[硕士论文精品]射频功率放大器预失真技术研究

摘要摘要随着社会的不断发展，人们对相互之间联系的需求越来越高，全球移动通信业务得到迅猛发展，对通信系统容量的要求也越来越大。现代通信系统为了追求更高的数据速率和频谱效率，更趋向于采用非恒定包络的线性调制方式，加上现代通信系统对功率放大器的线性度提出了更高的要求，以及功率放大器本身有限的线性度，所以需要采用线性化技术来改善功率放大器的线性度。实现功率放大器线性化的技术有多种，本文主要对其中的模拟预失真技术进行研究和分析。本文的研究主要包括两部分的内容，首先深入地研究了同向并联二极管预失真器的工作规律，并通过设计10WWCDMA真放站功率放大器来验证这种预失真器的性能，结果显示三阶互调失真和五阶互调失真分量分别改善了约10DB和7DB；其次研究了DOHERTY技术在射频功率放大器设计中的应用，除了对经典DOHERTY功放的研究外，本文还利用DOHERTY功放的增益扩展特性将DOHERTY技术作为一种独立的预失真技术来改善功放系统的线性度并进行了仿真和验证最后则对以上几种方法的整体性能进行了对比。论文最后对进一步工作的方向进行了简要的讨论。关键词功率放大器，预失真，线性化，二极管，DOHERTYABSTRACTABSTRACTWITHTHEDEVELOPMENTOFMODEMSOCIETY,MOREANDMOREPEOPLELONGFORCONNECTINGWITHEACHOTHERMOREQUICKLY,BOOMINGDEVELOPMENTHAVEHAPPENEDINTHEGLOBALMOBILECOMMUNICATIONSERVICE，THEREQUIREMENTFOREXPANDINGCAPACITYOFTHECOMMUNICATIONSYSTEMISBECOMINGMOREANDMOREURGENTINORDERTOMEETHIGHERDATARADIOANDFREQUENCYSPECTRUMEFFICIENCY,LINEARMODULATIONFORMATSARERECOMMENDEDTHESEMODULATIONSLEADTOTHECHANGEOFSIGNALENVELOPEANDONTHEOTHERHAND，THEMODEMCOMMUNICATIONSYSTEMREQUIRESTHEHIGHERLINEARITYDEGREEOFTHEPOWERAMPLIFIERITSELFISLIMITEDSOTHELINEARIZATIONTECHNIQUEISPREFERREDTOIMPROVETHELINEARITYDEGREETHEMAINBODYOFTHISPAPERISTHERESEARCHANDANALYSISOFTHERFPREDISTORTIONLINEARIZATION，ASTHEREARESEVERALTECHNOLOGIESTOREALIZETHELINEARIZATIONOFRFPOWERAMPLIFIERITINCLUDESTWOPARTSCONTENTSFIRSTLY,ITHAVESTUDIEDTHEOPERATIONRULESOFPARALLELDIODESPREDISTORTER,ANDVERIFIEDITSPERFORMANCEBYDESIGNINGA10WWCDMAPOWERAMPLIFIER,ASARESULTTHEIMD3ANDIMD5ISIMPROVEDBYLODBMAND7DBMSECONDLY,DOHERTYTECHNOLOGYISANALYZEDFORITSAPPLICATIONINTHEDESIGNOFRFPOWERAMPLIFIERS，EXCEPTTHECLASSICDOHERTYPOWERAMPLIFIER,ANOVELPREDISTORTIONLINEARIZATIONMETHODUSINGTHEGAINEXPANSIONPHENOMENONINADOHERTYAMPLIFIERISPROPOSEDINTHISCHAPTERATTHEENDOFTHISPAPER,ACOMPARISONBETWEENABOVEMETHODSISPROPOSEDINTHEFINALITY,THEPROBLEMSREQUUINGFURTHERSTUDIESAREDISCUSSEDKEYWORDSPOWERAMPLIFIER,PREDISTORTION，LINEARIZATION,DIODE，DOHERTYN学位论文版权使用授权书本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，同意如下各项内容按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。学位论文作者签名彩弛D砰；月7如经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用本授权书。指导教师签名学位论文作者签名年月日年月日同济大学学位论文原创性声明本人郑重声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。