[硕士论文精品]宽带功率放大器预失真技术的研究

北京邮电人学博上论文摘要宽带功率放大器预失真技术的研究摘要为了更好的利用有限的频谱资源，频谱利用率较高的调制方式如MQAM和传输技术如OFDM，WCDMA得到了广泛应用。这些调制方式和传输技术有着共同的特点，即信号的包络波动大、峰均比高、经非线性射频功率放大器放大后会产生严重失真。这些失真在频带内表现为系统误码率的升高，在频带外则表现为对邻近信道的干扰。为了使功率放大器PA，POWERAMPLIFIER保持高线性度、高效率工作，就必须对功率放大器进行线性化。在众多的线性化技术中，预失真技术以其实现复杂度低、稳定性高、带宽宽、线性化性能好等特点，成为目前功率放大器线性化技术中最具发展潜力的技术。随着无线通信的发展，数据速率不断提高，功率放大器输入信号的带宽也随之增大，这就使得记忆效应对功率放大器性能的影响越来越大。本文即针对功率放大器的有记忆预失真技术进行了深入研究，内容涉及预失真系统结构、功率放大器的行为模型、有记忆功率放大器的预失真方法、预失真器非线性阶数和记忆深度的确定方法以及线性化增益的确定方法等方面，主要创新工作体现在以下四个方面1在对现有的预失真系统的实现方式和学习结构进行比较分析的基础上，提出了单反馈和双反馈两种离线学习结构。双反馈离线学习结构具有两条反馈回路，可通过反馈数据直接求得预失真系数。同时，采用离线处理，降低了系统的实时性要求和实现复杂度。单反馈离线学习结构是对双反馈离线学习结构的改进，减少了一条反馈回路，降低了实现成本和系统复杂度。提出的两种离线学习结构可适用于多种预失真系统。2对目前现有的功率放大器行为模型进行了研究，在此基础上，提出了动态记忆多项式预失真算法与传统记忆多项式预失真相比，该算法可在保证线性化性能的同时，有效降低预失真系数数量最高达65以上。算法的鲁棒性和有效性通过仿真分析和实际测试进行了验证。实验结果显示，动态记忆多项式预失真与传统记忆多项式预失真的ACPR性能相差不超过O5DB，但系数数量却减少了467。M北京邮电人学博士论文摘要3将按阶递推最小二乘算法理论推广到复数应用，并将其用于确定预失真器非线性阶数K和记忆深度Q，提出了KQ按阶递推确定算法。该算法可在PA特性未知的情况下，有效估计对应的预失真器的非线性阶数K和记忆深度Q。这就使得预失真器可根据被线性化的PA特性的不同而自适应调整自身参数，从而保证了预失真系统的线性化性能，也使预失真器更加智能和通用。在算法的计算过程中，不需要进行矩阵的求逆运算，计算复杂度低。最后，仿真和试验验证了算法的正确性和有效性。4提出可调增益预失真算法，同时给出了期望增益的调整范围和最优增益的确定方法。该算法可通过改变预失真算法的期望线性增益来改变功率放大器增益，从而实现功率放大器的增益可调。此外，当PA的输入信号较大时，还可以通过降低期望线性增益来提高预失真系统的线性化性能。算法的可行性和有效性通过仿真和实验进行了验证。关键词功率放大器线性化预失真记忆效应记忆多项式W北京邮电人学博士论文RESEARCHONTHEPREDISTOIULIONTECHNOLOGYOFWIDEBANDPO咂RAMPL环正RSABSTRACTTHEDEMANDOFHIGHERSPECTRALEFFICIENCYFORCESWIRELESSCOMMUNICATIONSYSTEMSEMPLOYINGMODULATIONANDTRANSMISSIONSCHEMESWHICHHAVEHIGHSPECTRUMEFFICIENCYSUCHASMQAM，OFDM，WCDMAETCTHESIGNALSOFTHESESCHEMESHAVETHESAMEFEATURESINCLUDINGHIGHENVELOPFLUCTUATINGANDHIGHPEAKTOAVERAGERATIOWHENTHESESIGNALSPASSTHROUGHPAS，THENONLINEARITIESOFPASCAUSEBOTHADISTORTIONOFTHESIGNALANDALLINCREASEDOUTOFBANDOUTPUTSPECTRUM，WHICHLEADSTOARISEINBITERRORRATEANDADJACENTCHANNELINTERFERENCETOOBTAINHIGHEFFICIENCYANDAVOIDSEVEREDISTORTIONCAUSEDBYPANONLINEARITIES，ALINEARIZATIONTECHNIQUEISREQUIREDAMONGLINEARIZATIONTECHNIQUESOFPAS，PREDISTORTIONTECHNOLOGYATTRACTSMOREATTENTIONSDUETOITSLOWCOMPLEXITY,HIGHSTABILITY，WIDEBANDWIDTHANDGOODPERFORMANCEWITHTHEDEVELOPMENTOFTHEWIRELESSCOMMUNICATIONS，THEDATARATEINCREASESCONTINUALLY,WHICHLEADSTOTHEINCREASEOFBANDWIDTHOFPASFORWIDERBANDWIDTHAPPLICATIONS，