[硕士论文精品]wcdma数字直放站中数字预失真研究及其fpga实现

摘要摘要现代社会对各种无线通信业务的需求迅猛增长，这就要求无线通信在具有较高传输质量的同时，还必须具有较大的传输容量。这种需求要求在无线通信中必须采用效率较高的线性调制方式，以提高有限频带带宽的数据速率和频谱利用率，而效率较高的调制方式通常会对发端发射机的线性要求较高，这就使功率放大器线性化技术成为下一代无线通信系统的关键技术之一。在本文中，研究了前人所提出的各种功放线性化技术，如功率回退法、正负反馈法、预失真和非线性器件法等等，针对功率放大器对信号的失真放大问题进行研究，对比和研究了目前广泛流行的自适应数字预失真算法。在一般的自适应数字预失真算法中，主要有两类无记忆非线性预失真和有记忆非线性预失真。无记忆非线性预失真主要是通过比较功率放大器的反馈信号和己知输入信号的幅度和相位的误差来估计预失真器的各种修正参数。而有记忆非线性预失真主要是综合考虑功率放大器非线性和记忆性对信号的污染，需要同时分析信号的当前状态和历史状态。在对比完两种数字预失真算法之后，文章着重分析了有记忆预失真算法，选择了其中的多项式预失真算法进行了具体分析推演，并通过软件无线电的方法将数字信号处理与FPGA结合起来，在内嵌了SYSTEMGENERATOR软件的MATLABSIMULINK上对该算法进行仿真分析，证明了这个算法的性能和有效性。本文另外一个最重要的创新点在于，在FPGA设计上，使用了系统级设计的思路，与XILINX公司提供的软件能够很好的配合，在完成仿真后能够直接将代码转换成FPGA的网表文件或者硬件描述语言，大大简化了开发过程，缩短了系统的开发周期。关键词数字预失真，FPGA，软件无线电ABSTRACTABSTRACTINMODEMSOCIETY,THEINCREASINGDEMANDFORWIRELESSCOMMUNICATIONSERVICESREQUIRESNOTONLYBETTERTRANSMISSIONQUALITY,BUTALSOLARGERTRANSMISSIONCAPACITYASARESULTMOREEMCIENTLINEARMODULATIONMETHODSHAVETOBEAPPLIEDINTHEWIRELESSCOMMUNICATIONTOIMPROVETHEDATARATEANDSPECTRUMUTILIZATIONINTHELIMITEDBANDWIDTHBANDSITUATIONHOWEVER,MOREE衔CIENTMODULATIONACCORDINGLYREQUIRESHIGHERLINEARTRANSMITTER,WHICHMAKESTHELINEARIZATIONOFPOWERAMPLIFIERSONEOFTHEKEYTECHNOLOGIESINTHENEXTGENERATIONWIRELESSCOMMUNICATIONSYSTEMONTHEBASISOFSOMETYPICALLINEARAMPLIFIERTECHNOLOGIESPROPOSEDBYPREDECESSORS，SUCHASPOSITIVEANDNEGATIVEFEEDBACK,NONLINEARDEVICETECHNOLOGIES，THISTHESISCARRIESOUTASERIESOFRESEARCHESONTHESIGNALDISTORTIONISSUEOFPOWERAMPLIFIER,ANDALSOMAKESACOMPARISONBETWEENSEVERALADAPTIVEDIGITALPREDISTORTIONALGORITHMSWHICHAREWIDELYADOPTEDINOTHERSTUDIESTHEREAREGENERALLYTWOADAPTIVEDIGITALPREDISTORTIONALGORITHMS，ONEISMEMORYLESSNONLINEARPREDISTORTIONANDTHEOTHERISMEMORYNONLINEARPREDISTORTIONTHEFORMERONEESTIMATESVARIOUSMODIFICATORYPARAMETERSOFPREDISTORTIONBYCOMPARINGTHEAMPLITUDEANDPHASEOFFEEDBACKSIGNALSWITHINPUTSIGNALS111ELATTERONENEEDSTOANALYZECURRENTANDHISTORICALSTATUSSIMULTANEOUSLYANDTAKETHESIGNALDESTROYCAUSEDBYNONLINEARIZATIONANDMEMORYOFPOWERAMPLIFIERINTOCONSIDERATIONASWELLATIERCONTRASTINGTLLETWOMETHODSTHISTHESISFOCUSONTHEANALYSISOFTHEMEMORYPREDISTORTION，MAKESASPECIFICANALYSISANDDEDUCTIONWITHTHEPOLYNOMIALPREDISTORTIONALGORITHMBYMEANSOFTHECOMBINATIONOFDIGITALSIGNALPROCESSANDFPGATHEALGORITHMICSIMULATIONANDANALYSISARECARRIEDOUTINMATLABSIMULINKENVIRONMENTEMBEDDEDWITHSYSTEMGENERATOR,THERESULTPROVESTHATTHEPERFORMANCEANDEFFECTIVENESSOFTHISALGORITHMAREEXCELLENTANOTHERSIGNIFICANTINNOVATIONISTHATTHEDESIGNOFFPGAMAKESUSEOFTHEIDEAOFSYSTEMATICDESIGNANDISABLETODIRECTLYCONVERTTHECODESINTOFPGANETLISTFILESORHARDWAREDESCRIPTIONLANGUAGEONCETHESIMULATIONISCOMPLETEDWHICHGREATLYSIMPLIFIESTHEDEVELOPMENTPROCESSANDSHORTENSTHEDEVELOPMENTCYCLEOFTHESYSTEMKEYWORDSDIGITALPREDISTORTION，FPGA，SOFLRADIO厦门大学学位论文原创性声明兹呈交的学位论文，是本人在导耍吾指导下独立完成的研究戒果拳本人在论文写作中参考的其他个人或集体的研究成果，均在文中以明确方式标明。本人依法享有和承担由此论文产生的权利帮责任。声甓入徽偈碜坤厂月沾ET厦门大学学位论文著作权使用声明本人完全了解厦门大学有关保鐾、使尾学位论文的规定。厦FJ大学有权保留并向圈家主管部门或其指定机构送交论文的纸质版和电子版，有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查阅，有权将学位论文的内容编入有关数据麾进行检索，有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文在解密后适用本规定。本学位论文属于L、保密，在年解密后适用本授权书。2、不保密八3请在以上相应括号内打“4“榫者签名导师签名孑K_名铝，男月，男明苕年凳学爹8沙瓤揪崔多擞聋妥日匆绪论1绪论11课题研究的背景和意义一直以来频谱资源都是非常稀缺的资源，因此，无线通信也将更为有效的利用这一资源作为研究的发展方向。一般来说，传统的GSM系统是采用GMSK调制方式，这是一种恒包络调制，其主要的技术指标对功放的非线性失真不敏感。随着无线宽带技术的不断发展，数字通信技术和多载波技术得到了广泛的应用，而这些系统对信道的非线性失真具有很严格的要求。在现代的数字微波通信系统中，为了扩大通信容量，更加有效的利用频谱资源，通常都要使用频谱效率较高的调制方式。例如QAM调制，一个16QAM调制能够提供大约3BITHZS的频谱效率。在QAM系统中，信号传输的同时依赖于载波的幅度和相位，这就使得这样的调制方式对信道的非线性特性非常的敏感。要解决这样的非线性问题，有一种方法是采用功率回退的工作原理，通过使功率放大器工作在离饱和点回退1015DB的地方。但这种方法会导致功率放大器的使用效率较低，而且为了回退后的功率能够达到使用要求不得不使用较大功率的功率放大器，这也必然导致能量的大量浪费和成本的增加ILL。另外一种有效的方法就是采用预失真技术N卜峙1，通过对输入信号的预畸变补偿功率放大器的振幅和相位信息，从而达到线性化的目的。而预失真的非线性特性可以用一个查找表或者多项式来表示，因为功率放大器的特性会随着时间，温度，信道状况，器件老化情况等因素而改变，所以在预失真器的反馈回路上还必须加上自适应模块，来适应这些变化。12国内外发展的现状和态势121直放站的发展现状和态势在3G网络建设中，站点数量直接决定了投资的大小，而且站点投资往往大于设备投资，所以通过广覆盖减少站点可以大幅度减少运营商的投资。作为网络覆盖的重要方式之一宏基站W，它们之间采用数字信号传输，可减少天线馈缆损耗约3DB，10W的RRU就可以达到20W宏基站覆盖的效果，同样的输WCDMA数字直放站中数字预失真研究及其FPGA实现出功率RRU与宏基站相比站点数目可减少30。因此，目前各大通讯厂商均投入大量的资金进行RRU及其嵌入式软件的研发，如中兴、华为等。未来基站的设计理念是要满足运营商高性能、高可靠、节省TCO、布网灵活和升级维护方便的需求。基站的总体发展趋势是更低成本、更灵活的架构、更高的性能和更高的集成度。基站产品形态将朝着满足各种复杂无线环境需求的方向发展，基带技术朝着更高性能、更高集成度的方向发展，射频技术将朝着更高效率、更高灵活性的方向发展，传输技术将朝着全IP方向发展。数字直放站在国外的发展比较快，在前几年已经形成其相应的技术，已达到技术相对成熟的阶段；韩国在2000年初就开始研发设计数字式直放站并在2002年投入使用，其主要产品有数字光纤站、射频拉远单元W。开放式模块化发展全模块化结构，使得基站配置以“搭积木“方式进行，扩容升级异常方便，同时可以快速响应运营商的需求。模块化结构使得运营商维护设备的种类大大减少，降低了运维难度，节省运维成本。