[硕士论文精品]基带预失真技术研究

摘要摘要高功率放大器是无线通信系统中的必要组成部分，它的非线性失真会对系统的性能产生很大影响。本文对高功率放大器的线性化技术进行了一系列的研究。主要工作可以分为两个方面。第一个方面介绍了无记忆高功率放大器的非线性特性和常见的各种线性化技术。在此基础上重点研究了基带查表法预失真技术，对其用FPGA进行了实现，并且在硬件平台上检验了基带查表法预失真技术的效果。第二个方面，针对功率放大器的记忆性对基带查表法预失真效果的影响，首先介绍了功率放大器记忆性产生的原理和各种记忆性预失真技术，重点研究了在基带查表法预失真器中加入自适应均衡器来消除功率放大器记忆性的技术，并且对算法的结构进行了简化。最后通过MATLAB仿真，检验了算法的效果。关键词大功率放大器非线性记忆效应预失真ABSTRACTABSTRACTPOWERAMPLIFIERSAREESSENTIALCOMPONENTSINCOMMUNICATIONSYSTEMSANDAREINHERENTLYNONLINEARTHENONLINEARITYCREATESSPECTRALGROWTHBEYONDTHESIGNALBANDWIDTH,WHICHINTERFERESWITHADJACENTCHANNELSITALSOCAUSESDISTORTIONSWITHINTHESIGNALBANDWIDTH,WHICHDECREASESTHEBITERRORRATEATTHERECEIVERBASEDONTHECOMPLETEANDDEEPSTUDYOFRADIOPOWERAMPLIFIER,THISDISSERTATIONFOCUSESONPREDISTORTIONTECHNIQUE，ONEOFTHEMOSTCOSTEFECTIVEWAYSAMONGALLTHELINEARIZATIONTECHNIQUES，ANDTESTSTHEPERFORMANCEOFAMEMORYLESSBASEBANDLUTPREDISTORTERONHARDWAREPLATFORMFORWIDEBANDORHI曲POWERAPPLICATIONS，THEPOWERAMPLIFIEREXHIBITSMEMORYEFFECTS，FORWHICHMEMORYLESSPREDISTORTERSCANACHIEVEONLYLIMITEDLINEARIZATIONPERFORMANCEINTHISDISSERTATION,WEINVESTIGATEAMETHODTHATUSEAADAPTIVEEQUALIZERTODEFENDTHEMEMORRYEFFECTINSYSTEM，ANDPROPOSEITSSIMPLIFIEDARCHITECTURE，WHICHCANACHIEVEGOODRESULTINSIMULATIONKEYWORDSHPANONLINEARITYMEMORYEFFECTPREDISTORT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，本人签名叠鱼日期本人承担一切的法律责任。加。易、；，FF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攥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。本人签名壁煎日期丝2型导师签名貉。迄型奎日期迎监芝第一章绪论第一章绪论11引言自20世纪70年代末第一代移动通信系统面世以来，无线通信产业一直以惊人的速度迅猛发展，特别是近十年，无线通信技术不仅改变了人们的通信方式，还从某种程度上改变了人们的生活方式。如今无线通信已经进入了规模化发展的阶段，成为推动社会经济发展的强劲动力。随着无线用户的飞速发展和宽带通信业务的开展，通信频段变得越来越拥挤，在设法提高频谱效率的同时，也希望提高功率效率，使用最小的功率来保持每个信道的有效链接，同时保证对相邻频段的用户产生最小的干扰，也就是必须在所规定的频段内传送信号。但通信系统中的非线性器件必定会使发送信号产生非线性失真，从而对相邻信道产生不同程度的干扰。对于一个高功率的射频发射机而言，这些失真信号虽然比所要输出的信号小许多，但是它的绝对值还是很大，会对系统产生干扰，因此必须控制在一定的范围内。功率放大器是通信系统中非线性最强的器件之一，其非线性失真对无线通信系统将产生诸多不良影响。会使输出信号星座图的实部和虚部发生偏移，使眼图的眼睛闭合，导致频谱扩展而干扰邻道信号并恶化误码率。此外，失真还使系统的数据率下降而使系统的容量降低，或使系统信道频率间距变大而使系统的频谱利用率下降。对于恒包络调制，如调频F1、最小频移键控MSK等通信系统，可以采用滤波技术消除谐波干扰。但是，恒包络调制只能利用有限的频谱，给通信系统造成了压力。随着移动通信的发展，对通信系统容量的要求越来越高，同时为了充分利用频率资源，提高系统的传输速率，线性调制技术如正交移相键控OPSK、十六进制正交振幅调制16QAM及多载波调制技术如正交频分复用OFDM、WCDMA等得到了越来越广泛的应用。