[硕士论文精品]模拟预失真技术的研究

摘要摘要现代通信系统要求信号对临近信道的干扰要达到最小，而同时又多采用不恒定包络的调制方式，这样可以利用有限的带宽来容纳更多信道，同时，在这样的调制方式中，信号通过饱和工作的功率放大器时会产生交调失真，从而干扰相邻信道。为了解决这个问题就要提高功率放大器线性度，有效改善对临近信道的干扰。而传统的功率回退技术会大大降低功放的效率，于是功率放大器线性化技术越来越成为研究的热点。其中模拟预失真技术以其结构简单，成本低的优势成为一种应用广泛的功放线性化技术。本文首先深入研究了射频系统中功放非线性的产生原因并介绍了一些经典的非线性分析模型，为了改善功放的线性度，本文介绍了一些线性化技术，同时对各种技术作了比较和分析，继而对宽带功率放大器工作中会出现的记忆效应做了认真分析，随后，本文专门针对模拟预失真技术做了详细讨论，对模拟预失真器的结构提供了理论支持。然后，本文设计了一种基于平行放大器结构的模拟预失真器，来验证模拟预失真结构能有效改善功率放大器的非线性。本文最后研究了美信公司的模拟预失真芯片的性能和结构，对外围电路在应用频段上做了扩展，使其在工程上更加实用。关键词射频功率放大器，互调失真，记忆效应，线性化ABSTRACTABSTRACTMODEMCOMMUNICATIONSYSTEMSALEREQUIREDTOACHIEVELEASTADJACENTCHANNELINTERFERENCEATTHESAMETIME，COMMUNICATIONSYSTEMSOFTENUSEVARYINGENVELOPEMODULATIONTECHNIQUESTOCONTAINMORECHANNELSINLIMITEDBANDWIDTHTHERESINTERMODULATIONDISTORTIONWHENTHESIGNALPASSEDTHEPOWERAMPLIFIERWHICHISWORKINGATSATURATIONSITUATIONINTHEABOVETECHNIQUESTHEDISTORTIONCANINFLUENCETHEADJACENTCHANNELTHENWEMUSTIMPROVETHELINEARITYOFTHEPOWERAMPLIFIERTOSOLVETHEPROBLEMTHETRADITIONALTECHNIQUETOIMPROVEPASLINEARITYISBACKOFFMETHOD，ANDTHETECHNIQUEREDUCESTHEEFFICIENCYOFPOWERAMPLIFIERHENCE，THELINEARIZATIONTECHNIQUEISBECOMINGTHEHOTRESEARCHFIELDANALOGPREDISTORTIONISONEOFTHELINEARIZATIONTECHNIQUESWITLLTHEADVANTAGEOFEASILYSTRUCTUREANDREASONABLECOSTATTHEBEGINNINGOFTHISPAPER,WEDOSOMERESEARCHONHOWTHENONLINEARITYOFRFPOWERAMPLIFIERPRODUCEDWITHSOMETYPICALMODELOFRFPOWERAMPLIFIERSNONLINEARITYTHENWEINTRODUCESOMECOMMONLINEARIZATIONTECHNIQUESSUCHASFEEDBACK,FECDFORWARDANDSOONWECOMPARETHESETECHNIQUESWITHTHEIRADVANTAGESANDDISADVANTAGESTHEMEMORYEFFECTWHICHISPRODUCEDINWIDEBANDRFPOWERAMPLIFIERISANALYZEDAFTERTHISCHAPTERATLAST,THESCHEMEOFSUBJECTANDTHEPRINCIPLEOFPREDISTORTERISR印RESENTEDANDANALYZEDINDETAILTHERESULTSIMULATEDBYADSSHOWSTHATTHERESIMPROVEMENTONPASIMD3BYUSINGANALOGPREDISTORTERFINALLYWEDOSOMERESEARCHONTHEPREDISTORTERCHIPSSTRUCTUREANDPERFORMANCEDESIGNEDBYMAXIMITSEXTERNALCIRCUIT啪BECHANGEDTOEXPANSIONTHECHIPSAPPLICATIONFREQUENCYKEYWORDSRFPOWERAMPLIFIER,INTERMODULATIONDISTORTION，MEMORYEFFECT，LINEARIZATION111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。签名缝当ET期丝芷F汐关于学位论文使用授权的说明东南大学、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，可以公布包括刊登论文的全部或部分内容。论文的公布包括刊登授权东南大学研究生院办理。