PAMEMORYEFFECTSCALLNOLONGERBEIGNOREDTHISPAPERCONDUCTADEEPLYRESEARCHONTHEPREDISTORTIONTECHNOLOGYWITHMEMORYTHERESEARCHINCLUDESSTRUCTUREOFPREDISTORTIONSYSTEM，THEBEHAVIORALMODELSOFPAS，PREDISTORTIONTECHNOLOGYFORPASWITHMEMORY,THEDETERMINATIONMETHODOFTHENONLINEARITYORDERKTHEMEMORYORDERQ，ANDEXPECTEDLINEARGAINETCFOLLOWINGFOURASPECTSAREORIGINALITYINNOVATIONDISCOVERIES1THESINGLEFEEDBACKPATHOTTLINELEARNINGSTRUCTUREANDTWOFEEDBACKPATHOFFLINELEAMINGSTRUCTUREAREPROPOSEDBASEDONTHERESEARCHOFPREDISTORTIONSTRUCTUREINTHETWOFEEDBACKPATHV北京邮电大学博士论文ABSTRACTOFFLINELEARNINGSTRUCTURE，THEPARAMETERSOFTHEPREDISTORTERCALLBEDIRECTLYEXTRACTEDFROMALL0MINESYSTEMIDENTIFICATIONPROCESSTHISELIMINATESTHEUSUALREQUIREMENTFORACLOSED100PREALTIMEPARAMETERADAPTATION，WHICHDRAMATICALLYREDUCESTHEIMPLEMENTATIONCOMPLEXITYOFTHESYSTEMTWOFEEDBACKPATH0朋INELEARNINGSTRUCTUREINCREASESTHECOSTOFTHEHARDWAREDUETOTHEADDITIONALFEEDBACKPATHTOSOLVETHISPROBLEMASINGLEFEEDBACKPATHOFFLINELEARNINGSTRUCTUREISPROPOSEDBOTHOFTHEPROPOSEDLEARNINGSTRUCTURESARESUITABLEFORSEVERALIMPLEMENTATIONSTRUCTURES一一厶ADYNAMICMEMORYPOLYNOMIALPREDISTORTIONALGORITHMISPRESENTEDBASEDONTHERESEARCHOFTHEBEHAVIORALMODELSOFPASCOMPAREDWITHTHETRADITIONALMEMORYPOLYNOMIALPREDISTORTER,THEDYNAMICMEMORYPOLYNOMIALDMPPREDISTORTERCALLREDUCETHENUMBEROFTHECOE伍CIENTSEFFICIENTLYUPTO65WITHOUTDECREASINGTHELINEARIZATIONPERFORMANCESIMULATIONSRESULTSSHOWTHATTHEPROPOSEDDMPPREDISTORTERISROBUSTANDPERFORMSWELLEXPERIMENTALRESULTSSHOWTHATACPRACHIEVEDBYTHEDMPPREDISTORTERISALMOSTTHESAMEASTHATACHIEVEDBYTHETRADITIONALMEMORYPOLYNOMIALPREDISTORTIERDIFFERENCEINACPRISLESSTHANTO5DB，HOWEVER,THENUMBEROFDN口PREDISTORTERCOEFFICIENTSISREDUCEDBY4673THEORDERRECURSIVELEASTSQUAREMETHODISEXTENDEDTOCOMPLEXNUMBERAPPLICATIONS，ANDISUSEDTODETERMINETHENONLINEARORDERKANDMEMORYORDERQOFAPREDISTORTERA印ORDERDECISIONMETHODISPROPOSEDTOFINDTHEOPTIMALNONLINEARITYANDMEMORYORDEROFPREDISTORTERSCORRESPONDINGTOAPAWITHUNKNOWNCHARACTERISTICSTHISMETHODMAKESAPREDISTORTERMOREINTELLIGENTANDUNIVERSALBECAUSEITCANADJUSTTHEKANDQPARAMETERSADAPTIVELYDEPENDINGONDIFFERENTPASFINALLY,THEPROPOSEDAPPROACHISVERIFIEDBYSIMULATIONSANDEXPERIMENTS4AGAIN。