由于线性调制或多载波调制信号的包络是起伏波动的，采用这些调制技术的信号包络是变化的，而变化的信号包络对功率放大器的非线性很敏感，这样就会增加放大器信号的非线性失真。这些波动经过非线性的射频功率放大器后将产生交调分量，且会产生邻道干扰，严重影响了通信质量，所以要求使用高线性度的功率放大器对输出的交调干扰进行抑制。这些都对功率放大器的线性度提出了更高的要求。因此，功率放大器的线性化技术正逐步成为无线通信领域一个重要的研究焦点。基带预失真技术研究12线性化技术的发展功率放大器线性化技术研究可追溯到上世纪二十年代。1928年贝尔实验室的美国人HAROLDSBLACK发明了前馈和负反馈技术3并用于PA的设计，成功地减少了放大器的失真。从概念上讲线性化技术就是用附加的电路来消除IMD，但须指出的是线性化技术不会增加放大器内在的功率能力，一旦放大器达到饱和点后，线性化技术也是无效的。多数情况下采用线性化技术的PA仍要从压缩点回退。随着移动通信技术的发展，到上世纪八十年代RF功率放大器线性化技术飞速发展，人们相继提出了一系列功放线性化技术前馈、反馈、预失真、使用非线性器件的线性放大LINCCALLUM和包络对消和恢复EER等技术都得到深入的研究和探讨，申请了大批专利。从总体上看，这些线性化技术可分为两类第一类指PA的输入信号是包络变化的信号，该信号经非线性PA放大后，在输出端产生线性放大分量和非线性失真分量，然后附属电路利用线性化技术消除非线性失真。此类线性化技术包括前馈技术、预失真技术和反馈技术。第二类指PA的输入信号是包络恒定的信号，包括LINCCALLUM技术和EER技术。该类技术首先将输入信号分解为两包络恒定、相位变化的信号，两信号被各自的放大器放大后再合成得到最后的输出信号。预失真技术最初应用于模拟通信系统中的射频部分，1959年MACDONALD提出用相反的非线性特性来补偿三极管自身非线性的方法，这就是基本的模拟预失真思想。模拟预失真属于开环线性化技术，其校准精度不如闭环系统，线性改善度有限。其优点在于不存在稳定性问题，频带宽，电路简单，成本低廉。早期的模拟预失真技术主要应用于有线电视和卫星通信系统中。19世纪80年代以后，随着数字信号处理DSP技术的发展，预失真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。上述的线性化方法是将HPA看成一个单纯的非线性系统，而没有考虑HPA的记忆特性。随着信号带宽的增加，HPA的幅频特性在信号的带宽范围内并不是完全平坦的，表现在放大倍数不仅与当前输入值有关，还与之前的历史输入值有一定关系，这就是HPA的记忆特性。对HPA记忆特性的研究中，VOLTERRA模型应用得比较广泛，VOLTERRA是一种基于多项式的模型，能完整地表达HPA的非线性与记忆性”3，基于VOLTERRA模型的自适应收敛算法也有一定成果，其中最有代表性是VOLTERRALMS算法和YOLTERRARLS算法01常见的还有HAMMERSTEIN模型及其相应的预失真方第一章绪论法。3。然而，由于这些模型结构复杂，收敛迭代运算繁琐，牵涉到大规模的矩阵运算，必然要求硬件具备高速实时运算能力，使这些理论难以应用于实际工程项目。因此，目前对预失真技术的研究重点已经逐渐转移到HPA的记忆性上面，提出简单高效的有记忆非线性预失真方法，是实际应用中一个急需解决的问题。13本文工作概述及安排本文的主要内容是对射频大功率放大器线性化技术的研究。论文主体部分总共分为六章，各部分内容安排如下第一章介绍了线性化技术提出的背景和发展现状，论述了功率放大器线性化技术研究的必要性和重大实际意义。第二章分析了射频大功率放大器的非线性特性，介绍其非线性特性的描述方法和模型，并介绍了各种射频大功率放大器线性化技术的基本概念及其特点。第三章介绍了无记忆基带预失真技术的原理，包括多项式预失真技术和查表法预失真技术。第四章对基带无记忆查表法预失真技术用FPGA进行了实现，检验了无记忆预失真技术在实际硬件平台上的效果，并根据实验结果指出功率放大器的记忆性对预失真算法的影响。第五章分析了功放记忆性产生的原因，介绍了几种带记忆性的放大器的经典模型和一种基于HAMMERSTEIN模型的预失真器的结构和原理。第六章介绍了两种计算量较少的基于查表法的带记忆性预失真技术二维查表法预失真技术和加入均衡器的查表法预失真技术。并通过仿真，检验了加入自适应均衡器后查表法预失真技术性能的改善。第七章是本文的结论部分，对本文作一个全面的总结。第二章功率放大器及其线性化Y第二章功率放大器及其线性化21功率放大器的非线性螂图21理想线性系统图22非线性系统理想放大器是线性的，其传输函数可表示为HJCOIHJCOEXPJTBO，其中IHJCOL为常数，咖也为常数。系统存在固定的放大倍数和固定的群时延。采用输入输出表示为YT厂SF。其中厂为一个线性函数。