，图338就是整个预失真线性化系统的仿真原理框图。射频输入信号经信号分离器分成两路，上面一路通过时间延迟单元达到功率合成器的一端，该时间延迟信号是用来补偿信号经过三阶模拟预失真器的时间延迟。另一路信号则经过新型三阶模拟预失真器后到达功率合成器的另一端，两路信号合成后注入到功率放大器完成功率放大器的线性化功率。在实际使用中，二极管对的性能匹配情况是不能预先得知，因此本文提出了白适应控制单元来适应不同匹配情况。如图338所示，该线性化系统实现了对控制电压旷，和电阻月。的自适应控制，自适应策略是基于输出驻留二阶交调信号的能量最小。由于三阶扰动分量同二阶失真分量的频带距离较远，因此实际实现时可以采用滤波器得到二阶失真分量，然后通过包络检波的方式得到二阶失真分量能量的大小，再用这个信号去控制新型三阶扰动器中的控制电压，和电阻R。的大小。幽339仿真_IJ典型的AB类射频功率放大器图339是本文所研究的典型AB类射频功率放大器在ADS中的仿真模型，陔功率放大器采用MOTOROLA的MRF9742功率管，仿真模型考虑了器件封装的影响，因此具有较高的精度。在仿真过程中需要对幅度、相位调节单元和时间延迟单元进行调节，以取得最佳的性能。图340是没有预失真系统时输入信号通过非线性放大器后信号的频谱图，可见由于射频功放的非线性影响，产生了频谱扩展现缘，输JJ的二阶交调失真信号的功率为一L5319DBM。图341是经过如图新J型三二阶模拟预失真系统后输出的频谱特性，从图中可以看出三阶交凋分第三章具有二阶交调抑制功能的三阶模拟预失真器研究量一62036DBM，因此该三阶模拟预失真器具有46DB的三阶交调信号压制能力，从而说明本文提出的这种能抑制二阶交调失真的三阶交调预失真器是有效的。“IDB。M”VOUT0,1733F川|FF图340没有经过预失真系统输出信弓频谱图塑均蛆啦蝗嘤JF，辛FFREQHZ图341经过预失真系统后输出信号频谱倒34本章小节本章酋先介绍了几种三阶模拟预失真技术的工作原理和技术特点，着霞分析了埏于二二极管反向平行对的三阶模拟预失真器基本原理，然后提出了种可以抑制驻留二阶交调分量的新型三阶扰动器。该扰动器通过一个二极管和电阻组成的反馈网络来平衡二阶扰动信号，本章理论推导了基一55第三章具有二阶交调抑制功能的三阶模拟预失真器研究本原理并仿真分析了其性能特点。对比带反馈电阻的二极管堆三阶扰动器，新型扰动器具有两个二阶交调分量最小压缩点，因此有更好的抑制特性。此外该新型扰动器调节方便，并可以构成自适应系统以适用不同的二极管对匹配情况。最后仿真研究结果表明，采用该三阶扰动器的预失真系统能有效抑制驻留二阶失真分量，并能取得46DB左右的三阶交调信号压缩性能。56第四章基于查找表技术的自适应基带预失真系统研究第四章基于查找表技术的自适应基带预失真系统研究基带预失真技术是指在通信系统的基带完成信号预失真，达到线性化功率放大器的一种技术。由于基带信号的频率较低，一般转换成数字信号进行处理，因此这种技术也称为自适应数字预失真技术。利用查找表技术实现的基带预失真系统具有功耗小、结构灵活和易于实现等优点，已逐步成为基带预失真系统的一共主要发展方向。近年来，随着高速数字信号处理器件DSP的飞速发展，该技术的正越来越受到学者的关注。本章41节介绍了几种基于查找表技术的自适应基带预失真系统，包括映射预失真技术、极坐标预失真技术和复增益预失真技术，分析了各自的工作原理和优缺点。42节着重研究了查找表预失真系统中的一项关键技术一表项索引技术，首先通过理论分析得出了达到最优表项分布的压缩函数，然后提出了一种用查找表实现非线性索引的表项索引技术，并给出了自适应改进算法。43节研究了预失真表表项刷新的算法，在分析几种经典算法的基础卜，提出了一种较快收敛的改进弦线法，分析了算法原理。44节的仿真研究表明本章提出的查找表索引技术和改进弦线算法是有效的。41基于查找表技术的基带预失真系统从原理上讲，同模拟预失真技术一样，基带预失真技术也是对输入信号进行预扰动，以达到线性化功率放大器的目的。但基带预失真技术一般往数字域内完成输入信号的预失真处理，这是同第三章采用模拟器件实现倾失真技术的本质区别。同模拟预失真技术相比，数字技术具有许多独特的优点，如功耗小、结果较紧凑、价格便宜、易于实现复杂算法等优点。近年来，随着高速数字信号处理器件的飞速发展，制约该技术发展的器件瓶颈正逐步得以解决。目日“该技术应用范围F从原来的窄带通信系统向宽带通信系统转变，并越来越受到广。大学者的重视，成为研究的热点。根据所采用的非线性射频功放的第四章基于查找表技术的自适应基带预失真系统研究模型不同，数字预失真器通常有多项式实现和查找表实现两种方式，本章所研究的是基于查找表技术的基带预失真系统，图4，L是这种预失真系统的原理框图。I璺|41自适应基带预失真系统基本框图由于该技术是通过对基带信号进行预扰动，而不是对非线性射频功放所要直接放大的射频信号进行处理，因此数字基带预失真技术无一例外的采用了自适应反馈技术。