[硕士论文精品]rf功率放大器非线性及移动通信关键技术研究

浙江大学博士学位论文摘要第三代移动通信的实际应用及面向下一代移动通信的射频关键技术是目前移动通信领域的研究热点。本文主要研究了射频功率放大器的非线性建模和线性化关键技术、CDMA的相关关键技术等问题。针对射频功率放大器的非线性问题，本文创新提出了三种非记忆性模型基于SALEH函数的J下交带通模型模型A，将功率放大器的AMAM、AMPM失真特性转化为仅需考虑AMAM失真的I、Q两路正交信道；基于反正切函数的非线性模型模型B，通过引入四个参数，较好地描述了功率放大器的强非线性行为通过将模型B与正交带通模型相结合，得到的模型C改正了模型B不能处理功率放大器AMPM非线性的缺点，在三种模型中具有最好的性能。在功率放大器非线性模型研究的基础上，本文创新提出了两种适用于非记忆性系统的自适应预失真线性化算法，从理论上对各算法进行了分析和仿真验证。椭圆形自适应算法改善了预失真系统的线性度，并可较好地满足系统的实时性要求，在自适应预失真系统中优于牛顿法和梯度法；基于圆族工作函数的自适应预失真线性化算法能提高自适应收敛速度，在功率放大器的LDB压缩点附近改善尤其明显。基于CDMA技术或0FDM技术的移动通信都需要较宽的传输带宽，而基于功率放大器无记忆非线性模型的预失真器对宽带信号的IMD改善能力是有限的。在均匀时延预失真器的基础上，本文创新提出了按指数函数分布的非均匀时延预失真函数，对无、圯忆预失真器和非均匀时延预失真器的性能进行了比较，仿真结果表明该预失真器能较好地降低功率放大器的交调失真，可应用于宽带功率放大器的预失真模块中。此外，本文还研究了CDMA移动通信系统中长码状态的确定、成形滤波器的设计、基带系统精确相干解调等移动通信中的关键问题，创新提出了基于信号的二进制表征进行系统设计的基本思想和有特色的解决方案。通过适当增加硬件存储器，实现了CDMA系统长码状态的快速确定，极大地缩短了确定长浙江大学博士学位论文码状态所需的时间。通过建立适当大小的LUT表，成形滤波算法的运算量可降低两个数量级。通过将快速哈达码变换单元的时钟频率提高至N倍于复相关器的输出数据时钟，实现了N路信号分时共享哈达码变换单元。通过对数字通信系统与模拟通信系统间接口要求的分析，提出利用语音卡并设置二级录音、放音缓存的方法实现了数字通信网与公用电话网间的实时通信。这些研究成果均已在“高速CDMA基站演示系统”中得到了实际应用。本文还研究了CDMA2000系统中的功率控制技术，利用通信系统仿真软件SYSTEMVIEW建立了反向业务信道的闭环功率控制模型，分析了系统的抗干扰性能。最后，本文研究了OFDM系统中降低信号峰值均值功率比的部分传输技术，介绍了PTSOFDM系统中的三种相位因子搜索算法，通过不同参数的仿真实例比较了三种算法抑止OFDM信号PAPR的性能，指出了PTS技术普遍存在的问题；创新提出了在PTSOFDM系统中采用GOLD码序列传输辅助信息的新方案，从理论上论证了新方案的可行性，并使用MATLAB仿真软件对新方案和使用其他PTS算法的PTSOFDM系统进行了性能比较。关键词移动通信，功率放大器，非线性建模，预失真，码分多址，功率控制，正交频分复用，部分传输序列浙江大学博士学位论文ABSTRACTTHEKEYTECLMOLOGIESFORNEXTGENERADON锄DAPPLICATIOILSOF也E3RDGENERATIONMOBILECOMMUNICATIONILA_VEBEENMEHOTSPOTFORCUNNTMOBILECOMMUNICATIONRESE盯CHTHISMESISFOCUSESONSOMEKEYTECHNIQUESOFNONLINEARMODELINGANDLINEARIZATIONFORRFPOWERAMPLIFIERS，ANDONSOMEOTHERKEYTECHNIQUESABOUTCDMAMOBILECOMMUNIC砒IONAIMEDATRFHI曲POWER啪PLIFIERSNONLINEARCHAMCTERISTICS，TLLIS也ESISPRESENTSMRCEMEMORILESSMODELSTHESALEH如NCTIONBASEDORTHOGONALBANDP鹊SMODELMODELACONVENSTHEAMAMANDAMPMDISTOMONSTOT、OONHOGONALI粕DQCHANNELSTHATHAVEONLYAMAMDISTORTION；MEINVERSETANGEMF诚CTIONBASCDNONLINCARMODELMODELBDCSCRIBESHPASNOILLINEARITYBYFOWPAR锄ETERSWHOSEPHYSICALMEA血NGSAREOBVIOUS；COMBMEDMODELBMONHOGOLLALB龇LDPASSMODEL，MODELCCAILDEALWITHBOTLLTLLEAMAMAILDAMPMDISTORTIONS，ANDITGIVEST11EBESTPERFBRMANCEAMOILGT11ETILREEMODELSBASEDONTHEMODELRESEARCH，TLLIST11ESISPRESENTSTWONEWADAPTIVELINEARIZATIONALGORITHMSFORMEMORILESSPOWER锄PLIFIERTLLEORETICALA11ALYSISATLDEMULATIONAREALSOINCLUDEDELLIPSICAD8PTIVEALGO珊1INIMPROVES血ELINEARITYOF血EPREDISTORTEDNONLINEARPOWER柚PL访ERSYSTEMAILDMEETS也EREALMMEOPERATIONRCQUIREMEM；ITISABETTERCHOISETHENTHECLASSICNE、TONSMETLLODORME盯ADIENTMETLLODTHEADAPTIVE“GORIMMBASEDONCIRCLEWORKRMCTIONSPEEDSUPPARAMETERSCONVERGENCE，ANDITWORKSBETTERAROUNDTHE1DBCOMPRESSIONPOINTMOBILCCOMMUNICATIONSYSTEMUSINGCDMAOROFDMTCCHNIQUENEEDSABROADERBALLDWIDTHFORTRANSMISSION，BUTMEPREDISTORTERDESIGNEDACCORDINGTOPOWERAMPLIFIERSMEMORILESSNONLINEARMODELCANONLYIMPROVELEIMDINA1IMITRAILGEBASEDONTHELHLIFBRNLLYDISTRIBUTEDTIMEDELAYPREDISTONER，MIS也ESISPRESENTSANEXPONENTIALLYDISTRIBUTEDTIMEDCLAYPREDISTORTER，EMULATIONSHOWM砒MENEWPRCDISTONERCAFLDEPRESSSPOWER锄PLIFIER，SIMDDEEPER浙江火学博士学位论文SOMEKEYTECHNIQUESINCDMACOMMLLNICATIONSYSTEM，SUCHASTHEASCENAINMENTOFLONGCODESTATE，T11EDESIGNOFFO珊FILTER，THECOHERENTDEMODULATIONTECHNIQUE，AREALSOINCLUDEDIN也ISTHEGISRHENEWIDEAOFBINARYEXPANSIONANDSOMEUSEFULS01UTIONSAREOF话REDBYUSINGSOMEEX仃AMEMORYTOSTORESTATEP蝴ETERS，THETIMENEEDEDTOASCENAIN10NGCODES诅TEISGREANYS“ED；BYSEMNGUPAILAPPRECIATELUT，THENUMBCROFOPERATIONSFORFB瑚矗LTERCOULDBCTWOORDERSMALLER；BYMULTIPLYINGHADAMATRANSFOMERSTIMECLOCKTONTIMES也ECOMPLEXCORRELA幻RSOUTPUTDA诅CLOCK，ONEHAD枷ATRANSFONNERCOULDBESHAREDBYNSIGNALSINTIMEDIVISIONMODEA1LTHESETECHNIQUESAREREALIZEDIN1C“HIGHSPEEDCDMABTSDEMOSYSTEM”USING也ECOMMUNICATIONSIMLLLATIONTOOLSYSTEMVIEWBYEL卸IX，NLEREVERSECHAIMALCLOSELOOPPOWERCON打OLTECHNIQUE协CDMA2000SYSTEMISMODELED，ANDSYSTEMSANTQ蜘MINGABIL时ISSTLLDIED1HREEPHASEHCTORSEARCHINGA190RI。【HMSINPTSCFDMSYSTEMAREDISCUSSEDAILDEMULATEDANEWAPPROACHISO仃EREDINPTSOFDMSYSTEM，T11EAUILIARYINFOMATIONCANBEMODULATEDBYMEGOLDSEQUENCEFEASIBILITYOFT11ENEWAPPROACHISTHEORETICALLYDEMONS仃ATED，ATLDMATLABEMLLIATIONSHO、VSTHATTHENEWAPPROACHISACCE咖BLEKQ州ORDSMOBILECOMMUNICATION，POWEFAMPLI矗ER，NONLINEARITY，MODELINGPREDISTORTER，CDMA，POWERCONTR01，OFDM，PARTIALTRALLSMIMNGSERIES浙江大学博士学位论文插图索引卜毽“圩图21功率放大器三项特性参数的图解，图22功率放大器的非线性模型图23J下交带通模型图24MRFL9045的输入输出功率和增益图25MRFL9045的输入功率与输出相位图261支路分量的输入一输出电压关系图27Q支路分量的输入，输出电压关系图281支路分量的小信号输入一输出电压关系图29输入一输出电压图2。10I路的输入。输出电压图211Q路的输入。