而实际中的功率放大器是非线性的，如图12所示。其输入输出关系不能再简单的用线性函数来表示。TAYLOR级数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。无记忆非线性系统的输入输出关系可表示为YFQJFC2S20C3J3021其中JF和_，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。22功率放大器非线性对信号的影响1单音信号通过非线性放大器对于一个无记忆非线性放大器，其输入输出关系由式21描述。若输入为单音信号STACOS2矾F，忽略三次方以上的高次项可以得到输出信号为YFCLACOS2RCFCTC2【一COS2，以F】2C3【一COS27吮F】36基带预失真技术研究三Q十卜舢知LCOS2荆CA2COSZ加Z棚知COS2丌3F,F22可以看出，输出信号中不仅有输入频率丘，还包含了直流寄生分量、二次谐波频率分量2Z和三次谐波分量3Z等频率。2双音信号通过非线性放大器如果输入双音信号JFACOS2确TEOS2NF2R可以得到输出信号为YTC242C242COS2疗“一F00卜4；C3A3COS协听，C。A三C3A3C。S2丌，；C3A3COS2丌一F30丢白A3COS2R2以一Z，CA2COS2ZC石五去分A2COS2ZR2ZF去”A2COS2R2AF三白A3COS2丌2石厶F三岛A3COS2丌。2五正，I1C，A3COS2疗3F,R言白A3COS27R3A，23可以看出对于双音信号输入，输出信号中不仅有输入信号的基频石、五分量，直流寄生分量，二次谐波频率2石、2五分量和三次谐波分量3石、3L而且还包含二次互调频率石五分量和三次互调频率ELI五，2五Z分量，如图23所示。这些组合频率是由非线性器件的高次方项产生的，并且对有用信号形成干扰。这种干扰并不是由两输入信号的谐波产生的，而是由这两个输入信号的相互调制相乘引起的，所以称为互调失真。第二章功率放大器及其线性化A。LJTFFFLFLFFFFLR，净芦，譬，芦譬毒当图23双音信号通过非线性放大器后的频谱在工作频带小于一倍频程的系统中，因为所有Z、2F,、2以、2Z以、2厶，；以及3，；和3疋分量都落在通带之外，可以通过加以适当的滤波器对他们加以滤除，而所有频率为2Z一疋、2疋一_，；的三次互调成分却落在了通带之内，并且会使使所需要的基带信号，和厶发生畸变。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。3有一定带宽的调制信号通过非线性放大器图241放大器输入信号的功率谱图242放大器输出信号的功率谱图241和图242显示了调制信号通过非线性放大器后的频谱变化。可以看出通过放大器后，在信号功率谱的主瓣外抬起了旁瓣，即产生了新的频率成分。23无记忆放大器的AMAM和AMPM特性模型除TTAYLOR级数外，无记忆非线性放大器的失真还可以用其AMAM特性和AMPM特性来描述。AMAM特性表示放大器输出信号幅度与输入信号幅度的关系，AMPM特性表示放大器输出信号相位误差与输入信号幅度之间的关系。UF2F2FIFIF2UFI8基带预失真技术研究1固态功率放大器SOLIDSTATEPOWERAMPLIFIER固态功率放大器1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。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，所以只考虑幅度相应失真，即AMAM变换。RAPP模型“”是专门用来描述固态功率放大器的经典模型。其AILAM特性可以表示为八椰2币爷式中A为输入信号幅度，P为光滑因子。RAPP模型的AMAM特性曲线24根据式24可以得到P取不同值时图27RAPP模型的PD、_4AM特性曲线从图上可以看出随着光滑因子尸的增大，放大器的线性逐渐增强。当P10时，其传输特性已经非常接近理想放大器的传输响应。P的典型取值为12，3L，在这个范围内曲线非常接近放大器的传输特性。2行波管放大器TRAVELINGWAVETUBEALLLPLIFIER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大器方面具有绝对的优势。TWTA的传输函数中AMAM失真和AMPM失真都比较明显。通常我们用SALEH模型“”来描述TWTA，SALEH模型包涵了AM删失真和AMPM失真。第二章功率放大器及其线性化9刑昔25GA、1生3兰,OA226、2生一、G分别为AMAM和AMPM特性的相应函数，分别取各参数为21587、届11517、蛳40330、廓91040，放大器的AMM和AMPM特性曲线如图28所示假定理想输出相位为O慰蓉，置警输八赞QT嗡烂24放大器非线性特性的描述指标毒曩奎一二_兰露11DB压缩点功率如图15所示，随着输入功率的增加，放大器的增益会逐渐降低。