[硕士论文精品]功率放大器的基带预失真方法研究

摘要现代无线通信系统通常采用具有高效频谱利用率的线性调制技术来解决频谱资源紧张与更高信息传输率需要之间的矛盾，这些高效频谱调制技术的性能在非线性条件下会严重劣化。但在实际应用中，为了提高功率效率，功率放大器通常工作在接近饱和区的非线性区域，这时功放会产生非常严重的非线性失真，从而使输出信号频谱扩展，造成邻近信道干扰，导致带内信号发生畸变，降低系统性能。因此，为了兼顾系统性能和功率效率，功率放大器线性化技术已成为无线通信系统的研究热点。本文主要的工作内容如下1分析了功率放大器非线性特性，介绍了无记忆功率放大器的非线性模型以及几种常用的线性化技术。2在无记忆功放模型的预失真研究中，首先研究了查找表方法，仿真结果表明，查找表法能有效地补偿功放的非线性，且在相同的查找表大小下，分段均匀量化查找表法性能要比全段均匀量化的查找表法好；其次研究了多项式方法，分别基于LMS和RLS算法进行仿真，结果显示多项式法也是一种有效的线性化方法；最后把这种多项式预失真方法中的LMS算法的迭代步长改进为可变迭代步长，仿真发现其收敛速度和精度都优于原LMS算法，性能接近于RLS算法。3在有记忆功放模型的预失真研究中，在介绍了几种常用的记忆功放模型基础上，研究了记忆多项式预失真方法，仿真结果表明，对WIENER模型和WIENERHAMMERSTEIN模型，该方法能很好地补偿记忆功放的非线性，星座图与源信号基本一致，带外功率分别降低了20DB和26DB。4提出了一种新结构的记忆预失真方法，该方法复杂度低、实现简单，但功率效率有所下降，仿真结果表明，新方法能很好地补偿记忆多项式功放模型的非线性失真，带外功率下降了28DB，比记忆多项式预失真方法改善了13DB。关键词非线性失真预失真查找表多项式方法记忆效应ABSTRACTINORDERTOSOLVETHECONTRADICTIONBETWEENTHESCBICESPECTRUMRESOURCEANDTHEHIGHERINFORMATIONTRANSMITTEDRATE，THEMODEMCOMMUNICATIONSYSTEMSCOMMONLYADOPTTHELINEARMODULATIONMETHODSWITHHIGHSPECTRUMEFFICIENCYHOWEVER,UNDERTHECONDITIONOFTHENONLINEARITY,THEPERFORMANCEOFTHESEEFFICIENTMODULATIONTECHNIQUESWILLDETERIORATEBADLYBUTINTHEACTUALAPPLICATIONSFORIMPROVINGPOWEREFFICIENCY,THEPOWERAMPLIFIERCOMMONLYWORKSINTHENONLINEARAREANEARTHESATURATIONTHENTHEAMPLIFIERISABLETOBRINGVERYSEVERENONLINEARITYDISTORTION,WHICHRESULTSINTHESPECTRUMEXPANSIONOFTHEOUTPUTSIPANDTHESIGNALDISTORTIONINTHEBAND，BRINGSTHEADJACENTCHANNELINTERFERENCEANDTHEFALLOFTHESYSTEMPERFORMANCEHENCE，INORDERTOCONSIDERBOTHSYSTEMPERFORMANCEANDPOWEREFFICIENCY,THELINEARIZATIONOFPOWERAMPLIFIERHASBEENTHEHOTSPOTINTHEWIRELESSCOMMUNICATIONRESEARCHTHEMAINCONTENTSOFTHETHESISAREASFOLLOWED1THENONLINEARCHARACTERISTICOFPOWERAMPLIFIERISANALYSED，THENTHEMODELOFMEMORYLESSPOWERAMPLIFIERANDSEVERALCOMMONLINEARITYTECHNIQUESAREINTRODUCED2INTHEPREDISTORTIONRESEARCHBASEDONTHEMEMORYLESSAMPLIFIER,THEMETHODOFLUTISFIRSTLYSTUDIED，SIMULATIONRESULTSSHOWLUTCANCOMPENSATETHENONLINEARITYEFFECTIVELYANDINTHESANLESIZEOFLUT，THEPERFORMANCEOFTHELUT、以MUNIFORMQUANTIZATIONINSUBSECTIONISBETTERTHANTHETRADITIONALLUTSECONDLY,THEMETHODOFPOLYNOMIALISSTUDIEDBASEDONTHELMSALGORITHMANDTHERLSALGORITHM，SIMULATIONRESULTSSHOWITISANEFFECTIVEMETHODOFLINEARITYFINALLY,THEITERATIVESTEPSBECOMEALTERABLEINTHELMSALGORITHMOFTHEPOLYNOMIAL，SIMULATIONRESULTSPROVETHATTHECONVERGENCESPEEDANDPRECISIONAREBETTERTHANTHEORIGINALLMSALGORITHM，THEPERFORMANCEISCLOSEDTOTHERLSALGORITHM3INTHEPREDISTORTIONRESEARCHBASEDONTHEMEMO巧AMPLIFIER,ONTHEFOUNDATIONOFINTRODUCINGSEVERALCOMMONMODELSOFTHEMEMORYAMPLIFIER,THEMEMOR，POLYNOMIALPREDISTORTIONISSTUDIED，SIMULATIONRESULTSSHOWTHATITCALLCOMPENSATETHENONLINEARITYEFFECTIVELYBASEDONTHEWIENERMODELANDTHEWIENERHAMMERSTEINMODEL，THECONSTELLATIONISTHESAMEASTHESOURCESIGNALONTHEWHOLE，ANDTHEPOWEROUTTHEBANDFALLS20DBAND26DBRESPECTIVELY4ANEWSTRUCTURALPREDISTORTIONISPROPOSED，THEMETHODISSIMPLEANDEASYTOCOMETRUE，BUTTHEPOWEREFFICIENCYWILLFALLABITSIMULATIONRESULTSSHOWTHISMETHODCANCOMPENSATETHENONLINEARDISTORTIONWELLBASEDONTHEMEMO巧POLYNOMIALMODEL，THEPOWEROUTTHEBANDFALLS28DB，IMPROVES13DBCOMPARED州TLLTHEMEMORYPOLYNOMIALPREDISTORTIONKEYWORDSNONLINEARDISTORTIONPREDISTORTIONLUTPOLYNOMIALMEMORYEFFECT西安电子科技大学学位论文独创性或创新性声明秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个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；也不包含为获得西安电子科技大学或其它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做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，本人承担一切的法律责任。本人签名剁丕旌ETN墟缨一芰鲤西安电子科技大学关于论文使用授权的说明本人完全了解西安电子科技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西安电子科技大学。学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布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论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。保密的论文在解密后遵守此规定本学位论文属于保密，在一年解密后适用本授权书。本人签名导师签名日期塑翌篁妇日期土4剐。沁第一章绪论第一章绪论11课题研究的目的及意义自20世纪70年代末以来，移动通信系统经历了第一代的模拟蜂窝系统，第二代的基于TDMA和窄带CDMA基础的数字蜂窝系统，现在已发展到第三代移动通信系统，例如WCDMA、CDMA2000和TDSCDMA。对于数据传输速率要求不高的第一、二代移动通信系统，无线传输中的信号调制方式基本上是恒定包络的，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苛刻，因此功率放大器能够工作在效率比较高的临近饱和区，此时功率放大器有着较高的工作效率。然而恒定包络调制技术的最大缺陷，就是其频带资源利用效率低。随着无线用户的飞速发展和宽带通信业务的开展，通信系统旨在为用户提供高速、大容量和多种服务，通信频段变得越来越拥挤。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，OFDM、WCDMA等新的宽带数字传输技术和QPSK、QAM等新的调制方式在现代无线通信系统中被广泛采用。这些调制技术具有非恒定包络、宽频带和较高的峰平比等诸多特点【LJ。当这类线性调制信号在多载波系统中，通过功率放大器后将产生互调信号失真【2】【3】，互调失真对邻近信道产生不同程度的干扰【3】【4】，这种情况产生的主要原因是功率放大器工作在非线性区甚至工作在饱和区附近。而这种互调产物无法用滤波去除，因此第三代移动通信系统对功率放大器的线性度提出了更高的要求，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。除了线性调制技术的广泛采用原因外，以下一些原斟5】也促进功率放大器线性化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，不能采用功率回退技术来解决功率放大器的线性化问题。