[硕士论文精品]ofdm系统的线性化技术

摘要摘要本文主要研究了正交频分复用0FDM系统中的预失真线性化技术。OFDM技术作为一种高速率信号传输技术具有很多突出的优点。但是由于OFDM信号具有高的峰平比，使得它对功率放大器的非线性特别敏感。为了减小功放对0FDM信号产生的非线性失真，提高其功率效率，就必须对功放的非线性进行补偿。为此人们研究了许多功放的线性化方法如功率回退法、前馈法、负反馈法、LINC法和预失真法。本文详细讨论了线性化技术中的基于查询表法、曲线拟和以及多项式的预失真技术，通过计算机仿真，对它们的效果和可行性进行了比较，验证了其对无记忆功放非线性补偿的效果。最后本文对有记忆功放的预失真和前馈预失真作出了展望，指出今后功放线性化技术的发展趋势。关键词正交频分复用峰平比非线性失真自适应预失真ABSTRACTABSTRACTTHEPREDISTONIONM血EOFDMSYSTEMISMA瑚YCONCEMEDIN廿LISPAPEROFDM，AM曲RATETRANSMISSIONWJ也MANYOUTS纽1DINGADV赶虹曙ES，HASONEDISADVANTAGEITSHASAHI曲PARAMALES0FDMVERYSE璐ITIVET0THENOMINEARITIESOFAMPLMERTOMITIGATETHENOILLINCARITYDISITONIONSTOOFDMSI萨ALANDIMPROVEPASEMCIENCY，ITISNCCESSARYTOCOMPENSATENLENONLINEARITIESIIMODUCEDBYT11EAMPLIFIERFORTLLISPURPOSE，ALOTOFLINEARIZATIONMETLLODSHAVEBEENINVESTIGATEDINCLUDINGBACKO皿FEED姗ARD，FEEDBACK，LINCANDPREDIST0击0NNLISP印CREXPLORCSADAP吐VEPREDISTONIONBASEDONLUTANDPOLYNOMIAL锄DHPANOILLINEARCHARACTERISTICCURVEINDETAILTHROU曲COMPUTERSIMULATION也EIRP刊O撙LANEESISANALYZEDANDCOMPARED；MERESULTSSHOWTHEIRVALIDIQTOCOMPENSATET11ENONLINE撕TIESOFAMPLMER诵THOUTMEMORYATL髂T，PREDI咖NIONOFHPAWITHMEMORY姐D也EME吐10DOFFCEDFBNV盯DCOMBHLEWINLPTEDISTORTIONSISMENTIONEDAND也ETEL砸朝CYOFTHELINE撕ZATIONDEVELOPMENTINTLLEFUNLREISPOIMEDOUTKEYWORDOFDMPAPRN0NBNEARDISTOLTIOADAPITIVEP阳DISTONION创新性声明Y8590毒本人声明所呈交的论文是我个人在导师的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，论文中不包含其它人己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己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，本人承担一切相关责任。本人签名蟀聋垒日期卿6与7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。本人保证毕业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。学校有权保留送交论艾的复印件，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。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7、7日期沙种F弓、F导师签名2邈日期邂盛垒拉第一章绪论第一章绪论OFDMOMLOGONALFREQLLENCYDIVISIONMUJ卸LEXING是一种高速传输的多载波系统。由于它具有易均衡、频谱利用率高、对多径效应、脉冲噪声和快衰落有较强的抵抗力等优点而受到广泛关注。然而OFDM的传输符号是多载波的QAM，QPSK信号经过IFFT处理后得到的结果，由于这种处理是线性相加的关系，当IFFT的输入中存在相位致的某些点时必然有较高的峰平比，因此会产生很大的包络起伏，故对发射机中的放大器的线性度提出了非常高的要求，这就使得OFDM系统中的线性化技术研究成为了一个研究热点。110FDM系统简介111O剪IDM的历史及应用采用多载波传输的最初目的是要克服GSTNGENE蹦SW|TCHEDTEL印HONENE似ORK传统的电话线路中因信道特性不理想对信息传输产生的影响。后来发现，对其它非理想信道如具有频率选择性衰落的无线信道，多载波传输也具有较好的性能。又由于近年来数字信号处理技术和大规模集成电路技术的发展，使得多载波技术应用于无线环境也成为可能，故近年来对多载波的代表OFDM技术的研究也成为热点。