[硕士论文精品]rf功率放大器线性化技术研究

曲北I业大学顿卜牛业论立RF功率放大器线性化技术研究摘要笫三代移动通信对无线信道线性化提出了很高的要求，而功率放大器是导致无线信道产生非线性的重要因素，冈此本文将重点研究功放的线性化技术。本文首先分析了放火器的非线性特性及常用的功放数学模型，并对月前功放线性化技术作了归纳和总结，其中详细分析了基带预失真原理以及典型的基带预失真方法和结构。接着介绍了基带预失真方法中占核心地位的自适应算法，对其中的最小均方法和递归最小平方法作了比较。最后，本文将自适应算法中的递归最小平方法应用到预失真器设计中并对其进行改进，研究了调制解调器对功放线性度的影响以及固定相位偏移对自适应收敛性能的影响。仿真结果表明该预失真器对于功放及调制解调器参数变化具有很好的自适应性，能够提高功放的线性度；利用改进的预失真器，可以取得更好的收敛性能，达到改善功放线性度的效粜。【关键词】功放线性化技术自适应算法预失真器递归最小平方法TIJTI业大学硕十毕业论文RF功率放大器线性化技术研究ABSTRACTLINEARITYOFTRANSMITSCHANNELISENDUEDWITHNEWREQUIREMENTSINTHETHIRDGENERATIONCOMMUNICATIONSYSTEMANDRFPOWERAMPLIFIERISTHELEADINGFACTOROFTHENONLINEARITYOFTRANSMITSCHANNELTHISPAPERMAINLYDISCUSSESTHELINAEARIZATIONOFRFPOWERAMPLIFIERATFIRST，THENONLINEARCHARACTERISTICOFTHERFPOWERAMPLIFICATIONISDISCUSSEDINTHISPAPELSEVERALTYPICALMATHEMATICMODELOFTHERFPOWERAMPLIFIERISPRESENTEDINTHISPAPENSECOND，WEANALYZEDTHEPRINCIPLEOFTHEBASEBANDADAPTIVEPREDISTORTERANDSOMETYPICALPREDITORTERARCHITECTURES；INTRODUCEDSEVERALADAPTIVEALGORITHMSANDCOMPAREDTHEMEANSQUAREERRORMSEALGORITHMWITHRECURSNELEASTSQUARERLSALGORITHMFINALLY,THISPAPERPRESENTSANADAPTIVEPOLYNOMIALTYPEPREDISTORTERLINEARISERINWHICHTHERLSALGORITHMISEMPLOYEDFORTHEOPTIMIZATIONPROCESSTHROUGHSIMULATION，ITISPROVEDTHATTHELINEARIZATIONTECHNIQUECANIMPROVETHELINEARITYOFTHEPOWERAMPLIFIERALSO，AMODIFIEDVERSIONOFAPOLYNOMIALPREDISTORTERLINEARISERISPRESENTEDWHICHHASAFASTERRATEOFCONVERGENCEBYANORDEROFMAGNITUDEADAPTABILITYOFTHEPROPOSEDLINEARISERWITHCHANGEINTHEPOWERAMPLIFIER,DEMODULATOR,MODULATORARETESTEDRESULTSSHOWTHATTHELINEARISERCANADAPTTOTHESECHANGESKEYWORDSLINAEARIZATIONTECHNOLOGY，ADAPTIVEALGORITHM，PREDISTORTER，RLSIL曲北眦K大学硕士毕业论文RF功率放大器线性化技术研究第一章绪论卜1课题研究的背景及意义近年来，无线通信事业在全世界范同内蓬勃发展，无线通信设备的用户，特别是无线手机用户迅速增I王。随着市场的拓展，要求通信系统容量不断扩人，信息的可靠性，安全性不断提高，致使通信频段越来越拥挤。日前大多数陆地无线通信系统都是基于恒包络调制技术的，我国应用最广泛的GSM数字无线蜂窝技术采用的是GMSK调制方式。这种技术的优点是发信通道中的非线性对信号失真的影响很小，可以使用电源利用率高线性度较差的B类或C类放人器，但频谱利用率不高。为了满足人们对无线通信的要求，需要使用频谱利用率高的调制方式如QAM、MPSK年扩频技术。这些频谱利用率高的调整方式不仅对载波的相位进行调制同时也调制载波的幅度，因此会产生较大峰平比的非恒包络信号。扩频技术的使用使得发射信号成为宽带信号。例如3G标准中的WCDMA系统使用的是QPSK调制，每一载波信号带宽达到5MHZ。这种宽带非恒包络信号对发信通道尤其是宽带功放部分提出了更高的线性要求。发射信道的非线性主要是功放造成的。冈为半导体器件在火信号下具有不可避免的非线性特性，当宽带发信机工作在非线性区时，在带外会带来信号问的相互干扰，降低调制精度。