所谓功率回退法就是指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的方法。如果采用此方法，一方面降低了电源的利用率，增加了供电系统的能量消耗，给基站热管理带来了困难；另一方面不能充分发挥出功率管的潜能，增加了制造成本。2多载波系统要求线性化的功率放大系统。多载波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，基站系统对邻近信道干扰要求非常严格，这就要求采用高线性度的发射机系统，减少交调2功率放大器的基带预失真方法研究分量对相邻信道的干扰。3自适应天线系统的要求。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带宽、旁瓣抑制、零位深度等二系列天线的性能指标变差。4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一个信道，最终要求采用宽带线性化的功率放大器。5一些新兴无线通信技术的要求。以软件无线电为代表的新兴无线通信技术，从本质上要求线性、宽频的发射技术，因此需要高度线性化的功率放大器。12线性化技术的发展功率放大器的线性化技术研究要追溯到1928年美国人HAROLDSBLACK在贝尔实验室工作时发明了负反馈和前馈技术，并应用到放大器设计中，使功率放大器的失真得到了明显的改善，但其主要着眼点是器件本身，所以工作的频率和线性度都较低。直到上个世纪七八十年代，在无线通信技术的推动下，功率放大器的线性化技术得到飞速发展，出现了一些新的功放线性化技术，主要分为这样几类前馈法FEEDFORWARD、负反馈法FEEDBACK、功率回退法BACKOFF、非线性器件法LINC、预失真法PREDISTORTION等。其中，功率回退法是一种简单、可靠的线性化措施，但却限制了放大器的利用率；反馈法并不适用于宽带信号；前馈法相比于反馈法，克服了延迟带来的影响，更适宜于宽带信号，但随着器件特性的变化其性能将变坏；非线性器件法是将输入信号变成恒包络信号再由放大器放大，它操作复杂且对器件特性的漂移很敏感，所以不适于要求具有自适应特性的应用；预失真法是目前用的最多的一种方法，它的基本原理很简单，就是将放大器的输入信号做一个与放大器的传输特性相反的预畸变，使得它与放大器所带来的失真相抵消。预失真技术是线性化技术发展中非常重要的一步，预失真技术最初应用于模拟通信系统中的射频部分。随着数字信号处理DSP技术的发展，预失真技术也可以在数字域内实现，在基带就可以完成对信号的预失真处理。自1989年，YNAGATA首次【6】提出了映射法数字预失真的方案以及相应的自适应算法以来，数字预失真技术在不断发展，提出了大量的预失真方法【|卜R71。线性化技术发展到现在，逐渐表现出各种技术相互融合的趋势预失真技术中也加入负反馈的思想；预失真技术与前馈技术的结合；还出现了预失真技术与LINC技术的结合。总之，预失真技术不但可以提升发射机的效率，降低成本与缩小体积，亦能有效增加发第一章绪论3射机的线性度以提升系统效能与通信质量，是一种适应现代数字通信发展的线性化技术J在现代通信发展中扮演着重要的角色。总之，功率放大器线性化技术已成为下一代无线通信系统的关键技术之一。该技术不管是从提高未来无线通信系统的性能，还是从提高功率效率，节约能源来讲都具有非常重大的意义。近年来国内外的通信企业与研究单位都已经积极投入研究，并且已有多种线性化技术的成功实现，但目前线性化技术的发展还远远达不到无线通信对其不断提出的更高的要求。13本论文的主要工作及内容安排本文主要研究功率放大器线性化技术中的基带预失真方法，且只考虑功率放大器的非线性影响，把预失真单元与功率放大器之间的部分当作线性结构处理。本文分别对无记忆功率放大器和记忆功率放大器的预失真方法进行分析。以下是本文的章节安排第一章阐述了本文研究工作的背景及意义，说明了功率放大器线性化技术研究的重要性，并简单介绍了线性化技术的发展历程。最后对全文内容作了安排。第二章首先介绍了功率放大器非线性失真含义及非线性特性，对谐波失真、互调失真和交调干扰做了详细的说明。随后介绍了无记忆功放的建模，给出了几种无记忆功放模型的特性函数。最后阐述了常用的几种线性化技术的原理和特点，其中预失真法是后面两章所要研究的线性化方法。第三章研究了无记忆功率放大器的预失真方法。首先介绍了查找表预失真方法，对其原理，结构框图，查找表的建立及自适应算法的推导做了详细的分析，然后对基于极坐标形式的查找表法进行了仿真分析。根据在不同的区域非线性失真性不同，研究了一种分段均匀量化的查找表法，并进行了仿真比较。其次介绍了多项式预失真方法，分别对基于LMS算法和RLS算法的多项式预失真法进行了仿真比较。最后提出了一种可变步长的LMS算法，对其进行仿真，并与原LMS算法和RLS算法性能进行了比较。第四章研究了记忆功率放大器的预失真方法。首先详细总结和分析了当前的各种记忆功放模型。接着介绍了一种记忆多项式预失真方法，并介绍了两种算法，基于这两种算法对记忆多项式功放模型进行了仿真，同时基于算法二对WIENER功放模型和WIENERHAMMERSTEIN模型进行了仿真。