（电子科学与技术专业论文）基于预失真技术的射频功率放大器线性化研究.pdf

a b s t r a c t w i t ht h e r a p i dd e v e l o p m e n t o fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt h el i n e a r m o d u l a t i o nm e t h o d sa r ew i d e l yu s e d s i n c et h ee n v e l o p eo fm o d u l a t e ds i g n a l f l u c t u a t e s ，t h e s em e t h o d sg e n e r a t eu n w a n t e di n t e r m o d u l a t i o nd i s t o r t i o n ( i m d ) p r o d u c t si n an o n l i n e a rr a d i of r e q u e n c y ( r f ) p o w e ra m p l i f i e r ( p a ) s oi t i s n e c e s s a r y t ou s el i n e a r i z a t i o n t e c h n i q u e t or e d u c et h e a d j a c e n t c h a n n e l i n t e r f e r e n c e ( a c i ) p r e d i s t o r t i o n i sa w i d e l y u s e dl i n e a r i z a t i o n t e c h n i q u e b e c a u s eo fi t s u n i q u ea d v a n t a g e ，a n dt h er e s e a r c ho fp r e d i s t o r t i n gl i n e a r i z e ri s b e c o m i n gt h eh o tr e s e a r c hf i e l d t h em a i ns t u d y i n go f t h i sd i s s e r t a t i o ni sa b o u t c u b i ca n a l o gp r e d i s t o r e r ，d i g i t a lp r e d i s t o r t i o nl i n e a r i z e rb a s e do nl o o k u pt a b l e ( l u t ) t e c h n o l o g y a n d f e e d f o r w a r d p r e d i s t o r t i o n l i n e a r i z a t i o n s y s t e m t h e o r i g i n a lw o r ka n dv a l u a b l er e s u l t si nt h i sd i s s e r t a t i o na r ea sf o l l o w s 1 an o v 7 e lt h i r d o r d e rd i s t o r t i o ng e n e r a t o rw h i c hc a ns u p p r e s st h er e s i d u a l s e c o n d - o r d e ri n t e r m o d u l a t i o n d i s t o r t i o n ( 1 m d 2 ) i sp r e s e n t e d t h i s n e w d i s t o r t i o n g e n e r a t o ru s e saf e e d b a c kc i r c u i tn e t w o r kc o m p o s e do fd i o d e sa n d r e s i s t o r st ob a l a n c et h er e s i d u a li m d 2 c o m p o n e n t at h e o r e t i c a ls t u d yi sc a r r i e d o u ta n db a s i cf e a t u r eo ft h i s g e n e r a t o ri sa n a l y z e d c o m p a r e d u ，i t hc o l n n l o n u s e dd i s t o r t i o n g e n e r a t o r ，t h ec u b i cp r e d i s t o r t e r st h a tu s et h i sk i n do fn o v e l g e n e r a t o rh a v ea b e t t e ri m d 2s u p p r e s s i o np e r f o r m a n c ea n dc a