签名易鹆州年；月LF日第1章引言11目的和意义第1章引言随着社会的发展，人们对通信的需求日益迫切，对通信的要求也越来越高。理想的目标是能在任何时候、在任何地方、与任何人都能及时沟通联系、交流信息。显然，没有移动通信，这种愿望是无法实现的。全球移动通信发展虽然只有短短20年的时间，但是截至2005年6月份全球移动用户已经达到19亿。1987年至2000年的十余年间，我国移动通信用户总数以年均100增长速率迅猛发展，最近几年来，更是以每年新增5000万移动用户的势头持续迅速发展。据信息产业部估计，到2006年底，我国移动电话用户数已达到459亿，占电话用户总数的5516。与世界上移动通信普及率最高的国家相比，我国移动通信的发展潜力巨大。20世纪90年代后期，数字移动通信技术迅速发展，为增加信道容量，频率从150MHZ移到800MHZ900MHZ，现在又向1800MHZ频段发展，为节省频谱资源，出现了多种体制。频分多址、时分多址、码分多址，这些体制方式已用于现代数字通信。现在又出现了多载波码分多址CDMAMC以及正交频分复用OFDM。新型调制QAM也日趋成熟。所有这些系统，都具有共同的特点或多载波，或基带信号谱有较大的动态范围，或两者皆有。第三代移动通信系统中，同时进入系统不同载波的电平的差别可能高达100DB，综上所述，对放大器的线性度提出了苛刻的要求【。12线形化技术的发展及研究现状功率放大器线性化技术研究始于上个世纪二十年代。1928年贝尔实验室的HSBLACK发明了前馈和负反馈技术并应用到放大器设计中L拍】，有效的减少了放大器失真，可以认为是功放线性化技术研究的开端。但那时主要是从器件本身的角度来提高功率放大器的线性度，所研究的功率放大器频率也较低。随着无线通信技术的兴起和发展，从上个世纪七八十年代开始，射频功率放大器的第1章引言线性化技术得到飞速发展。射频功率放大器的线性化方法多种多样，按其基本技术原理主要可以分为功率回退、反馈、前馈、预失真四大类，近些年又出现了LINCLINEARAMPLIFICATIONUSINGNONLINEARCOMPONENTS、EERENVELOPEELIMINATIONANDRESTORATION等多种新的线性化技术。反馈线性化技术应用最早，它的发明虽然晚于前馈法，但由于其电路简单，在线性化技术发展早期是最主要的线性化技术，目前仍广泛应用于音频功率放大器线性化领域。然而在射频领域，因为稳定性及延时等因素，RF反馈回路构造困难，直接反馈很少使用，多采用间接反馈技术改进形式，如笛卡尔环、极性环反馈，其中笛卡尔环直接对基带L，Q信号进行控制，是数字线性化技术的切入点146。尽管由于受视频带宽限制及稳定性的影响，反馈法工作带宽窄，处理多载波信号能力较差，但由于其结构简单，控制方便，是闭环自适应线性化技术必须的组成部分178。预失真技术起源较晚，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19】。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，预失真技术开始飞速发展，出现了数字预失真技术和自适应控制预失真技术，主要的应用对象也转变为移动通信系统I妊“J。RF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。它的优点在于不存在稳定性问题，频带宽，电路简单，成本低廉，是目前应用最广泛的功率放大器线性化技术。特别是在一些对体积、电源效率有严格要求的应用场合如手持移动通信设备、卫星通信设备，预失真技术仅用少量额外元件就可以降低互调失真产物几个DB，但这几DB却对系统性能的提高起到了关键作用。前馈技术起源最早，发展最晚。早在HSBLACK发明反馈技术大约9年前，他就发明了前馈线性化技术。虽然前馈线性化技术具有无条件稳定，线性度高，线性度与增益无直接关系，噪声系数好等优点，但是由于当时器件工艺水平所限，前馈技术所要求的相位、幅度和延时匹配较难实现，在问世后的二十多年里一直被人们所忽视，直到MCMILLANLL21和VANZELST13J将反馈技术与前馈技术用于同一系统中才引起人们的关注，并出现了一系列相关文章L体15】。现代意义上应用于RF放大系统的前馈线性化技术是1968年贝尔实验室的SEIDEL等人开始并发展的IL“”，但其发展步伐远远落后于预失真线性化技术，直到近几年，以2第1章引言码分多址CDMA技术为基础的25G和3G通信技术迅速进入应用领域，对线性放大技术提出了更高的带宽要求和更高线性度要求，反馈法和预失真法已不能满足要求。与此同时，电子器件制造和数字信号处理技术的不断进步，使得实现前馈线性化技术所需要的精确相位、幅度和延时平衡控制成为可能，前馈技术才得到重视，成为目前最热门的线性化技术。虽然前馈技术结构复杂，在整个频率范围内温度和时问的校准精度完全依赖系统内各元件的精度，系统内不同元件的增益、相位跟踪特性也必须保证，而且要稳定，但它是目前唯一能满足宽带、多载波系统功率放大器的线性化指标的技术，因此也是线性化技术研究的焦点。13主要内容F，本文主要内容是进行模拟预失真线形化技术的研究，针对射频功率放大器的非线性特性，研究和探讨可行和有效的模拟预失真技术，以提高射频功率放大器的线形度。