[硕士论文精品]微波功率放大器的线性化技术

摘要本课题系中国电子科技集团公司第十研究所的一个科技预研项目，其主要任务是解决通信过程中由于功率放大器的非线性失真所引起的邻道干扰问题。本人负责该课题的方案论证及系统部件的设计、制作及测试等工作。线性功放的研究现在已成为功放研究的一个热点，国外研究开始比较早，现在已有成熟产品问世；而国内在这方面的研究才刚刚起步，基本上处于软件仿真阶段，且大多都集中在前馈技术的研究方面，预失真法的研究更是一个空白。本文在对功率放大器非线性特性进行充分研究的基础上，综合各种线性化方法的优缺点，提出了一种自适应射频预失真线性化的方案，通过软件仿真，验证了这一设计方案的可行性；同时通过实际制作这样一个线性化功放，调试并测试其线性化指标，取得了预期的效果，达到了工程技术指标的要求，从而验证了这一方案的有效性。射频预失真方法的应用能有效的解决带宽及稳定性的问题；而直接通过混频器和带通滤波器的配合取得失真信号的方法解决了传统的误差消除环路需要复杂的功率增益调整的弊端，使得电路得到简化，成本得以降低。同时，利用DSP技术来进行自适应控制，并与射频模拟电路紧密结合，从而显著改善了功率放大器的线性度，满足了工程需要，这就是本研究工作的特色与创新之处。仿真和实验测试结果都说明通过预失真法对功率放大器进行线性化改进，其线性化程度明显提高，表现在其带外抑制度明显提高，对邻道的干扰明显减弱，这在多载波通信系统及将来的第三代移动通信中有非常重要的应用。关键词功率放大器线性化技术自适应技术预失真技术工作函数数字信号处理ABSTRACTTHETOPICOFTHISPAPERISTHELINEARIZATIONTECHNOLOGYOFMICROWAVEPOWERAMPLIFIER，WHICHISANITEMOFTHE10THINSTITUTEOFCHINAELECTRONICTECHNOLOGYGROUPCORPORATIONTHISPAPERMAINLYCONCERNSINTHEREJECTIONOFADJACENTCHANNELPOWERINTERFERENCEACPIINCOMMUNICATIONSYSTEMDUETOTHENONLINEARDISTORTIONSOFTHEPOWERAMPLIFIERTHERESEARCHOFLINEARIZEDPOWERAMPLIFIERISBECOMINGAHOTSPOTINTHEAMPLIFIERDESIGNASERIESOFPATENTSHAVEBEENGRANTEDFORPOWERAMPLIFIERLINEARIZATIONABROAD，ANDMANYMATUREPRODUCTIONSHAVEBEENPRESENTEDATHOME，HOWEVER，THERESEARCHINTHISFIELDISJUSTATTHESTAGEOFSIMULATIONWITHSOFTWAREFURTHERMORE，THESTUDYINPREDISTORTIONLINEARIZATIONISBLANKFORMOSTRESEARCHERSFOCUSONFEEDFORWARDLINEARIZATIONANOVELSCHEMEOFADAPTIVEPREDISTORTIONLINEARIZATIONISPROPOSEDINTHEPAPER，WHICHISBASEDONTHEADEQUATEANALYSISONNONLINEARCHARACTERISTICOFPOWERAMPLIFIERTHESCHEMESYNTHESIZESTHEMERITSOFTHREEKINDSOFLINEARIZATIONMETHODSTHESIMULATIONRESULTSSHOWTHEFEASIBILITYOFTHESCHEMEITISPROVEDTOBEEFFECTIVEATTHESAMETIMEBYFABRICATINGAREALPREDISTORTIONLINEARIZATIONPOWERAMPLIFIERTHETESTRESULTSDEMONSTRATETHEGOODPERFORMANCEOFTHELINEARIZEDAMPLIFIERTHEAPPLICATIONOFRFPREDISTORTIONTECHNIQUESCANHANDLEBROADERBANDWIDTHANDSTABILITYONTHEOTHERHAND，THEMETHODOFGETTINGTHEDISTORTIONSIGNALBYMIXERANDBANDPASSFILTERISANIMPROVEMENTTOTHECONVENTIONALMETHODONERRORCANCELLATIONLOOPWITHCOMPLEXGAINADJUSTMENTINADDITION，THEAPPLICATIONOFDSP，COMBINEDWITHRFANALOGCIRCUITS，CANIMPROVETHELINEARITYOFTHEPOWERAMPLIFIEREXPLICITLYTHEABOVEAREMAINFEATURESANDINNOVATIONSOFTHEPAPERBOTHTHESIMULATIONANDTESTRESULTSDEMONSTRATETHATTHEPREDISTORTIONLINEARIZATIONCANIMPROVETHEPOWERAMPLIFIERSLINEARITYDISTINCTLY，WHICHISESSENTIALTOMULTICARRYCOMMUNICATIONSYSTEMANDTHETHIRDGENERATION3GMOBILECOMMUNICATIONSYSTEMINTHEFUTUREKEYWORDPOWERAMPLIFIERLINEARIZATIONADAPTIVEPREDISTORTIONWORKFUNCTIONDSP独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，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作了明确的说明并表示谢意。躲忽整堕隰研年F月驴日关于论文使用授权的说明本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。保密的学位论文在解密后应遵守此规定签名沁名绎蕴鸥导师签名；豳塾垦日期；M年歹月押日电子科技大学硕士学位论文第一章前言11微波功率放大器线性化技术的意义及必要性微波功率放大器在广播、电视、以及无线通信系统中有越来越重要的应用，在这些应用中它通常被用作发射机的末级，而末级是电子设备功耗的主要部分，也是成本最高的部分。B类或C类放大器效率较高，但有严重的非线性特性。一般来说，在2PSK和不限制边带的MSK调制方式的系统中，由于通过信道的信号是恒包络调制信号，系统的主要质量指标对信道的非线性失真不敏感。为了获得高输出功率和高电源效率，微波功率放大器通常工作在饱和状态。但是，在数字微波通信和多载波传输等系统中对信道的非线性失真均有严格要求。在中、大容量的数字微波系统中，为了扩大通信容量，提高频谱利用率，通常都要采用正交调制技术和多电平调制技术。为了保证质量指标，系统对信道的非线性指标有严格要求。般地，系统的频谱利用率越高，对信道的非线性指标要求越高。数字信号通过非线性放大器时产生幅度波形失真，使信号质量变坏，增加误码率，产生的交调产物增加了信号频谱，对邻近频道产生干扰“1。CDMA数字蜂窝移动通信网具有独特的优点，多个用户同时使用一个信道，频率利用率高；用户可随时接入，通信机动灵活用户同时通话数理论上不受限，等等。CDMA作为一种扩频技术，并集系统容量大、话音质量高、系统简单、保密性强、覆盖范围广、便携机通话时间长等优点于一身的技术，必将领导无线通信技术的新潮流。CDMA系统中，指标最苛刻、价格最高的部件是微波功率放大器。对微波功率放大器最关心的是非线性效应，它使CDMA信号质量变坏，增加误码率，对邻近频道产生干扰。1997年美国郎讯、莫托罗拉、北方电信和高通共同制定了CDMA技术标准，其电子科技大学硕士学位论文中频谱再生有严格要求符合IS一95。同步数字系列SDH采用正交调幅QAM或多电平正交调幅MQAM，这是一种线性调幅信号，幅度携带信息，要求传输过程信号波形不失真。放大器非线性引起的AMAM变换将引起信号振幅失真。阶数越高，要求非线性失真越小。例如，采用64QAM的系统，要求传输通道的三阶交调失真产物比载波低43分贝，128QAM或256QAM调制要求更严。在多载波传输通信系统MMDS中，早期的的无线基站通常是每路信道用一个放大器，利用腔体滤波器功率合成器将几路信号合成一路，传输至天线。合路器损耗、最小频率间隔要求和使用频率的灵活性小是其固有缺陷。采用宽带多载波微波功率放大器，可在低功率合成信号，取代多个单信道放大器和笨重的合路器。但多载波通过具有非线性的信道将产生交调，交调产物的大部分表现为对邻近频道的干扰ACPI，无法用滤波器滤出。并且在同一信道通过的载波越多，交调产物也越多，对信道的非线性失真指标要求也越高。这种由于放大器的非线性引起频谱再生也是个人通信中的一个重要指标，通常要求载波邻频干扰抑制比CI大于35DB45DB。功率放大器的线性化技术是解决这个问题的一个有效的方式，它是使功率放大器在输出功率和效率达到最高的同时具有线性的特性。常用的方法有前馈法FEEDFORWARD、反馈法FEEDBACK、预失真法PREDISTORTIOIL、用非线性部件实现线性化LINC等。数字信号处理技术DSP的飞速发展为线性化技术提供了有效手段，相应出现了自适应线性化技术。12功率放大器线性化技术国内外发展动态及趋势线性化技术已有多年历史，卫星转发器中的行波管放大器常工作在AB类状态以实现高效率，但非线性失真严重，采用线性化技术以满足交调失真指标。随着蜂窝电话和其它形式的通信业务的迅速增长和固态功率器件2电子科技大学硕士学位论文的输出功率水平迅速提高，对高线性度固态功率放大器的需求激剧增加，国外对此进行了广泛的研究，使功率放大器线性化技术的研究成为当今的一个热点，并且国外已有大量的线性功放产品问世。01美国线性器技术公司LINEARIZERTECHNOLOGYINC是线性放大器专业公司，产品从L，S，C，K到KA波段均有不同功率的行波管及固态放大器产品，并可根据客户为已有放大器提供附加线性化器。美国BROVOTECNH公司的TSLPA系列固态功率放大器模块输出功率50W，增益4555DB可调，传输16信道时，交调指标可达一60DBC。