输出电压图31自适应预失真系统框图一、图32前馈放大器线性化的数学原理图33射频预失真的原理框图图34数字预失真的原理框图图35基带预失真原理图36比较器结构图图37三维抛物面图38误差信号图39功率放大器输出信号频谱图310平方根函数图图311圆函数工作结构图图312圆函数自适应预失真图碍，加儿“”圩“拇龙孔幻拍卯孔凹加强弛“页一一一一一一浙江大学博士学位论文图313图314图315图41图42图43图44图51图52图53图54图55图56图57图58图59图510图511图512图5，13图514图5，15图516图517图518图519图61图62圆函数递归收敛MADAB仿真T“6、R的自适应收敛曲线MRFL9125预失真前、后的增益曲线AM，AM和AMPM特性功率放大器的双载波仿真，频率间隔为100KHZ一10MHZ自适应MPPD方法一预失真后的输出频谱VIS一95中长码的MSRG实现、一三种算法的加法运算量125高预失真法3725低自适应预失真法10201015中包络重构法1520本文第二章研究了移动通信系统中射频功率放大器的非线性问题，主要内容和创新点为针对射频功率放大器的非线性问题，利用AGILENT公司开发的业界领先的射频仿真软件先进设计系统ADVANCEDDESIGNSYSTEMV2003C，ADS对功率放大器进行非线性建模，创新地提出了三种非记忆性模型基于SALEH函数的正交带通模型模型A，将功率放大器的幅一幅失真A“PUMDEA“PLINLDEDISTO埘ON，AMA岣、幅相失真AMPLITTLDEPHSEDISTORDON，AMP购失真特性转化为仅需考虑AMAM失真的I、Q两路正交信道，并在I、Q两路信道均采用SALEH函数描述信道的AMAM失真；基于反正切函数的非线性模型模型B，通过引入四个具有物理意义的参数，可比模型A更好地描述功率放大器的强非线性行为；基于反正切函数的正交带通模型模型C，它综台了模型A与模型B的特色，通过较少的参数取得了较高的精度，在三种模型中具有最好的性能。本文第三章研究了移动通信系统中射频功率放大器的非记忆性线性化技术，主要内容和创新点为浙江人学博十学位论文在功率放大器非线性模型研究的基础上，进一步提出了两种适用于非记忆性系统的自适应预失真线性化算法，从理论的角度对算法进行了分析和仿真验证。椭圆形自适应算法改善了预失真系统的线性度并且较好地满足了系统的实时性要求；基于圆族工作函数的自适应预失真线性化算法能提高自适应收敛速度，对于功率放大器的失真曲线的1DB压缩点附近改善尤其明显。本文第四章研究了移动通信系统中射频功率放大器的记忆性线性化技术，主要内容和创新点为基于功率放大器无记忆性非线性模型的预失真器对宽带信号的IMD改善能力非常有限，因此本文中采用指数函数来选择非均匀时延，创新地提出了种适用于记忆性系统的多项式预失真器，仿真表明该预失真器能较好地降低功率放大器的交调失真。本文第五章探讨了CDMA移动通信系统中的长码状态确定、成形滤波器的设计、基带系统精确相干解调等相关关键问题关键技术，主要内容和创新点为创新提出了基于信号的二进制表征进行系统设计的基本思想，深入分析了CDMA系统中的成形滤波器的二进制设计、精确相干解调、共享哈达码变换单元的方法、利用语音卡实现数字通信网与公用电话网间实时通信等问题，提出了具有特色的解决方案，并实际应用于“高速CDMA基站演示系统”中。本文第六章研究了CDMA移动通信系统中的功率控制技术，主要内容和创新点为深入研究了CDMA2000系统中的反向闭环功率控制技术，利用通信系统仿真软件SYSTCMVIEW，建立了反向业务信道的闭环功率控制模型，分析了系统的抗干扰性能。本文第七章研究了未来移动通信系统中降低射频信号峰值均值功率比的部分传输序列PTS技术，主要内容和创新点为在分析比较了现有的几种部分传输序列算法的基础上，对各算法的性能进5浙江大学博士学位论文行了仿真分析，指出了部分传输序列PANIALTRALLSMITTINGSERIES，PTS技术存在的问题，创新提出将00LD码与PTS技术相结合的新方法。仿真结果表明，使用GOLD码序列传输辅助信息的PTS0FDM系统性能与仅使用PTS迭代算法的PTSOFDM系统性能相比略有降低，但是系统负荷大大降低，且能有效地降低信号的PAPR值。14本章小节基于CDMA技术的移动通信系统是当前国际上的研究热点，而射频功率放大器的非线性特性对通信系统的性能有非常重要影响。本章首先介绍了国内外相关领域的研究现状，提出了以对功率放大器进行非线性建模和预失真线性化算法、技术为核心的研究方向，并对各章内容和主要创新点进行了总结。6浙江大学博士学位论文第二章射频功率放大器的非线性模型研究21RF功率放大器的常用非线性模型概述近年来，通信技术得到了迅猛的发展，无线通信频道也变得越来越拥挤。为在有限的频谱范围内提供更多的通信信道，要求采用频谱利用率高的传输技术。随着信息技术和微电子技术的发展，宽带扩频通信得到了广泛的应用。