而微基站向更小的方向发展；分布式基站将向更加灵活的方向发展，将成为各种复杂无线环境的主角。多载波技术发展随着数据业务的发展，系统容量需要不断增加，采用多载波技术的基站，具有更高的集成度、更低的功耗、更高的性能，仅需按照容量需求增加信道板，实现快速平滑扩容。高效率功放技术发展即将推出的DPDDOHENR技术功放，主要由两个PA模块组成，一个是均值功放，一个是峰值功放，均值PA总是工作在饱和状态，所以效率很高，能够节省基站日常耗电，同时降低基站整机散热要求，增强系统可靠性，减少空调的耗电量，大幅度降低维护成本。多场景多形态分布式基站在未来移动网络建设过程中，为了满足不同场景下对基站设备的要求，要求基站能体现多场景下的多形态，分布式基站就是其中一种重要发展方向。其演进路线是第一代分布式基站是从传统的宏基站通过CPRI接口接到RRU上的；第二代分布式基站由标准的基带处理单元BBU和RRU组成，BBU具有标准的尺寸，可以灵活地放置在任意一个标准机柜里；第三代分布式基站由BBU和各种系列的RRU组成，适用于各种场景的大、中、小功率RRU，还可以通过RHUB灵活组网，满足各种应用的需求；更大功率的分布式基站，解决广覆盖和大容量问题，具备替代宏基站的能力；更小型化的分布2绪论式基站，适应室内覆盖建网模式。122预失真线性化技术的发展现状和态势线性化技术自诞生以来，已用于卫星通信、蜂窝移动通信等各个领域。随着各种形式通信业务的增长，对高线性功率放大器的需求也日益迫切。目前，国内外对高功率放大器的线性化研究已成为一个热点，并有相应产品问世。美国POWERWAVE技术公司、AMPLIDYNE公司、MPT公司、STEALTH微波公司、线性器件技术公司、加拿大AMPLI集团、韩国电子学与通信研究所、日本三菱公司信息技术研发中心等多家单位，均有不同波段不同功率的产品问世。早在上个世纪二十年代，贝尔实验室工作人员就发明了前馈和负反馈技术，并应用于放大器的设计，但其主要着眼点是器件本身，因此工作的频率和线性度都较低。直到上世纪七八十年代，射频功率放大器的线性化技术在无线通信技术的推动下得到飞速发展，出现了一些新的功放线性化技术，研究人员也将线性化从器件的设计扩展到系统设计。围绕着功率放大器的线性化课题，人们已经提出了各种各样的算法，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，但是却限制了放大器的实际输出功率；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；预失真法是目前用得最多的一种方法，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。根据预失真器在发射机中所处的位置，预失真技术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，又可以分为模拟预失真技术和数字预失真技术。其中，数字预失真技术一般有两种实现方式，基于查找表的方式和基于非线性射频功放的参数模型。射频功放的参数模型有级数模型、多项式模型等等。在上个世纪八十年代，就有人提出了利用查找表和曲线拟合的预失真方法3WCDMA数字直放站中数字预失真研究及其FPGA实现T40L。1990年，又有人提出了用两张一维表的方法和复增益查找表法来实现预失真1401。因此可以认为，基于查找表的方法是目前预失真技术的一个重要分支。另一方面，随着无线通信技术的发展，对发射机系统的功率效益、线性化程度以及频谱效率等性能要求的提高，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；最近还出现了预失真技术与LINC技术的结合；随着数字信号处理技术的进步，尤其是高速度DSP技术的飞速发展，线性化技术中逐渐加入了自适应的思想，使得功率放大器线性化系统的稳健性有了更大的提高。13本文的工作与结构本课题是厦门大学ATR实验室与福建省科技厅及福建省通信产业一些企业合作的，其主要任务是解决功率放大器的非线性失真问题。具体的说就是通过软件无线电的方法，解决WCDMA信号在放大的过程中，由于功率放大器的非线性而产生的信号干扰和畸变的问题。在课题开展过程中，本人阅读了大量有关功率放大器线性化方面的文献资料，重点研究了功率放大器的非线性特性，以及几种常用的改善其非线性特性的方法，比较其优缺点。根据该项目的技术要求，在指导老师的悉心指导下，拟定本课题采用的技术路线及实施方案。本文工作的特色和创新之处是完全用FPGA完成整个系统的主体功能。在FPGA中完成较为复杂的矩阵运算。如求逆，相乘等在FPGA中完成浮点定点运算。用软件无线电的方式完成数字预失真算法的设计和实现在FPGA上，采用系统化的设计方法完成设计和实现。作者从项目开初直到项目结束，都参与其中。此外，先后有5名研究生参与该项目。作者主要完成系统的整体设计，及其系统中数字预失真部分的设计。在综合各种数字预失真算法的基础上，寻找到了一种有效的自适应预失真方法，实验结果验证了其有效性和稳定性。