ADJUSTABLEPREDISTORTIONALGORITHMISPROPOSEDTHERANGEOFTHEEXPECTEDLINEARGAINANDTHEOPTIMUMGAINISALSODETAILEDVITHISALGORITHMCANCHANGETHEGAINOFPABYADJUSTINGTHEEXPECTEDGAINOFAPREDISTORTIONALGORITHMMOREOVER,WHENAPAHASALARGEINPUT，THELINEARIZATIONPERFORMANCECANBEIMPROVEDBYDECREASINGTHEEXPECTEDGAINSIMULATIONSANDEXPERIMENTALRESULTSVALIDATETHEALGORITHMKEYWORDSPOWERAMPLIFIERMEMOWEFFECTSMEMOUPOLYNOMIALLLINEARIZATIONPREDISTORTION北京邮电人学博士论文ABSTRACTN北京邮电大学博上论文目录目录第一章绪论L1I研究背景L12预失真技术原理、发展趋势及线性度评价指标3121预失真技术原理和发展趋势3122射频功率放大器线性度相关评价指标413本文主要内容和研究成果8参考文献9第二章预失真系统结构及学习结构1321预失真系统结构13211射频预失真13212中频预失真15213数字基带预失真16214预失真实现方式的比较分析1822预失真系统的学习结构。18221间接学习结构19222直接学习结构19223两种方案的比较。2023双反馈离线学习结构2124单反馈离线学习结构2225本章小结23参考文献23第三章动态记忆多项式预失真。2631功率放大器行为模型27311无记忆非线性放大器模型27312有记忆非线性放大器模型29313关于模型之间关系的讨论3832动态记忆多项式预失真器模型4L33系统结构及系数提取方法42331系统结构42332系数提取方法4334仿真与实验验证。44341仿真分析。44342实验验证。5535本章小结。58参考文献。58第四章非线性阶数K和记忆深度Q的确定方法62IX北京邮电大学博J论文目录41复数按阶递推最小二乘估计6242KQ按阶递推算法64421非线性阶数K的按阶递推确定方法65422记忆深度Q的按阶递推确定方法6543KQ按阶递推确定算法的应用6744仿真与实验验证68441仿真分析68442实验验证8345本章小结85参考文献85第五章可调增益预失真算法8751可调增益算法8752系统结构及系数提取方法8953线性增益的范围9054仿真与实验验证91541仿真分析92542实验验证。9855本章小结101参考文献101第六章总结与展望10361论文主要工作总结10362下一步工作1041致谢105攻读博士学位期间已发表和已录用论文目录106X北京邮电人学博论文符号说明英文缩写OFDMWCDMA3GPPQPSKQAMPAMCPMMQAMIMIM3IM5IMDIMD3LMD5PARL强IFPDPARFPAMSENMSELMSLSRLS口3IP5EVMACPACPREERLINCDSPOPBOBPFLPFAMAM符号说明英文原语中文含义ORTHOGONALFREQUENCYDIVISIONMULTIPLEX正交频分复用WIDEBANDCODEDIVISIONMULTIPLEACCESS宽带码分多址接入系统3MGENERATIONPARTNERSHIPPROJECT第三代伙伴项目QUADRATUREPHASESHIFTKEYING正交相移键控QUADRATUREAMPLITUDEMODULATION正交幅度调制PULSEAMPLITUDEMODULATION脉冲幅度调制CONTINUOUSPHASEMODULATION连续相位调制些171E1QUADRATUREAMPLITUDAI“E多电平正交幅度调制T1TOJHINTERMODULATION3坩INTERMODULATION5恤INTERMODULATIONINTERMODULATIONDISTORTION3MINTERMODULATIONDISTORTION5也INTERMODULATIONDISTORTIONPEAKAVERAGERATIORADIOFREQUENCYINTERMEDIATEFREQUENCYPREDISTORTERPOWERAMPLIFIERRADIOFREQUENCYPOWERAMPLIFIERMEANSQUAREERRORNORMOLIZEDMEANSQUAREERROR,EASTMEANSQUARELEASTSQUAREREEURSIVELEASTSQUARE3阳INTERCEPTPOINT5也INTEREEOTPOINTERRORVT圮TORMAGNITUDEADIACENTCHANNELPOWERADJACENTCHANNELPOWERRATIOENVELOPEELIMINATIONANDRESTORATION互调三阶互调五阶互调互调失真分量三阶互调失真分量五阶互调失真分量峰均比射频中频预失真器功率放大器射频功率放大器均方误差函数归一化均方误差最小均方误差算法最小二乘递归最D,乘算法三阶截点五阶截点误差向量幅度邻近信道功率邻近信道功率比包络消除与恢复婴翻RAMPLLFIC撕WLMNOLLLINEAR非线性器件的线性放大TXMPONENTSDI西TALSIGNALPROCESSOR数字信号处理器OUTPUTPOWERBAEKOFF输出功率回退BANDPASSFILTER带通滤波器LOWPASSFILTER低通滤波器AMPLITUDEMODUL撕ONAMPLITUDC调幅调幅MODULATION7。”