OFDM的历史可以追溯到60年代，CHANG首先提出了在有限带宽信道上无码间干扰和载波间干扰的并行传输数据的方法。SALTZBERG对该方法进行了分析，并指出在该系统中干扰主要来源于相邻的子信道，这一预见在后来的数字基带信号处理中得到了证明。WBINSTEIN和EBERT对0FDM作出了个重要贡献，首次提出用离散傅立叶交换PFT来实现唧M的基带调制和解调。为了消除载波间干扰ACL和稽号间干扰ISI，该方案使用了保护时间和升余弦窗函数。1980年，PELED和RUIZ对OFDM作了重要改进，提出使用循环前缀CYCLICPRELIX来解决正交性问题。后来，WYZOU对0FDM的原理和实现方案进行了概括总结。OFDM技术良好的性能使得它在很多领域得到了广泛的应用。欧洲的DAB系统使用的就是OFDM调制技术。试验系统已在运行，很快吸引了大量听众。它明显地改善了移动中接收无线J广播的教果。用于DAB的成套芯片的开发正在一项欧洲发展项目中进行，它将使0FDLM接收枫钧馀格太大降低。当前国际上全数字高清晰度电视删坳髂输系统采用的调制技术中就有0FDM，欧洲HDTV传输系统已经采用COFDMCODEDOFDM技术。它具有很OFDM系统的线性化技术高的频谱利用率及很强的抗干扰能力，能满足电视系统的传输要求。在无线局域网领域中，1999年MEE802。NA通过了一个5GHZ的无线局域网标准，其中0FDM调制技术被采用为它的物理层标准。ETSI的宽带射频接入网BRA的局域网标准也把0HM定为它的调制标准技术。同时，人们也集中精力开发OFDM技术在移动通信领域的应用，预计第三代以后的移动通信的主流技术将是0FDM技术。若以技术层面来看，第三代移动通信系统主要以CDMA为核心技术，第四代移动通信系统则以OFDM最受瞩目，特别是有不少专家学者针对0FDM技术在移动通信技术上的应用，提出相关的理论基础。随着IEEE80211A协议、ETSIBRANBROADB鞠DRADIOACCESSNCT、VORK和多媒体应用的引入，无线通信领域已经为OFDM技术的应用做好了准备。世界各国许多大公司、研究团体已经充分认识科。OLM技术的应用前景。1999年，在WILAN、PIPS等公司的邀请下，来自世界六十多家公司的一百多名代表经过讨论成立了一个世界性的组织OFIM论坛，专门讨论OF跳L在技术上、市场推广上的各方面问题，从而进一步推动了OFDM技术的商用化。112OFDM系统的原理图卜LOFDM信号产生与臻收原理圈与传统的ASK、PSK、FSK等多种串行数字调制解调方式不同，OFDM是一种赢效并行调制技术，箕基本原理是将数据流分散到许多个子载波上，使各子载波的信号速率大大降低，从两能够提离抗多径瓤抗衰落的能力。为了提高频谱利用率，OFDM系统中各子载波频谱有L，2重叠，但傈持相互芷交，在接收端通过相关解调技术分离出各子载波，同时消除码间干扰的影响。第一章绪论0FDM信号可以用复数形式表示为一LSFD。RP“11月0式中绋珂曲为第N个子载波角频率，以，为第N个子载波上的复数信号。在一个符号期间上为常数，则有办R以12若对信号进行采样，采样间隔为T，则有S七D假设一个符号周期R内含有个采样值，即TNTOFDM信号首先在基带实现，然后通过上变频产生输出信号。可令O，则13式可简化为一LS耵以EM”131_4因此，基带处理时卜5将上式与离散傅立叶反变换，IDFT形式肿即2薹151静噶乒“”1_6相比较可以看出，若将着作额辜罴棒信号囊则菊褥霾的时域信号。若令11，去二17。7F7则式15和式16相等。与此可见，若选择载波频率间隔LH，则0FDM信号不但保持各子载波相互正交，而且可以用离散傅立叶变换DFT来表示，如图1一1所示可见，OFDM信号是通过基带处理来实现的，不需要振荡器组，从而大大降低了OFDM系统实现鲋复杂性。0FDM允许各载波间频谱互相混叠，采用了基于载波频率正交的FFT调制，由于各个载波的中心频点处没有其他载波的频谱分量，所以能够实现各个载波之间互相正交。尽管还是频分复用，但已与过去的频分复用饵DMA有了很大的不同不再是通过很多带通滤波器来实现，而是直接在基带处理，这也是OFDM有别于其他系统的优点之一。1。OFDM的接收机实际上是一组解调器，它将不同载波搬移至零频，然后在一个码元周期内积分，其他载波由于与所积分的信号正交，因此盯础一南OFDM系统的线性化技术不会对这个积分结果产生影响。_一黼潲。一_一彤M巡城0102040懿6070图卜2各个子载波正交性在对域的体现0FDM信号由N个信号叠加而成，每个信号频谱为S沁呶函数并且与相邻信号频谱有12的重叠，如图13所示。图卜3OFDM信号各予载波正交性在频域中伪体现113OFDM的优缺点OFDM技术之所以很受重视，是因为与传统鹩单载波传输系统相酷二，OFDM传输系统有如下一些主要优点1抗脉冲干扰。OFIM系统抗脉冲干扰的能力比单载波系统强很多。这是因为对OFDM信号的解调是在一个很长的铃号周期内积分，从丽使脉冲噪声的影响得以分散。事实上，对脉冲干扰有效的抑制作用是最初研究多载波系统的动机之一。提交给CCITT的测试报告表明，能够引起多载波系统发生错误的脉冲噪声的1S0晤1嘣。嘣圳第一章绪论门限电平比单载波系统高11DB。2抗多径传播与衰落的性能好。