论文的结构安排如下第一章介绍了应用线形化技术的意义及其发展史和发展现状，并简述了本文的主要内容第二章分析了射频功率放大器的非线形特性，并介绍了描述功放非线形程度的几个主要指标；第三章简要介绍了几种常见的线形化技术；第四章首先回顾了几种经典的模拟预失真器，然后着重对同向并联二极管预失真器的性能进行了研究，最后将其应用于10WWCDMA功放设计并给出了仿真结果；第五章对应用于功放中的DOHERTY技术进行了研究，首先将DOHERTY技术与模拟预失真技术相结合进行了研究，然后对一种应用DOHERTY技术的新的预失真方法进行了研究和仿真。第六章则是对本文内容的总结和对进一步工作的简要讨论。3第2章功放的非线性特性第2章功放的非线性特性想要有效的抵消放大器的非线性失真，使放大器能够高效线性的工作，提高无线通信系统的功率效率和性能，我们必须首先了解放大器的非线性产生机理、内在原因，以及非线性失真的主要表现形式，以便能够有的放矢的进行线性化技术的研究探讨。21功放非线性失真的表现形式通信系统中，信号带宽是有限的，而且存在噪声与干扰。若系统为线性系统，它的特性可用传递函数H，N，一旧，甜】EXP，妒白表征。然而，在实际应用中，为了提高效率，RF功率放大器经常工作在饱和区附近的非线性区域，此时功率放大器所表征的系统为非线性系统，其特性就不能简单地用传递函数来描述。这时输出信号是输入信号的非线性函数YO一丁KO】。YF和工0仅在工F小的时候是线性的，工F大的时候则偏离线性，这种偏差称为非线性失真。非线性功率放大器对传输信号的非线性影响主要表现为信号的频带内失真和频带外失真。信号的频带内失真主要是信号的幅度和相位产生失真，使信号星座发生偏转，降低系统性能，信号的误码率上升；信号的频带外失真主要是信号的频谱扩展，对相邻信道产生干扰。211非线性幅度失真为简化分析，将功率放大器看作一个无记忆非线性系统，即输出电压是输入电压的瞬时值函数，放大器传输特性可以表示为V。F一厂HF】21其中吒F为放大器输出电压，KF为放大器输入电压。如果该函数各阶导数均存在，则可以展开幂级数形式V。F一KLVIF七砰F七，V022若七R。O“。2，3J，则认为放大器系统是线性的，当输入信号是单一频率的信4第2章功放的非线性特性号，即QOQCOSOJIT，则F为VOFK,KOOSOJIT七2K2COS2FAIT七3K3COS3QF丢七，T2七，三七T3。SQR三七彤2COS2呼七彤3COS3呼23上式说明，由于系统的非线性，输出信号中除输入信号频率外，还出现了新的直流分量和二次谐波2Q、三次谐波3峨等分量。由于非线性，放大器的增益不再是理想的线性增益毛，而是七形I3|，K3，若K3，0则七TK三七彤3七，这一特性称之为增益扩张，反之若七，L25蟛3蕾丑【1COSQCOS唧S哗】输出信号中除了有以Q为载波的调制信号外，还出现了以为载波的调幅波，这种现象即为交叉调制。交叉调制项为VO,T。七KI3K，K3COSOT4K，VM,COSQBS吲6一1MSQFCOS2T其中VCMKLV,43_K3K3M丝2匕坠七143K3K2当放大器输入端同时有两个信号”MI和”M2时，放大器还会产生互相调制IM失真。令V。VMLV_F2。1COS60M1T2COSW_IF2T27则输出信号中包含的频率由下列通式表示的组合频率分量厶。|吮巩L28其中除了RLSO和，一0，S一1的有用频率分量外，还存在众多的寄生分量，引起放大器输出射频信号的失真。这种失真就称为互相调制失真，简称互调失真。显然，和S值越小，相应产生的频率分量的振幅就越大，因而互调失真也就越严重。特别是当，一一1，S2和R一2，J一一1时，产生的互调失真分量特别靠近有用的频率分量”MI和”，会对相邻信道的信号产生严重干扰。图21举例说明了交调和互调的区别。图右边用户不需要的信道有一个双音调制信号，左边是一个用户需要的单音信号，双音调制信号自身产生了互调失真，并将调制转移到了用户所需的单音信号上，使其产生了交调失真。第2章功放的非线性特性图21交调失真和互调失真的区别213非线性相位失真除了由作为频率函数的非线性相位特性引起的失真以外，放大器可能有另一种相位失真即信号通过功率放大器时会产生一定的相移，相移的大小随输入功率的大小而变化。相位失真是增益压缩直接结果的表现的结果。电路进入饱和后，相位失真将非常的严重。在通信系统中，相位失真将使系统的群时延失真，微分相位、微分增益和交调失真变坏。同时，相位失真的存在将使输出的信号中存在调相分量，产生杂波干扰。由于系统传递函数日，矗，旧，】唧，妒0的相位与频率间的非线性关系，使输出信号产生了群时延差异和AMPM转换失真。群时延定义为“一旦生29DOJ当系统相移特性是线性的，意味着对信号所有频率分量有着固定的时延，群时延是一和频率无关的常数若系统是非线性的，则信号的各个频率分量将受到不同的延迟，导致相位失真，群时延是和频率有关的函数。图22是线性、非线性系统相移与频率的关系图。AMPM转换效应，即输出信号的相位随输入信号幅度的变化而变化。