美国MPT公司推出矢量衰减器产品用于前馈法对消环路“”。据称，这种矢量衰减器克服了PIN衰减器的群时延随衰减量而变。但是，它接在主通道中，将引入衰减。美国STEALTH微波公司的SSB技术分部生产固态功放系列产品用于MMDS、GMSAMP、PCS，以及本地环路和无线中继系统。采用预失真法改善线性。例如，P。为41DBM的S波段放大器改善后三阶交截点提高到60DBM。美国AMPLIDYNE公司是低噪声和高功放生产商，其代表产品AMPL960一LOOMC用于19301990MHZ宽带多载波传输，1个模块输出功率30W，用4个模块合成功率100W，多音交调一60DBC。美国POWERWAVE技术公司是低噪声和高功放生产厂商，最近推出多载波功率放大器用于CDMA、PCS和无线蜂窝通信系统，频段有800、1800和1900MHZ，输出功率50W200W，其中200W功放由4个50W模块合成，采用前馈技术三阶交调一70一60DB。加拿大AMPLI集团是低噪声放大器和功率放大器供应商，产品频率范围1GHZ30GHZ。该集团1994年开始实施一项研制超线性功率放大器计划，由蒙特利尔大学和NSIINC合作，己完成L波段和K波段固态放大器，输出功率分别为50W和2071。韩国电子学与通信研究所研制的超线性功率放大器，采用前馈法，频率1855GHZ，带宽30MHZ，输出功率37DBM，第一个线性化环的对消优于一40DB，交调产物对消优于一35DB。日本三菱公司信息技术研发中心采用微波预失真法改善场效应管放大电子科技大学硕士学位论文器的线性特性。利用场效应管源极接地时增益随功率增加而增加，相位则随功率增加而减小的特性，这正好与接近饱和输出的功率放大器相反，这种线性化器用于7GHZ饱和输出功率50W的功放使动态范围改善2DB，增益回退3DB。线性化技术发展到现在，逐渐出现了各种线性化技术逐步融合的趋势。例如前馈技术的载波消除环中就经常用到预失真技术，而预失真技术中也加入了反馈的思想。除了各种线性化技术之间相互融合借鉴，线性化技术和数字信号处理技术的结合也越来越紧密，特别是随着高速度DSP技术的发展，自适应的思想逐渐被引入到线性化技术中，相应的出现了自适应前馈技术、自适应预失真技术等等，这些技术的融入，使得线性功放的线性度得到了极大的提升。由于线性放大器在微波通信中有非常重要的应用，因此近年来有许多有实力的国内公司，如中兴、华为、大唐等已投入一定人力物力进行研发，但到目前为止研究成果并不能令人满意，与国外同类产品相比还有不小的差距。大唐M2000系列SDH微波通信系统中采用了中频预失真技术，但无交调指标。东南大学毫米波国家重点实验室研制的460MHZ超线性功放，采用前馈技术，输出功率10W，三阶交调据称可以达到一66DBC，但也还处于实验阶段，离成熟的产品还有一定的距离。13本人所做的工作及主要贡献本课题系中国电子科技集团公司第十研究所的一个科技预研项目，其主要任务是解决微波功率放大器的非线性失真问题。具体的说就是解决通信过程中由于功率放大器的非线性所引起的邻道干扰问题。在课题展开过程中，本人大量阅读了有关线性功放方面的文献资料，重点研究了微波功率放大器的线性特性以及几种常用的改善其线性的方法，比较其优缺点，并结合国内外线性功放技术的最新动态，根据该项目4电子科技大学硕士学位论文的技术要求，在甘老师的悉心指导下，拟定了本课题采用的技术路线及实施方案，并对它的应用前景作预测。本研究工作的特色与创新之处是1用射频预失真法有效的拓展了工作带宽；2混频器和带通滤波器结合取得失真信号的方法解决了传统的误差消除环路需要复杂的功率增益调整的弊端，使得电路得到简化，成本得阻降低；3以数字信号处理DSP为代表的数字电路技术与射频模拟电路相结合，编制了有效的自适应算法和程序，实现了自适应线性化，显著改善了功率放大器的线性度，满足了工程需要。在实施过程中，首先对各射频部件进行了认真的设计，并在ADS2002中进行仿真和优化，对其它选用的器件进行认真的筛选和比较，尽量使用现有的成熟稳定的器件，既保证了质量又节约了成本。对于低频带通和低通滤波器，则先通过不同的仿真软件进行仿真比较，然后进行设计和调试。考虑到研制时间，数字信号处理部分采用54XXEVM板进行开发和仿真，其自适应程序方面因国外有严格的专利保护，无法借鉴。在综合各种自适应算法的基础上，摸索出了一种有效的自适应方法，仿真和实验结果都证明了其有效性和稳定性。电子科技大学硕士学位论文第二章微波功率放大器21功率放大器主要技术指标【33】211工作频带工作频带通常指放大器满足其全部性能指标的连续频率范围。放大器的实际工作频率可能会大于定义的工作频率范围。212输出功率1、饱和输出功率当放大器的输入功率加大到一定值之后，再加大输入功率并不会改变输出功率的大小，该输出功率称为功率放大器的饱和输出功率，我们用匕表示。2、LDB压缩点输出功率当功率增益下降1分贝时所对应的输出功率称1分贝压缩点输出功率弓。，当输出功率超过该点后放大器将迅速进入饱和工作区。粼”图211DB压缩点与饱和输出功率之间的关系6电子科技大学硕士学位论文213功率效率及功率附加效率功率放大器的功率效率是指功率放大器的射频输出功率与供给晶体管的直流功率之比。