[硕士论文精品]有记忆ofdm系统中自适应预失真技术研究

摘要摘要本文主要研究了正交频分复用OFDM系统中的预失真线性化技术。OFDM技术作为一种多载波调制技术有其先天的优越性，但是峰均比过高的问题，使OFDM信号对功放的非线性特别敏感，限制了它的应用。为了减少功放对OFDM信号的不利影响，有两种思想一种是从OFDM信号本身出发降低它自身信号的峰均比，这个思路无法解决BER过高的问题；另外一种就是从功放出发，增大功放的线性化范围。本文依据第二种思路，介绍了已有的线性化技术，并在此基础上最终选择查表法作为OFDM预失真的技术。依据查表法算法，对无记忆的OFDM系统进行了仿真，验证了预失真的效果。同时将此算法推广到有记忆的OFDM系统中，建立新的仿真模型和算法，在频域和时域同时使用预失真技术，有效的纠正有记忆HPA系统中记忆性和HPA自身非线性的失真。关键词OFDM有记忆预失真查表法ABSTRACTTHISPAPERDEALSWITHTHEWAYANDTHEPROCESSOFTHEPREDISTORTTECHNOLOGYINOFDMORTHOGONALFREQUENCYDIVISIONMULTIPLEXINGSYSTEMTHEOFDMTECHNOLOGY,ASAMULTICARRIERMODULATION，HASCONGENITALADVANTAGESBUTTHEPROBLEMOFPAPRPEAKTOAVERAGEPOWERRATIOCONSTRAINTSITSEXTENSIONITMAKESTHESIGNALSENSITIVETOTHEHPASHIGHPOWERAMPLIFIERNONLINEARITYTHEREARETWOWAYSTOSOLVETHISPROBLEMONEOFTHEMISTOREDUCETHEPAPRFROMTHESIGNALITSELFBUTITCANTSOLVETHEPROBLEMOFHIGHBERTHEOTHERWAYISTOACCRETIONTHELINEARRANGEOFHPATHISPAPERADOPTSTHESECONDMETHOD，ANDFIRSTINTRODUCESTHELINEARIZATIONTECHNOLOGYWHICHHASEXISTEDATLAST，WECHOOSETHELUTLOOKUPTABLEMETHODINALLOFTHATLINEARIZATIONTECHNOLOGYINTHISPAPER，WESIMULATETHEALGORITHMOFLUTINTHEMEMORYLESSSYSTEM，ANDITWASSHOWNEFFECTUALFURTHERMORE，WEEXTENDTHISMETHODTOTHEMEMORYSYSTEM，ANDPROVIDETHENEWMETHODWHICHUSESPREDISTORTTECHNOLOGYINFREQUENCYDOMAINANDTIMEDOMAININTHESAMETIMEITWASSHOWNGREATEFFECTBYTHERESULTOFSIMULATIONKEYWORDOFDMMEMORYPREDISTORTLUT西安电子科技大学学位论文创新性声明秉承学校严谨的学分和优良的科学道德，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，本人承担一切的法律责任。本人签名生出盈日期丝丑苎星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人签名丝玺塑导师签名V绷J第一章绪论第一章绪论11下一代移动通信系统第一代模拟移动通信系统正逐渐退出历史舞台，第二代数字移动通信系统正在以前所未有的速度发展，它们都是以传输语音业务为主要目的。第三代移动通信系统正处在大规模商用化的前夕，它将提出语音、数据以及视频等多媒体通信业务。继第三代以后的下一代移动通信系统“BEYOND3G”或“4G”的技术研究和标准建议工作目前也正在紧张开展。从移动通信系统提供的传输速率来看，第一代模拟系统提供模拟语音服务和简单的信令；第二代数字NCDMA两个系统为代表，主要传输数字语音，当然可以同时使用多个时隙实现相对较高速率的数据通信；而第三代移动通信系统数据传输速率最高可达2MBPS，其中，静止环境为2MBPS，慢速移动环境为384KBPS，快速移动环境为144KBPS；下一代4G移动通信系统预计系统速率可达到20MBPS，甚至更高。总的来说，下一代移动通信系统在性能方面主要有以下要求1用户速率在准静止低速移动和固定情况下达20MBPS，在高速移动情况下达2MBPS,一2容量要达到第三代系统的510倍，传输质量相当于甚至优于第三代系统3条件相同时，小区覆盖范围等于或大于第三代系统；4具有不同速率间的自动切换能力，以保证通信质量；5网络的每比特成本要比第三代低。在功能方面主要有以下要求1支持下一代因特网和所有的信息设备、家用电器等了2实现与固定网或专用网的无缝化连接；3能通过中间件支持和开通多种多样的IP业务；4能提供用户定义的个性化服务；5按服务级别收费。为了实现这一目标，必须从通信网络的交换、传输和接入等各个环节进行研究和突破，尤其是在移动环境和有限频谱资源条件下，如何稳定可靠高效地支持高速率的数据传输值得研究。