。XI北京邮电大学博士论文符号说明AMPMAMPLITLLDEMODULATION。PH弱E调幅调相MODULATIONUUTLOOKUPTABLELOLOCALOSCILLATORADCADANALOGTODIGITALCONVERTERDACD，ADIGITALTOANALOGCONVERTERMPMSD竺O拶P01YNOMA1MODELWIMSPARSEDELAYPEPROCESSINGELEMENTTDLTAPPEDDELAYLINELDMOS至AT鼍A11VDIFFHSEPM吼A1OXDESEMICONDUCTORTRANSISTORSXU查找表本地振荡器模拟数字转换器数字模拟转换器。非单位延时记忆多项式模型处理单元抽头延时线横向扩散金属氧化物半导体北京邮电大学博上论文第一章绪论11研究背景第一章绪论早期的移动通信系统数据传输速率较低，多采用恒定包络调制技术，该类信号对功率放大器PA的线性度要求不高，因此，PA可工作在效率较高的临近饱和区，这使得功率放大器能够以较高的效率工作。随着移动通信的迅速发展，无线通信频段变得越来越拥挤，此时频带资源利用率低的恒定包络调制技术已经无法满足需求。为了提高频带利用率，以在有限的频谱范围内容纳更多的通信信道，许多高频谱效率的调制方式女IQPSK和MQAM等和宽带数字传输技术如OFDM、MCCDMA和WCDMA等I4】被广泛的应用。这些调制方式和传输技术有着共同的特点，即信号的包络波动大、峰均比高，这就对功率放大器的线性度提出了更高的要求。功率放大器的非线性对传输信号的影响主要表现为带内失真和带外失真。带内失真指的是被传输信号的幅度和相位产生失真，造成系统误比特率的增加，严重影响信号的传输质量。带外失真则表现为信号频谱的扩展。这是由于功率放大器存在非线性，信号通过功率放大器时会产生大量的互调失真和谐波分量，使原有信号的频谱展宽，从而对邻近信道的信号产生干扰，造成系统性能的下降。在现有及未来移动通信系统中，对邻信道干扰的要求是非常严格的。通常要求基站功率放大器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40DB，即与带内信号功率相比，带外发射功率应小于一60DBB40DB【5】。传统改进放大器线性的传统方法是采用线性度较好的A类或AB类放大器6Q，使功率放大器尽量工作于线性工作区，同时结合功率回退等措施来减少互调失真分量的产生，满足系统对功率放大器线性度的要求。这样做的缺点是对功率放大器的饱和功率要求很高，将大大地浪费功率放大器的功率容量，降低功率放大器的工作效率，例如一个功放工作于近饱和区时，其典型三阶互调失真分量IMD3为22DBC左右或者更差。如果将工作点从LDB压缩点回退6DB后，其互调失真可以改善十几个分贝，但此时功放的效率会由原来的40“60降低至10“20。因此，通过功率回退获得的线性度的改善是以大大降低系统的效率和增加系统的成本为代价的。另外，当功率回退到一定程度，即MID3达到40DBC北京邮电大学博士论文第一章绪论以下时，进一步的回退将无法继续提高功率放大器的线性度。因此，在线性度要求较高的场合，只靠功率回退是无法满足要求的【矾。不仅如此，功率回退这种以效率换线性的方法在很多应用场合中是不可取的，比如移动终端。作为当前人们使用频繁的通信工具，移动终端待机时间的长短成为人们最关心的问题之一。而功率放大器作为移动终端的用电大户，其工作效率的下降将大幅降低移动终端的待机时间。但为了保证通信质量，功率放大器必须具有良好的线性度，功率放大器的线性化技术正是在这样的情况下逐渐发展起来，并越来越受关注。功率放大器的线性化技术有很多，包括负反馈技术、前馈技术、包络消除与恢复EER技术、非线性器件的线性放大LINC技术和预失真技术等等P。141。负反馈技术【15】通过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，从而减少功率放大器的非线性。常用的反馈方式有包络反馈，极坐标负反馈、笛卡尔负反馈【1睨O】等。由于基于反馈原理，受反馈网络延迟的限制，带宽有限，该方法不适用于宽频带放大器。如果负反馈的相位控制不好，容易产生正反馈而引起系统的不稳定，这也是该方法的主要缺点。此外，当系统频率较高时，为了保证系统的稳定性，必须减小环路增益，但环路增益的减小会影响失真的抑制，降低线性化性能。前馈【2心5】线性化电路系统一般由两个环路组成信号抵消环也称误差检测环和失真抵消环。信号通过误差检测环得到由功率放大器产生的纯干扰信号，该干扰信号在失真抵消环路中经辅助放大器放大后，与主放大器的输出信号进行叠加，将失真抵消掉，从而实现功率放大器的线性化。前馈技术可以大大改善功放的线性度，同时不损失器件的增益带宽，而且前馈电路是无条件稳定的。前馈系统需要两套完全相同的放大器和延时线，与负反馈法相比，整个系统的结构复杂、增益、相位调整困难、硬件实现成本高。