（无线电物理专业论文）dvb_t数字电视信号发射机若干问题的研究.pdf

2 0 0 4 年6 月 学位论文独创性声明 本人所呈交的学位论文是我在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人已经 发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在 文中作了明确说明并表示谢意。 作者签名：孟垃 日期：作者签名：箍三敝日期： 学位论文使用授权声明 本人完全了解华东师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学校有权保 留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版。有权 将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查阅。有 权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索。有权将学位论文的标题和摘要 汇编出版。保密的学位论文在解密后适用本规定。 学位论文作者签名趁蓉乏 日期： j e 生，t 导师繇严鼬 日期：i 塑生：! ： 华东师范大学2 0 0 4 届硕士论文d v b t 数字电视信号发射机若干问题的研究 摘要 本文结合上海市广播科学研究所项目“d v b t 数字地面电视信号 发射机国产化研制”，对数字电视信号发射系统中的若干问题做了系 统的阐述，提出了部分模块的详细设计方案。其中主要对数字发射系 统的一些关键技术如c o f d m 多载波调制，功放线性化技术以及线性功 率放大器模块设计做了详细的分析。本论文的主要工作是设计大功率 线性放大模块，该模块包括了线性功率放大器，控制电路，微带无源 功率合成电路。在设计当中，采用了新型侧向扩散场效应管( l d m o s ) ， 运用了先进的放大器结构一平衡结构及巴伦推挽结构，提出一种适合 于甲乙类功率放大器的小信号设计方法，并利用这种方法，分别采用 m o t o r o l a 和p h i l j p s 公司的l d m o s 芯片成功设计出u h f 射频功率放 大模块。在设计的过程中，利用电磁场仿真软件a g i l e n ta d s 并结合 厂家给出的推荐匹配电路进行设计，极大的缩短了研发周期，节约了 开发成本。本文设计的驱动和末级功率放大器，增益及线性等指标与 国外的同类产品相比较不相上下，并成功的应用于上海广播科学研究 所地面数字电视发射机中，为我国数字电视发射系统的全面国产化铺 平了道路。 关键词：数字发射机c o f d m 调制预失真线性功率放大器功率 增益a d s 华东师范大学2 0 0 4 届硕士论文 d v b t 数字电视信号发射机若干问题的研究 t h ed e s i g no fa na m p l i f i e ro fd v b t d i g i t a lt e l e v i s l 0 nt r a n s m i t t e r a b s t r a c t i nt h ed i s s e r t a t i o n ，t h ed e s i g no fa na m p l i f i e ro fd v b td i g i t a l t e l e v i s i o nt r a n s m i t t e ri sd e s c r i b e da n dd e s i g ns c h e m eo fe v e r ym o d u l ei s p r e s e n t e di nd e t a i l i tm a i n l yf o c u s e so nt h ea n a l y s i so ft h ed e s i g no f p r e a m p l i f i e rm o d u l ea n df i n a la m p l i f i e rm o d u l e t h em e t h o do fs m a l l s i g n a ld e s i g ni sp r e s e n t e d ，w h i c hc a nb e a p p l i e d t ot h ed e s i g no fa 、a ba m p l i f i e r w i t ht h em e t h o dlo o w p r e a m p l i f i e r m o d u l ea n d2 7 0 wf i n a l a m p l i f i e rm o d u l ea r ed e s i g n e d s u c c e s s f u l l yw i t hd e v i c e so fi v l r f3 7 3a n db l f 8 6 1 d e s i g n i n gw i t ht h e r fs i m u l a