n a d a p t i v et h e d i f f e r e n tm a t c h i n gp e r f o r m a n c eo fd i o d ep a i r s t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h e c u b i c p r e d i s t o r t i n g l i n e a r i z a t i o n s y s t e m c a na c h i e v e4 6 d bt h i r d - o r d e r i n t e r m o d u l a t i o nd i s t o r t i o n ( i m d 3 ) s u p p r e s s i o n 2t h ei n d e x i n gm e t h o do fl u t p r e d i s t o r t i n gl i n e a r i z a t i o ns y s t e mi ss t u d i e d i nt h isd i s s e r t a t i o nf i r s tt h e c o m p a n d i n gf u n c t i o nt h a t c a nr e a l i z e o p t i m u m t a b l e s p a c i n gi sd e r i v e d ，a n dan e w n o n l i n e a ri n d e x i n gm e t h o db a s e do nl u t t e c h n i q u e i s p u t t i n gf o r w a r d t h ea d v a n t a g eo ft h i sn e wi n d e x i n gm e t h o di s s t u d i e da n dt h e p r a c t i c a li m p l e m e n t a t i o n i s p r e s e n t a t l a s ta n i m p r o v e d a d a p t i 、e s c h e m eo ft h en e wm e t h o di sc o n s i d e r e d s i m u l a t i o n s t u d ys h o w s 2 5 d bi m d 3s u p p r e s s i o nc a nb ei m p r o v e dc o m p a r e dw i t hc o m m o n p o l a rl u t i i i d r e d i s t o r t i n gs y s t e m t h a th a ss a m e6 4l u te n t r i e s b e s i d e st h es t u d y i n go f i n d e x i n gt e c h n i q u e ，t h ea d a p t i v e r e f r e s ha l g o r k h m so fl u ta r es t u d i e da n da n e w a l g o r i t h mi so b t a i n e d 3ar fp al i n e a r z i a t i o ns y s t e mt h a tc o m b i n e sr fp r e d i s t o r t i n gt e c h n i q u e a n df e e d f o r w a r dt e c h n i q u ei sp r e s e n t c o n t r a s t e dw i t hb a s i cf e e d f o r w a r ds y s t e m t h el n a i ni m p r o v e m e n to fn e ws y s t e mi st h es i g n a lf e a t u r eo fe r r o rs i g n a lp a t h i nn e ws y s t e mt h e e r r o rp ac a na l s o a m p l i f y t h e o r i g i n a ls i g n a l ，s o t h e p e r f o r m a n c eo fw h o l ea m p l i f i e rs y s t e mi n c r e a s e s s i n c e r fp r e d i s t o r t e r su s e d i nt h en e ws y s t e m ，t h e l i n e a r i t y a n d p o w e re f f i c i e n c y c a nb ee n h a n c e d c o n s i d e r i n g t h en o n l i n e a rd i f f e r e n c eo ft h eg a i na n dp