第一章绪论第一章绪论随着近年来的无线通信技术高速发展，对通信系统的容量需求日益增大，在提高技术标准的同时也伴生有很多问题，其中射频系统对放大器的线性度要求也越来越高。本章首先介绍了课题的研究背景，然后概述了全文的主要工作。11课题背景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，在多通道通信发射设备中，多个包络变化很大的单边带调制信号经过叠加后，形成的宽带信号通过非线性射频功率放大器后会产生交调分量，因此，必须采用线性化技术以改善功率放大器的线性度并减少由此产生的邻道干扰。绝大多数无线通信系统都要求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范围内传送信号。但是，由于非线性器件的失真，必然会对相邻信道产生不同程度的干扰。如果采用恒包络调制MSK、FM等，谐波干扰可通过滤波器滤除。为了利用有限的带宽，容纳更多的信道，现代通信系统多采用频谱利用率较高的线性调制和宽带通信传输技术。典型的线性调制技术，如QAM和QPSK，它们的包络上下波动起伏。这种信号通过非线性功率放大器时，工作在饱和区域附近的器件会产生交调失真，也就是由功率放大器的AMAM、PMPM特性所带来的失真。这种失真表现在频谱上，则是其谱发散到邻近信道，从而对其它用户产生干扰。现代无线通信系统一般都要求邻近信道干扰的水平比带内低4060DB。所以，线性调制信号由于其非恒包络的特性，在带来优越的带宽利用效率的同时，也对系统的非线性失真非常敏感。为了获得更大的输出功率，放大器不得不工作在饱和状态，此时非线性失真也随着功率的增高变得更为严重。既要提高频谱利用率，又要保证信号不失真，解决这一问题的办法，便是使功率放大器线性化。改善功率放大器线性度的方法一般有三种思路1采用功率回退技术，为了提高线性度，使用大功率的放大器，输出通常被限制于LDB压缩点以下的范围，这种方法并没有充分利用放大器的输出功率能力，降低了放大器的效率，整机成本随之提高；2采用满足系统性能要求的超线性器件，从硬件上解决放大器线性度的改善问题。但是这种方法依赖于半导体材料科学的革新突破，并非成效显著的科研方法。3使用线性化技术，对非线性功率放大器进行线性化，使得他们满足发射机系统对线性度的要求。主要的线性化技术有漏极调制技术，负反馈网络技术，前馈技术，预失真技术，LINC，包络恢复和消除技术，极坐标反馈技术，笛卡儿反馈技术，偏置自适应技术，DOHERTY技术等等。功放线性化技术是顺应了实际需求而发展起来的，既要满足高速复杂数字调制技术的要求，又要满足大容量、低成本的要求。其中预失真技术具有电路形式简单、调褴方便、效率高、造价低等优点。目前，预失真线性化技术大体可分为数字预失真和射频模拟预失真两种方法。数字预失真技术广泛采用了数字信号处理的硬件和软件来实现，大多数是在基带信号频谱内进行的预失真处理。设计者需对信号发射和接收传输系统结构非常了解。数字预失真东南大学硕士学位论文非常适合于基站和手机等功放设计。模拟信号预失真通常是在输入射频信号和功放之间插人一个非线性发生器，通过控制其相位和幅值，可以有效抑制射频功放的交调失真。但是，随着工作条件和上作环境的变化，信号预失真的幅度和相位会发生变化，线性效果将会下降。12本文主要工作本文主要针对模拟预失真技术做了详细的分析，同时对MAXIM公司的预失真芯片做了应用性的研究，最后设计了一种L波段模拟预失真器来验证预失真法的有效性。预失真器的结构是在参考了国内外众多研究成果后，采用并联放大器结构产生预失真信号来对放大器进行线性化，本文主要工作如下1在认真分析了放大器的非线性模型后，对预失真技术的原理做了详细分析，并提出了各种预失真器的实现方法。2本文认真分析了MEMORY效应对放大器线性度起到的影响和MEMORY效应的分类，以及如何消除它。3最后本文设计了一种L波段模拟预失真器并仿真，文末研究了MAXIM公司预失真芯片的扩展应用。2第二章功率放大器的线性化第二章功率放大器的线性化本章首先介绍了功率放大器的一些技术指标，然后分析了功率放大器的非线性产生原因和方式，随后研究了4种分析功率放大器非线性的模型，并在最后概述TJI种主要的改善放大器线性度的线性化技术。21功率放大器的一些技术指标功率放大器有很多技术指标，而在考察功率放大器的线性性能的优劣时同样需要有具体的量化指标来衡量，即线性度评价指标。描述功率放大器的非线性特性通常采用下面的几个技术指标211LDB压缩点当晶体管工作在小信号状态下时其功率增益值保持不变，此时的增益称为小信号线性增益G0。随着输入信号的逐渐增大，晶体管开始进入非线性工作状态，此时的功率增益将随着输入信号的增加而逐渐下降，当增益下降到比线性增益低LDB时，此时的功率增益称为“LDB压缩点增益”GI拈，对应的输入、输出功率分别称为“LDB压缩点输入功率”己1拈和“LDB压缩点输出功率”日扭，满足片拈圪I棚G；一121对功率放大器的线性度而言，越大越好，故有时只扭也称作线性输出功率，它是决定失真较小的最大输出功率。212三阶互调分量IM3“互调分量IM是由两个或多个不同频率的激励信号作用于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。