即玎。射频输出功率直流输入功率21它表示功率放大器把直流功率转换成射频功率的能力。但这种定义没有考虑晶体管的放大能力，两个功率效率相同的晶体管也有可能其功率增益相差很大，所以通常我们都用功率增加效率来表征一个晶体管的放大射频的能力。即射频输出功率一射频输入功率直流输入功率22它表征了一个晶体管把直流功率转换成射频功率的能力。214交调失真交调失真是具有不同频率的两个或多个输入信号通过功率放大器而产生的混合分量，它是由于功率放大器的非线性而引起的。设有K路输入信号，其频率分别为石、五、工、以。通过功率放大器后由于功放的非线性，输出分量中将包含许多混合分量M石N五P五111，13，PO，L，2各分量分别称为MNP阶交调分量。并且功率放大器的非线性越强，交调分量越大，交调分量的大小可以用交调系数表示例如假设有K路等幅的信号，MP阶交调系数可以表示为MLOLOG等删哩等一川。S等PS，式中，只、县、只分别对应着基波功率，巴，为MP阶交调功率，IM。的单位为DBC。若输入放大器的是等幅信号，在上面的各阶分量中，频率为2，一，或2，一，的分量与基波，或Z。分量之LI称三阶交电子科技人学硕学位论文调系数IM。类似的，3Z一2Z。或3Z。2F分量与基波Z或Z，分量之比称五阶交调系数毗。215交扰调制失真在微波功放系统中，由于非线性的作用，其中一个信号的调制被转换到另一个信号上的现象称为交扰调制。设输入信号是，COSOTVCOS_1C。S，C。8F24，21手。OS，。08F式中峨是无调制载频，。为调幅信号，为调制频率。把上式展开得KCOSOT冬H阜09H_，25COSOTCOSCOSCOSO，25OK二弦二弦，由此可见，一个调制信号和一个非调制信号可以被看成四个独立的信号，写成OKCOSCOTCOSOPTCOSTCOSCOT26式中_LV。；Q一。在输出信GEE，交扰调制出现在Q和Q一处，交扰调制的大小可以用交扰调制系数MC表示，MC可以用两个非调制信号，即幅度为AP和AN的三阶交调系数来表示MH矿鹏H6船MDB20LG夸DBC27式中埘，为两个等幅基波信号所产生的三阶交调系数，M为调制信号的调制度DB，AP和AN为调幅信号和非调幅信号的幅度。并且，如果4|4。则MC鹏6DBLDBDBC电子科技大学硕士学位论文216调幅一调相AMPM转换和调幅一调幅AMAM转换对单载波而言，由于传输信道的非线性，使信道增益压缩，产生谐波，谐波的幅度和相位与输入信号的幅度有关，使放大器增益与输入信号幅度有关，从而使输出信号的相位和幅度随输入信号的幅度变化，AMPM定义为输出信号的相位变化与输入信号的幅度变化之比。AMAM定义为输出信号的幅度变化与输入信号的幅度变化之比。为了衡量相位失真的大小，引入调幅一调相转换系数K。K半意CODB2S，其中，。是输出信号的相移O，圪是输入信号功率MW。AMPM是增益压缩的直接表现，增益压缩越厉害，AMPM效应就越强，电路进入饱和区后，AMPM效应将非常严重。217谐波失真当信号的幅度超过一定程度，功放因工作在非线性区而产生一系列谐波。对于窄带功放，这些谐波都不在通带内，用滤波器很容易滤除，但对于宽带功放来说这些谐波就会落到信号的通带内，用滤波器就不容易滤除。谐波失真的大小由下式表示HD10109每批2。式中，只表示基波信号输出功率，表示N次谐波输出功率。218输入输出驻波比驻波比SWR表示放大器的匹配程度，其范围为1，OO。9电子科技大学硕士学位论文219稳定系数371微波功率放大器由于存在内部反馈，将会引起放大器稳定性的变坏，甚至引起自激振荡。为了衡量放大器的稳定性，我们引入稳定系数K的概念。K二苎I三I叁皇210“2LS是。I式中DSJ。岛一S是。并且得到了微波管绝对稳定的条件公式世L12酽”L函会一图33极坐标环法原理框图324笛卡尔反馈法CARTESIENFEEDBACKIFB的一种改进方法称为笛卡儿反馈法，它将信号分成同相和正交分量，因而不需要相位检波器和移相器。调节两个正交分量的幅度仍能校正增益和相位。笛卡儿反馈法常用于QPSK调制系统，检波分量从同相和反相调制信号取出。在基带采用数字信号处理技术修正使IFB法能达到很高的线性度。笛卡儿环是反馈法中应用比较广泛的一种形式，相比于极坐标环法，它的主要优势在于两条正交信道的对称性减少了AMAM、AMPM失真，与其它反馈法类似，它也存在带宽的问题。图34笛卡尔反馈法电子科技大学硕士学位论文33前馈法FEEDFORWARD前馈技术起源于“反馈”，除了校准反馈是加在输出之外，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，因而前馈既提供了反馈的优点，但又没有不稳定和带宽的限制，当然这样的优点是通过增加成本换来的。放大器的输出使用了反馈校准，但是由于功率放大器的输出功率电平较大，因此校准信号需要放大到一个较高的功率电平，这就需要用到一个辅助放大器，并且对这个辅助放大器的非线性失真特性有严格的限制，即其失真特性指标应处于前馈环系统指标的上限。另外，系统内不同元件的增益、相位跟踪的准确度也有很严的限制，并且还要保持其稳定性。