在设计实现期间，还得到了XILINX公司和泉州几个直放站企业的大力支持。本文的结构如下第一章为引言，介绍项目背景和本文的主要内容；第二章4绪论介绍本文方案所涉及的理论，包括直放站的各种指标，分类及其参数和功率放大器线性化的技术指标及其方法；第三章介绍数字预失真的各种算法和优缺点分析。第四章重点介绍项目的硬件平台；第五章着重介绍了直接逆PA算法的选取和实现方法，最后还结合SYSTEMGENERATOR，SIMULINK和MATLAB进行了系统化仿真分析；第六章是对整个项目的总结和展望。5WCDMA数字直放站中数字预失真研究及其FPGA实现2功率放大器的主要参数和线性化技术21功率放大器的特点及其分类211甲类功率放大器甲类功率放大器又称为A类功率放大器。其特性如图211所示，在输入正弦电压信号的整个周期内，功率管一直处于导通工作状态。其特点是失真小，耗电多，效率最大只能达到50。图211甲类功放212乙类功率放大器乙类功率放大器又称为B类功率放大器。其特性如图212所示，每只功率管导通半个周期，截止半个周期，两只功率管轮流工作。其特点有交越失真，但效率提高到785左右。图212乙类功放6功牢放大器的主要参数和线性化分析213甲乙类功率放大器甲乙类又称为AB类。其特性如图213所示，每只功率管导通时间大于半个周期，但又不足一个周期，截止时间小于半个周期，两只功率管推挽工作。其特点是解决了乙类的交越失真问题。目前，福建省的直放站企业大都是使用AB类的射频功放。图213甲乙类功放214其他新型功率放大器为了让功率放大器兼有甲类放大器的低失真和乙类放大器的高效率，除了甲乙类外，近年来还出现一些新型的功率放大器，例如超甲类、新甲类等。同时为了缓解高功率射频功放非线性失真的问题，还出现了DOHERTY功放等。22功率放大器的主要参数221输出功率功率放大器的输出功率有两种表示方式饱和功率和LDB压缩点输出功率。前者是输出的最大功率，后者则是指增益下降LDB时的输出功率，前者一般大于后者。222功率效率功率效率输出射频功率输入直流功率附加功率效率输出射频功率输入射频功率输入直流功率223电压驻波比VSWR7WCDMA数字直放站中数字预失真研究及其FPGA实现功率放大器通常设计或用于50F阻抗的微波系统中，输，U输出驻波表示放大器输入端阻抗和输出端阻抗与系统要求阻抗50Q的匹配程度。用下式表示VSWR1IRL1IRL其中F_ZZOZZ0VSWR输入输电压出驻波比R反射系数Z功率放大器输入或输出端的实际阻抗Z0需要的系统阻抗224邻道功率比ACPR通常定义为相邻频道或偏移内平均功率与发射信号频道内的平均功率之比，ACPR用来衡量主信道的功率泄漏到相邻信道的多少，是描述发射机硬件非线性造成的失真大小的主要指标。225工作频率范围OPERATINGFREQUENCY放大器满足或优于指标参数时的工作频率范围。226AMAMAII|卜PM特性。1AMAM特性和AMPM特性都是功率放大器非线性性的重要表现。在无记忆功放中，这些特性都是由如图221的曲线所表示。图221BT憎和心一PM曲线可是，众所周知功放的非线性不是永久不变，而是随着各种干扰因素缓慢变化。我们称之为功放的记忆效应，这种特性对无线通信系统的性能影响是巨大的。图222是有记忆功放的非线性特性曲线。8功率放的主G参数线性化分析L、_，J、4IJ、“北输电压APA忤性图222有记忆功放的AIVIAM,AIVLPM特性曲线当输入信号的带宽增加到一定程度时，AMAM和AMPM曲线都不再是条清晰的曲线，而是一簇发散的曲线，称之为“磁滞现象”。227互调特性E，图223功率放大器基本模型VOT假设功放的基本模型如图223所示，其输出输入关系可以表示如下式221PGIVF|210岛嘲2P“1州221其中IF【2和岛圳2分别是功放增益的幅度和相位的特性函数。根据T式，我们假设两个载波为J下弦信号则输入信号可以表示为，,E”VE”2根据三角恒等变换可以表示为222WCDMA数字直放站中数字预失真研究及其FPGA实现VAT2VCOSWTE223WWLW2W当兰其中”2，2。根据分析可以得出两载波输入的LDB压缩点比单载波输入的要低2DB。81相位关系通过泰勒级数可以表示为PJGD,IVAFXPJCT4V2COS2L豇4矿2COS2WT4JA4V2COS221，2一十一A4V2COS2WT331224COS吗瞻引警，眨2舢P俐2、COCTCOS2WTC2COS4WTCACOS6WT226纠薹呼专Q1。妻。J4A朋TV2删2一M、L二1百，吼2，从上面推导咖和以下频谱图旧图224，图225，图226，图227我图224两载波输入信号频谱图225功放增益的幅频特性10功率放大器的主要参数和线性化分析图226功放增益的相频特性。L11|LOF。Q0图227输出信号频谱我们用IM3表示3阶互调分量，即通过以上推导我们可以得到以下互调分量1IM32嵋一WN2W2一。IM53W,一2W2N3WZ一2M很明显可以看出，这些互调分量是由幅度和相位失真引起的。