当它们对系统产生不良作用时，就称之为互调干扰。假设频率分别为Q和哆的等幅双音信号输入功率放大器，由于非线性失真，输出信号中含有很多混合分量所Q，Z哆M,NO，1，2，322各分量分别称为II帅阶互调分量，并且功率放大器的非线性越强互调分量越大。像Q哆，2Q，2呸，2Q哆，2哆Q，3Q和3602等频率分量，因为它们都落在通3东南大学硕上学位论文带以外，可以用适当的滤波器加以滤掉。但是，所有频率为2Q一哆和2哆一Q的寄生信号称为3阶互调分量M3却落在通带以内，并且可能使所需要的基频Q或哆的信号发生畸变。互调失真分量会造成频谱扩展，降低系统的频谱利用率，产生邻近信道干扰，因此实际应用系统中要求三阶互调越低越好。线性化技术就是要降低这些在载波附近的非线性分量。213三阶截断点IP3三阶互调失真一种有用的量度是“截断点”，当IM3与线性基波输出信号幅度相等时，此点就被称为3阶交截点口3。此点的输出功率称为截断功率。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。3也是一种对三阶互调干扰的度量指标，能反映功率放大器的非线性特性。当输出功率一定时，三阶互调截止点输出功率越大，功率放大器的线性度就越好。图21为它们的关系特征曲线。在实际应用中，经常会碰到多个放大器级连的情况。利用单个功率放大器的三阶交截点可以计算出他们级连之后的三阶交截点。这有利于我们计算接收机系统的三阶交截点。计算公式为IP30。1C面1蕞鬻等争，亿3，其中，上式中的每一个三阶交截点项和增益项都用线性单位来表示，若公式中使用的三阶交截点均为输入三阶交截点，则最后计算出的交截点为接收机的输入交截点。图21IM3、IP3及PIM定义图示214邻近信道功率比ACPR邻近信道功率ACP定义为当主信道施加一信号时，紧邻主信道的两个信道内的功率大小。邻信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频谱较信道宽，ACP如图22所示。ACPR定义为ACP功率与主信道功4第二章功率放大器的线性化率的比值，用于度量对于相邻信道干扰的大小。ACPR对于WCDMA发射机来说是至关重要的，因为CDMA调制在调制载波中产生紧密相邻的频谱成分，这些成分的互调制导致频谱扩展，功率放大器的非线性将使这些扩展频谱进入相邻信道产生失真和干扰。图22邻信道功率ACP的定义22功率放大器的非线性分析广义来说，所有的电子电路都有非线性特性，但是有些电路由于其非线性度很弱，所以将其视为线性器件。而功率放大器经常工作在大信号状态下，所以其输出信号会产生较大的非线性失真。功率放大器非线性失真特性主要有两种第一种为非线性的增益特性，即输出信号与输入信号的功率之间不是线性关系，对应于单频信号的输入，将会产生谐波失真而对于双频信号的输入，除谐波外，还会产生交调分量，引起交调失真第二种为非线性的相移特性，即输入输出的相位差随功率不同而改变，结果会产生调幅调相AMPM效应。221功率放大器非线性产生的原因分析非线性电路常用的方法有幂级数法和VOLTERRA级数法，现在用幂级数法来说明非线性元件在不同激励所产生的结果。设有一功率放大器，其输出输入函数VOT九MF】24展开成幂级数形式有VOT墨MF如口F毛口O25假定输入信号为单一频率的信号一FMCOSQT，则VOT毛COSCA_TK2VCOS2COITK3VCALS3CO,T三乞谚毛U三毛口C0S哆R三乞谚COS2哆R三岛口COS3哆R2咱由26式可知，由于放大器的非线性，输出信号中除输入信号频率外，还出现了新的直流分量，2Q、3哆等谐波分量。如果是双音输入，即VFV,COSCO,TCOSC02T，则5东南大学硕上学位论文VOT2一K【COSQFCOSCO乞呼【COSQFCOSC02TK3V；COSCO,TCOSO2T3如口毛K三毛口COSQFKLV，；岛口COS哆FK2巧COSQ一哆Y也V,2COSQ哆弦圭如谚COS2QF圭乞谚COS2QF三毛访COS2Q一哆F百3_3COS2哆一Q弦；岛口COS2Q哆弘三乞访COS2呸Q弘I1_U3COS3QF丢毛口COS3哆F27由上式可以看出，双频输入时功率放大器输出端口的成分由直流成分，基频CO,和纸二次谐波2Q、2哆和三次谐波3Q、3锡以及二次交调分量Q哆。三次交调分量2Q哆，等组成。一般情况下，频率分量2Q一哆，2哆一Q会落在通带内，是主要考虑的非线性产物。由于功率放大器的非线性，使需放大的信号产生了失真，下面我们通过功率放大器的几种非线性模型来对放大器的非线性作进一步分析。222功率放大器的非线性模型2221极坐标非线性模型在不考虑记忆效应的情况下，可以把功放输出信号中的幅度和相位失真看成是由输入信号幅度变化引起的。考虑功率放大器的调幅一调幅AM圳转换特性和调幅一调相A】IIPM转换特性，将它们串联起来就得到极坐标形式的非线性模型。由于功率放大器的这两个非线性特性可以通过矢量网络分析仪测量得到，因此用AMAM和AMPM特性来描述非线性功放是实际中经常采用的方法。