因此，追求更高的频谱利用率就必须保证发信通道和RF末极放人器T作在线性区。为达到这个H的通常使用两种方法一种是从信号的角度考虑，即对信号削波，降低输入信号的峰值一种是提高功率放大器的线性度。削波，就是减小信号的动态范同，达到提高功放效率的方法。主要采取直接限幅、窗函数法、加带外信号、选择合适的码字等。它是以信号失真为代价，不需要增JRI额外的滤波器，对信号处理速度要求不高。在可容忍的信号失真范同内，基带限幅削波取得了较好的效果，但该方法未能从根本上解决非线性失真的问题。提高功率放人器的线性度有三种方法一是选用满足系统性能要求的超线性器件。这需要选择合适的半导体材料并改善放火器的制造T艺。这种方法花费巨扼此。业大学硕毕业论文RF功率放大器线性化技术研究人，技术难度商，多年来一直未有_人的突破。第二种方法是使放火器工作在线性区域，但这样做人大降低了电源利用率。在这种情况下，放大器的电源消耗人部分转化为热能，器件的散热也是一个比较大的问题。而且，大功率器件比较昂贵，造成整机成本较高。第三种方法是采用线性化技术，即采用适当的外围电路或前黄算法对放人器的非线性特性进行修正，从而使发信通道整体上呈现对输入信号线性放人的效果。这种方法避免了难度很人的器件制造技术，采用相对较低的器件，不但形式多样，而且器件的选择也较灵活。目前不少线性化技术已经成功的进入实用阶段。功率放人器线性化技术具有良好的发展前景。功放线性化技术的研究与发展是顺应了需求的发展，满足高速复杂数字调制技术的要求、满足大容量、低成本的要求。在移动通信系统中，为保证一定范围的信号覆盖，我们通常使用功率放人器进行信号放大。在CDMA或WCDMA基站中，即使是单载频，也需要采用线性功放，这是网为CDMA技术是随机包络的宽带信道，如果采用一般的人功率放人器通常_丁作于AB类，将由于交调失真的影响产生频谱再生效应。有趣的是频谱再生尽管对本信道的影响不火甚至毫无影响，但它将会干扰相邻信道。为此，3GPP规范规定了频谱辐射屏蔽SPECTRUMEMISSIONMASK的要求，而通常所说的人功率放人器是难以达到此要求的。虽然采用A类功放可能会达到要求，但它的效率太低，也难以把功率放火到几十瓦的量级。冈此，在火功率放火器的基础上必须对其进行线性化处理。所以，功放线性化技术在移动通信系统中具有很重人的意义，它可以很好的解决频谱再生问题。同样，线性功放对于卫星通信系统的改善频谱泄漏、减小信号传输失真也具有很重要的作用。卜2课题来源及任务本研究课题是自选课题。本文在参考国内外众多研究结果的基础上，采用一种基于递归最小平方法111。S算法预失真技术对功放进行线性化。主要NT作安排是1详细地讨论功率放人器的非线性数学模型和非线性功放对信号的影响2将自适应滤波器中的递归最小平方算法ILLS算法应用到预失真器设计中，陌北I业大学硕士毕业仑文RF功率放大器线性化技术研咒并对预失真器进行改进；编程仿真及验证本方法的可行性；详细分析其在各种情况下的性能并与其它文献采用的算法进行对比。13本文内容安排各章的主要内容如下第一章概述了本论文的研究背景及意义，论述了研究线性化技术的必要性。第二章给山了表征放人器非线性度的指标，介绍了功率放人器的非线性数学模型，总结了功放线性化技术。第三章详细研究了基带预失真技术的基本原理、实现方法、系统结构及算法选择。第四章具体设计了一种预失真器并对其进行改进，详细分析了该预失真器的线性化1作原理、结构组成；详细推导了递归最小平方法RLS算法优化、迭代过程并进行编程仿真。LJT_LLI业大学硕J一毕业|文RF功率放大器线性化技术研究第二章非线性失真及线性化方法21基本概念放火器的作用是将射频信号放人，提供一定的增益，从而保证在远端的接收机那端获得足够的能量，以较高的信噪比解调出射频信号的调制包络。假定输入信号为F，输出信号为VOT，放大器的转移函数为H1，则有下式成立VOF形R21定义放火器的功率增益为GT，相位偏移为OT，输入信号的功率为只。F，输出信号的功率为乞。，。假设输入输出阻抗均为Z，则有冲G矧阳旺Z，盼鹕矧23EAT20LOG1V,。F110LOGZ24FZOLOGIVO。F口一10LOGZ25综合式22，23，24，25可以得到GF匕，F一只RDB26中FRGIVO“酬口胁FF27对于理想的功率放火器，输山信号应该仅与当前输人放人器的信号有关，而L二L放人器的幅度增益和相位偏移应该不随输入信号，系统工作时问和外部环境变化。实际的放火器通常使用半导体材料制成，不可避免地具有一定的非线性特性。放人器的复增益不仅与当前激励信号的幅值有关，还与以前的激励信号和周用环曲北J业大学顼毕业论文RF功率放大器线性化技术研宽境有关。同时随着放大器使用时问的增长，其内部参数也会发生一定的变化。因此实际的功率放火器麻该是一个有记忆的缓慢时变非线性系统。考虑到其时变效应虑是比较缓慢，我们可以近似认为在某一段时间内放大器是时不变非线性系统，以达到简化分析的日的。以A类放大器为例，随着放大器输入信号功率的增强，放人器幅度增益和相位偏移都会有所降低。