h a s ec h a r a c t e r i s t i c i n s o l i ds t a t ep o w e ra m p l i f i e r ( s s p a ) ，ap a r a l l e lb u ti m b a l a n c e dp r e d i s t o r t i n g a d j u s t e ri s u s e da n dt h eh a r d w a r ec o s tc a nb er e d u c e d t h es i m u l a t i o nr e s u l t s h o w st h i sn e wk i n do fl i n e a r i z a t i o ns y s t e mc a ng e t6 3 d bi m d 3s u p p r e s s i o n k e y 、o r d s ：r a d i of r e q u e n c yp o w e ra m p l i f i e r ，p r e d i s t o r t i o n ，l i n e a r i z a t i o n t e c h n i q u e ，i n t e r m o d u l a t i o nd i s t o r t i o n ，l o o k u p t a b l e ，i n d e x i n g m e t h o d f e e d f o r w a r d - p r e d i s t o r t i o ns y s t e m v 第一章引言 第一章引言 1 1 课题研究的目的和意义 毫无疑问，过去十年中无线通信技术的飞速发展，不仅改变人们的通 信方式，还从某种程度上改变了生活方式。从全球范围来看，无线通信 用户的年增量都在持续逐年大幅度增长，无线通信已经进入规模化发展的 阶段。如今，快速发展的无线通信己成为信息产业中最为耀眼的亮点，并 成为推动社会经济发展的强劲动力。 无线通信系统的目的是用最小的功率来保持每个信道的有效链接，但 随着无线用户的飞速发展和宽带通信业务的开展，通信频段变得越来越拥 挤，在频谱效率和功率效率这两个重要指标之间更趋向于选择频谱效率。 为了在有限的频谱范围内容纳更多的通信信道，要求采用频谱利用率更高 的传输技术，因此线性调制技术技术如q a m ( q u a d r a t u r ea m p l i t u d e m o d u l a t i o n ) 、q p s k ( q u a d r a t u r ep h a s es h i f tk e y i n g ) 等在现代无线通信 系统中被广泛采用。 所有的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。但通信系统中的非线性器件必定 会使发送信号产生非线性失真，从而对相邻信道产生不同程度的干扰。对 j 二一个高功率的射频发射机而言，这些失真信号虽然比所要输出的信号小 许多，但它的绝对值还是很大，会对系统产生干扰，因此必须控制在一定 的范围以内。 对于采用恒包络调制如f m ( f r e q u e n c ym o d u l a i t o n ) 、m s k ( m i n i m u m s h i f tk e y i n g ) 的无线通信系统，可以采用滤波技术等来消除谐波干扰。但 对于包络变化的线性调制技术，滤波并不能消除交调产物，因此必须采用 线性化的发射机系统。射频功率放大器是发射机系统中非线性最强的器 件，特别是为了提高功率效率，射频功放基本工作在非线性状态，因此线 性功率放犬器设计技术己成为线性化发射机系统的关键技术。 目自d ，无论是在无线通信还是有线通信领域，功率放大器的线性化技 第一章引言 术已成为一个广泛而活跃的研究领域。除了线性化调制技术的广泛采用等 原因以外，以下一些原因也促进该技术得到广泛研究并迅速发展： 1 出于对通信系统功率效率的要求，不能采用简单的功率回退技术来 解决功放线性化问题。所谓功率回退就是采用大功率的放大器，然后通过 功率回退使之工作在线性放大区域。如果采用该技术，一方面电源利用率 一般仅为1 5 ，会产生导致终端自主时间过短、基站热管理等一系列 问题。另一方面大功率器件只能输出很小的功率，其本身潜力不能充分发 捣二，也造成整机制造成本的提高。 2 多载波调制技术的逐渐采用也要求线性化的功率放大器。以o f d m ( o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 为代表的多载波调制技术具 有高传输速率、不需均衡等明显优点，已为许多标准如8 0 2 1 1 、h d t v ( h i g h d e f i n i t i o nt e l e v i s i o n ) 、4 g 等所采用i “。由于o f d m 信号具有很高的峰值 f 均功率比，功率放大器的非线性将影响到整个系统的性能。 3 多载波系统要求线性化的功率放大系统。多载波放大系统广泛应用 于无线通信的基站系统中，由于多径传播和远近效应的存在，基站系统对 邻道干扰的要求非常严格【3 1 ，这就要求采用高线性度的发射机系统，减少 交i 周分量对相邻邻信道的干扰。 