WCDMA系统中基于小波网络的数字预失真技术研究学位论文

1、分类号 密级 udc 学 位 论 文wcdma系统中基于小波网络的数字预失真技术研究a thesis in communications and information systemresearch on digital predistortion technology based on wavelet network in wcdma systemby yan xingxingsupervisor: associate professor sha yinortheastern universityjune 2013独创性声明本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的研究成

2、果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。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谢意。 学位论文作者签名： 日 期：学位论文版权使用授权书本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论文的规定：即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，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后：半年 一年 一年半 两年学位论文作者签名： 导师签名：签字日期： 签字日期wcdma系

3、统中基于小波网络的数字预失真技术研究摘 要在移动通信系统中，为了保证一定范围的信号覆盖，在基站和直放站中一般都要采用射频功率放大器对信号进行放大。为了保证效率，功率放大器通常工作在接近饱和点的非线性区，这会导致发射信号出现严重的非线性失真，增大系统的误码率，并对邻近信道产生干扰，降低系统性能。在gsm系统中采用gmsk这种恒包络的调制方式，信号对于功放的非线性不敏感；而在wcdma系统中，为了高效的利用有限的频谱资源，采用了qam、qpsk等高频谱利用率的调制方式和码分多址的传输方式，信号具有宽频带、非恒包络、高峰均比等特点，对于功放的非线性非常敏感，这就对发射端射频功率放大器的线性度提出了很

4、高的要求，因此，对于功率放大器线性化技术的研究具有重要意义。在各种功放线性化技术中，数字预失真技术具有线性度好、适用带宽宽、稳定性高以及灵活性好等优点，因而被认为是最具前景的线性化技术，该技术的基本原理是在功放前端构造一个与功放特性互逆的预失真器，以补偿由功放的非线性产生的失真，从而实现整个系统的线性化。因此预失真器可以看作是一个非线性系统，实现输入到输出的非线性映射，而小波神经网络结合了小波变换良好的时频化特性和神经网络的自学习功能，具有较强的非线性逼近能力，所以本文提出将小波神经网络用于预失真器的建模中。考虑wcdma系统中的功放存在记忆效应，功放当前的输出不仅取决与当前的输入，还与其历史

5、信号状态有关，因此本文设计了时延小波网络预失真模型。另外，针对传统的bp算法存在容易陷入局部极小、收敛速度慢及容易产生振荡等缺点，本文采用了改进的bp算法对网络进行训练。为了验证本文所提出的算法的性能，本文将基于小波网络和基于bp网络的数字预失真算法进行了仿真对比。仿真结果表明，与无预失真的系统相比，基于小波网络的数字预失真系统邻道功率有大约17db的改善；与基于bp网络的数字预失真系统相比，邻道功率有大约7db的改善，而且基于小波网络的预失真算法的逼近精度和收敛速度更高。关键词：wcdma；功率放大器；线性化技术；数字预失真；小波网络research on digital predistor

6、tion technology based on wavelet network in wcdma systemabstractin the mobile communication system, in order to ensure the radio coverage, rf power amplifiers (pas) is generally used in a base station or a reapter to enlarge the power of the transmitted signal. power amplifiers usually works in nonl

7、inear area close to the saturation point, therefore the transmitted signal would be distorted severely. as a result, the bit error rate and adjacent-channel interference would increase. in gsm system, a constant envelope modulation, gmsk, is used. so the gsm signal is not sensitive to nonlinear dist

8、ortion. but in wcdma system, in order to improve the spectrum efficiency, some modulation modes, such as qam and qpsk, and code division multiple access transmission technology are widely used, which leads to wide-band and high peak-to-average power ratio (papr) signal. hence the wcdma system is sen

9、sitive to the nonelinearity of power amplifiers, and it requires highly linear rf power amplifiers in the transmitter. consequently, the study on linearization techniques of power amplifier is of great significance.with the advantages of high linearity, suitable for wideband signals, high stability

10、and flexibility, digital predistortion is considered as the most promising among all kinds of linearization techniques. the basic principle of predistortion technology is to construct a predistorter with inverse characteristics compared with power amplifiers. based on digital predistortion technolog

