[硕士论文精品]宽带射频发射机线性化技术与杂散抑制技术的研究

摘要宽带射频发射机线性化技术与杂散抑制技术的研究博士生张雷导师洪伟教授东南大学信息科学与工程学院毫米波国家重点实验室摘要为了满足高速率数据和多媒体业务迅速增长的需求，现代移动通信系统在拓展信号带宽的同时采用了频谱效率更高的调制方式。这样，无线信道中传输的信号就具有宽带和高峰均比的特性。另一方面，随着信道数量的增加，系统对邻道干扰的要求也在不断提高。此外，由于各种无线通信系统不断涌现，电磁兼容问题变得越来越严重，因此对射频发射信号的带外杂散也提出了越来越高的要求。所有这一切都对发射链路的线性度和带外抑制度提出了严峻挑战。影响发射链路线性度的主要部件是射频功率放大器，而带外杂散的抑制往往是通过滤波器实现。本文针对现代无线通信系统的要求，主要研究了高功率射频功率放大器的宽频带线性化技术和抑制带外杂散的宽阻带带通滤波器。论文的主要工作如下1高功率前馈线性化功率放大器的性能取决于环路的幅度、相位及延时的匹配精度，其中时延的失配是影响线性化带宽的决定性因素。针对误差抵消环宽频带内时延波动对系统性能的影响，从理论角度分析了误差抵消环时延波动产生的原因，提出了时延波动与电路参数的定量关系，利用电路仿真验证了理论计算的正确性。在此基础上，提出了增加隔离单元减少时延波动的方法。仿真和实验结果表明该方法可以在100MHZ范围内将时延波动降低到原来的十分之一，从而为功率放大器宽频带线性化技术奠定了基础。2针对自适应前馈线性化系统中的误差检测问题，提出了双边带导频注入的方法，在宽频带中有效地兼顾了上下边带的互调分量。在此基础上，提出了正交解调的双边带导频检测方法，从理论上验证了该方法相对于普通的下变频而言检波幅度不受双边带导频的相差和频差影响。实验结果表明，采用该方法可以有效检测相对65DBC以下的互调分量。3应用前述方法，针对第三代移动通信中的WCDMA系统，设计并实现了包括大功率射频功放和前馈环路在内的前馈功放系统、双边带导频产生及检测电路、自适应控制算法和硬件电路。整机测试表明，在输出功率为40DBM时，对于频率间隔为20MHZ的双音信号，互调改善度为27DB。对于高峰均比的四载波WCDMA信号，邻道泄露ACLR指标的改善度达17DB以上。4针对实际应用中CDMA功放输出功率范围较大，低输出功率时效率低的情况，在研究预失真器非线性特性的基础上，提出了根据输出功率联合调整功放偏置电压和预失真器控制电压的方法。实验结果表明，该方法可以在满足协议指标要求的基础上，改善线性指标并提高效率。在此基础上设计并实现了输出功率为42DBM的CDMA2000功放，互调改善大于10DB，单载波ACPR性能改善57DB。针对反向并联二极管预失真器中主信号对消的问题，给出了残余主信号与电路参数的关系式并指导设计，验证了端口反射系数与主信号对消的关系。在此基础上设计并实现了输出功率为41DBM的WCDMA功放，互调改善大于10DB，双载波ACPR性能改善57DB。所有功放指标满足标准要求。摘要针对宽频带大功率应用场合功放的记忆效应，提出了采用在漏极加载低阻终端并结合最佳电流偏置的方法降低射频功放的记忆效应。在此基础上，设计并制作了35GHZ，峰值功率为40DBM的射频功率放大器，根据实验数据采用记忆多项式和人工神经网络对该放大器进行了行为级建模。实验结果表明对于所设计的低记忆功放，简单的模型就_J以获得很高的建模精度，从而验证了方法的有效性。此外，针对多载波信号输入条件下功放行为级模型记忆长度的预测问题，提出了选用最佳时延并结合CAO方法估计功放记忆长度。实验结果验证了该方法的准确性。针对带外杂散的抑制，研究了宽阻带带通滤波器。针对微带双膜滤波器中二次谐波的不利影响，从增加耦合度和改善谐波抑制度的角度出发，提出了一种新型的滤波器耦合结构。实验结果表明，该结构具有紧耦合和抑制二次谐波的特性，通带内插入损耗为092DB，二次谐波抑制度在45DB以上。将所设计的单环双模滤波器进行级联，可以进一步改善滤波器的频率选择性和阻带特性。针对级联双膜滤波器中的杂散响应，提出了通过调整两个单环滤波器的零点位置抵消各个杂散响应的方法。实验结果表明，应用该方法可以在得到陡峭的过渡带的同时，在宽频带内保持良好的杂散抑制特性。关键词射频功率放大器，线性化，前馈，预失真，记忆效应，行为级模型，双模滤波器，耦合结构N目录INVESTIGATIONSONWIDEBANDLINEARIZATIONANDSPURSUPPRESSIONTECHNIQUESFORRFTRANSMITTERSPHDCANDIDATEZHANGLEISUPERVISORPROFHONGWEISTATEKEYLABORATORYOFMILLIMETERWAVES，SCHOOLOFINFORMATIONSCIENCEANDENGINEERINGSOUTHEASTUNIVERSITYNANJING，210096，ERCHINAABSTRACTWIDESIGNALBANDANDMODULATIONWITHHILGHSPECTRALEFFICIENCYAREADOPTEDINMODEMCOMMUNICATIONSYSTEMSTOMEETTHEEVERINCREASINGREQUIREMENTFORHILGHDATARATEANDMULTIMEDIASERVICETHUSTHESIGNALINRADIOCHANNEL，WITHWIDEBANDANDHIGHPEAKTOAVERAGERATIO，BRINGSTRINGENTLINEARITYREQUIREMENTONTHETRANSMITTERSBECAUSEOFTHEEVERIMPROVINGSPECIFICATIONOFTHEADJACENTCHANNELINTERFERENCEANDTHEINCREASINGCHANNELNUMBERONTHEOTHERHAND，ELECTROMAGNETICCOMPATIBILITYISBECOMINGASEVEREPROBLEMASTHEAPPEARANCEOFMOREANDMOREWIRELESSCOMMUNICATIONSYSTEMSTHEREQUIREMENTFOROUTBANDSPURSUPPRESSIONISHIGHERTHANEVERASARESULTALLOFTHESEBRINGCHALLENGETOTHELINEARITYOFTHETRANSMITCHAINANDOUTBANDSPURSUPPRESSIONTHELINEARITYOFTHETRANSMITCHAINISMAINLYAFFECTEDBYRFPOWERAMPLIFIERWHILETHEOUTBANDSPURCANBEEFFECTIVELYREMOVEDBYFILTERINGINTHISPAPER，THELINEARIZATIONTECHNIQUES0FHIGHPOWERRFPAINMODEMWIDEBANDWIRELESSCOMMUNICATIONSYSTEMSANDSOMEANDBANDPASSFILTERSWITHWIDESTOPBANDFOROUTBANDSPURSUPPRESSIONAREINVESTIGATEDWHICHINCLUDE1THEPERFORMANCEOFHIGHPOWERFEEDFORWARDLINEARAMPLIFIERISDECIDEDBYTHEMATCHINGACCURACYOFAMPLITUDE，PHASEANDDELAYINLOOPSWHERETHELATTERISTHEKEYFACTORAFFECTINGTHEIINEARIZATIONBANDWIDTHTHEMECHANISMOFDELAYRIPPLEINERRORCANCELLATIONLOOPISANALYZEDTHEORETICALLYTHERELATIONSHIPBETWEENDELAYRIPPLEANDCIRCUITPARAMETERSISDEDUCEDANDVERIFIEDBYSIMULATIONANDEXPERIMENTALRESULTSBASEDONIT，ADELAYRIPPLEREDUCTIONTECHNIQUEISPROPOSEDBYADDINGISOLATIONELEMENTINCIRCUITTHESIMULATIONANDEXPERIMENTALRESULTSSHOWTHATTHEDELAYRIPPLEWITHIN100MHZBANDWIDTHCALLBEREDUCEDTOATENTHBYAPPLYINGTHISMETHODWHICHFORMSTHEBASEOFWIDEBANDLINEARIZATIONTECHNIQUES2FORTHEERRORDETECTIONINADAPTIVEFEEDFORWARDLINEARIZATIONSYSTEM，DOUBLEBANDPILOTINJECTIONMETHODISPROPOSEDTODETECTTHEINTERMODULATIONPRODUCTINBOTHLOWANDUPPERBANDEFFECTIVELYBASEDONIT，QUADRATUREDEMODULATIONTECHNIQUEISALSOPROPOSEDFORDOUBLEBANDPILOTDETECTINGITISVERIFIEDTHEORETICALLYTHATBYUSINGTHISMETHOD，THEDETECTIONRESULTSISNOTAFFECTEDBYTHEPHASEANDFREQUENCYDIFFERENCEBETWEENTHEPILOTSINLOWERANDUPPERBAND，WHICHISASIGNIFICANTADVANTAGEOVERSIMPLEMIXINGMETHODEXPERIMENTALRESULTSSHOWTHATINTERMODULATIONPRODUCTBELOW65DBCCANBEDETECTEDEFFECTIVELY3THEABOVEMENTIONEDMETHODSAREADOPTEDTODEVELOPINGAFEEDFORWARDSYSTEMUSEDFORWCDMATHEHIGHPOWERAMPLIFIERS，FEEDFORWARDLOOPS，DOUBLEBANDPILOTGENERATIONANDDETECTIONCIRCUIT，ADAPTIVECONTROLLINGALGORITHMANDHARDWAREAREDESIGNEDANDREALIZEDTHEEXPERIMENTALRESULTSSHOWTHATTHEINTERMODULATIONDISTORTIONIMDISIMPROVEDBY27DBFORATWOTONESIGNALWITH20MHZSPACINGWHENTHEOUTPUTPOWERIS40DBMFORTHEFOURCARRIERWCDMASIGNALWITHHIGHPEAKLII东南大学AVERAGERATIO，AADJACENTPOWERRATIOACLRIMPROVEMENTOFMORETHAN17DBCANBEACHIEVED4BASEDONTHEINVESTIGATIONOFNONLINEARITIESOFTHEPREDISTORTERS，ADYNAMICADJUSTMETHODISPROPOSEDBYREGULATINGTHEPOWERAMPLIFIERBIASVOLTAGEANDPREDISTORTERCONTROLLINGVOLTAGEACCORDINGTOTHEINPUTPOWEREXPERIMENTALRESULTSSHOWTHATBOTHLINEARITYANDEFFICIENCYCANBEIMPROVEDACDMA2000POWERAMPLIFIERISDESIGNEDANDREALIZEDAIMDIMPROVEMENTOVER10DBANDAACLRIMPROVEMENTOF5TO7DBCALLBEOBSERVEDWITHTHEOUTPUTPOWEROF42DBMWHENCDMA2000SINGLECARRIERSIGNALISAPPLIEDFORTHEMAINSIGNALCANCELLATIONINTHEPREDISTORTERWITHANTIPARALLELDIODES，THERELATIONSHIPBETWEENRESIDUALMAINSIGNALANDCIRCUITPARAMETERSISDEDUCEDANDUSEDTOGUIDETHECIRCUITDESIGNTHERELATIONSHIPBETWEENPORTREFLECTIONCOEFFICIENTANDMAINSIGNALCANCELLATIONISALSOVERIFIEDBASEDONITAW二CDMAPOWERAMPLIFIERISDESIGNEDANDREALIZED，AIMDIMPROVEMENTOVERLODBANDAACLRIMPROVEMENTOF5TO7DBCANBEOBSERVEDWITHTHEOUTPUTPOWEROF41DBMWHENWCDMATWOCARRIERSIGNALISAPPLIEDTHEPERFORMANCESOFTHEPOWERAMPLIFIERSMEETTHEREQUIREMENTOFTHESPECIFICATION5FORTHEMEMORYEFFECTSOFTHEPOWERAMPLIFIERSUSEDINAPPLICATIONOFWIDEBANDANDHI【GHPOWERAMPLIFICATION，AMEMORYEFFECTSREDUCTIONMETHODISPROPOSEDBYLOWIMPEDANCETERMINATIONINENVELOPEFREQUENCYANDPROPERBIASCONTR01BASEDONIT,A40DBMPEAK35GHZPOWERAMPLIFIERISDESIGNED，REALIZEDANDCHARACTERIZEDBYMEMORYPOLYNOMIALANDNEURALNETWORKSMODELEXPERIMENTALRESULTSSHOWTHATSATISFACTORYACCURACYCANBEACHIEVEDBYAPPLYINGSIMPLEMODEL，WHICHVERIFIESTHEEFFECTOFTHEPROPOSEDMETHODFORTHEMEMORYLENGTHPREDICTIONOFTHEPOWERAMPLIFIERDRIVENBYMULTICARRIERSIGNAL，CANSMETHODTOGETHERWITHCHOOSINGOPTIMALTIMEDELAYISPROPOSEDMADITSACCURACYISEXPERIMENTALLYVERIFIED6THELINEARIZATIONTECHNIQUESCANBEUSEDTOIMPROVETHEINBANDLINEARITYOFTHETRANSMITTINGCHANNELINSYSTEMFORTHEOUTBANDSPURSSUPPRESSION，FILTERSWITHWIDESTOPBANDAREINVESTIGATEDANEWCOUPLINGSTRUCTUREISPROPOSEDFORCOUPLINGENHANCEMENTANDSPURIOUSRESPONSESUPPRESSIONEXPERIMENTALRESULTSSHOWTHATINSENIONIOSSOF092DBTOGETHERWITHMORETHAN45DBSECONDORDERHARMONICSUPPRESSIONCANBEACHIEVEDAHIGHERORDERFILTERISALSODESIGNEDBYDIRECTLYCASCADINGTWODUALMODERESONATOROFTHISTYPEINORDERTOTHEFREQUENCYSELECTIVITYANDSTOPBANDPERFORMANCETHETRANSMISSIONZEROSOFTHERESONATORSAREREALLOCATEDTOCANCELTHEINHERENTSPURSPRODUCEDBYINTERRESONATORLINEANDASSOCIATEDCOUPLINGSTRUCTURETHEMEASUREDRESULTSEXHIBITWIDESTOPBAND，SHARPRATEOFCUTOFFANDLOWINSERTIONLOSSKEYWORDSRADIOFREQUENCYPOWERAMPLIFIER,LINEARIZATION，FEEDFORWARD，PREDISTORTION，MEMORYEFFECT，BEHAVIORALMODEL，DUALMODEFILTER,COUPLINGSTRUCTUREIV东南大学学位论文独创性声明本人声明所呈交的学位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谓的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南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作了明确的说明并表示了谢意。研究生签名主拯壹日期2112旦望东南大学学位论文使用授权声明东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布包括以电子信息形式刊登论文的全部内容或中、英文摘要等部分内容。论文的公布包括以电子信息形式刊登授权东南大学研究生院办理。研究生签名第一章绪论11研究背景第一章绪论帚一早殖了匕移动通信已经变成社会发展和进步的必不可少的工具。移动通信的应用起源于二战时期的军用电台。70年代，美国贝尔实验室率先提出蜂窝移动通信的概念，解决了频分复用的问题【。80年代，随着大规模集成电路技术和计算机技术的发展，移动通信终端小型化的问题得到了初步解决，第一个商用系统AMPS应运而生12J，有力地刺激了全球蜂窝移动通信的研究和发展。这就是第一代模拟移动通信系统，它采用频分多址FDMA技术。第二代数字移动通信系统是随着超大规模集成电路和数字信号处理技术的日益成熟而发展起来的，多采用时分多址TDMA技术，有效地解决了模拟移动通信系统业务单_、频谱效率差、保密性差、难以跨国漫游等固有缺陷，在技术上和商业上都获得了巨大成功【2儿引。它主要包括GSM和IS95CDMA系统。而GPRSEDGE技术的引入，使GSM与计算机通信INTEMET有机结合，数据传送速率可达115384KBPS，从而使GSM功能得到不断增强，初步具备了支持多媒体业务的能力【4L。近十年来，随着移动通信向个人化方向发展，市场对宽频带、多业务高速率数据，多媒体以及对称或非对称业务、网络间漫游的需求催生了第三代移动通信系纠LJI引，共有WCDMA，EDMA2000和TDSCDMA三大分支。相比前两代系统，它采用码分多址CDMA技术，最高能够支持2MBPS的速率，并且还将不断发展以便支持更高的速率。能够同时支持从语音、动态视频到电子邮件，网络下载等不同带宽、不同性能要求的业务。相对于第三代移动通信系统，目前正在世界范围内广泛研究的第四代移动通信系统具有频谱效率高，带宽可动态分配，无线应用更安全，服务质量更高等特点。其物理层的核心技术包括正交频分调制OFDM技术，多输入多输出MIMO技术，联合检测JD及多用户传输联合发送JT技术等14】。移动与宽带的结合代表着当前通信事业的发展趋势，而频谱利用率更高的调制方式则是其中的关键技术。这一切对移动通信中的核心元件射频功率放大器的性能提出了更高的要求。因为其线性度在很大程度上影响到整个系统的性能。已经有很多的文献对数字移动通信系统中功率放大器的非线性效应进行了研究14H引。功放失真的程度不仅和功放自身特性有关，还与输入信号的统计特性有密切的关系。如果功放输入的是恒定包络信号比如常见的GSM系统中的GMSK调制信号，那么输出信号和输入信号之间只相差一个固定的增益和相移。该相移在接收端可以被识别并消除，显然，此时功放并没有产生任何失真信号。如果输入信号是线性调制信号比如常见CDMA系统中的QPSK调制信号，情况就有所不同。如果该信号是非带限的未加成型滤波器，则该信号仍然可以看作恒定包络信号。但是这样的信号带宽过大，而且相位是跳变的，这样的信号根本无法应用于通信系统。当引入成形滤波器如根生余弦滤波器之后。信号的相位得到了平滑，但是信号幅度也产生了起伏，起伏的程度取决于信号的统计特性。对于这样的非恒定包络输入信号，由于功放自身的幅度幅度调制特性AMAM和幅度相位调制特性，它对不同时刻的输入信号产生不同的增益和相移。显然，这种非线性失真的程度随着功放输出功率的提高而增加。应当指出的是，当失真增加到一定程度，输出信号将产生“平顶失真”现象，此时理论上的任何线性化技术都将失效。对于非恒定包络的输入信号功放的非理想特性通常表现为以下几个方面带外失真一功放的非线性特性使得其输出频谱扩展，产生邻道泄漏，恶化邻道的信噪比【91【J。特别是在多载波系统中，当邻道有用信号比较微弱的时候，高邻道泄漏比ACLR甚至可能产生阻塞现象。此外，通过观察非线性功放在压缩条件下输入和输出信号的CCDF曲线也可以看到其失真特性。