OFDM系统把信息分散到许多个载波上，大大降低的各子载波上的信号速率，使符号周期比多径迟延长，从而能够减弱多径传播的影响。若再采用保护间隔和时域均衡等措施，可以有效降低符号间干扰。实际上，无线信道的频域脉冲响应曲线大多是非平坦的。而OFDM技术的主要思想就是在频域内将给定信道分成许多正交子信道，在每个子信道上使用一个子载波进行调制，并且各予载波并行传输。这样，尽管总的信道是非平坦的，具有频率选择性，但是对于每个子信道来说是相对平坦的，在每个子信道上进行的是窄带传输，信号带宽小于信道的相应带宽，因此就可以大大消除信号波形问的干扰。由于在OFDM系统中各个子信道的载波相互正交，于是它们的频谱是相互重叠的，这样不但减小了子载波间的相互干扰，同时又提高了频谱利用率，一举两得。3频谱利用率高。在传统的并行通信系统中，整个系统频带被划分为N个互不混叠的子信道，每个子信道被一个独立的信源符号调制，即N个子信道被频分复用。这种做法，虽然可以避免不同信道互相干扰，却是以牺牲频带利用率为代价，这在频带资源如此紧张的今天尤其不能忍受。后来，人们又提出了频带混叠的子信遒方案，信息速率为A，并且每个信道之间距离也为AHZ，这样可以避免使用高速均衡和抗突发噪声差错，同时可以充分利用信道带宽。为了减少各个子信道间的干扰，我们希望各个子载波间正交。这种“正交”表示的是载波的频率间精确的数学关系。如前所述，传统接收所需信息在这样的接收机下，具有保护频带的频分复用的载波频率之间有一定的保护间隔，通过滤波器隔不同载波频率，这样就使频谱的利用率大大降低。OIDM不存在这个缺点，它允许各载波间频谱互相混叠，采用了基于载波频率正交的FFT调制，由于各个载波的中心频点处没有其他载波的频谱分量，所以能够实现各个载波之间互相正交。尽管还是频分复用，但已与过去的频分复用FDMA有了很大的不同不再是通过很多带通滤波器来实现，而是直接在基带处理，这也是OFDM有别于其它系统的优点之一。0FDM的接收机实际上是一组解调器，它将不同载波搬移至零频，然后在一个码元周期内积分，其它载波由于与所积分的信号正交，因此不会对这个积分结果产生影响。12O尚M系统的峰平比问题跟州4DQPSK，QAM等频谱效率高的调制方式一样，0FDM也存在包络不恒定的缺点。1。而且相对于单载波系统而言，OFDM系统的主要缺点之一是峰平比很高，因此会对放大器的非线性失真更加敏感。OFDM系统的线性化技术我们先介绍一下峰平比。设一个OFDM符号的持续时间为TS，则在区间TO，TSL内，基带信号可以表示为婶击篓4E嘶等R18其中4为第K个子载波上的数据，设4是均值为零，方差为口2E“412】的独立同分布的随机变量。我们定义基带OFDM信号的功率峰平比为信号的最大峰值功率与平均功率的比值，即MAXL5FL。删尸尺坚竖生19研SF门、其中MAXJF12为信号的最大峰值功率，QLSO12】为信号的平均功率。信号的功0日S率峰平比说明信号功率峰值起伏的大小。由于信号在IFFT变换前后功率保持不变，所以变换后信号的平均功率也为矿。我们定义峰值因子CRESTFA曲OR筒记为CF为印厕1一LO由于发送的数据在频域充分的随机化，因此0FDM信号可以认为是独立同分布的随机变量的线性组合。当子载波数目很大时，由中心极限定理可知，OFDM信号近似服从复高斯分布。OFDM信号时域上表现为N个正交子载波信号的叠加，当这N个信号恰好均以峰值点相加时，OFDM信号也将产生最大峰值，该峰值功率是平均功率的N倍。因_IH，OFDM信号有缀高的PAPR。尽管峰值功率出现的概率很低，但为了无失真地传输这些高峰平比的OFDM信号，发送端对高功率放大器OPA的线性度要求很高且发送效率极低。接收端对前端放大器以及AD变换器的线性度要求也很高。因此，高峰平比所导致的放大器的非线性失真问题使得OFDM系统的性能大大下降，甚至直接影响实际应用。13放大器的线性化技术放大器的非线性失真主要是由于两个方面引起的。第一，为提高放大器的功率效率，提供足够高的输出功率和实现最大输出，一般采用AB类功率放大器，允许放大器工作于非线性区甚至饱和区的附近。第二，传输系统存在较大的峰平比、基带变频器的相位噪声、限制多载波幅度范围所引起的桷位嗓声、基带信号同相和正交部分的不平衡所造成的影响。可见，OFDM传输系统存在引起第二类非线性失真的原因，所以对OFDM系统的放大器线性化技术的研究就显得十分必要。第一章绪论放大器的设计存在线性度和效率之间的矛盾，传统的线性放大器都是利用牺牲电源的利用率来换取线性度的提高。一种更有效同时也兼顾放大器的线性度和效率的方法是对放大器进行线性化。所谓放大器的线性化，是指在不降低功放效率的情况下，采用适当的外围电路对放大器的非线性进行补偿，从而在整体上呈现出对输入信号的线性放大效果。最早的线性化技术分别称为前馈线性化技术和负反馈线性化技术“，用来消除功率放大器造成的非线性失真。后来对负反馈线性化技术进行了改进，提出了CARTESI锄负反馈”1，使负反馈技术曾在一段时间内基本代替了前馈技术，但随着通信技术的发展，人们逐渐认识到负反馈技术中的带宽限制和稳定性比较差等缺点不能完全适应通讯技术的发展，对前馈及其它线性化技术的研究又开始进一步发展。