[硕士论文精品]宽带无线通信中的放大器线性化技术研究

摘要,、Y57885A尤线频率RF功率放大器已经成为现代无线通信系统发展的瓶鲫，其内在的_线性会使信号J、牛失真，并引起邻信道干扰。为了消除_L线性，通常的办法是对大功率信号进行吲退，使放大器T作在低效率的准线性状态。随着无线通信技术的不断发展，传统的功率回退力法已无法适庸现代尤线传输技术越米越严格的线性要求。I町另方面，放大嚣的低效率更造成通信系统成本和运行费川的急剧提高。放大器线。眺化是提高传输系统线性皮，并保证放大器I竹在高效率状态的关键技术。本文在分析”1前各种放大器线性化技术的拭础上，系统地分析和研究了种最有前途的、适合米来无线通信宽带麻川的放大器线性化技术一一暴于多项式的基带自适廊预失真，免重点解决了1前预失真技术ILI存在的难点。本文首先引入非线性理沦，分析和探泔了放大器的IL线性特性和川于消除放大器非线性影响的预失真器的特性。结果表明，多项式函数是进行非线性分析和模拟的最好L具，耵且放大器的N阶失真可以通过准确选择多项式预失真器刈麻阶的系数来完全消除，为多项式预失真技术的麻川提供了删论依据。OJ查询表预失真技术的分析和对比也表明多项式预失真更适合尢线系统宽带心川。多项式预失真技术的关键在十预失真器多项式系数的自适应。”1前多项式预失真器的几利R传统的自适应方案都难咀同时实现快速的自适麻和高度的线性化。厂泛使川的最小二乘快速自透席算法是进行模刑辨识的有效I具，文章通过对传统预失真力案往适川这些算法上存在的问题的分析，提卅了利一高效的自适应预失真方案。所提的预失真力案迎过构造期望预失真器的输出，可直接利川自适应滤波领域J11人部分快速高效的白适心算法文现多项式预失真器的快速有效自适麻。并进步邢论分析了所提与案的可行性、预失真解的准确性，及项失真系统的鲁棒性。仿真结果也表明所提方案不仪白适应速度快，而月有满意的线性化性能和抗干扰性能。“1前对预失真技术的研究大多局限于无记忆放大器。然而，在宽带信号输入下，放大器展示记忆特性。记忆放大器的预失真直是预失真技术一|L的难点。传统的预失真技术皋本都聚川查询表预失真，尤法解决记忆失真的补偿，而举于多项式的记忆预失真又存在模型复杂和自适麻俐难的问题。我们分析了记忆非线性的几利常见我现形式，及其在记忆预失真庶川I存在的04题。通过对HAMMERSTEIN模型的泰獬、导黜；睦文公布888譬0。简化，建立了引R形式简甲的记忆预失真嚣模型一一抽头延时多项式NTDL模刑。仿真结果表明，联合NTDL模型和所提的高效白适心预失真方案可快速实现记忆放大器的预失真，而且NTDL模型只需使J1J很少的参数就可达到满意的线性化性能。最后，进步分析了无线传输链路小可能出现的其他环节误差，如训制解训不平衡、信号传输延时估计偏差等，对多项式预失真性能的影响，对今后实际预失真系统的开发具有实际意义。关键词T放大器线性化多项式预失真无线通信白适应算法抽头延时多项式模型TTABSTRACTRADIOFREQUENCYRFPOWERAMPLIFIERSHAVEBECOMETHEBOTTLENECKFORMODERNWIRELESSCOMMUNICATIONSYSTEMSTHEINTERNALNONLINEARITYOFTHEAMPLIFIERWOULDDISTORTTHETRANSMITTEDSIGNALANDCREATEINTERFERENCETOTHEADJACENTCHANNELSTOCOMPENSATEFORTHESENONLINEAREFFECTS，ACOMNFLONMETHODISTOBACKOFFTHEOUTPUTPOWEROFTHEAMPLIFIERSOTHATITCALLOPERATEINTHEQUASILINEARREGIONHOWEVELTHISMETHODCANNOTMEETTHEINCREASINGLINEARITYREQUIREMENTSOFMODEMCOMMUNICATIONTECHNIQUESONTHEOTHERHAND，THEINEFFICIENCYCAUSEDBYRBACKOFFMETHODMEANSTHEHIGHERCAPITALANDMIMINGCOSTSAMPLIFIERLINEARIZATIONISAKEYTECHNIQUETOIMPROVELINEARITYWHILEATTHESAMETIMETOMAINTAINGOODEFFICIENCYAUSEFULOVERVIEWOFTHEEXISTINGTINEARIZERSCONSTITUTESTHESTARTINGPOINTFORTHISTHESIS，ANDITCOULDBEDEDUCEDTHATADAPTIVEBASEBANDPREDISTORTIONUSINGPOLYNOMIALFUNCTIONSWOULDBETHEMOSTPROMISINGTECHNIQUEFORTHEFUTUREWIDEBANDWIRELESSSYSTEMSTHISDISSERTATIONPRESENTSASYSTEMATICINVESTIGATIONOFTHISTECHNIQUEANDDEVELOPSSOMEIMPORTANTIMPROVEMENTSFORPREDISTORTIONTECHNIQUEFIRST，NONLINEARTHEORYISINTRODUCEDTOANALYZETHEPERFORMANCEOF，THERFAMPLIFIERSANDTHECHARACTERISTICSOFTHECORRESPONDINGPREDISTORTERITISSHOWNTHATPOLYNOMIALFUNCTIONSARETHEBESTFORMFORNONLINEARITYANALYSISANDMODELING，ANDTHENORDERDISTORTIONTERMATTHEAMPLIFIEROUTPUTEVENCANBEELIMINATEDBYCAREFULCHOICEOFTHEPOLYNOMIALPREDISTORTERCOEFFICIENTSALLOFTHESEPROVIDETHETHEORETICALPROOFFORPOLYNOMIALPREDISTORTIONCOMPARISONBETWEENPOLYNOMIALPREDISTORTIONANDLOOKUPTABLESPREDISTORTIONALSOSHOWSTHATPOLYNOMIALPREDISTORTIONISMORESUITABLEFORWIDEBANDIMPLEMENTATIONTHEKEYPROBLEMOFPOLYNOMIALPREDISTORTIONISTHEFASTANDACCURATEIDENTIFICATIONOFTHEPREDISTORTERCOEFFICIENTSHOWEVER，PREVIOUSLYPUBLISHEDSCHEMESFORPREDISTORTIONALLHAVETHEDIFFICULTIESINACHIEVINGBOTHFASTADAPTATIONANDHIGHLINEARITYWIDELYUSEDLEASTSQUAREFASTADAPTIVEALGORITHMSAREEFFICIENTTOOLSFORMODELIDENTIFICATIONWEANALYZETRADITIONALPREDISTORTIONSTRUCTURESANDTHEIRDIFFICULTIESINADAPTINGWITHTHESEALGORITHMS，ANDTHENPRESENTANEWEFFICIENTPREDISTORTIONSCHEMETHEPROPOSEDSCHEMECONSTRUCTSTHEDESIREDOUTPUTOFTHEPREDISTORTER，SOMANYEFFICIENTFASTADAPTIVEALGORITHMSCANBEUSEDDIRECTLY，WHICHIMPLIESTHATWECANOBTAINFASTERCONVERGENCEANDLOWERCOMPLEXITYINADAPTIVEPROCESSTHEFEASIBILITYOFTHESCHEMETHEACCURACYOFTHEOBTAINEDSOLUTIONANDIHITSROBUSMESSTOINTERFEFENCEALLAREPRESENTEDEITHERSIMULATIONRESULTSDEMONSTRATETHECONCLUSION。，THEWORKONTHEFIELDOFPREDISTORTIONISMOSTLYLIMITEDTOMEMORYLESSAMPLIFIERSHOWEVER,MEMORYEFFECTSARETYPICALLYOBSERVEDINRFPOWERAMPLIFIERSFORWIDEBANDAPPLICATIONSTHETRADITIONALTECHNIQUESINPREDISTORTIONAREMOSTLYBASEDONLOOKUPTABLESBUTTHEYEATLUOTEOMPENSATETHEMEMORYDISTORTIONFORTHEPOLYNOMIALPREDISTORTIONMODELCOMPLEXITYANDADAPTATIONDIFFICULTIESALSOPREVENTITSFURTHERSTUDYINTHISPAPERVARIOUSNONLINEARMODELSWITHMEMORYANDTHEIRAPPLICATIONSINPREDISTORTIONARCANALYZEDANDASIMPLIFIEDMEMORYMODELCOMEFROMHAMMERSTEINMODEL，NONLINEARTAPPEDDELAYLINEARNTDL，ISUSEDASTHEMEMORYPREDISTORTERMODELCOMBINEDTHENTDLMODELWITHTHEPROPOSEDPREDIATORTIONSCHEMECALLEFFECTIVELYREALIZETHELINEARIZATIONOFTHEAMPLIFIERWITHMEMORY,AND【MOREOVER,ONLYVERYLOWNUMBEROFMODELCOEFFICIENTSAREREQUIREDFORSATISFACTORYPERFORMANCEFINALLYASETOFNONIDEALITIESISINTRODUCEDINORDERTODEALWITHAMOREREALISTMODELTHEEFFECTSOFMODULATORANDDEMODULATORIMBALANCESANDTHEESTIMATIONELTOROFTHELOOPDELAYINOURPOLYNOMIALPREDISTORTIONAREINCLUDEDKEYWORD_AMPLIFIERLINEARIZATIONPOLYNOMIALPREDISTORTIONWIRELESSCOMMUNICATIONADAPTATIONALGORITHMSNONLINEARTAPPEDDELAYLINEARNTDLMODELI绪论白1897年马可尼第一次利用无线电和英格兰海峡里行驶的船只保持连续不断的通信以来，无线通信已得到举世瞩目的发展。