[硕士论文精品]预失真射频功率放大器的研究

北京邮电大学博上论文预失真射频功率放大器的研究摘要现代通信系统的信息传输技术正朝着多载波、多电平、宽频带和高峰均比方向飞速发展，新的宽带数字传输技术如OFDM、MCCDMA和WCDMA等和高频谱效率的调制方式如QPSK和MQAM等正获得越来越广泛的应用。但这些基于非恒定包络的高效的多载波多信道数字调制传输技术对于射频功率放大器的线性度具有很高的要求，经过非线性射频功率放大器放大后会产生众多的互调失真分量，从而导致功率放大器输出信号频谱的扩展，形成对邻近信道的干扰。现代无线通信系统对于邻道干扰都有严格的限制，例如依照3GPPWCDMA规范，邻近信道功率高于50DBM时，ACPR应分别高于33DBC5MHZ和43DBC10MHZ。此外，现代无线通信还要求功率放大器兼顾高效率，因此对功率放大器线性化处理的需求呼之欲出。本论文的研究主要涉及功率放大器电记忆效应和热记忆效应、自适应RF预失真系统和射频预失真功率放大器设计等方面，主要创新工作体现在以下四个方面1对射频功率放大器的电记忆效应展开理论研究、建模和仿真分析，分析其对放大器性能的影响，揭示了电记忆效应是由于频带内阻抗的变化而产生，并且电记忆效应主要受基带阻抗的影响，RF阻抗对其影响不大。保持偏置电路基带阻抗响应的恒定能够减小电记忆效应。这些研究成果为减小功率放大器的电记忆效应提供了理论依据。提出了功率放大器电记忆效应最小化的阻抗设计方法，并且已经将此设计思想运用于实际放大器的设计中。2对射频功率放大器的热记忆效应展开理论研究、建模和仿真分析，分析其对放大器性能的影响，揭示了有源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。提出了最小化热记忆效应的诸多功率放大器电路设计方法，并已经付诸于实践中。3对于自适应线性化技术中所涉及的自适应算法进行了系统的北京邮IN人学博上论文摘要分类整理，明确了各种算法问的内在联系及其适用条件。在此基础上提出了一种适用于射频预失真功率放大器的高效的自适应优化算法，核心思想是提取功率放大器输出信号的带外互调分量作为自适应的优化目标，运用具有全局稳定收敛性的多方向搜索算法对预失真系数进行优化调节最终使带外IMD功率达到最小。仿真结果表明该算法的自适应收敛速度比传统自适应优化算法有明显提高，带外IMD分量可以获得15DB的改善。4基于自适应预失真理论，提出了一种预失真射频功率放大器的设计方案，设计方案已经付诸实施并已部分完成设计制作工作，此套预失真系统的性能还有待进一步验证。关键词射频功率放大器互调失真记忆效应线性化预失真自适应算法M北京邮电大学博七论文RESEARCHONTHEPREDISTORTIONRADIOFREQUENCYPOWERAMPLIFIERTHEINFOMATIONTRANSMISSIONTEDLNOLOGYOFMODEMCOMMUNICATIONSYSTEMISDCVELOPINGRAPIDLYINDIRECTIONOFNMLTICARRIER，MULCVEL，BROADBANDANDHIGHPEAKAVEFAGERATIOPARNEWBIDADBANDDIGITALTRANSIILISSIONTECHNIQUESSUCH勰0FDM，MCCDMAANDWCDMAANDHIGHSPECTMMEFFICIENCYMODULATIONTECHNIQUESSUCHASQPSKANDMQAMAREEXTENSIVEUSEDT1LESEHIGHEFFICIENTMULTICARRIERMULTICHANNELDI画TALMODULATIONTRANSMISSIONTECHNIQUES，WHICHAFEBASED伽NONCONSTANTENVELOPE，REQUESTHIGHLINEARITYOFRADIOFREQUENCYPOWERAMPLIFIERSRFL巳ASWHENSIGNAIISAMPLIFIEDBYRFIAS，INTEM盼DULATI伽DISTOFTIONISGENERATED，WHICHRE蛐LTSINSPECTRALRCGROWTH，THENLEADSTOADIACENTCH锄ELINTERFERENCEINMODEMWIRELESSCOMMUNICATIONSYSTEM，ADJACCNTCHANNELINTERFERENCEBASGOTSTRINGENTRESTRICLIONS，FORINSTANCE，ACCORDINGTO3GPPWCDMASPECIFICATION，IFTHEADJACENTCHANNELPOWERISGFEATERTHAN50DBMTHENTHEADIACENTCHANNELPOWERRATIOACPRSHALLBEHIGILERTH加THEVALUEOF33DBC5MHZAND43DBC10MHZFURTHE加ORC，POWCRAMPLIFIERALSONEED百VEATT即TIONTOBJ曲EFICIENCYJNWIRCLESS蚴MHNICA“0NSYSTEMTHELILLEARIZATIONTECHNIQUEFORRFFIASISNECCESSARYTHERESEARCHINCLUDEELECTRICALMEMORVEFIECTSANDTHEHILALMEMOR、，EF6ECTSOFRFILAS，ADAPTIVERFPFEDISTONIONSYSTEMANDDESIGNOFPREDISTORTIONRFIASETCFOLLOWINGFBUFASPECTSAREORIGINALITYINNOVATIONDISCOVEFIES1RESEARCHED，MODEIED柚DSIMULATEDELECTRICALMEMOF、，E矗ECTSOF砒珊崦ANAIYZEDHOWITA骶CTTHEPCRFB加ANCEOFR咒AS，POINTEDOUTTHATELCCTFICAIMEMORYE饪ECTSA坞USEDBYTHEVARIATIONOFIILBANDI枷佛DANOCALSOBASEBANDIMPEDANOEABCTSELECTRICALMEMORYEFFECTSINUCHMORCTHANRFIMPED柚CET11EN北京邮电大学博E论文RESULTSPROVIDEDTHEORYBASISFORDECFEASEELECTRICALMEMORREFFECTSSUCCESSFILLLYIMPEDANCEDESI掣LMETHODTOMINIMIZETHEELEDRICALMEMORYE圩ECTSOFRFN钰WASPRESENTEDANDUSEDINTHEDESIGNOFRCALRFPAS2RESEARCHED。MODELED锄DSIMULATEDTHE彻ALMEMORYE妊BCTSOFRFPASANALYZEDHOWITAFFJECTTHCPE哟咖ANCEOFRFPAS，POINLEDOUTTHATTHE加AIMEMORYE饿CTSISC孤SEDBYTHETHE衄ALSENS“IVITYOFACTIVEPOWERCOMPONENTSSEVERALDESIGNMOTHODSOFTOMINIMIZETHETHE衄ALMEMORYEFFECTSRFPASWASPRESENTEDANDUSEDINPRACTICE3GAVE柚OVERVIEWOFADAPTIVEALGORIMMUSEDINADAPTIVELINEARIZATIONTECHNIQUES，CATEGOFIZEDTHEMANDINTRODUCEDCONDITIOILS柚DTHERELATIONSHIPAMONGTHEMAHIGHEFICIENCYADAPTIVEOPTIMUMALGORITHMAPPLICABLEFBRPREDISTORTIONRFPASWASPFESENTEDTHEMAINIDEAOFTHISALGORITHMISTHATTHEOUTOF_BANDINTENNODULATIONDISTORTIONOFTHEOUTPUTOFRFPASWASABSTRACTEDTOBETHEOPTIMIZINGGOAL，ITWASMINIMIZEDBYOPTIMIZINGTHEPREDISTORTIONCOEFFICIENTS，WHICHWASABSTRACTEDBYTHEMULTIDITECTIONALSEARCHALGORITHMWITHGLOBLESTABLECONVERGENCYACCORMNGTOSII肌LATIONRESULTS，ADAPTIVERATEOFCONVEFGENCYINCREASCDOBVIOUSLYCOMPAFINGTOTRADITIONALAD印TIVE叩TIMUMALGORITHM，AND0UTOFB姐DINTE珊ODULATIONDISTONIONWASIMPROVEDBY15DB4BASEDONADAPTIVEPRCDISTONITHEOADIGNSCHEMEOFPREDISTONIONRFPASW舔PRESENTED柚DIMPLEMENTEDS0MEAPARTSHAVEBEENF曲RICATEDTHEPE0珊ANOEOFTHISPREDISTORTIONSYSTEMWILLBEVERIFIEDKEYWORDSMDI0FFEQUENC，PAWER枷PH丘ERRMQ，IILTE彻ODULAIIONDISTORTION，MEMORYEFFECTLIILEARIZATION，PRIDISTORTIOILA出LPTIVEALGORITHMM北京邮电人学博士论文声明独创性或创新性声明本人声明所呈交的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。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，也不包含为获得北京邮电大学或其他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。申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。J斗、本人签名三B鼙生日期丝型兰关于论文使用授权的说明学位论文作者完全了解北京邮电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问论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校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，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位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、汇编学位论文。