第三代移动通信所采用的CDMA2000、宽带码分多址WIDEBAILDCODEDIVISIONMULTIPLEACCESS，WCDMA、时分同步码分多址TINLEDIVISIONSYNCHRONIZECODEDIVISIONMULTIPLEACCESS，TDSCDMA技术及无线局域网WIRELESSLOCALAREANETWORK，WLAN所采用的0FDM调制技术均为宽带通信技术，射频信号不再具有恒定的包络而是有很高的峰值均值功率比PAPR【33，34】，使系统对射频功率放大器的线性度提出了非常高的要求例如功率放大器的三次互调产物要小于一60DBC，而为了提高工作效率，PA工作于非线性区，由此产生的交调失真IMD将导致频谱增生，恶化系统性能。因此功率放大器的线性校正成为整个系统工作性能的关键技术之一。由RF功率放大器非线性产生的失真分量对信号的影响主要有两方面。一方面是使信号的频谱展宽，产生带外辐射，对邻道产生干扰，降低信号质量，增加误码率。另一方面，当功率放大器同时有多载波工作或接收到脉冲信号时，由于非线性的作用而产生互调干扰又称互调噪声；在强干扰作用下，信噪比急剧恶化。因此，各相关通信协议都对RF功率放大器的带外发射电平和交调特性作出了严格规定。为避免RF功率放大器的上述非线性问题放大器应尽量工作于线性区。一般的方法是采用大功率放大器进行功率回退，使放大器工作在线性放大区。在这种情况下，电源利用率般仅为1R5左右，而且大功率器件只能输出很小的有效功率，其本身潜力不能充分发挥，造成整机成本的提高。根据I心功率放大器的特性，为获得较高的工作效率和减少直流功耗，放大器应靠近饱和区工作。因此，RF功率放大器的线性特性与工作效率及直流功耗间是一对矛盾。为了解决这个矛盾，通常是采用线性化技术，即采用适当的外围电路，对7浙江大学博士学位论文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线性放大效果。近十多年来，一些线性化方法发展较为迅速，并已经成功地进入实用化阶段。如J下向前馈补偿方案和射频预失真方案。但是这些方案都存在一定的局限性。211RF功率放大器的非饯性描述功率放大器的非线性有如下两类由于器件的频率非线性特性引起的“频率一幅度”和“频率相位”失真。信号的不同频率分量通过功率放大器时有不同的幅度增益和相位延迟，从而在输出端合成有别于原信号的输出信号。这种失真并没有导致额外频率的产生，对数字通信系统的影响不大。由于功率放大器芯片的增益非线性引起的幅度、相位失真，即AMAM失真和AMPM失真。该类失真造成的三阶互调产物若达到一定的强度一般指大于60DBC，便会给接收端造成明显的干扰。因此发射端功率放大器的线性化F是整个通信系统性能良好的关键35】。212RF功率放大器的非线性特性参数射频功率放大器的非线性特性参数主要有如下三个【36P。1DB压缩点。当功率放大器的增益偏离常数或比其小信号增益低1DB时，此点就称为1DB压缩点。1DB压缩点常用来衡量放大器的功率容量。IMD交调失真来源于两个频差不大的未调制谐波信号输入到放大器所产生的相应输出，它通常定义为输出端口有用功率与无用功率单位为DBM之差。LE三阶交调点。功率放大器的三阶交调点IP3数学上定义为，只船所U砌塑竺21式中R。，为单音信号的输出功率，ZFD3为N。与输出交调信号功率JP脚之差值。任一器件的IP3是由其本身的非线性所决定的一个常数，它非常简洁地定一R一浙江大学博士学位论文量地刻画了器件的线性度，与输入信号的大小、器件本身的增益没有任何关系。IP3的测量通常采用双音技【37术。上述三个特性参数关系如图21所示。图21功率放大器三项特性参数的图解213RF功率放大器的非线性模型和分析方法要对功率放大器进行线性化，必须建立正确的放大器非线性数学模型。目前常用的模型有TAYLOR级数【34，38】、V01TE仃A级数【33，39】、SALEH函数【40】、广义幂级数【41，42等，各种模型各有优缺点。2131RF功率放大器非线性的经典模型对于无记忆的功率放大器，常采用图22所示的非线性模型，用一个复函数以，来描述它的复增益【43，44，E“P22式中，为输入信号的幅度，矗，、妒，都是实函数，其中R描述了放大器的幅度非线性即AMAM变换，妒，描述了放大器的相位非线性即AMPM变换。关于功率放大器的各种模型，基本上都是体现在_LR、PR的不同表达式上。TAYLOR级数是其中最简单的一种，其表达式为浙江大学博士学位论文V。F吼VF230式中巩是常系数。用TAYLOR级数描述功率放大器的非线性物理含义比较明确，下标女指明了谐波阶次，增加谐波项数可有效提高模型的数度。但1AYLOR级数模型仅描述了功率放大器的AMAM失真特性，不能体现出AMPM失真。竺幽止咂，COS陋口，G，】|掣业坐嘘除TAYLOR级数模型外，有两种常用的模型行波管放大器TMVELINGWAVETUBEAMPLMER，TWTA模型和固态功率放大器SOLIDSTATEPOWERAMPLI丘ER，SSPA模型9，45】。TWTA模型又有两种主要的表现形式，一种是BESSEL级数展开形式【46】，其数学表达式如式23，另种称为SALEH模型40，其数学表达式如式24。，RE7杰叫胁矧但。3卅01月厂，矗RPJ舯垡，竺24L肆R21屈R2SALEH模型的幅度函数具有与式24相似的形式，坶2带25从式23、式24、式25可见，BESSEL级数展开形式比SALEH模型要复杂得多。