由于功放的压缩造成了信号的削峰，从而使输出信号峰均比下降，CCDF曲线下垂ILLJ。带内失真一这种失真对信号的调制质量产生影响，通常表现为矢量信号星座图的变形，星座图上信号轨迹的非理想变化码域能量的扩散等，最终导致误差矢量幅度EVM的恶化，误码率上升【12L。东南大学博士学位论文观察功放非线性产生压缩前后信号在星座图上的轨迹可以得到，由于非线性失真造成了信号的压缩，所以相对于输入信号参考信号的轨迹来说，输出信号的过冲变小了。在实际应用中，由于接收端的滤波器会造成信号在时域上的扩散，所以如果信号存在压缩，那么在经历一段信号的峰值之后往往会产生符号误差。这样一来，EVM将不可避免地受到影响【131。与频域特性相似，功放的非线性会提高CDMA系统中码域噪声的电平，甚至造成码域交混的现象类似于频域中的混频，换言之，活动码道中的功率将会泄漏到非活动码道中【】。此外，功放非线性产生的互调会造成天线阵中各天线单元加权因子幅度和相位的变化，从而使波瓣形状和零点深度等指标恶化【L41。通过以上的研究可以看出，由于功放的非线性在现代数字移动通信将产生举足轻重的影响，它的线性化技术必然是研究的热点。下面，本文将对目前主流的几种线性化技术的研究概况进行阐述。12研究现状随着现代数字移动通信系统中传输速率的提高，多载波的调制方式已经得到广泛应用【L“。在OFDM系统中，通常将高速的宽带数据调制在几百到几千个子载波上进行传输。由于每个载波的频带很窄，对时域均衡的要求大大降低，从而提高了系统抗多径衰落的能力。对多载波信号进行放大同时还要保持较低的互调失真，这对功放的线性度提出了严峻挑战。对多载波进行线性放大可以采用以下两种方法，比较直接的方法是采用多个小功率放大器，每个放大器工作在一个或少数几个载波的频带上，然后用腔体实际上是多工器进行合成。该方法目前仍在使用。它的缺点是明显的。因为每个功放只能工作在固定的频带上，难以实现信道的动态分配，而且体积庞大，从而无法应用于在一些对重量体积要求较高的场合如卫星中的转发器等。将多工器换成多级合路器可以提高信道分配的灵活性，但是较大的输出插损限制了该方法的应用。而线性化多载波放大器克服了以上缺点，采用该技术，可以将多个载波的信号在小功率上进行合成，然后送到多载波放大器的输入端，不仅能够满足信道动态分配的要求，而且减少了体积，提高了效犁埔J。放大多载波信号有赖于功放线性化程度的提高，线性化技术是在通信系统中广泛开展的研究课题，以下详细其技术特点研究现状。121反馈法线性化技术反馈法是功放线性化的一种基本形式。HSBLACK于1928年在其专利文献中首次阐述了其应用。其基本思想是将放大器的输出信号部分耦合至输入端，与输入信号相加减后再进行放大，形成闭环的系统。从反馈环路的理论分析【L7J得知，该反馈系统的增益取决于反馈环路，与放大器的增益无关。而互调失真的抑制程度与放大器的增益成正比。这意味着线性度的改善是以牺牲增益为代价的，同时还要面对系统的潜在不稳定性。反馈系统的最终目的是消除失真，而失真实际上是体现在调制包络基带信号上的，射频仅仅是一个载体，因而进行调制反馈【L8L是很好的选择。由于调制反馈的部分电路可以用数字方式实现，从而提高了精度和灵活性。极坐标反馈19】是较早采用的一种调制反馈方式，其基本思想是将系统输入和输出射频信号的包络分量和相位信息提取出来进行比较，然后用比较后的幅度误差信号和相位误差信号分别控制功率放大器的供电电压和压控振荡器，从而产生了幅度和相位两个独立的控制环路。显然功率放大器可以采用C类等高效率的工作方式。这种方法的缺点在于幅度环和相位环所需的反馈带宽较大。PETROVICTL81采用了多次变频和滤波的方法，有效降低了所需的反馈带宽。极坐标反馈的另一个问题是难以实现任意的线性调制方式，根源在于两环反馈支路的带宽受限。CARTESIAN反馈【20】有效解决了这一难题，该技术将系统的输出解调至基带IQ信号与输入IQ信号进行比较，易于用数字方式实现，同时在很大程度上降低了两个环路对带宽的需求，并且可以实现任意的线性调制方式。调制上变频和解调下变频之间必须同步，因此有必要插入适当的相移补偿电路。BROWN等【2LL提出了相移的自动调整技术，以保证环路的稳定性。在多载波的场合中，可以采用多个CARTESIAN2第一章绪论反馈环，每个环路工作于较窄的频带且频带之间不重合，这样可以得到宽带线性化的效果T27。功放的输出功率和偏置条件也是影响系统性能的重要因素，SMITHERS231提出了动态偏置的CARTESIAN反馈法对系统的性能进行综合优化。122前馈法线性化技术前馈法的出现早于反馈法，发明者还是HSBLACK。由于其系统复杂程度高，前馈法在早期的应用范围相当有限。1968年，贝尔实验室的SEIDEL等开始构架宽带高线性大功率放大器R241，前馈法才开始为人瞩目。随着微波元器件和计算技术的发展，前馈系统中的环路匹配和自适应控制问题逐步得到解决。近年来，第三代移动通信系统逐步进入商用化阶段，前馈法以其线性化程度高，高稳定性，宽带和低噪声的特点得到了广泛应用【24】。【53L。前馈系统的基本结构包括两个环路，在信号对消环中，主功放的输出信号和参考信号对消产生误差信号，该信号在误差对消环中放大后和延迟后的主功放输出信号叠加以消除互调失真分量。