放大器的输出功率比理想的输出功率DQDB时工作点称为放大器的LDB压缩点。此时的输出功率成为LDB压缩点功率巳。LDB压缩点功率在标称一个功率器件的线性输出性能时，是一个很重要的指标。我们可以从图上很直观的看出，P。越大的器件，其线性化程度越好，非线性失真程度较低，反之则非线性失真越严重。10基带预失真技术研究输入功盎图25功率放大器的LDB压缩点窒2三阶截断点三阶截断点表示功率放大器的线性输出功率和三阶互调干扰的功率随输入功率增长而最终相交于某一点，此点的输出功率称为截断功率。它是一种对三阶互调干扰的度量指标。输入功塞图16功率放大器的三阶截断点蛊3邻道功率比ACPR邻道功率比是信号扩散到相邻信道的程度的一种度量，它是由于功率放大器的非线性所引起的。邻道功率比的定义为相邻信道功率与主信道功率的比值。即假设中心频率为正，在频率正附近蜀尽带宽内的信号功率与以为正中心频率的毋带宽内信号能量之比。其中，在很多协议标准中，且和岛不一定相等。25各种功放线性化方法第二章功率放大器及其线性化1功率回退技术由于射频功率放大器的本身特性，随着输入功率的增加，放大器输出功率会进入饱和状态，即放大器输出功率将不再随着输入信号功率的增加而增加，导致了非线性失真的产生。功率回退技术是人们最早提出来的功放线性化技术。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LDB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。功率放大器输出回退DBD定义为OBOLOLOGLO，L。圪。27功率放大器输入回退膪D定义为IBOLOL0910只。只。28其中巴。和。为功率放大器达到饱和时的输入功率和输出功率，只。和圪。为平均输入功率和输出功率。IBO和功率放大器的特性共同决定了OBO的值。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，功率放大器的非线形影响就越小，同时HPA的效率就低。功率回退是一种可行的线性化技术。它简单易行、不需要增加任何附加设备。但是，功率放大器工作在线性区时的效率是非常低的，甚至只有百分之几。因此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。2包络消除和恢复技术该方法主要是采用两个放大器，用于分别放大已分离的输入信号的幅度和相位，最后再将放大的幅度信息和相位信息结合起来，达到既高效又线性的放大目的。基本原理如图27所示，对输入的射频信号分成两天支路进行处理，其中下支图27包络消除和恢复线性化技术路主要采用一个限幅器，把输入的射频信号进行限幅，使之成为恒定包络的信号，再对这恒定包络的信号进行放大。由于是对恒定包络信号进行放大，因此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。而上支路主要有包络检波器构成，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放大，然后再将放大的幅度信息和相位信息用一定12基带预失真技术研究的方法结合起来，达到即高效又线性的目的。图28包络消除和恢复线性化技术的闭环实现模型图28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重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。3笛卡尔环路后馈技术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量的工作，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，而是通过间接的方法进行的，笛卡尔CARTESIAN环路后馈法就是一种比较成熟的间接反馈控制法。其结构原理如图29所示。第二章功率放大器及其线性化图29笛卡尔环路线性化方法笛卡儿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。其中，基带信号I、Q输入端的放大器为差分放大器，低通滤波器的主要作用是滤除高频分量，当I、Q信号分别进入调制器后，经调试器产生了射频信号S“。在这里SQLTEOSCOTQ，SINCOT29其中是射频载波频率。S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、Q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。该方法的优点是具有良好的线性度提高性能，效率比较高。缺点是应用于较宽频带应用时定性实现困难，信号迟延对性能影响最大，需要高线性度的混频器。