图228可以体现出互调失真的大致分布图超过五阶的分量由于振幅很小，在大多情况下可以忽略不计E叼倒馨频率HZ图228交调分量分布图量通过分析可知1101在线性和弱饱和时一般只要考虑三阶互调的影响，在非、CDMA数字直放站中数字预失真研究及其FPGA实现线性非常严重的时候除了三阶互调分量需要考虑之外，还要考虑五阶互调的影响。228功率放大器非线性对通信系统的影响由于一般功率放大器都不是线性的，而且其动态范围也是有限的，所以通信系统内幅度变化范围较大的信号进入放大器的非线性区域时，信号就会产生非线性失真。非线性功放对通信系统的影响主要表现在信号的频带内失真和频带外失真。信号的频带内失真主要体现为信号的幅度和相位失真。信号的频带外失真主要体现非线性功放会扩展输入信号的频谱，对相邻信道产生干扰，恶化ACI指标。在无线通信系统中，相邻信道干扰ACIADJACENTCHANNELINTERFERENCE定义为调制信号的频谱和带外最大频谱的比值，常用来衡量输出信号频谱对相邻信道的干扰程度。研究表明，在不同调制方式下功放的非线性所造成的的频谱扩展不尽相同，一般来讲调制阶数越高，频谱扩展越严重。综上所述，为了获得更高的频谱效率，无线通信系统的发展趋势，必然是线性发射机系统。所以，对于非线性最严重的功率放大器必须做线性化处理。23功率放大器的线性化指标231概述衡量功放线性化指标的主要指标有PAPR，LDB压缩点，互调系数，AMAM，AMPM转换等，这些指标可以单独或者组合描述功率放大器的非线性特性。其中互调系数，AMAM，AMPM转换在前面都有介绍就不赘述了，这里着重介绍一下LDB压缩点和PAPR。2321DB压缩点P1D8PLDB是指放大器实际输出比理想线性输出下降LDB时的输出功率点。压缩点越高意味着输出功率越高。参见图2321，增益随输入功率变化的曲线，可以从图中看出当输入功率升高时增益的变化情况。LDB压缩点可以在输入或输出定义。例如，如果输出PLDB规范是20DBM，则这个元件的输出功率约为20DBM。减4、输出功率使之低于PLDB将减小失真。N11为了获得较高的功率效率，功率放大器通常工作在LDB压缩点附近，此处将产生严重的非线性失真1121012功率放大器的主要参数和线性化分析，、已辐磬输入或输出功率图231LDB压缩点233PAPRPEAKTOAVERAGEPOWERRATIOPAPR是峰值功率与平均功率之比。PAPR越大，系统包络的不恒定性越大。包络的不恒定性在非线性限带信道中是不希望出现的，经非线性放大器后，包络中的起伏虽然可以减弱或消除，但与此同时却使信号频谱扩展，其旁瓣将会干扰临近频道的信号。一般而言，发射机中的高功率放大器HPA具有很强的非线性特征。为了不使频谱扩展得太厉害，HPA必须工作在有很大回退量BACKO行的状态，这样会很浪费资源。口2B图232PAPR我们可以通过图232A所示的高功率放大器的输入输出曲线来定性说明13WCDMA数字直放站中数字预失真研究及其FPGA实现非线性失真的本质。设放大器输入信号的幅度为，希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。如果要使输出幅度为Z，正确输入信号的幅度为Z因而预失真过程中只要把原来的幅度调整到Z就能够得到线性放大。相位预失真也可以通过类似的方法得到。从图232A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Z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，我们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232B说明了放大器工作点的改善及预失真线性化的上限。图中的AB区域表示输入值的范围，A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。由此可知，在给定失真电平的条件下，经过预失真就可以使用线性度较低的放大器，并获得较大的效率。24功率放大器的线性化方法241前馈线性化技术N3伽1盯前馈线性化技术是建立在对信号矢量抵消的基础之上的，当2个信号幅度相等，相位相差180度且延时相同时，将这2个信号进行矢量叠加，它们就能相互抵消。前馈功率放大器由2个环路组成失真信号提取环和失真信号消除环，在失真信号提取环中，基波信号被抵消，主功率放大器产生的非线性失真信号被提取出来；在失真信号消除环中，提取出来的失真信号经过误差放大器放大后抵消主放大器产生的非线性失真。其原理图表示如下图24114功率放大器的主要参数和线性化分析图241前馈线性化技术原理图前馈功率放大器的线性度很高，载波信号与交调信号之比CI达4060DBC，且与具体通信系统的调制方式无关。前馈放大器的放大特性与主功率放大器的放大倍数有关，而与误差放大器的放大倍数无关，但误差放大器的线性度将直接影响前馈功率放大器的线性度，因此误差放大器要工作在线性区。理论上讲，前馈功率放大器能够完全消除主放大器产生的非线性失真；但在实际应用中，非线性失真并没有完全消除，而且随着环境温度的改变，器件的老化，输入功率的变化以及频率的漂移等因素的影响，会使整个前馈功率放大器线性化性能发生恶化，从而影响整个系统的性能。