正交频分复用OFDM技术因其网络结构高度可扩展，且有良好的抗噪声性能和抗多径信道干扰的能力以及频谱利用率高而被2有记忆OFDM系统中自适应预失真技术研究普遍认为是下一代移动通信系统必不可少的技术。12OFDM简介OFDMORTHOGONALFREQUENCYDIVISIONMULTIPLEXING，正交频分复用技术是一种高速传输的多载波系统【11。它把高速的数据流通过串并变换，分配到速率相对较低的若干个频率的子载波信道中进行传输，而且与传统的复用技术如FDM相比，它采用了更好的控制方法，提高了频谱的利用率。由于OFDM技术具有易均衡、频谱利用率高、对多径效应和脉冲噪声有较强的抵抗力等优点而受到广泛的关注。然而OFDM的传输符号是多载波的QAMQPSK信号经过IFFR处理后得到的结果，由于这种处理是线性相加的关系，当IFFT的输入中存在相位一致的某些点时，必然会有较大的峰均比，产生很大的包络起伏。因此对发射机中的放大器的线性度提出了非常高的要求，这就使得OFDM系统中的线性化技术研究成为了一个研究热点。13线性化技术的发展正是由于OFDM系统具有很大峰均比，功率放大器的非线性将影响到整个系统的系能。由放大器产生的交调产物导致了带内失真和带外失真。带内失真包括幅度失真和相位失真，带外再生的频谱会潜在地对相邻信道产生不同程度的干扰。目前，无论是在无线通信还是线通信领域，功率放大器的线性化技术已经成为一个广泛的研究领域。实现线性放大的传统方法是功率回退。但是这种方法的缺点在于一方面出现电源利用率非常低，散热性要求高等问题，另一方面只能输出很小的功率，造成性能上的浪费。功率放大器的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HAROLDSBLACK发明了前馈和负反馈技术【23J并应用到放大器的设计中，有效的减少了放大器的失真，可以认为是功放线性化技术研究的开端。到上个世纪七八十年代，随着无线通信技术的兴起和飞速发展，射频功率放大器的线性化技术得到了飞速发展。以下新兴的功放线性化技术，如笛卡尔环路反馈技术、自适应前馈线性化技术、基于多项式拟合的自适应预失真技术，基于查询表的数字预失真技术、LINC技术、CALLUM技术等得到了广泛的研究和发展。线性化技术发展中非常重要的一步就是预失真技术的出现。预失真技术最初应用于模拟通信系统中的射频部分，后来随着数字信号处理DSP技术的发展，预失真线性化技术也可以在数字域内实现，形成数字预失真技术。数字预失第一章绪论3真技术既可以应用在数字通信系统的基带部分，也可以应用在射频部分，并且预失真技术还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。总体来说，预失真技术不但可以提升发射机的效率，降低成本，亦能有效增加发射机的线性度以提升系统效能与通信质量，在现代通信领域扮演重要的角色。14有记忆OFDM系统介绍在传输宽带信号时，放大器会呈现出一定的记忆性。所谓宽带，就是指信号带宽与载波频率的相对大小。如果其比值与1相比不是小很多14J，这种系统就称之为宽带系统。对于OFDM系统而言，当传输子载波数量足够多时，基带波形就是一个宽带信号，而这时的系统信号会产生记忆性。记忆性失真是一种与频率有关的频率选择性失真，此时不能使用针对窄带无记忆的预失真技术去处理。针对这钟情况必须采用新的技术来纠正失真，这也正是本文研究的重点。15本文的主要工作及内容安排本文的重点即是研究有记忆情况下的OFDM信号系统的预失真技术。因为无记忆HPA预失真是有记忆情况下自适应预失真的重要基础，所以无记忆预失真情况的自适应预失真也是本文研究的目的之一。全文共分五章，各部分安排如下第一章为绪论，简要介绍下一代通信技术，以及OFDM系统遇到的失真问题，提纲挈领地提出全文提纲。第二章为OFDM系统的基本原理。简要介绍了OFDM系统的基本原理，讨论了其优点和缺点，并引出了OFDM系统高峰均比的问题。正是由于这个问题的存在使得OFDM系统的线性化技术不可缺少。第三章为高功率放大器模型及其线性化技术。分别介绍了无记忆和有记忆情况下HPA的模拟模型，以及分别对系统造成的误差影响。针对这种影响，简要介绍并且比较了目前已有的各种线性化技术。最终确定基于查表法的数字化预失真技术为本文研究的重点技术。第四章是基于查表法的无记忆HPA预失真技术。由于无记忆HPA的预失真技术是有记忆HPA预失真技术的重要基础，因此首先研究无记忆HPA的预失真技术。本章给出了查表法的基本原理和更新公式推导，并且基于仿真框图进行了模拟仿真，得出了结论。第五章是基于查表法的有记忆HPA预失真技术。在本章中提出了一种新的频域预失真技术，结合无记忆的HPA预失真技术，较好的解决了有记忆HPA预4有记忆OFDM系统中自适应预失真技术研究失真的问题。最后做出仿真，给出结论。第六章为结束语，总结全文，并提出日后工作的重点方向。第二章OFDM系统概述5第二章OFDM系统概述OFDM是一种并行传输体制，发送信息埋藏在载波的系数中，其载波之间具有正交性，由于正交性的存在，利用FFR就可以方便地将各个载波区分开以得到发送的数据，从而完成信息传输的目的；而且载波之间频谱可以相互交迭，提高了系统的频谱利用率。