4非线性器件组合线性化技术非线性器件组合线性化技术LINEARAMPLIFICATIONWITHNORLINEARCOMPONENTS其原理框图如下图611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，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14基带预失真技术研究以经过放大器后，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。高效率非线性功放图210LINC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SO口OCOS2矾F庐，210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SF和是FSLR口一FCOS2矾，4GPTAO】211是FGMXTCOS2NFJ妒OAT】212在这里，2STSFS20，口F4AREEOSATA,。】。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条件。LINC技术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啪1，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，要求两个功率放大器支路基本相同，这并不容易做到，实现起来难度较大。5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HPA功率效率的有效技术。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。第二章功率放大器及其线性化输入功室吃饬略图21I预失真技术的基本原理预失真技术的基本原理可以由图21I定性的说明，图中的曲线为实际功放的非线性特性。如果放大器输入的功率为V。，则放大器输出功率要小于所希望的线性输出功率KVM。但同时可以看到如果放大器的输入功率为，则输出功率为勋。因此可以在放大器的前端加一个预失真器图212。如果输入功率为，则预失真器输出功率屹，使得放大器的输出为理想的线性输出功率GV。这样就M使得预失真器和放大器组合的整体的输入输出关系是线性的。同时可以看出，如果输入的功率过大，比如VH，使得我们所希望的线性输出功率氲0超过了放大器的饱和功率，此时无论预失真器输出多大的功率，放大器都无法得到所需的线性输出。图21L预失真框图预失真技术的框图如图211所示，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F1I，功率放大器的特征函数为GD圪I，构造预失真器的特性曲线，使其与功率放大器的特性曲线互补，形成线性放大。其数学表达式为FIV。IGIIK213其中K为常数增益。16基带预失真技术研究预失真系统可以通过各种各样的形式实现，有射频预失真、中频预失真、基带预失真。它们的基本原理都是一致的。基带预失真技术是本文研究的重点，其整个系统的结构如图212所示。放大器的输出功率被耦合器耦合一部分下来，通过下变频和AD变换后，与发送信号进行对比，自适应更新预失真器的参数，使预失真器可以跟踪放大器特性的变化。图212基带预失真系统框图本章小结本章首先分析了无记忆功率放大器的非线性原理，用级数方式描述了无记忆功放的非线性特性失真对信号频谱的影响，介绍了无记忆放大器的AMAIJ特性、AMPM特性模型和衡量功率放大器非线性的三种指标，最后介绍了几种功放线性化技术，其中基带预失真技术是本文研究的重点。第三章无记忆基带预失真技术第三章无记忆基带预失真技术31多项式预失真技术任何无记忆放大器的特性均可用一无记忆多项式来拟和。预失真器具有放大器非线性特性的逆特性，同样可以采用无记忆的多项式来表示。多项式预失真技术的原理是用一个多项式来表示放大器非线性的逆特性，以抵消放大器的非线性失真。图311是一个三阶多项式预失真器的结构图。图31多项式预失真器的结构从第二章的非线性系统的失真分析中，可以知道只有奇数阶的非线性会影响系统的基频带输出。在无线通信系统中，严格的带通滤波可完全滤除偶次谐波失真，因此只需要考虑放大器的奇数阶非线性的失真。预失真多项式也只考虑奇数项。一个21阶的多项式预失真器的特性可以表示为勤后P7XRNTP；IX七12后P刍一。IX_I12。1X。后31其中_J为预失真器的输入信号，七是经过预失真后的信号。钟P刍一，为预失真多项式在K时刻的各项系数。由于放大器非线性受温度变化、电源漂移、机械振动、老化及其他动态非线性损害的影响会产生变化。为了能动态跟踪系统的非线性特性的变化，并且可以适用不同特性的放大器，预失真一般采用自适应结构。通常采用最小均方算法LMS算法对预失真多项式的各项系数进行更新。自适应更新公式为J97“PPX。尼IXR。G。七一XA七32七2X。GQX。133基带预失真技术研究其中矗为反馈信号，为调整步长。