自那以后，全世界的人们都在热切地盼望使用新的无线通信方法和技术。特别是在过去的十年里，无线移动通信在数字和射频电路制造技术方面的进步的推动下获得了巨大的发展，臼益成为社会和经济发展的主动力。然而，JF线性的RF功率放火器却成为现代无线通信技术进一步发展的瓶颈。本章首先介绍了功率放大器对无线通信发展的影响，然后概述了RF放大器线性化技术的研究现状，最后介绍了全文的要点和章节安排。11研究背景“1今世界是个信息丰宰的世界，信息已成为经济发展的战略资源和独特的最有活力的牛产要素。人们对信息的需求越来越多，对通信的要求越来越高，期望能够随时随地、及时可靠、不受时空限制地进行任何彤式的信息交流。无线移动通信作为人类实现坪想通信几标的必要手段，在过去的J年坐以空前的速度迅猛发展，日益成为社会和经济发展的丰动力。在短短的几年姑，无线通信经历了从模拟通信到数字通信，直至即将到来的筇三代移动通信【1。无线通信技术发展的每步郡是沿着高容量、低成本、高质量、小体秋的力向演进。在现代无线通信系统的设计HI无线频率RF功率放大器越米越扮演着重要的角色。众所周知，RF功家放大器是无线传输系统的丰要部件，其晶体管具有内在的非线性，是无线通信系统LI羊要的非线性源34】。当传输信号经过非线性的放大器后，信号发牛失真，不仪影U向了信号的准确接收，还会对相邻川户产牛干扰。为了减小放大器ILLI线性的影响，第、第二代移动通信系统均采川恒色络调制。这种调制技术L于信号的包络0I发牛变化，对非线性不敏感，冈此放大器可以T作在接近饱和点的高效率区。但这种调制技术的频谱使JJ效率低，限制了通信系统的容量，无法通虑、1今不断增加的无线业务需求。有限的频谱资源是切无线通信赖以牛存的基石，不断提高频谱效率是满足未米人们随时随地埘除语音之外的数据、视频和图像等多媒体业务信息需求的唯途狰。然1衔，下列众多优秀的提高频谱效率的新技术无不受到JI线性放大器的限制。码分多皱CDMACDMA技术采拜L不黼筑簸鹃序列在阉鹱谱上转稳不潮的信号，是渖J比频分多址FDMA和时分多址TDMA更有效的多址技术，具有频潜利用率离、系统容量犬、抗干扰熊力强、低功耗等优点，是第三代移动通信帮未寒个人趣髂数优选矗塞附。1。然由，南1CDMA系绞存在远近效瘴，慰其饿删户的干扰更加敏感。为保证CDMA技术的应川，1般要求传输系统具有严格的线性，便非期蘩输出信号功率吃每信号功率低60DB，遮藏簧戡高痊线性豹RF放大器。线性调制，线性调制如QAM调制、厢4QPSK调制等，不同予传统的恒包终稍制，它|霹时剩JHRE信号黝蜓度积翱位进行菇号霞羧，缝有效提裹二畦线壤落期JU率，是J。1今光线传输系统普遍看好的制制技术8。但由于信号幅度变化，通过非线经的功率簸大器后，信号失真，淡琵褥率增蕊；弼盈鞭谱拶敬，产牟互稍失真，、造成邻信道于扰传统的非线性功率放大器使得线性调制技术的使川变得不可能。多载波调制Z多躐波调制如OFDM魁种商效的数据传输力式碍J，常朋于数字竟带系绞，翔数字啻毅F_掇DAB【9】帮数字褪频广摄DVB”J。它通过褥高速数据流分散到多个正交的子城波上传输，使子载波符号迷率大幅降低，符号持续时阳加长，能有效抵抗时延扩菇；通过准确的傈护黼隔设澄簏轻松遮滴除码闻干扰和偿道婀千扰；同时，盍奎具有麓频谱效率，期对多经哀落期脉冲嵘声的免疫4生等优点。但是，由于备子载波之问百树独立，多貔波信号的蜂平比叱学绒液信号盛高褥多，重RF凌率敖大器羽嚣线经雯热敏缮，造成更丈失真帮于挠。多载波基站T传统的撩站发剁机在RF对多路信号进行合弗，熨求使川多个RF功率放大器、隔离器和空腔滤波器”。多载波箍站_在鏊带对不同信逶实蕊低功察合并，然后通过网个功率放大器救大。这弛技术可减，3、功露损失，降低发射机成本和尺寸，并能提高信道分配的灵活性112。然弼，多载波传输比单载波传输同样更容荔受裂嚣线羲羧大器秘彩旗。为了提高放大器的线性度，通倦的解决办法是对大功率放大器谶行功率回退，使放大嚣T佟在线侄噬，这导致放大器的输出功率降低，大量的电流糕费，溆源懿翻圳效率只有15。提赢放大器的线性度的另秘力法是增加偏蛰电流，使晶体箭丁作在仝睁通的状态，如A类放大器，但这利T力法同样导致放大器的效率低下3,13。”。对于移动终端，低效率意味着电池的寿命短，不利于移动设备的使川。而为了保证档嗣静瞧涩寿命，戴必颈臻大电漶，这玟过来导致移动终端瀚镩秘帮重羹增麓。对于定设备，如基站，放火器为高功率放大器IIPA，虽然不使州电池可以忽略功率耗赞的问题，但低效率锌致大量羽能潼转换成热能，引起严重盼散热问题。低效率导缎的最严重的瓣题逐楚费捌翘题。睫惹戈线壤霉瓣提蒜，HPA瞧成本急剧增加。