SALEH模型形式非常简洁，但各阶失真不直观，仅适合于描述准线性放大器，不适合高非线性放大器。文献【47】比较系统地分析了SSPA模型，但SSPA模型只描述了增益的非线性48】，本文不作深入讨论。浙江大学博士学位论文2132RF功率放大器非线性的系统函数模型VOHERRA级数亦可描述RF功率放大器的非线性行为，它同时包含了功率放大器的记忆效应【41，49。VOLTENA级数模型虽然可对各阶失真分量分别处理，但计算高阶VOLTCA核非常困难50，5L】。广义幂级数法与VOLTERRA级数相类似，它可以处理强非线性系统，但其相关系数不容易通过测量数据来得到【41，52】。2133原有模型的局限性现有的模型孤立地只考虑输入信号的幅度对输出信号的非线性影响，但由于现阶段高速数据通信采用了宽带调制技术，功率放大器的输入信号具有一定的带宽，因此原有的模型都需要进行修正。22基于SAI恩H函数的正交带通模型一模型A221RF功率放大器的正交非线性带通模型本节创新提出采用SALEH函数建立功率放大器的正交非线性带通模型，它用比较少的参数就能比较准确地同时反映功率放大器的MAM、AMPM失真特性，具有显著特色【53】。功率放大器的正交带通模型如图2，3所示54】。正交带通模型的核心思想是，根据功率放大器的非线性AMAM、AMPM特性，引入I、Q两路正交分量，将输出信号表示成两个不存在相位失真而只存在幅度非线性的正交并行信道，然后两个通道都用奇数阶幂级数进行拟合，从而同时体现出放大器的幅度、相位非线性。此模型既具有TAYLOR级数放大器模型简单、直观的优点，又能根据测量数据准确快速地构建出放大器的AMAM、AMPM失真特性。图2_3正交带通模型设输入信号V。，RFCOS陋口F1，则输出失真信号可展开为浙江大学博士学位论文KO卜蕊墨篇盏篇晶协S，一矗，SIN【GR】SINK彳臼RJ、令2。08【G，127LQRRSIN【GRM。于是有佰丽石丽划鬻Q罐如果图23中H】、研】均取奇数阶幂级数，即将R和Q，同时展开成二J2口，T7口，3卜口，S5JZ。【QR口口L，D口3R35，5。就可以同时体现放大器的幅度和相位非线性。为了获得好的效果，需要采用比较高阶次的幂级数，因此基于幂级数的正交带通模型比较适合于理论分析。本节采用SALEH模型作为正交带通模型中的研】、G【】函数，其数学表达式见式24。由于正交带通模型只需要幅度失真模型，因此只取SALEH模型的幅度部分，即式21O形式简单，只需要四个参数就能比较好地逼近实测数据，但各阶失真不直观。222RF功率放大器带通模型的仿真和分析图24、图25是飞思卡尔公司的RF功率放大器MRFL9045的输入输出功率及增益关系曲线、输出相位曲线。从中可见，当输入信号功率大于15DBM时放大器表现出明显的幅度非线性。从图24、图25并根据式27可得到正交的I、Q支路分量，分别如图26、图27所示。，12。皇W埘浙江大学博士学位论文P0W目0FINPUTSI印AL皿M图24MRFL9045的输入一输出功率和增益P0WER吖INPUTSJ辨MDBM图25MRFL9045的输入功率与输出相位从图26、图27可见，SALEH模型都具有比较好的逼近精度。对于1支路分量，当输入信号比较小时SALEH模型最接近原始数据曲线，而且在整个输入信号范围内SALEH模型的拟合标准偏差为283，而三阶、五阶多项式逼近的标准偏差分别为536、349。对于O支路分量，三阶、五阶多项式和SALEH模型三种拟合方法的标准偏差分别为103、O40和O62。可见，SALEH模型仅通过两项系数就取得了接近甚至超过五阶多项式的拟合效果。浙江大学博士学位论文虽然基于SALEH模型的正交带通模型得到了比较好的结果，但从图26可见，当输入信号比较大时，SALEH模型的拟合结果仍与原始数据间有比较大的误差。因此，对于同一组原始数据，仅取其中输入信号电压比较小的一部分数据时，得到如图28所示的拟合结果。此时，三阶、五阶多项式和SALEH模型三种拟合方法的标准偏差分别为O34、O07和014。可见，SALEH模型与五阶多项式的拟合结果相近，明显优于三阶多项式的拟合结果。14兮蚓脚驴姬号J婢。日脚心逛丑辞口I输入信号电压V图261支路分量的输入一输出电压关系Q输入信号电压V图27Q支路分量的输入一输出电压关系浙江大学博士学位论文兮出脚心地葛僻I输入信号电压V图281支路分量的小信号输入输出电压关系223结论本节通过对采用幂级数的功率放大器正交带通模型的分析，提出了基于SALEH模型的改进型功率放大器正交带通模型。分析表明，基于SALEH模型的改进型功率放大器正交模型采用两项系数取得了比基于三阶多项式的正交带通模型更好的逼近效果，对于不同的输入信号动态范围，其精度接近甚至优于基于五阶多项式的正交带通模型的拟合精度。基于SALEH模型的正交带通模型继承了SALEH模型简洁的优点，又克服了SALEH模型只具有AMAM失真、而缺少AMPM失真的缺点。23基于反正切函数的非线性模型模型B对所有功率放大器而言，当输入信号的幅度增加时，输出信号的幅度将趋向饱和值。然而，在前文介绍过的几种模型中，TAYLOR级数模型单调增长，SALEH模型到达最大值后单调下降，VOLTE玎A级数模型也不趋向饱和。