32查表法数字预失真技术321查表法预失真技术简介查表法预失真技术的基本思想是构造一个预失真查询表，根据查询表对输入信号进行实时处理，这种方法可以应用于任何增益波形图的功率放大器，线性化效果好。根据查找表LOOKUPTABLE及查表方式的不同，查表法预失真技术主要可以分为映射法、复增益法和极坐标法。下面对这三种查表法预失真技术分别给予简单介绍。1映射法映射法预失真器的查询表通常是一个二维表，是一种最简单的查询表实现方式，信号的实部和虚部分别作为查询表的横向和纵向的地址索引，这样做的好处是无需对信号进行转换，在减少了因为信号转化时引入的失真的同时也降低了预失真设备的复杂性，可以直接根据信号的1分量和Q分量查询其预失真修正量，但这样的二维查询表通常要做得很大才能满足性能上的要求，这样就带来了查询表收敛速度慢的特点，表中内容更新时也比较复杂，而且这种方法在信号比较时，对同步要求高，即使1的漂移也会造成线性化性能的很大下降。而且功率消耗大。2复增益法复增益法采用的是笛卡几分量形式，即采用由正交分量和同相分量组成的复值增益表。预失真信号由输入信号和增益的复数乘法得到。由于不涉及坐标变换，运算量比较少。查询表的项数越多，邻道干扰越小，但收敛速度越慢。增益法和映射法一样适用于任意的调制方式及任意的放大器特性。然而，它相对于映射法的主要优点是大量减少存贮器的尺寸；加快了预失真的收敛速度；在反馈路径中不需要相移单元。3极坐标法从放大器的AMJAM特性及AMRPM特性可以看到，放大器的幅度失真和相位失真与放大器输入信号的幅度或功率有关。输入信号的幅度功率越大，放大器的失真也就越大。不同的幅度对应放大器不同的失真。极坐标查表法预失真技术的基本思想就是构造两个一维表幅度调整表和相位调整表。根据信号幅度的大小查得不同的幅度调整值和相位调整值进行预失真。第三章无记忆基带预失真技术19输图32极坐标查表法预失真器的结构322极坐标查表法预失真技术的具体实现号1极坐标查表法预失真器的基本结构极坐标查表法预失真器的结构如图32所示，首先对输入的信号进行直角坐标到极坐标的转换RP转换，得到信号的幅度和相位。根据信号的幅度大小进行地址索引，得到查询表的地址。从幅度调整表中查到幅度调整值与信号相乘，再从相位调整表中查到相位调整值对信号进行相位旋转，得到预失真后的极坐标信号。最后通过极坐标到直角坐标的转换得到预失真器的输出信号。从结构图可以看到，预失真器算法基于乘法，相较基于加法的预失真器，乘法对于反馈信号的相位不敏感，在反馈路径中不需要相位调整电路，而且它的自适应算法比较简单，查询表的项数要远比加法少，收敛速度快，易于通过插值法减小查询表的初始化填充时间。2查询表的地址索引预失真查询表的地址索引技术是查询表的一个重要部分，直接关系着查询表的大小和预失真效果的好坏，常用的方法主要有两种，即以输入信号的幅度，2Q2或功率2Q2的大小进行地址索引。使用信号功率进行地址索引的优点是信号功率的计算比较简单，只需乘法与加法电路即可。但会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分布较密的情况，这同射频功率放大器非线性特性的变化是不符的，因此表项利用率不高。因此一般采用信号的幅度进行地址索引，缺点是得到信号的幅度比较困难，基带预失真技术研究需要复杂的平方根计算电路。在硬件实现时，可以采用CORDIC算法实现平方根的计算，具体方法将在下一章详细介绍。3查询表的自适应更新初始化时，幅度调整表的值全部设为L，相位调整表的值全部设为0。通过比较反馈信号巧栉与输入信号延时得到的延时信号聆之间的差对幅度调整表和相位调整表进行自适应的更新。查询表的自适应更新采用一阶反馈环线性收敛的RASCAL算法。定义两个误差变量胄一聆1巧HI34日。，。肝ARGL是指数遗忘因子的底数。二维索引值Y的确定与方法1相同，不过这里用气，代替式62的匕。3作为最简单的情况，只考虑前一个时刻的输入信号对当前状态的影响。即利志I，。L厶第六章基于查表法的带记忆性放大器预失真技术43用R帮代替式62的土P2D，得到二维索弓L值Y。614二维预失真表的自适应更新算法应用LMS算法对乘法修正因子口的幅度A和相位仃分别进行自适应更新。放大器的失真由其删AM和心PM表示P。PMG。P。P孟64如E氏虎65P。、分别为HPA输出信号的幅度和相位，G，以是山几决定的幅度放大倍数，历P。是单纯由以决定的相位偏移，S，P乞、晶P。2分别代表历史功率值对当前值的幅度和相位影响。X。是预失真器的输出信号，由PAEXP归得X“靠卢一。EXPJO,。AEXPJ仃几口EXPJ吒盯66再代人式64和65可得到HPA的输出XP。EXPJOPM口瓯PSNAP船2EXP，氏盯届几ASAP枷267收敛过程中我们使用迭代方程EPK几一P。68EE吒0。69AF】口，PPTP6一LODF1A，鳓611其中P。、E0分别代表期待的HPA输出与实际HPA输出幅度和相位的差值，A、仃是预失真乘法因子卢的幅度与相位，心和JO是幅度与相位的迭代步长，实数K则是我们期待的HPA无失真放大倍数，一般讨论的都是归一化的HPA模型，取K1。