（信号与信息处理专业论文）射频功率放大器线性化技术的研究.pdf

2 0 0 6 河海大学硕士学位论文 摘要 射频功率放大器是通信系统的主要器件，功率放大器的非线性导致了通信系统带 外的频谱杂散、旁瓣再生：同时非线性失真信号也给带内带来了失真影响，该种带 内失真影响接收机的比特误码率。另外现代通信系统的传输模式，如宽带频分码分 多址( w c d m a ， w i d e b a n dc o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 、j e 交频分多址( 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 h i p l e x i n g ) ，由于其信号都具有高峰平比的特 性，受非线眭失真的影响很大。如果只是简单的采用功率回退的方法来获得功率放 大器的线性特征，功率放大的效率将非常低下。因此通常采用功率放大器线性化技 术来获得一个整体呈现线性特征的、效率高的功率放大器系统。 本论文在全面、深入地探究了射频功率放大器的基础上，重点研究了功率放大器 线性化技术中有着广泛应用前景的预失真技术。主要研究成果如下： ( i ) 提出一个模拟预失真电路设计方案，该种电路设计有效地抑制三阶互调失真并 已被应用在移动通信网络优化产品中，并且该种模拟预失真器也可以被应用在数字 电视无线传输网络中。 ( 2 ) 针对数字预失真技术的研究重点为自适应预失真算法，本文提出了一种改进的 逐次迭代预失真算法，仿真结果证明改进算法不仅保持了原迭代算法的优点，并且 大大降低了信号的相对幅度误差。 ( 3 ) 将基于正交分解的递归最小二乘法这种自适应滤波器理论中的最新算法应用 于对数字预失真器的自适应失真控制中，取得了理想的实验仿真结果。 【关键词】射频功率放大器线| 生化自适应预失真查表法 2 0 0 6 河海大学砸士学位论文 a b s t r a c t p o w e ra m p l i f i e r sa r ee s s e l l t i a l c o m p o n e n t s i nc o 姗l l i l i c a t i o ns y s t 锄sa 1 1 da r e i n h e r e n t l yn o n l i n e 缸t h en o n l i n e a r i t yc r e a t e ss p e c 试g m w m ( b r o a d c n i n 曲b e y o n dt l l e s i 髓a lb a f l d w i d m ，w l l i c hi n t 刊苛e s 州t ha d j a c c n tc h a 衄e i s ha l s oc a u s e sd i s t o n i o n sw i t h 血 t h e s i 印a lb a l l d w i d t l l ，w l l i c hd e c r e a s e s 1 eb i te r r o rr a t ea t l er e c e i v e r n e w e r t r a n 锄i s s i o nf o n l l a t s ，s u c ha sw i d e b a n dc o d ed i v i s i o nm u l 邱l ea c c e s s ( w c d m a ) o r o r t h o g o n a l 丘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 ( o f d m ) ，a r ee s p e c i a l l y l n e r a b l et ot l l e n o l l l i t l e a rd i s t o m 蚰sd u et ot i l e i rh i 曲p e a l ( - t o - a v e r a g ep o w e r r a t i o s ( p a p 鼬) i f w es i n l p l y b a c k 。o 行m ei n p u ts i 印a 1t oa c i l i e v em el j n e 撕t yr e q u i r e df o rm ep o w e ra r 】叩l i 6 e r ，t l l e p o w e r 锄1 p l i f i e re 伍c i e n c yw i l lb ev e r yl o wf o rh i 曲p a p rs i g n a l s a n o t h e rc h o i c ei st o 1 i n e a r i z ean 砌i n e a rp o w e r 锄p l i f i c rs ot h a to v e r a l lw eh a v eal i n e a ra l l dr c a s o n a _ b l y e 街c i e n td e “c c b a s e d0 nm ec o m p l e t ea n dd e e ps t u d yo fr a d i op o w