在移动通信系统RI_，通常HPA的价格吁整个皋站赞刚的40。功率回退帮增热债黄电流都会使褥放大器静输出功率太大降低，为了保证弼凝的输出功率，必须配艘能够输出更大功率的放大器。例如，。个饱和输出功率为30DB的放大器，如果需旗回退10DB才能达到要求的线性文，则实际使刖的放大器麻有10倍期望输逡功率豹熊力。_惠放大器鞠设计都楚鬻刚增船缀联的鑫俸管麴个数来提悫蘩舞毫功率，这无疑造成发射机成本的急剧提高。另外，为了解决散热问题，必须增加冷剐设备，阏样也会增丽系统豹成本和运行费圳。另T方蕊，采JJ功率屡退和偏蔗电路等传绕的设计方法所得的线性放大器的线性度不商，也无法满足未来无线技术发展越来越严格的线性传输要求。7霉线性功率效大器已经成为臻代光线遂蔼技术发裂戆瓶鞭，赢绫经敖丈器豹凌计已成为保证其他高效的光线技术褥以应川的首要前提。尤其是高线性的HPA的设计更楚|J簪低无线传输成本簸有效的途径，在市场竞争J益激烈的今天，低成本意味羲更强姻竞争力和生命力。闲此，研究禽线性的HPA已经成为鼍翦无线通信领域最迫切、最有意义的T作之。12RF放大器线性化技术的研究现状放大器的设计存在线性废和效率的矛詹，传统的线性放大器都建利圳牺牲电源的刹刈效率来换取线燃痊鹊提高。鳓要蠢效的疑时羲颞放大嚣的线性度葶眭效率瓣乃法是对放大器进行线性化。所谓放大器的线性化，魁指让放大器逝接I作在商效率瑟线性翡获态，再采翊适翡羚嗣电路对放夫嚣瓣线牲特链送行线性纯鲻正，从而在整体上呈蚬对输入信号的线性散大效果。放大器的线性化技术最早用于设计高保真的音频放大器。早在T9世纪20年代，牲SBLACK载撵瞧了媳秘穷繁蹦予城小音频放大器鼹失炎，分别称为翦镬线援化耧反馈线性化15,16具体技术原理参看蒴二章线性化技术综述。音频放大器线性化的几的丰要在于消除音频信号失真对人耳的影响，因此只需将失真输出控制在入耳的可听范嗣之外。反馈线性化技术使这。切变得轻而易举，度获得广泛的麻川，同时也限制了前馈线性化技术的发展。近年来，无线通信技术的蓬勃发展使得放大器的线性化技术扣望转向RF高功率放大器。对于无线通信系统，甲纯的音频保真已经不是唯的F1的，频谱效率和对其他川户的干扰都变得同样重要。负反馈系统吲有的稳定性问题，使得反馈线性化技术T作在尤线频率无法保持系统的稳定。为了提高系统的稳定性，在RF放大器的线性化小，反馈线性化技术从RF反馈发展射涮制反馈直至杰出的CARTESIAN调制反馈【“。2”，将信号的R作频率有效地从射频降低到皋频，使得反馈线性化技术又有了新的廊川。倪传输系统T1存在的信号延时却限制，允许传输信号的最大带宽，这点从根本上限制了反馈技术只能川于窄带信号传输，光法适麻未来高速率宽带宽的无线传输要求。反馈线性化技术在宽带无线通信上的失败，使得人们又将眼光投向前馈线性化技术。前馈线性化技术能够处理任意带宽的信号，适合宽带麻JJ，因此很多学并又开始RF放大器的前馈线性化技术研究2。”。但前馈线性化技术最大的缺点也是最大的难点在于保持不同器件之问的幅度和丰H位特性的完全匹配【271。埘于实际系统，即使经过严格匹配牛产出来的器件也会随着时问、温度等外界环境的变化而发牛特性变化，造成失真信号不能完全消除，恶化系统的线性化性能。虽然通过增加反馈回路可实时监测器件的特性变化，米调整柏应器件的幅度和相位，以保证器件之问的特性匹配【28，侗反馈回路的采川又会引起稳定性问题和增加线性化系统的成本。预失真技术是RF放大器线性化的另丰流技术。列论上，预失真可以实现任意非线性的完全补偿，且可圳于仃意带宽的信号。早期的预失真技术_模拟器件实现，如文献29】J|J二檄管构造的三阶预失真器，只能对放大器的低阶非线性进行有限的补偿，存在很大的局限性，而且线性化性能也不太理想。直到近年来，数字信号处理技术的突破性发展才为预失真技术注入了新的活力。预失真技术已从模拟走向数字，从开环走向闭环，从射频、I一频走向赭带129371。撼带自适应数字预失真是”1前顸失真技术的研究热点，而在预失真器的具体农_I上，R|前主望有多项式方式和查询表方式。高阶多项式形式的预失真器作为三阶预失真器的自然扩展，可以对放大器的高阶非线性进行有效的补偿，提高线性度，伊多项式系数的自适麻去非常刖4难。STAPLETON采川最小化带外功率的办法简化了对预失真器的多项式系数的自适麻，但这种力法只适合吲定带宽的传输信号，无法适应尤线通信多业务需求3“”】。基于查询表方式的预失真器是当前研究最深入、也最成功的基带自适麻数字预失真技术。业界丰要从事放大器线性化研究和开发的PMCSIE咖M】和INTERSIL411公司已开发出皋于查询表方式的预失真器芯片，并高价提供给第三代移动通信系统研究公司进行试验。罐于查询表的预失真器可以有效抑制甲载波信号5MHZ通过放大器的_L线性失真，但对多找波信号，即信号带宽增大时，线性化效果仍不太坪想。这丰要是由于前期对预失真技术的研究捧本都基于放大器的非线性为无记忆的假设。众多的实验研究发现H2“】，当信号为宽带时，放大器展示出记忆非线性特性。”J门无记忆的预失真器进行记忆放大器的预失真时，线性化性能将迅速恶化。为了适麻未米尤线通信高速率宽带宽的发展要求，近年来些学者纷纷开始记忆预失真器的研究。