这就需要对前馈功率放大器进行自适应控制，当外部环境发生变化时，前馈功率放大器线性度不会发生改变。目前，在自适应前馈功率放大器中常用的自适应方法有导频法，最小功率检测法和相关检测法。242负反馈法1刀盯图242负反馈法原理图15WCDMA数字直放站中数字预失真研究及其FPGA实现负反馈是将功率放大器输出的非线性失真信号反馈到输入端，与原信号合成共同成为功放的输入信号，从而达到减小功放非线性的目的。图242是负反馈法的原理框图，1端为耦合输入的微波信号，2端为功放输出的带各种互调分量的信号，该输出信号通过耦合器使一部分信号进入反馈网络，通过反馈网络使信号倒相，再经过耦合器与SOURCELN输入的信号进行耦合，作为功放的输入信号。这样做虽然会使功放的输出信号有所损失，但是这样也使互调分量得到了明显的抑制。图243是有无反馈网络的输入输出频谱对比图。输入信号输出信号有反馈网络JJ无反馈网络IL图243有无反馈网络的频谱对比图反馈技术的增益独立于放大器本身，由反馈网络决定。反馈放大器线性化是以牺牲增益得到的，为了得到好的线性度就必须更高的功率增益。由于负反馈的稳定性不好，现在用得较少。243笛卡尔反馈技术16功率放大器的主要参数和线性化分析图244笛卡尔反馈技术原理图如图244，VQ两路是输入的二进制序列，通过差分放大器后，进入矢量调制器，在输出端得到真实的射频信号OUTOOUTOITCOSWDQTSINWJ241OUTT经过功率放大器放大后出现了非线性失真，将部分输出信号耦合反馈，经下变频，得到包含失真分量的I，Q信号，与无失真的输入I,Q比较。正交负反馈环的精度，不仅依赖于射频电路的增益和带宽，还依赖于下变频器的线性度。正交调制解调器成本低廉，应用范围广泛，使得笛卡儿环校准技术201简单而实用。由于放大器的输入信号是变包络信号，如果输入信号的幅度低，功率效率也很低。实际使用的正交负反馈系统更复杂。实际上，笛卡儿环校准技术最容易过渡到数字线性化技术，因为I，Q两路很有可能使用数字信号方式直接实现基带信号的比较和校准。244LINC技术LINEARAMPIFIERWITHNONINEARCOMPONENTSLINC线性化技术122112311240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且相等的分量，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245所17WCDMA数字直放站中数字预失真研究及其FPGA实现功放2图245LINC技术原理框图这种方法效率高，但实现信号分离复杂，要求两个放大器一致性好且合成效率高，因此对于元器件的漂移非常敏感，不适合温度、湿度等环境参数变化比较大的场合。245包络消除恢复EER技术2钉EER技术将提取出信号的幅度和相位信息，分别放大后再进行相位和幅度的合成，输出射频信号。相位和幅度的合成一般使用高效率的开关类功率放大器，管子的栅极接相位信号，电源电压用幅度信号进行调制。这种方法的优点是平均效率比较高，一般是线性功放的35倍且线性度只与包络通道有关，提高线性性能比较方便。缺点是需要补偿相位、幅度两路径的时延差。246DOHERTY技术DOHERTY功率放大器实际上是由两个平行的功率放大器组成的，它们的输出用一段的波长线连接起来。上面的放大器被称为载波放大器，是一个B类或者AB类的功率放大器，载波放大器后面的四分之一波长线是阻抗变换；下面的放大器被称为峰值放大器，是一个C类的功率放大器，栅极的偏置电压要低于功放管的夹断电压，峰值放大器只有在载波放大器接近饱和的时候才会开始工作，由于主功放后面有了四分之一波长线，为了使两个功放输出同相，在辅助功放前面也需要一个四分之一波长线来提供90。的相移。具体结构如图246所示18功率放大器的主要参数和线性化分析峰值功放图246DOHERTY技术原理框图当输入信号比较小的时候，只有载波功放处于工作状态；当管子的输出电压达到峰值饱和点时，理论上的效率能达到785。如果这时候将激励加大一倍，则管子在达到峰值的一半时就出现饱和了，效率也达到最大的785，此时峰值功放也开始与载波功放一起工作。峰值功放的引入，使得从载波功放的角度看，负载减小了，因为峰值功放对负载的作用相当于串连了一个负阻抗，所以，即使载波功放的输出电压饱和恒定，但输出功率因为负载的减小却持续增大流过负载的电流变大了，当达到激励的峰值时，峰值功放也达到了自己效率的最大点，这样两个功放合在一起的效率就远远高于单个功放的效率。单个功放的最大效率出现在峰值处，现在最大效率在峰值的一半就出现了嗡1。所以这种系统结构能达到很高的效率每个放大器均达到最大的输出效率。247预失真技术乜刀图247是预失真技术的原理框图，从图247我们可以看出预失真技术其实就是人为的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。图中除去虚线部分是一个开环系统。开环系统不存在稳定性问题，而且带宽更宽，但是这样的系统要求功放的非线性特性不能有变化。