e r 帅p l 湎e r “sd i s s c r t a t i o n f o c u s e so np r e d i s t o r t i o nt 幽q u e ，o n eo ft l l em o s tc o s te f f 酏t i v e w a y sa m o n ga l l l i n e 缸z a t i o nt e c h n i q u e s m a i na c h i e v e t l l e n t sa r ea sf 0 1 1 0 w s ：a ne f r e c t i v ee l e c 砸cc i r c u i ti s p m p o s e d ，t l l i sd e s i 鲈p r o p o s i t i o no fa 王l a l o g u ep r e d i s t o n i o nw h i c hi ss i m p l ea n dl o w c o s t h a sb e e nu 砌i z e ds u c c e s s 如1 l yi nam o b i l ec o m m u n i c a t i o n so p t i i i l i z a d o np r o d u c t ，a n dm e a i l a l o g l l ep r c d i s t o n e rw i l la l s ob ea b l et ob ea p p l i 甜i ng a p f i l l e r so f d i 百t a lt c l 嘶s i o n t e r r e s 砸a ln e m o r k ；t h er e s e a r c ho nd i 舀t a lp r 枷s t c l n i o ns y s t 锄c o n c e l l t r e so na d a p 矗v e a l g o d t l l | n s ，t h i sp 印e rp m p o s e sa ni m p m v e ds u c c e s s i v es u b s t i t u t i o nm 甜1 0 d t h e s i m u l a t i o nr e s u l t sp r 0 v et l l a tt h en e wa l g o r i m mh a sm o r ca d v a n t a g e sc 伽叩a r e d 丽mi h e o 一百n a la l g o r i t l l i n w h a t sm o r e ，an e wr l sa l g o r i m mo fa d a p t i v e 丘l t e rm e o r yi sa l s o a p p l i e di n l ed i 西t a lp r e d i s t o n i o ns y s t c r n 【k e y 、v o r d s 】 r fp o w e r 帅p l i f i e l1 i n e a i i z a t i o n ，a d a p t i v ep r e d i s t o m o n ，l u t i l 2 0 0 6 河海大学顶：j ：学位论义 第一章绪论 第一章绪论 现代通信以及数字广播系统对功率放大器的线性化技术提出了更高的要求。频率 资源的日益的稀缺使得人们不得不采用可以节省频率资源的线性调制方法，但是这 些线性调制方式的峰平比的居高不下使得功率放大器的动态增益范围必须更大。 欧洲提出的地面数字电视标准中采用的调制方式o f d m 很好地解决了地面传播中 的多干扰和多径效应的问题，但是它每个频道内的子载波多达上千个，峰平比是所有 调制方式中最高的，如果功率放大器的线性度不能满足其要求，信号的误码率就会 增高，就会严重影响信号的传输质量。因此几乎所有的设备厂家都试图采用更高线 性的功率放大器。 在移动通信领域，射频功率放大器作为无线移动通信基站的核心组件占整个基站 成本达8 0 ，为了达到节约成本的目的，在现代3 g 通信系统中多通过同一个功率放大 器模块对多载波信号同时进行放大，这样大大减少了功率放大器的需求数量，但同时 也对功率放大器线性度提出了前所未有的要求，因为普通的功率放大器无法避免多 载波信号放大时功率放大器动态范围过低而引起的互调失真( i m 3 、i m 5 ) 的出 现，这些处于传输带内的失真信号又不是滤波器所能解决的，所以必须采用线性度 很高的功率放大器模块以减少传输过程中的误码率，提高传输质量。 第三代移动通信系统，无论是欧洲的w c d m a 、美日的c d m a 2 0 0 0 ，还是中国自主提 出的国际通信标准t d s c d m ，处理的都是以码分多址方式传输的宽频信号，这类由 于扩频技术的使用使得发射信号成为宽带信号虽然大大节约了频率资源，但是却对 功率放大器的线性提出了更高的要求，例如，3 g 标准中的w c d m a 使用的是q p s k 调制 方式，属于非恒定包络的调制方式，每载波的带宽达到5 m h z ；t d s c d m a 为了支持 高速率的数据传输，系统采用的是多码道的传输方式，所有这些都造成了信号很高 的峰平比( 高达l o 日骖以上) ，这就要求系统的功率放大器可以在大于5 m h z 的带宽 内保持很高的动态增益范围。