最后提出了一种新的记忆功放预失真方法，并进行了仿真，该方案是一种有效的线性化方法。第二章功率放大器的非线性原理第二章功率放大器的非线性原理在通信系统中，除了存在系统的噪声和有限带宽以外，当系统网络转移函数一I一LEXP_中一的振幅I胃一|C，C为常数，则会产生频率一幅度失真，相角中一W，Q为常数，则会产生频率一相位失真。这两种失真与器件的频率非线性特性有关，通常称为线性失真”【11，线性失真并没有产生新的频率分量。如果，假定输出信号YF是一延迟的输入信号X，按比例改变的模型，则出现无失真传输，111有YTKXTTO，这意味着，系统的转移函数日一应为日加KEXPJWTO】。除了这种失真以外，系统中的非线性元件导致输出信号是输入信号的非线性函数，即YF丁X，。Y，与XF之间仅在工F较小的时候是线性的，在XF较大时则偏离线性，这种偏差称为非线性失真181。211谐波失真21功率放大器的非线性特性假定功率放大器是无记忆的，输出电压RO，可以用输入电压杉F的级数表示【141为VOT毛KF乞K2F屯K3F2一1通常情况下，它们的输入输出特性如需要达到一定的精度，仅取前三项即可圪，毛KF如K2F岛K3，22假定输入信号是简单的单频信号为K，ACOSW。T，那么输出可表示为，互1K彳2局三岛彳2ACOSW,TLK么2C。S2F丢岛么3C。S3M，C23，由式23可见，输出信号中除了包含基波分量外，还产生了新的直流项、二次谐波频率2嵋和三次谐波频率3W1分量。谐波分量的角频率是基波分量的6功率放大器的基带预失真方法研究整数倍。由于谐波分量通常远离基波频率，接收机很容易用带通滤波器滤除谐波分量因此谐波分量对接收系统的影响不大【13】。毛K3A2是输入信号的非线性增益，它与输入信号幅度有关J对带内不同幅度的频率分量有不同的放大倍数，势必造成带内信号失真，影响接收机的误码性能。由上式可得基波分量的增益为G2。LOG霸三如42，系统的线性增益定义为GO20109Q。把增益下降到比线性增益低L裆时的点定义为功放的1裆压缩点GL劣GOI，相应的输出功率和输入功率分别称为“1扔压缩点输出功率墨招和“1如压缩点输入功率圪墙“，如图21。212互调失真当多个不同频率的信号经过功率放大器时，由于非线性的作用，输出信号的频谱中，除了谐波分量外，还包含多种组合频率强MN2W2NWT，LL，N2，一L，2，3，由于这些组合频率成分是由输入信号的相互调制引起的，所以将它们称为互调失真IMD。现在对互调失真产生的过程进行分析。假设输入信号为两个频率成分的等幅信号所组成，即形，ACOSWCOSW2T，代入公式22，则输出信号为VO，COS一也，毛彳詈COSW。TQ彳詈COS咐言岛彳3C。S2川一，4Q43COS2W,一W1，屯彳2C。SFLKA2COS2FXK2A2COS2W2R言岛爿3COS2W2F3K3A3COS2W2嵋FK3ACOS3WLF4K3A3COS3W2F24由式24可见，输出信号包括直流分量、基波WL和W2、二次谐波2WL和2W2、三次谐波3WL和3W2，以及频率为T142的二阶互调成分和频率为2W2、2W2WL的三阶互调成分。在工作频带小于一倍频程的系统中，N有2W,、2W2、2W2、2WL以及3WL和3W2都在通带之外，可以通过使用合适的滤波器滤除第二章功率放大器的非线性原理7这些分量，然而所有频率为2一W2、2W2一WL的三阶互调成分却在通带之内，无法通过滤波器将它们滤除，并且这些三阶互调成分会影响基频川和。三阶互调分量的大小是衡量一个系统的非线性的重要指标，为此引进了三阶互调系数批。我们把兰阶互调系数弛定义为20LOG蛩DBIM325爿美薏黔25一般基波幅度大于三阶互调幅度，所以眦是个负数，越小，功放的线性度越好。三阶截断点皿是衡量功放的另一个重要指标【191，皿即三阶互调分量2一W2，2W2一嵋的输出与线性功率线的交点处的功率，如图21。显然，皿越大，功放的线性度越好。213交调干扰圪T翘PJDBM图21功率放大器的输入输出特性若Q彳COS，为一弱的有用信号，S2A1MCOSWMTCOSW2T是一强干扰信号，即输入信号F而是，代入公式22中，展开后有用信号基波分量为毛么乏3K，彳31MCOS矿C。SWLF，可见基波分量的幅度包含了干扰信号的幅度变化，这表明干扰信号的幅度调制信息转移到了有用信号的幅度上，如果有用信号也是幅度调制信号，经过幅度解调后将会听到干扰台的串话音，这就是交叉8功率放大器的基带预失真方法研究调制失真。22功率放大器的非线性模型为了便于从理论上探讨功放的非线性特性，有必要对不同种类的放大器进行数学建模181。功率放大器的非线性特性主要表现为AMAM特性和AMPM特性，功放的非线性模型可以分为无记忆模型和有记忆模型，在这一节中，我们首先介绍了无记忆功率放大器的非线性模型。22IAMAM和AMPM模型假设不考虑记忆效应，只考虑输出信号的幅度和相位失真，即AMAM和AMPM变换。如果用串联方式表示功放的AMAM和AMPM变换特性，即可得到极坐标形式的非线性模型例。设输入信号形FVTCOSWT矽T，该信号通过非线性功放时，得到输出信号圪F厂矿FCOSWR矽FGY，26ZT中厂矿R和GYF分别被称为AMAM和AMPM特性函数。