t i o nt o o l sh e l p st og r e a t l yr e d u c et h ed e v e l o p i n gc i r c l e sa n d c o s t s t h e p r e - a m p l i f i e ra n d f i n a l a m p l i f i e r a r ea p p l i e dt o d i g i t a l t e l e v i s i o nt r a n s m i t t e r , w h i c hw i l la c c e l e r a t ei n d i g e n i z a t i o no fd i g i t a l t e l e v i s i o nt r a n s m i t t e r k e y w o r d s ：t r a n s m i t t e r , a m p l i f i e r ，p o w e r , g a i n ，a d s 华东师范大学2 0 0 4 届硕士论文 d v b t 数字电视信号发射机若干问题的研究 第一章绪论 1 1 数字电视国内外发展情况 数字电视在近几十年来一直是西方国家致力研究的一项高新技术，并且在世 界上一些发达国家广泛得到应用。 目本是数字电视研究与开发起步最早的国家，在初刨阶段，其技术曾一度领 先，根据b p a ( t h eb u s i n e s so fp e r f o r m i n ga u d i t s ) 在2 0 0 1 年6 月2 0 日的 估计，到2 0 0 3 年8 月2 7 日，卫星数字电视的直接收看用户总数将达到7 1 7 万， 通过有线网观看的用户数为2 4 6 万，到2 0 0 3 年1 2 月1 日用户总数将超过1 0 0 0 万“。 1 9 9 5 年，欧洲1 5 0 个组织合作 于发数字视频广播( d v b ) 项目，并成立了d v b 联盟。d v b 联盟是一个由3 0 多个国家的2 3 0 多个成员组成的国际机构。该机构 的首要目标是在全球范围内发展和推广共同的数字电视广播标准。d v b 联盟共同 制定了数字电视的d v b ( d i g i t a lv i d e ob r o a d c a s t ) 标准“。这是套有关电 视广播系统大家庭诸多要素的统一标准，其中最引人瞩目的是d v b 数字卫星和有 线电视传输系统的标准。 与日本和欧洲相比，美国对h d t v 发展起步较晚，但是由于它在发展数字电视 机方面占有优势，特别是1 9 9 3 年成立的数字h d t v 大联盟( g a ) ，使得它现在在 h d t v 的发展中具有举足轻重的作用。1 9 9 4 年2 月，g a 推出了数字h d t v 大联盟 制式，它不但吸取了本国各主要数字h d t v 制式的优点，而且从日本和欧洲的研 究中得到许多启示，因此标准高，方法灵活”1 。 数字电视的发展有着广阔的前景，纵观全球，在过去的年中全球各国都在 大力发展数字电视及相关产业，并取得了很大进展。由于客观情况、标准、制式 等不同，各国的数字电视发展状况也不尽相同，但一些数字电视发展比较迅速的 国家，特别美国、日本、欧洲等国数字电视发展模式、发展趋势、技术标准的选 择对我国有一定的指导和借鉴意义。 中国的数字电视技术发展这些年来也取得了重大的成就，我国已有北京、上 海等2 5 个城市开始试播有线数字电视。中国数字电视产业联盟主席、国家数字 电视专家委员会委员郭柯先生表示中国数字电视孕育着1 3 5 万亿元的市场”1 。 华东师范人学2 0 0 4 届硕士论文d v b - t 数7 电视信号发射机若干问题的研究 1 2 数字发射机国内外发展情况 目前全球共有三套国际地面传输系统标准，美国1 9 9 6 年高级电视系统委员会 ( a t s c ) 研发的格形编码八电平残留边带( 8 - v s b ) 即：a t s c8 - v s b ；欧洲1 9 9 7 年提出的数字视频地面广播( d v b t ) 采用编码正交频分复用( c o f d m ) 即：d v b t c o f d m ：日本1 9 9 9 年提出的地面综合业务数字广播( i s d b t ) 采用正交频分复用 ( o f d m ) 即：i s d b to f d m 。针对这些数字电视标准，国外各大厂家纷纷推出新 一代数字发射机，如：美国h a r r i s 公司的a t l a s t m 系列、日本n e c 公司的 v e r s a t i l e i id t u 一3 1 系列、德国r o h d e & s c h w a r z 公司的n h n v 7 0 0 0 系列等。这 些数字发射机均是当前世界上最主流、最成熟的产品。 我国的各大电视台发射机至今仍基本处于模拟阶段，数字发射机的研制工作 也刚刚起步。不过，由于我国数字电视标准即将出台，数字电视技术将会得到飞 速发展。