假设调制输入信号为S,TATCOS2，RFCT8028则输出信号可表示为SOTFATCOS2万缸口FG彳F29该模型可以描述包络变化的输入信号所产生的带内失真扰动，该模型用框图表示如图23所示4FC。S叫PFG一FAT图23极坐标非线性模型框图6口FG彳F第二章功率放大器的线性化2222正交坐标非线性模型将上述极坐标非线性模型进行三角函数变形，可得到另外一种非线性模型正交形式的非线性模型。对式29进行三角展开后可得SOTFATCOSGATCOS2NF,F口F】一彳FSING彳O】SIN2万FJOT】210进一步写成SOTLATCOS2ZTF。T矽O】一QATSIN2ZTFJ目O】211其中，彳F厂彳FCOSG彳F212Q彳F彳FSING彳F2_13于是由211式有如下正交非线性模型框图4P叼一AP2223序列展开非线性模型JF90HQAOJF0S母CA0一OA0SIN叫占0图24正交坐标非线性模型框图以上讨论了放大器的极坐标和正交坐标形式的无记忆非线性模型，这2中模型在使用中都需要通过测量得NAMAS和AMPM信息，而对于没有测鼍的点则需要进行差值运算得到，因此运算量较大。对于非线性系统，一种分析方法是通过各种基函数展开，得到简单描述的参数模型，这样可以提高运算的速度。对功率放大器1E线性模型的展开方法有泰勒序列、功率序列、SALEH函数和考虑记忆效应的VOLTERRA级数等等。一个无记忆非线性系统，其输出信号可以用输入信号的功率序列表示如下SOTCOQ岛O岛TF2CJ丑F3214SOT是输出信号，SJT是输入信号，Q是各次展开系数。分析交调失真分量可知，只有基频信号的奇数次项组合才会出现在基频信号附近。对一个通信系统，三阶交调分量是主要失真信号。如果把三阶交调分量消除到同相邻高次分量如五阶交调相等或略低，就可以取得较好的线性化效果。当然，这样只考虑了通带区域内失真信号的影响，且没有考虑偶次分量，是一种较简单的分析模型。7东南大学硕士学位论文有一类典型的SALEH模型，用来描述行波管功放。行波管功放是一种真空电子器件，功率大，工作频带宽，AIAM失真和AMPM失真都相对严重。SALCH模型中，AMAM响应和AMPM响应分别为栅2带215嘶2南23功率放大器的线性化技术216为了减小相邻信道的干扰，提高移动通信系统中发射机的总体性能，人们提出了各种用于功率放大器线性化的技术，主要有前馈法FEEDFORWARD、反馈法FEEDBACK、非线性器件法LINC、和预失真法PREDISTORTION等等。RF功放线性化技术从原理上分主要有两大类一类是通过获得功率放大器非线性特性来消除功率放大器输出信号中的互调干扰分量，这类线性化技术主要包括前馈技术、负反馈技术和预失真技术等；另一类是通过输入幅度恒定的信号给功率放大器米避免非线性失真，如LINC等技术就属于这类线性化技术。下面将简单介绍一下这些线性化技术的基本工作原理与各自特点。231负反馈线性化技术负反馈技术是早期提出的一种方法。早在20世纪20年代，就有工程师提出了反馈电路的形式，并将其应用于放大器。反馈包括正反馈和负反馈，正反馈可能引起振荡，所以功放线性化电路中一般都采用负反馈。关于负反馈系统的原理和性质，许多书籍和文章都已做过深入详尽的讨论。负反馈法的基本框图如图25所示。图25负反馈系统框图负反馈系统不适合在射频情况下应用。这主要因为固态晶体管的增益会随频率的增加而降低，因此射频情况下环路增益会下降许多。可以把许多晶体管连接起来得到较高的增益，但是连接的晶体管越多，稳定性就会越差，系统很难正常工作。另外，负反馈技术需要特别处理时延和所需的带宽，这种技术使得放大器带宽很窄，不适合宽频带放大。目前已有的负反8第二章功率放大器的线性化馈线性化技术包括正交负反馈、极坐标负反馈等等。其中，正交负反馈法又叫笛卡尔反馈法，是比较成熟的一种技术。232前馈线性化技术前馈技术和负反馈技术，都是在上世纪初由贝尔实验室发明。由于前馈技术的复杂性，使其一开始就受到冷落，负反馈技术则得到广泛应用。随着宽带技术的发展特别是在射频应用下，负反馈只能消除有限失真分量的缺点日益明显，前馈技术又重新得到发展。较之其它技术，前馈线性化技术具有不降低系统增益以及稳定等很多优点。前馈法多用于对宽带和多载波信号功率放大器的线性化，前馈技术所构成的系统是一个非常稳定且带宽固定的。其线性化过程是，从非线性放火器输出得到畸变信号与输入信号的矢量差，把它看作交调信号，经辅助放大器放大后，从主放大器输出信号中扣除。前馈技术的基本原理如图26所示。信号对消环失真对渭环图26前馈系统框图射频信号经过功率分配器，一路直接进入功率放大器，原始信号上出现了交调失真和谐波失真，另一路经过延时，与来自功率放人器输出并经衰减后的信号对消，得到失真分量，也即交调产物。该信号再经辅助放大器放大剑需要的程度后，与经过延时的功率放大器输出对消，便得到不含失真分量的放大信号。当然，在失真分量放大的时候也会出现非线性失真，因此仍然会影响最后的输出信号，一种解决办法是加入一个嵌套的误差环路。前馈法的优点在于，它可以较大程度地改善功放的非线性失真，且不影响其增益带宽，无条件稳定；缺点是对定位调整敏感，需要两套完全相同的放大器和延时线，整个系统结构复杂，增益和相位的调整相对困难，硬件实现的成本更高。