只适用处理窄带信号的技术不再满足现代移动通信系 统的需要，能够处理宽频信号的功率放大器线性化技术成为设备厂商及学术界研究 的热点。 2 0 0 6 河海大学碳一卜学位论文 第一章绪论 l _ 1 研究动机 通信深刻的影响着人们当今的生活，而当今的通信行业处于一个全世界范围内的 革命时代，先是从第二代移动通信系统到第三代移动通信系统的世界范围内的变迁， 从最开始的移动通信系统到第二代数字移动通信系统中间大概经过了十年，而后从 九十年代初的第二代移动通信系统到现今的第三代移动通信系统又是一个十年轮 回，所以说我们正在经历一个十年轮回的技术革命，其次是数字电视，最早的模拟 电视可以追溯到五十年代，现今又是一场全世界范围内的模拟向数字电视的大迁移， 美国、英国、日本、韩国、中国等国家都制定了模拟电视向数字电视转换的时刻表， 我们的国家在不久的将来将彻底完成数字电视网络的建设，所以蜕我们处在一场五 十年一个轮回的技术革命当中。可以通过研究生的学习了解一些技术革命中前沿技 术是我选择研究射频功率放大器的主要动机。因为射频功率放大器是通信设备中不 可缺少的一个模块，研究功率放大器线性化技术，尤其重点研究最常用也是最具有 发展前景的预失真技术具有比较大的现实意义。鉴于目前预失真系统中存在的各方 面的问题，研究实用、高效的预失真自适应算法，设计新的自适应预失真结构，研 究预失真器的新的实现方法将会对预失真系统的大规模应用起到一定的推动作用。 1 2 国内外研究现状 一般来说，最早的射频功率放大器线性化技术可以追溯到1 9 2 8 年，当时的美国 贝尔实验室的h s b l a c k 首次提出将负反馈线性功率放大器应用于贝尔的电话系统 中的方案，这引起了学术界对于功率放大器线性化技术的普遍关注。实际上，在1 9 2 4 年，h - s b l a c k 在寻求功率放大器的线性化方法的过程中就提出了在当今运用比较广 泛的正向前馈的方法【1 1 【2 】，只是因为正向前馈技术的复杂性才使得该技术的研究进程 被推迟了近四十年。上世纪6 0 年代末7 0 年代初，同为贝尔实验室的s e i d e l 提出用 正向前馈的方法来研究微波频段上的t w t 放大器，s e i d e l 设计的正向前馈放大器的 失真抑制在2 0 m h z 的频带内达到了3 8 招。 随着无线通信系统的快速发展，功率放大器的工作频率越来越高、功率需求也不 断的增强，所有这些都促进了射频功率放大器的线性化技术在上世纪的八十年代开 2 0 0 6 河海大学颀：l ：学位论文 第一章绪论 始出现了飞速的发展。目前国际上的研究热点问题主要在于以下几个方面： 夺新兴的功率放大器线性化技术。新兴技术包括数字自适应预失真技术、自适 应正向前馈技术、e e & r ( e n v d o p ee l i m i n a t i o na 1 1 dr e s t o f a t i o n ) 技术、l i n c ( l i n e a r a m p l i f i c a t i o nu s i n gn o n l i n e a rc o m p o n e n t s ) 技术、c a l l u m ( c o m b i n e da n a i o g u e l o c k e dl o o pu i l i v e r s a lm o d u l 砌技术等，其中对数字自适应预失真技术的研究在很长 一段时间内的研究将占有主导地位。 夺 各种有效的自适应算法。自适应算法是功率放大器线性化技术中关键的技术 之一，种稳定、收敛速度较快、实现简单、需要的存储量少的自适应算法可以使 功率放大器线性化技术有较好的系统性能、实现成本较低，非常利于实际应用。 目前在国际上，无论学术界或者工业界，对射频功率放大器的线性化研究都非常 重视。近年来，美国电气电子工程师学会( i e e e ) 每年在线性化技术方面的论文都 有一定数量的增长，2 0 0 1 年该学会刊登的直接相关的论文数量达几十篇 3 】。欧洲、 美国的各所综合性大学的相关研究所也都很重视该课题的研究，从各个方面研究以 提高功率放大器的线性度，从而减少整个通信系统的失真信号。 国内学术界在该领域的研究现状同国外并不十分相同，应该说针对该领域的研究 还没有引起国内学者的广泛注意。目前也只有几所重点理工科大学的相关研究实验 室展开了对该课题的研究，并取得的定的成果【4 4 1 。但是无论从学术论文的发表数 量还是相关专利的申请都没有达到国际平均水平【8 1 。 从工业界看，一些欧美企业，尤其是很具有实力的跨国通信企业几乎都有专门的 团队从事功率放大器线性化技术的研究，已经有比较显著成果的企业包括德州仪器、 安德鲁、p m c 、a d i 等；国内的一些优秀的民族通信企业如中兴、华为等也都积极 开展研究并对己有的成果进行科技转产，提高产品的竞争优势。 1 3 论文结构 本论文研究的主题为自选课题，在深入研究了国内外众多文献的基础上，提出了 几点针对功率放大器线性化技术的研究成果。