考虑到查询表在表示记忆非线性特性上的闲难，人们又开始倾向十多项式预失真器形式。VOLTERRA级数、HAMMERSTEIN模型、神经网络等等可以于表示记忆非线性函数的数学形式都被111|于记忆预失真器的研究。但由于多项式系数自适应的州难和放大器记忆特性的复杂，仍然限制了记忆预失真技术的发展。需求的牵引是发展的动力，N前RF放大器线性化技术的发展可谓百花齐放，除了反馈线性化、前馈线性化和预失真这三大丰流以外，还出现了很多其他的新技术，如EER包络消除和恢复4547、LINC采川非线性部件的线性放大4850、CALLUM联合模拟锁相环整体调制”1。”】等等。为了争夺未来的光线通信市场，几前除了些大学的研究机构和些专门的高技术设备研究公司外，无线通信行业的并大巨头，如NOKIA、ERICSSON、MOTOROLA、LUCENT、NORTEL等，也都纷纷投入大量的人力物力进行RF放大器线性化技术的研究，但研究成果都予以保密。“佰I，我国对RF放大器的线性化方面的研究还刚刚处于萌芽阶段，还没有形成争门的研究力量，些通信大公司对RF放大器线性化的需求仍然受制于人。相信随着市场竞争的需求，必将有越来越多的研究者投到高线性放大器的研究和开发上米。13本文主要研究内容及章节安排本文丰受研究适合未来无线通信系统宽带应川的HPA的线性化技术耀于多项式的摹带自适应预失真技术。本文针对J0前多项式预失真技术存在的难点，重点解决了多项式预失真器的快速自适应问题和记忆放大器的预失真问题。概括起来，本文的研究丁作主要有以下几个方面1系统分析和对比当前各种线性化技术的优缺点，选择利，最有前途的、最适台未来技术发展方向的线性化技术，确立研究L1标。尤其是对于基带自适应预失真技术的两种实现方式一查询褒和多项式函数，进行仿真对比研究，分析各自的优缺点，指出当前预失真技术存在的问题。2引入非线性理论，分析放大器的特性以及川十消除放大器非线性影响的预失真器的特性，为重点研究的多项式形式的预失真器的使川提供依据。3针对当前多项式预失真方案在线性化性能和自适应性能上的矛盾，提出R冲|1新颖的、高效的多项式自适麻预失真力案，能快速实现多项式预失真器系数的自适应，同时具有高度的线性化性能。并研究预失真模型参数选择对预失真性能的影响。，4放大器在宽带输入下，展示记忆特性。记忆放大器的预失真存在记忆预失真模型复杂和难以有效自适应的州难，直是预失真技术的一大难点。分析记忆非线性模型的几种常4形式及其在汜忆预失真廊川，通过对HAMMERSTEIN模型的简化得到一利R形式简单的记忆预失真器模型抽头延刚多项式NTDL模型。并将提出的高效自适应预失真方案扩展到记忆放大器的预失真P。最后，联合NTDL模型和高效预失真方案实现了记忆放大器的预失真。，5进步研究了采川本文提出的自适麻预失真方案后，光线传输网路上其他环节曝差，如调制解调不平衡、循环回路延时匹配误差，对预失真线性化性能的影响，并简单介绍了多项式预失真LLL过采样率的选择问题。沦文章节的具体安排如下第1章绪论。丰要介绍课题的选题背景、线性化技术的研究现状和论文的安排；第二章无线通信LRF功率放大器的线性化技术。丰要介绍JRF功率放大器线性化有关的些背景知识，包括无线传输系统的结构、放大器的非线性特性以及J_前丰要的线性化技术的原理，井分析了各种技术的优缺点，为本文确定多项式预失真技术的研究提供依据。第三章第四章菊五章笫六章筇七章多项式预失真技术研究。从线性评论的角度，分析和讨论了多项式预失真器的特性，并介绍了多项式颓失真盼原理和采用的线性化性能的评价标准。系统分析和比较了传统多项式预失真方案和查询衷方案的优缺J囊及存在的问题。剃，高效的自适麻预失真方案。针对J前多项式预失真方案存在的问题，结合自适廊滤波领域的研究成果，提出了利晌皂适合高效自适应算法直接麻川的自适席预失真力案，并分析了所提方案的可行性和抗干扰性能。最后，仿真结果证明了所提方案的高效性。记忆放大器的预失真研究。本章分析了几种常F|_|的记忆非线性的数学表示及它们在记忆预失真RFL存在的问题，确立了种形式比较简甲的记忆预失真器模型，并将所提高效预失真扩展到记忆放大器的预失真LI。本章的最后还通过仿真研究了预失真器模型参数的选择对线性化性能的影响。预失真系统设汁IIL的几点考虑。进步研究了实际无线传输系统LI可能出现的调制解调不平衡、延迟估计偏差等冈素对预失真方案的影响。结论和展望。2无线通信中RF功率放大器的线性化技术本章主要介绍与RF功率放火器线性化有关的一些背景知识，主要包括无线通信系绕传输结构、放大器的非线性特性以及非线性放大器对调制信号的影响。最后，系统介绍了当前主要的线性化技术的原理和优缺点。21引言所有的放大器都存在使被放大信号产牛失真的特性，而原则上任何无线通信系统都需要线性放大。开不同的系统又有不同的具体要求，阕此所采取的措施也大不柏同。例如，对于调频无线电台，传输信号为恒包络的甲载波，可以通过简甲的滤波把传输信号控制在分配的带宽内，将对其他川户的干扰控制在可以接收的等级而对于幅度变化的多级调制系统，虽然谐波失真仍然可以川滤波的方法滤去，但和信号柏邻的互调失真却无法消除，必须采川更高级的线性化技术。对二同系统，不同的对象也有不同的要求。