采用OFDM传输体制，各个子载波数据速率降低，可以提高抗多径效应的能力，减少信道延时造成的误差，加上适当的编码和交织等措施，可以实现频域的隐分集作用，抗频率选择性衰落。OFDM是一种特殊的多载波传输方案，它可以被看作是一种调制技术，也可以被当作一种复用技术【51。多载波传输把数据流分解成若干子比特流，这样每个子数据流将具有低的多的比特速率。用这样的低比特率形成的低速率多状态符号再去调制相应的子载波，就构成多个低速率符号并行发送的传输系统。正交频分复用是对多载波调制MCM，MULTICARRIERMODULATION的一种改进。它的特点是各子载波相互正交，所以扩频调制后的频谱可以相互重叠，不但减小了子载波间的相互干扰，还大大提高了频谱利用率。选择OFDM的一个主要原因在于该系统能够很好地对抗频谱选择性衰落和窄带干扰。在单载波系统中，一次衰落或者干扰会导致整个链路失效，但是在多载波系统中，某一时刻只会有少部分的子信道受到深度衰落的影响。21OFDM系统的历史采用多载波传输的最初目的是要克服GSTNGENERALSWITCHEDTELEPHONENETWORK传统的电话线路中因信道特性不理想对信息传输产生的影响。后来发现，对于其他非理想信道如频率选择性无线信道，多载波传输也具有很好的性能。又由于近年来数字信号处理技术和大规模集成电路技术的发展，使得多载波技术应用于无线环境也成为可能，故近年来对以多载波技术为代表的OFDM技术研究也成为了热点。OFDM的历史可以追溯到60年代，CHANG首先提出了在有限带宽信道上无码间干扰和载波问干扰的并行数据传输方法。SALTZBERG对该方法进行了分析，并指出在该系统中干扰主要来源于相邻的子信道，这一预见在后来的数字基带信号处理中得到了证明。WEINSTEIN和EBEN对OFDM作了一个重要的贡献，首次提出用离散傅立叶变换DFR来实现OFDM的基带调SUCH解调。为了消除载波间的干扰ICI和符号间干扰ISI，该方案使用了保护时间和升余弦窗函数。19806有记忆OFDM系统中自适应预失真技术研究年，PELED和RUIZ对OFDM做出重要改进，提出使用循环前缀CYCLICPREFIX来解决正交性问题。后来，WYZOU对OFDM的原理和实现方案做出了概括性总结。OFDM的提出已经有近40年的历史，第一个实际应用是军用的无线高频通信链路。但是这种多载波传输技术在双向无线数据方面的应用却是近LO年来的新趋势。经过多年的发展，该技术在广播方式下的音频和视频领域已经得到了广泛的应用。今年来，由于数字信号处理DSP，DIGITALSIGNALPROCESSING技术的飞速发展，OFDM作为一种可以有效对抗ISI的高速传输技术，引起了广泛的关注。目前OFDM技术已经成功地应用于非对成数字用户环路ADSL、无线本地环路WLL、数字音频广播墟、高清晰度电视HDTV、无线局域网WU心等系统中。它可以有效地消除信号多径传播所造成的ISI现象，因此在移动通信中运用也是大势所趋。此外，OFDM还易于结合空时编码、分集、干扰抑制已经智能天线等技术，最大程度地提高物理层信息传输的可靠性。如果再结合自适应调制，自适应编码以及动态子载波分配，动态比特分配等技术，其性能可以进一步的提高。221基本原理22OFDM的基本原理OFDM系统的典型框图如图所示。发送端将被传输的数字信号转换成子载波幅度和相位的映射，并进行离散傅立叶反变换IDFT将数据的频谱表达式变到时域上。IFFR变换于IDFT变换的作用相同，只是有更高的计算效率，所以适用于所有的应用系统。接收端进行发送端相反的操作，将射频RF，RADIOFREQUENCY信号与基带信号进行混频处理，并用FI叮变换分解频域信号，子载波的幅度和相位被采集出来并转换回数字信号，如图21所示。第二章OFDM系统概述7222串并变换图21OFDM系统基本框图沪噪声数据传输的典型形式是串行数据流，符号被连续的传输，每一个符号的频谱可占据整个可利用的带宽。但在并行数据传输系统中，许多符号被同时传输，减少了那些在串行系统中出现的问题。在OFDM系统中，每个传输符号速率的大小大约在几十BITS到几十KBITS之间，所以必须进行串并变换，将输入串行比特流转换成可以传输的OFDM符号。由于调制模式可以自适应调节，所以每个子载波的调制模式是可变化的，因而每个子载波可传输的比特数也是可以变化的，所以串并变换需要分配给每个子载波数据段的长度是不一样的。在接收端执行相反的过程，从各个子载波处来的数据被转换回原始的串行数据。223子载波调制一个OFDM符号之内包含多个经过相移键控PSK或者J下交幅度调制QAM的子载波。其中，N表示子载波的个数，丁表示OFDM符号的持续时间周期，D；F一0，1，2，N一1是分配给每个子信道的数据符号，正是第I个子载波的载波频率，矩形函数眦FF一1，HSIL，贝UAKTTY开始的OFDM符号可以表示为SRRE篓DT，EC，RT一吾EXP，2石五F一气TSTSZ式22一旦将要传输的比特分配到各个子载波上，某一中调制模式则将它们映射8有记忆OFDM系统中自适应预失真技术研究为子载波的幅度和相位，通常采用等效基带信号来描述OFDM的输出信号SR一N荟1DT，PCRR一一吾EXP，2万事F一T,STS吾式C23SF；0T丁式24ELZ。