11、y, the wavelet network(wnn)-based digital predistortion technology is mainly studied in the paper. combining the good time-frequency localization properties of wavelet transform and the self-learning ability of artificial neural network, wavelet network has good approximation and fault-tolerant capa

12、bility. we applied wnn to the modeling of predistorter. as the power amplifier in wcdma system has memory effect, the recent output of power amplifier depends on both the recent input and the historical states of power amplifier. therefore we designed time-delay wavelet network model to compensate t

13、he memory effect and nonlinearity of power amplifiers. as tranditional back propagation (bp) algorithm can easily get into local minimum. besides, its convergence speed is slow and it often results in oscillating, so an improved bp algorithm is used to train the network.in order to evaluate the perf

14、ormance of the proposed algorithm in the paper, the wnn-based digital predistortion algorithm was simulated and compared with bp neural network-based digital predistortion algorithm. the simulation results showed that compared with the system without predistortion, the adjacent-channel power of the

15、wnn-based digital predistortion system is decreased by 17db. compared with bp neural network-based digital predistortion system, the adjacent-channel power is decredased by 7db. in addition, the approximate precision and convergence speed of the proposed algorithm is higher. keywords: wcdma; power a

16、mplifier; linearization technique; digital predistortion; wavelet network目 录独创性声明i摘 要iiabstractiii第 1 章 绪论11.1 课题研究背景与意义11.2 线性化技术发展及现状31.3 本文的研究内容及主要工作5第 2 章 功率放大器的非线性特性与行为模型62.1 功率放大器的非线性特性62.1.1 谐波失真62.1.2 互调失真72.1.3 交调失真82.1.4 am/am和am/pm失真82.2 功率放大器非线性的影响92.2.1 带内失真92.2.2 带外失真102.3 功率放大器的记忆效应11

17、2.4 功放的非线性技术指标122.4.1 1db压缩点122.4.2 三阶互调系数和三阶截断点132.4.3 邻信道泄露功率比132.4.4 误差矢量幅度142.5 功率放大器的行为模型142.5.1 无记忆模型152.5.2 有记忆模型17第 3 章 功放的线性化技术与数字预失真203.1 功放的线性化技术203.1.1 功率回退技术203.1.2 负反馈技术203.1.3 前馈技术223.1.4 linc技术223.1.5 预失真技术233.1.6 功放线性化技术的对比253.2 数字预失真技术253.2.1 自适应数字预失真技术原理253.2.2 预失真系统学习结构273.2.3 数字

18、预失真技术分类28第 4 章 人工神经网络与小波分析理论314.1 人工神经网络314.1.1 人工神经网络概述314.1.2 人工神经元模型324.1.3 神经网络的拓扑结构334.1.4 神经网络的学习344.1.5 bp神经网络374.2 小波分析424.2.1 连续小波变换434.2.2 离散小波变换454.2.3 几种常用的小波46第 5 章 基于小波网络的数字预失真算法设计与仿真475.1 小波神经网络475.1.1 小波神经网络分类475.1.2 小波神经网络学习算法485.1.3 小波网络与bp网络的比较515.2 基于小波网络的数字预失真算法设计525.2.1 问题描述525

19、.2.2 小波神经网络设计525.3 算法仿真及性能分析555.3.1 训练样本提取555.3.2 仿真过程及结果分析58第 6 章 结论与展望65参考文献67致 谢70攻读硕士学位期间发表论文情况71第 1 章 绪论1.1 课题研究背景与意义随着信息技术的迅猛发展，人们对移动通信的要求越来越高，不断追求更高的通信质量和更丰富的通信业务，移动通信正在以前所未有的速度向前发展。从20世纪80年代的第一代模拟蜂窝移动通信开始，到90年代中期以gsm和cdma为代表的第二代数字移动通信，再到本世纪初的第三代（3g）移动通信系统，技术的更新换代越来越快。目前，第三代移动通信已经步入大规模商用时期。在我