功放的非线性特性是会随着温度，环境，器件老化等因素变化的，因此一个开环的预失真系统的线性化精度是比较低的。为了保持较好的线性化效果，就要对预失真信号的幅度和相位进行自适应控制，即加图247中虚线所示的自适应训练器，实现闭环的控制。19WCDMA数字直放站中数字预失真研究及其FPGA实现图247预失真技术原理框图INPUTWERDBM根据预失真所在的频段的不同，预失真技术可以分为基带预失真、中频预失真、射频预失真。数字预失真技术广泛的采用数字信号处理软件和硬件来实现，多用于处理基带和中频信号，本文所讨论的数字预失真技术都是基于中频预失真来进行的。数字预失真算法分析3数字预失真算法分析31功率放大器模型要研究数字预失真的问题，首先要建立功率放大器数学模型，定量描述放大器的非线性特性，以准确分析非线性对系统造成的影响，从而制定合理的预失真方案。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成无记忆模型和有记忆模型。下面就这两种模型来分析功率放大器的非线性。311无记忆模型3111无记忆多项式模型啪1一个信号通过无记忆非线性系统后的输出信号可以表示为SOT研TF】，扛万QS,TR。DRM，红万QAR2岛F一，一乞D乃D乇，呜ARO8R2万白S,TROS,TR2SJTR3DRTDR2DR3QIF乞，巳F，【J11J其中而F和岛，分别表示无记忆非线性系统的输入和输出，Q是实系数。由于当I3时，足够小，我们可以忽略第三项以后的部分，将上式简化为SOT5Q，巳GO岛霉，312上式312就是描述功放非线性的三阶多项式模型，可以直接用来模拟放大器的AMAM和AMPM特性。如果输入信号是频率分别为石和Z的等幅双音信号，。即输入信号为墨彳COS2万石7COS2万LT313则根据式313可以得到SOTG彳COS2万石FCOS2万石，乞【COS2万彳，COS2万石，】2C3【COS2斫C。S2万正FR31421WCDMA数字直放站中数字预失真研究及其FPGA实现，C2A2之A2COS2万石一正RQ彳三C3A3C。S2万石RQ彳；C3A3C。S2万正，；C3A3COS2万彳一石D詈Q彳3COS2万2石一石F乞彳2COS2万FL石R圭乞彳2COS2万2F,，J1吒A2COS2砘五R；巳彳3COS2万2F缈I3C，州2万ELF1，丢巳彳3COS2万3F,FI1C，彳3COS2万3A，315由式315我们可以看出输出信号中不仅含有输入信号的基频分量、直流寄生分量、二次谐波分量和三次谐波分量，还含有二次互调频率分量和三次互调频率分量。其中三次互调分量对整个系统的干扰尤其严重，也是功率放大器非线性的主要来源。若考虑多项式三次方以上的高阶项，三阶互调干扰是由多项式中大于等于3的奇次阶项所引起的。因此可以将多项式简化成只含奇次项不含偶次项。在一般情况下，多是采用两个多项式级联来分别描述模拟放大器的幅度和相付特性1281。如图311所示AMPMAMAM班AT】FLAT】图311多项式模型假设输入是一个正弦波XTATCOS2NF0，则无记忆非线性输出可以写为2万石，矽G彳316数字预失真算法分析YTFATCOS2，RFO，G彳，”317其中厂彳指的是AMAM变换函数，G彳指的是AMPM变换函数。由分析可知，信号失真主要是由三次谐波引起的，而三次谐波主要是由多项式中的奇次阶失真所引起。因此可以将多项式简化成只含奇次项不含偶次项。3112无记忆正交坐标模型啪儿列这种模型同样也是考虑放大器的AMAM特性和AMPM特性。研究表明，对于式318的调制输入信号置FATCOS2，RF,，F318输出信号司以表不为SOT厂彳FCOS2刀力G彳，319上式319所示的模型可以描述包络变化的输入信号产生的带内失真。通过对式319所示的极坐标非线性模型进行变形，可以得到无记忆正交坐标模型。这种模型建立了两个幅度模型，彳F和Q彳，从而避开了较为复杂的AMPM转换特性。将式319进行三角展开后可表示为O彳FCOSG彳，COS2万Z，一彳FSIILG彳，SIN2万五，矽，3110式3110可以写成如下正交形式SOT，COS2砸H一9SIIL2万以3111上式中IT和QT分别定义为ZACT厂彳，COSG彳OQ彳O厂彳，SING彳，根据式3111可以得到如下图312所示的正交非线性模型框图WCDMA数字直放站中数字预失真研究及其FPGA实现IATIATCOS2RCFJ矽，SOT2竺H竺旦尉C0S2斫坝，图312正交非线性模型框图3113GHORBANI模型GHORBANI模型比较复杂，AMAM特性和AMPM特性分别可以用函数表示为剐2再P胪LAP2IPAA和GALQR934万Q2“3112其中【A，P2，乃，风】和【9，Q2，吼，吼】分别由实际功放的工作状态决定。3114RAPP模型阳1RAPP模型是专门用于固态功率放大器SOLIDSTATEPOWERAMPLIFIER的经典模型。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。