FX图22OFDM系统基本框图其中J的实部和虚部分别对应OFDM符号的同相INPHASE和正交QUARTEREDPHASE分量，在实际系统中可以分别与相应的载波的COS分量和SIN分量相乘，构成最终的子信道信号和合成的OFDM符号。在图21中给出了OFDM系统基本模型的框图。在接收端，将接收到的同相和正交矢量映射回数据信息，完成子载波调制。图233子载波OFDM符号如图23所示为一个3子载波的OFDM符号的实例。其中，每个子载波具黼叟渤殳一E32时该方法事实上已经不再适用。到目前为止，几乎所有的编码技术都是采用穷搜索的方法寻找低峰均比的符号，这些方法以最小的数据速率的损失获得大的峰均比的降低。然而，搜索和存储这些码字的复杂度却随着载波数的增加呈指数增加，当N16时复杂度已经第二章OFDM系统概述很大。举例来说，采用最小的映射星座4QAM，载波数N32，需存储的OFDM符号数目竟达10埔的数量级。2622SLMSELECTEDMAPPING和ITSPARTIALTRANSMITSEQUENCESSLM和邢方法的不是着眼于减小最大信号幅度，而是减小峰值发生的概率，达到此目的的基本方法是采用如下公式表示的线性变换KAA。X。口。式212X防X。X表示原始频域数据矢量，Y瞰，匕，Y】表示IFI可的输入矢量。这两种方法通过选择以彳。和刀。为元素的最佳的矢量彳和B，使传输符号Y胛丁Y的高峰值发生的概率尽量小。SLM和PTS方法中，均令B为零矢量，仅对A矢量进行最优化，而且这两种技术都选择彳为纯粹的旋转矢量幅度为1，即A。一EJGN，日O，劢】，1NN，下面分别介绍这两种方法。SLM技术是用D个统计独立的矢量圪1SDSD表示相同的信息，然后选择PAPR最低的符号YD进行传输。这D个独立的矢量匕用D个不同的、但固定不变的伪随机旋转矢量AD1SDSD按357式产生，通常令彳，为全1矢量，即KX，这并不会影响系统性能【131。该方法最初提出时D仅为2【141，后来发展成D可取任意值。虽然SLM不对信号产生任何失真，但由于需要计算D个不同的时域符号YD，因此牵涉到D个IFFT的运算，造价和复杂度都很高；而且，由于发射机对信号作了一定的变换，接收机必须作相应的逆变换，这就要求接收机知道发射端选择的是哪组变换矢量，为此，必须传输边信息。该方法的优点就是适用于任意数量的载波和任意大小的星座。PTS技术和SLM的基本原理相同，所不同的只是变换矢量的结构。在该方法中，矢剥分成阶不相重叠的大小为Y的子矢量X，151T即X，Y子矢量石，中的每个载波乘以相同的旋转因子尺，而且不同子矢量的旋转因子统计独立，这意味着矢量以现在仅由阶不同分量组成，时域矢量YD可利用IFFR的线性性得到16有记忆OFDM系统中自适应预失真技术研究Y矗IFFT问巧”JMYIFFT戗订JA问R，VD1DX戈213得到D个矢量YD后，选择峰均比的最低的符号进行传输。P1S方法只需计算阶IFFT，由于每个IFFL运算仅有Y个非零输入，其实现大为简化，但与SLM方法类似，同样需要传输边信息，以使接收机知道发射机使用的旋转矢量。2623TITONEINJECTION和TRTONEREJECTION11和TR是令357式中的A。为全1矢量，而对B。进行最优化的算法。TR方法首次在文献【161中提出，它的基本思想是把一个时域信号称为峰均比减小信号加到多载波数据符号上实现峰均比的降低。优化该时域信号实际上是一个最优化的问题，精确求解后可使峰均比减小610DB，然而，一个简单的梯度算法只需几次迭代就能达到差不多同样大小的峰均比降低效果。这些相加的信号无须发射机和接收机的握手即可很容易地从接收到的信号中移去。如果我们不是在所有的载波上都传送数据，比如数据矢量的某些值为0，我们可以利用这些值来降低峰均比。设数据矢量X，一OJZJ。J，则发射机可在数据矢量上加一满足CJOJ岳DJ工的矢量C并在接收端把它移去。IDFTX4C一QXC一ZQC一工C，Q表示IDFT矩阵，峰均比为PARXC一肛CIRETXC12J，由于在发射机数据矢量上相加的矢量C的元素个数非常有限，近似认为E_0XC12。E恨12，因此使XC峰均比最小化相当于计算最优的C掣使忙C忆最小。TR方法要预留出一部分载波进行峰均比的降低，当载波数N较小时，预留载波所占比例不可忽略，因此提出了没有数据速率损失的TI技术。该方法的基本思想是扩展原始星座，以使原始星座中的每一个数据点可映射成扩展星座中的几个等价的点，如果这些复制的信号点之间的距离DPD4FFM表示星座的大小，P之1，D表示原始星座点之间的最小距离，则误比特率BER不会增加，与标准接收机唯一不同之处就是在经过FFT之后要进行模D运算。既然每一个信息单元可映射成多个等价的点，则这此额外的自由度可用来降低峰均比。由于在等价的第二章OFDM系统概述17星座集合中选择使峰均比最小化的星座点具有指数增长的复杂度，因此提出了一种复杂度为AN2口1，,12,O的次最佳的迭代算法，该迭代算法接近理论最大峰均比降低极限。