系统收敛时应该满足K几PO。即足以以AGPAP孟8州即盯一层几N一墨兢文献【7】的仿真结果表明，无论是矫正带内信号的畸变、改善接收端的误码率性能，还是抑制带外频谱的泄漏，二维LUT都比一维LUT表现出更为优越的性能，是一种针对有记忆HPA行之有效的线性化方法。基带预失真技术研究62加入均衡器的查表法预失真技术上一节提到，记忆效应的影响主要表现在系统当前增益除了与当前输入信号的大小有关外，还受到以前时刻输入信号的影响。因此可以在预失真器中加入时域均衡器来消除记忆效应的影响“。整个系统的框图如下所示621系统结构图62加入均衡器后的系统框图N1预失真器的结构预失真器的作用是消除信号幅度的非线性失真，采取的算法为极坐标查表法，其结构和第二章提到无记忆查表法预失真器完全一样。即构造一个幅度查询表图中的LUT。先计算信号Z。N的幅度4，再根据幅度4的大小进行地址索引，得到地址I，从LUT中查出调整值G与Z。N相乘得到预失真后的信号。2均衡器的结构均衡器的结构为一个有限阶的线性滤波器图中的H；Z，滤波器各抽头的系数根据反馈信号的误差进行自适应的调整。因为加入均衡器的作用是抵消系统中的记忆效应，而放大器的非线性失真会对自适应均衡器的误差判断造成影响，不同大小的信号受到的非线性失真不同，这样其非线性失真对均衡器误差判断造成的影响第六章基于查表法的带记忆性放大器预失真技术45大小也不相同。因此有必要对不同大小的信号采用不同的滤波器系数进行均衡。解决的办法是构造一个滤波器系数表FIR，其表的项数与预失真器的幅度查询表LUT相同，根据输入信号幅度的大小查询不同的抽头系数组送至均衡器，对信号进行均衡。622预失真器幅度表LUT与均衡器系数表FIR的更新方法文献【5】中对预失真表LUT及滤波器系数表FIR的更新采用不同的路径。如图62所示，LUT的更新采用直接训练路径，而FIR的更新采用间接训练路径。1LUT的直接训练路径系统中的放大器既存在幅度的非线性失真，又存在记忆效应。输入信号Z栉先经过预失真器与均衡器，得到信号Z玎。Z押通过放大器产生了非线性失真和记忆效应，得到信号Z，”。在预失真器与均衡器都收敛到理想状态时，Z，N与Z。栉的值应该相等，因此可以比较Z；玎与Z，”幅度的误差来更新幅度查询表LUT。预失真器采用的自适应算法为第二章提到的RASCAL迭代算法。令4疗、4”分别为N时刻信号Z。“与Z，玎的幅度，口为由幅度A。N在LUT中查得的调整值假设经过了K次迭代。则第K1次迭代后的调整值为6F16手AA3”一4聆612其中口为调整步长2FIR的间接训练路径图中的信号Z胛，经过放大器的非线性失真与记忆效应影响后，在反馈支路上再经过预失真及均衡得到信号Z。疗。如果预失真器及均衡器均收敛到理想状态，Z，疗与Z2N应该相等。因此可以比较Z，”与Z2”的误差来更新均衡器系数表FIR。反馈支路均衡器的输入输出关系为Z5，ZHSZ4胛6一13其中，HJHI，O吩，L_卜1为滤波器系数表FIR中第J个地址存储的一组系数。ZJZ4”Z4N1Z40一工1为ZNL个时刻的采样值构成的向量。根据最小均方准则，第K1次迭代后，滤波器的系数为H“H9；JPZ”Z2玎一Z5聆614其中，“为调整步长。基带预失真技术研究623改进后的系统结构加入均衡器后，可以消除系统内记忆效应的影响，使预失真算法取得很好的效果。但是文献【5】中的算法分别采用直接训练路径和间接训练路径更新预失真器与均衡器，结构比较复杂。总共要使用两个预失真器和两个均衡器。每个预失真器需要两个乘法器I路与Q路各一个；而且均衡器要进行复数乘法运算，每次复数乘法相当于四次实数乘法，因此均衡器的每个抽头就要占用四个乘法器。为降低结构的复杂性并节省硬件资源，对上述的结构进行简化与改进，预失真器与均衡器均采用直接路径进行更新。只需要使用一个预失真器和一个均衡器，取得的效果与简化前完全一致。简化后的结构如下所示图63简化后的系统框图N、预失真器的更新和以前相J司，均衡器系数的迭代公式变为H产“H十肛；，1Z1“一ZAN6一15其中H；FQLOHI1HI,JZ刀Z2胛乙伽一1Z2一三1为均衡器的输入Z2刀在L个时刻的采样值构成的向量。624仿真结果1仿真参数用FIR滤波器替代HAMMERSTAIN模型中的线性时不变模块作为仿真中的放大器模型，放大器与均衡器的记忆长度均为5。仿真所用的信号为QPSK调制信号，符号速率为2MBS，进行8倍上采样的平方根升余弦成形。均衡器的阶数L为5，。均衡器与预失真器的自适应调整步长A和A分别为05和004。2AMAM特性第六章基于查表法的带记忆性放大器预失真技术放大器的心AM特性如图63所示，由于记忆效应的影响，对发送信号的同一个幅度，其反馈回来的幅度并不唯一，而是有一定的波动范围。HPA的M存性图64HPA的AMAM特性图651只进行预失真后系统的AMAM特性图652预失真均衡后系统的AMAM特性从幅幅特性上来看，若只进行预失真处理，系统的线性度有所提高图651。