4 自适应天线系统的需要。发射机非线性引起的邻道干扰会影响相邻 蜂窝甚至相邻波束的用户，非线性交调产物会导致波束宽带、旁瓣抑制、 零位深度等一系列天线的性能指标变差【4 j 。 5 动态信道分配的要求。动态信道分配技术要求发射机能工作于任何 个信道【5 i ，最终要求采用宽带线性化的功率放大器。 6 一些新兴无线通信技术的需要。以软件无线电为代表的新兴无线通 f 刊支术，从本质上要求线性、宽频的发射机技术，因此需要高度线性化的 刑频功率放大器1 6 j 。 12 国际国内研究状况和进展 小小节回顾了国内外射频功率放大器线性化技术的研究状况，着重介绍了基 _ j 预失真技术的射频功放线性化系统的研究现状及进展。 一2 第一章引言 1 2 1 射频功放线性化技术国内外研究现状 功率放大器的线性化技术研究可以追溯到上个世纪二十年代。1 9 2 8 在 贝尔实验室工作的美国人h a r o l d s b l a c k 发明了前馈和负反馈技术并应用 到放大器设计中【7 - 8 ，有效地减少了放大器失真，可以认为是功放线性化技 术研究的丌端。但那时主要是从器件本身的角度来提高功率放大器的线性 度，所研究的功率放大器频率也较低。 随着无线通信技术的兴起和飞速发展，到上世纪七八十年代射频功率 放大器的线性化技术得到飞速发展，主要呈现以下两个特点： 1 一些新兴的功放线性化技术，如基于查找表的自适应基带预失真技 术、自适应前馈线性化技术、e e & r ( e n v e l o p ee l i m i n a t i o na n dr e s t o r a t i o n ) 技术、l i n c ( l i n e a ra m p l i f i c a t i o nu s i n gn o n l i n e a r c o m p o n e n t s ) 技术、 c a l l u m ( c o m b i n e d a n a l o g u el o c k e dl o o pu n i v e r s a lm o d u l a r ) 技术等得到广 泛研究和发展，申请了一大批专利。 2 研究人员从器件设计人员扩展到系统设计人员，许多学者试图从系 统的角度解决射频功放的非线性问题。实际上有些线性化技术完全避丌了 功率放大器本身的非线性特性，同样有些技术则能对整个发射机系统进行 了线性化。 日i u 在围际上，无论是学术界还是工业界，对射频功放的线性化技术 研究部非常重视。近年来，i e e e 每年关于这方面论文以百分之十几的速度 增长，2 0 0 1 年直接相关论文就达四五十篇1 9 。2 0 0 1 年微波理论与技术国际 会议( i e e em t t s ) 有5 个组讨论功率放大器，其中一个组专门讨论改进 助；棼放大器线性度和效率的方法f 】o l 。与此同时，由于该技术较强的实用性， 缳年都有上百个相关的明专利被申请，仅2 0 0 1 年批准相关的专利超过15 0 个i “i 。 相比之下，国内还没有对该技术研究引起足够重视，只有东南大学、 华中科技大学、华南理工大学等少数单位丌展这方面的研究工作【”。5 i 。从 z 三表的论文看，绝大部分部属于介绍性文章，学术研究论文较少。专利的 申请更不容乐观，关于这方面的发明专利很少i ”】，因此非常有必要开展这 方面的研究工作。 第一章引言 122 基于预失真技术的线性化系统研究进展 预失真技术是一种广泛使用的射频功放线性化技术，图1 1 就是一个 典型的开环预失真系统。根据预失真器在发射机中的位置，可以分为射频 预失真技术、中频预失真技术和基带预失真技术。根据预失真器处理信号 的形式，可以分为模拟预失真技术和数字预失真技术。基于预失真技术的 射频功放线性化系统是本论文的主要研究内容，本文分别就三阶模拟预失 真系统、查找表预失真技术和前馈预失真系统中一些关键的技术问题进行 了研究。 h i n | f 1 1 p a r 图1 1开环预失真系统框图 122 1 模拟预失真技术的研究状况及进展 模拟预失真技术起源于上世纪中叶对晶体管器件非线性特性研究的 丌展。1 9 5 9 年m a c d o n a l d 就提出了用相反的非线性特性来补偿三极管本身 二怍线性的方法【”】，这就包含了模拟预失真技术思想。19 6 8 年l o t s c h 提出了 分析二极管非线性的理论【”l ；19 6 7 年n a r a y a n a n 提出了用v o l t e r r a 级数研 究品体管的非线性 19 1 并研究了串联晶体管的交调扰动问题【2 ， r e v l l o l d s 【2 ”2 i 、t h o m a s 2 3 。2 4 1 等也研究了晶体管的非线性失真和消除问题。 模拟预失真技术早期主要应用于行波管功率放大器中，行波管功率放 大器是一种典型的三阶非线性器件，采用三阶模拟预失真器可以取得较好 的线性化效果。1 9 7 9 年日本人s a t o h 就把模拟预失真技术应用于行波管功 放。 。