20世纪70年代初，DCCOX将移相技术应用到线性化技术中，提出一种称为LINCLINCAR锄PLIFICATION、ITLLNONLINEARCOMPONENTS的技术，LINC主要应用予模拟通信系统中，可以适应幅度和相位都发生变化的信号调制方式，但LINC技术对信号合成器的要求较高。线性化技术发展中非常重要的一步是预失真技术的出现，预失真技术最初应用于模拟通信系统中的射频部分，后来随着数字信号处理DSP技术的发展，预失真线性化技术也可以在数字域内实现，形成数字预失真技术。数字预失真技术既可以应用在数字通信系统的基带部分，也可以应用在射频部分，而且预失真技术还可以利用自适应原理来跟踪补偿功率放大器对于温度、湿度等环境因素改变而造成的误差。总体来说，预失真技术不但可提升发射机的效率、降低成本、缩小体积，亦能有效增加发射机的线性度以提升系统效率与通信质量，是一种适应现代数字通信发展的线性化技术，在现代通信发展中扮演着关键性角色。14本文的主要工作及安排本文主要研究的是OFDM系统的线性化技术。着重研究了基带预失真技术。通过对多个自适应预失真技术的对比，选择了稳定性较好的查表法为研究重点，并在此基础上，对算法进行了改进。最后，针对预失真系统存在的一些问题，提出了相应的解决方法，并对以后的研究方向进行了叙述。论文主体部分总共分为六章，各部分安排如下第一章介绍了OFDM系统的原理，从峰平比的角度出发，详细的介绍了0FDM系统过高的峰平比会导致OFDM系统对大功率放大器HPA的非线性十分敏感，这时对大功率放大器的线性化就显得十分必要。这正是本课题的来源和意义所在。第二章从理论上分析了功率放大器产生非线性失真的内在机理，并通过数学手段分析出了功率放大器的数学模型，并分析出了非线性产生的主要原因和主要0FDM系统的线性化技术的表现形式。接着本章给出了两种无记忆的行波管放大器TWTA和固态功率放大器SSPA的仿真模型，然后分析了放大器非线性失真对OFDM信号的影响，指出采用线性化技术进行补偿的必要性。第三章详细的介绍放大器线性化技术的概念、分类和主要的实现方法，并详细的描述了它们的优缺点。第四章是整个论文的核心部分。这一章先给出了自适应预失真的基本原理，并在此基础上分别用多项式自适应预失真技术、曲线拟和自适应预失真技术、查表法自适应预失真技术对OFDM系统的非线性问题进行了改善。最后选定了稳定性好的查表法预失真技术为研究重点，并对此方法进行自适应改进。第五章对基带预失真技术理论存在的两个问题进行了分析，在此基础上通过有记忆多项式技术和前馈预失真技术对上述两个问题进行了理论上的研究。并在此基础上对线性化技术的应用和发展前景进行了总结。第六章全文总结。第二章功率放大器的非线性研究第二章功率放大器的非线性研究功率放大器位于通信系统发射机的末端，是通信系统中的一个关键部件，其性能关系到整个系统的性能。一个好的功率放大器模型应能预测系统的所有性能。功率放大器模型的研究对OFDM系统的研究和分析具有重要的意义，也是当今0FDM研究的重点之一。研究者们提出了许多的放大器模型”1。根据模拟方法的不同，可以分为物理模型和黑箱模型。物理模型一般基于物理电路和设备级模型，主要用于放大器电路的设计。黑箱模型主要考虑输入输出的关系，适合系统输出信号的失真分析，因此常用于线性化设计中。由于本文主要是研究克服放大器的非线性技术研究，所以在这里主要介绍几种被大家广泛接受的黑箱模型。21引言放大器的模型分为有记忆和无记忆两种。无记忆模型是当前的输出只和当前的输入有关，也就是说，器件的传输特性与频率无关。有记忆模型是当前的输出和当前的输入以及以前输入有关。一般，一个系统的时常数小于最大包络频率的倒数，可以将系统看成一个无记忆系统“1。在基带传输系统中，传输信号带宽远远小于放大器的固有带宽，所以在一般的基带传输系统中，放大器大的记忆特性可以忽略”1。由于本文的主要工作是研究基带预失真技术。所以在这里我们重点进行无记忆非线性系统的数学分析和放大器模型，并在此基础上分析非线性对0FDM系统的影响。有记忆系统的模型分析，我们将在第五章简单介绍。22无记忆非线性系统韵数学分析系统非线性失真的实质就是在系统的输出信号中产生了输人信号中所没有的新的频率分蒙。下面我们就来分析一下无记忆功率放大器的非线性的表现形式一个信号通过无记忆非线性系统后的输出信号可以表示为S。OB。R】啊J瓴QO_FL胁弘万“岳F，R1QFRHDR00FDM系统的线性化技术LLLH2J扛，占R占勺墨FQ_F一如S，FF，PFLDRDQC一S，OC。；FC，S；，2一1其中F和岛F分别表示无记忆非线性系统的输入和输出信号，C是实系数。由于当F3时，足够小，我们因此可忽略第三项以后的部分，将式2一1简化为乳OC。S。FCS，20巳田O22我们可以看到，通过个无记忆的非线性系统的输入输出关系可以用式22形式的多项式来表示。这就为非线性系统酶描述提供了数学模型和物理实现的方法。现在我们来考察一下单啻输入信号S。Q童COS2窟露的失真情况。根据式122可以得到F岛ACOS2荭，五FC江COS2厅五F碍2C3_COS2形丘。并2事。爿2C，爿丢C，43C。S缸。正，圭E么2C。SQ石21正F。2一。，知。一3C08协矗以，我们由式23可以看出输出信号岛F中不仅包含S，的基频以分罴，而且还包含直流寄生分量，二次谐波频率2正分置和三次谐波分量3五等。