20、国，3g网络运营牌照于2009年年初被颁发，自此，我国作为全球最大的移动通信市场，开始3g网络的建设和运营，3g时代正式到来。根据工信部的统计，截止到2012年底，我国3g用户已经达到23280.3万户 /n11293472/n11293832/n11294132/n12858387/15132905.html.，3g移动通信正在越来越广泛的影响着人们的日常生活。第三代移动通信系统 王华奎等. 移动通信原理与技术m，北京：清华大学出版社，2009：433-500.是国际电信联盟（international telecommunication union

21、，itu）在1985年率先提出并负责组织研究的，采用宽带码分多址数字技术的新一代通信系统，当时称为未来公共陆地移动通信系统，简称fplmts（futuristic public land mobile telecommunication system），1996年正式更名为imt-2000（international mobile telecommunication 2000）。与第一代和第二代移动通信系统相比，第三代移动通信系统的特点 张平等. 第三代蜂窝移动通信系统-wcmdam，北京：北京邮电大学出版社，2000：9-18.可以概括为：1) 全球普及和全球无缝漫游。第二代移动通信系统一般

22、为区域或国家标准，而第三代移动通信系统是一个在全球范围内覆盖和使用的系统，全球使用共同的频段和标准。2) 具有支持多媒体业务的能力，特别是支持internet业务。itu规定的第三代移动通信无线传输技术的最低要求必须满足以下三种：a. 快速移动环境，最高速率达144kbit/s；b. 室外到室内或步行环境，最高速率达到384kbit/s；c. 室内环境，最高速率达到2mbit/s。3) 便于过渡和演进：由于第三代移动通信引入时，第二代网络已经具有相当规模，所以第三代的网络一定要能在第二代网络的基础上逐渐灵活演进而成，并应与固定网兼容，尽可能利用现有网络资源；4) 高频谱效率，高服务质量，低成本

23、，高保密性。第三代移动通信的三种主流技术标准为：欧洲和日本的wcdma、美国的cdma2000和我国的td-scdma。其中，wcdma 庞宝茂. 移动通信m，西安：西安电子科技大学出版社，2009：215-245.是英文wideband code division multiple access（宽带码分多址）的简称，由码分多址演变而来，该标准由3gpp具体制定，其主要支持者有爱立信、阿尔卡特、诺基亚、朗讯、北电以及日本的ntt、富士通、夏普等。目前中国联通采用这种3g通讯标准。20世纪90年代初期，欧洲电信标准协会（etsi）就开始为3g标准征求技术方案，并将3g技术称为通用移动通信系统（

24、universal mobile telecommunications system，umts），宽带cdma（带宽5mhz）建议是其多种方案之一2；日本则是于1994年开始imt-2000无线传输技术的研究，在对国内征集到的方案进行筛选后，最终确定将ntt docomo公司的wcdma综合fdd/tdd方式作为日本的方案3；后来，日本和欧洲将各自的wcdma建议进行融合，形成了现在的wcdma技术。1998年，由欧洲、日本、中国等国家和地区的通信标准化组织发起成立3gpp并从事wcdma的标准化工作，极大地推动了wcdma技术的发展，并最终使其成为itu批准的国际通信标准。表1.1 wcdm

25、a系统的基本参数 张传福等. 第三代移动通信wcdma技术、应用及演进m，北京：电子工业出版社，2009：4-17.- 李娅. wcdma系统直放站中抗窄带干扰技术的设计与实现d，成都：成都理工大学，2011.table 1.1 basic parameters of wcdma system参数名称参数内容信道带宽5/10/20mhz帧长10ms码片速率3.84mcps频谱分配上行18501910mhz，下行21102170mhz中心频率200khz的整数倍多址接入方式ds-cdma双工方式fdd、tdd扩频调制方式上行：双信道qpsk；下行：平衡qpsk数据调制方式上行：bpsk；下行：q

26、psk信道编码交织、卷积编码和turbo编码扩频因子上行：4256；下行4512最大发射功率变化范围用户设备26db，基站12db数据速率车速环境下144kbps，步行环境下384bps，室内环境下2mbpswcdma的核心网基于演进的gsm/gprs网络技术，空中接口采用直接序列扩频的宽带cdma技术，其主要特点有2：宽带直扩码分多址（ds-cdma）系统，强调宽带技术，最小带宽5mhz；基站间不需要同步和gps；正反向信道相干解调；可变的用户速率；频分双工（fdd）和时分双工（tdd）；支持异步基站；上下行链路采用基于导频符号或公用导频的相干检测；允许不同qos要求的业务进行复用。wcdm