放火器的效率玎表示放人器将电源消耗功率转化为射频功率的能力，定义为其输出功率只。和电源消耗功率如之比。叩每S，在同等输I山功率下，攻放效率越高，所需要消耗的电源功率越小。在通信电路中，功率放火器所消耗的电源功率往往占据总消耗功率的绝大部分。尤其是在使用电池的移动通信中，减小电源的功放消耗有助于延长系统工作时间。冈此，提高功率放大器的效率具有很_火的意义。但是，高效率的放大器，其非线性程度人，对信号的失真也大，这是一对矛盾。22非线性失真描述在通信系统中，除了存在系统的噪声和有限带宽以外，当线性网络转移函数珊J_，JEXP，。，的振幅日如和相角中，与频率有关时，还会出现信号失真。这种失真通常称为“线性失真”或“传输偏移”。例如，假定输出信号YF是延迟的输入信号XF按比例改变的模型，则出现无失真传输，即有YT戤FTO29这意味着，系统的转移函数HJCO应为HJCOKEXPJCOTO】210换句话说，任何偏离等振幅K和负的线性相移JCOTO都要引起与频率有关的振幅和相位失真。除了这种失真以外，如果系统有非线性元件，还可能山现其它失真。在这种情况下，不能够将系统用一个简单的转移函数作为线性情况来描述，曲J匕I业大学硕十牛业论文RF功率放大器线性化技术研究代替输山的经常是表示成输入的非线性函数，即YFRXF，如图2I所示。由这科一偏差引起的信号失真常称为“非线性失真”。221振幅非线性特性图21功率放大器最基本的非线性描述方法之一是它的振幅失真，结果导致其非线性转移特性。如果我们假设功率放大器是无记忆的，即其输出电压是其输入电压的瞬时函数，并且其非线性很弱这是大多数通信系统的情况，则输山电压圪F可以用输入电压KT的级数表示为圪毛K屯K2岛K211注意对于线性功放，所有的K，都为零I2，3，并且式211中圪F的表示式忽略了功放的相位特性，此相位持性导致输出相对于任意输入信号的相位变化。这样的描述方法将在以后讨论。1单频率输入试验法研究具有适度非线性的功放，使圪可以用式211PTJ前三项来表示，即KKLV,也K2如212令“ACOSO，T，则圪可以写成，KLACOSOJ，F七2爿2COS2CO,TK3A3COS3彩TK2A2爿寻岛爿3COSMT圭也A2COS2COIL丢屯彳3C。SS国，2_13塑兰竺奎兰竺些堡塞一RF功率放大器线性化技术研究由SE213可见，输出信号由所加的基频哆分量、直流寄生信号、二次谐波频率201和三次谐波频率3Q分量组成。由式213我们注意到，矿，的基波分量振幅为R21KTAL1J七，K，A2I，如果，0，则它大于T。A系统为线性时的增益；如LJ果岛N时，G，。G。一，GQ，。吃，。，巧。巧，L一一RO，。圪，L一那么，当月N时，J415、416可得九G”胛巧，。X船N417川GO，N_GNY0。扎。N418又由49、410并根据I。巧川一，。圪，。一，可得“巧。NCOS，JN巧。RONCOSOON一OAN一419疗。疗SLN“圪，。RONSINOON一谚N一420功率放大器增益函数为一单值函数，对于任何的输入信号，要满足式419和式420，当且仅当、Q眈成立时才能满足。因此，该系统成为一线恺系统。423RLS算法优化根据上章自适应算法讨论可知RLS算法是一种较理想的算法，因此，我们采用RLS算法对目标函数进行优化。根据RLS算法准则【171，由式415、416我们可以得到目标函数为阿北1业大学硕士毕业论文RF功率放大器线性化技术研究J肋EN主兄。一，IFG，F一匕FM吼，。KF。丸F12421FILLJ如”，。RM、2422，吒州F一吒F以，RO1SINFBO1其中吮“包一谚十，为简化超见，可以作以下定义爿，”日L。，口2，。AM。7423“6，如，。BM，。7424U1F吒，C，COS丸F，RY1COS“。1丸，7425UOOROQ，C，COS唬，1COS”。1晚F7426则式421、422可以简化为”芝A“HQ以F一彳毗，F宝五”哑FQ，恕“22R,IGZ心，群OUAL鸳”“4”气”芝五”，G。一，一”F窆A“ITIGO，F22“呸，“F哟“。“呐“F玎L冈为G，、GO，中的盘如，鼠。是由预估函数巧，。、，。前次系数口K,NL阮，。估算得到的，而与管”、N无关，冈此，上式对群N、N分别求导可得甏等静。HFQ“州洲F哪”429笔器。HF嘞似咖州M；F4X”43。令式429、430右端为零时的解为ATN、群铆，则可得曲北一业大学硕十毕业论文RF功率放大器线性化技术研究旯”。“，F“；U爿；N旯”。FGF“，F1。21F4311杰五“，”芝五“D，GQ，“们。，LITL假设矩阵“，“；F，F均是可逆矩阵，那么，由式431可解得其中伽R一，岍川432雒“R。I，“吃H尺，。N。A”“，埘F，。N，A”。F蝣F433E”R,1GT，鹏，F，PQNI，吃，；，KD434理论上可以用直接求逆得方法来求解，因为在每个采样时刻均需作求逆运算，加之所需存储量IELI,于N3，而码元问运算量也正比于N3，故计算量很人。下N我TF采用RLS递归迭代算法进行求解以求解钟N为例。由式433可知RT，。N。兄”坼，珥，A马，。