诈取得不错的效果 2 5 l ：b r e m e n s o n 等人研究了卫星通信系统中预失真 行- i ；y 管功率放大系统【2 6 l ；n a m i k i y 等研究了q a m 调制下模拟预失真技术对 行波管放大系统性能的提高2 7 】：k a t z 研究了可自动适应环境变化的二极管 模拟预失真嚣【2 8 】；此外还有一些相关的文章和专利1 2 9 - 3 6 1 。 i 阶模拟预失真技术在行波管功率放大系统中成功应用后，就迅速推 广到固态功率放大系统中。19 8 4 年日本人n o j i m a 用二极管搭成了一个三 第一章引言 阶模拟预失真系统【”1 ，并成功地应用到8 0 0 m h z 移动电话系统【3 。n o j i m a 还研究了2 5 6 q a m 调制方式下模拟预失真技术对系统性能的影响，在 6 g h z 载波5 0 0 m h z 带宽情况下可以压缩三阶交调分量6 d b ，2 5 m h z 带宽 的时候可以抑制2 0 d b l 3 9 】。k u m a r 把三阶模拟预失真器应用到1 2 w 38 - 4 2 g 吲态功率放大器中，并可以通过改变偏置电压来改变预失真器的非线性特性 m 4 ”。n a l 3 n i c i n i 研究了带温度补偿的固态功放预失真系统【4 2 】：c z e c h 研究 了模拟预失真技术4 g h z 场效应功放性能的影响1 4 3 1 ；a m a d e s i 提出了分级预 失真的方法【4 4 1 ：s t e w a r t 研究了应用于小功率终端的模拟预失真技术1 4 “。早 期的模拟预失真技术主要应用于有线电视和卫星通信系统中，主要研究文献 还包括 4 6 5 0 。 1 9 世纪8 0 年代后，模拟预失真技术进入快速发展时期，这时的主要 应用对象是移动通信系统。在自适应技术方面，s t a p l e t o n 提出了通过带外 j 力簪采样来控制预失真器的自适应技术，该技术可以用在模拟和数字预失真 系统中15 1 - 5 2 1 。b e n e d e t t o 提出了一种通过最小化输入和输出信号均方根误差 来实现自适应控制的技术，分析指出了其优缺点“。j e c k e l n 则通过对非线 性j 力放直接建模，来自适应控制预失真器川。b e r n a r d i n i 仿真研究了不同控 制策h s 对血阶模拟预失真系统性能的影响b ”。 许多文献对不同应用背景下模拟预失技术的性能进行了分析研究。 m i c h a e l 提出了一种应用于多载波放大系统的模拟预失真技术，该技术通过 对多通道输出信号的采样来完成自适应控制功能【5 “。k a n g 等研究了模拟顺 、且器在跳频系统中性能，实验研究表明交调失真可以压缩1 0 d b 左右p “。 l a j 等人提出了一科一采用新型放大器模型的预失真系统，与相同阶数的预失 真器相比该系统可以取得更好的性能【5 8 1 。s t o n i c 提出了- - + 0 0 应用于数字电视 系统的多级模拟预失真系统1 5 9j ：韩国的y i 研究了一种应用于c d m a 基站 l 的模拟预失真系统【6 0 ；b e n e d e t t o 等人研究了三阶模拟预失真器对o f d m 系统的影响i “】：b a n e l l i 研究了模拟中频预失真同数字预失真相结合的系统 对o f d m 信号的影响1 6 2 。r a h k o n e n 研制了一种五阶模拟预失真器的芯片， 该芯片可以用于a 类、b 类或a b 类功率放大器，当带宽为m h z 时交凋扰 刊j i 以j j 三缩：o 一3 0 d b l 6 3 1 。 第一章引言 12 22 查找表预失真技术的研究状况及进展 数字预失真技术是指用在数字域内完成信号预失真处理的技术，一般 有两种实现方式，基于非线性射频功放的参数模型实现和基于查找表方式 实现。射频功放的参数模型有许多种，如多项式模型、v o l t e r r a 级数模型 等。多项式预失真系统是三阶预失真系统的推广，在模拟多项式预失真器 出现后就出现了用数字技术实现的多项式预失真系统【6 4 巧6 1 ，并逐步发展 完善1 6 7 - 6 9 。v o l t e r r a 级数是描述非线性系统的通用模型，因此基于v o l t e r r a 模型数字预失真技术也是研究的热点1 7 0 - 7 2 。 19 8 8 年b a t e m a n 等提出了利用查找表和血线拟合的方法来实现信号的 预失真h “，这可以认为是查找表预失真技术的起源。1 9 8 9 年n a g a t a 提出 了映射预失真技术【7 4 1 ，该技术采用两张二维预失真表来实现预失真功能， 但系统收敛速度较慢。m a n s e l l 提出了一种实用的查找表预失真系统【7 ”，但 l 亥技术需要做差值计算，运算负担较重。1 9 9 0 年m i n o w a 等提出了与功率 回遐技术相结合的类似系统【7 。对于映射预失真技术的进展还可参见文献 f 7 7 7 8 】。 1 9 9 0 年f a u l k n e r 提出了用两张一维预失真表实现预失真功能的技术 ，f a u l k n e r 的研究表明该技术可以压缩3 0 d b 交调失真，但实验系统带 麓j 仃2 k h z 。这种预失真技术同相位相关，因此对正交调制和解调器 的瞑差卜分敏感，文献 8 1 罐3 研究了自动纠正这些误差的方法。