目前，我国各大广播研究机构已察觉到数字发射机广阔的市场前景，均 蓄势待发，投入极大的力量进行数字电视发射机的研发工作。上海文广集团紧跟 世界数字化潮流、敏锐的觉察出这一广播方式在上海这个超大城市发展的前景， 沿用欧洲数字地面电视标准d v b t ，在上海开展数字电视车载移动接收广播。采 用这一广播方式不仅可充分利用数字方式的容量大、传输效率高等优点，而且还 具有灵活性大、可以进行实时电视节目广播等其它媒体无法取代的优势。该系统 的目标是：采用地面广播的方式进行数字电视广播，要求广播覆盖上海市区，并 实现数字电视节目的车载移动接收。 1 3 本文解决的问题及意义 在数字发射机中，通常情况下，数字电视信号经c o f d m 方式调制后输出中频 模拟信号，通过上变频送入放大部分。陔调制方式包括i f f u r ( 8 k ) 和i f f t ( 2 k ) 两种模式，分别由6 8 1 7 和1 7 0 5 个载波组成，每个载波之间频率间隔非常近，所 以交调信号很容易落在带内，引起交调失真，线性较差的放大器将会严重影响数 字发射机的关键指标m e r ( 调制误差率) 和s h o u l d e r ( 带肩) 。因此，要求放大 部分应工作于线性状态，以免影响信号质量。此外，由于放大系统均采用了大功 率放大器件，埘于效率，温度等指标也有很高的要求。同时，为了提高整个系统 的线性，在放大系统的前段，也采用了一些线性化技术，如预失真等。目前，国 华东师范大学2 0 0 4 届硕士论文 d v b t 数宁电视信号发射机若干问题的研究 内许多广播机构均使用了国外进口的功放模块，虽然性能优越，但价格昂贵，所 以发射机用线性高功放的国产化工作迫在眉睫，这也是我国数字电视技术发展的 一个部分。 本论文是在上海广播数字电视研究所，参与d v b _ t 地面数字电视发射机功率 放大器的研发项目的基础上完成的。本人成功地研制出了地面数字电视发射机功 率放大模块，其中包括l d m o s 线性高功率放大电路，无源合成分配模块以及控制 模块，整个模块各项指标均达到或超过国外同类产品。这为国内数字电视发射机 功率放大器的国产化奠定了基础，并大大的降低了成本。 本论文的内容是根据问题的产生和解决顺序来安排的。论文共分五章。第一 章绪论说明地面数字电视技术国内外发展概况以及在发射机国产化中所遇到的 问题，第二章介绍了数字电视信号发射系统。第三章介绍了非线性放大器的理论 基础，对一些射频功率放大器的基础理论进行了详细的阐述。第四章大体介绍了 地面数字电视发射机中功率放大器的基本模块以及设计的相应方案。第五章详细 的论述了如何利用小信号法来设计甲类功率放大器并结合a g i l e n t 的a d s 仿真软 件成功地设计出预驱动放大电路和末级功率放大电路，以及无源功率分配合成模 块的设计。 华东师范大学2 0 0 4 届硕士论文 d v b t 数字电视信号发射机若干问题的研究 第二章数字电视信号发射系统 数字电视信号发射系统最大的特点就是数字化以及模块化。数字化技术贯 穿了整套系统，包括信号，编码，调制，线性化技术等。模块化技术是一种冗余 备份设计，是充分发挥全固态发射机的优势，消除单致命故障点，实现零停播率 的前提；同时它也大大提高设备的可维护性，缩短维修时间，减少现场维修难度。 2 1 发射系统简介 数字发射机 t s 流 删m 争调制器* 薅上变频器涨功率放大器$ 鞘移带通滤波器； l i 棼。 天线 供电系统控制系统 i 图21 1 调制器：将输入的符合m p e g 标准的码流，调制到中频上。现在主要有d v b 和a t s c 等标准。对于不同的标准，整个数字电视发射系统只需更换相应 的调制器即可。 2 上变频器：包括中频预校准及a l c a g c 控制电路、合成本地振荡器、上变 频、功率放大等。上变频器可以锁定在外部1 0 m h z 的频率源( 如g p s 接收 机) 上，从而提高输出的频率精度，并可通过频偏调节得到一个稳定的r f 输出。 3 预失真模块：位于功放模块前端，用于提高改善放大器线性指标。 4 功率放大器：该放大器是宽带放大器，能覆盖整个u h f 波段，在发射的频 道改变时无须进行逐个频道的调整。各级功率放大模块采用最先进的进口 全固态l d m o s f e t 放大管。模块化设计，一致性好，可靠性高，即使在有 模块缺损的状态下，发射机仍旧能播出。 5 功率分配器、功率合成器：采用射频大功率合成技术，能比较方便地构造 出用户所需要的各个功率等级的数字发射机。 6 带通滤波器：该滤波器由6 个谐振腔组成，其主要作用是完成滤除谐波及 提高发射功率谱带外衰减度的功能。 2 2 数字与模拟发射系统的区别 华东师范大学2 0 0 4 届硕士论文 d v b t 数。一电视信号发射机若干涮题的研究 电视信号发射机通常分为6 个部分：激励器、r f 输出单元、功率放大器、 电源、监控和冷却系统。模拟电视发射机和数字发射机在这6 个部分存在一些不 同之处。 ( 1 ) 激励器 激励器主要包括视音频处理、调制、本振、变频和小功率放大，发射机的绝 大部分技术指标由激励器决定。