在上面介绍的TI、TR、SLM和PTS这四种方法中，除了TR，其它方法只有很小的数据速率损失SLM和PTS或没有损失TI，TR的数据速率的损失取决于预留的载波数量以及这些预留载波用于数据传送时的数据传送量。不同技术的实现复杂度是评价一项技术的重要方面，涉及到多个IF兀1运算的方法如SLM和PTS与其它方法相比当然要复杂的多，TR和TI方法的迭代运算在时域矢量上操作，因此避免了额外的IFBT运算。TR迭代的运算量为D，它的造价ILSLM和PTS要稍微高一些。然而，并不是每个符号都需要所有这些迭代，所以实际的平均使用的资源可能会少些。梯度算法比文酬17L提出的方法要复杂，但却有更快的收敛速度。TI的复杂度要高于TR，但因为TI没有数据速率的损失，因此对于小载波数量的情况很有效。对于TR矛NTI，我们必须考虑其迟延，迟延的大小由迭代次数决定。然而，只有相当小的一部分数据矢量需要较多的迭代，而对于非迭代方法SLM和PTS，每个符号进行相同的运算，因此，迭代和非迭代方法的平均迟延基本是相同的。不过，迭代算法的迟延抖动要大一些，而非迭代方法的迟延几乎为常数。在某些应用中，迟延是一个很重要的参数，比如实时通信对迟延抖动比对成批数据传送更为敏感。以上是对目前使用的峰均比降低方法的一个大概的分类总结，这些方法均是从OFDM的角度出发，来解决OFDM信号高峰均比和高功率放大器的非线性放大之间的矛盾，事实上，我们还可以从放大器的角度出发来解决问题，这就是放大器线性化技术，该类技术允许适当放松对OFDM信号峰均比的要求，对放大器进行线性化处理，使放大器以较小的功率回退并进行高效率的工作。本文第三毒将会对放大器的线性化技术做一个简单的介绍，并且最终选择数字预失真线性化技术来实现有记忆放大器的线性化算法。27本章小结本章简单介绍了OFDM系统的基本原理，总结了其关键技术，并且对于其优点和缺点作了详细介绍。OFDM技术是一项在技术上很优越的技术，但是并不表示其没有任何缺点。其中比较关键的一个缺点就是上文所述的峰均比过大问题。这个问题直接影响到OFDM系统的传输性能，并且对于放大器的线性化提出了更高的要求。正是由于这个问题的存在，线性化技术作为一种降低峰均比的有效技术，才有了重要的用武之地。这也正是本课题的来源和意义所在。第三章商功率放大器模型及其线性化技术19第三章高功率放大器HPA模型及其线性化技术任何通信系统都离不开放大器。而且，由于上文中所述OFDM系统高峰均比缺陷的存在，HPA对OFDM信号的影响不可忽略。因此有必要研究高功率放大器对OFDM信号造成的影响。一个理想的高功率放大器应该是输入和输出的线性函数，其线性增益和激励信号的幅度、相位或者频率都无关。即YFKZF式31但在实际电路中，输入和输出往往成一定的非线性关系。非线性系统可以分为无记忆和有记忆系统。所谓无记忆系统就是指系统的输出信号只是其当前输入信号的瞬时函数；而有记忆则不仅与当前的输入有关，与系统之前的输入也有关系，其失真是频率选择性的。由于两种HPA的失真都很重要，并且无记忆HPA失真是有记忆HPA失真的基础，因此下文分别讨论无记忆和有记忆情况下的系统失真情况。31无记忆高功率放大器311无记忆高功率放大器模型当放大器具有很大的带宽时，在这个带宽范围内的任何相对较小的一部分带宽上，传输特性相对于基带中心看来都是频率独立的。此时可以将放大器模型近似为无记忆模型。无记忆模型的推导主要来源于窄带激励测量数据。1无记忆多项式模型ACOSO,T妒TOT妒G月COS睦兰墨墟图31多项式模型框图TAYLOR18L级数是分析无记忆非线性最通用的工具，同时也是描述非线性系统最通用的模型。一般情况下采用两个多项式级联来分别模拟放大器的幅度和相位特性【19J，构造仿真模型，如图31所示。假设AMAM失真函数为厂，AMPM失真函数为G。我们现在考虑一个输入信号为单音信号的系统，输入信号表示为有记忆OFDM系统中自适应预失真技术研究XTACOSOGT驴则带通无记忆非线性的输出可以写为，T一厂彳COS耐驴G爿】上式表示了包络非线性失真都仅与幅度彳有关，是输入信号幅度的函数。式32式33即幅度失真和相位失真都由于考虑的是窄带附近的信号系统，故再设输入为频谱在厂附近的信号ZFXF一爿FCOS耐F】非线性带通模型的特征一般是采用单一正弦波扫频音测量的。证明大部分情况下式可以一般化，则输出简化为YF一厂彳TC。S耐妒，G么F】利用式即可得到如下图32所示的仿真框图2固态功率放大器模型式34但是，实验式35“FEIGA4“FAEJGA卜一图32无记忆多项式模型仿真图固态功率放大器【20L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。但是功率低的放大器主要特点是当输入功率小于饱和点时，可以近似认为工作在线性区，此时可以忽略其相位失真，仅仅有幅度失真。利用RAPPL211模型可以描述固态功率放大器的幅度失真特性函数，彳。I。式36IA2P_式中的P是光滑因子，彳为输入信号的幅度。由此函数可以得到固态功率放大器的特性LTTL线，如图33所示第三章高功率放大器模型及其线性化技术21图33固态功率放大器特性曲线图由图可以看出，随着光滑因子P的增大，放大器的线性范围逐渐变大。