若输入信号是频率分别为正和正的等幅双音信号，即输入信号为焉O一COS2石力COS2石正F，则根据式22可以得到S。OQ4COS2正矗F士COS2疗，矗F露2和雌靠石F七COS2筇白【COS2口ZFCOS2疗F盱将此多项式展开得到24。我们由式24可以看出对予双音信号输入SF，输出信号矗F中不仅有输入信号只|的基频Z。，五分萋，直流寄生分量，二次谐波频率2，2分量和三次谐波分量，而且还包含二次互调频率士分量和三次互调频率2，2，分量。在工作频带宽小于个倍频的系统中，所有直流及2_，2工，3上，3六，2Z五，2五十石等寄生信号分量都会落在通带以外，并且可以用适当的滤波器将其过滤，所以二、三次互调频率分量才是对整个系统的干扰最为显著的信号分量，也是功率放大器非线性的主要来源。而且我们从上面分析也知道三次互调频率主要是由输入信号振幅的立方项弓L起的，这就为以后我第二章功率放大器的非线性研究E坞E。S协，“一厶H一知43COS陆私H一知爿3COS2厅矗R肌。S一，2，彳一彳爿2COS旧厶”阻51吉C爿2C。S2石2ZR圭C爿2C。S2万一2R詈岛4C。S2石2Z厶，詈巳爿3C。S2石2五知。肌。S防3工F专印。SQ万3F23无记忆功率放大器的仿真模型在本章的引言里我们已经说过当放大器有很大的带宽时，在这个带宽范围内任何相对较小的一部分带宽上，传输特性相对于基带中心看来都是频率独立的。即当输入信号的带宽远远小于放大器的固有带宽时，放大器的记忆效应可以忽略，因此在一般的基带传输系统中，放大器模型均考虑为无记忆型。无记忆模型的推导主要来源于窄带激励测量数据。231无记忆多项式模型丁对LOR级数嗍是分析无记忆非线性系统最通用的工具，同时也是描述非线性系统最通用的数学模型。式22可以直接用来模拟放大器的触AM和黼M特性。一般多是采用两个多项式的级联来分别模拟放大器的幅度和相位特性“，如图21口所示下面用数学手段分析一下有幅度_和相位失真的无记忆非线性，以此来构造无记忆系统的仿真模型考虑一个正弦波输入工F爿COS2考乒26带通无记忆非线性的输出可写为YF厂爿COG2矾F庐G爿27其中非线性增益一指AM，AM变换函数，而G4指AMPM变换函数。考虑一个频谱集中在矗的窄带信号X02OFDM系统的线性化技术工4COS2刀名FF28非线性带通模型的特征通常是用单一正弦波扫频音测量的。但是，实验证明在大多数情况下式42可以一般化，非线性器件的输出可以表示为YF，40COS27鼯FGF29式28中的关系式表征了所谓包络非线性，输出的非线性部分只与输入信号的模一F有关，即幅度失真和相位失真都是输入信号幅度4的函数。式28表示的带通非线性方块模型如图2一1所示。其中图Q是符号方框图，图6是仿真方框图C0“2耐G爿4COS2瓣彬R磊习医函石刁刑COS2稚G巾兰竺II型卿|一RB符号模型B仿真模型圉1舢诅慷M和AM伊M包络非线性方框图由2，2节分析我们知道，主区的信号失真主要是由二、三次互调频率分量引起的，而二、三次互调频率又主要是由多项式中的奇次阶失真引起的。因此可以对多项式进行简化。所以模拟放大器的多项式可以只含奇次项不含偶次项。232固态功率放大器模型固态功率放大器“。是一种重量轻、寿命长、维护成本低、可靠性稳定的小功率放大器。但是功率低的放大器主要特点就是当输入功率小于饱和点时，可以近似的认为工作在线性区，SSPA的相位失真相对较小，几乎可以达到忽略的程度，所以我们只考虑幅度相应失真，及AM，AM变换。第二章功率放大器的非线性研究我们用RAPP“21模型来描述固态功率放大器的AM，AM变换，相应函数是为，倒南并令AMAM的210式中的P是光滑因子，A为输入信号的幅度，一为输出信号的幅度失真函数。根据式29RAPP模型传输函数随P变化的特性曲线如图22所示“8_10IT二二一一一7驴J二一参F“F瞄1缓，籀入填墨幅瘴图2_2归一化的SSPA特性肭线由土_圈秘假可以看出光滑因矛P、值的逐渐增加。T放大器的线性逐渐增强，当PLO时，萁传输函数已经纂鬻接避理想放炎器的健辅响应。丽实际中，为了使放大器的传输模爨藩常接避实际黻炎嚣糟掺链越一般藏科辱光滑因子P的取值范围限定在2到爱宠闻。233行波管放大器行波管放大器是一种真空电子管器件，功率大、工作频带宽。在图像显示和微波大功率放太嬲方面具有绝对的优势一TW可1A的镱输函数枣AMAM失真和AM摩M失囊郝比较明显。我们用SALEH吧攥黎亲播述弱聊陵，S韪K湘模型包涵了DAM失真鼹AM，PM泰褰哪馘令蕊剐V蚴K醚。的橱廉函数和A姗M的相应函数分别是，和烈H，品其中、屈、卿、岛这四个是模型参数，鲋等2_1可以调整这四个参数得到合适的固定4OFDM系统的线性化技术模型。因此，TWTA的非线性特性只依赖于当前信号的幅度，式210分别表示了AMAM和AMPM的转换函数。将式210中的参数设为21587，届11517，40330，岛91040，其放大器的M，AM和AMPM特性曲线如图23所示蜊馨心逛了舞0，；二乞一一一，F矿，厂一420营D罂心JL堡羽10辑输入信号幅度图23归一化的TWLA特性曲线对SALEH模型的洲AM相应函数式210求偏导我们得到当功率放大器的模型输入值是一。L，藏，即输入值达到敲大嚣模型的输入饱和电压时，功率放大器模型取得最巍输港稳压0K“曩，0妇一扭。