此外，由于增加了辅助放大器，使得系统的效率较低。EER是英文ENVELOPEELIMINATIONANDRESTORATION的缩写，即包络消除与恢复。EER技术26。28】采用两个放大器，分别单独放大输入信号的幅度和相位，最后再将放大的幅度信息和相位信息结合起来，达到即高效又线性的放大目的。其优点在于射频功放可以工作在比较高效的开关模式状态，使得在很宽的输出功率范围内都有比较高的工作效率。但由于调制的精确度和性能会随时间和温度而变化、限幅器的非理想性和调制器的AMPM转换等因素的存在，功率放大器的线性度会因此受到影响，有时甚至会产生附加的高阶产物。LINC是英文LINEARAMPLIFICATIONWITHNONLINEARCOMPONENTS的缩写，即非线2北京邮电人学博士论文第一章绪论性器件的线性放大。类似于EER技术，LINC技术也是采用两个支路把输入信号分离，不同的是，分离的两路信号都是等幅的恒定包络信号。LINC技术F2”11的信号分离技术早期在射频频段通过模拟技术实现，硬件的复杂性和高代价阻碍了该技术的发展和应用。随着数字处理技术的发展使得信号分离完全可以采用DSPDIGITALSIGNALPROCCESSOR设备通过软件方式实现。LINC技术对两条路径上的增益和相位差异极其敏感，增益和相位匹配的任何误差都会导致失真信号的不完全消除，严重影响系统的线性性能，这也时LINC技术至今还很少应用的原因。预失真技术【32枷】是当前功率放大器线性化技术的主流技术之一，该技术的主要原理是通过在PA之前引入一个与功放特性相反的模块预失真器PD，PREDISTORTER，使得整个串联系统PDPA的输入和输出呈线性关系，从而实现对PA的线性化。预失真技术以其实现复杂度低、稳定性高、带宽宽、线性化性能好等特点成为目前功率放大器线性化技术中最具发展潜力的技术。因此，本文选择预失真技术作为研究的重点。12预失真技术原理、发展趋势及线性度评价指标1121预失真技术原理和发展趋势预失真技术4H的基本思想是在PA之前插入一个具有与PA相反特性的模块一预失真器，对输入信号先进行预处理，再将处理后的信号输入PA中，以补偿由非线性PA产生的AMAM、AMPM失真，使得PDPA级联系统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，以抵消信号通过功率放大器时产生的非线性失真。预失真线性化原理框图如图11所示，其实现机理如图12所示。图11中，只为预失真模块的传递函数，G为功率放大器传递函数，预失真系统总的输入输出传递函数则为G【尺】。预失真器传输函数特性与功率放大器的传输函数特性相反，当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则为增益扩张的，从而使整个系统的输出与输入呈现线性关系。图11预失真线性化原理框图3北京邮电大学博十论文第一章绪论KVDK预失真器功率放大器预失真系统传递函数传递函数传递函数图L2预失真技术实现机理在移动通信发展早期，数据速率较低，功率放大器的带宽较窄，此时记忆效应的影响可以忽略，对功率放大器的预失真技术也只停留在无记忆预失真【42删的范畴。此时，受数字处理技术发展的限制，预失真技术多采用模拟射频预失真。随着通信系统的发展，数据速率不断提高，功率放大器的带宽也随之增加，这使得记忆效应对功率放大器非线性的影响越来越明显。对于宽带应用来说，无记忆预失真已经无法满足PA的线性度要求，因此，研究重心开始转向对PA的记忆效应454刀和记忆效应补偿方法14S55】的研究中。有记忆预失真技术是对补偿PA记忆效应比较有效的方法之一。有记忆预失真技术中，预失真器模型的选择对系统的线性化效果起关键作用，因此，目前有记忆预失真技术的研究主要集中在对预失真器模型的选择和改进等方面。122射频功率放大器线性度相关评价指标功率放大器线性度的好坏需要用具体的量化指标来衡量，即线性度评价指标。下面是对相关指标的介绍。1221LDB压缩点当晶体管工作在小信号状态下时，其功率增益值几乎不变，此时的增益称为小信号线性增益GO。随着输入信号的逐渐增大，晶体管开始进入非线性工作状态，此时的功率增益将随着输入信号的增加而逐渐下降，当增益下降到比线性增益低IDB时，此时的功率增益称为“LDB压缩点增益，用GL表示，对应的输入、输出功率则分别称为“LDB压缩点输入功率“P叫IDB和“LDB压缩点输出功率”PI饵，PINFLDB和PTDB满足如下关系毋扭己I拈60一1式11PL血定义如图13示。对功率放大器的线性度而言，PL阳越大越好，故有时PL扭也称作线性输出功率，它限定了失真较小时的最大输出功率。4北京邮电大学博上论文第一章绪论合黾V茁簿糌督L222三阶交截点功率输入啦图13PLDB和IP3介绍三阶交截点之前，首先需要对互调分量的概念进行介绍。互调分量IM是由两个或多个不同频率的激励信号作用于功率放大器而产生的混合分量，它是由于功率放大器的非线性引起的。当互调分量对系统产生不良作用时，就称之为互调干扰。