一1“，“根据线性代数知识及文献【17】可求得R。，C”去IR。，”一，二二；I掣LCA，S，其中标量朋”“J“局。I一1川0为方便起见，可以引入记号C，。帕RI。叭乳。N鱼等等丢杀笋堕则式435化简为CT,UU”C，。H一1一G”“如C，。H1436此式HLJ为C，。N的迭代公式。根据这公式我们可以采用迭代方法计算曲北I。业大学硕士毕业论文RF功率破大器线性化技术研究RIKH，而不用进行矩阵求逆运算，这样将犬火减小计算量。又由式434可知只N旯只月一1_”QN“，”437由式432、436、437可得群”ATN1GW”删G，删一蜘爿7N1438爿”一1G“PF同理可得”2O一1，“”KNG。七”一“”“一14394；”一1G。N其中CQMM哟去C。，一N一1一昆“”NCQ，。”一1。N”Q，。”一1N、G。”兰查；睾JJ竽公式438、439为预失真函数系数迭代公式。总之，RLS算法计算步骤为1初始化步骤令群O鬈O0，Q删OC口。O万2计算预测误差PH_“Q_“一“；“彳0一1E”七”呸饧N一“功氆。一13TF算增益向量“”“JNCI“W”一1“，一乘191UN三；J；盟，幻N”C。，“WN1”并UG。，。一I。；。；J；JJL；盟4计算新的筲月、爿N爿“贯玎一1G，埘门E竹和H娣“一1GQ，M疗毛门5计算F一时刻的C，。“、。”CIM。”长C，。H一1一G州“J“Q。一1CQ,MMHC，H一1GE。N“；NC。HI曲北L。业大学硕十毕业论文RF功率放大器线性化技术研究424基于RLS算法的中频模拟预失真器前面讨论的是一种基带预失真系统。但实际中的发射系统一般均采用二次变频，即首先将基带信号调制成中频信号，然后再上变频至射频信号，通过功率彼人器放火后发射出去。针对这种实际情况，并考虑到模拟预失真器具有速度快，存储空问小，计算量小的特点，可以设计图43所示的中频模拟预失真系统。该系统主要由三部分组成预失真器部分、调制解调部分、数字信号处理部分。其详细系统框图见图44。图43中频模拟预失真系统原理图比较图4I和图43，其主要区别在于预失真器的实现不同、正交解调器有所区别。如图44所示，预失真器也是由一正交调制器构成。但其同相分量和正交分量分别由预失真函数Q，。，年LLG。嘞控制的模拟电路实现。如图44所示，这两函数在实际电路系统中可以用乘法和加法电路完成。图4,4预失真模拟电路实现原理图功放输出RF信号经过藕合器藕合出来的部分信号，通过下变频器混频后变为坤频模拟信号。该输出信号与预失真输入信号共同送入一正交解调器，正交解捌器输出信号经过AID转化器变成数字信号送入DSP。由图45可知，功放PQ北I。业大学硕士毕业论史RF功率放大器线性化技术研究信号经过下变频器后与经过延时器后的输入信号一起通过一正交解调器QAM解凋，不考虑延时误差，我们可以得到QAM输出的同相分量和正交分量，它们分别为R,TROTCOSOOT一只F和一R匕FSIN眈F一只F。利用输入信号包络图45中频模拟预失真器详细原理图幅值R和QAM输出的同相分量TROTCOSOOT一只F和正交分量一，RSIN眈F一QF，通过直角一极坐标转换器可以得到吒R和OAT一只F。则图45中X。R和。0F为曲北】业大学硕士毕业论文RF功率放大器线性化技术研究，RTCOSAO0一只R4440Y函OROTSINOOT一只F441至此，它与前面分析的基带预失真器线性化原理是一致的，因而略去。425仿真与结果分析为了验证预失真器的有效性，本文采用仿真的方式来验证。输入信号为IGQAM信号，码元速率为RB125KBS，信号的同相分量和正交分量分别为随机数列，发送滤波器为A25的升余弦滤波器；调制解调器通过数学运算来实现；功率放火器采用文献【13】的典型行波管放人器，其归一化幅幅特性曲线和幅相特性曲线见图46，归一化幅幅特性和幅相特性分别为帅_番4AZ嘶刖丢443磐罂铂辗篁1霉UUU10203040，0607080910归一化输入幅值功放AMAM功放AMPM图46典型行波管放火器幅幅、幅相特性曲线假设输入信号为F”，经过采样后其包络值为“；预失真器复增益函数为G；，。”JG；。”；预失真器输出信号为屹“P。印扣，功放输出信号为，“P刚”，则预失真器和功放输出信号分别为09876430J0M呻”詈吣帕IITIJGL业大学硕十毕业论文RF功率放大器线性化技术研究_加”JG；，砌2瓯。咖2444以俨ANL揣I嘶羔4M砌。焉2州TAN。1粼卜00离A，为了与文献261所采用的方法进行对比，我们也采用五阶预失真函数形式其预失真增益函数如下G，一I”。CI,一，一中”4力4GO。N鼠。N屈。R”假设固定相位偏移为30。，采用上述的RLS算法，经过仿真编程最终可得OL，。050165A3。010442口5。010334屈。一O11157屈。一O14089而文献【26】的预失真增益函数系数为“L。05000口3。O12500口5，。O04315屈。一O1300压，。一O070251算法收敛性能分析根据前章分析可知理论上递归最小平方算法RLS算法收敛性能具有较人的优势。图47为运算过程中归一化误差收敛图。