模拟电视发射机和数字电视发射机的激励器存 在较大的不同。 模拟电视发射机激励器数字电视发射机激励器 输入信号模拟视音频信号数字视音频信号 视音频处理模拟处理或数字处理 数字处理 调制方式视频a m ，音频f m 数字o f d m 或8 一v s b 预校正中频预失真数字自适应预校正d a p 变频双平衡混频器 3 7 m h z i 、q 混频 表2 1 ( 2 ) 功率放大器 模拟电视发射机有双通道发射机和单通道发射机之分。而数字电视发射机只 能采用单通道，这是因为数字视音频信号总是复合在一起进行调制、解调，而模 拟发射机则是视音频分开调制。另外，由于发射的是多载波调制信号。数字电视 发射机对功率放大器的线性要求比模拟电视发射机商得多。 ( 3 ) 滤波器 模拟电视发射机的主要能量集中在视频载波、伴音载波和色度副载波这些离 散频率点上，无用发射也主要集中在3 个频率的组合处。当采用声表面波滤波器 作残留边带滤波器时，色度和亮度调制信号在带外的无用发射总能满足国家标准 的要求。对离散型的无用发射，一般采用多个陷波腔来滤除，但这种陷波器式的 滤波器完全不能用于数字电视发射机，因为数字电视发射机的带外无用发射是连 续的，必须采用带通滤波器。而且，为了抑l 其对邻频道的干扰，还必须采用椭 华东师范大学2 0 0 4 届硕士论文 d v b t 数宁电视信号发射机若干问题的研究 圆函数带通滤波器，以达到一定的a c c p 性能。 2 3 数字发射系统关键技术 数字发射系统中包含了许多关键性技术，这些技术决定了该系统的性能。其 中有调制技术，线性化技术，功率放大技术等。功放技术是本论文的重点，将在 以后章节详细叙述。 2 3 1c o f d m 调制技术 ( 一) d v b t 系统原理 d v b t 的系统功能框图如下 幽2 2 由于地面广播的条件较差，而且因为已有的一些地面传输服务产生的较大的 同频和邻频干扰，d v b t 采用了更多的抗干扰和防误码的措施。首先输入数据被 分为一定长度的传输包，每组包含1 8 8 个字节，经过能量扩散的数据流接下来进 行外码的编码，能够在2 0 4 个字节帧内纠正8 个错误字节，外码则是采用截短的 r s ( 2 0 4 ，1 8 8 ，t = 8 ) 码。然后，经过外码编码的数据再由交织器在1 2 字节的深度 内按字节进行交织。接下来进行内码编码，内码采用的是卷积收缩码，码率可以 为1 2 、2 3 、3 4 、5 6 、7 8 。再经过内编码的数据再经过内交织器进行交织， 内交织主要分两步：位交织和符号交织。利用q p s k 、1 6 q a m 、6 4 q a m 的调制方式 将其映射到星座图上。o f d m 传输信号是按帧方式组织的，每个帧包含6 8 个o f d m 符号，在8 k 模式下，每个符号由6 8 1 7 个载波组成；在2 k 模式下，每个符号由 1 7 0 5 个载波组成。o f d m 帧中除需要传输的数据外，还有其他一些信号如导频信 号，传输参数信号( t p s ) ，它们主要用于帧同步，频率同步，时间同步等。 ( 二) d v b t 系统中的c o f d m 调制 华东师范大学2 0 0 4 届硕士论文 d v b t 数字电视信号发射机若干问题的研究 1 多载波调制 一般的通信系统采用的都是单载波调制方式，这种方案在数据传输速率不太 高的情况下，多径效应对信号之间造成的干扰比较小，系统可以正常工作。然而 对于数字电视信号传播来说，由于数据传输速率较高，时延造成数据符号之间的 相互交叠，从而产生符号之间的串扰，从频域的角度来说，多径信号的时延会导 致同一信号中不同的频率成分出现不同的衰落特性，即频率选择性衰落。 多载波传输则可以解决高速率数据传输中出现的种种问题。在这种调制系统 中，将载波按不同频段分成多个子载波，将数据流分解为多个子比特流，这样形 成的低速率多状态符号再去调制相应的子载波，从而形成多个低速率符号并行传 输的系统。多载波调制技术一般分为正交频分复用( o f d m ) ，离散多音调制( d m t ) 和多载波调制( m c m ) 。 2 c o f d m 原理( 与f d m a 比较) 在d v b t 中，采用的调制方式是c o f d m ，即编码的正交频分复用，基本原理 就是把高速的数据流通过串并变换，分配到传输速率较低的若干子信道中进行传 输。 其中c 是指信道编码采用编码率可变的卷积编码方式( 可删除型卷积编码) ， 以适应不同重要性的数据的保护要求：正交频分( o f d ) 是指使用大量的载波( 又称 副载波) 以代替通常用的单个载波。这些副载波有相等的频率间隔，所有的副载 波的频率都是一个基本振荡频率的整数倍，在频谱关系上是彼此正交的。复用( m ) 是指许多套节目相互交织地分布在上述的大量副波上，形成一个频道。 