在整个频率范围内，温度和时间的校准精度完全依赖于系统内各元件的精度。尽管存在上述的问题，但前馈技术仍是一个非常热门的技术，特别是在宽带、多载波系统功率放大器中应用甚广。331前馈法的基本原理由于宽带通信的迅速发展，前馈法受到特别关注。这种方法的基本原理与反馈法类似，也是将放大器的输入和输出信号进行比较，从而得出误差信号，再从输出信号中减去误差信号，得到无非线性失真信号。不同的是，它不是在同一放大器中减掉误差信号，而是用一个辅助放大器在专门的耦合器中去抵消。图35是前馈法原理框图”1，其中包括两个环第一个环从输出信号SOUTL中减去输入信号的取样SIN，得到主放大器的失真样品。SOUTL包含被放大的输入信号和放大器引入的任何失真IMD。16电子科技大学硕士学位论文图35前馈法原理框图SOUTLGSINZOAMPIMD3一1式中G增益，ZOAMP主放大器引入的相移，SIN的取样SSIN和SOUTL的取样SSOUTL分别是SSINKOSIN，SSOUTLKLSOUTL32其中KO和K，分别是用于对SIN和SOUTL取样的定向耦合器的耦合系数。如果将SSIN衰减和延时，使得AOSSINZOO一SSOUTL33或AOKOSINOOGKLSINZOAMPL80。34则SIN被抵消，第一个环的输出为K，IMD。AO和中。分别是用于调整载波对消的第一个环引入的衰减和相移。第二个环用来从经过延时的SOUTL取出经第一个环放大后的取样样品失真，得到理想的无失真输出信号SOUT2。第一个环输出信号被增益为GA相移为OAUX的放大器放大，得到足以对消主放大器引入的失真校正信号SCOR。SCOR在耦合系数为K，的最后一个定向耦台器中与主放大器信号合成，如果SCOR2A】GAKLK2IMDZ巾AUXQBLIMDZM180。35电子科技大学硕士学位论文则放大器的输出将是无失真的。其中A1和QBL分别是第二个环为调整失真而引入的衰减和相移。QBM是主放大器之后为均衡辅助放大器引入的相移而附加的时延，以使SOUT2SOUTL么OMSCOR36从以上讨论可见，前馈法可使放大器的无失真输出功率达到饱和功率，但实际上是不可能的。这是因为在主放大器之后的移相器和耦合器有损耗。前馈放大器输出功率是主放大器和辅助放大器输出功率之和，是否可以增大辅助放大器的功率来增大总输出功率呢实际中，辅助放大器的输出功率是受限的，因为它必须工作在线性状态才不致于将自身的失真引入系统。332前馈法中须解决的关键技术尽管前馈法是实现宽频带超线性的有效方法，但技术难度很大，必须解决如下关键技术非线性随时间改变非线性随温度改变非线性随载波频率改变非线性随载波输入电平改变也就是说，要在上述变化的条件下保证线性特性。前馈法的修正量受到用于控制主信道与误差信道增益和相位匹配的电路的能力的限制，可能达到的三阶交调的改善量AIM是AIM一10LOGL110“2X108。COSA西LDB37其中DG是主通道和误差通道之间的幅度误差DB，中是主通道和误差通道之间的相位误差度。例如，幅度误差O25DB或相位误差2。，则环路的校正量约为30DB，由此可见对校正环路的幅度和相位平衡的要求是很高的。电子科技大学硕士学位论文34预失真线性法预失真法由于比较简单和可以作为独立单元附加在现有放大器中而得到广泛应用。但它很难应用于线性度要求非常高CI50DB的系统。所谓预失真法，一般是已知信道的非线性失真特性，然后模拟一个失真特性与信道的非线性失真特性恰好相反的网络，插入信道中，使它们的特性互相补偿，得到线性较好的信道特性。预失真技术是开环线性化技术中最常用的一种方法，虽然开环系统的校准精度不如闭环系统，但开环系统的优势是不存在稳定性问题，且有更宽的频带。预失真技术成本低，由几个仔细优化的元件封装成单一模块，连接在信号源和功放输入之间。其基本原理框图如图36所示，实现机理如图37所示。输入图36预失真线性功放结构框图输出图37预失真线性功放的实现机理预失真级产生一个非线性失真信号，并输入功率放大器，以抵消功率放大器所产生的非线性失真。19电子科技大学硕士学位论文预失真可以在微波波段和中频频段实现，也可以在基带实现。根据预失真对象信号的不同可以把预失真法分为基带预失真14、中频预失真【51和射频预失真【61。基带预失真的调整是在基带上实现的，它是利用复数增益调整器来调整输入信号的幅度和相位，其调整量由工作函数表中功放的AMAM和AMPM非线性控制。这个工作函数表的输入量是经过时延的输入信号，输出量是输出信号减去输入信号即失真量。自适应的过程就是借助DSP不断调整工作函数表中的值使失真量最小。其工作原理如图38所示。4。C晒JL奇DOM瑶NANALOGDOM越”图38基带预失真原理框图中频预失真的调整是在中频上实现的，基带信号在中频上完成调制，经上变频输出已调射频信号，将已调中频信号的包络作为工作函数表的输入量和功放输出信号的参考标准。耦合器对功放输出取样，经带通滤波器得到需要抑制的边带信号邻频道干扰，检波输出与未失真的参考标准比较得到失真量。这种方法可以同时补偿上变频器GR入的非线性。射频预失真的调整相应的在射频上完成，其实现的原理框图如图39所示。预失真器的两个复数增益调整器分别按工作函数的输出调整幅度和相位。