当频率分别为07L和她的等幅双音信号输入功率放大器时，由于功率放大器本身的非线性特性，输出信号中会含有很多混合分量M071士N072，其中M，N0，1，2，3式12式12中的各个分量分别称为MN阶互调分量，如207L士C02分量就称为21阶互调分量，即3阶互调分量。功率放大器的非线性越强，由非线性产生的互调分量就越大。互调分量的大小可用互调系数表示，MN阶互调系数表示为DD虬。1019等1019争式13工I12式中，PL、P2分别对应COL和她的基波功率，P咖为埘L十N阶互调功率，蹦咖单位为DBC。以等幅双音信号为例，当频率分别为07I和她的等幅双音信号输入功率放大器时，会在基频及各次谐波附近产生各阶次的互调失真分量，其输出信号的频谱分布如图L4所示。其中，三阶互调分量2071蚴、2忱C01和五阶互调分量30712忱、30722071与基波频率L、纰非常接近，即使在窄带系统中也很难把它们从信道中滤除，因此互调分量就成为干扰信号。互调分量的大小是考察系统线性度的一个重要指标。5北京邮电大学博J论文第一章绪论兽倒馨0五现鞔频率HZ图L4输入双频信号时的功率放大器输出信号频谱分布定义三阶互调系数IM3为DD眠1019LOLG詈式04RL屹一般希望IM3越低越好，根据调制解调方式的不同而不同，一般要求在2550DBE之间。然而，实际功率放大器PL衄点对应的IM3约为一1820DBC，显然离通信系统的要求还有一定距离，因此必须采用有效的线性化技术加以解决。三阶交截尉5刀定义为基波信号线性输出功率特性延长线与三阶互调特性延长线的交点，用符号IP3表示，如图13所示，此点的输出功率称为截断功率。IP3也是一种对三阶互调干扰的度量指标，能反映功率放大器的非线性特性。当输出功率一定时，三阶互调截止点输出功率越大，功率放大器的线性度就越好。1223邻信道功率比当主信道施加信号时，与其相邻信道内的功率称为邻信道功率ACP。邻信道功率的产生主要来自两个方面，一是由于器件本身的非线性作用，二是由于主信道信号本身频谱较信道宽，ACP如图L4所示【411。邻信道功率比ACPR，ADJACENTCHANNELPOWERRATIO则定义为邻信道功率与主信道功率的比值，用于度量主信道信号对于相邻信道干扰的大小。由于功率放大器的非线性存在，会导致主信道信号产生频谱扩展，从而对相邻信道产生干扰，如图15所示。ACPR对于WCDMA发射机来说是至关重要的，依照3GPPWCDMA规范，邻近信道功率高于一50DBM时，ACPR应分别高于一33DBCT_5MHZ和43DBC孚L10MHZ。图L4邻信道功率ACP定义6北京邮电人学博士论文第一章绪论1224误差向量幅度图15WCDMA邻信道干扰示意图误差向量幅度EVM，ERRORVECTORMAGNITUDET57581定义为误差矢量信号平均功率的均方根值和参考信号平均功率的均方根的比值，并以百分数形式表示，EVM定义如图16。假设测量信号为S，参考型号为R，则EVM表示如下EVM粼巡警100RMSRRAMSR舡5车与F_L式15I11117图16误差向量幅度EVM可以全面衡量信号的幅度误差和相位误差，根据3GPP25104规范，采用QPSK调制方式时，EVM应小于175，采用16QAM时，EVM应小于125。1225蜂均比PAR峰均比PAR定义为信号峰值功率砟础与平均功率的比值，计算公式如下PPAR1019等式161AVEPAR是对信号的一个衡量指标，它对于设计功率放大器非常重要。功率放大7北京邮电大学博1论文第一章绪论器的回退因数需要根据PAR来确定。在相同功率等级下，输入信号的PAR越大，要求功放的平均输出功率越小。13本文主要内容和研究成果本论文主要针对功率放大器的预失真技术进行了深入研究，内容包括预失真系统的实现方式及学习结构、功率放大器的行为模型、有记忆功率放大器的预失真方法、预失真器非线性阶数K、记忆深度Q的确定方法，预失真系统增益的确定方法等等，主要研究内容和研究成果包括第一章首先介绍了本课题的研究背景，说明了功率放大器线性化技术的必要性和研究现状。然后，对预失真技术的原理、发展趋势以及衡量功率放大器线性度的指标进行了介绍。最后，简要介绍了本文的主要研究内容和研究成果。第二章对预失真系统的实现方式和学习结构进行了比较分析，提出了双反馈离线学习结构。该结构的自适应过程通过离线处理实现，可以有效降低系统的实时性要求。但由于双反馈离线学习结构有两条反馈回路，增加了系统硬件实现复杂度和实现成本。为解决上述问题，提出了单反馈离线学习结构，该结构只有一条反馈回路，可有效降低了硬件实现成本和复杂度。提出的两种学习结构可适用于数字基带预失真、数字中频预失真、混合中频预失真以及混合射频预失真等多种预失真系统结构。第三章首先对射频功率放大器的有记忆和无记忆行为模型进行了详细阐述，并对有记忆模型中基于VOLTERRA级数系列模型、基于神经网络的系列模型和记忆多项式模型之间的关系进行了分析，为功率放大器和预失真器的研究提供了理论基础。鉴于记忆多项式模型鲁棒性好、系数提取方法简单、系数数量相对较少等优点，选择该模型作为本文预失真技术研究的切入点。并针对目前有记忆预失真算法经常出现的系数数量太大、不利于工程实现的问题，提出了动态记忆多项式预失真算法。