27、a主要的系统参数如表1.1所示。wcdma技术标准是在gsm网络的基础上发展起来的，能够架设在原有的gsm网络上，对于移动通信运营商而言可以轻松地平滑过渡，因此wcdma具有先天的市场优势。我国拥有世界上最大的gsm网络，运营商只需在原有网络上增添一些软硬件即可使原有的gsm升级为wcdma，所以采用wcdma可以保护运营商的已有投资。目前，wcdma标准技术最成熟，得到企业和厂商的广泛支持。在wcdma系统的基站和直放站中，为了保证一定范围的信号覆盖，通常使用射频功率放大器来对信号进行放大，然后由射频前端和天线系统发射出去。一般功率放大器都有一定的非线性，会使信号产生非线性失真。一方面过度的

28、非线性失真会使系统误码率提高，降低信号传输质量；另一方面非线性失真还会产生频谱再生效应，对相邻信道产生干扰。在gsm系统中一般采用gmsk调制方式，这种恒包络调制对功放的非线性失真不敏感，功率放大器可以工作在效率较高的临近饱和区。但是，恒包络调制频谱利用率低，限制了通信系统的容量。在wcdma及其演进版本中，为了更加高效的利用有限的频谱资源，广泛采用qam、qpsk等高频谱利用率的调制方式和码分多址的传输方式，使得信号具有宽频带、非恒包络、高峰均比等特点，从而对发射端射频功率放大器的线性度提出了很高的要求。因此对于功放线性化技术的研究具有重要意义。1.2 线性化技术发展及现状射频功率放大器是无

29、线通信系统基站和直放站中的关键部件，也是基站和直放站系统中最主要的非线性源。一般功率放大器在输入功率较小时都具有良好的线性度，但工作在线性区时效率很低；随着输入功率的增加，功放逐渐进入饱和区，此时功放的效率有明显提高，但会产生严重的非线性失真。功率回退法是解决功率放大器线性化问题的最简单易行的方法，即采用大功率放大器，然后通过功率回退使功放工作在线性区。该方法不需要增加任何附加设备，缺点是电源利用率低，大部分能量转化为热量，设备散热性要求高，而且功放潜力得不到发挥，整机成本高，因此需要研究能同时满足效率和线性度要求的线性化技术。目前主要的功放线性化技术有负反馈技术、前馈技术、linc技术和预失

30、真技术等几种。上世纪二十年代，贝尔实验室的工作人员h.s.black提出了负反馈技术和前馈技术并将其应用到放大器的设计中 h.s.black. translating system p, us patent 1686972, 1928.10.- h.s.black. wave translation system p, us patent 2102671, 1937.12.，有效减少了放大器的非线性失真，可以认为是功放线性化技术研究的开端。后来d.c.cox对负反馈线性化技术进行了改进，提出了cartesian负反馈技术 d.c.cox. linear amplification by sam

31、pling techniqques: a new application for delta coders j, ieee transactions on communications, 23(8), 1975.8: 793-798.。负反馈线性化技术电路简单，是线性化技术发展早期的主要技术，但由于延时和稳定性等因素使得反馈回路构造困难，而且受反馈网络延迟的影响，工作带宽窄，不适合宽频带放大。前馈技术虽然起源早，且具有无条件稳定，线性度高，线性度与增益无直接关系，噪声系数好等优点，但由于当时器件工艺水平低，前馈技术所要求的相位、幅度和延时匹配很难实现，一直得不到应用。1971年贝尔实验室的se

32、idel等人才将前馈线性化技术应用于射频放大系统的设计中 h. seidel. a feedforward experiment applied to an l-4 carrier system amplifier j, ieee transactions on communication technology, 19(3), 1971.6: 320-325.。随着2.5g和3g移动通信技术的的逐步应用以及电子器件制造技术的不断进步，前馈线性化技术才逐渐得到重视 t. itakura. a feedforward technique with frequency-dependent curre