保密的学位论文在解密后遵守此规定保密论文注释本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论文注释本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。本人签名2整垫芝日期兰型兰导师签名日期丝厶丘Z兰、北京邮电大学博K论文第一章绪论11研究背景第一章绪论早期的移动通信系统对数据传输速率要求不高，基于恒定包络调制技术基本上就能满足要求。第一代移动通信系统采用模拟制式，无线传输中的信号调制方式是恒定包络的，包括第二代移动通信主要技术中之一的GSM，采用的GMSK的调制方式，也是具有恒定包络的调制信号，在此之前几乎所有的地面移动无线通信系统都是基于恒定包络调制技术，恒定包络调制技术的一个优点在于这类信号对功率放大器线性度的要求不是那么苛刻，它在发射机上最终的射频信号对功率放大器的线性度不需要有很高要求，因此功率放大器能够工作在它效率较高的临近饱和区，使射频功率放大器能够以较高的效率来工作。然而，恒定包络调制技术的最大缺陷，就是其频带资源的利用效率低。随着移动通信迅速发展，无线通信频段变得越来越拥挤，频带资源越来越紧张，为了改变这种局面，在有限的频谱范围内容纳更多的通信信道，必须提高现有频段的频谱效率，为此人们应用了许多新的宽带数字传输技术如0FDM、MGCDMA和WCDMA等和高频谱效率的调制方式如QPSK和MCAM等【“L，以求达到更高的频谱利用密度和更广泛的信道空间分配。这些高效的数字调制传输技术几乎都是基于非恒定包络的，例如，第三代移动通信系统3G【54L采用16CAM或QPSK等数字调制方式，这种数字调制产生的信号波形是非恒定包络的调相信号，而且系统又是多载波，多信道同时工作。这些措旖都能有效提高频谱的使用效率，因此现代通信系统的信息传输技术正朝着多载波、多电平、宽频带和高蜂均比方向发展M。随着信道宽度的减小，频谱利用率的提高，随之而来的问题是带外辐射的增加，造成对邻道干扰增加。出现这种情况的主要原因是在许多无线通信系统中，为提供足够高的输出功率和实现最大输出，功率放大器常常工作在非线性区甚至工作在饱和区的附近，此时功率放大器呈现出很强的非线性特性LOL。在高效数字调制技术中，虽然像MQAM和QPSK等线性调制方法的应用理论上可以获得高的频谱效率，但是由于信号包络是非恒定，对功率放大器的线性度非常敏感。当功率放大器的输入信号为非恒定包络信号如MQAM或QPSK时将产生非北京邮电大学博士论文第一章绪论常严重互调失真，从而使功率放大器输出信号频谱扩展，产生对邻信道的干扰。在现有及未来移动通信系统中，对邻信道干扰的要求是非常严格的。通常要求基站功率放大器输出的已调信号在邻信道的辐射功率带外发射功率与所需功率之比应低于40DB，即与带内信号功率相比，带外发射功率应小于60DB一40DBILLL。传统改进放大器线性的方法是采用线性度较好的A类或AB类放大别12。廿1，使功率放大器尽量工作于线性工作区，同时结合功率回退等措施来减少互调失真分量的产生，满足系统对功率放大器线性度的要求。这样做的缺点是对功率放大器的饱和功率要求很高，将大大地浪费功率放大器的功率容量，降低功率放大器的使用效率，例如一个接近饱和应用的功放，其典型三阶互调失真分量IMD3近似为22DBC或者更差。如果从1DB压缩点回退6DB，即减小至四分之一输出功率时，其互调失真可以改善十几个分贝。但这种功率放大器线性的改善是以大大降低系统的效率例如可使功放效率由4060降至1020和增加系统的成本为代价的。另外，当功率回退到一定程度，即LMD3达到40DBC以下时，继续回退将不再改善放大器的线性度。因此，在线性度要求很高的场合，完全靠功率回退是不够的114L。这种以效率换线性的方法在移动终端等很多应用场合中也是不可取的，在第三代及第四代无线移动通信系统中对移动终端的要求是更加的智能化和提供丰富多彩的多样化、个性化服务，而且还有对终端轻巧便利、方便携带的要求，这就使得终端的电池必须要轻巧化。此外功率放大器是终端设备上功耗最大的部分，手机终端的大多数耗电就是其中的功率放大器的电量消耗，再加上要提供多媒体方式的通信，这样对电池容量的要求就很苛刻，从目前可充电电池的技术来看，基本上不可能在电量储备上有特别大的突破，受到手机终端电池电量的这一限制，功率放大器就必须要有很高的功率效率。低效率的功率放大器不但耗电很大，而且需要增加措施来解决其散热问题，从而使得设备变得庞大、笨重。高效率的放大器降低了对电源的要求，从而允许电池做得更小，寿命更长，一次充电的使用时间更长。为解决上述这些矛盾，要求功率放大器除具有良好的线性性能外还必须要有很高的效率，这样就对功率放大器提出了线性化处理的需求，发展功率放大器线性化技术，采用各种手段和方法来实现功率放大器高效率且高线性度的工作，这一点，对于未来无线移动通信技术的发展和实现有着十分重大的实际意义。2北京邮电大学博T论文第一章绪论对放大器进行线性化的方法很多，而主要的方法有负反馈法、前馈法、髓R法包络消除与恢复法、UNC法非线性器件的线性放大法和预失真法等11删。