直到现在，测量AMPM转换仍是一个复杂的问题，用老一代的矢量网络分析仪测量时必须校准在非常低的功率电平下，一旦电平发生变化，仪器产生的相位7第2章功放的非线性特性测量误差将大于被测量器件AMPM的变化，现代的仪器对这种变换的敏感性小得多，己经可以在己一只。相同的功率范围内对转移特性的相位进行扫描测量，但仍缺乏精确的校准点。这类似于三阶截断点或咒。，它仅能提供幅度失真的粗略估算。RADSA线性系统ORADSB非线性系统图22相移与频率的关系22功放非线性特性的描述指标221LDB压缩点由于功率放大器的增益压缩效应，随着输入功率的增加，放大器进入非线性区后，输出功率不再随着输入功率的增大而线性增大，从而引入一个放大器关键的技术指标LDB增益压缩点。通常把增益下降到比线性功率低LDB时的输出功率定义为输出功率LDB压缩点，用表示。从式23中知基频毗的增益G可表示为GI2。G七T三七，K2定义G。为线性增益GO一20109K1LDB增益压缩点可定义为信号电平的增益比线性增益小LDB，即8210211第2章功放的非线性特性GMGELDB或等效地认为KL3K3K2O891JL所以可得在IDB增益压缩点对应的振幅K为VT20145IK每222三阶截点图23LDB压缩点示意图212213214三阶截断点表示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。它也是一种对三阶互调干扰的度量指标。由式25和26可以看出，在输入功率比较低时，基波的输出功率近似与输入信号的振幅成正比，三阶互调的输出功率与输入信号振幅的立方成正比。但是随着输入信号的增加，基波的输出功率被压缩，偏离了线性增长范围。由式25可以得到截断点功率为删一MG隆篙譬卜215上式中R为一负载阻抗，单位欧姆，可以看出，截断点功率与输入输出功率无关，它是一种对系统非线性的一种量度方法。当一个系统的非线性可以用一个三项幂级数表示时，截断点是估计三阶互调成分失真的一种简便方法。即使9宕APV芎岔盈第2章功放的非线性特性对于窄带系统，三阶互调也会落入工作频带内。通过测量三阶互调分量的功率和小信号基频功率就可以很容易的间接的测量三阶截断点。图24三阶截断点示意图DBM当一个系统的非线性可以用幂级数展开时，截断点是估计三阶互调失真的一种很方便的方法。上式标明OIP3与输入功率无关，完全式系统非线性造成的，因此式系统非线性的度量。作为放大器还必须注意，有时给出的是皿P3输入三阶截断点，而OIP3是输出三阶截断点，这两者之间的关系如下OIP3111T“3GO216另外我们还可以将OIP3和，联系起来，它们之间的关系可以用下式表示IP31063DBM217223交调系数从式子26，定义交义调制系数就是M与M。的比僵，也即CMM丝兰218，3M4七L4K3K2其中M。兰錾坠K1K2我们分析这个式子可以容易看出，由于七。一般比较大大于1，所以交调第2章功放的非线性特性系数就与屯和K关系很大，假若K，和K2的乘积远小于1，那么交调系数就比较小，系统的交叉调制程度就比较低。在通信系统的非线性度量上，交调系数是一个很重要的衡量指标之一。224CPR对于CDMA功率放大器的非线性，ACPRADJACENTCHANNELPOWERRATIO，即邻近信道功率比可以说是最具实际性且有效的参数，也可以说是ABIAM和ALVLPM失真共同作用的结果。对于使用非恒定包络调制技术的现代无线通信系统，输入信号为非等幅的，输出信号中将会有较严重的频谱增长，输出频宽要高于使用恒定包络调制信号，这就会对其邻近信道产生交互调干扰。图25邻道功率ACP定义邻道功率ACP定义为当主信道MAINCHANNEL加一信号时，紧邻主信道的两个信道IQADJACENTCHANNEL的功率大小。如图25所示。邻道功率的产生主要来自两个方面，一是由于器件的非线性作用产生，二是由于主信道信号本身的频谱宽度比信道要宽。ACPR定义为ACP功率与主信道功率的比值。所以ACPR主要用于像CDMA这样的宽频谱信号上，是判定这类信号失真度的主要标准。第3章常见线形化技术第3章常见线性化技术对于射频功率放大器，特别是高功率的射频放大器来说，设计中的核心问题和瓶颈问题就是要在保证功率放大器具有较高的工作效率的前提下，解决信号的输出功率及其线性度之间的矛盾。在射频功率放大器设计中的几个关键性问题，也都是围绕着输出信号的线性度指标来展开的。近年来，各种各样的线性化技术己经越来越受到国内外无线通信系统设计者们的普遍关注，采用外加一定的线性化电路来解决信号输出功率和线性度矛盾的设计方法更是被广泛的应用到了射频功率放大器设计中。本章将简要介绍几种最为常见的线形化技术。31功率回退法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，也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。功率回退法简单来讲就是把功率放大器的输入功率从LDB压缩点向后回退几个分贝，让放大器工作在远小于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，从而改善功率放大器的三阶交调系数等非线性指标。