c o f d m 将一串连续的基带数据流被分配到一个个单独的载波上，这些在特定 时问里处理的载波集合通常称作“c o f d m 符号”，一个c o f d m 符号内包括多个经 过调制的子载波的合成信号，其中每个子载波都可以受到相移键控( p s k ) 或者 正交幅度调制( q a m ) 符号的调制。如果n 表示子信道的个数，t 表示o f d m 符号 的宽度，f c 是第0 个子载波的载波频率，f e e t ( t ) = l ，iti t 2 ，则从t = t s 开 始的o f d m 符号可以表示为： n 一】甲 s o ) = r e 芝：赢r e c r ( 一b 一专) e x p j 2 石( 五+ 圭) o 一“) 如f 如+ r ( 2 1 ) s 0 ) = 0 f f + 如( 2 2 ) 然而通常我们采用复数等效基带信号来描述o f d m 输出信号 华东师范大学2 0 0 4 届硕士论文d v b - t 数，电视信号发射机若十问题的研究 m ) = 篓由耐o - 6 - 争e x p 2 丌；( r 一删如r 如+ r ( 2 3 ) 、 s ( f ) = 由耐。寺) e x p 2 丌( 卜 ) 如f 如+ r ( 2 3 ) 、 j - 0 s ( f ) = 0 f f + i s ( 2 4 ) 其中实部和虚部分别对应于o f d m 的同相和正交分量，在实际中可以分别与相应 子载波的正弦和余弦分量相乘，构成最终的子信道信号和合成的o f d m 符号。 一个c o f d m 符号内的每个子载波都包含整数倍个周期，而且相邻子载波之间 相差一个周期。对上式中的第j 个载波进行解调，然后在周期t 内进行积分，如 下式： e 冲卜争b ，唧p 争b ，卜删，s ， 可以看出，解调后可以恢复原来的信号，而对于其他子载波来说，之间的频率差 别为整数倍个周期，积分结果为零。这种正交性变换到频域来说，一个c o f d m 信号内包含多个子载波，每个载波的频谱最大值都是和相邻载波的零点重叠，这 种载波间的部分重叠提高了频带利用率，而且使信道衰落引起的突发误码分散到 不相关的子信道上，变为随机性误码，有效的减少了码问干扰带来的影响。 3c o f d m 调制的优缺点： 主要优点： 适应不同设计需求，灵活分配数据容量和功率，可提供灵活的高速和变 速综合数据传输。 能提供较大的系统容量，且具有较强的抗多径干扰、抗频率选择性衰落 和频率扩散能力，适应多径和移动信道传播条件，由于它较强的多径能力，可使 用于单频网( s f n ) 中。 该技术可以实现较高的安全传输性能，允许数据在复数的高速的射频上 被编码。 该技术能够持续不断地监控传输介质上通信特性的突然变化，并动态地 与之相适应，然后接通和切断相应的载波以保证持续地进行通信。 主要缺点： 信号呈现很大的峰平功率比( p a e r ) ，故比单载波系统需要更宽的线性范 围，需要动态范围很大的线性放大器，降低o f d m 信号的峰平功率比是o f d m 技术 华东师范大学2 0 0 4 届硕士论文 d v b 。t 数字电视信号发射机若干问题的研究 中的一个难点。 o f d m 的基础是子载波必须满足丁f 交，如果正交性恶化，系统性能会严重 下降，产生o f d m 特有的子载波串扰。恶略的无线环境中实现子载波的精确正交 是其另一难点。 2 3 2 功放线性化技术一预失真法 随着科学技术的不断发展，无线通信已经成为信息产业中最为耀眼的亮点。 然而，通信频段也变得越来越拥挤，为了在有限的频谱范围内容纳更多的通信信 道，必须要采用频谱利用率更高的传输技术，因此线性调制技术如q a m ，q p s k 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，然而系统中的非线性器件必定会使发射信号产生非线性失 真，从而对相邻信道产生不同程度的干扰。对与数字电视信号发射系统而言，所 需传输的是多载波调制信号，对于带内和带外的失真要求控制在一定的范围内， 以保证系统的正常运行。 对于采用恒包络调制如f m 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，滤波不能消除交调产物，因此必须采 用高线性化的发射系统。射频功率放大器是发射机中非线性最强的器件，因此功 放的线性化技术是衡量发射系统指标的关键技术。由于数字电视传输所采用的 c o f d m 多载波调制信号具有很高的峰值平均功率比，功放的非线性将影响到整 个系统的性能。 此章将着重介绍线性化技术的一种一预失真法( p r e d i s t o r t i o n ) 预失真技术是一种应用广泛的功放线性化技术。根据预示真模块在发射系统 中的位置，可以分为射频、中频和基带预示真。根据预失真模块处理信号的方式， 可以分为模拟和数字预失真。该技术有很多种，然而原理却都是在调制器和高功 放间插入一个非线性的器件作为预失真器件( p d ) ，从预失真器和高功放作为一 个整体来看，其增益特性为线性。