负反馈法115】由于基于反馈原理，受反馈网络延迟的限制，带宽有限，这种技术使得放大器带宽很窄，不适合宽频带放大。若相位控制不好，容易产生正反馈而引起不稳定，因此稳定性问题是其主要缺点。当系统频率较高时，必须减小环路增益，否则系统的稳定性则很难保证。但减小环路增益又影响到失真的抑制。与负反馈法比较，前馈法【21岱L需要两套完全相同的放大器和延时线，其误差信号不是在同一个环路中抵消掉，而是在一个辅助环路中将失真信号抵消掉。因此，整个系统结构复杂、增益、相位调整困难、硬件实现成本高。前馈法在温度、电源电压、工作频率等周围环境变化时，电路的参数变化不可能完全一致，从而使放大器的线性度变坏，影响放大器的性能，因此其稳定性不好。EER法I雏28】优点在于它可以让射频功放总是工作在比较高效的开关模式状态，在输出功率很宽的范围内都有比较高的功率效率，但由于存在调制的精确度和性能随时问和温度的变化问题，并且限幅器的非理想性和调制器的AMPM转换等因素都将影响放大器输出的失真产物，有时会产生附加的高阶产物。EER技术在现代数字无线通信中的应用研究还处于初级阶段。UNC法【2”11的信号分离技术早期在射频频段用模拟技术实现，但硬件的复杂性和高代价阻碍了该技术的发展和应用。DSP技术的发展使得信号分离完全可以采用DSP设备用软件实现，但UNC技术对两条路径上的增益和相位差异极其敏感，增益和相位匹配的任何误差都会导致失真信号的不完全消除，严重影响系统的线性性能。增益和相位匹配的困难使得UNC技术至今还很少应用。通过对各种技术进行比较和评价可知，预失真技术【卫删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最具发展潜力的技术。目前，功率放大器线性化技术已成为下一代无线通信系统的关键技术之一，近年来国外大的通信公司与研究单位和高校都积极投入研究，并且有各种线性化技术及产品的成功实现，国内中兴通讯、华为等大型通信设备提供商也在积极开展这方面的研究工作并取得不少成果，但目前线性化技术的发展还远远达不到无线通信对其不断提出的更高的需求。3北京邮电大学博士论文第一章绪论12射频功率放大器的现状与发展趋势在移动通信系统基站和移动台的发射机中，射频功率放大器的主要任务是放大射频信号并将它发射出去，且这一信号能够被正确地接收，不会被邻近信道的信号所干扰。由于功率放大器总是存在非线性，当放大器的输入信号幅度为非恒包络如正交调制信号QAM或QPSK时将产生互调失真，从而使输出信号频谱扩展。第2G移动通信系统GSM采用的高斯最小频移键控GMSL调制方式是一种恒包络调制技术。这种调制技术允许采用具有极高效率的非线性功率放大器如C类放大器，功率放大级可以进入压缩状态。因此，GSM基站中功率放大器通常具有较高的效率。第25G移动通信系统GSMEDGE采用更高带宽效率的380缸ET8PSK调制技术来实现三倍于GSM的数据传输率。但这种调制技术不具有恒定包络，信号会出现大量的幅度变化，峰均比队R大约为32DB。因此，EDGE己不再采用非线性功率放大器。出于成本和复杂性考虑，EDGE基站中功率放大器一般采用功率回退技术OUTPUTPOWERBACK0田来满足GSM标准线性要求。第3G、4G移动通信采用宽带高频谱利用率的数字多电平线性调制技术例如640AM、QPSK以迸一步提高数据传输率，这些调制技术产生的信号具有相当大的包络变化，同时PAR也很高B诅10DB。此外，其基站架构可使多个射频载波如UMTS最多可达4个载波，每一个都在5MHZ信道集结在一起，并通过一个公共的功率放大器进行放大。这将进一步增加EAR，同样，UMTS标准也设定了许多限制措施，严格限制了调制频谱和EVM。此时简单的功率回退技术已经不可能满足新的要求，射频功率放大器线性度成了主要问题，因此必须采用复杂的线性化技术如自适应前馈、自适应预失真。典型UM髑功率放大器的平均输出功率约为删，但放大器的峰值功率可以超过400W。放大器效率同样也非常低，小于20。随着半导体制造工艺的发展，功率放大器中所用的半导体技术差别很大，主要源于系统对功率的要求差别，以前功率放大器多采用GAASMESFET，但随着3G的到来，系统所用的半导体技术和器件也在不断更新，包括HBT，PHEMT，SIGC和UMOS等器件的应用。一般认为，功率放大器的发展方向是更新的芯片结构、更大的功率、更高的增益、更佳的效率和更好的线性度。对用户而言，效率和线性度是两个非常重要的参数。一个性能优良的功率放大器在满足系统线性要求的情况下应该消耗最少的功耗而发射最大的功率。即，线性度和效率的最佳折衷。4北京邮电大学博士论文第一章绪论13本文主要研究内容在移动通信系统的基站和移动台的发射机中，最重要的部件莫过于射频部分的功率放大器。随着移动通信迅速发展，无线通信频段变得越来越拥挤，为在有限的频谱范围内容纳更多的通信信道，出现了许多新的宽带数字传输技术如OFDM、MCCDMA、WCDMA等和高频谱效率的调制方式如QPSK和MQAM等。由于它们具有多载波、多电平、宽频带和较高的蜂平比等诸多特点，对发射机功率放大器的线性度提出了非常高的要求。同时功率放大器是整机最耗电的部分，加之考虑到复杂性和成本的因素，因此商功效和高线性度的非线性功率放大器的线性化问题研究成为整个射频系统构建的关键。