如移动设备通常采川电池供电，为了方便应川，希望电池的寿命较长而且移动终端体秘小、重量轻，此放大器的效率是第考虑冈素，线性化的结果不能违背移动设备小型化、易携带的特点；而对于尤线传输綦站，由于是矧定设备，冈此不存在电池寿命和轻便的要求，但发射功率大，放大器价格昂贵，而且由于皋站需发送多路信弓，采JJ多载波传输可节约设备和提高效能，对线性要求更为严格，因此线性化的丰要R|的是提高线性皮和放大器的发别效率，从而节约成本。本文丰要研究基十无线传输笨站的高功率放大器。在这章坐。莳先介绍RF功放的_T作环境无线皋站传输系统的基本结构，然后讨沦放大器的非线性特性及其对调制信号的影响，最后综述“1前幸蛰的线性化技术。22无线传输结构传统苯站的无线传输系统结构如幽21所示【541。它丰要包含基带信号处邢、正交训制和线性RF功率放火器三个部分。举带信号处理甲JB将信弓源的数字信号处理成具有特定带宽和幅度的摹带模拟信号；正交训制部分将皋带信弓正交调制到缄频；线性RF功率放大器则将调制后的信号放大到。定功率级以便发射。誊竺门J陟丛带信弓处州止交酮，IJ|J线IQRF放人器图21传统的无线传输系统结构图22I基带信号处理单元基带信号处理甲儿丰要包含信号矢最映刺、信号频谱整形滤波和数字一模拟转换接口。I星座映射数字信号在无线通信系统IIT进行1输，首先需要将数字信号转换成适合系统传输的模拟信号。基带信号处坪甲儿根据定的舭则，将信号源输出的数字信号流映射成曲路数据脉冲流，。和Q。，和Q。的不同取值和变化轨迹决定了信号的调制格式。MPSKM逃制干H移键控羽IMQAMM进制正交幅度调制是“1前移动通信【L最常川的曲利，数字训制格式假设M表示数据源输出信号的可能状态数5”。MPSK利川绒波信号的M种不同相位传输信息。，。和Q。的映剁规则为，COSBQ。SIN谚，。其ILL，一，为一疗，71之问M个等问隔取值点。如8PSK信号的星座蚓如L刘22A所示。MQAM同时改变城波的幅度和相位传输信息，。和Q。在L，3，,M1小取值。如16QAM信号的星座幽如图22B所示。图22信号星座图9圈22静麓序分布图给出了信息表示的各种状态，假没有给出不闷状态之问的变化规则。不同蚋变化规则又决定了不同朗谶划撼式，对传输系统也存在蓑Z；网的澎响。幽23给出了4PSK信号矢量之门的儿种不同变化轨迹。如果信号从个矢量转换翻另巾失鲞是榴位连续变化瓣，弼幅度不变，剃稼为匿雹络蜇蘧澍，翔鹜23A。这种涮制由于具有恒定的幅度，冈此不受放人器幅度非线性的影响，具有较强的抗干撬能力。在数字调剥TH若QPSK每个鸦JI的包络假定为矩形，则高频信号也具有担包终特性。币幸鲍是这剥，润划格式对捌港的剥川效率投低。实际，H信道的带宽总是有限的，冈此须埘频谱无限宽的矩形码儿进行滤波。圈23国绘出了QPSK濂潮信写变纯貔辘迹潮，信号驮个矢量转换翻男个矢鞋是跳变的。抛位跳变量川能为900或土J800。“1发生对角过渡，即产牛18扩的捌移，信号轨迹过零点。经过滤波器限带后，调制信号的幅度也经过零点，这意味着熔号的动态范溺为戈穷夫。信号瓣度的火范嗣变化造成羽I隧热蕴遴失真躲捉度域燃。石4一QPSK调翻，是避免码，I转换时弱信号辘迹过零的种有效稍铡力案，如蚓23C。靠4一QPSKTIT龋制信哆的捌协妓均匀分配为寿距糟4的八个I，并被分成两组，分别加“。”和“”表豕。信弓矢量在“。”和“”组ND交替地跳变，从瓶避免了癌号轼迹过零点。壤显然，带缀瑟瑟曩I4一QPSK躲信号疆痰变纯比带凝螽的QPSK训制小，冈此对非线性的敏感度也较低。A恒包络IJ8制BQPSK啊制C硝4一QPSK嘲制漤23馕号转邃溅2潜整形”谰I形脉冲通过R带限信道II,I，脉冲会产牛时延扩展，使脉冲进入剑市邻码的时|1|JM隔内，从而造成码MJ干扰。使码问干扰最小化的种明显方式是增加信道带宽。然缸，移动迎信系统的蝴潜资源1分有限，系统都是以最小带宽T作的。谱整17DJMTJFJ可以L列叫有效地减小码I词二F扰和被训制数字信号的菅宽度。NYQUIST滤波能够将待传输的数字信号控制到尽可能最小的带宽而不引入码问干扰，具时域表达式为坤卜L筹器F陋，埘麻的捌率响应L，H10I，FLA叫2，害I小学2Z生兰1“27式LII，0口1称为提升冈子，R为码I问隔。劁2T4分别给出了A0，05，】时上述脉冲响应A，的波形及其频谱，L厂。由十脉冲I波形有LL类似余弦波，FH10部分向I升起，所以称之为升余弦脉、巾，划应的滤波器称为刀余弦脉冲成彤滤波器。厂卜A时域M1频域图24升余弦脉冲的时域和频域晌应从升余弦脉1I的频域L响麻可以看出，提SI冈子的大小决定了信号的额外带宽。”1AO时，具自罐小带宽L2T；F|丁J。1A0时，H厂为向J升起的余弦，带宽为】A2T；。1口L时，爿，的带宽为17，恰好是最小带宽的曲倍。一一一厂孔无一学另方面，提升闳子的大小还决定信号。的幅度范简。DT,L警L23TT，我们知道不嬲调铡掺式，糖号变换的轨迹是不撑嬲，担具体毂售号变换孰迹还矮受到整形滤波嚣的影响。图25给出了口025，05,1三军L|L_I隋犹R的情号矢量的实际变化轨迹幽。可以发瑶，”G倍越大，信号的幅度交纯范黼趣小，雨茈对非线性失囊的影F翻也越，J、反之，”1瑾值越小，信号的幅度变化范闸越大，划。肚线性失真的影响I也越大。