论文的主要内容安排如下： 夺 论文的绪论部分主要阐述了作者的研究动机，以及该课题在国内外的研究现 状。 2 0 0 6 河海大学硕士学位论文 第一章绪论 夺论文第二章详细地讨论了功率放大器的非线性指标以及这种功率放大器的 模型，深入探究了现今存在的各种功率放大器线性化技术，为下一步对功率放大器 的进一步研究奠定理论基础。在合理的分析研究基础导向研究的重点对象功率放大 器预失真技术。 论文第三章主要对模拟预失真技术进行了深入的研究。提出了一种新的用于 网络优化产品的模拟预失真方案，以比较简单的元器件设计出了适用于通信网络盲 区覆盖产品的模拟预失真器。 夺 第四章重点研究数字自适应预失真系统，从原理、电路结构、自适应算法各 个方面展开了研究，尤其是对于自适应算法的研究为选择最理想的算法奠定了基础。 夺 第五章为本论文的重点。其中总结了针对数字自适应预失真技术的几点创新 工作。主要表现在：提出一种改进的自适应迭代算法，将自适应滤波器理论中的基 于o r 分解最小二乘法用于对数字预失真系统的自适应控制中，以及一种将电路设 计中的温度保护电路理念应用在预失真器外围电路设计中的想法。 夺 第六章对全文做了总结并对该领域未来的研究方向作了展望。 4 2 0 0 6 河海大学硕士学位论文 第二章射频功率放大器 第二章射频功率放大器 2 1 射频功率放大器非线性特性和指标 对于输入信号的非线性失真可以做以下分类：静态失真，动态失真和准静态失 真。静态失真可以用瞬间输入输出电压曲线来表征，失真影响主要指对载波信号幅 度的压缩或扩大，不考虑载波信号的相位失真，或者况载波信号相位没有搬移；动 态的失真随时间变化而变化，并且其失真的程度与输入信号的带宽和功率有很大的 关系，比如适合于处理窄带信号的反馈线性化技术，这种失真在现实中还是比较多 见的；准静态失真描述的是被幅度或者相位调制的载波信号经过设备的输出只是随 瞬间输入信号电平而变化、与时刻并无关系的一种信号失真形式，一些频带宽于信 号且没有记忆效应的设备比较适合用准静态失真描述，行波管放大器就是一个很好 的例子，准静态失真模型符合著名的幅幅和幅相准则。 这论文的研究对象射频功率放大器的种类很多，但市场上9 0 9 6 的大功率的功率放 大器模块选用的都是固态功率放大器( s s p a ) ，固态功率放大器的失真与行波管放 大器的失真特性相似，属于拥有准静态失真特性的设备组件。当然功率放大器模块 也会随着时间的推移产生老化效应，也会受到输入信号频率的影响，但总体来说， 功率放大器有着明显的幅幅( a m a m ) 和幅相( a m p m ) 特性。 幅幅( a m a m ) 和幅相( a m p m ) 特性 该特性讲述的是功率放大器的输出信号n 。r 的幅度一。m 和相位痧只与输入信号 的幅度a 厶相关，与其相位并没有关系。图1 为测试功率放大器单频信号幅幅特 性和幅相特性的实验电路。通过矢量网络仪可以比较方便的测试出各种功率放大模 块的两种特性。 2 0 0 6 河海：= 学硕士学位论文第二章射频功率放大器 图1 功率放大器模块测试实验图 图中选用的功率放大器为a b 类，该功放模块可以用于移动通信的基站的信号放 大，测试所得的实验结果如下： 1n _j-u 、 j 一。 图2 ( a ) 舢a m 曲线 ，? k 1 ( b ) 圳刚曲线 从测试结果可以看出增益一输入功率，相位一输入功率在功率值小于一1 8 矗b m 时 一段范围内基本保持了直线的状态，也就是功率放大器在输入功率小于某特定值时 拥有较好的线性特性，其增益保持恒定。理想的功率放大器应该是拥有两条与图中 参考直线完全平衡的直线特性。实验结果虽然与理想情况有一定的偏差，但是也很 好反映了增益和相位与输入信号功率在一定基本范围内的线性关系以及超出线性区 域之外的非线性失真。 单音频信号输入的非线性指标 如果输入信号为单音频，我们主要通过测量l d b 压缩点( 只。) 或者饱和输出功 2 0 0 6 河海大学碗= l 学位论文 第二章射频功率放_ 人器 率( 巴，) 来表征功率放大器的非线性特性。因为放大器所能提供的输出电流受到偏 置电流和电源电压的限制，无法随输入信号的增大而保持相应的增长，这时的增益 出现压缩，当实际的信号输出功率比理想的输出功率小l d 口的时候，我们称该点为 1 d b 压缩点；而当信号输出功率达到一定数值，无论输入信号的输入功率是否增强， 输出功率仍然保持不变甚至有下降的趋势，我们称之为饱和输出功率。 双音频信号输入产生的非线性指标 当在功率放大器输入端加入一个双音频信号，我们可以在放大器的输出端测量 到的信号除了被放大的信号本身，还有由此产生的失真信号，具体有信号的倍频失 真信号以及互调失真信号，其中尤以处于传输带内、无法使用滤波器进行消除的奇 数阶互调失真( i m 3 、i m 5 ) 对信号传输质量的影响最大。下图可以清晰地表 示出各个失真指标的含义： 蛊 勺 一 羽 辑 碍 督 功率输 ( d 陆) 图3 单、双音频信号失真指标图示 从图中可以看出功率放大器理想增益直线与三阶互调线切线交于一点，该点也 被经常用于表征功率放大器的非线性特性，我们称之为三阶截点( 皿3 ) ，同样也存 在二阶截点、四阶截点、五阶截点等。 