线性化技术主要有负反馈法、前馈法、EER法包络消除与恢复法、UNC法非线性器件的线性放大法和预失真法等，对于各种线性化技术的性能优劣可以从以下六个方面对它们进行比较和评价1对放大器非线性变化的自适应性；2可能达到的功率效率；3要消除的失真带宽；4互调性能改善；5记忆效应主要来源；6结构复杂性。通过比较和评价结果可得到如下结论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。根据预失真处理信号的频段不同，可以把预失真技术分为射频RF预失真和基带预失真两种基本类型。基带预失真技术对于放大器非线性特性改善能力强，但其复杂度高、实现难度大，是一种具很大潜力的线性化技术。RF预失真的优点是具有电路结构简单、电源效率高、成本低、易于高频、宽带应用。但其抵消性能一般，是目前较有发展前途的一种线性化方法。研究表明，功率放大器记忆效应141舶L会导致基于预失真类型的线性化器互调失真抵消性能显著降低，这种问题通常采用更加复杂的线性化技术来解决。由于复杂的线性化技术实现困难，那么是否可以找到一种方法以简单的预失真技术就能达到同样的效果呢答案是肯定的这正是本文的研究思路以简单的预失真技术来实现复杂技术所能达到的效果当然这是有代价的，代价就是尽可能减小功率放大器的记忆效应，这必然降低记忆效应是对预失真抵消性能的影响。由于宽带、动态信号等原因，预失真器通常不能提供更多LM3抵消，但可以通过最小化或者抵消记忆效应来获得抵消性能的显著改善。因此预失真的性能取决于记忆效应如何准确地抵消。本文中试图采取首先抵消功率放大器记忆效应，再辅之以简单的无记忆的RF预失真技术线性化功率放大器来达到复杂线性化技术所能达到的改善效果。5北京邮也大学博士论文第一章绪论本论文的研究主要涉及功率放大器电记忆效应和热记忆效应，自适应RF预失真系统和射频预失真功率放大器设计等方面，其中有创新和有价值的工作主要体现在以下四个方面1对射频功率放大器的电记忆效应展开理论研究，建模和仿真分析，分析其对放大器性能的影响，揭示了电记忆效应是由于频带内阻抗的变化而产生，并且电记忆效应主要受基带阻抗的影响，RF阻抗对其影响不大。保持偏置电路基带阻抗响应的恒定能够减小电记忆效应。这些研究成果为减小功率放大器的电记忆效应提供了理论依据。在此基础上提出了功率放大器电记忆效应最小化的阻抗设计方法，并且已经将此设计思想运用于实际放大器的设计中。2对射频功率放大器的热记忆效应展开理论研究、建模和仿真分析，分析其对放大器性能的影响，揭示了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。提出了最小化热记忆效应的诸多功率放大器电路设计方法，并已经付诸于实践中。3对于自适应线性化技术中所涉及的自适应算法进行了系统的分类整理，明确了各种算法间的内在联系及其适用条件，对于后续自适应算法研究工作起到了提纲挈领的作用。在此基础上提出了一种适用于射频预失真功率放大器的高效的自适应优化算法，其核心思想是提取功率放大器输出信号的带外互调分量作为自适应的优化目标，运用具有全局稳定收敛性的多方向搜索算法对预失真系数进行优化调节最终使带外IMD功率达到最小。仿真结果表明该算法的自适应收敛速度比传统自适应优化算法有明显提高，带外LMD分量可以获得15DB的改善。4基于自适应预失真理论，提出了一种预失真射频功率放大器的设计方案。设计方案已经付诸实施并已部分完成设计制作工作，此套预失真系统的性能还有待进一步验证。14本文章节安排本文的研究工作主要围绕预失真射频功率放大器的理论研究、建模仿真和设计实现来展开。预失真射频功率放大器，顾名思义，包括射频功率放大器和预失真线性化技术两大块内容，功率放大器是基础，预失真线性化技术是其线性度改善的手段。本文的结构也依照首先进行功率放大器的非线性研究，接着开展预失真技术的研究，最后在两者基础上综合，对预失真功率放大器系统的研究三步走的思路安排，本文具体章节内容如下第一章绪论首先介绍了无线通信的发展趋势及本论文的研究背景，说明了功6北京邮电大学博七论文第一章绪论率放大器线性化技术的研究在目前以及未来无线通信系统中的必要性，预失真技术是线性化技术中的一个重要方向，对比其他线性化技术，预失真技术更具发展前途。其次描述了功率放大器及线性化技术的研究现状，对本文所进行的主要研究工作作了简要的介绍本章最后对本文的研究思路及章节结构安排作了概述性的说明第二章射频功率放大器非线性研究介绍了功率放大器的核心有源功率器件的非线性模型，针对目前在宽带功率放大器广泛采用的UMOS器件引入了元件级电路模型，后续许多研究工作都基于此模型基础上展开。详细阐述了功率放大器的有记忆和无记忆数学行为模型，为放大器的理论研究提供了基础。论述了功率放大器的非线性分析方法，提供了放大器理论研究的数学工具和手段，并开展了放大器非线性特性的理论分析，描述了功率放大器非线性对信号的影响。最后给出了考核功率放大器线性度的几个重要的评价指标，为放大器线性度的性能优劣评判提供了量化的指标。第三章射频功率放大器记忆效应研究分别针对功率放大器的电记忆效应和热记忆效应展开理论研究、建模和仿真分析，揭示了放大器电和热记忆效应产生的机理和本质原因。