所以，上述三种模型都不适用于强非线性场合。对于反正切函数YARCTALLZ，当自变量X比较小时Y“H，而当自变量X比较大时Y一万2。根据从实际的功率放大器的输入一输出信号的测量数据分析，作者创新地提出了基于反正切函数的非线性模型，模型中的四个参数都有明确的物理意义。浙江夫学博士学位论文231反正切函数非线性模型的数学表示基于反正切函数的非线性模型其表达式为55】圪。三KARCTANK】巧211玎式中，、。，分别是输入、输出信号的幅度，N，K，是模型中的四个待定参数。式211中，显而易见，非零的将一。曲线左右平移，非零的翰将K。一K。曲线垂直平移，K值决定了输出电压的动态范围，而N则决定了K。圪。曲线的变化速率。由于式211不是一个线性方程，因此未能根据最小均方差法LMSE给出四个待定参数、K、乃最优值的数学表示。在理想情形下，、怕的最优值均为零，而B的最优值应接近于功率放大器的饱和输出电压，。因此，可以将K，呦组合以，0，0为中心进行枚举并根据最小均方差准则求出D和K的最优值。232仿真结果与分析飞思卡尔公司的RF功率放大器MRFL9045的输入输出功率及增益关系曲线、输出相位曲线见图24和图25。由图24和式210可得到MRFL9045的输入输出电压关系，如图29所示。作为比较，三阶、五阶TAYLOR级数和SALEH函数法的结果也示于图中。表31给出了上述几种方法的系数和标准偏差。的数据。从图29可见，基于反正切函数的新模型最逼近于实心点的测量数据。表31表明，反正切函数模型中和的最佳值确如预期的零值，因此式21O中其实只有两项参数Q和K，且反正切函数模型的标准偏差。在四种模型中最小。对于弱非线性或小信号非线性，反正切函数模型也给出最佳逼近。其它型号功率放大器的测量数据也同样表明模型B具有比三阶、五阶TAYLOR级数和SALEH函数模型更好的逼近性能。233结论通过分析不同功率放大器的输入输出信号功率测量数据，作者提出了基于反正切函数的功率放大器AMAM非线性模型。与传统的TAYLOR级数模型或SALEH函数模型相比，通过两个参数A和K，新模型能更好的地描述功率放大浙江大学博士学位论文器的AM。AM强非线性。G坦脚心坦丑螺输入信号电压伏图29输入输出电压表21电压逼近的最佳参数参数数值三阶TAYLOF级数矾4913堡O3561口7489SALEH函数日203810。2A1679，17。浙江大学博七学位论文VDO00024基于反正切函数的正交带通模型一模型C241基于反正切函数正交带通模型的数学表示根据23节的结果，式211可以简化为匕。二以盯CTAN如2_12以但式F212只描述了功率放大器的AMAM非线性。因此，综合模型A和模型B的特性，如用式212取代图23中的H】、G函数，则构成了基于反正切函数的正交带通模型，即模型C可表示为【56，57】J，三ARCTAIL缸，鼍2一13；9，吾K。”CTAN，242仿真结果和分析飞思卡尔公司的RF功率放大器MRFL9045的输入输出功率及增益关系曲线、输出相位曲线见图24和图25。根据图24、图25和式27可得到正交的I、Q分量，它们被三阶、五阶TAYLOR级数或模型A、模型C逼近的结果分别示于图2一LO和图211。表22给出了四种逼近方式的参数值和标准偏差A。通过两个参数A和，模型A具有与五阶TAYIOR级数相近的性能，而模型C也只采用了两个参数D和K，但具有最好的逼近精度。243结论通过深入分析功率放大器输入输出功率的测量数据和基于TAYLOR级数的非线性正交带通模型，本节提出了基于反正切函数的正交带通新模型。仿真结果表明，将功率放大器的非线性特性转换成I、Q两路后，通过两参数D和K，模型C可同时描述功率放大器的AMAM和AMPM非线性，具有很好的性能。浙江大学博士学位论文琶出脚心地习簿瀣I路输入信号电压伏图210I路的输入一输出电压图211Q路的输入输出电压25本章小结本章创新地提出了三种新的非线性模型，并对各模型进行了性能分析，具体结论如下基于SALEH函数的F交带通模型A通过四个参数可得到相当于五级TAYLOR级数六个参数的性能，但各参数的物理意义不明确；浙江大学博十学位论文表22I、Q两路逼近的相关参数五阶TA“OR级数见64618681以一747410一353710曼II竺参数Q和K，基于反正切函数的非线性模型B各参数有明确的物理意义，而且误差小，但目前未能给出各参数最优值的数学表示，而且该模型只能描述功率放大器的AMAM非线性；基于反正切函数的正交带通模型C具有很高的精度，而且它可同时反映功率放大器的AMAM非线性和AMPM非线性，具有很好的应用价值。浙江大学博士学位论文第三章射频功率放大器的非记忆性线性化技术研究31引言为了符合IMT2000对频谱泄捅的严格要求，第三代通信系统和下一代宽带数字通信系统中的功率放大器必须高度线性化。目前用来解决功率放大器非线性的常崩技术有有源偏置；该技术因为功率的回退而减少了功率效率，对大功率的功率放大器设计来说是不适合的。但近年已有单片集成的有源偏置功率放大器通过并联方式实现较高的功率增加效率【58，59】。