233LINC法LINC法即非线性器件法LINEARAMPLIFIERWITHNONLINEARCOMPONENTS，是为了在获得较高的功率效率的同时，能够尽可能地充分利用频谱资源，在1974年由COX提出的一种利用非线性元件的线性化方法。该技术被认为适合幅度和相位都变化的调制技术，符合现代无线通信系统的需求，因此具有良好的发展前景。LINC的基本原理如图27所示图27L烈C法系统框图9东南大学硕学位论文L烈C的基本思想在于，通过输入恒包络的信号以避免非线性射频功放的影响。输入信号分成两路角度调制信号，它们具有恒定的幅度和变化的相位，分别经由高功率的非线性放大器放大，最后合成一路信号输出。由于它不具有反馈环，整个电路稳定。早期人们使用模拟器件完成信号的分离，复杂度太大，应用范围不广随着数字信号处理技术的进步，尤其是高速度DSP技术的飞速发展，人们开始用DSP来完成恒定信号的分离。LINC要考虑的主要问题是功率效率，采片J相移功率合成器是一种可行的解决办法。此外，两条路径上的放大器特性并不完全对等，可能使两条路径上的功率增益及延时都不匹配，数字信号处理器产生的两个恒包络调相信号可能也不标准。采用LINC技术具有低损耗、高隔离度等优点，但实现信号的分离是比较复杂的操作，匹配良好的放火器也不容易得到，需要非常严密的设计。234预失真法预失真技术以其在实现的复杂性、准确性等方面良好的综合性能而成为目前在功率放大器线性化中大量采用的技术。预失真在概念上是较简单的一种线性化技术。由于它的简单性，且可以作为独立的单元出现在放大器中，因而应用非常广泛。预失真就是人为加入一个失真特性与信道的非线性失真恰好相反的网络，使之放大器的特性互相补偿。在输入信号和功放之间插入的这个非线性模块，通常由活动的器件组成，它们可以定向产生与功放所产生的交调产物相位相反的信号。这种静态的方法是一个开环系统，非常敏感。预失真是开环系统中最常用的方法之一。开环系统的精确度虽然不及闭环系统高，但优势在于不存在稳定性问题，且带宽更宽。预失真技术还有一个优点是成本低，由几个仔细优化的元件封装成单一的模块，插入到信号源和功率放大器之间。预失真技术根据所选用的器件类型不同可分为数字预失真和模拟预失真，数字预失真一般在基带实现，图28是一种典型的基带数字预失真结构I图28一种数字基带预失真结构图28所示数字基带预失真结构主要包含两条路径一条为信号路径，一条为控制路径。信号路径中预失真器首先对基带输入信号进行预失真，输出信号经DA转换成模拟信号，再通过正交调制上载频至无线频率，最后到功率放大器。控制路径主要用于预失真器的自适应调整，使得预失真器的输出能完全补偿PA产生的非线性失真。模拟预失真是本文设计重点，将在第四章详细讨论其原理。LO第三章宽带功率放大器的MEMORY效应第三章宽带功率放大器的MEMORY效应本章首先解释了MEMORY效应的产生原理。然后根据MEMORY效应的类别分析了宽带放大器中MEMORY效应的不同特性，并在最后提出了MEMORY效应的消除方法。31MEMORY效应的产生上一章放大器的模型讨论都是在窄带前提下进行的。而宽带放大器研究中，一个不可忽视的现象就是MEMORY效应。功放的非线性特性一般由AMAM，AMPM特性曲线来表示。通常情况下，窄带信号输入下功放的这些特性曲线是不变的，可以表示为输入信号的功率级数。然而，在现代通信系统中，输入信号是宽带的、非恒包络调制或多载波信号，功放的特性随着输入信号包络的不同而变化，这种情况下的功率放大器是存在记忆效应的，即输出不仅与当前的输入有关系，而且还和以前的输入有关系。这种功放的非线性特性随带宽而变化的现象称为记忆效应。记忆非线性系统的记忆效应是由电容和电感网络引起的，由于所有的功率放大器都包含了电容和电感网络，所以能够产生记忆效应。功率放大器记忆效应的产生主要依赖于以下几个冈素功率处理能力，晶体管结构，输入激励信号，输入包络频率带宽，偏置网络和匹配网络的设计好坏等等。功放功率处理能力导致的发热，晶体管不同构造引起的电容，输入不同带宽的信号导致偏置网络和匹配网络阻抗的变动都是产生记忆效应的动因，因此，对功放记忆效应的分析也主要从这几个方面进行，找到产生记忆效应的原因。记忆效应导致功率放大器AMAM和AMPM变换的改变，因此输出信号也会严重地失真，如何消除这些记忆效应引起的失真，从而改善功率放大器的非线性特性和失真特性，是我们分析和研究记忆效应的主要原因。认识这些记忆效应产生的源以及测量和定量这些记忆效应影响的正确方法是我们设计高线性放大器所必需的。另外，记忆效应一定程度下必然存在，因此我们在分析宽带功率放大器模型时，一定要考虑这部分记忆效应。下面我们通过理论推导来分析记忆效应的产生，假设功率放大器的带通输入信号可以表达为FI口ICOSDTAASCOS3FF2T11COS耐中COS2QFL3一1其中Q表示两个载波频率间隔的一半，AT、A，表示幅度失真系数在这里作了简化，不影响表示的意义，是AMPM失真的最大幅度，FO是载波频率。表示AMAM和AMPM之间的相位差。假设足够小，于是有SIN。这样可以避免分析贝塞尔函数，并且不影响IM3不对称的发生。