详细分析了电和热记忆效应对放大器性能的影响。基于研究和仿真分析结果，提出了射频功率放大器记忆效应最小化设计的方法，对于实际功率放大器的设计具有现实的指导意义。，。第四章预失真线性化技术研究首先对负反馈、前馈、髓R、UNC、预失真等几种常用的线性化技术作了概述性介绍，并对它们主要技术性能作了比较。随后引入了自适应线性化技术满足功率放大器的特性会随环境温度、供电电压、器件老化、信道切换发生改变导致通信系统性能下降，要求预失真模块的补偿特性具有随功率放大器特性变化而自适应调节的能力。针对自适应线性化技术中所涉及的自适应算法进行了全面详细的分类阐述，比较了各种算法在计算复杂度、收敛速度、稳定性等方面的综合性能。最后在总结自适应算法的基础上提出了一种适用于射频预失真功率放大器的高效的自适应优化算法，仿真结果表明该算法具有优良的性能。第五章预失真射频功率放大器仿真与实现描述了利用ADS软件构造了一个自适应基带预失真系统仿真模型，在此模型基础上通过仿真分析考察自适应预失真系统的自适应性能及功率放大器输出频谱改善性能。最后介绍了一款预失真射频功率放大器的设计方案第六章总结与展望对本文所做的主要研究工作作了的概括性总结，并对下一步具体研究工作进行了简单说明。7北京邮电人学博1论文第一章绪论参考文献【1】MISCHASCLLWANZ，移动无线通信英文版，北京，电子工业出版社，2005【2】彭林，第三代移动通信技术，北京，电子工业出版社，2003【3】FUQINXJON舀DI西TAIMODULATION1CCHNIQUES，ANECHHOUSE，2000【4】A|IDRCWMICCLIWIREL船STCCHNICIANSHAILDBOOL【SCCLDEDITION，ANECHHOUSC，20【3【5】H锄HOLMA，ALLTTIKALA，WCDMAFOFUMTS，JOHN、L，ILEYSONS，ND，2000【6】GCORGEMCALHOUN，删RDG朗ERATIWIRCLESSSYSTEMS，VOLUMCL，ANECHHOUSE2003【7】RAMJEEPR嬲AD，MARINARUGGIEFI，TCCHNOLOGYTRCNDSINWIRELE髂C0MMUNICATIO璐，AITECHHOUSE，2003【8】REINHOLDLUDW弛PAVELBRCTCHKO著，王子宇，张肇仪，徐承和等译，射频电路设计一理论和应用，北京，电子工业出版社，2002【9】GRCBENNIKOVA著，张玉兴，赵宏飞译，射频与微波功率放大器设计，北京，电子工业出版社，2006【10】ROWANGILMORE，LESBESSERPMCTICAIRFCIRCU“DESIGNFORMODEMWIRCLESSSYSTEMS，VOLUMEII，ARTECHHOUSE，2003【1113GPPTS25141，BASESTATIONCONFO玎NANCETESTINGFDD，限ELEASE6【12】MIHAIAIBULET，RFPOWERAMPLMERS，NOBLEPUBLISHINGCORPOMTJON，2001【13】WANDAVIS，KSHNAAGA州AL，RADJOFRCQUENCYARC妇DESJ印J0HNWIJCYSONSINC2001【14】STEVECCRIPPS，RFP0WEFAMPLIFIERSFORWIFEL酷SCOMMUNICATI伽S，N0NOOD，1999【15】PBKENIN殍ON，HI曲LILLE盯ITYRFAMPL砺ERDCSI盟，州OOD，MAARTECHHOUSE20O【16】SICVEC“P眄ADV锄CCDTCCHNIQUESINRFPOWCFAMPLI矗ERDESI鹃ANCCHHOUSE2002N7】胁DERICKHR船HSTEVCC啦，PS，PETCFBKENIN班ON，POWERAMPLIFJE墙ANDTHNSMILTE体蚤DRRF柚DMI啪WAVEIEEETRANSACN0NSONMLCROW硒，E11日EORYANDTECHNIQUESVOL50，NO3，MAR伽2002【18JMS0DROML，JPONIILA，EBCRT啪，SDATITJBRAZIT，MRUPP6，QUAYIJNEARISATIISSU鹤INMICROWWCAMPIIFIE玛12THGAASSYMPOSIUMAMSCCRD枷，即199202，2004【191EKCNIN粤ON，METHODSLINEARIZCIUFTRA】啪LI蚀哪狃DP洲ER，栅PS，PARTL，MI锄WREPP103116，DCC1998【201EKCNIN舀ON，METHODSIINEA出ERF仃A璐MIL踮觚DP删锄PSPAN2，MICMWRFPP7989，J硪1999【211HS。