但对应相同的发送幅度，反馈信号的幅度仍有很大的波动范围。而加入均衡器后，记忆效应明显得到消减，系统的幅幅特性收敛为一条较窄的直线图652。3频谱特性图66为各种情况下信号的功率谱特性，其中HPA代表信号通过功率放大器后的功率谱，PDHPA为信号通过预失真器与放大器后的功率谱，PDHPAFIR为信号通过预失真器、均衡器及放大器后的频谱。由图上可以看出，在记忆效应的影响下，单独进行预失真只能取得很有限的效果，而且底噪被抬起了LODB以上。加入均衡器后，信号带外抬起的旁瓣有近20DB的抑制，且底噪抬的很少。基带预失真技术研究图66各种情况下系统的功率谱特性本章小结本章研究了两种基于查表法带记忆预失真技术二维查表法预失真技术和加入均衡器的预失真技术。其中重点研究了加入自适应均衡器后的查表法预失真器的性能，并提出了一种简化结构，通过MATLAB仿真取得了很好的效果。仿真中，放大器模型的记忆性是由加入FIR滤波器引入的，均衡器与串扰器采用相同的结构，因此均衡器可以有效的抑制记忆效应。在实际硬件实现中，关键是要适当选择均衡器的结构。第七章结束语第七章结束语预失真技术的目的是减小谐波干扰，改善功放的线性度，提升系统性能与通信质量，提高发射机的效率，降低成本与缩小体积，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重要的角色。本文从功放特性着手，分析了功放的非线性特性及其对通信系统性能的影响，阐述了常用的线性化技术。其中，基带预失真算法由于实现简单、效率高、自适应强等特点，成为目前最流行的线性化技术，也是本文的研究重点。首先，检验了无记忆的极坐标查表法预失真技术在硬件系统内的性能，比较了加入预失真技术前后系统幅幅特性及射频信号频谱的改善情况。从结果可以看出，预失真技术提高了系统的线性度，减小了非线性失真。但是，系统内的记忆效应对预失真算法的性能产生了影响，特别是当信号带宽较宽的时侯，无记忆预失真算法只能取得很有限的效果。随着宽带通信技术的发展，记忆性预失真技术成为线性化技术的发展方向。针对记忆效应的影响，文中首先分析了电路中记忆效应产生的原因，介绍了常用的记忆性放大器模型和传统的记忆性预失真技术。最后重点研究了在查表法预失真系统内加入自适应均衡器来消除系统内记忆效应的预失真技术并对算法的结构进行了简化。仿真结果表明，该方法可以有效的消除记忆性功率放大器的失真，并且与传统方法相比，基于查表法的记忆性预失真算法避免了大规模的矩阵运算，大大提高了实时性，在实际工程中具有重要意义。文中的记忆性预失真技术还处于仿真阶段，对其进行改进和硬件实现还需要进一步的工作。致谢致谢转眼间研究生的学习生活就要告一段落了，首先衷心的感谢导师张海林教授在我攻读硕士学位期间的关心和指导。在论文的写作过程中，张老师不仅在技术理论上给予关键性的方向引导，而且在细节问题上给予耐心的分析和帮助，张老师雄厚的理论基础，严谨求实的治学态度、契而不舍的钻研精神和精益求精的做事态度对我影响深远，将使我终身受益。论文的具体工作得到了通创通信有限公司副总工程师吴勉的悉心指导，很多问题如果没有吴老师手把手的教导，是无法顺利解决的。在这里向吴老师致以衷心的感谢。感谢通创公司射频组的各位工程师，彭莉莉、侯士淳、于雯雯、陈聂丰，没有你们的大力支持和耐心指导，本文同样无法完成。感谢师兄刘鸿雁在实习期间对我的帮助和指导。在理论课程学习、科研实践以及论文撰写期间，实验室同学李睿、高杰、逄岩林、史开新、赵东阳、申金成、林佳建、邹向义、杜磊、宋渊、朱婧、王莲英、冯阳、支蔚秋向本人提供了太多学习和生活方面的帮助和支持，在近三年的的岁月子里我们留下了美好的回忆，结下了深厚的友谊，这里向他们表示深深的谢意和由衷的祝福参考文献参考文献【1】JOELVUOLEVI，TIMORAHKONEN,“DISTORTIONINRFPOWERAMPLIFIERS，ARTECHHOUSE，2003【2LLEIDING，DIGITALPREDISTORTIONOFPOWERAMPLIFIERSFORWIRELESSAPPLICATIONS，INPARTIALFULFILLMENTOFTHEREQUIREMENTSFORTHEDEGREEDOCTOROFPHILOSOPHY，SCHOOLOFLECTRICALANDCOMPUTERENGINEERINGGEORGIAINSTITUTEOFTECHNOLOGY,MARCH2004F3BLACK，HSUSPATENTNO1，686，792，9，OCTOBER19284BLACKHSUSPATENTNO2，LO2，67L，ISSUEDDECEMBER19375PASCALEJARDINGENEVI6VEBAUDOINFILTERLOOKUPT曲IEMETHODFORPOWERAMPLIFIERLINEARIZATIONIEEETRANSACTIONSONVEHICULARTECHNOLOGYVOL56