那么有心FQCOSQ口3COS3QFCOSCOTOCOS2QF口C0SQFA3COS3QCOS纠COSCOS2Q一SINCOTSINOCOS2Q，11东南大学硕士学位论文E口LCOSQF口3COS3QCOS缈F一SIN缈FCOS2QFQCOSF2TAA3COS3DTA州咖N删跳“NCO2D，32，观察式252，互调分量IM3，频率为国3D，可以从两个产物中得到。一个是第一个中括号中的3阶蝴AM项和第二个中括号中的载波频率项；另一个是第一个中括号中的基波AMPM项和第二个中括号中的频率国2Q项。将AMAM分量和AMPM分量展开，可以得到IM3MA3COS3DTACOSCOT睾COS刎3DR3AC0STOT一3DT一3A3ICOS3COS国3QFSIN3SIIL国3QF1一2【COS一3COS缈一3QFSIIL一3SIN缈一3QFJ兰23C0SACOS3CO哟3FQ面TN僦IN3A“S卅INC30哟3FQT33；L【COSSJV叫在IM3频率处MPM分量从下面式子中得到口。COSQR詈S；N缈2QRSMCA2T2RQFSINAN3F2TASINCOTDT一1_一4【SINCOTDTASINCOT一3QF一J则IM3蹦竽州研3DT“NCOT一3DT一A4PL【COSASSISINNCA【一3F2叩T痂SINACO叫SCO缈瑚3DT03444【COSSIN【缈一3QFS洫COS【缈一3QFJ”7因此蹦3的上边带，在频率TO3F2处IM3啪悟硼竽SINCOS皑APCOSA_A3SIN3，SIN，3542、J”。蹦3的下边带，在频率觋，缈一3F2处12第三章宽带功率放大器的MEMORY效应IM3矿偿删一竽咖。ALEYPC04S鱼2S；N3S；N鸭J“从式35和36中可以看出，由于时域包络信号存在相位差，从而使得IM3的上边带和下边带分量不对称。图31为不同载波间隔的频谱分量，可以看出由于信号带宽增加引起互调分量不对称。10D町断T。，、JR、八V八LLIL一F一1F、LLLI58JLJJVIJ一FJLLY、A图31双音信号频谱图A2KHZ载波频率间隔B20KHZ载波频率间隔32LLEMORY效应的分类根据记忆效应产生的机理来看，主要分为两类电记忆效应和热记忆效应。电记忆效应的主要是由终端阻抗，即偏置和匹配电路阻抗的变化而产生的，这些阻抗包括载波频率、谐波频率及其基带频率上的阻抗，它们是输入信号带宽的函数。热记忆效应是由晶体管的耗散功率导致的温度升高，进而在一定带宽输入信号下影响晶体管的各种参数而产生的。有源器件的自热效应是热记忆效应的主要来源。实际上，其他方面也能够产生记忆效应，比如功率有源器件的色散和陷波效应。通过对不同晶体管工艺进行分析，表明了在10KHZ到几兆HZ低频的情况下，内部器件分最具有色散和热效应。这就是记忆效应的低频依赖现象。所有这些效应的合成导致了放大器输出信号不仅仅是当前输入信号的函数，也是以前输入的函数。下面分别讨论产生记忆效应的两种来源。321电记忆效应电记忆效应产生是由于在放大器工作带宽内，放大器源阻抗和负载阻抗随输入调制信号频率变化，表现出频率相关性，最终导致放大器输出互调分量的幅度和相位也与输入调制信号的频率相关，具体体现为放人器输出频谱分量上下边带的不对称现象。简言之电记忆效应是由于频带内阻抗的变化产生。分析工作于饱和区的共源模式H汀放大器通常需要考虑2种非线性，最重要的是受栅13，DI耐OI东南大学硕士学位论文极电压屹和漏极电压屹控制的漏极电流，其次是仅受栅极电压K控制的栅源极间电容。漏极电流和栅极电流的泰勒级数展开如下GMKG凼屹G辨2K2GM以屹Q2屹2瓯3K3Q2D匕2屹2匕屹2G3屹3丢G以巳心2，匕3其中C和G都是随偏置变化的常数。图32FET放大器模型3738研究表明FIT射频功率放大器的结构基本不影响失真结果。利用VOLTERRA级数分析可以得到漏极电压屹和源电压K之间的传递函数。结果是关于互调失真分量的一组方程式，方程式中的许多项在一定的频率和偏置点条件下可以忽略，其中这些项包括与2阶栅源电容C二2和3阶栅源电容C刍3相关的项。如果双频输入信号频率分别为Q和哆，则互调失真分量频率为2TO,一哆和2呸一Q。2阶混频咤一Q可以产生记忆效应。通常假定频差哆一Q相对中心频率Q很小，则QQ哆2Q一2呸一Q。得到简化的互调分量表达式如下屹32Q一哆一ZOQ，2厂岛ZOQ一哆CLC2ZO2哆39屹32602CA,EZOQR2，COZO哆一QCLC2ZO2Q其中，A一QZOQLLJCO。CEAI乙Q驰，矗14310311312313第三章宽带功率放大器的MEMORY效应CO丢Q丢彳AQAA瓯。2Q彳314EL“一三三2AA弓2州“GA3A2A315C22言瓯2彳Q2A22GS2A316A表示基频吐处的线性增益，、CL和乞与偏置点和Q处的输出阻抗有关，与差频阻抗无关。3阶非线性项产生的互调失真源PQ，2阶非线性项产生的互调失真源于C2ZO210。和COZOQQ。由以上结果可以得到下面的结论1可以通过选择合适的偏置点和漏极阻抗使得公式39和3一LO中的CO14,，从而降低由基带阻抗产生的互调分量；2在差频Q一呸处的漏极阻抗ZOQ一哆对互调失真有明显影响，而栅极电路的基带阻抗对其影响较小；3如果基带阻抗随差频Q一哆改变，则互调失真也随之变化；4保持基带阻抗在整个频带内恒定可以减少功率放大器的记忆效应。