33、nt mirrors for a low-voltage wideband amplifier j, ieee journal of solid-state circuits, 31(6), 1996,6: 847-849.- sanggee kang. digital controlled adaptive feedforward amplifier for imt-2000 band j, ieee vehicular technology conference, 57(3), 2003: 2076-2079.。但前馈系统结构复杂，而且由于要采用辅助放大器使得硬件实现成本高，效率低，这在一

34、定程度上限制了该项技术在实际中的应用。1974年，贝尔实验室的d.c.cox提出了linc（linear amplification with nonlinear components）技术 d.c.cox. linear amplification with nonlinear components j, ieee transactions on communications, 1974, 22(12): 1942-1945.，该技术将非恒包络的信号分解为两个恒包络的信号，然后分别进行放大再合成，这样功放就可以工作在效率较高的饱和区，从而在保证线性的同时提高功放的效率。但该技术要求两条放大支

35、路必须完全一致，这在实际应用中很难保证。预失真技术起步较晚，1959年macdonald提出用与三极管特性互补的非线性特性来补偿其自身非线性的方法，这就是基本的模拟预失真思想 macdonald j.r. nonlinear distortion reduction by complementary distortion j, ire transactions on audio, 1959.9/10:128-133.。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。19世纪80年代以后，预失真技术开始飞速发展。随着数字信号处理技术的发展，出现了数字预失真技术和自适应控制预失真技术，预失

36、真技术的主要应用对象也转变为移动通信系统。模拟预失真采用模拟器件对放大器的非线性特性进行补偿，但器件的自适应调整困难，线性化效果受限。数字预失真通常用在数字通信系统的基带部分，这样可以在较为容易控制的数字域进行信号的补偿处理，而且能够方便的实现自适应控制，因此数字预失真技术具有广泛的应用前景。近些年，国内外对于功放线性化技术的研究都比较重视。在国外，一些著名大学如美国的佐治亚理工学院、加州大学圣地亚哥分校和洛杉矶分校、瑞典的皇家理工学院等，以及世界领先的企业如美国的powerwave公司、andrew公司、bravotec公司、motorola公司、ti公司，加拿大的pmc-sierra公司，

37、日本的ntt docomo公司、nec公司、韩国三星等多家单位，都在致力于线性化技术的理论与实践研究，并有相应的产品问世。在国内，一些高校如清华大学、东南大学、电子科技大学、浙江大学、西安电子科技大学、华中科技大学、宁波大学等，以及中兴、华为、中电集团13所、14所、30所、航天五院504所等多家单位都开展了线性化技术的研究工作，并取得了一定成果，其中华为技术有限公司的相关技术已达到了国际先进水平，但由于线性化技术的研究起步比较晚，与国外的研究成果相比还存在较大差距。1.3 本文的研究内容及主要工作论文的研究重点是wcdma系统中基于小波网络的数字预失真技术，在深入分析功率放大器的非线性特性、

38、功放的行为模型、数字预失真技术原理以及小波神经网络理论的基础上，以wcdma系统为背景，提出将小波神经网络理论应用到功率放大器数字预失真技术中，并在matlab仿真环境进行了仿真，验证了算法的有效性。论文的组织结构和内容安排如下：论文总共由六章组成，本章主要阐述了论文的研究背景、国内外的研究现状和论文的主要工作，并介绍了论文的内容和组织结构。第二章：功率放大器非线性特性的介绍。首先分析了功率放大器的非线性特性及功放记忆效应产生的原因及影响，在此基础上介绍了衡量功率放大非线性的主要技术指标。然后，介绍了几种常见的功放行为模型，包括无记忆模型和有记忆模型。第三章：数字预失真技术研究。本章对现有的功

39、放线性化技术进行了总结并分析了各自的优缺点，然后详细阐述了论文中所要研究的数字预失真技术的原理，并介绍了预失真系统的学习结构以及现有的几种数字预失真技术。第四章：人工神经网络与小波分析理论介绍。首先介绍了人工神经网络的基本原理，包括其发展，特点，拓扑结构，学习算法等，并对于目前应用较多的bp神经网络进行了详细阐述。然后阐述了小波分析的基本理论并介绍了几种常用的小波。为论文中算法的设计提供理论基础。第五章：基于小波网络的数字预失真算法设计与仿真。本章在上一章的基础上，介绍了小波神经网络的基本理论及学习算法，并对小波神经网络与bp网络进行了对比。然后阐述了基于小波网络的数字预失真算法设计的原理及设