该算法针对实际功率放大器的特性，对传统的记忆多项式模型进行改进，令非线性阶数K随着记忆深度的不同而动态变化，从而使得该算法可以在保证线性化性能的前提下，有效减少预失真系数数量最高达65以上。最后通过仿真和实验对算法的有效性进行了验证。实验结果显示，动态记忆多项式预失真与传统记忆多项式预失真的ACPR性能几乎相同，相差不超过LO5DB，但系数数量却减少了近一半。第四章非线性阶数X和记忆深度Q是预失真器模型的两个重要参数，选择合适的K和Q是保证线性化效果的前提。当PA特性已知时，可根据PA特性来估计预失真器的特性。但在多数情况下，PA的特性是未知的，如果是在实验室内，可通过多次的测试来确定合适的K和Q，但此方法在实际的应用中是不北京邮电大学博士论文第一章绪论可行的。针对该问题，本文提出了KQ的按阶递推确定方法，该方法可通过按阶递推的方式，确定预失真器的最佳非线性阶数K和记忆深度Q，同时，在该算法的计算过程中不需要进行矩阵的求逆运算，计算复杂度低。算法的正确性通过理论推导和仿真计算的方式进行了证明，并通过仿真和实验验证了算法的有效性。第五章移动通信系统对发送动态范围要求越来越高，以前为提高发射机的动态范围，多是先将信号放大，然后通过添加可调衰减实现发送功率的变化。本章提出可调增益预失真算法，该算法可通过改变预失真算法的期望线性增益，实现功率放大器的增益可调。此外，可调增益预失真还可以通过调整增益，改善PA工作于极限条件时输入信号的峰值接近或大于PA输入LDB压缩点时的线性度。文中还给出了期望增益的调整范围和最优增益的确定方法，并通过仿真和实验进行了验证。参考文献【L】MISCHASCHWARTZ移动无线通信英文版电子工业出版社，2005【2】彭林第三代移动通信技术电子工业出版社，2003【3】FUQINXIONGDIGITALMODULATIONTECHNIQUESARTECHHOUSE，2000【4】ANDREWMICELIWIRELESSTECHNICIANSHANDBOOK。SECONDEDITIONARTECHHOUSE，2003【5】3GPPTS25141，BASESTATIONCONFORMANCETESTINGFDD，RELEASE6，2004【6】MIHAIALBULETRFPOWERAMPLIFIERSNOBLEPUBLISHINGCORPORATION，2001F7】WALANDAVIS，KRISHNAAGARWALRADIOFREQUENCYCIRCUITDESIGNJOHNWILEYSONSINC，2001【8】CSTEVERFPOWERAMPLIFIERSFORWIRELESSCOMMUNICATIONSNORWOOD，1999【9】PBKAAINGTONHIGHLINEARITYRFAMPLIFIERDESIGNNORWOOD，MA,ARTECHHOUSE,2000NO】VPETROVICREDUCTIONOFSPURIOUSEMISSIONFROMRADIOTRANSMITTERSBYMEANSOFMODULATIONFEEDBACK1EECONFERENCEONRADIOSPECTRUMCONSERVATIONTECHNIQUOS，1983PP4449【11】MJOHANSSON，TMATTSONTRANSMITTERLINEARIZATIONUSINGCARTESIANFEEDBACKFORLINEAR田DMAMODULATIONPROCEEDINGS41STIEEECULARTECHNOLOGYCONFERENCE,1991PP439州【12】RJWILKINSON,PBKENINGTONANDJDMARVILLPOWERAMPLIFICATIONTECHNIQUESFORLINEARTDMABASESTATIONSPROCEEDINGSIEEEGLOBALTELECOMMUNICATIONSCONFERENCE,DECEMBERL992PP7478【13】MABRIFFAMFAULKNERSTABILITYCONSIDERATIONSFORDYNAMICALLYBIASEDCARTESIANFEEDBACKLINEARIZATIONPROCEEDINGS44THIEEE眦CULARTECHNOLOGYCONFERENCE，VRC9421994，PP13211325【14YAKAIWA,YNAGATAHIGHLYE伍CIENTDI西TALMOBILECOMMUNICATIONSWITHALINEARMODULATIONMETHODIEEEJOURNALONSELECTEDAREASINCOMMUNICATIONS9北京邮电大学博士论文第一章绪论SAC55，1987，PP890895【151STEVECCRIPPSADVANCEDTECHNIQUESINRFPOWERAMPLIFIERDESIGNARTECHHOUSE，2002F16RAABFREDERICKH，ASBECKPETER,CRIPPSSTEVE,ETA1POWERAMPLIFIERSAND，LTRANSMITTERSFORRFANDMICROWAVEIEEETRANSCTIONSONMICROWAVETHEORYANDTECHNIQUES，503，2002，PP814826