同年 c a v e r s 提出了一种用复增益查找表来实现预失真器的方法1 8 4 。85 1 ，该技术用 l f 交方式表示的复增益来实现预失真表1 8 4 - 8 5 1 。w r i g h t 实验研究表明 8 6 - 8 7 i ， 在中带情况f 该技术可以达到2 5 d b 的交调失真分量压缩。 目f j u ，查找表预失真系统以成为预失真技术的一个重要分支，其最新 的研究成果综述如下。s u n d s t r o m 研究了预失真系统各部分量化效应对系统 性能的影响【8 8 】；c a v e r s 研究了调制解调误差对预失真系统性能的影响 8 9 i ； m a n n i n e n 研究了反馈回路延迟对系统性能的影响 9 0 1 。j e c k e l n 提出了通过刈 t 0 波非线性特性时实建模来刷新预失真表的技术【。l - 9 2 1 ；m a n s e l l 研究了一种 简化反馈形式的复增益预失真系统 9 3 1 ；h a n 等提出了一种通过时实估计复 包络传输函数来刷新查找表的技术【9 ”。t a k a b a y a s h i 研究了采用数字调制器 6 一 第一章引言 的查找表预失真技术，该方法可以消除调制器的i q 信号不匹配、直流偏移 等误差1 9 5 i 。h a s s a n i 等对基本复增益预失真系统做了改进，这些改进只需要 很小的硬件改动但可以得到不错的效果1 9 6 1 。l e e 等比较了在e d g e ( e n h a n c e d d a t ar a t ef o rg s me v o l u t i o n ) 系统中各种自适应算法性能【9 7 1 ；i b n k a h l a 等研 究了神经网络算法在查找表预失真技术中的应用1 9 8 1 ：m u h o n e n 等对比评述 了各种查找表预失真技术的特点【9 9 】。 1 2 2 3 预失真技术同其它线性化技术相结合 随着无线通信技术的发展，对发射机系统的功率效率、频谱效率、线 性度等性能要求也越来越高。线性化技术的种发展趋势就是组合几种基 本线性化方法，通过各自优点来提高整个系统的性能。预失真技术同各种 反馈技术相结合是普遍采用的一种技术，n e s i m o g l u 提出了一种有源反馈同 预失真相结合的技术1 1 0 0 1 ；c a r d i n a l 提出了一种双有源包络反馈的预失真技 术【0 1 】：p a r k 研究了一种只反馈包络信号的预失真系统1 1 0 2 i ；k i m 等人提出 了一种新型的电路拓扑结构，这种反馈预失真回路可以实现同前馈系统一样 的工作原理i ”。 此外，还出现预失真技术同前馈技术相结合的系统，但所开展的研究 不是很深入。文献 1 0 4 ，1 0 5 在研究卫星地球站系统时指出，前馈技术和预 失真化技术相结合可以得到更好的功率效率和线性化性能。文献f 】0 6 在一 个6 u 馈功率放大系统中采用了预失真技术。预失真技术同l i n c 技术相结 合是最近提出的一种新型技术1 07 1 ，该技术的本质是采用预失真器来弥补 l i n c 系统中两条回路的幅度和相位不平衡。 13 本论文的主要工作和内容安排 本论文的主要工作可分为三个部分，分别涉及到三阶模拟预失真系统、 基于查找表技术的自适应基带预失真系统和同前馈技术相结合的射频预 失真系统。概括起来，本文创新性的工作可简要叙述如下。 刈j j 采用二极管反向平行对的三阶模拟预失真系统，当二极管对统计 特r 不匹配时会产生驻留的二阶交调失真信号，从而会影响整个系统性 第一章引言 能。本文提出了一种可以抑制驻留二阶交调扰动的新型三阶扰动器，该扰 动器采用由电阻和二极管组成的反馈网络来平衡二阶交调信号。本文从带 反馈电阻的二极管堆扰动器开始逐步推导了该新型阶扰动器的基本原理， 分析了其基本特性。研究表明该扰动器具有两个驻留二阶交调分量最小压缩 点，因此具有更好的抑制特性。此外该新型扰动器调节方便，并可以构成自适应 系统以适应不同的二极管对匹配情况。仿真结果表明采用该新型扰动器的三 阶模拟预失真系统能达到4 6 d b 的三阶交调压缩性能。 对于基于查找表技术的自适应预失真系统，本文主要研究了这种系统 中的一项关键技术一查找表表项索引技术。首先通过理论推导得出了可以 实现最优表项分布的压缩函数，然后提出了一种用查找表技术实现的非线 性表项索引技术，分析了该技术的优点并给出了具体实现方式，最后提出 了一种自适应改进方案。仿真研究表明，在相同6 4 位表项的极坐标预失真系 统中，查找表索引技术可以比幅度索引技术提高2 5 d b 左右的i m d 3 压缩性能， 但不会增加硬件实现的成本。本章最后还研究了表项的自适应刷新算法，在分析 儿种基本算法的基础上提出了一种改进弦线算法，仿真结果表明该算法可以提 高表项收敛速度。 本文最后从系统原理的角度研究了一种射频预失真技术和前馈技术相 结合的线性化技术，该技术改变了基本前馈技术中误差信号的特性，使误 芋放大器也输出有用信号功率，这样提高了整个放大系统的性能。此外由 r 在主功放和误差放大器前分别添加了预失真单元，因此提高了整个放火 系统的线性度和功率效率。