通过对式26所示的极坐标非线性模型的变形，可以得到正交形式的模型，从而避开了较复杂的AMPM转换特性。圪F厂YFCOSGYFCOSWFR一厂矿FSINGYFSINWTQKT27式27可以写成如下的正交形式圪，Y，COSWF矽F一QYFSIILWF，28其中，矿，Y，COSGYF，QY，厂矿，SINGY，222级数展开非线性模型对于非线性系统，可以通过各种基函数对其进行展开，进而得到简单描述的参数模型，这样可以提高运算的速度。2221多项式级数模型AMAM特性函数厂YF和AMPM特性函数GY，可以用幂级数展开如下第二章功率放大器的非线性原理9厂YF岛Q矿F乞矿2FCKV足F29G矿F死口TLVTTB2V2F九YF210其中YF是输入信号的幅度，CO，Q，C足】和【唬，孬，丸】分别为AMAM与AMPM特性的幂级数系数，K和L为非线性响应阶数。2222SALEH模型SALEH模型【201主要是用于描述行波管功率放大器TRAVELINGWAVETUBEAMPLIFIER的经典模型，其AMAM特性和AMPM特性都可以表示为以下两式巾2南2G，2为亿12其中各个参数的典型值为口P21587，40033，屏11517，岛91040。其AMAM和AMPM特性曲线如图22所示。05008060402O、。、AMAM00。5115225归一化输入信号幅度厂AMPM005115225归一化输入信号幅度图22SALEH模型的AMAM和AMPM特性曲线2223GHORBANI模型GHORBANI模型比较复杂，AMAM和AMPM特性分别可以用函数表示为魁馨妒妲丑簿甚1日I勺巴V漤喾攀娶丑簿LO功率放大器的基带预失真方法研究厂，再P乜LRP，2万P4，213G，薷T94，2_其中奶，仍，扬，致】和K，Q，Q3，Q。】是由实际功放的工作状态决定。2224RAPP模型RAPP模型是专门用于固态功率放大器SOLIDSTATEPOWERAMPLIFIER的经典模型。其特性就是当输入功率小于饱和点的时候可以近似的认为工作在线性区，其相位失真几乎可以达到忽略的程度，所以只需要考虑幅度失真，即AMAM特性。SR，215其中S是光滑因子，光滑因子是用来衡量实际功放非线性失真的程度，S越大，非线性失真越大。典型的取值为【2，3】，在这个范围内曲线非常接近实际功放的工作特性。根据上式描述的RAPP模型，我们可以画出图23所示的功放AMAM特性曲线。少J一K。一，一，一一。一，一一一J一一一，一，7，J，移，夕F7S2一S5S100020406081121416182输入信号幅度图23RAPP模型的特性曲线，987654321O00OOOO00O瑙兽咿妲罚薅第二章功率放大器的非线性原理23功率放大器线性化技术概述根据21节内容可知，功放非线性会引起非线性失真，导致信号发生畸变，降低系统性能。因此，为了兼顾系统性能和功率效率，需要采取一定方法来补偿放大器的非线性，减小放大器引起的非线性失真。目前，存在着多种补偿放大器非线性的方法，常用到的方法有功率回退法、前馈线性化技术、负反馈线性化技术、LINC技术、预失真技术。每种方法的目的都是为了在保持较高发射效率的同时，获得较好的线性输入输出特性。231功率回退法为了降低功放的非线性失真，一个简单的办法就是功率回退法。直观地讲，功率回退法就是降低功率管的实际工作功率，使放大器由饱和区域退回到线性放大区域，以得到更好的线性化特性。在输入等幅双频信号的情况下，功率放大器在LDB压缩点的三阶互调系数为2375DBC。进一步分析可以发现任意输入功率的三阶互调系数【191为IM320192P,一2兄脚一2375DBC216由上式可见，输入功率回退LDB，则眦可以改善2DB。当功率回退到使得姒达到40韶以下时，继续回退将不再改善放大器的线性度。因此在线性度要求较高的场合，完全靠功率回退是远远不够的。功率回退法的优点在于简单易行，能比较好的改善功放的线性度。缺点在于线性度的改善是以牺牲输出功率和效率为代价换来的，从而使功放的实际利用率大大降低。232负反馈法负反馈法【19】【211通常用在较低频段来改善功率放大器线性度。负反馈法的原理是将微波功放的输出信号耦合出一部分送入反馈网络后在放大器的输入端产生反馈信号，该反馈信号与放大器原来的输入信号共同控制放大器的输出。其原理框图如图24所示12功率放大器的基带预失真方法研究图24基本反馈法原理图前向通路是一个增益为G的非理想放大器，反馈通路系数为1K，当一个输入信号为M，时，它将产生一个误差信号心F，F经过放大器输出VOF，由此可得下式KFVTVOTX217屹，吼，218放大器的闭环增益G可表示为G生219。KG由于G远大于K，所以，1O，GCHF，即输出端的信号输入端的K倍，系统达到了线性化放大的目的。233前馈法前馈法【22】【231从基本思想上来看其完全是反馈法的反相运用，所不同的是前馈法是在输出端进行幅度校准。最基本的前馈放大器原理如图25所示，它由两个回路组成失真信号提取回路I和失真信号消除回路II。延时线合成器衰减器移相器辅助功放图25前馈法原理框图回路I是由功分器、主功率放大器、定向耦合器、衰减器、移相器、延时线和合成器组成。输入的RF载波信号经功分器后被分成上下两支路信号，调节延第二章功率放大器的非线性原理时线和衰减器的值；使得上下两路信号幅度相等，相位相差180。