输入信号的包络作为工作函数的输入量，反馈通路用边带带通滤波器对需要抑制的频谱邻道频率取样，并借助DSP调整工作函数的输出参数使不需要的信号最小。电子科技大学硕士学位论文图39射频预失真原理框图射频和中频预失真电路则存在调整比较方便，并且可以把上变频器和功率放大器的非线性失真信号一同抵消掉的优点，因此应用比较广泛。35非线陛器件法LINCLINC法“封将输入信号变成两个恒包络信号，由两个C类放大器分别放大，然后合成。这种方法效率高，但实现信号分离复杂，要求两个放大器一致性好且合成效率高，因此对于元器件的漂移非常敏感，不适合温度、湿度等环境参数变化比较大的场合。图3一10非线性器件法原理框图2L电子科技大学硕士学位论文3。6自适应线性法前面几种线性化措施存在一定缺陷，例如功率回退法使功率放大器的利用效率太低，增加了功率放大器部件的成本。预失真法和前馈法不能校正由于环境温度、直流偏置和元器件老化等原因引起的信道非线性漂移，而这些漂移可能导致非线性失真指标恶化。自适应线性法能“自动适应”这些变化，它可以看成是将反馈加到预失真法中的校正网络或前馈法中的校正网络的一种直接反馈方法。在前馈法中，微计算机或数字信号处理器DSP用于控制信号环路的增益KO和相位OO以及对消环路的A1和中1，在微计算机或数字信号处理器DSP系统中使用了某种搜索算法改变这些参数从而使误差最小。在预失真方法中，预失真网络要求的非线性可以用幂级数表示VOUTK，VINK，VIN2K，VIN338上式中包含的项数与要求的CI有关，VIN2、VIN3等可用双平衡混频器产生，将VIN加到混频器的两端得到VIN2，若有必要，可以再加一个混频器从而得到更高阶的量。系数K。、K等可以通过微计算机机或数字信号处理器DSP控制产生。由于自适应线性化网络并不修正信号包络，所以没有频率响应的限制。因此我们常用它对系统因温度和器件老化等所引起的缓慢的渐变特性进行修正。电子科技大学硕士学位论文第四章自适应预失真线性化方法具有自适应补偿控制的前馈放大器能获得超线性特性，但是，由于这种方法需要辅助放大器而使设备复杂、价格高、效率低。反馈法包括射频反馈法和包络反馈法，设备简单，但频带窄且难以获得高的线性特性。LINC法将输入信号变成两个恒包络信号，由两个C类放大器放大，然后合成。这种方法效率高，但实现信号分离复杂，要求两个放大器一致性好且合成效率高。自适应预失真法在功放前插入非线性元件预失真器，能自动修正输入信号，使功放输出具有线性特性；并且它还能补偿由于温度、电源变化、晶体管老化等产生的功放特性的变化同时由于预失真器接在末级功放之前，对高功率放大器输出功率影响小，因此自适应预失真法是一种广泛采用的线性化方法。自适应预失真线性化方法属于预失真方法的一种，也就是说它是在预失真线性化的基础上加入了自适应技术而形成的一种综合性的线性化方法。在自适应线性化技术中，核心问题是如何得到和自动调整工作函数的参数。自80年代中期以来，出现了多种方法，如查表法LOOKUPTABLE一简写为LUT、多项式法和神经网络法等。41查表法LUT查表法是一种简单而有效的技术”1，其基本原理是，将适当的预失真值储存在表格中，以输入信号的大小作为地址，借助DSP使用迭代算法自动更新LUT中的内容，如图4一I所示。在查表法中，有复数矢量保角变换COMPLEXVECTORMAPPING、极坐标查表POLAR100KUP和直角坐标查表RECTANGULAR100KUP。复数矢量保角变换法中，误差矢量储存在表格中，采用内插法连续计算三维功率表面的梯度。这些功率表面是输入信号与输出信号之间的差即误差信号，当误差信号被完全抑制时，电子科技大学硕士学位论文失真信号功率最小。可用线性收敛法或牛顿法求梯度。LOOKUPTABLEBA，SEDPREDISTORTER图41查表法原理框图复数增益查表法可以用直角坐标查找表LUT和极坐标查找表。表的查找地址可以是输入信号的幅度例，也可以是输入信号的功率1M1。因小信号检波器是平方律特性，其输出可以直接使用。但是，LMI的值较小时，IML2很小，致使表格集中在放大器的饱和区域。利用I肌F则使更多的点集中在放大器特性的转折区，不过需进行开方运算。文献”1建议使用COMPANDINGFUNCTIONS得到最佳的表格排列。其目的是使表格非等间距分布，在强烈的非线性区表格更密。但是，很难找到这种函数，即使找到了，其硬件实现也很困难。文献”1引入虚拟LUT和真实LUT概念，虚拟元2”，真实元2。，M1广O帮OL一；O“NURNL。一NUMO曰O一。I。LP0V【P4NUM44POFLP3NAIL3，石兰生砝风一屁鱼屁发LI眼中D酬其并鼬器M赫嚣电子科技大学硕士学位论文图514平行线定向耦台器的设计结果囱嚣”图5一15平行线定向耦合器的仿真电路仿真结果如图516所示CLDB】1500。S组鹅_1880G14Z，|轴BS4，115000MTLL乓一I、。，一，7IIS41I二7一，确3。3|_于专赢，令；00051O15202530FREQUENCYC41Z图516平行线定向耦合器的仿真结果533分支线耦合器的设计分支线耦合器在微波集成电路中应用广泛，特别是功率等分的一3DB耦合器，不但制作简单，而且它的输出端和输入端位于同一侧，因而结构上易于与半导体器件结合，构成如平衡混频器、移相器和开关等集成电路。