根据上述结论，在功率放火器设计过程中，通过选择合适的偏置点、控制在各频段的阻抗特性能够减少放大器的记忆效应、改善其互调性能。322热记忆效应相对于电记忆效应由于频带内阻抗的变化引起，热记忆效应的产生是由于功率器件芯片温度的动态变化导致。功率器件对于工作温度非常敏感，其特性具有强烈的温度依赖性，功率器件的结温会随耗散功率变化而产生白热效应，热效应导致热功率反馈，使得器件结温受到输入信号的调制，产生通常所说的热记忆效应，从而导致放大器整体性能恶化。一些措施可以减小热记忆效应的影响，例如通过放大器热设计提供良好的散热以减少功率器件的结温降低栅极电压可以有效降低器件的静态结温等等。功率器件对于温度的敏感性是热记忆效应产生的本质原因，所以尽量降低静态工作点对于温度的敏感性也对减少放大器热记忆效应有帮助。33MEMORY效应的消除前面我们已经分析了功率放大器中记忆效应的存在以及产生的原因，记忆效应导致另一种非线性失真，因此如何消除这些记忆效应是一个重要的研究课题。事实上记忆效应是很难被完全消除的，我们只能尽量降低记忆效应的影响。从记忆效应产生的原因上看，消除主要包括电记忆效应的消除和热记忆效应的消除。15东南大学硕士学位论文由于电记忆效应主要是由节点阻抗的变化引起的，所以主要通过偏置网络和输入输出网络匹配的设计来消除电记忆效应，而热记忆效应则需要通过热补偿网络来消除。有时功率放大器记忆效应的消除是和预失真器一起来进行消除的。包络滤波、阻抗优化和包络插入是三种记忆效应消除技术。包络滤波的思想是在多项式预失真器中构建相反的记忆效应，这样和具有记忆效应的放大器一起起到了消除的作用。主要工作原理是两音输入信号经过一次混频再进行滤波产生包络信号，然后再和输入信号混频产生IM3预失真信号，调整IM3的幅度和相位后再和输入叠加输出。它模拟了这样的系统保持宅|F个信号带宽内功率放大器失真和预失真器失真之间180度的相位差。这样，功率放大器的IM3上下边带出现相位不平衡，可以通过调整预失真器的相位来获得改善。包络插入技术是一种将包络信号和输入信号一起作为放大器的输入信号来减小记忆效应的方法。包络信号的产生是通过平方输入射频信号产生的，产生了和立方非线性一样的频谱。通过适当的控制成形，可以有效地改变输入二阶失真电流看进去的阻抗，进而减小记忆效应。这种技术的优势在于它不仅消除包络频率产生的记忆效应，同时能够纠正IM3边带的不平衡。16第四章模拟预失真的原理和实现第四章模拟预失真的原理和实现本章首先分析了模拟预失真的原理，并对模拟预失真器的理论作了进一步剖析，最后总结了一些国内外对模拟预失真器结构的研究成果。41预失真原理预失真的基本思想是通过在输入信号和PA之间插入具有与PA特性响应相反特性的预失真模块PD，对输入信号进行预先的“反失真”，然后再送入PA，以补偿由非线性PA产生的AMAM、AMPM失真，最终使整个PD和PA级联电路的输入输出呈现线性关系。这种技术的实质就是预先使放大器的输入信号在幅度和相位方面产生预定的反失真去抵消放大器内的非线性失真。预失真线性化原理框图如图41所示，其实现机理如图42所示。图中，FX为预失真模块的传递函数。GX为功率放大器传递函数，G【FX】为预失真系统总的输入输出传递函数。预失真函数与功率放大器的传输函数呈反相关系，即功率放大器的失真特性为增益压缩时，预失真器的失真特性应该是增益扩张。图41预失真原理框图圪预失真模块传递函敏虼功事放火器传递函散图42预失真技术原理以援失真系统传递函致预失真技术的优点在于不存在稳定性问题，有更宽的信号频带，能够处理含多载波的信号。模拟预失真技术的关键是得到预失真器的特性，然后用实际电路设计并实现它。目前最常用也是比较简单的模拟预失真网络是消除功率放大器的三阶交调分量，称为三阶模拟预失真器。对于一个通信系统，三阶交调分量是主要失真信号，如果把三阶交调分量消除到同相邻高次分量如五阶交调相等或略低，就可以取得较好的线性化效果。42模拟预失真的原理17东南人学硕士学位论文现在假设功放模型为3阶功率级数模型，由于二次I贝U】以由滤波器除掉，口】以忽略它的影响。设输入信号为H，预失真器输出为，功放输出为VO，要使功放输出与输入成线性关系，有心口LVP一口3V；A1则嵋一毒毒M。C4，从上式可以看出与M之间的函数关系，是以M为参数的三次方程的根。我们只要知道预失真器特性与功放特性的关系，就可以去设计预失真器。而前面我们是用功率级数来表示非线性特性，因此只要将表示成功率级数形式就可以了，没必要去解三次方程。设口L1，将咋表示成U的无穷级数，初始项取近似VF，那么可以表示成峙口3嵋V巳V，A3叶呜V口，口333M口3口1A32VI512A；V37嵋42虽然我们用的是功放的3阶模型，但是同样可以得到定性的结论。我们看到要使输出与输入成线性，就要使预失真器有式42的特性。现在假设预失真器的特性是M63谚那么功率放大器输出为VO口L一口3喀口。H岛口D13U岛口3口。口。