当P10的时候，对输入幅度小于1O的信号，放大器几乎可以看成一个理想的线性放大器。为了模拟实际中的放大器模型，一般将P取在2到3之间。3行波管放大器行波管放大器是一种真空电子管器件，具有功率大、工作频带宽的优点。行波管放大器的AMAM，和AMPM失真都比较明显，一般采用SALEH模型221来模拟行波管放大器，其中包含了AMAM和AMPM失真F231。同时，由于SALEH模型简单以及对测量数据的高度拟合性，被广泛的应用于计算机仿真中。下面介绍SALEH模型。假设HPA的AMAM响应函数和AMPM响应函数分别为厂和G，则SALEH模型是巾；币AA万AG彳而AQ口A牙Z其中的，成，岛是控制特性曲线的参数。如果我们取如下参数，式37有记忆OFDM系统中自适应预失真技术研究F吒一21F一4033，【尾115I岛413可以得到下图34所示的HPA特性曲线。由图34可见，放大器对输入信号的幅度和相位均有失真。图34行波管放大器特性曲线图通过对SALEH模型研究可知，当HPA的输入值为如一，即输入值达到QPO放大器模型的输入饱和电压时，功率放大器模型有最大输出FAZA,“LSAT。功、，NLAX1率放大器的最大输出电压决定了可修正的最大输出值。如果输入信号的对应输出信号大于功放的最大输出，则该非线性失真是不可补偿的。312无记忆HPA对系统造成的影响对于无记忆HPA来说，它产生的非线性表现为输出信号幅度响应非线性和输出信号相位响应的非线性。假设输入到HPA的等效复基带信号为KT，我们将其表示为哆TRTEPO式38其中RT是信号的幅度，而臼F是信号的相位。此时HPA的输出信号为屹FG，FP惭F】式39其中的G和矽分别称为HPA的AMAM和AMPM转换特性。第三章高功率放大器模型及其线性化技术AMAM的存在使得功放的输出不再是其输入的线性函数，从而导致非线性转移。舯M失真是增益压缩直接表现的结果。在通信系统中，脚M效应的存在，会导致群时延失真，微分相位、微分增益和交调失真变坏。当信号经历非线性失真时，系统性能会受到两方面的影响即放大器非线性引起信号产生严重带内失真和带外噪声1241。带内失真主要表现为信号的幅度和相位产生失真，使信号的星座图发生偏转，降低系统的抗误码能力；带外噪声则主要是使信号的频谱扩展，对临道产生干扰，减小系统的频带利用率。我们使用下图所示的系统来模拟非线性对系统信号的影响。图35无记忆HPA系统简易仿真框图仿真中我们使用16QAM作为调制方式，放大器采用SALEH模型，子载波的数目为128。为了突出HPA非线性的影响，我们忽略信号中噪声的影响。利用MATLAB作为仿真工具，可以得到失真后的信号星座图如图所示。在理想的星座图36中，信号没有受到任何噪声干扰，也没有任何线性或非线性的失真影响。此时信号星座点清晰可辨。图36理想16QAM星座图图37无记忆HPA失真信号星座图对比来看失真的信号星座图37。从图中可以看出，信号经过放大器之后，AMAM失真使星座点发生了扩散，系统的接收误码率非常大；AMPM失真使放大器的输出信号相位发生了比较明显的偏转。当这两种失真同时存在时，信号星座图扭曲非常严重，信号的星座点无法进行有效的辨别。如果信道的信噪比相对较大时，很容易造成信号的误判。有记忆OFDM系统中自适应预失真技术研究32有记忆高功率放大器321有记忆高功率放大器模型记忆功放模型包括WINNER模型、HARMERSTERIN模型、WINNERHARMERSTERIN模型和记忆多项式模型等，不同的模型的构成和表现出来的记忆特征都不尽相同。如WINNERHARMERSTERIN模型由无记忆功放模型和其之前串联的线性时不变单元构成。在这里我们使用一个FIR的滤波器来代替线性时不变单元LTI的功能，而无记忆的HPA模型仍然采用上文提到的SALEH模型【251，整个的系统框图如图38所示FIR滤波器HPA图38有记忆HPA系统结构图322有记忆HPA对系统造成的影响当系统是一个宽带系统时，此时HPA失真不再是一个无记忆的失真，而是有记忆的失真，即当前的输出不仅和当前的输入有关，还与之前的输入有关。这也造成了整个系统的失真变成了频率选择性的失真。我们仍然假设输入的复基带信号为UF，HT一RFE归。设模型中的记忆性失真部分，即FIR滤波器的传输函数如下所示YNALXNAZ厅一1口，XN一2，式310而无记忆HPA的AMAM和AMPM转换特性仍然假设为G和。则推得系统的失真为。YFALGLRFL州FLIA2GRT1P“哪“】式311此时的信号输出不仅产生了相位偏转和星座点扩散，而且依据输入信号频率的不同发生了不同程度的偏转和扩散，直接导致了信号的误码率更高，直接传输几乎不能辨别任何数据。我们使用如下框图来模拟有记忆HPA对系统信号的影响。第三章高功率放人器模型及其线性化技术QAM映射妻羹HF兀，变换II儿1。1需墓HH警HHPFILTA前缀HERHA图39有记忆HPA系统简易仿真框图仿真中我们使用16QAM作为调制方式，放大器采用SALEH模型，子载波的数目为128。在此仿真中，我们仍然忽略信道中噪声的影响。可以得到失真后的信号星座图如图311所示。可以看出，与理想的16Q舢订星座图相比较，失真后的星座图中的星座点基本不可辨识，星座点的扩散和相位偏转十分严重。