A口2025B口05C髓1图25不同援舞因子下信号矢量銮按豹轨迹图综台ST“的墩值对信号带宽昶1信号幅度范用的影响，没讨台通的A对光线传输系统也是1分遭要的。3模数一数字季专换接弼实现数字信号到梭拟信吁的转换。觚良上的分析TH可以看宙摹带信号处珲繁，决定了信弓的摹本特性。般来税，同时利J11幅_【；和棚位信息进行调制的方法比中纯利川柏他信息盟上行训制的方法频谱利率高，而采川多级幅度调制的力法的信号幅度变化范闹也比甲F,H；,FIH童州制力法豹犬，导致怼LI线性叟敏感。嗣此，16，QAM泌铡具有高频谱裂纠枣，酊盯14一QPSK训制则兼顾频漕利川率和埘非线性失真的影岣，均是、。1前普遍被朽好的调剃技术另外，成彤滤波器提升闶子的大小也直接决定信号昀输入信号幅度范嘲，对J二柏珂调制信号，提升网子越小，信号J蠊度变化范用趟大，埘非线童生的敏感控发也越大。222蔗交调黼正交蝴制媳实现原理_殳J燃21抠，|1所承。袋带模拟信譬，。；，鞠妥I分别调制载波的同向部分COS。F芹N正交部分SIN。F，输出相加牛成被训制的RF输出信弓ST。ST戎小为ST1J。，TTCOSOTQ。TTSIN097TRTCOSOJ，T臼F其LI，RO，。F2Q，F2表示信号的幅度。OT口TALLQ。TF。表求信号的位。另外，S还可表示为复信号的实部SOREKFEM，“，1REKF。，0ITEM，1REB。FJ复信弓包络SF常川于描述RF信号汁掉机仿真，H为了减少仿真的复杂性，川其旗。特表刊。S。，可搦述为称为RF信号ST的基带表示。在通股不对实际的RF信号进行仿真，而S。FROE。“。OJ瓯0F231241常的是采F2512,2。3线性RF功率放大器测制后的RF信号ST需要通过功率放大器将功率放大到定功率级才能发射出去。_日制后的信号股都柯幅度变化，容易受到放大器|线性的影响，引起信号失真，造成误比特牢的增力。同时，产牛FI训失真，造成邻信道干扰，冈此需要线性的RF功率放大器。然而，实际的高效率的放大器均存在非线性。下节将详细讨论RF，L；J牢放大器的非线性特一阵。23RF放大器的特性RF功率放大器根据电路特件、1作拓扑、线性度和效率的不同可以分为很多类。“1NH，比较常川的RF放大器有A类、AB类、B类和C类13,14。放大器的设计存件线性度和效率的矛盾，般线性度越高，则效率越低。几前功率放大器都采川半导体器件实小。而大信号半导体器件的特性存在内在的非线性，股可分为截LH放人和饱和I个K。A类甲类放人器股T作在线性放大区的LIL点。它要求较大的偏筒电胍以保证仃们叫刻都有输出电流，其最大效率不会超过50。这利R放大器由于避免厂器件开灭所产，1的JL线性，冈此具有较高的线性度。B类乙类1放大器T作在特性的端，使得静态电流近似为零，器件导通时问为50，吲此比A类放大器效率要高，理想情况下可达剑785。AB类甲乙类放大器T作在A类放大豁和B类放大器之问，依赖于偏置电流的大小和输出电平的不同，器件的导通时问在50一100之问。AB类放大器的效率低于B类大JA类，酊失真度则大于A类，小JB类。C类放大器指其T作点的选择使得输出电流域电肝在超过二分之的时问内均为零的状态。冈此，这类放大嚣会导致严重的输入信号波形失真，FH其理想效率最高可达到100。幽26所示的分别为典，耻的A类放大器和C类放人器的特一肚剀。FAA类放人器1口。90170髦；50警40蓦加41口口FBC类放人揣图26放大器的特性RF放大器的特性通常可以川幅度和柑位失真米表示。”1输入的RF信号我示为STRTCOSCO，T目F】26则利府的放大器输出可表JI为YFARTCOSCO。T臼F陋R】27其L，爿【】表示幅度失真函数，迎常称作AMAM失真；P【】表示市U位失真甬数，通常称作AMPM失真。大量研究农明，放大器的AMAM和AMPM失真都只与输入信号的幅度有关，而J输入信号的市“位无火。放大器的特性并_L是静态的，它的特性迩会受温度变化、直流功率，输出负载以及器件老化等冈素的影响而缓慢发牛变化，称为M线性的漂移。冈此，”1我们采川线性化电路对放大器进行J0线性纠正时，必须考虑到二M线性渫移的影响，采川臼适廊控制的方法跟随放大器特性的变化。4此外，放大器的特性还依赖于信号的数据率。HEUTMAKER通过实验发现43,441在信弓数据率很低1KBPS时，放人器只是平滑输出I岜脉信号和增加了相位波纹，从数字信号推廿的AMAM雨IAMPM响府类似十甲爵信号测量的结果。仉往数据率较高100KBPS叫，电肤信号的峰值只有较少的肚缩，州位的波纹也增加得比较少，而且信号的AMAM和AMPM响成都M现了明显的磁滞现象。放大器在高数据率时的戒现称为有记忆的悱线性特性。放大器的记忆JL线。件特性丰要足南十电路的记忆特性引起酬。在RF放大器内部，仃点ITTSC会随频率发牛变化，会导敛放大器的记忆效应；另方面，放大器的电热耦合广R的热效腑也会导致汜忆效应。此外，如果考虑整个无线传输路径，在RF放足器外部传输叫路上的滤波器则是整个传输系统记忆特性的卡要米源。礼窄带输入F，放大器的记忆特性常被忽略，这是由十RF放大器般都有很宽带宽，仵这个带宽内仃何相对较小的部分带宽H放大器的传输特性市H刈J频带LIL心看起来是频率独立的。”竹输宽带信号叫，放大器的记忆特性将直接影响放_人器的输出信号。