4；，2T我们在第四章可以看到功率放大嚣最大输出晦压，决定了预失囊绒倥纯方法可惨走的输出最大值，如果功率放大器的输入电匿值对应敷绒性输獭氆炎予劝察放繁嚣躺纛太输出电压值，其非线性失真是不可能通过预失真器补偿的。同理我们可以得至O功率放大器的最大相移为O。A，几。24放大器的非线性失真对OFDM信号的影响在第一章我们已经提封放大器的非线性鲞要是_允许放大器熏作于非线性区甚至饱和区的附近所雩忭蜒的崔拳攀里爨翻也稚譬趱非线性产熊韵形式，我们从式F241中可以看到菲线性酌必小照输火信弩酶幅度黉密甥荚鬟鳅橥传输系统有较大的峰平比，必然会产生较大的非线性失真。我们知道，OFDM系统存在较大的峰平比，而且也存在例如相位噪声、基带信号同相和正交部分的不平衡等，一般传输系统都存在的引起放大器非线性的问题。可见，从理论分析来看OFDM必然会引起放大器的非线性失真，从而会对OFDM系统造成很大的影响，那么这一节第二章功率放大器的非线性研究我们就分析一下非线性对0FDM系统会有什么样的影响。放大器对一般传输信号的非线性影响主要有带内失真和带外失真“”。带外失真表现为信号谱扩展，对邻道产生干扰ACD。带内失真主要表现为信号的幅度和相位产生失真，使信号星座发生偏转，降低系统性能。我们就从带外和带内两方面考察非线性对OFDM系统的影响。我们用MANAB仿真工具进行研究。假设系统的星座模型采用160AM调制，系统采用128个子载波，采用高斯加性白噪声ADDITIVEWHITEGU髂SNOISE简记为AWGN信道，我们取信噪比卧浓为25DB的优良信道，即尽量减少信道噪声对OFDM信号的影响，从而突出放大器非线性的影响。图2416QAMOFDM系统的理想图形图24是没有经过耻A的16Q躺OFDM系统的理想图形。我们在加上A看看会发生什么情况，这里我们采用的是式2一11所示的无记忆SALEH模型，模型中的参数为M21587，西11S17，嘞蕾睾30，国91040从图25中我们可以看到放大器的J掺缝栏特性对检测的信号有两种影响星座扭曲一这是由于相位失囊引起的。这种非线性失真导致在每一个星座点而不是单个点的周围有一群接收值。我们知道数字通信系统接收端的目标不像模拟系统那样是准确的再生被传输波形，而是从受到各种干扰的信号中判决发送端发送的波形。所以，如果发生图251中所显示的云团现象时，必然会使得接收端的误码率急速增加，从而使整个通信系统的性能降低。OFDM系统的线性他技术图25经过HPA的OFDM的星座图下面我们在从频域来看一下功率放大器非线性造成OFDM信号的频带外失真情况。我们选择和上面讨论中相同的条件观测原始信号，得到图Q一6，可以看出，如果不存在干扰，信号具有很好的频谱特性。当我们在传输系统中引入了玎A后，信号就发生了比较明显的频谱扩展。我们还可以看出包络服从瑞利分布，相位服从L一石，石L均匀分布的OFIM输入信号经过放大器后尽管相位仍然【一厅，石1的均匀分布，但已经不在是高斯信号。从下面的仿真图形和分祈结果我们可以看出，放大器的非线性可以破坏整个OHM传输系统。当每个子信道的信号星座是从Q棚星座中获得的话，那么幅度失真和相位失真都会存在。而虽对邻道还会产生干扰，这样势必会破坏整个OFDM各个子载波之间的正交性，这样以来OFDM系统的性能就会有很大的下降。所以对放大器的线性化成为了0FDM能否在实际中应用的关键因素。第二章功率放大器的非线性研究；R。V“LL一瑶姆。FD时崔目L，一、L”。J、一、。、O一二图26信号功率普25本章小结本章首先从理论上分析了功率放大器非线性产生的内在机理，给出了描述功放非线性的性能指标和数学模型。并借助数学方法分析出了放大器的多项式模型，并在此基础上分析出了产生非线性的主要因素。为了方便进行计算机仿真，介绍了三种功率放大器的模型。最后通过MALL，AB仿真，分析了功率放大器非线性对OFDM信号的影响。指出了线性化技术对0FDM系统的重要性。第三章放大器的线性化技术第三章放大器的线性化技术基于OFDM系统对线性化技术的迫切需求，近年来国内外许多科研机构都在进行线性化技术的研究。线性化技术主要有三个方面，降低峰平比技术“、编码技术“。”3、功放线性化技术。其中功放线性化技术效果最好，这一章就简要介绍一下目前主要的功放线性化技术。31功率回退技术功率回退技术是人们最早提出来的功放线性化技术。功率回退法简单来说就是把功率放大器的输入功率LDB压缩点向后回退几个分贝，让放大器工作在小于1DB压缩点的电平上，使功率放大器远离饱和区，进入线性工作区。下面引用两个有用的概念功率放大器输出回退O定义为O四DLOLOG，。屹；。只。31功率放大器输入回退腰D定义为馏O10LOGIOB。圪。，32其中只。和气，。为功率放大器达到饱和时的输入功率和输出功率，只。和巴。为平均输入功率和输出功率。IBO和功率放大器大的特性共同决定了OB0的值。我们可以看出OBO的值可以表征功率放大器的工作状态。OBO的值越大，输入信号的功率就越小，功率放大器的菲线形影响就越小，同时MA的效率就低。我们用功率普图形，考察OBO对OFDM功率谱的影响。如图3一1所示的输出功率回退由上至下分别为16DB，524DB，737DB。可以看出功率回退是一神可行的线性化技术。