其计算方法为将输入信号幅值划分为十问隔，分别算出各幅值所对应的幅值误差和相位误差，然后在每次迭代时取其平均误差，最后用其平均误差除以未线性化之前的平均误差作为归一化误差值。由图47可知，当迭代次数约为40时，幅值误差几乎处于收敛状态；而相位误差人约在迭代次数为100时也收敛。文献【IGI采用的LMS算法人约需经过1000次迭代才进入收敛状态。由此可见，本文采用的RLS算法在收敛性能还是令人满意的，不过，它是以每次迭代时较人的运算量为代价的。州J。业大学硕十业论文RF功率放大器线性化技术研究3线性化效果性能分析图47归一化误差收敛图根据文献【3】可知，功放输出的邻近功率比ACPRADJACENTCHANNELPOWERREJECT或边带功率谱泄漏可用功放的功率谱密度指标描述。由文献【3】可得，功率蹭密度计算公式为队驴喇L0，L2，N449其中Y为输山信号的快速离散傅立叶变换，即Y胛YH艺YNJLLRKNN1450因此，根据以上公式，我们可以求出功放输出信号的功率谱密度。为了说明本方法的线性化效果，可以与前章文献261采用的方法进行对比。其功率谱密度对比图见图48。文献【26以邻道频谱泄漏最小为目标运用自适应算法进行优化得到预失真器系数QKL，3，5，冈其主要是对三阶交调分量和五阶交调分量最小化进行优化，而其它高阶交调分量没考虑，因而其对功率放_人器非线性改善有限。而本文采用的方法是以屹FKF为目标进行优化，因此其相应的频谱泄漏自然能得到质的改变。由图可见，采用本文的方法获得的功率谱密度比文献【26】采用的方法有15DB的改善采用预失真器比未采用预失真器人约改善35DB。晒北L业大学硕士毕业论文RF功率放大器线性化技术研硫么、原输出IRLS去IIMD棱喵入、卜、IR一心5040302010001020304050图48功率谱密度对比图但其改善效果还是有限。因采用的预失真函数级数越高，系统越能接近线性系统，冈此可以采用七阶预失真函数甚至更高阶预失真函数。经过多次仿真计算，我们发现当采用七阶预失真函数时，其五阶系数相对于其它系数而言很小，而且其对线性化影响很小。因此为了减小计算量，可以采用以下预失真函数形式，它即可减小计算量，又能获得较好的线性化效果。G，”胛口N口，N”口，N61”452嘭。”届。屈，。彳H岛。中N同样最终可得“I，049952。3。013395口7，。009931届。O00109岛。一O14545岛。一O14417图49归一化误差收敛图加珈珈枷邱和加黾皑、星蜘阱督州北13JK大学硕士牛业论文RF功率放大器线性化技术研坑图49为其归一化误差收敛图，因为采用七阶函数形式，因此其收敛速度有所减慢，相位误差人约需要经过300400次迭代才收敛图410为功率谱密度图。从图可知，采用七阶预失真器比五阶预失真器约有15DB的改善。瑁谴辫I；备频军，KHZ图410功率谱密度图3正交解调器对线性化的影响以上系统中假设正交解调器为一理想解调器，但实际系统中解调器不可能为理想的，困此，有必要讨论解调器对系统线性化的影响。根据图45所示，假设图中包络检测器的增益为定，解调器的同相增益和正交增益分别为KPKQ。；同相和正交向量之间的相位差为见。预失真器、功率放人器输入输出幅值和相位分别为F、屹F、岛F、OOT；经过包络检测器后输人信号幅值和相位分别为R、吼，；经过正交解调器后的同相分量和正交分量分别为K,I,TROTCOS00T一只F和一K。LFRSINOOT一QR。假设经过直角一极坐标转换器后输出信号幅值和相位表示为F、F，则OF、P。一分别为啪赤嘛F似OS啪MF州驯帆SIN啪M形半厄COS哪一】2即N郫吲F包2一只ATTAN等瓣经过迭代收敛后，FZR,AT、氏F“吼，F。由上式及，配F川得阳北【业大学硕十毕业论文RF功率放大器线性化技术研究OOO2一OOTO“赢453由上式453可知，解调器对系统线性化有微小影响，其体现在幅值和相位均有微小影响。假设解调器IQ相位差耽4。、幅值有4的增益。同样采用式452所描述的预失真器函数，可得OL，043240口3，。006840。006978届。一006916屈，。一O20424,AT。一015116图411预失真器特性曲线和功放输山特性曲线。由图41L可以看山，功放输山幅幅特性AMAM曲线几乎接近一倾角为45。的直线；而幅相特性AMPM曲线则有约一4。的固定偏差，由公式453可知OOT一OAT一晓Z。4。这是由登33孥罢赵援归一化输入幅值功放AMAM输出AMAM一一预失真器AMAM“输出AMPM图411于解调器相位差晓44产生的。其收敛速度和功率谱密度性能与理想的调制解调器性能几乎一致。由此可见，调制解调器对线性化性能影响较小。4环路延时的补偿11图45可知，在中频模拟预失真系统中基带预失真也一样，需要正确对比源信号和反馈信号，冈此对环路延时的补偿就十分重要。估计环路延时的方法很多，如迭代法【14】周期分量法T271等。但它们都有一定的缺点采用迭代法存在精度不好的问题采用周期分量法，则需要计算傅里叶变换与反变换，运算量人，影响系统的速度。本文采用数字相关函数法进行延时估算。