63一口3口3ASB3VF3A3B3V7一码牙口43从43可以看出，如果我们使反岛A。，那么在功放输出中三次失真项将会全部消失，但是这样会产生更高的失真项。为了消除这些输出中的高次失真项，就要使预失真器有更高的失真项，就像式42所表达的一样。在上一章中，我们提到线性化的一个关键目标是降低互调分量，特别是IM3。如果采用3阶模拟预失真器，可以消除三次谐波分量，但不能完全消除三阶互调分量。因为五次以上的谐波还可以产生三阶互调分量。不过，这时三阶互调分量的斜率至少是5L。上面对预失真器特性分析没有考虑AMPM转换，为了进一步认识预失真器的特性，在这LZJL入相位因子，对预失真器的特性作进一步分析图43是预失真器的分析结构框图。18PRE第四章模拟预失真的原理和实现图43预失冥器分析结构框图上图中，【6臃，】分别表示预失真器幅度和相位因子，【口。，吮】分别表示功率放大器幅度和相位因子。我们现在用七阶预失真器模型和五阶功放模型，臣PN5，M7。忽略偶次项的影响，设VITVCOSTOT，则嵋F【6L，O】坼F【63，伤】口F【岛，纺】霄F【67，伤】0F611，C0S研63，COS研仍365VCOS埘红567VC,OS研仍744经过带通滤波KFCOS纠纯蔷67V7COS研伤4_5将式45代入5阶功放模型记FQ研呜嵋研绣吩缈F唬则V二F口1946。兰一纺墨4后呻伤研伤Y枷，训竺斛S、JL；曲沪岛甜硌甜O，O乜移刚她傩纺卜D邮甜缸P弱一甜S锻卜饼岛、J昀妫她坛咄“护H岛倒54弱一甜S|；卜、，纠研研乜58东南大学硕七学位论文预失真目的就是要使输出与输入成线性，消除高次项，即VOTQT。把式46展开，可以得到三次项输出为V3删口T三63COS研仍Q三睇COS纠九V3T47，为了消除三次项Y3，就要使式47系数为零，令岛1，得吃A3AL，伤九万48从匕式可以看出，得到的结果中包含了AMPM效应。同理，我们可以得到五次项输出为似口。言65COS耐伤3口，三岛COS耐珐听63COS研唬伤2口5耳COS5耐唬矿49将式48代入式49中进一步展开，且设口。岛1，则五次项输出的系数变为V5删詈65COS缈R伤一詈COS研2九一杀霹COS彩R詈口，COS纠喀4一LO为了消除五次项矿，就要使式410为零，通过整理可以得到预失真器系数与功放非线性参数之间的关系如下言熟COS伤杀善霹COS2九一吾呜COS九言6SSIN依詈口；S；N2么一言气STN丸综上所述，如果给定了功放的模型参数包括了舢AM平NAMPM效应，面所述的方法得到预失真器的模型参数。43几种典型的模拟预失真器结构411可以根据上上一小节讨论了模拟预失真器的原理，我们在本节中再介绍几种常用的模拟预失真器的结构。431单个二极管预失真器最简单的模拟预失真器就是串联或者并联单个二极管来达到线性化功率放大器的目第四章模拟预失真的原理和实现的。图44就是一种采用串联单个二极管形式的模拟预失真器，它可以应用于宽带的射频或中频系统中。YRFINPUT图44串联二极管预失真器RFOUTPUT图48所示的结构中预失真器功能主要由一个肖特基二极管实现，然后又并联一个电容CP，这样可以在低电压偏置情况下取得正的幅度和负的相位。通过调节偏置电压和并联电容CP，可以改变预失真器的性能，使之与功率放大器的非线性特性相匹配。这种形式的模拟预失真器不会对功率放大器的线性化和功率效率有很大的提高，但是一种简单经济的方法。另一种方法是采用变容二极管实现预失真功能，这种预失真结构包含了两种技术，一是用变容二极管来补偿线性化功放的AMPM非线性特性，另外还采用二阶谐波控制技术来补偿功放的AMAM特性。同前面简单的串联二极管技术相比，该技术具有插入损耗低等优点。EFINPUT_一图45变容二极管预失真器LRFOUTPUT图45是该技术应用于一个砷化稼场效应GAASFET单管功率放大器的示例。变容二极管作为GAASFET输入端的容性补偿，用来消除功率放大器的AMPMTX线性特性。而功放的AMAM特性采用源二次谐波注入技术补偿，这样就完成了对整个功率放大器的线性化。432基于场效应管的预失真器基于场效应晶体管FET的模拟预失真器有许多种结构，图46是一种传输模式的FETTI线性电路，它可以作为模拟预失真器中的非线性扰动器使用。其偏置电压可以调节非线性灵敏度，可变电容用来补偿相位误差巴伦的作用是在FET的源和漏极中提取所需要的扰动信2L东南大学硕士学位论文号。RFINPUT图46传输模式的FERT线性电路骶OUTPUT图47是反射模式的FETT线性电路。FET的一端接环行器，信号通过环行器进入FET，扰动后的信号经过环行器输出，通过这样一种方法保持了F阻非线性电路在一个较宽的频带内同输入和输出电路匹配。偏置电压的作用同样是调节非线性的灵敏度，可变电阻用来调节输出信号的幅度和相位非线性程度。RFINPUTCIRCULATOR图47采用环行器实现的反射模式FET非线性电路心OUTPUT在图48所示的非线性电路中，FET同样是工作在反射模式下。同图47不同的是，该电路采用相移分配器来完成信号的处理，其基本工作原理同图47所示的电路类似。图中电阻R2用来调节输出端无失真信号的强度，如果加入电抗元件，则可以调节相位。如果采用的是180度相移分配器，则整个