它简单易行、不需要增加任何附加设备。但是，我们从上述分析可以知道，功率回退法的本质是一种以放大器功效的降低为代价来换取线性化的方法，并且采用功率回退法可能会使放大器在百分之几的效率状态下工作。另外，当线性度要求较高的场合，完全靠功率回退技术是远远不够的。OFDM系统的线性化技术旭LCHPS0E蜘M粕M【J一。鲢。二燃。，。N1H_口HPQMPM。糯岛一黪。、曼礤一”蚺M_“00204N6N8M嘶瑭DF憎QU|，1CY陌删S锄帅J图31带功率回退的OFDM信号的功率谱32包络消除和恢复技术第二章我们研究过，放大器的非线性的大小主要是由于输入信号的包络起伏决定的。所以自然会想到应用限幅“的方法来线性化系统。相对与传统的功率回退技术而言，这种包络消除和恢复技术有这么几个优点它有更高的线性输出功率、更高的峰值效率、以及更宽的输出功率范围。在输出功率比较宽的范围内都有较高的放大器效率，这一点对于在无线系统中有效的利用功率控制是非常重要的，这是由于利用功率控制技术时，放大器往往会在比最大输出功率低很多的状态下工作，例如3G技术申广泛采用的码分多址技术，本身是一个互干扰系统，为了降低手机终端对其他用户的干扰，要利用功率控制技术来调楚手机的发射功率，这类情况下，在输出功率比较宽广的范围内都有很高的效率就显得尤其重要了。而且我们也知道，玎A的特性可以用AMM和MPM变换表征。所以就想到了采用两个放大器，分别单独分离输入信号的幅度和相位，最后将经放大器后的幅度信息和相位的信息结合起来，达到即高效又线性的放大目的。其基本原理如图32所示，对输入的射频信号分成两路进行处理。下支路主要是采用一个限幅器，对输入的射频信号进行限幅处理，使之成为恒定的包络信号进行放大，在这里就可以采用恒定包络的信号进行放大。由于下支路是对恒定包络进行放大的，所以就可以采用高效率的放大器，并且放大的线性度比较高，也可以较好的保留相位信息。而上支路主要由包络检波器组成，先对输入的射频信号进行包络检波，再单独将解调的低频幅度信息进行线性化放大，然后在将放0鲫加加重N岳宅岛P五Z毒。屯告。DL舌M第三章放大器的线性化技术大的幅度信息和相位信息用一定的方法结合起来，达到既高效又线性的目的。射出图32包络消除和恢复线性化技术图331描述的是这种方法的闭环实现模型。上支路采用开关电源放大低频幅度信息，下支路采用开环模式放大器，由于这种放大器的射频输出的包络和它的电源驱动压降直接成比例关系，因此，就可以采用下支路分离出的射频相位信息来作为开关功放场效应管的栅极输入电压，用上支路低频幅度信号的放大电压来直接作为下支路开关功放的电源驱动，这就相当于用它的增量调制射频相位信息，于是就将幅度信息和相位信息从新有机的结合起来了，达到恢复并线性放大原信号的目的。射频放大器的输出到开关电源输入的反馈回路可以保证射频输入和输出之间波形的良好跟踪，来保证幅度和相位的匹配。这种包络消除和恢复线性化技术的主要的优点在于它可以让射频功放总是工作在比较高效的开关模式状态，在输出功率很宽的范围内都有比较高的功率效率。”1。射图33包络消除和恢复线性化技术的闭环实现模型33笛卡尔环路蓐馈技术出后馈线性化方法是一种十分传统而又实用的方法。由于引入了反馈，所以线性化的精度得以提高，人们很早就在这一方面做了大最的工作，许多低频模拟电路的线性化问题也大都采用了这种方法，它也是高频放大器线性化的重要手段之一。后馈方法可以分为直接后馈和间接后馈法。由于直接后馈法是在反馈端让输OFDM系统的线性化技术入输出信号直接相减，输出信号对于输入信号会有一定的延时，因此在信号频谱很高的情况下，这个延时的影响就比较大。此外直接反馈线性化方法的稳定条件比较苛刻，所以大多数情况下是采用的是间接反馈法。在间接反馈线性化方法中输入输出的信号比较不是直接的，而是通过问接的方法进行的，笛卡尔C唧ESIAN环路后馈法就是一种比较成熟的间接反馈控制法。笛卡儿环路后馈法原理如图34所示，如果所需要的信号处于基带，那么根据数字通信的有关原理，我们可以把输入信号分解为两个正交信号分量I、0，两者相位相差90度。笛卡几环路法的基本原理就是分别对I、Q两路信号加以控制，以获得更为优良的线性度，其结构原理如下图34所示图34笛卡尔环路线性化方法其中，基带信号I、Q输入端的放大器为差分放大嚣，低遇滤波器的主要作用是滤除高频分量，当I、Q信号分别进入调试器后，经调试器产生了射频信号S，。在这里SF，FCOS白FQFSIN0F33其中是射频载波频率。SF进入射频放大器HPA以后，由于功放的非线性将会产生畸变，畸变后的信号经耦合器抽取了一部分，在经衰减解调后，返回到输入端的差分放大器，这样就能使得反馈环比较精确的跟踪出I、O的失真变化。笛卡儿环的优点之一就在于它将增益和带宽在两个正交的信道中分别处理加以平衡，这样就避免引入相位偏移。但是，笛卡儿环路的增益及带宽又取决于差分放大器的带宽以及解调器的线性度，另外，回馈信号的延迟也严重的限制着该方法的系统带宽，因此对带宽要求越来越高的今天，该方法已经逐渐不太适用防“。优点良好的线性度提高性能，效率比较高。缺点较宽频带应用时稳定性实现困难，信号迟延对性能影响最大。需要高第三章放大器的线性化技术线性度的混频器。