为了方便起见，这里先引入两个参数输入回退和输出回退，功率放大器的输入回退定义为IBO一10LOGPROEJ31输出回退定义为OBO一10109P。一一只。一。J32其中毛是功率放大器达到饱和时的输入信号功率，己一是输入信号平均功率，F0一一是放大器最大输出功率，F乙一是放大器的平均输出功率，IBO和OBO在一定程度上表征放大器的功率效率。功率回退法简单且容易实现，就是通过增大IBO来提高线性度，是传统的线性化方法，不需要增加任何附加设备，也是改善放大器线性度行之有效的方法，但其致命的缺点是功率放大器的效率大为降低，并且工作带宽较窄。它是12第3章常见线形化技术以放大器功效的降低为代价来换取线性化的方法，采用功率回退法可能会使放大器在百分之几的功效状态下工作。另外，当功率回退到一定程度，即当IM3达到40DB以下时，继续回退将不再改善放大器的线性度。因此，在线性度要求较高的场合，完全靠功率回退是远远不够的【堋。32前馈前馈线性化技术起源于“反馈”，应该说是一种老技术，除了校准反馈是加于输出之外，概念上完全是“反馈”，不过是不同的执行方法。前馈克服了延迟带来的影响。可以说，前馈提供了反馈的优点，但没有不稳定和带宽受限的缺点。当然，上述优点是用价格换来的。典型的前馈线性化电路系统一般由两个环路组成，一个称为输入信号抵消回路，另一个称为干扰信号抵消回路。在输入信号抵消回路中，把非线性功率放大器输出的信号取出一路，并经适当的衰减和调节，同时也在放大器的输入端把输入信号取出一条支路，并经适当的延时，用经过衰减处理的功率放大器输出信号减去延时过的输入信号，把功率放大器产生的失真信号从放大器输出端分离出来，得到的就是放大器产生的纯干扰信号，并用另外一个辅助放大器放大该干扰信号，然后用此干扰信号来校正主放大器产生的有干扰存在的非线性输出信号的相位、幅度，也即用第一个输入信号抵消回路分离出的纯干扰信号，在错误抵消环中对延时处理的主功率放大器的输出信号进行叠加抵消，来实现失真的消除，从而达到整个系统输出线性化的目的。前馈线性化技术系统中，衰减器是可调的，可以进行相位偏移的调节以及衰减大小倍数的调节。前馈线性化系统性能上很大程度取决于两个前馈环路中参与抵消的两个信号的幅度和相位调整的精确度，用来抵消的信号幅度和相位的不正确调整会导致失真抵消性能急剧下降。而且由于信号幅度和相位会随时间的推移而改变，因此，在性能指标要求比较高的场合的应用上，就要使用自适应机制对环路进行相应自适应的调整和控制。如果能够把迟延误差控制在相当载波信号一个波长的程度内，单级前馈环路大约能达到30DB的失真抑制如果使用多级结构，可以达到更高线性度的要求，但是这样又使得环路中的调节控制变的更加复杂。这也十分符合实际情况，一个方面的获得，总要在另一方面为此付出一定的代价。13第3章常见线形化技术总的来说，前馈线性化技术是一种很实用的线性化技术，它还有线性化带宽不太受前馈环路的限制这一优点，特别适合于宽带应用和多载波应用，也是目前最成熟、应用最广泛的技术，同时为了达到更高线性度的改善目的，它也易于扩展成多级结构，但此时其成本和系统复杂度要比预失真线性化系统高很多。应用得当的话可以有效消除IMD达30DB以上，基本不受放大器记忆特性的影响，适用带宽比较宽。由于干扰信号抵消回路的信号峰均比很高，所以干扰信号抵消回路很关键，系统较复杂成本高【19侧。33模拟预失真模拟预失真线性化技术理论上是最简单的RF功率放大器线性化技术12”21。而模拟预失真技术又可分为RF预失真和IF预失真，RF预失真直接工作在载波频率，体积、功耗小，便于集成在单片集成电路中，几乎可以使用在所有微波频段；IF预失真是在中频信号处产生预失真，对其后的混频器的非线性也有修正作用，而且对不同载波频率可以使用相同的预失真方案。RF预失真和IF预失真原理基本相同，因此将它们放在一起讨论。1984年NOJIMA等使用二极管完成了一个三阶模拟失真器，后来出现的三阶模拟预失真系统基本是以此为原形的。系统中最基本的器件是三阶非线性扰动器，它可以产生于功率放大器三阶失真信号相反的三阶扰动信号，从而可以在输出端可以抵消该失真分量【矧。模拟预失真技术非常适用于卫星、手持移动通信设备等对体积、效率或成本有较高要求，但对线性度改善要求不高的场合。它仅用少量的额外元件降低互调产物几DB，但这正是关键的几DB。预失真法还可以作为其他线性化技术的补充，比如前馈法中，先对主功放进行预失真可以改善环路匹配的压力，降低辅助功放的功率容量要求。模拟预失真主要优点有电路简单，成本低廉，工作带宽大，使用频率范围大一个简单的二极管预失真器就能应用于几乎所有微波频段，没有反馈回路，因此是无条件稳定的。其主要缺点是线性改善度有限，多阶失真不易处理，处理好了三阶失真可能会造成五阶、七阶等高阶失真的加剧。但与所具有的缺点比起来，模拟预失真的优点更为突出。14第3章常见线形化技术预失真技术是目前最具工程实现性的线性化技术，也是本论文研究的重点，关于模拟预失真技术的研究分析详见第四章和第五章。34数字预失真模拟预失真技术电源效率高，成本低，但由于使用非线性射频器件，其控制和调整都较为困难，而基带数字预失真技术不涉及难度较大的射频信号处理，便于使用现代信号处理技术来处理信号洲。