2 0 0 6i i i f 海大学硕士学位论文 第二章射频功率放大器 最重要的三阶截点值可以通过以下公式求得 i p 3 = p o + i m 其中己为信号输出功率，n 为三阶互调抑制。 载波调制信号输入产生的非线性指标 由于现代通信系统中射频端处理的信号都是经过调制，且很多调制方式并不是简 单的调幅、调相和调频，而是在调制信号的载波上进行再次调制，这就是所谓的等 级调制。比如在有线电视中广泛应用的正交振幅调制( q a m ) 、卫星电视中的调制标 准键控移相调制( q p s k ) 、数字地面电视传输调制标准编码正交频分调制( c o f d m ) 等信号在通过射频功率放大器进行信号放大时简单单双音频信号的非线性指标已经 不能够反映信号的失真程度，所以随之产生了一些宽带信号特有的非线性指标，比 如邻道功率比( a c p r ) 、误差矢量幅度( e v m ) 和输出功率失真。应该说邻道抑制比 ( a c p r ) 是第二代以及第三代移动通信系统中( c d m a 码分多址宽带信号) 功率放大 器非线性的主要测试指标。邻道功率( a c p ) 定义为当主信道加一信号时，紧邻主 信道的两个信道内的功率大小。邻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。邻道抑制比定义为a c p 功率与主信道功率的比值。误差矢量幅度( e v m ) 则是指测量波形与理想调制波形 之间的矢量差。用平均误差矢量信号功率和平均参考信号功率之比的均方根( ) 表 不。 图4 邻道抑制比图 2 0 0 6 河海大学硕士学位论文 第二章射频功率放火器 2 2 功率放大器模型 为了从理论上对功率放大器进行研究，我们需要对不同类型的放大器进行数学建 模。经过中外学者几十年的研究，很多不同类型的放大器模型已经得到总结认可。 在这一节中将重点介绍典型的模型，并对不同模型进行分析、解释。 2 2 1 多项式无记忆模型 该种模型也称为泰勒级数模型，其表达式表示如下： 心( f ) = 口v o ) + 口2 ( f ) 2 + 口3 一( f ) 3 + ( 2 1 ) 其中v 。( f ) 为放大器输入信号电压，v 。( f ) 为放大器输出信号电压，a 。为输出信号 中各阶失真实系数。由于输入信号包含幅度和相位两种信息，所以通常只有以复数 的形式表示信号才有实际的应用价值。 圪( f ) = o ) + 魄f 0 ) 陋 = 0 ( 2 2 ) 其中( f ) 为功率放大器输入包络复数形式，k ( f ) 为功率放大器输出包络复数形 式，k 为多项式阶数，阢为对应多项式的复系数。 文献【川给出了两个系数之间的关系，表示如下： 6 。= 口。4 去( 复十。，2 c z s ， 该模型是所有多项式模型的基础，它简单、易懂、不需要很多的数学理论知识。 输出信号是输入信号各阶产物的线性组合、可以很明确的判断出是由哪一阶因素产 生的失真信号。另外也可以根据各阶系数很容易计算出互调失真，比较适合计算机 仿真计算。 2 2 2v 0 l t e r r a 级数模型 泰勒级数模型中输出信号的幅度增益和相位偏移只是与在时间f 时的输入信号 的幅度相关，并没有考虑输入信号的频率以及前一时间段放大器行为对现时问点的 输出信号的影响，也就是说泰勒级数模型并没有考虑功率放大器的记忆效应。在文 献f 删中可以看到当信号带宽大于5m f z 时，比如w c d m a 信号，记忆效应对系统的影响 2 0 0 6 河海大学硕士学位论文 第二章射频功率放火器 不能再被忽略不计。v o l t e r r a 级数是至今为止最能够全面体现功率放大器记忆效应 的模型，它可以完成对任意非线性系统的阐述。文献【1 习给出了完全的基带v 0 1 t e r r a 级数 k ( f ) = f f ：。十r ：。+ 兀k ( f 一) 术n ( f 一) 4 d f ：。 ( 2 4 ) 其 。= 专* 一心。加卅阿旧一剐棚 载波频率。 在离散时间领域上式可以表示为 l ( ) = 4 l ：。+ ( ，：，：。+ ，) 兀伽一，。) + 兀矿；0 一，) ( 2 5 ) t ，i ，2 女+ i ，。i i 。+ 2 从上式中可以看到随着表达记忆效应的长度和非线性失真的阶数增加，v o l t e r r a 级数的项数呈指数倍数增长。当用该级数对三阶互调失真进行计算机仿真研究时就 会产生非常大的计算量。也就是说，虽然该模型可以精确的以理论表示出非线性系 统的各阶失真值，但是对其进行实时的仿真运算却存在着很大的难度。这也是为什 么中外的学者们试图采用该级数的特殊模型以期达到在精确描述非线性系统的同时 减少模型计算量，找到具有更多实用价值的模型。 特例1 由线性时不变系统模块和无记忆非线性模块组成的w i e n e r 模型 具体模型介绍请参看文献 1 l 】，文献利用该简化模型对功率放大器的记忆效应进行模 拟从中可以明显的看出该模型相比于泰勒级数模型这种多项式无记忆模型的精确 度优势 特例2 也是由同样两个模块组成的h a m m e r s t e i n 模型可以称为w i e n e r 模 型的倒置模型在h 模型中信号先通过无记忆非线性模块输出后再进入线性时不变系 统模块 特例3 另一个由此演化出来比较著名的功率放大器模型为 w i e n e r h a m m e r s t e i n 模型，也称为w h 模型整个模型链路共有三个模块，分别是线 性时不变模块l 、无记忆非线性模块和线性时不变模块2 。