与无记忆系统相比较，信号失真更加严重，基本无法辨识任何信号的星座点。因此对有记忆HPA的线性化处图310理想16QAM星座图图311有记忆HPA失真信号星座图33HPA线性化技术简介随着移动通信中线性调制技术的出现，功率放大器的线性化已经越来越受到人们的重视。为了获取比较高的码速率和频谱利用率，现代通信系统均采用了如QPSK，Q舢等线性调制技术。这些高效的调制技术对HPA的非线性特别敏感。在实际应用中，为了提高效率，功率放大器一般工作在接近饱和区的非线性区域，而这种非线性特性会引入谐波成分，这些谐波成分不但降低了信噪比，而且也常常会引起信道间的串扰，从而带来信号的失真，所以针对放大器的线性化技术是必须的。目前常用的放大器线性化技术126J有以下几种331前馈线性功率放大器有记忆OFDM系统中自适应预失真技术研究输出辅助功放图312前馈线性功率放大器结构示意图前馈法【明是目前放大器线性化技术中发展最迅速的方法。其主要思想是先把放大器的输出衰减至输入的水平，然后把它们相减，这样就只剩下失真部分。这个失真信号是由于放大器的非线性产生的。接着把失真部分经由一个单独的放大器加以放大，并与原放大器输出信号相减，这样就剩下了线性放大部分。其结构图如图312所示。前馈线性化技术性能稳定，带宽较宽。但是在实现上必须精确设计前馈环路中的相位、幅度的平衡度，是目前整个实现中的难点。332负反馈法负反馈线性化技术是将功率放大器的非线性失真信号反馈到输入端，与原信号一起作为功率放大器的输入信号，以减少功放非线性的一种方法。负反馈技术相对比较容易实现，可以控制功放输入输出阻抗，减少噪声和元器件变化造成的影响，而且在抑制带外辐射方面性能优越。其原理框图如图313所示。非F，、本振、一图313负反馈法结构示意图第三章高功率放人器模型及其线性化技术利用负反馈2A291改善放大器线性的方法有很多，例如包络反馈、RF反馈、极坐标反馈、笛卡尔反馈和POLAR反馈等等。333具有非线性元件的线性放大器俞入信号一滤波器H正交竺器H爹_言晏分量本振、分离L信器一滤波器H正交调制器卜驴成输出信号图314UNC结构不意图LINCLINEARAMPLIFICATIONWITHNONLINEARCOMPONENTS是由COX在1974年提出的一种线性化技术【30】。其基本思想是对任意带通信号用恒定幅度和只有相位变化的信号来表示。这两个角度调制信号可以适用功率效率高的非线性放大器进行分离放大，最后将放大的信号合在一起产生调幅信号。由于放大器输入信号是恒包络信号，避免了功率放大器的非线性失真。LLNC的原理如图314所示。LINC的实质是采用非常高效的非线性放大器对恒定信号进行射频放大，缺点是需要设计两个匹配良好的放大链，同时，这种放大不能适应由温度，电源电压，频率变化引起的放大器特性漂移环境。334预失真法预失真法是补偿放大器非线性失真最好的方法之一。使用这种技术，在功率放大器输入端采用反失真来抵消功率放大器的非线性失真。其系统原理框图如图315所示图315预失真法结构示意图假设功率放大器的传输特性函数为G，则我们需要设计预失真器的传输特性函数为F满足有记忆OFDM系统中自适应预失真技术研究，KG圪一K式312其中K为预失真器和功率放大器级联系统的增益系数。当预失真器满足式312条件时，信号被线性放大。预失真可以在数字域实现，也可以在模拟域中实现。与其它方法相比，预失真具有实现成本低，实现简单、效率高、自适应性能强等特点，因此本文将预失真技术作为OFDM系统预失真研究的重点技术。34数字预失真技术基本概念及分类自适应预失真技术是提高具有非恒定包络信号非线性HPA效率的有效的技术【31】。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相反的辅助失真信号。然后把具有恰当的幅度压缩和相位变化的信号加在功放的输入端来完成对HPA非线性的抑制。数字预失真技术指的是预失真信号在数字域产生，在输入放大器前叠加到原信号，从而达到对功放失真进行补偿的目的。现在对一些常用的预失真方法进行简单介绍。341多项式预失真技术从上文中的分析我们得知，功率放大器的AMPM，AMAM特性非线性函数都可以用多项式来表示，所以可以用多项式方程来进行功放建模型。预失真器具有放大器非线性的逆特性，同样也可以采用无记忆的多项式来表示。理想的放大器的多项式描述需要有无限高的阶数，在实现中是不可能实现的。因此在实际应用中，一般采用5阶多项式方程来模拟预失真器的多项式表达式。342曲线拟合技术曲线拟合技术132L是在充分了解HPA特性曲线的数学模型的基础上提出来的。跟多项式一样，这个技术也是通过数学模型估计出放大器的模型，然后将数学模型求逆来构造预失真器。不同的是，曲线拟合应用了比多项式更接近实际放大器特性的类似于Y；XDF33】的双线性有理函数模型，而且曲线拟合算法也充CRD分考虑了造成多项式算法不稳定的原因，将放大器的整体非线性看成是由各阶非线性叠加构成的，对各阶非线性求逆，以此来描述预失真器。这样就不会因为输入信号的微小变动，导致整个逼近曲线的改变，影响算法稳定性。