24非线性放大器的影晌由于放大器的晶体销在输入信号的I乜胜达到定强度时，会进入饱和状态，输入信刁的幅度产牛肽缩效府，这可看作由AMAM失真引起；同时，放大器的AMPM失贞会引起信弓利位的平移。“1输入信号为数字DM制信号时，放大器的JL线性失真使FIJL米规14J的训制星座发IJH编和旋转。同时，由于放大器记忆效应的影响，原本处在同位黄点的星庸还会发牛分散现缘。蚓2,7即为蚓22B对应的16一QAM训制信号经过JL线性放大器后接收信号的星座幽。对比失真前后的星座幽，可以叫昆地看|J星座幽的水N、旋转和I星座，囊分敞现缘。星座幽的失真会直接影响传输信号的证7荫解码，造成误比特率的增加，严蕈影响信号的传输质量。往频域力面，放大器的IT线性失真会使原本严格限制在某带宽内的信号发牛频者扩展。N28所示的是刈席失真前后16QAM训制信号的频潜蚓。幽IIL虚线为原输入信号的频谱，灾线为经放大器输出后的信【；频者。信号频谱在经过JL线一陀放大器后，被扩展到更宽的频带内，在原米没有信号的频带内产牛丫新的信号，这种现象称为涪阿牛。潜冉牛会引起邻信道干扰，影响市H邻甚至更远信道内信号的正常接收。图27失真的16QAM信号星座图图28失真前后16一QAM信号功率谱图25线性化技术综述为了获得高效率和线性的功率放大器，必须对放大器进行线性化。即让放大器12“FI在高效率却11二线忡的状态，冉采川适“1的外俐电路刑放人器的非线性特性进行线性化纠正，使放大器和线，TT,FL电路存整体上呈现对输入信号的线性放大效粜。前，对放大器常川的线性化技术有前馈、反馈、矢量和以及预失真等。251前馈线性化放大器的前馈线性化方法早往上个世纪20年代就由BLACK提出I】“，H直到近几年才开始研究。前馈线性化T作在RF，其原理框俐如幽29所示口“。RF信信号消去环图29前馈线性化原理图一一心前馈线性化方案爱呵分为似个部分信号消去环和失真消去环。信号消去环将ITFM线性放大器的输出的尺度衰减信号卜孑RF输入信号的延时进行比较，消除RF信号成分，得到放大器的失真输出。失真消去环则将前环蹄一F，的失真信号通过线性从放大器放大川于抵消丰路ILR放人器的失真信号，从而获得RF信号的线性放大信号。6馈线性化力法从原琊上米随，可以实现失真的完全消去，咖且不存件稳定性IJ题，通合十宽带麻川231。然而，其线性化性能严重依赖幅度和相位的匹配26,27。两个延时环节必须严格匹配卡U戍放大器的延时和相位变化；哀减器和从放大器必须严格【厄配丰放大器的幅度变化。实际，LI，由J放大嚣的特性还会随温度、时MI等冈素而发牛漂移，还需对延时和幅度变化实现自适应训整，冈而使得前馈线性化技术的设计变得越发刖难28】。另力面，从放大嚣要求有足够的线性和输出功率来抵消放大器J。牛的失真，这无疑又增加了设计成本和功率耗费。252反馈线性化反馈线性化技术最早也是F打BLACK提出旧，并得剑广泛的研究和应川。反馈线性化原邢如11刘210所示。图2J0反馈线性化隙理圈图ILI，GS为前向路径上的滤波环节，卢为反馈回路增益。为A，D我示放大器产牛的失爽信号。则系统输出为V竺矿D。1AGPJ1AG8_爿叩川，而AG万Z万1，瓦匆。叽放大器的放大系数F2_81上式发明，。1反馈系统的环蹄增益足够人时，整个系统的增益将决定于反馈回路的增益L，M输出信号1I的失真则趋近于零。反馈线性化技术由于基于反馈原理，冈此稳定性问题是其要缺点。放大器及其反馈回路”存在着延时，一系统频率较高时，必须减小环蹄增益，否则系统的稳定性则很难保证。侗减小环路增孺又影响到失真的抑制。为了使系统T作在低频状态，般不采川直接TQ,JRF反馈，向是采川调制反馈技术。常川的调制反馈技术有包络反馈5”、极调制反馈酬和CARTESIAN蒯制反馈172I7，其1LI最杰出的是CARTESIAN反馈技术。CARTESIAN反馈传输系统的原珥幽蜘I幽211所_I。放大器的输山信号同步删训卜J源信号相比较，产牛误差信号。误差信弓经循环滤波器滤波，正交训制上载频到RF信号，最后到达放大器。，F，QF图2I1CARTESIAN反馈线性化J票理图调制反馈技术虽然使系统I作在低频提高了稳定性，R干H对于RF反馈环路延时也市J心增加。系统的传播延时决定了系统的相位特阽。文献20给出R循珂、延时、信号带宽和稳定性之MJ的灭系。对于5MHZ的截止带宽系统的循环延唰小能超过33NS。几前，对JCARTESIAN反馈技术的文验研究，信号带宽股Z、超过500KHZI嘲。253矢量和对两个或多个恒包络信号进行通”1的联合ITJ，。牛个变包络和变卡|J位的信号，冈此FT意幅度和利位调制的信划都可以JJ过逃扦。呲包络载波之间的准确捌化关系而获得，这就是矢量垌I技术的拭奉原理。放大恒包络信号不需要放大器为线制，测此放大器可以T作在高效率的状态。久量和技术的卡要缺L在十恒包络信号联合过程FII不可避免的信号坝失将降低整个系统的效率。ILLNCLINC采川非线性部件进行线性放大是矢量和技术的个特例，1974年由COX提出4”。焦号分量分离嚣将辕入信号S分离成礴个等幅度懿囱量S；F秘SF。SF和S，分别经JL线性放大器放大，冉联台产牛划望的输出ASO，如浏2，2所小。嚣线_|P盎图212LINC线性化原