理论研究表明，前馈系统的线性化程度误差抵消能力取决于各环路的幅度，相位和时延平衡度及该平衡度所能满足的频带宽度。EBKENINGTON给出了环路不平衡度和信号对消程度的确定关系【42】，并且指出要得到25DB的抑制度，幅度误差必须小于O5DB，同时相位误差要在5度范围内。由此可以看出前馈系统性能对环路参数是高度敏感的，实际应用中必须附加自适应调整电路或算法。除了主功放之外，影响系统效率的主要参数为误差抵消环的耦合系数，延迟线长度，误差功放的效率。分析了系统效率和上述三者的关系，给出了满足最大效率时的最佳耦合系数值43J。此外，由于误差放大器自身产生的失真不能被环路抵消【44L，而采用高线性度的误差放大器会降低系统的效率，文献145】从最优化的角度给出了主功放和误差放大器功率容量的关系。为了进一步提高系统线性度和可靠性，还可以采用多前馈环和前馈预失真技术。前馈系统的关键技术之一是环路参数自适应调整。两个环路的参数都和系统的失真抵消有关，并且关于失真抵消度有唯一的全局最小点。最常见的最大抵消法MAXIMUMCANCELLATION就是基于上述理论，该方法旨在使功放输出的失真信号最小化。常用的有简单的启发式算法如HILLCLIMBINGT46L等。另一种方法是最大输出法141JMAXIMUMOUTPUT。该方法目标是在失真电平低于指标的基础上，使输出信号最大。上述自适应算法都基于误差信号的精确检测。相关检测法将参考信号和误差信号做模拟或数字相关，根据相关度判断信号对消的情况。这种方法的缺点是在信号抵消环对消不完全的时候，误差抵消环中可能产生伪相关。通过增加辅助环路可以避免上述现象的发生。导频检测法P6JPLL【52】通过在系统的适当位置注入单音或者宽带导频信号，导频的对消程度即可反映误差信号的对消情况。该方法的缺点在于增加了系统复杂度。相对于上述两种检测方法，误差信号检测法更为直接。该方法通过附加的信号对消环路直接提取输出信号中的失真分量并使该分量最小化。不过，该方法所需附加的射频电路更多。近年来，前馈技术开始的和其它技术融合。为了在不牺牲线性度的情况下提高前馈系统的效率，主功率放大器更多地采用DOHERTTY形式P引，可以将系统效率提高到20以上。123预失真线性化技术就直观概念而言，预失真541【62】是一种最简单的线性化方式，这种技术在功放前插入一个与功放失真特性互补的元件来实现线性化的效果。和前馈法相比，模拟预失真的改善效果较差，但是由于其结构简单，在很多场合仍有应用价值。模拟预失真的效果取决于预失真器特性和功放特性的匹配程度。串联并联二极管1541551是一种简单的模拟预失真电路。将SCHOTTKY管与电容并联，通过改变电容大小和二极管偏置可以实现与功放近似匹配的非线性传输特性。变容二极管预失真器P6J在功放管的输入端并联变容二极管补偿AMPM特性，同时在通过输出匹配控制功放的二次谐波来补偿AMAM特性。该方法相对于二极管法的优点是插入损耗较小。还可以利用FET管源漏级沟道的非线性特性构造预失真器。上述几种预失真器的的结构比较简单，但缺点是产生的预失真信号过多依赖于各非线性元件和功放特性的匹配程度，不能进行综合设计。带有环路的预失真电路P7】在一定程度上解决了这个问题。在该电路中，输入信号被分成线性支路和非线性支路两部分，失真信号由非3东南大学博士学位论文线性支路产生。通过调整两支路之问的相对电平和相移大小，就可以综合出所需的预失真特性。其中，预失真信号的产生可以用3DB电桥两个相同的SCHOTTKY管P引，也可以用反向并联的SCHOTTKY管157161J。前者的优点在于输入驻波特性好，线性支路和非线性支路的隔离度较高。后者的好处是可以抑制非线性支路中的主信号分量。环路综合法的缺点是电路复杂，必须分别调整预失真信号各个失真信号相对于主信号的幅度和相位。为了保证线性化带宽，还要附加延迟电路。目前，已经有文献用该方法产生5阶失真信掣62L。基带预失真163671是随着数字信号处理技术的发展而产生的。该方法的架构类似于CARTESIAN反馈环路，但是更加复杂。其基本思想是在复包络调制域上对信号进行预校正，从而取得线性化的效果。将经过延迟的输入参考基带信号和功放的射频输出经耦合，解调并采样后的基带信号进行对比和误差估计，根据估计的结果更新查询表LUT中的系数。预失真信号就是由输入信号和表中的数据相乘得到。由于基带预失真可以对整个发射进行信号校正而不是仅仅针对功放本身，该技术已经是现代数字移动通信系统中的研究热点。由于技术上的限制，基带预失真技术早期仅仅着眼于补偿功放的AMAM和AMPM等静态非线性效应。近年来，随着数字信号处理芯片性能的增强和功放建模技术的提高，基带预失真可以补偿系统的记忆效应【6311641。此外，基带预失真和信号削峰技术结合【651，可以使功放工作时的回退电平更少，在保证线性度的同时提高系统效率。基带预失真和数字反馈技术结合1661，可以获得更高的线性改善程度。此外，软件无线电的架构也开始引入预失真系统，该方案的优势在于可以针对不同的通信制式进行灵活配置。通过数字接收的方式，可以直接从频域分离失真信号，从而使误差检测更加精确【6。124功率放大器的记忆效应和模型功率放大器的记忆效是困扰预失真技术的一个难题，虽然该效应的产生有复杂的物理机理，但是可以用功放的行为级模型来描述。