自适应数字预失真放大器的算法研究

1、2009年4月Apr.2009电子设计工程Electronic Design Engineering自适应数字预失真放大器的算法研究王胜水,鲍景富,李红宝(电子科技大学电子工程学院,四川成都610054摘要:由于功率放大器特性随温度,供电电压等因素的变化而改变,为了保证预失真功率放大器稳定工作,预失真系统的自适应性能就显得非常重要。基于查找表的预失真放大器广泛采用最小均方(least-mean-square,LMS自适应算法。介绍了基于查找表的预失真放大器的基本结构,并根据步长参数和误差之间的非线性关系提出了一个新的变步长LMS算法。最后用MATLAB搭建了一个自适应预失真器的仿真系统。仿真表

2、明,在迭代500次时,该算法对预失真放大器失真效果的改进明显优于以前的算法。关键词:LMS;预失真;自适应;放大器;步长中图分类号:TN3文献标识码:A文件编号:1006-6977(200904-0121-02 Research of algorithm in the adaptive digital predistortion amplifierWANG Sheng-shui,BAO Jing-fu,LI Hong-bao(School of Electronic Engineering,University of Electronic Science and Technology,Chen

3、gdu610054,ChinaAbstract:In general,the characteristic of the radio frequency power amplifier varies with many kinds of factors,such as the environment temperature,power supply,etc.In order to guarantee the steady operation of the predictor-tion power amplifier, the adaptive performance of the predis

4、tortion system seems very important.Least Mean Square(LMSadaptive algorithm is widely used in the predistortion amplifier based on the Look-Up-Table(LUT.In this paper,the structure of the predistortion power amplifier based on LUT is introduced,a new function of variable step size is proposed,accord

5、ing to the non-line relation ship between the step size and the error.A simulation system of predistortion power amplifier is made with MALAB. The results shows this algorithm has a more perfect effect in improve the distortion of the predistortion amplifier when iterative computations run500times.K

6、ey words:LMS;predstortion;adaptive;amplifier;step size1引言在基于查找表的自适应预失真放大器中,最小均方LMS (least-mean-square算法广泛采用文献1-5所提出的观点。初始收敛速度、时变系统跟踪能力及稳态失调是衡量自适应滤波算法优劣的最重要技术指标。LMS算法的缺点是收敛速度慢。为了提高LMS算法的收敛速度,文献6提出改进的两个方法:输入信号去相关和尽可能增大步长参数。对于输入信号去相关方面,研究了分块LMS算法,DCT-LMS算法,归一化LMS算法。而增大步长参数方面,发现子带自适应LMS算法7,SVSLMS算法8,改进的

7、SVSLMS算法9。根据以前的研究:固定步长的自适应滤波算法在收敛速度、时变系统跟踪速度与收敛精度方面对算法步长因子的要求是相互矛盾的。为解决这一矛盾,提出LMS算法的步长调整原则:在初始收敛阶段或未知系统参数发生变化时,步长应较大,以便有较快的收敛速度和对时变系统的跟踪速度;而在算法收敛后,应保持很小的步长以达到很小的稳态失调噪声。在深入研究自适应算法的基础上,提出一个新的变步长LMS算法并与以前算法相对比仿真。新算法已用于预失真放大器仿真并取得良好效果。2数字预失真放大器图1为数字预失真放大器的基本结构,预失真器包括查找表和自适应预失真参数估计,反馈的输出信号V out和输入信号V in经

8、自适应算法计算更新查找表中的增益系数,此增益系数与输入信号做乘法运算得到预失真信号V pd。一般而言,预失真器要补偿的是由放大器非线性带来的幅度非线性失真和相位非线性失真。预失真器的输入输出关系表示为:V pd=V in F(V in(1式中:F(·为预失真器的增益函数。功率放大器的输出:V out=V pd G(V pd(2式中,G(·为功率放大器的增益函数。式(2代入式(1,则有:V out=V in F(V inGV in F(V in(3收稿日期:2008-12-02稿件编号:200812006基金项目:浙江省电路与系统重中之重学科资助基金项目(ZZ050103-1

9、1作者简介:王胜水(1984-,男,山东德州人,硕士研究生。研究方向:射频微波通讯。-121-信号经过自适应预失真放大器之后其输出为:V out =KV in(4所以有:K =F (V in G V in F (V in (53查找表的自适应算法LMS 算法中,令R in (n 为输入信号的自相关矩阵。W (n 为抽头权向量,那么有:e (n =d (n -W H (n R in (n (6W (n +1=W (n +(n R in (n e *(n (7式中:d (n 为期望信号;e (n 为期望信号与输出信号的误差信号;为步长参数,(n =(1-exp (-e (n 2。LMS 算法收敛的