如：假设预失真器的增益函数为d ( f ) ：而高功 放的增益函数为：p ( r ) ：则整体的增益函数：h ( r ) = d ( r ) 3p ( r ) = 常数c 从局 部来看，由于i m 3 和i m 5 对高功放的影响比较大，而i m 3 和n 5 可由i m 2 与i m 4 与原基带信号调制产生，因此只要控制预失真器产生的i m 2 和i m 4 的系数，使其 与高功放与原基带信号调制产生的i m 3 和i m 5 精确地相位相反，理论上可以很 华东师范大学2 0 0 4 届硕士论文 d v b t 数字电视信号发射机若干问题的研究 大或完全地取消整体的、i m 3 和i m 5 ，使高功放呈现线性化，从而大幅抑制带外发 射、减少带内失真。 l 黻囊器卜 图2 3 预失真线性化原理框图 2 3 2 1 模拟预失真技术 模拟预失真系统具有结构简单、适应频率宽、易于集成等优点，所以直是 功放线性化技术研究的重点。 如图2 3 所示，预算真技术是概念上较简单的线性化技术。所谓模拟预失 真技术就是用一个非线性特性同功率放大器相反的模拟器件，将它和非线性功放 串联在一起，使得输出没有或者很少有失真信号，其基本原理如图2 4 所示。预 失真( 2 4 a ) 的作用就是对输入信号产生一个扰动作用，该扰动正好可以和射 频功率放大器产生的非线性失真( 2 4 b ) 互补，这样就可以在输出端得到放大 但没有失真的信号( 2 4 c ) 。 镄必冀瓣a放走罄b 理撼辘牲符挂e 图2 4 模拟预失真器基本原理旧 显然，模拟预失真技术的关键是得到( 2 4 a ) 的特性，然后用实际电路设 计并实现。目前最常用也比较简单的模拟预失真网络是消除功率放大器的三阶交 调分量，称为三阶模拟预失真器。对于一个通信系统，三阶交调分量是主要失真 信号，如果把三阶交调分量消除到同相邻高次分量如五阶交调相等或略低，就可 以取得较好的线性化效果。1 9 8 4 年n o j i m a 等使用二极管完成了一个三阶模拟预 失真器，如图2 5 所示，后来出现的三阶模拟预失真系统基本是以此为原型的。 华东师范大学2 0 0 4 届硕士论文 d v b - r 数字电视信号发射机若干问题的研究 系统中最基本的器件是三阶非线性扰动器，它可以产生与功率放大器三阶失真信 号相反的三阶扰动信号，从而可以在输出端可以抵消该失真分量。三阶模拟预失 真器在行波管功率放大系统中得到广泛应用，并取得很好的效果。目前，三阶模 拟预失真系统以其简单、宽带和易于集成等优点，已在广泛应用于卫星通信、点 对点的高功率通信系统中。因为预失真器和功率放大器中的匹配问题，这种模拟 预失真器一般只能取得中等的线性化性能。 一 3 “：l ( 1 一：i r q t l l l al o l li 】1 1 瑚- s h j 帅j 。 d t l o l lo r 图2 5 基本三阶模拟预失真器的基本框图 2 3 2 2 数字预失真技术 ( 一) 基于查表技术的基带预失真系统原理 从原理卜讲，同模拟预失真技术。样，基带预失真技术也是对输入信号进 行预扰动，以达到线性化功率放大器的目的。但基带预失真技术一般在数字域内 完成输入信号的预失真处理，这是同采用模拟器件实现预失真技术的本质区别。 同模拟预失真技术相比，数字技术具有许多独特的优点，如功耗小、结果较 紧凑、价格便宜、易于实现复杂算法等优点。近年来，随着高速数字信号处理器 件的飞速发展，制约该技术发展的器件瓶颈正逐步得以解决。目前该技术应用范 围正从原来的窄带通信系统向宽带通信系统转变，成为研究的热点，图2 6 是这 种预失真系统的原理框图。 华东师范大学2 0 0 4 届硕士论文d v b t 数字电视信号发射机若干问题的研究 穰 母一匪卜嗲 垴 悟e h 圈一 图2 6 自适应基带预失真系统基本框图 由于该技术是通过对基带信号进行预扰动，而不是对非线性射频功放所要直 接放大的射频信号进行处理，因此数字基带预失真技术无一例外的采用了自适应 反馈技术。另一方面，高速数字信号处理器件可以方便地实现各种复杂算法，提 高整个系统的自适应性能。 ( 二) 数字预失真技术在数字电视发射机中的应用 数字地面电视标准，不管是美国的a t s c 还是欧洲的d v b t 标准，都是用特 有的调制方式在相对窄的、固定带宽的频道中传送高数据率码流。这些高效的调 制方式促使发射系统面对很低的随机峰值平均功率比值，这就需要数字电视发 射机的设计十分注意非线性效应的影响。事实上由非线性效应引起的互调失真将 产生通频带带内产物，它会降低e n d ( e q u i v a l e n tn o i s ed e g r a d a t i o n ) 或e w ( e r r o rv e c t o rm a g n i t u d e ) ；同样也会产生带外产物( s h o u l d e r ) ，干扰信号会 影响邻近频道。不仅非线性失真会影响数字调制信号：线性失真也会损害数字调 制信号。在传统的模拟发射机内常常是用人工的方法来校正的，通过判断模拟信 号内夹带的测试信号的好坏进行预校正。这样的测试信号是不可能插入到数字码 流中去的，数字发射机就需要稳定和台适的校正处理以避免不必要的麻烦。 