功放的建模实际上是一种系统识别技术，它通过测量功放现在和从前的输入和输出数据来得到系统参数，从而对功放未来可能的输出信号进行估计。VOLTERRA级数【68】是一种通用的记忆性模型，理论上说这种模型可以描述任意非线性记忆效应的功放，但是其最大问题在于模型参数太多，所以应用范围仅局限于弱记忆效应的情况。VOLTERRA的逆模型通常采用截断的P阶逆，仍然是十分复杂的J而且仅仅是近似。实际应用的往往是VOLTERRA级数的几种特殊形式WIENER模型1691，由一个无记忆非线性单元后接一个线性非时变单元组成；HAMMERSTEIN模型70】，由一个线性非时变单元元后接一个无记十7I非线性单组成；记忆多项式【7LJ【721，由VOLTERRA核的对角项构成。此外，各种类型的VOLTERRA级数的简化形式也在不断推出【711751。除了以VOLTERRA为代表的多项式模型之外，人工神经网络N6】【79】ANN是功放模型的另一个重要分支。通过功放的行为级模型【80】可以定量描述其非线性程度和记忆长度，从而为基带预失真的实现奠定良好基础。除此之外，还可以通过适当的电路设计减轻功放的记忆效应，从而简化功放的行为级模型。常用的方法有包络滤波【8L】，阻抗优化18，包络注入IML等。124微带双模滤波器双模谐振器【82L以其小型化，低成本，低辐射的特点在移动通信中得到了广泛应用，其中又以微带环形谐振器【83】【1061最为多见。其基本原理是在普通的单模谐振器中引入微扰元素激发两个正交模，并通过改变微扰元素的物理尺寸控制两个模之间的耦合量【83L。【85L。微扰元素可以是凹I；3，短截线或者是非对称的馈线【10们。改变微扰元素的物理尺寸还可以实现不同的滤波特性【85】。就微带双模滤波器的耦合形式而言，有微带线终端耦合L，微带线边耦合【102】，微带线直连【1031三类，耦合量由小至大。前两种形式的缺点在于耦合量较小，难以实现中等以上带宽的滤波器。后一种形式带宽虽大，但是带外抑制特性很不理想。双模谐振器由于存在两个正交模，谐波抑制比单模谐振器更加困难。常用的方法有在谐波频点上引入的陷波电路【104】缺陷地结构、SPURLINE或光子带隙结构等。采用具有模式抑制特性的谐振器【105LRI061。前者的缺点是引入了附加的结构，而后者的缺点在于带内特性会受到影响。4第一章绪论13论文的结构和主要工作本文对现代数字移动通信中的宽带线性化技术进行了深入研究，针对不同的通信系统，用前馈线性化和预失真线性化技术，完成并实现了大功率功放系统的样机实物。根据笔者的实践经验，线性化的难度很大程度上取决于功放管的峰值功率。对于峰值功率30DBM以下的小功率管，采用极为简单的控制电路即可获得相当好的线性度。而同样的电路对大功率管几乎不起任何作用。实际上，对于小功率管生产厂家方面就可以在芯片中加入线性化措施，根本无须外加线性化电路。所以，大功率的线性化技术有很大的现实意义。此外，本文还深入研究了功率放大器的记忆效应和行为级模型，设计并完成了低记忆效应的中功率放大器的实物峰值功率40DBM，并对该功放实物进行了行为级建模。设计并改进了微带双模滤波器，在增加其耦合量的同时较好地抑制了谐波。论文共分为四个部分第一部分包括第二章和第三章。第二章主要是系统分析。在理论分析基础上对前馈环路中的关键器件及参数进行了选择。对前馈放大器进行了系统级仿真，给出了在宽频带，高峰均比信号作用下前馈环路各参数对线性化性能的影响。第三章详细描述了前馈放大器的电路实现，包括大功率射频放大器、环路调整部件、导频发生器、导频检测电路、数据采集和DSP自适应控制硬件电路等。并对整机性能进行了实测。第二部分包括第四章和第五章。第四章对射频功率放大器的非线性机理进行了理论分析。对预失真器中的三阶发生器性能进行了分析，通过仿真比较了两种三阶发生器的非线性产生和主信号抑制特性。分析了幅度误差和相位误差对预失真性能的影响，由此验证了所选择的预失真方案的可行性。第五章主要是硬件实现，包括CDMA2000和WCDMA中的大功率射频放大器的电路级仿真和实物电路，两种形式预失真器的电路级仿真和实物电路。对两种预失真功率放大器进行了实测。第三部分是论文的第六章，设计并制作了35GHZ，峰值功率为10瓦的WIMAX射频功率放太器，根据实验数据对该放大器进行了行为级建模。分析了记忆效应的产生机理，采用在漏极加载低阻终端并结合最佳电流偏置的方法改善了该放大器的记忆效应。对该低记忆射频功率放大器进行了行为级建模，通过选用最佳时延，采用CAO方法对其记忆长度进行了精确估计。最后一部分是第七章。研究了高性能微带双模滤波器。由于现代通信系统对发射链路中的带内线性度和带外杂散都有很高的要求，所以这一章有针对性地设计了新型的滤波器耦合结构来增加耦合度并抑制滤波器的二次谐波。然后将所设计的单环双模滤波器进行级联，通过改变耦合结构和谐振环的相对位置，调整两个单环滤波器的零点位置以抵消各个杂散响应，就可以进一步改善滤波器的频率选择性。对设计的几种双模滤波器进行了实物制作和性能测试。本文的主要工作和创新点主要包括以下几个方面1从理论上分析了前馈环路中误差抵消环中时延波动产生的主要原因并进行了电路仿真和测量，两者结果一致。在此基础上提出了减小时延波动的方法并应用于宽频带前馈功率放大器，实测性能良好。