BLACL【，MCNTINGTHCNC鲥IVCFCCDBACK蜘PLI矗髓ESPCCIRILM，PP5560DECEMBCF1977【221PBKENSIN舒姐DDWBCNNETI，LJLLC盯DISTONIONC0盯T斌I伽USINGA如DFB刑ARDSYST锄，IEEETRANSADIO璐伽VCHICULARTCCHNOLO鼢V0145，1，PP74_81，FCB邝A叮19968北京邮电大学博士论文第一章绪论231NPOTHECARY，FEEDFO删ARDUNEARPOWCRAMPLIFJE塔ANECHHOUSE，1999F241JKCAVE体，ADAPTATJBEHAVIOROFAFECDFO刑ARDLINRIZERIEEETRA璐ACTIO璐ONVCHILARTCCHNOLOGYV01“，NO1，PP3140，FBBMAFY1995F25】EB融NIN舀ON，PAW抽；觚DJWILKINSON，ANALYSISOF如STABILITYINFCEDFO刑ARDLOOP，ELCCTRONICSKNETS，VOI33，PP1669167L，SEPT251997【26】ERB，HJGIIEFIDCYAMPL访CATIONTCCHNIQUES，正EECIRALITSSYSTCMSPP311D1985【271MKOCHANDRFISHEF，AHI曲CMCICNCY835MHZ1INC盯P0啊盱枷PLIFIERFOFDIG砌CCLLULANELEPHONY，P埘CCDIN笋OF39THIEEEVEILICILLARTCCHCONF，PP1718MAY1989128】ERAAB锄DDRUPP，HIGIIC佑CICNCYSIN出ESIDEBANDHF厂IFTMSMITERB船EDUPONENVELOELIMINATI柚DFESTOMTION，PMCSIXTHINTCONFHFRADIOSYSLEMSANDTECHNIQUES，Y0RK，UKPP2125，JULY1994F291DCCOX，LINEARAMPLIFICATJONWITHNONLINEARCOMPONENTS，IEEETRANSADIONSONCOMMUNICATIONS，PP19421945DEC1974【30】丸BALEMAN，RJWILKINSONANDJDMANVILL111EAPPLICALIONOFDI百TALSIGNALPROCESSINGTOTRANSMITTERLINEARIZATION，IEEE8THEUROPEANCONFCRENCEONELECTFOTECHNICS，PP“67，1988F311DCCOX卸DRPKCL【COMPONENTSIGNALSEPAMTION锄DRECOMBINATIONFORLINEARAMPLIFICATIONWITHNLINEARCOMPONENTS，IEEETHNSACTIONONCMNMUNICATIONS，PP12811287，N0VEMBER1975【32】TNOJIMAANDTKO蚰O，CUBERPREDISTONIONUNEAFIZ盯FORRELAYEQUIPMENTIIITHC800MHZB狮DLANDMOBILETCLEPHONCSYSTEM。LEEETR卸SACTIO鹏蛐VCHICIIL缸TCCHNOLOGYV0I34，PP169177NOV1985331CGREYANDECLARK“NEARIZATIONPE渤咖ANCCFOFAPOL玎WBRKFUNCTIONPFOCEEDINGSOFVEHICULARTECHNOLOGYCONFCRENCC，1998【34】ANANDREA，VLOTTICIANDRREG舀ANNINI，RFPOWERAMPLIFIERLJNEARIZATIONTHROU曲AMPLITUDE柚DPHASEPREDISTONIOLLIEEETFA璐ACLJO璐ONCOMMUNICALIONS，V0144PP14771484，NAV1996F351SPSTAPLETONANDFCCOSTES叫，ANADAPLIVCPFEDISTORTEFFORAP0WEFAMPL诟ERB弱EDONADJACCNTOANNDEMISSIONS，匝EE砸N轴CTISVEHICILL雒TCCHNOLOGYV014L，NO1，PP4956，FCB1992【36】JKCAVERS，AMPLJFJERLINEARIZATI蛐USINGADIGITALPRCDISTONCRWITH触ADAPTATIAILDLOWMEMORYMQUIRCMENTS，IEEETR哪VCHICLLL缸TCCH。V0139。NO4，PP374382，NOV1990371JDCMIN舶AVALDOVIN鹏，PERFOMANCCOFANEWDI西TALBASEBAILDPRCDISTONEFUSINGCALIBMTIMEMO巩正EE1RANSADIONSONVCHICUL盯TCCHNOLOGYVOL50NO4PP11691176REFCRCNCC23L，JULY2001F381HGI删DANDKFCHERANCWB弱EBANDLINEARIZERFBRMORCEFFIDCNTUTILIZATJOFEANHSTATION锄PLIFIE璐USEDFORQPSKTMNSMI鼯IONMEEJSELECTARE勰CO玎姗UNICATI蛐S，V01SAGL，PP4656，J柚1983【39】INTE俗ILAPPLICATIONTE，AD印TIVC胁DISTONIONUSINGMCISL5239，ANL0施SEDTEMBER2002【40】YNAGA“NEARAMPLIFICATI彻TECHNIQUE五DRDIGITALMOBILCCOMMUNICATIO啦，9北京邮电大学博士论文第一章绪论PROCIEEE垤HICUIARTCCHCONF，S柚FHNCISCO，CKPP1591“，1989