34非线性器件线性化技术非线性器件线性化技术LINEAR锄PLIFIC撕ON、祧NORLINEARCOMPONENTS其原理框图如下图35所示其工作原理类似前文中所描述的包络消除和恢复技术，也是采用两个支路把输入信号进行分离，但是和包络消除和恢复技术不同的是，这两路信号都是等幅的恒定包络信号，在分别用两个非线性高效的放大器同时对这两路信号进行放大，由于两个支路的信号都是恒定包络信号，所以经过放大器后，受到的非线性失真很小，最后通过对两个放大器的信号进行相加来达到线性放大的目的。两效翠菲线性功放圈3，5UNC线性化技术原理图这种方法的关键点在于如何成功而又简单的实现输入信号的等幅分离，在这里信号分量分离器就是一个关键部件，其基本思想如同数学函数分解，现在说明如下假设输入的带通信号为SO4FCOS2石正R妒F34那么这个信号就可以分解成两个等幅的但相位被调制的分量信号墨O和SFS，口，。FCOS2疗ZR妒O口O35SF。OCOS2石正FF一AO36在这里2S墨ESF37口R口ARCCOSOO口。38我们看到进行输入信号的等幅分离并不是随意进行的，而是按照一定的约束OFDM系统的线性化技术条件。LINC技术是可以使非线性功率放大器始终工作在效率较高的饱和区，而且这种线性化方法适用于所有的幅度调制和相位调制方法。但LINC技术对两条路径上的信号幅度和相位的不平衡十分敏感O“，这种不平衡会增加临道干扰，所以要求两条路径中的信号尽量一致，如果两条路径中的信号不相关，则LINC的功率放大器损失3DB以上，这要求两个功率放大器支路要求基本相同，这并不容易做到，实现起来难度较大”“。35预失真技术预失真技术是提高具有非恒定包络信号例如OFDM信号输入的非线性玎A功率效率的有效技术13。这种技术通常利用一个辅助的失真源来产生和功率放大器生成的失真信号相反的辅助失真信号，然后把具有恰当的幅度压缩和相位相反的辅助失真信号加到功率放大器的输入端来完成对功率放大器输出端失真的抑制。预失真系统可以通过各种各样的形式实现，有射频预失真幽】、中频预失真、基带预失真。但它们的基本原理都是一致的。预失真的基本原理如图36所示剖36预失真框图在非线性功率放大器前放置一个非线性单元预失真器其特征函数为FDI，功率放大器的特征函数为留陌I，构造预失真豁酹特性曲线，使其与功率放大器的特性曲线互补，形成线性放犬。其数学表达式为，0圪IG巧E置39其中K为常数增益。图37A预失真概念模型图37B放大器工作点的改善我们还可以通过图37A来定性的说明。设放大器输入信号的幅度为，希第三章放大器的线性化技术望输出为图中的理想输出点，但由于放大器的非线性，输出幅度为0矿如果要使输出幅度为，一PD，正确输入信号的幅度为PD，因而在预失真过程中只要把原来的幅度调整到一。就能够得到线性放大。从图中可以看出，如果理想的输出幅度超过了放大器的饱和点，幅度一。就不能够完全纠正它的非线性。只要不大于放大器的饱和电平，都可以通过预失真器校正。超过了饱和电平，即使增加输入信号的幅度也不会带来输出功率的增加。图37B说明了放大器工作点的改善及预失真能线性化的上限。这一情况，我们在第二章也分析过。图中的黑色矩形框表示输入值的范围，第一个表示没有进行线性化的输入功率电平的范围，它的峰值功率不能进入非线性区太远，即传输信号时失真不能过大。加入预失真器后，允许放大器以更高的工作点工作，这是由于饱和电平以下的峰值失真都可以被纠正。饱和线与线性响应的交叉点所对应的输入功率电平就是所能纠正的最大输入幅度，任何高于这个幅度的信号都不能被完全的纠正。预失真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。由于现代数字信号处理技术的发展，与传统的模拟方法相比，数字基带预失真器由于不用涉及复杂射频信号，具有性能好，实现简单等特点M1，为此，本文主要介绍在基带实现的数字预失真技术。36本章小结本章主要回顾了一些主流的线性化方法，这些技术都是人们在研究功率放大器非线性失真过程中，一些比较实用的技术，这些技术包括功率回退技术、包络消除和恢复技术、笛卡儿反馈技术、非线性器件线性化技术、数字预失真技术。接着又分析了各种方法的优缺点以及适用场合，最后选定基带预失真技术为本文的研究重点。在下一章我们将预失真技术应用到0FDM系统中，考察它对OFDM系统由于非线性失真造成性能下降的改善。第四章基于OFDM系统的自适应预失真技术第四章基于OFDM系统的自适应预失真技术OFDM是一种对线性化技术要求比较高的系统，普通的数字预失真技术难以达到要求。所以要采用自适应预失真技术来达到这种线性化要求。”。这就意味着要在系统中加入监控电路，使发射机能够动态的适应预失真算法，保证系统性能不会随时间、温度、外界电压等环境因素的改变而改变。这时，放大器在任何时刻的参数值，即输入输出的函数关系将显得不再重要“1。图4一L具有预失真器的OH蹦系统基于OFDM系统的自适应预失真搜术的原理图大体相同。如图“一11适用于OFDM系统的预失真技术主要是多项式、曲线拟和、查表法三种，本章就这对这三种自适应技术的性能在OFDM系统中进行对比，然后结舍理论分析以及仿真图形，找出最适合OFDM系统的自遥应方法。为OFDM系统中的自适应预失真技术的改进提供思路和依据。通常情况下，0FDM系统由