40、计步骤。最后将该算法应用到wcdma系统中并在matlab软件中进行了仿真。第六章：结束语。对论文的工作和主要贡献进行了进一步总结，并提出了下一步的工作方向。第 2 章 功率放大器的非线性特性与行为模型2.1 功率放大器的非线性特性一个理想功率放大器的传递特性应为线性，假定功放的输入信号为，输出信号为，则其传输函数可表示为：（2.1）其中为常数，表示放大器的增益。可见功率放大器的输出是其输入的标量倍数，此时不会产生非线性失真。但在实际应用中，功率放大器都存在一定的非线性，尤其是输入信号幅度较大时，功放的输出会达到饱和状态，从而呈现出很强的非线性效应，此时输出不再是输入的线性放大，而变成了输入的

41、非线性函数，这种情况被称为非线性失真。通常来说，放大器的非线性会产生谐波失真、互调失真、交调失真、am/am失真和am/pm失真等。2.1.1 谐波失真非线性系统的一个显著特征就是它的输出信号中含有与基波频率成整数倍的新的频率成分，称为谐波。假设忽略记忆效应，通常可以把非线性系统的输出用其输入的幂级数来表示：（2.2）式中，为各项的系数。当（）时，系统是线性的，其增益为。通常情况下，取式（2.2）的前三项就可以保证足够的精度，即（2.3）当输入信号为单频信号时，即：（2.4）经过非线性放大器的输出信号为：（2.5）从式（2.5）可以看出，由于放大器的非线性，输出的信号中除角频率为的基波项外，还

42、出现了新的直流项以及与基波角频率成整数倍的、等各次谐波项。而且放大器的基波增益不再是理想的线性增益，而变成了，可见放大器的非线性使基波增益与输入信号的幅度有关，通常，所以功放的实际增益会随着输入信号幅度的增加而减小，出现增益压缩现象，这就是所谓的am/am转换效应。在接收系统中，由于谐波频率远离基波频率，可以很容易用滤波器滤除，因此谐波的产生对于系统影响较小；但对于发射系统来说，谐波项的产生可能会对其他频段的通信系统产生干扰，因此应该尽量减小谐波的影响。2.1.2 互调失真由于放大器的非线性，当两个及以上不同频率的信号作用于非线性放大器时，输出信号的频谱中会出现原有的基波频率，谐波频率以及其他

43、由这些频率组合成的新的频率成分，将这些新的频率成分称为互调分量。互调分量会对系统产生不良影响，称之为互调干扰。假设输入信号是等幅双音信号，即：（2.6）且，将式（2.6）代入式（2.3）进行幂级数展开，可得经过非线性系统的输出信号为：（2.7）由式（2.7）可知：奇次项会产生奇阶谐波频率分量和奇阶互调频率分量，偶次项会产生直流分量、偶阶谐波频率分量和偶阶互调频率分量。输入和输出信号的频谱图如图2.1所示，从图2.1（b）中可以看出，对于频率为、以及和的分量，其频率一般远大于或远小于基波频率，会对其他信道内的有用信号产生干扰，但可以用滤波器将它们滤除。对于频率为和的三阶互调分量，当输入信号的两个

44、频率、差值比较小时，这两个分量与基波频率非常接近，很难用滤波器将它们滤除，很有可能会使基波信号发生畸变，对系统性能影响较大。(a) 输入信号频谱(b) 输出信号频谱图2.1 等幅双音信号输入时功率放大器的输出频谱fig. 2.1 spectrum of pas output when the input is equal-amplitude two-tone signal2.1.3 交调失真交叉调制 艾渤，李波等. 宽带功率放大器预失真原理m，北京：科学出版社，2011.4.是由非线性系统中一个信号到另一个信号的调制过程的转换造成的，由此而造成的失真称为交调失真。假设输入信号为一个幅度调制信号