这种模型通常适合于卫星 通信中的功率放大器，卫星通信转发器因为对下行链路信号强度的要求较高，一般 其功率放大器都工作在饱和区域【1 2 】。 2 0 0 6 河海大学硕：七学位论文第二二章射频功率放大器 爿p 删= 高 啪) 】_ 离 心- 8 记忆效应s a l e h 模型 目前，对线性化技术的研究大部分局限于无记忆非线性放大器，这是由于当信号 带宽远小于放大器带宽时，记忆效应可以忽略。但对于宽带应用，放大器的记忆效 应明显，虽然采用无记忆效应解决方案还是可以对功率放太器的非线性失真进行一 定程度的改善，但是还是没有完全地将失真信号对消。记忆效应的处理复杂度较高， 研究难度也比较大。应该说v 0 1 t e r r a 级数是模拟有记忆非线性常用的一种方式，但 是用于预失真技术，计算复杂而且线性化效果也不是特别理想。上文中提到的 h a i i i i n e r s t e i n 模型和s a l e h 模型也可以用来完整描述功率放大器的非线性特征。神经 2 0 0 6 河海大学硕士学位论文 第二章射颡功率放大器 笛卡儿环系统实质上是两个i 、q 正交控制环路构成的反馈系统。与极化环相比， 这种系统的好处在于i q 两个正交信道有良好的匹配，并且增益和带宽对称。使用 先进的r f 和软件技术，极化环系统的可以达到大于4 5 地的镜像抑制和大于5 0 d 口的 载波抑制。在有限的带宽上，实际系统的线性度可以提高到4 5d _ 口以上。 在最初的设计中，基带i q 信号通过相移网络来得到，随着廉价d s p 芯片的发 展，可以更容易地生成幅度和相位准确匹配的i q 信号。甚至可以对i q 信号进行 预失真，从而弥补了r f 电路中的不足。 极化环反馈技术 极化环与e e r 有某种程度上的类似，r f 信号也被分解成幅度和相位分量。不过， 极化环要更复杂些，它要用到幅度和相位调制反馈。如图6 所示。极化环系统实际 上也是包络反馈系统的一种扩展形式，它不仅通过一个a g c 环对功率放大器的幅度 失真进行校正，它还通过鉴相器( p d ) 和压控振荡器( v c o ) 构成的锁相环( p l l ) 来保持放大器稳定的相位转移特性。 图6 极化环j 帛理图 极化系统的一个关键因素就是幅度和相位误差信号放大器的带宽要求，为了避 免在校正过程中产生附加的a m p m 失真，幅度和相位误差信号放大器通常应该有相 同的带宽和相位特性( 但在实际系统中，相位放大器的带宽要更宽一点) 。同时，系 统对i 1 3 、i m 5 等低阶互调失真产物特性有很大改善，对高阶产物不仅没有抑制，甚 至还会增大。这些都是反馈环路中视频电路带宽和相位延迟的限制所必然引起的结 4 2 0 0 6 河海大学硕：卜学位论文 第二章射频功率放大器 果。 最初设计时，极化分解器件的线性和对称性是设计中的一大制约，不过，使用 现代i c 技术可以减少此影响。还有一个制约因素就是鉴相器的输出带宽比较宽，在 零交叉时会导致假响应，特别在“二音”测试时更明显。 已经有报道显示，极化环系统的平均效率大4 0 ，i m 3 约一5 0 d 口c 左右，若使用 性能非常好的晶体管，效率还可以达到5 0 以上。极化环技术已经被用在高功率的商 业中波发射机中，若在要求的带宽上降低假响应电平，并有足够反馈，则它还可用 在v l l f 和u l l f 高效多载波放大器中。不过，由于反馈环路中视频电路带宽的限制， 它通常应用在单载波系统中。 2 3 2 非线性部件实现线性化( l i n c ) 技术 l i n c ( l i n e a ra i i l p l i f i c a t i o nu s i n gn o n l i n e a rc 。m p o n e n t s ) 技术的主要原理是 用两个包络恒定、相位差异的信号代替原始输入信号，两个信号的角度差异决定了 最终输出信号的包络形式。传输期间，两幅度相同的信号分别在各自的链路上被一 对非线性度很高且效率也很高的放大器放大。输出部分，由一个无源耦合器件将两 信号合成，输出输入信号的放大信号，如图7 所示。 这种技术优点是允许采用功率效率很高的功率放大器( 比如c 类放大器) ，在条 件理想的情况下可以达到很高的线性，且较容易进行实现。但它需要两个功率放大 器高度匹配( 由于是开环) ，也就是说，需要两个主要功率放大器的增益及相位失真 保持一致，并且两功率放大器的匹配应该尽量不受温度漂移和老化效应的影响。这 在现实操作中是很难实现的。另外该技术对半导体器件知识要求比较高，有一定的 开发难度。 删 a “ 删 图7l l n c 技术电路原理图 2 0 0 6 河海大学硕： ：学位论文 第二章射频功率放人器 2 3 3 正向前馈技术 应该说该项技术是目前功率放大器所有线性化技术中晟为繁琐、造价最高但 适用频带也最宽的一项技术。在多载波频率上消除失真成分可以通过前馈来实现。 下图为前馈放大器的原理图，该放大器由两个环路组成。