【L7】MSODROMALJPORTILLA,EBERTRAMETA1LINEARISATIONISSUESINMICROWAVEAMPLIFIERS12THGAASSYMPOSIUMAMSTERDAM2004，PP199202【18PKENINGTONMETHODSLINEARIZERFTRANSMITTERSANDPOWER,AMPS，PARTL，MICROW照1998，PP103116【19EKENINGTONMETHODSLINEARIZERFTRANSMITTERSANDPOWER,AMPS，PART2，MICROWI啦999，PP7989【20HSBLACKINVENTINGTHENEGATIVEFEEDBACKAMPLIFIER,IEEESPECTRUM，DECEMBER1977，PP5560211PBKENSINGTONANDDWBENNETTLINEARDISTORTIONCORRECTIONUSINGAFEEDFORWARDSYSTEMIEEETRANSACTIONSONV曲ICULARTECHNOLOGY,451，1996，PP7481【22NPOTHECARYFE蹙XIFORWARDLINEARPOWERAMPLIFIERSARTECHHOUSE1999F231JKCAVERSADAPTATIONBEHAVIOROFAFEEDFORWARDLINEARIZERIEEETRANSACTIOMOILVC艋CULARTECHNOLOGY,441，1995，PP3L一40【24PBKENINGTON,PAWAN“ANDRJ、MLKINSONANALYSISOFINSTABILITYINFEEDFORWARDLOOPELECTRONICSLETTERS，3320，1997，PP16691671【25FRAABHI曲EFICIENCYAMPLIFICATIONTECHNIQUESIEEECIRCUITSSYSTEMS，11985，PP3111261MKOCHANDRFISHERAHIGHE街CIENCY835MHZLINEARPOWERAMPLIFIERFOR。DI百TALCELLULARTELEPHONYPROCEEDINGSOF39THIEEEVEHICULARTECHNOLOGYCONFERENCE，1989，PP1718【27FR粕_B，DRUPPHIGHEFFICIENCYSINGLESIDEBANDHFVHFTRANSMITERBASEDUPONENVELOPEELIMINATIONANDRESTORATIONPROCEEDINGSIXTHINTERNATIONALCONFERENCEONHFRADIOSYSTEMSANDTECHNIQUES，YOD，UK1994，PP2125281DCCOXLINEARAMPLIFICATIONWITHNONLINEARCOMPONENTSIEEETRANSACTIONSONCOMMUNICATIONS，COM2212，1974，PP19421945【29ABATEMAN，RJWILKINSONANDJDMARWILLTHEAPPLICATIONOFDI西TALSIGNALPROCESSINGTOTRANSMITTERLINEARIZATIONIEEE8THEUROPEANCONFERENCEONELECTROTECHNICS，1988，PP6467【30】DCCOXANDRPLEEKCOMPONENTSIGNALSEPARATIONANDRECOMBINATIONFORLINEARAMPLIFICATION、I也NONLINEARCOMPONENTSIEEETRANSACTIONONCOMMUNICATIONS，COM一2311，1975，PP12811287【3L】TNOJIMAANDTKONNOCUBERPREDISTORTIONLINEARIZERFORRELAYEQUIPMENTINTHE800MHZBANDLANDMOBILETELEPHONESYSTEMIEEETRANSACTIONSON牺CULARTECHNOLOGY,VT34一I叫IL只Z。11I1AMPLIFIER3125多层神经网络模型图38WIENERHAMMERSTEIN模型神经网络模型为生物神经网络的数学简化模型，由相互连接的神经元的集合组成。设X为包含了已知器件或电路参数的刀维向量，如场效应管栅极的长度和宽度。设Y为表示器件或电路不同响应的P维向量，如场效应管的漏电流，X和响应Y之间的关系为是多维的，且是非线性，此时可用神经网路模型模拟X和Y之间的多维、非线性关系。多层神经网络MULTILAYOREDNEURALNETWORK模型【埔删】常被用于非线性关系33北京邮电人学博J二论文第三章动态记忆多项式预失真的建模。我们用一个三层神经网络模型来说明其原理。该模型在输入端有疗个处理单元PE，PROCESSINGELEMENT，输出端有P个处理单元，隐藏层有G个处理单元，如图39所示。输入和输出层分别对应器件或电路的参数X和输出响应Y。隐藏层用G维向量Z表示。设曩T【吼IAT2AKNR式322BT晚。瓯R式323分别代表输入输出的第K个抽样点，其中KI，2，OO