分支线耦合器两个输出端口的输出信号不论其功率分配比值如何，在中心42电子科技大学硕士学位论文频率的理论相位差总是90。从工艺的角度来说，分支线耦合器比较易于实现紧耦合，弱耦合却是比较困难。分支线定向耦合器是由两根平行的主传输线，中间通过分支传输线相，耦台所构成的。分支线的长度及其间距都等于型。图517为微带分支4线定向耦合器。A图的输入、输出传输线的特性导纳相等，称为对称分支线定向耦合器；图B的输入、输出传输线的特性导纳不相等，称为不对称分支线定向耦合器，这种耦合器既有定向耦合器的功能，又有阻抗变换器的作用，故也称为变阻分支线定向耦合器。”国回I口6徽带分支线定向辆台器4对称结构J6不对称结构图5一17微带分支线定向耦合器下面我们重点来分析一下对称结构的分支线耦合器，如图A所示。与平行耦合微带线定向耦合器类似，仍采用奇偶模参量法来分析。图中K、H分别为主线与分支线的特性导纳，K。是引出线的特性导纳；若取KOL，则H、K为归一化的相对特性导纳，我们只讨论在中心频率上的特性。对于偶模激励，分支线对称面OO上为磁壁，相当于开路。因此可以将定向耦合器从中间断开分成两部分，每一部分的分支线长度为等0；，它对主传输线的输入导纳为JH，故其A矩阵为电子科技大学硕士学位论文M。EJL0，般07铆刍OJK算KH旭K2一日2一J因此偶模的反射系数和传输系数分别为R。面J而1万K2而HZ巧5一17518Z一一三丝；5191。一2HJ1K2一H21、类似的，对于奇模激励，对称面00为电壁，相当于短路，故有M。一盖O三7一名；I7篓KL520一LJK2一H2KHK因此奇模的反射系数和传输系数分别为R。；坠筌黑521一2H，1K2一H2”型纛5221。2HJ1K2一H21、。仿照平行线的设计方法，其散射参数可以表示为萋11J1K2H22KH而2HJ羔1HCSZ。，S2KL2J泞_2L一2H蒜J12HJ赫1伊ZN，墨1JK2一日2一K2一日2J叫从上式可以看出，使SJ。0或者S。0的条件是1一K2H20或者K21H2525也就是说，满足条件K21日2时，端口1匹配，且端口1与3互相隔离反之亦然。把此式代入前式，有一，KS，一HK526电子科技大学硕士学位论文可见端口4的波相位比端口2的波相位提前昙，故分支线定向耦合器是90。正向定RE耦合器。耦合器的隔离度可以用下面的公式计算C20LOG坚527世其中K为为归一化的主线的相对特性导纳。特别的当恒。IIS4，J时，H1K42耦合器成为3DB定向耦合器。对于外接线特性阻抗为50Q的系统，分支线3DB定向耦合器主线的特性阻抗为50L2354Q，分支线的特性阻抗为50Q。利用ADS2002设计了分支线定向耦合器。电路设计要求如图518所刁IO曰P,_E4TC试1PIELL8R01I|；H_LLIW_SIIINMSUBDA_BLCOUPLERIM,SUBL8UBE胃MSUBLH01MMF188GHZER96C3DBMURLZO50OHMCONJ10E50OELTA10T7NTMHU39E034M”T18UINTAND0ROUGH0MM图5一18分支线定向耦合器的电路设计要求设计的结果如图519所示，仿真电路图如图520所示，仿真结果如图52L和图522所示。电子科技大学硕士学位论文FHHTFETL4TEE4SUBSIMS曲PS出口飞喀UBL。W187N”WL099HLD5161DELTARR附2L87N”W305一图519分支线定向耦合器的设计结果圃置固SP翱D00STOP30HZT曰呦岣呻肭口篙”图520分支线定向耦合器的仿真电路篱L差州盯姻蒌溉飘电子科技大学硕士学位论文图521分支线定向耦合器的S参数仿真结果图522分支线定向耦合器的综合参数仿真结果47电子科技大学硕士学位论文534低通及带通滤波器的设计滤波器是微波系统中最常用的器件之一，一般来说，无源微波滤波器是由集总元件电感、电容、电阻或者分布元件波导段、微带、鳍线或其他传输媒体按特定的结构排列而成的电路部件。滤波器根据其衰减特性可以分为四类低通、高通、带通、带阻滤波器。滤波器的主要技术指标有插入损耗、波纹、带宽、矩形系数、阻带抑制。归一化低通原型滤波器主要有三种形式巴特沃斯、切比雪夫以及椭圆函数滤波器。巴特沃斯滤波器具单调的衰减曲线，一般来说比较容易实现，且具有最大的带内平坦度，也叫最大平坦型滤波器，但其阻带的衰减特性比较缓慢。切比雪夫滤波器是利用切比雪夫多项式作为滤波器插入损耗的特征函数来设计的，因此它具有陡峭的阻带衰减特性，但其带内的衰减特性有等幅的波纹起伏。椭圆函数滤波器的通带合阻带都具有切比雪夫波纹，它的参数须用椭圆函数来计算，因此叫“椭圆函数滤波器”，由于这种滤波器的阻带衰减极点不全在无穷远处，因此这种滤波器可以得到很陡的截止率。线性化放大器电路中需要一个低频截止频率几兆赫兹的低通滤波器和带通滤波器，其中低通滤波器用于峰值检波后的滤波，而带通滤波器用于从混频器输出端的低频信号中分离出失真信号。综合各种滤波器的特点及工程需要，现采用集总参数的LC滤波器。带通滤波器用五阶的切比雪夫滤波器实现，因为它具有比较陡的带外衰减特性，可以有效的防止基频信号的干扰，并且也比较易于实现和调试。