考虑到固态功放幅度和相位非线性特性的差 异，陔技术采用了幅度和相位不平衡调节的射频预失真结构，可以降低硬 件成本。仿真结果表明该技术方案可以到达6 3 d b 的三阶交调压缩性能。 奉论文的主要内容分为血章，上面三部分研究工作分别在第三章、第 四章和第血章中做重点阐述。本论文第二章介绍了射频功率放大器的非线 性模型并分析了非线性射频功率放大器对发射机系统性能的影响，然后对 常用的线性化技术做了综述性介绍。第二章内容可以看做后续几章研究工 作的背景介绍。 一8 第二章射频功率放大器及其线性化技术 第二章射频功率放大器及其线性化技术 本章首先分析了射频功率放大器的非线性模型，然后介绍了非线性射 频功放对发射机系统的影响，最后对主流的功放线性化技术做了综述性介 绍。2 1 节分析了射频功率放大器的非线性模型，包括用a m a m 和a m p m 转换特性描述的非线性模型和用序列展开得到的带通无记忆非线性模型。 21 节介绍了线性发射机以及性能指标，着重分析了非线性功率放大器对发 射机系统性能的影响。2 _ 3 节对主流的射频功放线性化技术做了综述，包括 前馈技术、负反馈技术、e e & r 技术、l i n c 技术和c a l l u m 技术。 21射频功率放大器非线性模型 本论文研究对象是高功率高效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，也就是输出信号中会包括非线性引起的失真分量。 此外这些功率放大器都是有记忆效应的，也就是其输出不仅同现在的输入 信号相关，也同过去的信号有关。如果假设输入信号的带宽足够小，则叮 以把其看成无记忆非线性系统【”8 l ，在本文的所有分析中都假设所研究的 射频功放是没有记忆效应的。 2 1 1 极坐标非线性模型 如果不考虑记忆效应，可以把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。这种模型实质上考虑功率放大器两种类型的非 线性特性，即调幅调幅( a m a m ) 转换特性和调幅调x g ( a m p m ) 转换特 陀。由于射频功放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a m a m 和a m p m 特性来描述非线性功放是实际中经常采用 的方法。 如果把射频功放的a m a m 、a m p m 转换特性用串联方式表示，则可 u 得剖极坐标形式的非线性模型。考虑如下形式的单频输入信号： 第二章射频功率放大器及其线性化技术 j 。= a c o s ( 2 矾f + )( 2 1 1 ) 当陔信号通过非线性射频功放后，输出信号变为： s 。= f ( a ) c o s ( 2 刁：，+ 妒+ g ( d ) )f 2 1 2 ) 上式中f ( a ) 和g ( 口) 分别代表功放的a m a m 和a m - p m 非线性转换特性。 m i n k o f f 研究表明【10 9 0 1 ，对于调制输入信号式( 2 1 - 1 ) 和式( 2 1 - 2 ) f f i i 融 述的关系也同样满足，即对于如下调制输入信号： s ，( f ) = a ( t ) c o s ( 2 刀：f + ( f ) )r 2 1 3 1 输出信号可表示为： s o ( f ) = f a ( t ) c o s ( 2 巧：，+ 0 ) + g d ( f ) )f 2 1 4 、 式( 2 1 4 ) 所示的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下： a ( t ) c o s ( 2 3 r 。，则电阻r 可以用两个正 向偏置的串联二极管实现。如果把图2 3 7 中的反馈电阻r 用两个串联二极 管d 。和d 。代替后，即可得到图3 ，1 6 所示新型三阶扰动器电路。 在上面的分析中曾指出，二极管串联后的电阻r 大小是同流过二极管 的电流，。相关的，因此可以通过调节可变电压旷，来调节二极管，。，进而可 以调节电阻尺的大小。另一方面，从上面的分析可以看到，对于不同的二 极管对匹配情况，最优电阻r 的值是不同，因此可以通过调节电压矿，来达 到最优的：二阶交调扰动抑制，这是这种新型三阶扰动器的一个显著优点。 可变1 乜阻月，对电压灵敏度的控制是容易理解的，当电阻只、较大时，电压y ， 变化所引起电阻r 的变化相对较小；反之当电阻r 。较小时，电阻尺随电压 矿，的变化则比较灵敏。 3 3新型三阶模拟预失真器的仿真研究 本节首先对如图3 1 6 所示的新型三阶扰动器进行了仿真研究，分析了 在t 型衰减器组成的预失真系统中该扰动器对二阶交调信号的抑制能力。 然后本1 ，提 b 了一种采用新型三阶扰动器和l8 0 度相移分配器组成的二二阶 预失真系统，该预失真电路的通过自适应反馈可以达到了对二阶变调分量 的最佳抑制，最后仿真研究了该三阶模拟预失真器对a b 类功率放大器的 线性化性能。 3 3 1 新型三阶扰动器对驻留二阶交调抑制能力 对于【墨| 3 1 6 所示的新型三阶扰动器，采用t 型衰减单元组成三阶模拟 预失真器，其仿真模型如图3 3 l 所示。其中控制串联二极管d 。和d 。的控 制电压矿。