数字预失真技术是指用在数字域内完成信号预失真处理的技术，一般有两种实现方式，基于非线性射频功放的参数模型实现和基于查询表方式实现。射频功放的参数模型有许多种，如多项式模型、VOLTERRA级数模型等多项式预失真系统是三阶预失真系统的推广，在模拟多项式预失真器出现后，就出现了用数字技术实现的多项式预失真系统，并逐步发展完善。查询表预失真技术是目前最为流行的线性化预失真技术，其基本步骤是将放大器的输入功率或幅度等作为查询表的索引指针，把功率放大器的复增益预调整值作为指针对应内容存储在RAM表中，工作时根据输入信号的幅度等信息查找其对应预调整值，并将其输出给后继电路，达到线性化的目的。查询表预失真技术使用一个RAM存储片来保存每一个输入信号相对应的预调整输出信号，并且可以实时的修改表的内容、更新预调整值，查询表可以是二维表或一维表。二维表是使用输入信号的两个正交分量I、Q作为表的查询索引地址，并以此来初始化或输出相应的输出信号。二维表的缺点是需要一个很大的表存储空间，要根据信号I、Q分量量化级别数的平方来确定其大小，较高精度要求时，量化间隔小，表的空间就比较大。另外当查询表初始化时或表中内容需要大的更新时，就需要大量的采样数据和大量的运算处理这些数据，初始化时间或更新时间就比较长。相对于一维表其优点是可以省去对信号进行的直角坐标和极坐标之问的相互转换，这个特点有将利于减小DSP的运算量。15第4章预失真器研究第4章预失真器研究预失真是在信号放大之前对信号按照一定的规律进行“预先失真”，以便最终输出信号中的失真分量尽可能地小，对功率放大器的线性化起到很好的效果。预失真技术在电路中就表现为增加了一个预失真器。这个预失真器的作用就是产生与原信号相对应的失真信号。因此预失真器的设计是实现预失真线性化方法的关键。本章主要针对基于二极管的预失真器做相应研究，首先回顾了几种经典的基于二极管的预失真器，然后对新近提出的同向并联二极管预失真器做了深入研究并将其应用于10W功率放大器的设计。41基本模拟预失真器要改善功放的线性指标，就需要对己知信号进行分析和预失真，使预失真器产生的非线性失真与放大器非线性失真在幅度和相位上相反。在RF频率范围中，二极管是一种常用的非线性产生器件。下面是几种经典的基于二极管的模拟预失真电路。411串联二极管预失真器图41串联二极管预失真器16第4章预失真器研究串联二极管预失真器是最简单的模拟预失真器125J，电路图见图41，可以应用于及RF预失真系统中。预失真器由一个肖特基二极管并联一个电容C，构成，这样可以在低电压偏置情况下，随着输入功率的增加，输出信号取得正的幅度和负的相位变化，通过调节偏置电压和并联电容可以改变预失真器的特性使之和功率放大器的非线性特性相匹配。这种形式的RF模拟预失真器不会对放大器的线性度和效率有很大提高，但电路简单，成本低廉，易于集成。采用这种方法的应用于PHS系统的19GHZ微波单片集成功率放大器对QPSK信号可以获得5DB的ACPR改善I硐。412变容二极管预失真器变容二极管作为预失真器主要有两种应用一种是用变容二极管来补偿功率放大器的AMPM效应，另一种是采用二次谐波来补偿功放的AMAM特性。其插入损耗比串联二极管预失真器要小变容二极管预失真器的插入损耗约为2DB，串联二极管约为6DB。图42变容二极管预失真器示例一图42是该技术应用于单级砷化嫁场效应管GAASFET放大器示例。在这里变容二极管作为GAASFET输入端的容性补偿来减小整个放大器系统的AMPM效应，而AMAM失真通过源二次谐波注入技术消除。采用这两种技17第4章预失真器研究术相结合的线性化方法对QPSK信号可获得15DB的ACPR改善271。413反向并联二极管预失真器一定组合的二极管结构在大信号激励的情况下能够比单个二极管少产生无用谐波或多余的谐波分量。反向并联二极管预失真器几乎是最简单三阶模拟预失真器，在实际工程中有着广泛的应用【矧。应用反向并联二极管的预失真器的基本形式如图43所示。图43中的预失真器采用T型电阻衰减器来实现从主RF通道采样和非线性信号回注主通道的功能。非线性产生器由反向并联二极管图43所示实现。理想情况下，如果二极管性能完全匹配，则只产生三阶失真分量并回注入主通道完成预失真功能。JF图43反向并联二极管预失真器的基本形式42同向并联二极管预失真器近几年人们又提出了一种新型的基于二极管的预失真器结构。它与上面提到的反向并联二极管预失真器相似，不同的是它采用的是同向的二极管结构【291。这种新的预失真器的优势在于可以独立地分别产生三阶互调失真IM3分量和五阶互调失真IM5分量，从而可以实现对功率放大器的IMD3和1MD5独立地分别予以抑制的目的。如图44所示，新型的同向并联一极管预失真器由四个相同的肖特基势垒二极管D1、D2、D3、D4和一个1800祸合器组成，由于给肖特基势垒二极管第4章预失真器研究加不同的偏置电压V1、V2、V3、V4时，肖特基势垒二极管将工作在不同的非线性状态，从而可以产生不同的谐波分量。那么就可以通过调整加于肖特基势垒二极管上的偏置电压V1、V2、V3、V4使其分别产生IM3和IM5两种失真分量。