45、与一个载波信号的合成，即：（2.8）其中，为调制系数，为调制频率，、为两个载波频率。将式（2.8）代入式（2.3）得到交叉调制项为：（2.9）从式（2.9）可以看出，输出信号中出现了以为载波的调幅波，这种现象称为交叉调制，交叉调制使频率为的基波信号发生失真，也是产生非线性失真的主要原因之一。2.1.4 am/am和am/pm失真前面几节是从频域来分析非线性系统的失真，而信号的频域和时域表示是对应的，频域信号发生失真，时域信号也必然会出现失真，所以功率放大器的非线性特性还可以在时域进行观察，常用am/am变换和am/pm变换的特性曲线对功率放大器引入的非线性失真影响进行比较直观的描述。am/am

46、变换表示输入信号幅度和输出信号幅度之间的变换关系，即功率放大器的幅度特性，am/pm变换表示输入信号幅度和输出信号相移之间的变换关系，即功率放大器的相位特性。一般认为，放大器输出信号的幅度和相位主要由输入信号的幅度决定，而与输入信号的相位几乎无关 何军. 宽带射频功率放大器记忆效应的研究d，成都：电子科技大学，2009.。图2.2所示为无记忆功放的特性曲线示意图，其中，图（a）为功放的am/am变换特性，表示功放的输出幅度随输入幅度的变化情况，可见功放的输入幅度增加到一定程度以后，功放的增益逐渐降低，其输出幅度达到饱和，出现了增益压缩现象；图（b）为am/pm变换特性，表示输出信号的相移随输入

47、幅度的变化情况，可以看出功放的相位特性并不是恒定的，其相移随输入信号功率的增加而逐渐增大。因此当输入信号较小即工作在小信号状态时，功放的非线性失真非常小，基本呈现线性特性；而当输入信号较大时，功放工作在非线性区，其幅度失真和相位失真比较严重。 （a）am/am特性 （b）am/pm特性图2.2功率放大器的特性曲线示意图fig. 2.2 diagram of characteristic curve for power amplifier2.2 功率放大器非线性的影响功率放大器的非线性会引起传输信号的失真，主要分为带内失真和带外失真。带内失真主要表现为am/am调制和am/pm调制效应，导致信号

48、出现幅度失真和相位失真，减弱了系统的抗误码能力；带外失真表现为大量的互调分量和谐波分量的产生，导致信号频谱的扩展，从而对邻近信道产生干扰。2.2.1 带内失真以16qam调制信号为例，由功率放大器非线性引起的带内失真主要表现为信号星座图的失真。图2.3给出了16qam调制信号经过非线性功放前后的星座示意图，其中图（a）为输入信号的星座图，该信号经过非线性功率放大器后星座图如图（b）所示，可见由于放大器的am/am效应导致输出信号产生幅度压缩现象，从而使星座点之间的距离发生改变，同时由于am/pm效应使得输出信号星座点的位置发生旋转。正常情况下，每个星座点都有一个判定边界，即使星座点偏离了理想位

49、置，只要在自身的判定边界之内，就能够被正确的判别。但当非线性失真达到一定程度时，就可能使某些星座点落在相邻星座点的判别区域内，从而造成误判。因此，功率放大器的非线性会引起信号判决上的困难，增加误比特率，对信号的传输质量造成不良影响。 (a) 输入信号星座图 (b) 输出信号星座图图2.3 16qam信号经过非线性功放前后的星座示意图fig. 2.3 constellation of 16qam signal before and after nonlinear power amplifier2.2.2 带外失真图2.4 wcdma信号经过非线性功放前后的频谱图fig. 2.4 spectrum

50、 of wcdma signal before and after nonlinear power amplifier无线通信系统对邻近信道干扰的要求都比较严格，一般情况下调制信号的频谱应该被限制在本信道内，不允许泄露到邻近的信道中，但功率放大器的非线性会使信号的频谱发生扩展。在ads（advanced desigen system）软件中，采用常用的wcdma功放管mrf21140h设计功率放大电路，将wcdma信号源作为其输入，得到该系统的输入信号和输出信号的频谱图如图2.4所示，可见wcdma信号经过非线性放大电路后，其频谱被扩展到更宽的频带内，这种现象称为频谱再生，频谱再生会对邻近信道