其特定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，其相位失真几乎达到可以忽略的程度，所以只需要考虑幅度失真，即AMAM特性。厂彳R3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功放特性。根据上式描述的RAPP模型，我们画出图313所示的功放输入输出曲线。数字预失真算法分析功率放大器M脯性曲线OB制6输入电压V图313功率放大器输入输出曲线3115SALEH模型321蜘SALEH模型主要是用于描述行波管放大器TRAVELINGWAVETUBEAMPLIFIER的经典模型，行波管放大器是一种真空电子管器件，功率大，工作频带宽，其AMAM特性和AMPM特性都可以表示为以下两式胁品4鲋，2羔，朋，其中各个参数的典型值为21587，40033，岛11517，岛91040其放大器AMAM特性和AMPM特性曲线如图314所示WCDMA数字直放站中数字预失真研究及其FPGA实现I口一卜_7夕夕，詹一。疆么LAMAM特性II十斛PM特性F02口4060日1214161日2输入信号幅度图314功率放大器特性曲线4O山凸V趔粤由坦丑2辞3116通用PA模型通过以上几种非线性化模型的讨论，我们可以发现，虽然他们表达形式各有不同，但是这几种模型都可以统一为如图315的一种通用模型图315通用模型312有记忆模型近年来，数字预失真技术在功放线性化这一领域已经占据了很重要的位置，然而以往的这些研究多是针对无记忆放大器提出来的，对有记忆的功率放大器引数字预失真算法分析起的影响并未做较为充分的考虑。而随着宽带通信系统的不断发展，很多无记忆的预失真方法已经显现出了不足和缺陷。对于许多放大器来说，由于匹配网络和偏置电路中电抗性元件的存在和温度、环境、器件老化等因素的影响，其放大倍数不仅与当前的输入值有关，还与历史的输入值有一定的关系，这就是功率放大器的记忆特性，在宽带信号下这种记忆特性对输出信号的影响就不能随便忽略了341351361。研究表明，记忆效应有一下表现形式当输入信号的带宽增加到一定程度时，AMAM和AMPM曲线都不再是一条清晰的曲线，而是一簇发散的曲线，称之为“磁滞现象。如图222所示。当输入信号为等幅度双音信号时，放大器输出信号在上、下两个边带内的互调失真幅度呈现不对称性。如图316所示苎已驴值篙ILL4_乩山JJLLII山I6“DILL汹。“L上JFF41甲1叩邗。呵。”7即7声啊1州阿”哪熬军W2图316有记忆功放的双音测试输出信号频谱示意图基于上面的一些原因，对于有记忆预失真的研究已经成为数字预失真领域的一个新兴的研究方向。为了研究有记忆预失真，首先要找到合适的有记忆模型对功放的实际工作特性进行建模。目前采用最多的有三种模型HAMMERSTEIN模型，WIENER模型和VOLTERRA模型，研究表明啪1前面两种模型其实就是VOLTERRA模型的特殊形式。下面就一一介绍以上三种有记忆预失真模型3121HAMMERSTEIN模型1WCDMA数字直放站中数字预失真研究及其FPGA实现HAMMERSTEM模型是由一个无记忆非线性系统和一个线性时不变系统级联而成。如图317所示，输入信号XN先经过一个无记忆非线性模块，再进入一个线性时不变滤波器，最后得到输出信号YN。图317HAMMERSTEIN模型3122WI6T16R模型WIENER模型是由一个线性时不变系统和一个无记忆非线性系统级联而成，如图318所示。输入信号XN先经过一个线性时不变滤波器，然后再进入无记忆非线性模块，最后得到输出信号YN。Z刀L线性时不变“仃无记忆非线Y刀。系统性系统图318WIENER模型框图一般的，在数字预失真的研究中，用HAMMERSTEIN模型作为功放模型，则用WIENER模型作为预失真模型效果最好勰1。在建模时，只要把WIENER模型和HAMMERSTEIN模型级联起来，理论上输入信号就能在输出端得到无失真的放大3123VOITERRA级数模型VOLTERRA级数模型是能够完整描述有记忆非线性系统最为经典的模型391。这种模型对有记忆非线性系统的自适应滤波非常有用，因为很多非线性系统都能够近似地用VOLTERRA级数模型来建模14010在级数中，作为因果离散时不变非线性系统的输出YN是由输入信号XN通过记忆深度为N的P阶VOLTERRA级数序列来表示的，具体如式311628数字预失真算法分析NNNY刀磊七工疗一后鸣毛，KXNGXNKKO七I；OKZKINN岔，巧弦一与J刀一KI0KV2P_，3116其中毛，表示P阶VOLTEM级数的模型系数。不失一般性的，我们忽略上式第0项，就可以把级数改写成YNX力日，Z7其中工刀【J，L刀，J，2刀，XC刀】胃刀【蜀珂，甩，EC功】五刀【X疗，XN19O9XN一】J，2甩【X刀石疗，XN一1XN1，XNNXNN】J，C刀【X甩工疗，XN一工刀一】和Q刀7ILO；刀，7JI1；力，H。N1；N】4刀【O，O；刀，1，1；刀，红一1，NL；N】月0刀O，N一1，N一1，NL；刀】综上推导可得CCY功工刀E露R此嚣31173118由式3118我们可以得到图319的非线性网络部分，加上外围则可以得出自适