低通滤波器也采用五阶切比雪夫式滤波器实现。电路结构与仿真结果滤波器的仿真使用RFFILTERV33进行仿真设计。并在RFSIM99及ADS2002系统中再次进行仿真对比。得到的带通滤波器的电路形式及元件参数值如图523所示，带通滤波器的S。仿真结果如图524所示。在ADS2002中的电路及仿真结果如图525及图526所示。电子科技大学硕士学位论文图523带通滤波器的电路形式及各元件参数图524带通滤波器SZ，的仿真结果图525带通滤波器的电路参数电子科技大学硕士学位论文50兰OD百5010D011213141516171B19“0AM卜窿图526带通滤波器的仿真结果低通滤波器的电路形式及元件参数值如图527所示，低通滤波器的仿真结果如图528所示，低通滤波器的S。参数在RFSIM99下的仿真结果如图529所示。图527低通滤波器的电路形式及元件参数电子科技大学硕士学位论文图528低通滤波器的仿真结果图529低通滤波器S。的仿真结果54数字信号处理部分的设计与仿真541预失真器复数增益调节器的设计复数增益调节器主要有两种类型一种是极坐标形式，另外一种是直角坐标形式，如图530所示。前者主要由衰减器和移相器组成，而后者主要由功分器、合成器、移相器、和混频器等组成。直角坐标形式的复数电子科技大学硕士学位论文增益调节器也可以通过矢量调制器来实现，如图53L所示，其实现原理如图532所示。M1图530复数增益调节器的类型图531矢量调制器的组成框图电子科技大学硕士学位论文图532矢量调制器的原理图图中，令VINLV，则经过功分及移相后，有KO707L0。，O707L90。528然后把两路信号分别加到接有PIN管的分支线耦合器上，则两路输出信号可以分别表示为如下形式0707F，L0。，0707F，Z90。529其中，R。、R，分别为两个分支线耦合器输出的反射系数，并且有。筹，和中硒RY505_3。因为PIN二极管的阻抗会随着通过它的电流的变化而变化，因此R，、R。也会随着电流的变化而变化。当R，和R，在高阻抗时，R，R，1，丽当R，和R，在其低阻抗时，R，R，一一1，因此，反射系数R，、F，将随着控制电流的变化而在一1，1之间变化。最后，吃和通过同相功率合成器输出信号如下VO。O5扣，12FYL2么531一勰一】F生1LF，J532因此，矢量调制能够在0，360范围内均获得移相。实际应用时电电子科技大学硕士学位论文控衰减器应设置到一个归一化的值，在此处电压的梯度最大，这样可以保证快速的自适应，但前提是不能引入任何附加的非线性。542工作函数的产生方法RECTMIGTDALWMKFTLITCTIOLLHEDISTOLLEL图533直角坐标工作函数的产生方法直角坐标的工作函数可以表示为F力EP仍P其实部和虚部可以分别由平方包络检波的二次多项式表示，EP1GLPG2P2EP0暑P巴P2式中P为包络的平方，由包络检波管直接检波得到。在复数此两个函数多项式分别被输入信号相乘，从而会产生一个关五阶多项式，由DSP产生的四个调整系数G。、G、P。、P分F。，从而达到自适应调节带外抑制的目的。与直角坐标类似，极坐标的工作函数可以表示为G户，EXPJ其幅度和相位可以分别由平方包络检波的二次多项式表示，1GLPG2P2533即534535增益多项式中于复数包络的别作用于F。、536即537电子科技大学硕士学位论文1G】PG2尸2538式中P为包络的平方，由包络检波管直接检波得到。在复数增益多项式中工作函数与输入信号相乘，会产生一个关于复数包络的五阶多项式，由DSP产生的四个调整系数G、G、P、P。分别作用于R、一，从而达到自适应调节带外抑制的目的。POLAFWORKIM1L7TIONPIEDISTOLTER然OLAF竺RUUET攀LO筝百GPREXPJ们，T固图534极坐标工作函数的产生方法543自适应系数的产生方法自适应系数的产生主要有两种方法最小功率法和梯度法。最小功率法的框图如图535所示。ACIPOWERMJALIMIZATION图535最小功率法框图电子科技大学硕士学位论文图中，通过调整控制电压I、Q来使端口0的功率最小化，端口O的功率是邻道干扰信号功率的采样。这种方法的缺点是在快达到最小时收敛速度变慢，且对噪声异常敏感。而功率测量却不可避免的存在噪声，为了减少测量的误差，就需要在每次测量时停留足够长的时间，相应的最小化算法在每一步也需要较长的时间。要解决这个问题主要有两种办法，一种是采用可调接收器来选择只包括失真的频带，且采用控制器来使这个频带的功率最小化。另外一种是用输出减去归一化的输入的相位和幅度值，在理想情况下就只剩下失真量了，再把这些失真量反馈到端口0用于最小化算法。梯度法的框图如图536所示。在二次面的环境下，可以任意选一个初始值A，定义在误差面的一些点，然后计算那点的误差面的梯度，并且相应的修正A的值。利用经典的误差估计理论，基数和估计误差之间的相关等于误差面的梯度，这个相关用来驱动自适应算法。当基数和估计误差之间不相关时，梯度为零。COMPLEXCORRELATORGRADIENTMETHODOCKNFVEOVBLTDFVEOTOF移们州移CANTAI靴SONLYDISTORTION图536梯度法框图电子科技大学硕士学位论文544自适应