，从而抵消载波信号，在合成器的输出端可以得到只有失真信号。回路111是由延时线、误差信号放大器、衰减器、移相器和合成器组成。该回路也有两条支路构成上支路将主功率放大器输出的载波信号和失真信号经过延时后送入合成器；下支路将回路I提取的失真信号进行放大、移相后也送入合成器，调节衰减器和移相器，直到合成器输出的信号中失真信号很小，此时输出的信号就有很好的线性度。前馈法的优点是经过校准以后前馈线性化电路系统的性能比较稳定，提高了功放的线性度。缺点在于电路系统结构比较复杂，器件很多，成本较高，而且前馈法的困难还在于必须要对两个回路中的相位、幅度值进行校准。234LINC法LINCLINEARAMPLIFICATIONWITHNOILLIILEARCOMPONEMS线性化技术【22】【231的基本思想是信号分量分离器将输入信号分解成两个幅度恒定已知相等的分量，由于两个分量幅度已知且相等，非线性功率放大器的幅度增益和相移也已知且相等，所以经过非线性功率放大器的两个分量只需要进行必要的相移校正后合并就可以得到无失真信号。其原理框图如图26所示图26LINC法明原理框图假设输入信号为SF口FCOSWR矽，220该信号被信号分离器分成具有相同幅度的两路信号而，口MCOSWR矽F，221F口MCOSWH矽，一，222其中2S，FSF，FARCCOS口F，从上面分析可以看出，要14功率放大器的基带预失真方法研究从输入信号中分离出F和是，信号是比较困难的。LINC技术对两条路径中的信号尽量一致，这要求两个功率放大器支路要基本相同，而其对合成器的效率要求高。因此，这并不容易做到，实现起来难度较大。235预失真法预失真技术【矧就是人为地加入一个与功放失真特性相反的网络，使之与放大器的特性互补，从而达到线性化功放输出的目的。其原理框图如图27所示图27预失真技术原理图预失真器的设计一般是需要功率放大器的非线性特性参数，预失真技术的主要工作就是通过一定的算法直接或间接地获取放大器的非线性特性，然后利用所得的放大器参数对输入信号进行预失真处理，补偿放大器的非线性失真使输出为线性输出。目前，基带预失真是一个发展方向，其优点是可以利用数字信号处理技术对放大器输出反馈的信号数据进行处理，用软件来实现非线性补偿。预失真技术发展到现在，出现了多种设计预失真器的方法，如查找表LUT方法【7】【8】【15】【25】【261、多项式法【11】【12】【14】【16】【171和神经网络法等等。下面两章将基于无记忆放大器模型和有记忆放大器模型对查找表法和多项式法进行详细的分析。24本章小结本章首先简单地说明了功率放大器非线性失真的含义，分析了功率放大器非线性特性，对非线性造成的谐波失真、互调失真和交调干扰进行了详细的阐述，并给出了非线性特性指标。其次介绍了无记忆功率放大器的非线性模型，给出了几种模型的特性函数。最后介绍了几种常用的功率放大器线性化技术的原理和特点，其中预失真线性化技术是后面两章所要研究的线性化方法，为后面的研究奠定了基础。第三章功率放大器的无记忆非线性预失真15第三章功率放大器的无记忆非线性预失真31引言预失真技术是补偿放大器非线性失真最好的方法之一，可以在数字域基带实现，也可以在模拟域基带、中频、射频实现。射频预失真具有电源效率高、成本低等优点，但由于需要使用射频非线性有源器件，其控制和调整都较为困难，而基带数字预失真技术不涉及难度较大的射频信号处理，只在低频部分对基带信号进行补偿处理，便于采用现代的数字信号处理技术。基带数字预失真技术主要分为两大类一类是基于查找表的方法【丌，即通过建立一个查找表来抵消功率放大器的非线性，查找表的内容和放大器的非线性特性相反，采用查找表预失真技术可以达到较好的线性度；另一类是基于多项式的方法【L引，即利用一个与功率放大器非线性特性相反的多项式函数来抵消放大器的非线性，这种方法由于参数较少，所以容易初始化和实时修正。本文重点介绍了基于查找表方式和基于多项式方式的预失真技术。3,2查找表预失真方法查找表法预失真技术是目前最为流行的一种预失真线性化技术，其基本原理是将放大器的输入功率或幅度作为查找表的索引指针，把功率放大器的预调整值存储在查找表中，工作时根据输入信号的功率或幅度查找其对应的预调整值，并对输入信号作相应的调整，以达到线性化的目的【25儿261。查找表技术包括映射预失真法、复增益预失真法和极坐标预失真法。本文主要以极坐标预失真法为例来分析查找表技术对功率放大器的线性化改善性能。321查找表预失真的原理3211映射预失真法该技术鲫通常是一个二维表，信号的实部和虚部分别作为查找表的横向和纵向的地址索引，将其映射成一组新的正交分量，用函数来表示为T甩E_力，而以31咤力呢巧力，XQN3216功率放大器的基带预失真方法研究其优点是无需对信号进行转换，减少了信号转换时引入的误差并降低了预失真设备的复杂度。但采用该技术实现的预失真表项数目巨大，所需要的表现数目可用222计算，为系统的分辨率，也是数字的量化精度。因为表项比较大，故查找表收敛速度慢，表中内容更新时也比较复杂。其原理框图如图31所示图31映射法预失真框图3212复增益预失真法复增益预失真技术是采用一张由同相分量和正交分量组成的复值增益表来实现预失真功能。预失真信号由输入信号和增益的复数相乘产生。