51、甚至更远信道产生干扰，影响其信号的正常接收，这直接影响了通信系统的性能。2.3 功率放大器的记忆效应本节之前对功率放大器非线性的分析都假设功放是无记忆的，即放大器当前的输出仅取决与当前的输入，而与历史信号无关。但实际中放大器都具有记忆效应，即其输出由当前输入和器件的历史状态共同决定，也就是说，时域响应不是瞬时的，而是要与系统的冲击响应相卷积。在窄带通信系统中，其电路时间常数远小于传输信号包络的最小周期 w. bosch and g. gatti. measurement and simulation of memory effects in predistortion linearisers

52、j, ieee transactions on microwave theory and techniques, 1989, 37(12): 1885-1890.，功率放大器的记忆效应对系统影响较小，可以忽略。但功率放大器的记忆效应随输入信号带宽的增加而逐渐趋于显著 t. liu, s. boumaiza, et al. quantitative measurements of memory effects in wideband rf power amplifiers driven by modulated signalsj, ieee microwave and wireless comp

53、onents letters, 2007, 17(1): 79-81.，因此在wcdma宽带通信系统中记忆效应不能忽略，必须考虑记忆效应对系统的影响。 (a) am/am特性曲线 (b) am/pm特性曲线图2.5 有记忆功率放大器特性曲线fig. 2.5 characteristics of amplifier with memory图2.6 16qam信号经过有记忆功放后的星座图fig. 2.6 constellation of 16qam signal after amplifier with memory根据记忆效应产生机理的不同，可以将其分为两类 j.h.k. vuolevi, t.

54、 rahkonen, j.p.a. manninen. measurement technique for characterizing memory effects in rf power amplifiers j, ieee transactions on microwave theory and techniques, 2001, 49(8): 1383-1389.：电记忆效应和热记忆效应。电记忆效应产生的主要原因是随着载波频率、基带信号频率的变化，终端阻抗（偏置和匹配电路阻抗）会发生改变；热记忆效应的产生是由于功放的瞬时耗散功率随时间变化，导致晶体管的结温随时间变化，从而影响晶体管的参

55、数。功率放大器记忆效应的主要表现是：放大器的am/am和am/pm特性不再如图2.2中所示是单根清晰的曲线，而呈现出发散状，如图2.5所示，这种现象被称为“磁滞现象”。因此，理想的16qam调制信号经过有记忆功率放大器后的星座图也呈现出了发散状，如图2.6所示，而不是图2.3中所示的单个的点。2.4 功放的非线性技术指标当定量描述一个功率放大器的非线性特性时，常用如下几个指标来衡量：1db压缩点、三阶互调系数、三阶截断点（third-order intercept point，ip3）、邻信道泄露功率比（adjacent channel leakage power ratio，aclr）以及误

56、差矢量幅度（error vector magnitude，evm）等。2.4.1 1db压缩点图2.7 1db压缩点和ip3示意图fig. 2.7 diagram of 1db compression point and third-order intercept point (ip3)功率放大器一般都有一个线性工作范围，在这个范围内，放大器的输出功率随输入功率的增大而线性增大，此时增益为一常数，称为线性增益。当输入功率增大到一定程度以后，功率放大器逐渐进入非线性区，其输出功率不再随输入功率的增大而线性增大，增益开始下降，出现增益压缩。通常把实际增益下降到比线性增益低1db时的功率增益称为“1db增益压缩点”，用表示，此时的输出功率称为“1db压缩点输出功率”，用表示，如图2.7所示。1db增益压缩点在衡量一个功率器件的线性输出性能时是一个很重要的指标，常作为功放开始进入失真区的标志。越大的器件，其线性度越好。2.4.2 三阶互调系数和三阶截断点三阶互调分量的频率与基波频率比较近，对系统的影响最大、最难以对付，所以在衡量一个系统非线性特性时，常把三阶互调分量的大小作为一个重要的指标。三阶互调系数定义为三阶