第三章高功率放大器模型及其线性化技术343查表法查表法134】是一种在基带易于实现且能很好体现模拟域不连续性的模型，因此成了目前数字预失真的主流方案。用查表法模型在数字域可以很好的表征模拟域中的不连续性，且易于实现，因此是目前数字预失真方案的主流模型。查表法的思想是放大器的整体非线性看成是各阶非线性叠加构成的。之前的预失真技术都是将放大器看成一种数学模型，但数学模型和实际的系统特性之间还是有区别的。因此查表法实际上是一种基于数据分析的数据预失真技术。查表法的模拟框图如图316所示。数字预失真技术是指将事先计算好的预失真补偿参数保存在一个表格中。根据当时输入的信号经过某种量化，得到查询准则。依据这种准则在已经存在的存储表格计算出表中的地址量，然后根据当时输入的基带信号进行预失真处理，这就是查表法的基本原理。鉴于查表法在实现上的易于性和性能的良好性，本文中使用基于查表法的数字预失真级数来纠正HPA对系统造成的失真。图316查表法结构示意图35本章小结本章分别介绍了高功率放大器在无记忆和有记忆情况下相应的系统模型。高功率放大器是通信系统不可或缺的一个部件。但是由于OFDM过大的动态范围，导致相应的放大器也需要有很大的线性化范围，这在实际中是难以实现的。线性化技术正是在这个背景下提出来的。本章简单介绍了目前存在的线性化技术。由于预失真技术有实现简单，效率高等特点，因而本章的重点放在预失真技术研究上。针对HPA的预失真技术又包括了多项式拟合，曲线拟合，查表法等多种方法，其中又以查表法具有容易实现，精度高等特点成为本文研究预失真的首选方有记忆OFDM系统中自适应预失真技术研究案。之后的针对无记忆和有记忆HPA预失真的研究都是基于查表法预失真技术的基础上的。第网章基于查表法的无记忆HPA自适应预失真技术31第四章基于查表法的无记忆HPA自适应预失真技术为了消除或者降低OFDM系统高PAPR对系统实现和性能的影响，人们进行了大量的研究。目前所得的方法概括起来主要分为两个方面一是从OFDM信号本身进行处理直接降低PAPR，这不是本文讨论的重点内容，因而略过不计；另一就是从放大器的角度出发，对放大器进行预失真处理，增大其线性化的范围。这是一种针对放大器的能有效增大放大器线性范围的技术。通过第三章的分析，我们最后选择了查表法作为数字自适应预失真的基本算法，因此本章分析在无记忆HPA系统中应用查表法预失真技术的基本原理。41基于查表法的无记忆HPA预失真技术基本理论现有的查询表预失真线性化方法主要有3类映射法，极坐标法和复增益法。相比而言，极坐标法对反馈信号的相位不敏感，自适应算法比较简单，查询表项数少，收敛速度快，因此应用广泛。极坐标预失真技术首先由FAULKNER等人提出，该技术采用两张分别包含增益和相位信息的一维预失真表来近似放大器非线性的逆特性，实现预失真功能。根据输入信号的幅度计算查询表的地址来查找相应的增益和相位，然后对信号进行幅度缩放和相位旋转得到预失真后的信号。两张表中的数据利用反馈数据依据某种更新算法得到。图41为查表法预失真器的结构图。QRP变，、叫圈R警卜图41查表法预失真器结构图32有记忆OFDM系统中自适应预失真技术研究将查表法应用于OFDM系统中的框图如下图42所示图42查表法应用于OFDM系统结构图信源输出后经过QAM映射，串并变换，IFFT，并串变换，加循坏前缀等一系列处理后，得到OFDM编译信号。将OFDM信号进行量化，按照某种查询法则在查询表中查询相应的地址，对应地址中的内容就是此信号的预失真值。在此我们使用输入信号的幅度值作为查询的索引进行查询。利用查询到的预失真的值对信号的幅度进行补偿，同时再对信号的相位进行旋转，得到预失真的信号。这种级联的方式可以把幅度和相位分开来收敛，避免相互之间的干扰。将经过预失真处理后的信号输入HPA后，输出即为线性输出。由于非线性受器件老化、温度、频率、放大器工作点、负载和电源电压及其它动态非线性损害的影响，以及信号概率密度函数的变化，所以必须采用自适应的预失真器，以便于跟踪非线性的变化。在电路中应用反馈式闭环形式，从放大器的输出信号中提取一部分信号进行衰减后输入预失真器，与预失真的延时输入相比较，依据某一种更新算法，适时更新预失真器参数，使其特性与最终与HPA特性互补。由于OFDM的幅度服从瑞利分布，同时OFDM具有多电平调制方式，这会造成数据动态范罔的增大，因此有必要首先对数据进行量化。量化本身还可以增加数据的均匀分布率，加快迭代速度【35J。同时，有必要对极少数大数据进行限幅处理，可以有效降低输入数据的峰均比。此外，查询表所采用的地址索引方式和查询表所要达到的精度要求共同决定了查询表的大小。查询表的项数越多，其精度越高，造成邻道干扰也就越小。一般来说，查询表的尺寸每增大一倍，经过预失真器信号的邻道干扰降低6DB左右。但是当邻道干扰降低到一定程度后，增大查询表的尺寸不能再减少邻道干扰。第四章基于查表法的无记忆HPA自适应预失真技术3342自适应算法推导利用SALEH模型推导预失真自适应更新公式原理框图如下图43所示预失真器图43SALEH模型结构椎图由于采用SALEH模型，其非线性由下式描述ZOT一圪TGVAFI式41其中的圪表示放大器输出信号，虼仰表示放大器的瞬时输入信号。放大器的非线性增益G1