若输入信号V卅刀而刀心力，预失真表中的复数增益表示为厂玎石刀刀，输出的预失真信号可表示为屹聆_刀魄疗石聆，Z33相对于映射预失真技术，复增益预失真技术大量减少了表项的数目，加快了预失真的收敛速度，其原理框图如图32所示图32复增益预失真框图3213极坐标预失真法极坐标预失真技术【28】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，根据输入信号的幅度或功率计算查找表的地址来查找相应的增益和相位，把增益乘以输入信号，然后对输出信号进行相位调整得到预失真的输出。用数学函数表示如下第三章功率放大器的无记忆非线性预失真17L屹叫ZI，134ARGF石I屹，1ARGV胁I35J式34、35中，和石代表极坐标预失真的幅度和相位特性，F是预失真器输入信号，而T是预失真器输出信号。因查找表是基于极坐标形式，故需要把预失真器的输入信号和正交解调的输出信号的直角坐标形式转换成极坐标的形式，所以同映射预失真技术相比，该技术需要较多的计算量，增加了系统的复杂性，其原理框图如33所示图33极坐标预失真框图322查找表的建立及自适应算法推导3221查找表的初始化在对信号进行预失真之前，查找表中的幅度增益和相移值首先需要初始化，使得预失真器成为放大器失真的逆，让放大器输出信号与期望信号匹配。由于功率放大器的特性曲线会随着自身的老化、环境温度、所加电压、器件飘移和信道切换等各种因素的变化而变化，所以需要对查找表中的值实时更新。查找表的初始化和实时更新可分为三个步骤【8L第一步首先最重要的就是通过功率放大器的输入信号和输出信号估计出功放的AMAM特性和AMPM特性，因功放的输入信号和输出信号是已知的，所以可以得出其AMAM和AMPM特性。假设查找表大小为，表中两个相邻电平值的差为，和分别是功放输入信号电平的最大最小值，则A一圪IN36根据上述理论可以建立一个功放特性的3大小的估计表表的第YU是输入信号的幅度或功率，它们是等间隔的为；第二列是放大器的输出信号幅度或功率；第三列是放大器的相移角度；第二、三列的输出都是相应于第一列的输入18功率放大器的基带预失真方法研究信号幅度或功率。第二步通过图34可以形象地说明，设放大器输入功率是兄，根据功放的非线性曲线可以得出放大器的输出功率为，但所希望的理想线性输出为一。如果要使输出功率为一州，正确输入信号的功率为圪一州，因而在预失真过程中只要把原来的输入功率已调整到圪一，再修正巴的相位，就能够得到线性放大。输出功率圪兄一输入功率图34预失真概念模型根据上述理论来初始化查找表内容1根据输入功率圪，计算出理想线性放大器的输出功率为耐。2根据第一步建立的功放特性的估计表，可以找出与耐最接近的放大器输出功率值匕田，同样可以根据匕州得出放大器的输入功率砭一州及相应的相移。所以可以将圪调整到露一川，同时修正相位，D即对应得查找表中值为量笋EXP一。加从图34中可以看出，如果理想线性功放的输出功率超过了放大器的饱和点，输入功率就不能完全纠正它的非线性，只要不大于放大器的饱和点，都可以通过预失真器校正【71。虽然整个系统还存在一定的失真，但非线性失真程度已大为减小，随着查找表容量大小的增加，量化误差的减小，非线性失真将会大大降低。第三章功率放大器的无记忆非线性预失真19第三步完成前两步以后，预失真器可以高效地进行工作，但由于功率放大器的特性曲线会随着自身的老化、环境温度、所加电压、器件飘移和信道切换等各种因素的变化而变化，所以还需要对查找表中的值进行自适应预失真处理【291。3222自适应算法的推导预失真器的作用就是使其与功率放大器的联合特性达到一个恒定的常数足，即理想的线性增益。自适应估计器实际上是通过不断比较输入信号圪和从反馈环路得到的测量信号圪的差值来更新查找表的内容，其中圪是由放大器的输出信号经过下变频正交解调及延时得到。自适应估计要使放大器的输出信号与理想的已调信号之间的误差最小假设理想的线性增益KI。圪一V厢37。A研口厢假设预失真器的特性函数为F，则预失真器的输出为圪圪FI圪1238假设放大器的非线性特性函数为G，则放大器的输出为圪圪G1圪1239其中公式38中，圪，分别表示预失真器的输入和输出信号，公式39中，巧，圪分别是放大器的输入和输出信号。根据公式37，38，39，可写为圪，G降F12圪3O为了有效地比较和更新查找表，把式310写成极坐标形式IIEXPARG311由于功放的幅度特性和相位特性是相互独立的，因此，其幅度误差和相位误差可分别表示为也1圪11Z13一12见ARGV,ARGV,313为了补偿放大器引起的失真，可以利用递归的线性收敛使式312，313的误差最小化。预失真器的特性函数F存贮于查找表中，查找表由幅度表K和相位表沙组成，自适应估计的递归方程18】【301【311如下K附LK。一墨314川，一咆3153。23仿真结果及分析第三章功率放大器的无记忆非线性预失真2L除了传输信号所受到的非线性影响，星座图有了明显的收敛，每个接收点都比较接近理想星座图。A16QAM预失真后的解调星座图B图36预失真前后的解调星座图图37是信号经过预失真器后，功率放大器输出信号的功率谱密度的改善情况。