F4L】ARHEFNERANDDLBLACKBUM，SIMULATINGTHEDYNAMICELECTROTHERIILALBEHAVIOROFPOWERELECIMNICSCI砌LITS她DSYSTEMS，IEEE1HNSPOWERELECTRON，V018，PP376385，OCT1993【42】JHKVHOLEVI，TRAHKO鹏N，ANDJEAMANNINELI，MEASURCMENTTECHNIQUEFORCH狮CTEFIZINGMEMORYEF诧CTSINRFPOWERAMPLIFIERS，IEEET协SMJCMWAVENEORYTCCH，VOI49，PP13831389，AUG2001【43】JVUOI吖I，JMANNINCN，ANDTRALLL【ONEN，CANCELINGTHE妣MORYE仃CCTSINRFPOWER锄PLI丘CRS，INHTCIRCUITS觚DSYSTEMSSYMP，V011，PP5嘶O，MAY鲫，2001【441NBAMLHOANDICPEDM，1WCTONEIMDASYMMETRYINMICMWAVEPOWER枷PLIFIE侣，INLEEEMTTSINTMICROWAVESYMPDI昏，V011，PP445448，JUNE2000【451PMMCINTOSH锄DCMSNOWDEN，1NHEEFFCCTOFAVARIAIIINT彻ESPACINGONTHEINTE曲ODULATIONPE渤珊ANCEOFDASSACLASSABHBTPOWERAMPLIFIE陪，INIEEEMRRSINTMICFOWAVESYMPDIG，PP371374，1997【461WBOSCHANDGGATTI，ME硒URCMENTANDSIMUIATIONOFMEMORYETFECTSINPRCDISTONIONLINEARIZERS，IEEETRANSMJCMWAVENEORYTECH，V0137，PP1885一1890DEC198910北京邮电大学博士论文第二章射频功率放大器非线性研究第二章射频功率放大器非线性研究本文的研究对象是高功率的射频功率放大器，本质上射频功率放大器都是非线性的，即输出信号中会包括非线性引起的失真分量。为了有效的降低放大器的非线性失真，使放大器能够高效线性的工作，必须对放大器的非线性产生机理、内在原因，以及非线性失真的对性能的影响进行深入的研究分析。此外功率放大器都是有记忆效应的，表现为输出信号与输入信号的带宽相关性。如果输入信号的带宽足够小的话，可以把其看成无记忆非线性系统。本章只对功率放大器无记忆非线性展开研究，对记忆效应引起的非线性在第三章具体阐述。21有源功率器件的非线性模型第三代移动通信系统对基站功率放大器和手机功率放大器的性能要求比第二代系统严格得多。几年前，移动通信功率放大器使用的射频功率晶体管主要是硅双极型晶体管和GAASMESFER。随着系统向第三代发展，LDMOSH汀横向扩散金属氧化物半导体场效应管以其线性动态范围大、线性增益高、输出功率大、互调失真小且价格低廉等诸多优势正逐步取代硅双极型晶体管和GAASMES聊。成为移动通信系统基站功率放大器首选的射频功率器件。LDMOS功率场效应管是一种市场需求巨大、发展前景广阔的射频功率器件。世界各大半导体厂商竞相开展研究与开发，FREESCALE、EFJCSSON、PHILIPS公司等都推出了自己的UMOS非常成熟的产品。本文的研究工作就是以FREESCALE公司的LDMOSFER作为射频功率放大器功率器件的基础上展开的。射频功率放大器电路设计、仿真和性能分析主要基于有源功率器件的等效电路、能求解的设计方程和经验技术。只有非线性器件性能被准确的描述才能实现设计的较好近似，因此首先建立准确的有源功率器件的RF大信号非线性模型非常重要。早期几种众所周知的MOSFET物理模型描述了器件的行为113L，但是其中的一些如SPICEKVELL、KVEL2或KVEL3大信号模型非常简单，不能准确的描述伏安和电压电容特性。其他的一些物理模型如BSIM313L由于考虑所有偏置条件下导数的连续性而具有太多参数，参数提取过于复杂，对RF仿真不是那么准确。基于表的模型，如HPR00T模型存在仿真时间长、没有考虑器件热效应不能准确预测功率放大器的失真等问题。国外针对U瑚OST的非线性电路作了大量研究，建立了包含场效应管热效应在内的多种大信号【DMOSFET模型。如MILLCR经验模型【4】、MET模型151、G大信号模型嘲，CMC模型17噜，这些模型可用于直流、大信号S参数、谐北京邮电大学博上论文第二章射频功率放大器非线性研究波平衡等较准确的仿真分析。211METUMOSN强模型F托ESCALE公司采用METUMOS模型9L描述其生产的UM0S高功率器件。METUM0S模型是一种大信号非线性经验模型，由于1RHE肌AL子电路的引入，模型适用于UMOSFET的自热效应分析，能够精确描述在不同的工作温度下任意偏置电压点的IV特性曲线以及漏极电流随温度变化的电热特性。IV曲线更接近实际并且具有连续高阶导数，电荷存储和连续电容模型也包含在模型内。后者对于找到正确的直流偏置点具有重要作用，因为器件自热造成1V曲线有很大区别。假定模型具有足够的时间常数以模拟主要影响直流偏置的慢热封装和芯片表面毫秒级热记忆，则模型也能用于建