图44同向并联二极管预失真器设在预失真发生器的输入端加一等幅的双音信号，KACOSOLTACAST02T41其中A是双音信号的幅值，、是双音信号的频率0102。并假设谐波发生器的非线性传输函数为Y一，B，输出为屹，即VO一，以。将其展开成幂级数的形式为VOKLK七，2七3K3K,ACOST01TC06T02T七2A2COSTOITCOS2F2七3A3COSWLTCOST02F广一BLCOST01T62COST02TB3COS20J,一YB4COS20J2一鸭YBSCOS地一锄屯YB6COS310220,OT42通过控制各个二极管的偏置电压，即可适当调节42式中的系数BII1、2、3、，从而使42式能够分别独立地产生IM3和IM5信号。在预失真线性化电路中，采用两个预失真发生器，一路用于产生IM3信号，另一路用于产生IM5信号。这样就可以分别控制RF功率放大器所产生的3阶互调失真和19第4章预失真器研究5阶互调失真分量。图45改进型的同向并联二极管预失真器图45是同向并联二极管预失真器的一种改进形式，它由两个具有相同特性的肖特基二极管、电容、电阻和180”耦合器组成【圳。两个二极管加有不同的偏置电压，使其工作在不同的非线性区，以产生失真信号。电容电阻吸收一定频率。与图44的结构相比，改进后的预失真器减少了需要控制的变量，而同样可以实现对IMD3和IMD5的对立控制。本节将对这两种预失真发生电路做深入的研究，得到偏置电压和IM3、IM5的对应关系，以方便实现对预失真功率放大器的自适应控制。421单二极管对预失真器研究口O卿匕至圈191一I耋薹錾R藿器装嚣麟瓣粼呻O_硒M昂I揖一嘉毫薹鲁I薄图46单啊二极管对预失真器仿真电路20第4章预失真器研究在AGILENTADS中对图45的电路进行双音测试仿真，仿真电路如图46所示。调节各二极管的偏置电压，即可在输出端产生所需要的IM3和IM5。在这部分内容里对偏置电压和IM3、IM5的对应关系进行了研究，得到了它们的对应曲线。1偏置电压V1、V2和1M3的关系图47偏置电压相同时和IM3、IM5的关系图48VIV20485V时得到的IM3调节两个二极管的偏置电压可以独立地得到IM3，经过研究我们发现，在21第4章预失真器研究VIV2的情况下就完全可以得到想要的结果。在CI0033NF，C20032NF，C395PF，R16850HM的条件下，在04VV1V2O55V的范围内，对预失真电路进行仿真，仿真的结果可参看附录A，图47给出偏置电压V1、V2和IM3的关系曲线。当偏置电压在047V到049V在范围内时IM5迅速衰减，而IM3则变化不大，从而单独得到三阶的失真IM3。在VIV20485V时调节得到的IM3如图48所示。2偏置电压V1、V2和IM5的关系图49IMD5随V1、V2的变化曲线025从上边的研究知道V1V2的情况下可以单独得到IM3，但是却不能同样在V1V2的情况下单独得到IM5，要单独得到IM5必须对V1和V2分别进行调节。在02VV1O335V，055VV2一J和工作的悉心指导从论文的选题，写作思路的大方向的确定和论文最后的修改定稿，贾老师都以其渊博的知识、睿智的眼光给我以大力的帮助另外，贾老师严谨的治学态度和持久的钻研精神更是令我受益非浅，这些不仅对于我的成长，而且对于我的今后也具有重要的指导作用感谢刘战胜，毛孟达、方跃娟、温杰各位师兄师姐，他们对我的学习和工作都给予了莫大的帮助和支持；感谢同一实验室的同学黄宁，张思翼，康春芳。梁雅琴和各位师弟师妹，通过与他们的讨论，加宽了我的学识范围，在良好的学术氛围中顺利完成了论文最后，感谢深爱着我的父母，我的每一点成就都凝结着他们的心血，他们无私的爱永远是我前进的动力2007年3月参考文献参考文献1郭梯云，邬国扬，李建东移动通信西安西安电子科技大学出版社，200052BLACKHSTRANSLATINGSYSTEMUSPATENT16869721928103BLACKHSWAVETRANSLATIONSYSTEMUSPATENT21026711937124MABRIFA,MFAULKNERSTABILITYANALYSISOFCARTESIANFEEDBACKLINEARIZATIONFORAMPLIFIERWITLIWBAKNONLINEARITIES1EEPROCCOMMUNICATION1996V011432122185MBOLOOFIAN,JPMCGEEBANPHASE1AGCOMPENSATEDCARTESIANFEEDBACKTRANSMITTERELECTRONICSLETTERS1996、BL32154715486MFAULKNEFANAUTOMATICADJUSTMENTSCHEMEFORRFANDCARTESIANFEEDBACKLINEARIZERS1EEETRANSACTIONSONVEHICULARTECHNOLOGY2000V01499569647GZHAO，FGHANNOUCHI，FBEAUREGARDDIGITALIMPLEMENTATIONSOFADAPTIVEFEEDFORWARDAMPLFLIERLINEARIZATIONTECHNIQUESIEEE兀TSDIGEST