从图中比较经过预失真器PD和未经过PD的功放输出信号的功率谱密度，可看出邻近功率谱密度由失真时的20DB改善到40DB，这说明了查找表预失真法大大降低了功放引起的带外频谱扩展，减小了邻近信道干扰。01020330蜊粪一40褥雷，SOURCEPASSPDIWITHOUTPD7。JK、QL乳铤。嘞懒帆、盐蛳掀蛾加A童；魏J啊哆_始M露向受懒啦晴嗽，1；”霄图37查找表法预失真前后功放输出信号的功率谱密度图38是不同尺寸查找表预失真后的功放输出信号的功率谱密度图，查找表的尺寸分别为8，32，64，128。由图可见，当查找表的尺寸比较小时，由于量化功率放大器的基带预先真方法研究误差比较大，预失真性能受到限制随着查找表大小的增加，量化误差减小，线性化性能得到了提高。从图中表的大小为“和128的功率谱密度图可以看出当表的大小增加到一定程度时，性能将不再提高，基本上与原始信号重叠。由于查找表的表项是独立收敛的，因此随着表项的增加，查找表内容收敛的时问也随之增加。331理论分析图38基于不间太小的查找表的预失真性能圈33分段均匀量化的查找表预失真对于预失真表项的最优分布，应同射频功放的非线性变化程度成正比”，也就是在非线性比较严重的区域应当采用较多的表项，而在非线性特性不明显的区域可以采用较少的表项。图39是323节仿真所采用的1WT功放的功率增益曲线，把曲线分为三段五。是和S。从图中可见S，是区域非线性失真比较严重而且墨区域非线性变化较量区域更剧烈，所以需要较多的表项；而S，区域非线性变化比较平缓，并且输入信号功率超过了饱和点功率，从3221节的分析可知，输入信号不能完全纠正它的非线性失真。尽管把输入功率分为三段，且每一段分配的查找表空间大小不一样，但是在每一段的区域中，输入功率是均匀量化的。由于表项的地址索引是通过输入信号凰一，N锄啪邋一。，。I；如。心舶勘舶的功率来完成的，导致输入信号幅度较小时表项分布较疏而幅度较大时表项2夸较密，而分段后所分配的查找表在小功率输入信号时的空间较大，所以对由功率作为地址索引所造成的影响有一定的改进。导4毫X图39”矿RA功率增益曲线分段图332仿真结果及分析现在来仿真分段均匀量化查找表法的性能，并与32节在整个输入信号区间内均匀量化的查找表法性能相比较。仿真条件与323节的仿真条件一样。其中S区域查找表大小为28，岛区域查找表大小为3，岛区域查找表大小为10图310是基于分段均匀量化查找表法的输出信号功率谱密度图，并与在全段均匀量化查找表法的性能进行比较。从图中可见，查找表大小同为32，基于分段均匀量化的查找表法较32节的方法，性能得到了提高，邻近信道干扰降低了约5DB，并且与32节查找表大小为128的输出信号功率谱密度很接近。24功率放大器的基带预失真方法研究图310基于分段均匀量化查找表法的性能图34多项式预失真方法341多项式预失真原理任何无记忆放大器的特性均可用一个无记忆的多项式来模拟，预失真器具有放大器非线性特性的逆特性，同样也可以采用无记忆的多项式来表示【12】【16】【331。从第二章可知，偶数项所造成的互调失真分量会落在频带外，严格的带通滤波器可以完全消除偶数项所造成的失真，因此只需要考虑放大器的奇次项引起的非线性失真，所以预失真器的特性函数可以用奇次多项式来表示。我们首先给出多项式预失真器的原理图【111，如图311所示图311多项式预失真原理图设输入的正交信号为V拼一十盹，通过RP转换成极坐标形式V掰RE口，第三章功率放大器的无记忆非线性预失真25则相应的预失真器输出信号为屹RDE,声G畋掣316在公式316中，函数F和甲分别是预失真器的幅度和相位特性的多项式，是功率放大器特性的逆。，石六露左工一。露1VR墨317甲J3R3墨一L肛1P7318在公式317，318中，哆，拼，蠢，L。1R，PV1，屹，薯，K_R，矿，五，石川R，尸【，NR。为了使功率放大器线性化，则函数F名和V“应满足公式319，320。GF口319甲西F厂胛0320在公式319，320中，口为期望放大器的幅度增益，是一常数，G和分别是功率放大器的幅度和相位特性函数。342基于LMS自适应算法我们首先给出LMS算法的原理推导061为了得到最佳的预失真器系数向量V和P，要使下式两个均方误差函数最小。JLVE口一G矿FR，2321以尸E哆P丁彤2322按照LMS迭代算法，系数向量V的迭代公式为K。K一胛矿以圪圪ITRG。曙母口一G曙哆323在公式323中，是一个正常数的步长因子，应选择足够小，以保证算法的稳定性和收敛性。G表示G的导数，因为G名在工作区域是一渐增的接近于月牙形的瞌线，所以G杉墨可以近似为1瑚，则公式323可以写为功率放大器的基带预失真方法研究圪。圪髟口二G嘭髟324系数向量尸是依赖于向量矿的收敛的，最佳是使相位预失真与放大器产生的相位偏移正好抵消。利用LMS算法，同理有最。只Y一髟一彤325在公式325中，Y也是一个正常数的步长因子，应选择足够小，以保证算法的稳定性和收敛性。343仿真结果及分析使用MATLAB工具对上述多项式预失真方法进行实验仿真。仿真条件和查找表方法相同，输入功率回退为5DB。幅度和相位预失真多项式采用三阶多项式，且只含奇数项。仿真中也只考虑功率放大器的非线性影响，预失真器与功率放大器之间的AD变换器、低通滤波器和上下变频器等部分不予考虑，当作线性结构处理。图312是16QAM调制信号在多项式预失真前