= 1 4 9 v ，可变电阻r ，= 2 0 0 【2 ，电阻r = 1 9 5 q ，其它仿真参数同 表31 。下面来研究当二极管d ，的理想因子玑在1 到1 2 之间变化时该预 失真器羽二阶交调分量的抑制能力。 圈33 2 是仿真结果。从图中可以看出，随着理想因子玑增大，二阶变 调失真分量反而随之下降，说明该三阶扰动器具有明显抑制二阶交调的能 一4 9 第三章具有二阶交调抑制功能的三阶模拟预失真器研究 力。对比图3 3 0 可以发现，新型三阶扰动器抑制二阶失真的特性同电阻反 馈的二极管堆扰动器不一样。新型扰动器在仇增大时有两个最小点，因此 可以得到更好的二阶交调抑制性能，这是这种新型三阶扰动器另一个明显 的优点。 o 芝 图3 3 1新型三阶扰动器在a d s 中仿真模型 n 3 图33 2新型三阶扰动器对i m d 2 的抑制能力 l 冬：| 3 33 是在不同控制电压下，理想因子1 3 变化时新型三阶扰动器对 阶交调的抑制能力。从图中明显看出，对于不同的理想因子仉存在不同 一5 0 第三章具有二阶交调抑制功能的三阶模拟预失真器研究 最优控制电压，因此实际使用中需要根据不同的匹配情况对控制电压进 行调整，即需要自适应控制过程。 l m d 2v sd i f f e r e n t v d c 口 = n 3 图3 3 3 不同下新型三阶扰动器对 m d 2 的抑制能力 图33 4 仿真了电阻心对系统抑制二阶交调能力的影响，仿真时控制电 压取最优值= 1 4 9 v 。从图中可以看出，在控制电压确定的情况下，存在 一个最优的电阻r 。= 1 9 5 q ，使得二阶交调失真最小。这个特性同前面电 阻反馈的：极管堆预失真系统是一样的。 i m d 2v s 剐 r d 图3 3 4不同赢流偏置下对二阶交调的抑制能力 进一步分析了电阻r 。的容差性能对系统抑制二阶交调分量的影响。 分别仿真了在最优电阻值r 。= 1 9 5 q 偏差5 的情况下，也就是电阻为 r 。，= 1 85 2 5 f ) 和r j = 2 0 4 7 5 f 2 时二阶交调分量的抑制情况，如图3 3 5 所示。 第三章具有二阶交调抑制功能的三阶模拟预失真器研究 当电阻r 。偏差5 时，输出的二阶交调分量在图中分别如图中用方框和 到三角表示的两条曲线。从图中可以看出，新型三阶扰动器对电阻如的容 差变化非常敏感，这是实际使用中必需注意的问题。 i m d 2v sr dt o l e r a n o = n 3 图3 3 5 r 。在5 容差变化时二阶交调失真的变化图 332 采用相移分配器实现的新型三阶预失真系统 前面所研究的三阶预失真器是都是采用t 型衰减网络，但t 型衰减网 络有系统噪声大、功率效率低等缺点，一种改进的方法是采用环行器或相 移分配器柬实现预失真器，本小节仿真研究了采用相移分配器实现的新型 二阶预失真器性能。 r r 1 ：# 图3 3 6相移分配器实现的三阶预失真系统 5 2 兰三童垦塑三堕奎塑塑型垫壁塑三堕堡型堡叁壅墅塑壅 对于如图3 1 0 所示的采用相移分配器的预失真系统，用新型三阶非线 性扰动器代替原来的二极管反向平行对后，在a d s 中建立仿真模型如图 3 3 6 所示。这种预失真器的关键是调整相移分配器零度输出端的电阻和电 容值，它们的作用是分别抵消扰动器所产生线性分量和相位误差，在仿真 时可以通过优化的方法得到，其它仿真参数同图33 l 所示的系统。 仿真后发现该预失真器对驻留二阶交调信号的抑制特性基本同t 型衰 减网络预失真器一样，因此这里不在重述。图3 3 7 是预失真器输出信号的 频谱，其中主要以三阶信号为主，线性分量得到明显抑制。 言 曼 l 图3 3 7相移分配器实现的三阶预失真器输出信号频谱图 图33 8成j _ h 新型三阶预失真器的射频功放线性化系统 第三章具g _ - 阶交调抑制功能的三阶模拟预失真器研究 本文仿真研究了新型三阶预失真器对a b 类非线性射频功放的线性化 效果，图3 3 8 就是整个预失真线性化系统的仿真原理框图。射频输入信号 经信号分离器分成两路，上面一路通过时间延迟单元达到功率合成器的一 端，该时间延迟信号是用来补偿信号经过三阶模拟预失真器的时间延迟。 另一路信号则经过新型三阶模拟预失真器后到达功率合成器的另一端，两 路信号合成后注入到功率放大器完成功率放大器的线性化功率。 在实际使用中，二极管对的性能匹配情况是不能预先得知，因此本文 提出了白适应控制单元来适应不同匹配情况。如图3 3 8 所示，该线性化系 统实现了对控制电压旷，和电阻月。的自适应控制，自适应策略是基于输出驻 留二阶交调信号的能量最小。由于三阶扰动分量同二阶失真分量的频带距 离较远，因此实际实现时可以采用滤波器得到二阶失真分量，然后通过包 络检波的方式得到二阶失真分量能量的大小，再用这个信号去控制新型三 阶扰动器中的控制电压，和电阻r 。的大小。 幽33 9仿真_ i j 典型的a b 类射频功率放大器 图3 3 9 是本文所研究的典型a b 类射频功率放大器在a d s 中的仿真模 型，陔功率放大器采用m o t o r o l a 的m r f 9 7 4 2 功率管，仿真模型考虑了器 件封装的影响，因此具有较高的精度。 在仿真过程中需要对幅度、相位调节单元和时间延迟单元