10、条件为:0<<1/max ,max 是输入信号自相关矩阵的最大特征值。提出改进的SVSLMS 算法,从而提高LMS 算法的收敛速度。4新的自适应算法新的自适应算法为e (n =d (n -W H (n R in (n (8(n =*e (n 2/N(当*e (n 2/N<1/max ,N >21/max(当*e (n 2/N>1/max ,N >2!(9W (n +1=W (n +(n R in (n e*(n (10式(9中(n 要满足0<(n <1/max 。由于是人为指定,所以可由试验手段取得,e (n 是未知变量,其初始值无法估计,所以首

11、先要判断*e (n 2/N是否小于1/max 。但是这会增加时间复杂度,如果能够确认*e (n 2/N<1/max ,比如第一次迭代的e (n <1,则可直接设定为小于1/max 的值计算,以便减少时间复杂度。5仿真结果用MATLAB 搭建了一个自适应预失真放大器的模型,放大器使用saleh 模型。输入信号为256QAM 信号,分别对SVSLMS 改进型算法和该新算法进行仿真对比,其中SVSLMS 改进型算法的参数取值为=1,=10,该新算法参数取值为=2,N =5。迭代500次的结果如图2图5。其中,图2是理想的功放输出星座图;图3是未经预失真器的功放输出星座图;图4是采用改进的

12、SVSLMS 算法的预失真放大器的输出星座图;图5是采用新算法的预失真放大器的输出星座图。通过仿真可知,该新算法对预失真放大器的改进明显优于SVSLMS 改进型算法。6结论提出一个新的变步长LMS 算法,通过误差的平方函数控制步长的变化,有很好的收敛特性,用MATLAB 搭建了预失真放大器的仿真系统。仿真表明:在进行500次迭代计算时该新算法对预失真放大器非线性特性的改进明显优于改进的SVSLMS 算法。参考文献:1Hsin -Hung Chen,Chih -Hung Lin,Po -Chium Huang.Jointpoly -nomial and look -up -t able pred

13、istortion power amplifier lin -earization J.IEEE Transaction on Circuits and Systems,2006,53(8:612-616.(下转第125页图1基于LUT 的预失真放大器的结构图图3未经预失真器的星座输出图图2理想的星座输出图图4SVSLMS 改进型算法预失真放大后的星座图图5 本文算法预失真放大后的星座图电子设计工程2009年第4期-122-图 5强对流方式对LED器件最大功率的影响王静,等改善大功率LED散热的关键问题0000000000000000000000000000000000(上接第122页2Kat

14、hleen J Muhonen,Mohsen Kavehrad.Look-up table tech-niques for adaptive digital predistortion:a development and comparisonJ.IEEE Transactions on Vehicular Technology, 2000,49(5:1999-2002.3Ernesto G Jeckeln,Fadhel M Ghannouchi.A new adaptivepredistortion technique using software-defined radio and DSP

15、technologies suitable for base station3G power amplifiersJ.IEEE Transactions On Microwave Theory and Techniques, 2004,52(9:2139-2147.4Shinichirou Takabayashi,Masayuki Orihashi,Takashi Mat-suoka.Adaptive predistortion linearizer with digital quadra-ture modemJ.Vehicular Technology Conference Proceed-

16、ings2000.2000,3(5:2237-2241.5John W Wusenberg,Helen J Xing,J R Cruz.Complex gainand fixed-point digital predistorters for CDMA power ampli-fiersJ.IEEE Transactions on Vehicular Technology,2004,49(5:469-478.6谷源涛.LMS算法收敛性能研究及分析D.北京:清华大学,2003.7Sristi P Lu W-S,Antoniou A.A new variable-step-size LMSalgo

17、rithm and its application in subband adaptive filter for e-cho cancellationJ.IEEE International Symposium on Circuits and Systems,2001,2(5:721-724.8覃景繁,欧阳景正.一种新的变步长自适应滤波算法J.数据采集与处理.1997,12(3:171-194.9高鹰,谢胜利.一种变步长LMS自适应滤波算法及分析J.电子学报.2001,(8:1094-1097.数对最大功率的影响如图5所示。强对流方式在一定速度内会大大提高LED产品的散热能力,有助于提高散热效

18、果。综上所述,无论是增加散热面积还是增加对流速度都不能无限制地提高散热能力,其原因在于:当散热结构、方式固定后,即使LED导热率有所上升,也无法真正大幅度降低芯片温度;事实证明增加散热面积,可以促进散热。但由于成本限制,且不可能无限制地增加散热面积,因此,要提升LED产品的散热能力,关键要在最大努力增加散热面积时,寻找一种可以快速将上表面热量带走的散热方式。4结语利用ANSYS软件对大功率LED进行三维有限元热分析,并绘制了其受不同因素影响时器件的温度云图,通过比较各种因素对散热性能的影响,得出结论:在经过必要的选材优化后,对于材料热导率的追求只是对提高LED散热能力细枝末节地修改,想要大幅度地提高LED的散热能力,关键是增加散热面积与改变散热方式。参考文献:1Arik M,Petroski J,Weaver S.Thermal challenges in the futuregeneration solid state lighting applications:Light emitting diodesJ.Proc.IEEE Intersoc