前馈前馈技术需要对功率放大器的非线性特性有相当的了解，它通过两个闭环回路，分别抵消掉一部分有用信号和全部失真信号，最后使输出只有有用信号而达到线性，但要用到两个完全一样的放大器，结构设计复杂，系统的稳定性很难保证，一般4I容易实现，而且功率放大器的功率效率也不高【60，611；笛卡尔反馈笛尔反馈环技术并不复杂，但带宽仪有几百千赫F62；L阱CLINC技术需要有大量的非线性器件来补偿功率放大器的非线性，系统比较复杂，而且系统特性对器件参数漂移很敏感62，63；预失真预失真技术是在输入信号与大功率放大器之间插入一个非线性模块，当信号经过预失真器之后，输出的频谱中也有多价互调分量，只是这些互调分量的相位刚好与原信号通过非线性功率放大器之后的互调产物相位相反，于是在功率放大器的输出端就能够得到线性放大的信号111。预失真又可以分为射频预失真和数字基带预失真两类【25】。射频预失真是对射频信号利用模拟技术进行处理【641；数字基带预失真是通过把传输的射频信号的基带包络信号预失真，采用较高采样速率的ADC和DAC，然后在用DSP进行处理和提供更高的线性度【62】。一般而言，出于器件存在时漂、温漂、器件老化等问题，预失真线性化功率放大器必须采用自适应技术，使得线性化器能随着外界因素的变化而跟着改率放大器必须采用自适应技术，使得线性化器能随着外界因素的变化而跟着改浙江大学博士学位论文变，保证功率放大器的线性度。自适应预失真系统原理如图31所示65】，主要包括以下几个部分复增益调整模块用于将输入信号和预失真函数相乘，以得到与功率放大器相反的特性。自适应控制模块包括工作函数、参数优化、滤波器等部分，根据输入信号和反馈信号及自适应算法产生对复增益调整模块的控制信号，有正交I、Q调节和极矢调节等方法。功率放大模块即功率放大器，对射频信号进行放大。功放图31自适应预失真系统框图LPA的自适应控制方法主要有导频插入法【17，66】、功率最小化法【64】和梯度信号自适应法62，64】等几种。311前馈线性化的原理及特性分析前馈线性化的思想非常简单，就是通过两个环路的减法使交调信号被抵消，从而达到提高功率放大器线性度的目的【6L】。前馈线性化的模型框图如图32所示，图中V。F、V。0分别是输入、输出信号，V“0、V。F分别是主功率放大器的放大信号、误差信号。图32中功率放大器前的衰减器和调相器是以极坐标的方式对射频信号进行调节，实际电路也可以I信号和Q信号的方式对射频信号进行调节。主功率放大器所在环路的目的是将原始射频信号消除，让误差信号进入辅助放大器，放大后的误差信号与主放大器的输出信号再次相减，得到原始射频信号的放大信号输出到后级天线。由于前馈LPA中采用了两个功率放大器管，而功率放大器管价格昂贵，故一22浙江大学博士学位论文相对于其它线性化技术而言，前馈LPA成本更高；但它消除误差信号的基本思想也提供了大的带宽和较强的线性化能力。为了使前馈LPA在变化的环境中能保持高线性，还可以设计温度补偿电路等辅助控制电路【61】。图32中，放大器的最终输出信号为V。RKR一伊。F31其中节点旺的主功率放大器的放大信号和误差环路的误差信号分别为V。，V，F”DF32K，K，一倒，33图32前馈放大器线性化的数学原理式中咖为主功率放大器的放大倍数，颤O是主功率放大器产生的非线性谐波信号。对前馈放大器，总的交调失真改善量以DB为单位可表示为23，67】疗GZW一10LO圳L10710一210720COS妒I34式中G为主、从支路信号的幅度差，P为主、从支路信号的相位差。由式34可得，当GO25DB或币2。时交调失真改善量限制在30DB以内。因此，要获得大的交调失真改善量对G和中都有非常高的要求。312预失真线性化的原理及特性分析预失真线性化的原理如图33所示，预失真线性化的思想非常简单在输入信号与功率放大器之间插入一个非线性模块，使非线性模块与功率放大器的非线性产物互相抵消，从而获得输入信号的线性放大。根据非线性模块所处位置的不同，可以再将预失真放大器分成射频预失真放大器和数字预失真放大器两种类型。射频预失真放大器电路相对简单，带宽适中。数字预失真放大器更复杂，它需要将输入的基带模拟信号经ADC后进行数字处理，再经过DAC将一23浙江大学博士学位论文预失真后的基带信号送至调制模块。数字预失真放大器能提供更好的交调抑制，但受DSP运算速度的限制，带宽更窄。不论采用何种类型，由于线性校正在功率放大器之前，此时的插入损耗还不重要，所以对功率放大器的影响都比较小64】。图33射频预失真的原理框图射频预失真的自适应技术除前述功率最小化法和梯度信号法外，还有工作函数法WORKFULLCTION【64，68】和查表LUT法【69，701，其中LUT法是目前预失真技术的主要方法。所谓工作函数法，就是用输入信号包络的函数来产生非线性的成分，且此非线性与功率放大器的非线性是互逆的，从而使功率放大器的输出为输入信号的线性放大。该工作函数可以有两种方式极坐标方式或正交坐标方式。设P为输入信号包络的平方，则正交坐标方式的二阶工作函数可表示为F协1口LP口2P2，【L6LPP。】35式中实参数日L、口2、6I、62可根据实际情况进行调节。