华东师范大学2 0 0 4 届硕士论文 d v b t 数字电视信号发射机若干问题的研究 幽27 如同在图2 7 中见到的那样，数字自适应预失真器( d a p ) 是调制器输出和 h p a 输入之间的接口，以这样的方式进行变化，发射机系统就输出较完美的信号 ( 包括发射机腔体和一些依赖系统的r f 部件) 。所以d a p 的设计主要是依靠数字 电视标准的特征及h p a 需要的一些最少的必要条件和其输出所需的性能： ( 1 ) 数字地面电视标准主要的特征 影响d a p 和h p a 设计的主要参数是输出符号率和带宽，见表2 2 。为了完成 能满足任何标准的产品，设计必须基于这些参数的最难点。 参数a t s c d v b t 符号率1 0 7 6 m s s9 1 4 m s s 有效带宽 5 3 8 z 7 6 1 m h z ( 总带宽8 m h z ) 6 6 6 m h z ( 总带宽7 t h z ) 表2 2 被传送数字信号的主要特征 输出的符号率决定d a p 所需的最低频率。这频率必须高到足以产生经预校正 的i 、q 数字输出分量而没有其他干扰，还应考虑预校正将扩展i 、q 信号的原始 带宽。为了取得最佳处理，校正器工作于通频带信号的低通形式。通频带信号能 由使用h i l b e r t 变换的低通信号再现出来。低通信号可被分解成同步分量( i ) 和 正交分量( q ) 。 x l ( t ) = x c ( t ) + j x s ( t )( 2 6 ) 此时每个分量被限制在原始通频带频率带宽的二分之一范围内，但是0h z 作为 华东师范大学2 0 0 4 届硕士论文 d v b - t 数字电视信号发射机若干问题的研究 中心。原始通频带信号与i 、q 分量的关系由下列( 2 ) 式表示： x ( t ) = x c ( t ) c o s ( 2 nf o r ) 一x s ( t ) s i n ( 2 f o r )( 2 7 ) 式中f o 是原始通频带信号的中心频率。这些i 和q 分量是用于d a p 中的信号。 ( 2 ) h p a 要求： 尽管d a p 具备校正的巨大潜力，为了充分发挥校正器的这种潜力h p a 必须有 一定的标准。例如h p a 失真频率肯定是独立的频率。短期内不会出现热耗问题( 数 字电路中由于平均功率是一个常数就不会有这个问题) 。另外，在校正带宽的范 围内振幅和相位响应必须平坦。最终完整的发射系统必须能提供足够功率以扩展 校正的信号达到其最大值。 ( 3 ) 性能要求： 带外特性( s h o u l d e r ) ：想得到的带外性能与需要一定比特数的设计相矛盾： 也与电路工作所需的最小频率( 如校正带宽) 相冲突。 带内特性( e w 或e n d ) ：带内产物表现为在信号带宽内的寄生噪声。它可以 通过理论计算从误码率( b e r ) 曲线f ( c n ) 测量所得。这种测量方法在欧洲被 广泛采用，被称作“等效噪声递降”( e q u i v a l e n tn o i s ed e g r a d a t i o n ) 。而在美 国被大多数人所接受的测量方法称之为“误差矢量等级”( e r r o rv e c t o r m a g n i t u d e ) 。e v m 有时也用d b 来表示，叫作“信噪比”( s n r ) 。这种畸变的最终 趋势有点类似有效功率的损耗曲线，或者和有效覆盖范围衰减曲线接近。 d a p 提供了一种很好的适应性，在带内、带外特性和有效输出功率之间找到一个 权衡点。利用这种特性，可以实现：在给出一个输出功率的条件下，得到最佳的 带内和带外特性：或者根据所给出的特性最小值，来获得尽可能大的输出功率。 总之，最终目的就是在给定发射系统的前提下获得最佳的覆盖范围。 阻下是实验结果( 8 v s b 标准；u h f 固态l d m o s 功放) 条件平均功率( w )o b o ( d b )s h o u i d e r ( d b ) 未校正 9 5 约6 8 3 0 用d a p9 5约684 5 用d a p 加大功 1 0 0 约58 4 0 率试验 表2 3 固态发射机上的d a p 校正实验 华东师范大学2 0 0 4 届硕士论文 d v b - t 数字电视信号发射机若干问题的研究 图2 8 测试结果 数字时代一方面带来了新的标准( 对放大要求严格) ，另一方面带来了解决 放大的数字方法。已经可以看出，d a p 是一种很有效、方便和经济的方法去改善 新标准中的线性功率放大。同时，它体现出很多优势，例如：无人工自动校正， 在线监视和校正。其实这是一种很自然、很合乎逻辑的处理方法：用数字处理的 方法来为数字标准服务。 华东师范大学2 0 0 4 届硕士论文 d v b t 数字电视信号发射机若干问题的研究 第三章非线性放大器的理论基础 设计一个高性能的线性放大器，对于其非线性的理论分析至关重要，只有通 过完整的非线性研究，才能达到较好的线性指标。 