第一环路的主要作用是对 消主要信号，分离出三阶及更高阶互调失真( 在此主要考虑奇数阶互调失真，因为 偶数阶失真通常落在处理信号频带之外) 。在第二个环路中将信号放大链路信号与失 真放大链路信号耦合对消互调失真，分离出放大的信号。 图8 正向前馈技术电路原理图 正向前馈是对误差信号的隔离和对失真信号的消除，这两个过程都是指在同频 段上的信号对消。从数学角度讲，在单个频率上的信号对消是相等振幅的两个信号 相减，其结果是振幅为零或为一c c 。实际上，对消的过程是通过信号向量相加而得 到的，即信号的振幅相等但相位相反。在宽带范围对消，是在频带内的向量对消， 信号必须满足：( 1 ) 相等的振幅；( 2 ) 1 8 0 度相位差异；( 3 ) 相等的延迟。相等的振 幅和相反的相位在单一频率上是很容易实现，但是，在宽带信号对消中最重要的是 应具有相等的延迟，因此在前馈系统中必须引入延迟单元对时延进行精确的匹配。 此外，功率放大器的幅幅特性a m a m 和幅相特性a m p m 都会影响宽带信号的对消效 果。采用前馈技术的另一个优点是除对消互调失真外，还在第二环路中把第一环路 加到主放大器路径上的噪声也可以得到抵消，理论上可以对各样误差及失真进行完 全的消除。 1 6 2 0 0 6 河海大学硕士学位论文第二章射频功牢放大器 上述解释并没有考虑误差放大器引入的失真，实际上操作中通常要求误差功率 放大器的工作功率远远低于主功率放大器，其线性度比主功率放大器的要高。 正向前馈系统中各器件需要在工作带宽内维持很好的幅度和相位匹配。因为在 前馈系统中没有反馈支路，所以它不能自我监控、及时校正由于温度和器件老化等 因素引起的幅度和相位失配。虽然很好的匹配可以在制造时手工调整好，但随着时 间的推移会降低系统的性能。在有些无线应用中为了获得约4 0 d 口的对消，要求幅 度误差小于0 0 5 d 口，相位误差小于o 1d b ；为了获得5 5 d b 的对消，这对幅度和 相位的匹配要求更严格，幅度误差小于o 叭拈，相位误差小于o 0 1d 僻。这样高的 要求在宽带放大器系统中是非常难达到的。 2 3 4 预失真技术 通俗的说，数字预失真技术是指在信号进入功率放大器之前预先将其逆向失真， 之后经过功率放大器非线形失真输出与输入信号成线形关系的功率增强信号，使整 体系统呈现线形特性。 嗡匕：匕二垤 图9 预失真原理简图 功率放大器的外围电路可以由两大功能块组成。l u t 多项式功能块负责获取功 率放大器的非线性逆函数，利用查表法( l u t ) 或者多项式求逆的方法对输入信号进 行相应的预矫正。但是由于环境温度的影响以及器件的老化效应，为了动态地保持 整体输出与输入信号的线性关系，在电路设计中加入自适应算法功能块。由于该技 术采用开环结构，所以不存在稳定性的问题；所能处理的信号频带比起闭环结构的 反馈技术更宽。数字预失真技术最高可达3 0 拈。 虽然就目前的技术来说，数字预失真技术所能够处理的信号带宽还没有达到正 向前馈技术的带宽处理能力，但是相比正向前馈电路的实现所需要的昂贵的成本， 数字预失真技术就有优势的多，特别是随着数字信号处理技术的不断发展成熟以及 2 0 0 6 河海人学碗= i ：学位论文 第二章射频功率放大 随之而来的成本的不断降低，以数字信号处理芯片为核心的预失真电路的成本也不 断下降，这为这种功率放大器新技术的广泛商用铺平了道路。也是本论文选择这种 线性化技术的自适应算法研究作为论题的重要依据。以下表格数据综合了2 0 0 4 年美 国俄亥俄州大学微波实验室和乔治亚州大学电气和计算机工程技术学院的研究成 果，可以使得我们对几种技术的比较有个直观的认识。 表j 主要线性化技术指标比较 2 4 本章小结 本章全面、深入地研究了射频功率放大器作为一种非线性器件的非线性特性、各 种用以描述功率放大器的数学模型以及当今存在的主要的用于改善放大器线性度的 线性化技术。该章是针对射频功率放大器的线性化的各方面问题进行深入研究的理 论基础。 2 0 0 6 河海大学硕：1 j 学位论文 第三章一种新的用于通信网络优化产品的模拟预失真器 第三章一种新的用于通信网络优化产品的模拟预失真器 3 1 模拟预失真原理 模拟预失真的最基本思想就是用非线性器件模拟产生线性器件的非线性成分，将 两者进行对消。前馈和数字预失真是线性功放设计中经常采用的两种方案，与前馈 和数字预失真方案相比较，模拟预失真方案的技术难度低，体积小，成本低等优点 非常明显。模拟预失真方案较前馈和数字预失真方案来说，虽然其线性改善程度无 法达到相同的水平，但也有相当好的表现。而模拟预失真方案的技术难度低，体积 小，成本低等优点是非常明显的。虽然模拟预失真对于高功放的线性改变有限，但是 这样的线性改善对于提高系统的效率却是很重要的。采用模拟预失真技术可以减小 功率回退或者使用i p 3 较低的功放管，这样就可以提高效率。如果不使用模拟预失真 而只是减小功率回退或者使用i p 3 较低的功放管则会恶化线性指标。所以使用此方 法可以一定程度的解决系统效率低的问题。 目前存在的模拟预失真电路主要出发点为功放的非线性对增益传输曲线造成的 压缩，为了校正该种失真压缩，模拟预失真需要产生一个与之相反的失真来抵消功 放的失真，如果两种失真的传输函数能够完全反向一致，则最后得到的是一个线性 的幅度传输函数。