2提出采用正交解调的方式检测导频信号的强度，该方法相对于简单混频电路的准确度更高。将该方法应用于前馈功率放大器，获得了很好的宽频带误差抵消性能。3在对预失真器和射频功放非线性特性分析的基础上，针对CDMA2000系统，提出联合调整预失真器控制电压和功放偏置电压的方法，可以在不增加硬件开销的基础上提高功放的线性度和效率。实验验证了方法的有效性。4提出在漏极加载低阻终端并结合最佳电流偏置的方法改善放大器的记忆效应。采用CAO方法对射频功放的记忆长度进行了精确估计。实验结果表明对于所设计的低记忆功放，简单的模型就可以获得很高的建模精度。5提出了一种新型的耦合结构增加双模滤波器的端口耦合度并抑制滤波器的二次谐波。采用SIR结构在保证二次谐波抑制特性的同时进一步提高端口耦合度。提出了通过调整单环双模滤波器零点位置来抵消级联滤波器中的杂散响应。由此设计的级联双模滤波器具有陡峭的过渡带和宽的阻带。5东南大学博士学位论文参考文献【L】WJAYKG于鹏，白春霞等IS95CDIV队ANDCDMA2000CELLUALARPCSSYSTEMSIMPLEMENTATION电子工业出版社。2001【2】李世鹤TDSCDMA第三代移动通信标准【M】人民邮电出版社，2003【3】张平第三代蜂窝移动通信系统WCDMA北京邮电大学出版社，2000【4】孙立新，尤肖虎，张萍第三代移动通信技术M】人民邮电出版社，2000【5】ODROMAMS，MGEBRISHVILIN，GOACHERAARFPOWERAMPLIFIERNONLINEARITYMODELLINGANDINTERMODULATIONDISTORTIONANALYSISINOFDMSIGNALTRANSMITTERSYSTEMSCEUROPEANMICROWAVECONFERENCE，20041851886】KUMARKRS，CHOCKALINGAMAPERFORMANCEOFCODEDMULTICARRIERMULTIPLETRANSMITANTENNADSCDMASYSTEMSINTHEPRESENCEOFPOWERAMPLIFIERNONLINEARITYCCONFERENCEONCONVERGENTTECHNOLOGIESFORASIAPACIFICREGION，2003810814【7】MINKOTTJTHEROLEOFAMTOPMCONVERSIONINMEMORYLESSNONLINEARSYSTEMSJEEETRANSACTIONSONCOMMUNICATIONS，1985，332139144【8】LIMYGALTONI，LARSONLE，ETA1NONLINEARITYESTIMATIONANDSPECTRALREGROWTHPREDICTIONOFPOWERAMPLIFIERSUSINGCORRELATIONTECHNIQUESCANNUALCONFERENCEWIRELESSANDMICROWAVETECHNOLOGY,20051701739】GARDKGGUTIERREZHM，STEERM8CHARACTERIZATIONOFSPECTRALREGROWTHINMICROWAVEAMPLIFIERSBASEDONTHENONLINEARTRANSFORMATIONOFACOMPLEXGAUSSIANPROCESSJIEEETRANSACTIONSONMICROWAVETHEORYANDTECHNIQUES，1999，47710591069【10】RAPPCEFFECTSOFHPANONLINEARITYON4DPSKOFDMSIGNALFORADIGITALSOUNDBROADCASTINGSYSTEMCEUROPEANCONFERENCESATELLITECOMMUNICATIONS，1991179184【LL】AGILENTTECHNOLOGYCHARACTERIZINGDIGITALLYMODULATEDSIGNALSWITHCCDFCURVESAPPLICATIONNOTE，59686875E，2006【12】PUPOLINS，GREENSTEINLJPERFORMANCEANALYSISOFDIGITALRADIOLINKSWITHNONLINEARTRANSMITAMPLIFIERJIEEEJOUMALONSELECTEDAREASINCOMMUNICATIONS，1987，53534546【13】AGILENTTECHNOLOGYTESTINGANDTROUBLESHOOTINGDIGITALRFCOMMUNICATIONSTRANSMITTERDESIGNS，APPLICATIONNOTE1313，59683578E，2006【14】TSOULOSGVBEACHMACALIBRATIONANDLINEARITYISSUESFORANADAPTIVEANTENNASYSTEMCVEHICULARTECHNOLOGYCONFERENCE，19975971600L51SUWAS，ATARASHIH。SAWAHASHIMPERFORMANCECOMPARISONBETWEENMCDSCDMAANDMCCDMAFORREVERSELINKBROADBANDPACKETWIRELESSACCESSC