该方法的前阳北I。业大学预十毕业沦文RF功率放大器线性化技术研究提条件是环路的延时是同定的或相对于白适应过程是缓慢的，其基本原理如下假设系统输入输出信号为VF、YF，则输入输出信号的互相关函数为吧R，叩IV0YF一叩PVF，YR一叩，ODT454其中PVCT，YF一77，Q是随机过程V，、YT分别在，、卜玎时刻的两个样本变量的联合概率密度函数。符号是取复数的共轭。由统计信号分析理论可知，如柴系统的延时为F，则可以近似的认为互相关函数R，叩模的最犬值出现在，7R处。这样，只要计算系统的输入信号和输出信号的互相关函数，找到其模的峰值位置就可以预估计出系统的延时。对于实际的离散系统，通常采用下式作为互相关函数的近似估计“71寺VMTYMT“丁455JTL式中，T为信号的采样间隔，为统计的采样点数，一般越火，估计越精确。该方法不需要计算复杂的离散傅立叶变换，运算量大大少于周期分量法，其最人1障误筹是一个采用间隔。实践证明【20】，采用相关函数法来估计弱非线性系统延时是有效的。43改进的中频预失真器由上一节仿真结果可知，虽然线性化结果比较理想，但当采用七阶预失真函数设计的预失真器时，收敛速度比较慢大约要迭代300400次，这主要是由于相位较慢的原因。下面对其进行改进，结果表明收敛速度得到实质性改善。431系统组成与结构图412为其详细原理图。比较图412与图45可知预估器同相输入端的输入变量由图45的单个变量变为图412的双变量A即预估器函数R。即是解调器输山同相分量X。的函数，又是解调器输出正交分量J的函数。这样，它便H以充分利用解调器输出信号的信息，从而达到改善收敛速度的作用。两忙L。业大学硕十毕业论文RF功率放大器线性化技术研究图412改进的中频预失真器原理图432线性化原理及优化1预失真器线性化原理设输入QAM中频信号为咖”郫”，输出中频信号为RFE”。”，预失真函数为G。、岛，。，预估函数为R。、。则根据图412可得以下方程MQ如，吼，一，456曲北I一业大学硕十牛业论文RF功率放大器线性化技术研究“，F屈，F457耳。F，ZOA。，。X1，458TLM圪。FX。FN舢X。K一，。X。K1，459KL其中，QN。为预估函数一。的系数；GQLK,N口。为预估函数，。的系数。0，S丸，矗。，RO1SIN纯，吮，幺，一只，庐。同理，在每一次迭代过程中，可以让GT，。“、嚷，。0满足以下关系GI。”R。一，”COS庐，“SIN庐460，。“，I”COS，”SIN庐461由式456461化简可得MH“。，。I。“D。一。COS。庐ON。，。一。SIN。N462TFKLMM屈，。”，COS“1N。舢一。SIN“。叫463KLTL即吼。COS卜1AJ旷LSIN庐卜1川464鼠，。COS“帆十SIN庐“1“呲46S则误差函数可以表示为E，“FG川1F一，巧。JF，。，466E口，吒如F一ROTR“O，。X。FX，F467假设经过N次迭代后，ETH、EQ“几乎接近零，即系数已收敛，那么，NN时，由466、467可得“G”_，。X。N，“468”吒。1NN“，H469由460、461、468、469，可推山”R，”COS庐，“SLNN巧，。TONCOS,ON，RONSIN虎N470LN。“COS庐，L”SINN。RONCOSQ60N，RONSIN丸”471对于任何时刻的输入信号，要满足式470和式471，当且仅当R，、P00成立时才能满足。因此，该系统为一线性系统。兰些兰兰兰兰兰兰兰兰竺兰兰一垦生兰垫查塑些丝堡垫查堑塞2RLS优化根据RLS算法准则，可以得到目标函数为JANE翮喜五”一7一C，QCTC，一“，善Q，。靠C，薹Q。一C。2472如”，喜扩州，吒“州沪州善如东，兰KL舢巧，“一3令4以QQ啦。ATI,M,NCLIQJ。，Q帕，。M。7474“口，61Q啦，。AQ，村，D柙1，。，A钾工。AQG，M，。475“地，O，C，靠，碟。1，7，TO1，CF_。F，吒，圪一1D7476A硼D，N。O、筹。并由上式472476化简最终可得其中假设矩阵。，名“是可逆矩阵，那么，由式477可解得带”喇，。月只N氆N喇，。”易”RIU,MUN2“帕，蛾，478479N只玎五川，G叫F世，巳”丑川，G舀，F协坦，480扛L，L比较上节可知，此处同棚分量和正交分量所需的逆矩阵相同即R丢，。”，这将人人减少计算量。同理可得50P目北工业大学硕士毕业论文RF功率放大器线性化技术研究群”2群。一1G聊”R，”Q_”一屹“群。一1481爿玎一1G圯2M门P月一2。一1GTO,2M”KNGO七H一嵋N”一1482氆胛一1G世，2M”其叶IH、CFO2M玎一IU，Q玎G口。“哟2瓦荔鼍蕊CTO。啦去C小一1GTO2。咖毛咿蝉小1PN_”QOH一N名”群一1咤”乍NG。饧“一屹“0一1433仿真与结果分析同样输入信号为16QAM调制信号，功率放大器为典型行波管，其幅幅特性与幅相特性见图，其它也与前面相同。下面将详细分析在各种不同的条件下系统的线性化性能。1预失真函数阶数选择由上节仿真可知，当采用7阶预失真函数时，五阶系数很小，这说明五阶系数对系统的性能影响可能很小。