对相位的处理也一样，模拟预失真产生一个与功放自身传输函数 相反的传输函数，来抵消功放的相位失真，最后得到线性的相位传输函数。在实际 使用中，由于失真信号的幅度和相位是未知的，因此，f h 模拟预失真电路送出的信号 的幅度和相位必须是可以调整的，因此在实际电路中要使用移相器和衰减器来进行 幅度和相位的控制。 本论文中的模拟预失真设计出发点有所不同，由第二章的介绍可以知道当输入信 号为双音频信号时，三阶互调失真分量对带内信号的影响最大，新预失真器的设计 思路就是首先在输入信号中加入三阶互凋失真反向量，使得系统的输出信号的三阶 互调失真尽可能降低。 2 0 0 6 河海大学硕士学位论文第三章一种新的用于通信涮络优化产品的模拟预失真器 3 2 模拟预失真在通信网络优化产品中的应用 随着移动通信的飞速发展，g s m 和c d m a 网络建设速度一再加快，如g s m 网的建设 已经发展到第十期，c o m a 网络的建设也在向着第二期、第三期发展。网络的扩容、 基站数量的增加，使得覆盏更加完整，因此也带来用户数量的增加和话务量的飞速 递增。在人们大量使用移动电话的同时，也对网络的服务质量提出更高的要求。 在网络建设的过程中，虽然基站的密度一再增加，天线的方位一再调整，仍然还 是有一些区域的信号拥塞或者是信号的盲区或弱区，这一方面是基站的话务量被一 再突破，另一方面也是基站功率无法随意加大，同时，也还存在着一些特殊的地形 难以覆盖以及要求室内信号的深度覆盖。单纯的增加基站很难奏效，往往需要使用 各种类型的网络优化产品去添补盲区、扩大覆盖，比较常用的网络优化产品包括基 站放大器( b b a ) 、塔顶放大器( t m a ) 以及直放站。以下以直放站为例阐述模拟预失 真在该领域的应用。直放站作为一种利用射频放大的技术所构成的双向放大器，主 要技术包括：线性功率放大、低噪声信号接收、杂散信号滤波等。直放站在移动通 信网的建设中已经发挥了巨大的作用，在目前的g s m 网络、c d m a 网络及p h s 网络中， 都可以发现各种直放站的应用。大量的应用表明，直放站在网络优化中的覆盖系统 中，弥补了基站覆盖不足的缺陷，形成了新的覆盖手段。但是直放站在无线通信网 络中的介入又带来了对通信网络质量有着至关重要影响的噪声、干扰等。 互调干扰是指几个不同频率的信号通过非线性电路系统时产生的与有用信号频 率相同或相近的失真信号，这些失真信号对无线通信系统构成干扰。i s 9 5 规范和国 家无线通信委员会对直放站产生的杂散和互调失真信号有着严格的规定：在频带 9 k h z1 g h z 内失真信号应小于一3 6 d b m ，在频带1 g h z1 2 7 5 g h z 内应小于一3 0 d b m 。 直放站的杂散和互调的产生主要来自于直放站内部的功率放大器模块，当有多个 频率信号通过宽带直放站的功率放大器模块进行防大时，便会相互调制产生互调失 真，以二阶和三阶失真幅度为最大，阶数越高失真越小。二阶互调失真信号因其频 率远离主导信号频带，对带内信号干扰可以忽略不计：三阶互调因其频率接近或等 于主导信号频率，非常容易干扰正常信号发射，对通信产生很大的影响；三阶以上 互调失真幅度相对较小，可以忽略不计。因此直放站设备主要考虑三阶互调的影响。 2 0 0 6 河海大学顺士学位沦义 第三章一种新的用于通信网络优化产品的模拟预失真器 夺 非线性直放站引入的互调干扰对通信系统的影响主要表现在以下几个方面： 对其它运营网络的影响：当个通信网络( 移动g s m 或联通g s m ) 开通了一台杂散和互 调较高的直放站时，直放站引入的互调和杂散信号落在自身通信网络的频带外，会 对附近另一通信网络的下行信号造成同频干扰。 夺对相邻基站小区的影响： 宽带直放站中对所有信道的信号放大共用一个功率放大器模块，如果该直放站时互 调指标比较高，而后级的滤波器是一个宽带滤波器，对处于频带内的三阶互调失真 信号没有任何抑制作用，那么宽带直放站设各较难满足i s 9 5 规范对互调失真信号抑 制的要求。在这种情况下只要能接收到附近小区基站的同频信号，就会产生严重的 同频干扰，整个直放站系统不仅不可以对整个网络进行优化，反而引进噪声、干扰 信号，恶化覆盖地区的通信质量。 夺 对设备上行信号的影响 直放站下行功率放大器产生的杂散和互调信号通过直放站内部的双工器进入上行信 道，如果此信号过高就会严重干扰上行信号，造成直放站的覆盖范围降低。手机用 户将会因为上行链路信噪比不够而无法通话。 为避免产生以上三种情况，除了可以采取合理的工程安装措施以外，最根本的解 决方法就是提高直放站内部的功率放大器的线性度。 3 3 模拟预失真电路设计方案 模拟预失真器由于其设计的简洁和成本的优势也广泛存在于各个领域的功率放 大器模块中，本论文提出的模拟预失真器可以将功率放大器的线性度改善2 - 3 d b ， 主要通过传统器件组成的电路完成对功率放大器产生的互调失真的祛除达到对其线 性的改善。图1 0 为创新模拟预失真电路原理图。 2 0 0 6 河海大学硕= e 学位论文第三章一种新的用于通信喇络优化产品的模拟预失真器 图1 0 模拟预失真电路原理图 该模拟预失真系