数字预失真放大器比射频预失真放大器更复杂，它需要将输入的基带信号进行数字处理，再经DAC将预失真后的基带信号送至调制模块，对基带信号的处理又需要根据功率放大器输出射频信号的解调信号进行动态的调节，形成一个闭环控制回路。其原理框图见图3462。数字预失真技术有一般有三种实现方法复矢量映射查表，复增益查表，笛卡尔反馈。常规的梯度信号法也可用于数字预失真技术中。复矢量映射查表法和复增益查表可以说是一致的，只是表现方式不一而已。设预失真器的输入信号和输出信号分别为VJ，、0，则24。尹一跫O。仑蛩蓦冒QR_J浙江大学博士学位论文图34数字预失真的原理框图复矢量映射查表法V。，V，R叱F36复增益查表法V。RV，FV。，37对于复矢量映射查表法，表中存储的是与输入信号有关的误差信号K0的幅度和相位。对于复增益查表法，表中存储的则是与输入信号有关的增益V。，的幅度和相位。查表法的自适应控制不一定比工作函数法简单，但目前未见任何文献介绍对表格中数据的更新方法。32基于预失真技术的椭圆形自适应算法321自适应预失真系统在自适应预失真技术中，由于要考虑到系统的实时性，在一些文献中提出了牛顿法与梯度法来收敛【71】，这两种方法都要用到迭代，且每次迭代时都需要对梯度进行估值，大大增加了计算量，影响了系统的实时性。本节讨论利用DSP处理自适应算法，用椭圆函数逼近功率放大器的非线性AMAM曲线，可迅速确定收敛点，运算量小，系统的实时性好。已调制的信号可表示为双O黧掣渺；N，3SXCOSF一FSIN，”。其中信号的包络为量，王，X，豇。，3925浙江大学博士学位论文X，和勃，分别是同相和正交的信号，它们可表示为FX，FR，FCOSB，】1砀RR，SINHR】BF和仇R分别为信号的振幅和相位，在某一时刻信号的振幅可表示为RXX；相位表示为FX，1舻眦协NI言J3一LO311312通过比较输入信号X，、殛与功率放大器输出信号的大小，可确定失真信号的大小，然后根据LUT表调整预失真器。比较与查询LUT表都在DSP中完成，整个过程如图35所示。撷失真器图35基带预失真原理322椭圆形自适应算法首先建立椭圆的模型，通过找椭圆的中心点来求出抛物面的收敛点，即椭圆中心点在水平面上的投影为收敛点。浙江大学博士学位论文3221建立椭圆模型图35中，比较器对I、O两路信号的大小进行比较，可得到失真信号的振幅和相位大小。比较器的内部结构见图36。图36中，XI和XO是输入信号的耦台分量，YI和YB是功率放大器输出信号的耦合分量。衰减的大小等于功率放大器的放大倍数；系数WL和W2对信号进行加权处理；IQP完成由平面正交坐标到极坐标的转换。即根据式311和式312，式39可转换为极坐标形式图36比较器结构图I，月FE川313在进行转换之前必须先要找到失真信号的I、Q值，即找出相应的嘲和的值，然后根据转换后的凡、伊去查询LUT表。令XKX嚏X曲K，0、Q矽，1，315K，】K7，316上三式中为离散时间指标，则T时刻的误差值为吼以一矽317则误差平方后在七时刻的数学期望为F委而一莉B18工矽7K曙形一2曙、其中数学期望为“专酗3。19浙江犬学博士学位论文为取样点数。展开式318可得_。_一一一善磁眸L荔矿嘭2场艄一2墨嘶一巩强320从式318可见，是权向量矽的二次函数，式320中I和阡I以一次或二次幂出现，若以E为纵轴，和为两个水平轴，则式320为三维空间，吉中正定的向下凸的曲面。若取L为一常数善。，则式320成为阢、的椭圆方程，即平行于D啊水平面以参为等高线的椭圆，如图37所不。图37三维抛物面3222求收敛点在式320的椭圆中一【，点矿，略上，必有筹豢OPZ，A科A孵。而且点缈川，时恰为曲面的极小值点在D啊平面上的投影。将式320代入式321，得解方程组322，得蔫瑶瓯嘭一丽O嘉瓦M弦吩瓯。之2浙江大学博士学位论文从上述推导可见，通过椭圆的中心点来确定收敛点比梯度法的求运算量小得多，从而大大提高了收敛速度。323仿真结果与分析基于以上的分析，利用ADS对椭圆自适应算法进行了仿真验证并与牛顿法进行了比较。两种方法收敛的速度由其误差信号来反映。仿真中采用加了热噪声的LKHZ的正弦信号。图3_8是信号经椭圆自适应算法后得到的误差信号。系统开始时由于振幅和相位的调整变化比较大，误差信号也就比较大，随着时间延长误差信号快速收敛到零。由于椭圆形算法没有迭代运算，经过一次运算就可找到收敛点，节省了大量时间，提高了系统的实时性。MEG一HENZJ_LJLJ。Y一1R1R1R001，0E420E43OE司图38误差信号图39A是信号直接经过非线性功率放大器的频谱；图39B是应用了椭圆形自适应算法的非线性功率放大器输出信号频谱。图39表明椭圆形自适应算法可以显著改善功率放大器的线性度。29亘堕塑壤一一硼一一一哪鐾糍幅伸5O占怡浙江大学博士学位论文60LO一50一衄叫岫U山UI“IUJJ一100一”。R叩”11”呵R。1T”1324结论。旦1OE420E43OE440E450E4A未经校正LK一IIJ；1。I1。L。L。L。O010E42OE430E440E45OE460E4B经椭圆法自适应校正图39功率放大器输出信号频谱针对自适应预失真技术，提出了椭圆形自适应算法，给出了分析和仿真结果，并与梯度法进行了比较。理论分析与仿真证明，椭圆形自适应算法能改善预失