但在本节改进的预失真系统中是否具有相同的结论。下面采用对比的方法进行验证。假设系统处于理想状态下，分别设计两个预失真器PDI和PD2。PDL为含有五阶系数的预失真函数PD2为不含五阶系数的预失真函数。PDL表示为GI，UQ。Q。乍“Q，。4M口印，。寸N483G。，AG。中一口。F”。中竹484PD2表示为G，心，Q1，。GI，2“Q。6月485GO，3，。彳“矿“486运行程序结果为两北J业大学硕士牛业论文RF功率放大器线性化技术研究PDLO，049965“O132216T。，S。000606口，、7，。009353AQ3。一O13371，5，。一003221。一011829PD2“。，1。O49950Q，3。013407Q，7，。O09920Q3，。一014101吒，7，。一O15182图413归一化绝对误差收敛比较图从上可以看出口，。O00606相对与其它系数，的确很小。为了比较其系统的线性化效果，可以分别算出其功率谱密度和收敛图。图413为其归化绝对误差收敛图，比较结果表明其收敛速度基本相同。图414为PDI和PD2的功率谱密度图。比较图可知，五阶系数的确对系统的系统性能的改善效果甚小，旦对计算量影响比较人。冈为采用PDI时，卅N尚“，“。“为8XL列向量，CF。“为8X8矩阵；若采用PD2时，群H，H，心N为6XL列向量，QO,2M”为6X6矩阵。冈此，为减小运算量，以后的预失真函数均采用PD2预失真器，即不含五阶系数的函数形式。2收敛性能比较为了比较采用双变量结构与上节中的单变量结构收敛性能，我们采用相同的仿真平台，相同的条件下进行收敛性能比较。图415为比较图。图中均采用PD2预失真器，且聚用7阶预失真函数。由图415可知，在收敛速度上，本节采用的蝴啦苌爨翠，ELF西北I业大学硕十毕业论文RF功率放大器线性化技术研究图414功率谱密度比较图双变量结构相对于上节采用的单变量结构快了几乎一个数量级双变量结构在N30左右就几乎收敛，而单变量结构在N400左右才大概收敛。但在每次迭代过程中，它是以增加计算量为代价的。采用双变量结构时，每次迭代时约需117次乘法运算，人概比单变量结构多出30的计算量。综合收敛速度与运算量两因素，双变量结构具有更人的优势。图415归一化绝对误差收敛比较图3I适应性能分析我们知道，随着时间、温度、环境及信道切换时产生的变化，功率放人器、调制解调器、正交调制器的参数如；放火系数、相位偏移等将发生变化。P司此，对于一个自适应系统来说，系统自适应性能是一个非常重要的参数。下面我们将分析不同条件下系统自适应性能。在系统仿真中，仿真平台不变且圃定相位偏移均为45。州北I业大学硕十毕业论文RF功率放大器线性化技术研究1对功率放火器参数变化的自适麻性假设系统已经处于收敛状态，现将功率放人器的参数发生以下变化幅度产生L5的变化，相角偏移15。，即弛加胪坐导篙产蚴”60_15“音图4_16功率放火器参数变化时收敛圈仿真结果见图416。由图可知，幅值误差经过约60次迭代后重新进入收敛状态；而相位误差则需约100次迭代后才进入收敛状态。与图415对比可知，系统进入再收敛所需迭代次数增加，这是因为收敛条件发生改变，导致迭代过程中的增益向量变小使得迭代次数增加。图417功率放火器、调制解调器、正交调制器的参数变化时收敛图椒疆茛鼎干雹婀北I业大学硕士牛业论文RF功率放大器线性化技术研究2对功率放人器、调制解调器、正交调制器的自适应性同样，假设系统已经处于收敛状态。功率放火器、调制解调器、正交调制器的参数发生变化幅度产生15的变化，相角偏移15。仿真结果见图417。4同定相位偏移对系统收敛性能的影响在先前的讨论中，均假设同定相位偏移为一匾值。文献【28】中指山，同定相位偏移对系统自适应收敛性能影响很大，因此，有必要详细了解相位偏移西对系统收敛性能的影响。由于理论分析较复杂，因此，我们通过改变相位偏移来归纳同定相位偏移对系统收敛性能的影响。改变值，使由504减小到7。来观测其收敛性能。仿真结果如图418和419。图418巾值分别为50。和30。的收敛图图418巧值为50。和30。的绝对误差收敛图图419毋值为I5。和7。的绝对误差收敛图圈419中莎值分别为15。和7。的收敛图。在仿真过程中，我们发现当由50。减堋啷靛瓣掣、霉曲北叫K大学硕毕业论文RF功率放大器线性化技术研究小到7。时，其收敛性能越来越差，收敛速度越来越慢；当在30。70。时，其收敛性能比较满意，收敛速度比较快，大约在50次内就能收敛；在50。左右收敛性能最好。5功率回退对系统性能的影响我们知道功率放火器_T作在饱和区时，其非线性特性尤为明显。冈此，我们可以采用功率回退法，使功放T作在非饱和区，但它是以牺牲功率效率为代价的。冈此，有必要分析功放在不同的功率回退值对应的线性性能，以寻找一最佳_作点，使其在线性性能和功率效率之问进行折中获得理想的T作点。根据文献【2I】可知，功率回退值计算公式为PBO10IGS495其中S矿只一只。T为饱和输出功率。口为功放模型爿屹”2考跨高中的参数。通过选择不同的A值，可以得到不同的功率回退值。