另一方面，高速数字信号处理器件可以方便地实现备种复杂算法，提高整个系统的自适应性能。411映射预失真技术1988年，BATEMAN等人提出了采用数字信号处理元件和查找表用曲线拟合的方法来实现自适应预失真器F73L，可以认为是基于查找表的基带预失真技术的起源。1989年NAGATA提出了一种具有历史意义的数字预失真技术174L，如图42所示，本文称为映射预失真技术。该技术的核心是通过两张维的预失真表，把输入信号的正交分量A，T和A，如映射成一组新的正交分量A，和A，盯，即D，F，口，F4111AORA，A心这样，只要假设系统没有记忆效应，后面传输过程中所产生的非线性失真都I，以被消除，包括非线性助率放大器所产生的失真。从本质上讲，该技术属于发射机系统的线性化技术，因为包括J下交调一58第四章基于查找表技术的自适应基带预失真系统研究制器的非线性、IQ输入端不匹配等引起的失真都可以被消除。该技术通过对输出采样信号的同步解调来得到反馈信号，因此系统性能非常依赖于F交解调器的特性，而解调单元的非线性不能通过该技术消除。剧42映射预失真技术基本框剧较慢的收敛速度是映射预失真技术的主要缺点，这主要因为采用该技术实现的预失真表的表项数目非常巨大。对于一对正交输入信号A，R和C“F，所需要的表项数目即所需要内存可用下式计算S，22“2R41。2卜式中S，是预失真表所需要的内存；N是系统分辨率，也就是数字量化精度。这样如果对于一个具有10比特分辨率的系统，则需要2220即两百J比特的内存，这是非常巨大的。一种解决方法是采用差值运算降低表项数目，但所增加了较大的差值运算量。412复增益预失真技术映射预失真技术的最大缺点是表项数目太多，导致较慢的收敛速度。如果把功率放大器所产生的非线性看成只与输入信号的幅度有关时，则呵以用维预失真表束实现预失真器功能，减少了表项的数目。1990年CAVERS提出了一种用较少表项实现的查找表预失真技术，称为复增益预失真技术I84】，如图43所示。该技术采用一张包含正交形式的一59第四章基于查找表技术的自适应基带预失真系统研究二维复增益查找表来实现预失真功能，所以称为复增益预失真技术。其基本原理是假设射频功放所产生的非线性只同输入信号的幅度有关，因此忽略了输入信号相位的影响，减少预失真表的数目。图43复增益预失真技术原理到输入基带信号的预失真扰动通过一个复数相乘单元完成。若输入信号V。，表示为正交方式即V。，A，弦D，同样预失真表中的复数增益表示为厂，JR,，则输出信号V。，可表示为”2”，。，413、A，弘所，0ALFIDOF11JAL，2NFL、F41I5可以表示图46所示的形式。图44复数乘法器单元框图一60一第四章基于查找表技术的自适应基带预失真系统研究413极坐标预失真技术极坐标预失真技术最先有FAULKNER等提出791，如图45所示。该技术采用两张分别包含增益和相位信息的一维预失真表来实现预失真功能，因此称为极坐标预失真技术。极坐标预失真技术是本章研究的重点，下面对其工作原理和性能特点做详细分析。图45极坐标预失真技术基本框图4131预失真调节原理微坐标预失真器的调节单元采用了极坐标串联校J下法，即认为预失真器输入V。，F和输出信号VDR的幅度和相位满足以下关系IVAT户F1V。圳F4141爿馏V。R厶VDTI卜式中，和F代表极坐标预失真的幅度和相位特性，这种结构同第一簟J蹲薯放大器极坐标非线性模型是一致的。对于输入信号VMF，通过计算可以得到输入信号的幅值，然后把该幅值信号作为增益和相位预失真表的索引信号，这样索引得到的增益值和所输入的信号相乘，完成LVDF卜厂，1V，F1功能。相乘后得到LV。F再作为第二张包含相位信息的预失真表索引信号，实现对输入信号的相位扰动，即完成爿馏V。，厶IV。FF功能，这就是极坐标预失真器的基本调节过程。因为整个预失真调节过程是在极坐标形式下完成，因此预失真表的每一61第四章基于查找表技术的自适应基带预失真系统研究个刷新步骤都需要对输入、输出信号进行坐标转换，所以同映射预失真技术相比咳技术需要较多的计算量。极坐标预失真器的自适应收敛过程是一个相乘的过程，这同映射预失真器相加的过程是不一样的，因此极坐标预失真器对输入信号相位信息不敏感，反馈环路中不需要相位调节单元。另一种极坐标形式的预失真调节器如图46所示，这种结构先把输入信号转变成极坐标形式，然后所有的预失真过程全部以极坐标的方式进行，最后再把预失真后的信号转换成正交形式的信号输出。其中幅度预失真有两种形式，一种形式在预失真表中存放幅度信息，另一种则存放增益信息。图46另一种形式的极坐标预失真调节器框图4132预失真表结构极坐标预失真器的预失真表一般有两种结构，串联结构和并联结构。F割43所示的是串联方式，在该方式下预失真器的输入信号1。，J和输出信LJV，F可表示为H，卢JV。，圳F415、ARGVF厶JVF5ARGV。F1符往并联方式下，输入信号和输出信号的关系可写为LVDT12，1V。，1R416ARGV。，