1996543_5468HYUNMINPARK，DONGHYUNBACK,SONGCHEOLHONGAPREDISTORTIONI_INEARIZERUSINGENVELOPEFEEDBACKTECLMIQUEWITHSIMPLIFIEDCARTIERCANCELLATIONSCHEMEFORAASSAANDCLASS枷POWERAMPLFLIERS髓TRANSACTIONSONMICROWAVETHEORYANDTECHNIQUESJUNE2伽N、，014剐68989049MACDONALDJRNONLINEARDISTORTIONREDUCTIONBYCOMPLEMENTARYDISTORTIONIRETMNSACTIONSONAUDIOSEPOCT195912813310ISPSTAPLETOUFCCOSTESCUANADAPTIVEPREDISTORTIONSYSTEMMEEVEHICULARTECHNOLOGYCONFERENCE199269069311OSAMAWAPREDISTORTIONASALLEFFECTIVETECHNIQUEFORLINEARISATIONOFBA辩一SMTIONAMPLIFIERSINAMOBFLERADIOCELLULARSYSTEM皿EELCPWC97199714715112MCMILLANBMULTIPLEFEEDBACKSYSTEMUSPATENT2748201MAY29195613ZAUBERGVANZELSTJJSTABILISEDAMPLFLIERSPHILIPS1BCHNICALREVIEW1947253214DEIGHTONMO。EHCOOKEYARBOROUGH,GLMILLERAMETHODOFENHANCINGGAINSTABILITYANDLINEARITYOFTRANSISTORAMPLIFIERSYSTEMSPROCOFTHENORTHEASTREGIONALELECTRICALMANUFACTURESCONFERENCEBOSTONUSA196415GOLEMBESKIJJACLASSOFMINILNUMSENSITIVITYAMPLIFIERSIEEELHNSONCIRCUITTHEORYMARCH1967，、，011吖11697416SEIDELH，HRBEURDER,ANFFIEDMALLERRORCONTROLLEDHIGHPOWERLINEARAMPLIFIERSATVHENEBESYSTEM“RECHNICALJOUMALMAYJUNE1968V014765172217HSEIDELAMICROWAVEFEEDFORWARDEXPERIMENTTHEBELLSYSTEM1BCHNICALJOURNALNOVEMBER1971，、，0150F912879291618AASALEH，JSALZADAPTIVELINEARIZATIONOFPOWERAMPLIFICATIONINDIGITALRADIOSYSTEMSBELLSYSTEMTECHNICALJOURNALAPR1983，V01624参考文献19DPM”LAMULTICURRIERFEEDFORWARDAMPLIFIERDESIGNMICROWAVEJOURNALOCTOBER199478黯20RGMEYERRESCHENHNCH，WMEDGERLEYAWIDEBANDFECALFORWARDAMPLIFIERIEEEJOURNALONSOLIDSTATECIRCUITSDECEMBER1974,V019642242821GHAN,TBNISHIMURA,NLWALAAHIGHLYEFFICIENTIANEARIZEDWIDEBANDCDMAHANDSETPOWERAMPLIFIERBASEDONPREDISTORTLONUNDERVARIOUSBIASCONDITIONSIEEETRANSOILM兀JONE2001，V014961194120122JENGHANTSAI,1IANWBIHUANGANOVELSIGEBICMOSVURIABLEGALNACTIVEPREDISTORTERUSINGCURRENTSTEERINGTOPOLOGIES1EEERADIOFREQUENCYINTEGRATEDCIRCUITS僻FICSYMPOSIUMJUNE2004“55956223TNOJIM,TKONNOCUBERPREDISTORTIONIANEARIZERFORRELAYEQUIPMENTIN800MHZBANDMOBILETELEPHONEIEEETRANSONVEHICULARTECH1985，VOL“416917724NAGETAYLINEARAMPLIFICATIONTECHNIQUEFORDIGITALMOBILECOMMUNICATIONSPIPEIEEEVEHICULARTECHNOLOGYCONFERENCEMAY198915916425SJB，YWMCHIA1_JNEARITYANDHIGHEFFICIENTCDMAPOWERAMPLIFIER1EEELECTRONICSLETTERSMAY1999，VOI351078678726