采用前面的预失真器PD2，仿真结果表明当功率回退点PBOLCTS时，人约可以获得40DB的改善；当功率回退点PBO2DB或更人时，功率谱密度将获得更好的改善。因此，我们可以使功放_T作在功率回退点约为2DB的1作区。这样，即能满足线性性能的要求，又使系统的效率比较高。本章小结本章仔细分析了一种基带预失真系统的组成结构及线性化原理；然后运用自适应滤波理论中的RLS算法到基带预失真器设计中，对预失真函数参数进行优化；在此基础上，结合实际情况设计一种基于RLS算法的中频模拟预失真器，并对系统进行改进。仿真结果表明本预失真器对于功放及调制解调器参数变化具有很好的自适应，而且能够很好地改善功放的线性度。曲北F业大学硕士毕业论文RF功率放大器线性化技术研究结束语发信通道线性化是14前无线通信发展中必须要解决的重要技术问题。而功率放人器非线性则是导致无线信道产生非线性特性的重要因素。本文中所有的T作都是同绕功放线性化而展开的，具体工作如下1本文首先分析了放火器的非线性特性及常用的功放数学模型，并对H前功放线性化技术作了比较，最终选取基带和中频预失真技术作为功放线性化的方法2详细分析了基带预失真原理以及典型的基带预失真方法和结构，比较了最小均方法和递归最小平方法的优劣性；3将自适应滤波理论中的递归最小平方法应用到预失真器设计中并对其进行改进，研究了调制解调器对功放线性度的影响以及固定相位偏移对自适应收敛性能的影响仿真结果表明该预失真器对于功放及调制解调器参数变化具有很好的自适应性，能够提高功放的线性度；利用改进的预失真器，可以取得更好的收敛性能，达到改善功放线性度的效果。不过，本文中还有以下方面需要更深入的探讨和研究1发信通道时延的估计。对于弱非线性系统，可以采用简单的相关法估计系统的时延。然而，当发信通道的非线性进一步增强时，就不能采用该方法。如何针对非线性较强的系统作精确的时延估计是进一步要研究的问题；2如何减小递归最小均方法迭代过程中的运算速度。尽管递归最小均方法具有收敛速度快的特点，但每次迭代时所需的计算量很大。减小迭代时所需的计算量也需要深入的研究。州北F业大学硕十毕业论文RF功率放大器线性化技术研究致谢本文的研究一R作自始至终都是在我的导师郭陈江副教授的悉心指导下完成的。我衷心感谢郭老师在论文的选题、开题、研究、撰写到最后的定稿中给我的无微不至的指导；感谢郭老师在我攻读硕士期间在生活、学习、思想等多方面给予的无私的关怀、谆谆的教导和精心的指导。郭老师渊博的理论知识、严谨求实的治学态度、勤奋的工作精神都给我留下了深刻的印象，使我终生受益。特别是导师对研究方向的敏锐的洞察力、对待科学研究的严谨的工作态度和勇于创新的T作精神都深深地影响了学生的成，使我受益匪浅。值此论文完成之际，我再次向郭老师表示崇高的敬意和真诚的感谢。感谢微波教研室的万伟教授、许家栋教授、韦高副教授、丁君副教授、万目宾副教授和侯新宇副教授。在本文的完成过程中，本人得到了他们的大力支持和帮助，对本人给予了很多有益的启发。他们的科研态度和优秀品质同样让我受益终身。感谢微波教研室的李南京、吴昌英、董世伟、张浩斌、李建周等博士，邓云、张洪立、颜泽俊、张耀锋、王哲、张骅、曾渊、吴雪琴、林淑洁、王迎、石敏等硕以及所有关心和帮助过我的老师和同学，与他们在学习上的讨论和交流，以及在生活上的融洽相处，使我在良好的氛闱中完成了硕士期间的学习和研究_T作。最后，我要深深感谢我的尊敬的父母和亲人们。感谢他们二十多年来给予我的精神上的鼓励、物资上的支持。州北【。业大学硕十毕业论文RF功率放大器线性化技术研究参考文献【L】TR；THA著，廖承恩译，固态微波放大器。北京，国防工业出版社，1988。121周军，白适应逆控制在无线发信通道线性化一辛的应用。西安，硕十论文。【3】SCHEN，“EFFECTSOFNONLINEARDISTORTIONONCDMACOMMUNICATIONSYSTEMS”IEEETRANS，V0144，NO12DECEMBER1996，PP27432749141CSEYMOUR,“DEVELOPMENTOFSPACECRAFTSOLIDSTATEHIGHPOWERLBANDAMPLIFIERS”IEEEPROC、VOI133、JULY1986,PP326338【5】朱明等著，微波电路。长沙，国防科技人学出版社，1994。【6】DAVIDWILLS“ACONTROLSYSTEMFORAFEEDFORWORDAMPLIFIER”MICROWAVEJOURNAL，、，014L，NO3APRIL1998PP2324【7】KJ，PARSONS“EFFECTOFDELAYMISMATCHONAFEEDFORWORDAMPLIFIER”IEEPROCVOL141，NO2，PP140144，APRIL1994【8】RDSTEWART，“FEEDFORWARDLINEARISATIONOF950MHZAMPLIFIERS”LEEPROCV01135，NO5，PP347350，OCTOBER198819GIRARDH一“ANEWBASEBANDLINEARIZC