3 1a m a m 失真 理想情况下，功率放大器应呈线性特性，其输出电压应该是输入电压的线性 函数，即： 圪。o ) = 墨o ) ( 3 1 ) 式中，世，为放大器的电压增益，其值为一个常数。此时，放大器的输出波 形和放大器的输入波形一致，两者成正比关系。在频域上看，无论在放大器的带 内还是带外，都没有引入新的频率成分。 3 1 1 二阶平方失真 幅度非线性最简单的形式就是：输出信号中增加了一项和输入信号的二次方 成正比的分量，可用数学公式表示为： 吒。= 世v 。o ) + k 2 p 。2 0 ) ( 3 2 ) 这种情况下，称放大器引入了二阶失真。在频域上来看，输出信号的频谱中 除了有输入信号的频率成分f 之外，还引入了2 f 的频率分量。系数为越大，输 入输出之间的增益曲线越弯曲，放大器所引入的失真也就越大。放大器引入的失 真称为二次谐波分量，并且，平方项同时也引入了直流成分。二次谐波的幅度仅 与系数k ：成正比，而与k 。无关，基波幅度的大小仅与系数k 。成正比，而与系 数e 没有关系，显然，二次谐波分量随输入电压增加的速率要高于基波分量随 输入电压增加的速率，所以，当输入电压增加到某一值时，二次谐波成分的电压 值会等于基波成分的电压值，即基波电压曲线与二次谐波电压曲线要相交于一 点，我们把此时所对应的输入信号点称之为输入二阶交截点a 通常用功率值表示 单位是d b m 。二阶交截点既可以是输入二阶交截点也可以是输出二阶交截点， 前者主要在接收机中使用，后者主要应用在中功率或者高功率放大器中。使用二 阶交截点来表征功率放大器的优点是：在特定输入信号电平下的二次谐波失真是 可以预测的。 华东师范大学2 0 0 4 届硕士论文 d v b t 数字电视信号发射机若干问题的研究 3 1 2 三阶失真 功率放大器的三阶失真特性可表示为： v 。：o ) = k 。+ k 。3 0 ) ( 3 3 ) 这时，功率放大器输出信号的时域波形出现失真，在频域上看来，在输入 信号3 倍频率处出现失真频谱，我们称这一信号为三次谐波，有时候也描述为三 次谐波失真，与平方特性的不同之处在于，这时没有直流成分出现。 3 1 31 d b 压缩关系( p - ，) l d b 压缩点的定义为：当功率放大器的实际传输特性曲线偏移理想传输特 性曲线l d b 时所对应的放大器的输出功率。当功率放大器的输入信号为两个或 多个调幅信号时，放大器对任何一个调幅信号的压缩量的大小都依赖于其它几个 调幅信号的电平。这个问题称为交调。虽然由于放火器的三阶非线性所造成的增 益压缩是显而易见的，但是我们更关注的却是出现在2 _ 一 和2 一石处的三阶 互调失真。这些2 一z 失真产物出现在系统的带内，因而导致我们需要的原始 输入信号的波形产生失真。况且，由于这些失真产物出现在系统的带内，所以我 们不能通过使用滤波器去消除他们的影响，而像3 工和3 这样的三阶谐波失真 就可以通过使用滤波器而消除。由以上原因可知，任何一种功率放大器的线性化 技术都必须致力于消除三阶互调失真的影响。 3 1 4 三阶交截点 三阶交截点的定义方法和上述二阶交截点的定义方法相同，即为三次谐波分 量随输入功率变化的曲线和理想情况下基波分量随输入功率变化的曲线的交点。 当输入信号的电平较小时，基波分量出现压缩，因此，基波分量曲线偏离直线而 向下弯曲，以上过程可使用下式解释： 假设输入信号为单音正弦信号，即可表示为： 0 ) = s i n ( w t ) ( 3 4 ) 假设放大器的传输函数为： v o 。o ) = 1 0 o ) 一3 3 0 ) 则结果的输出信号为： ( 3 5 ) 华东师范大学2 0 0 4 届硕士论文 d v b t 数字电视信号发射机若干问题的研究 圪。o ) = 1 0 p js i n ( w t ) 一3 s i n ( w t _ ) ) 3 继续化简为： ( 3 - 6 ) o ) 圳p js i n ( w f ) 一翠s i 。) + 孚s i n ( 3 w t ) ( 3 _ 7 ) 第一项代表基波分量，和输入信g - 成线性正比关系，最后一项代表三次谐波 分量，由于中间分量的存在，导致输出的基波信号的波形产生了幅度失真，和线 性基波分量构成了抵消关系，抵消信号的幅度正比于输入基波信号幅度的三次 方，因此，它对输出基波信号的幅度有很明显的影响。因此，为了获得功率放大 器的三阶交阶点，基波分量的线性增益直线必须被延长。 鍪 瑚 鞲) 弱i 翳蘸氏蕊嘛 图3 1 i p 3 以及e 定义图示 3 2 双音测试 3 2 1 具有二阶非线性的放大器的双音测试 使用双音测试的方法可以粗略的估计出放大器的线性度并解释放大器的幅 度失真和相位失真。双音信号对放大器测试结果的影响取决于双音信号的幅度， 因此，为了得到放大器的传输特性，需要使输入双音信号的幅度在较宽的范围内 变化。当双音信号没通过功率放大器时，从频域上看来，未被调制的双音信号的 谱为两根直线，在我们所感兴趣的带宽内，并没有其它的干扰产物出现。 放大器的高阶非线性的影响都是普遍存在的，但是二阶非线性的影响最为显 著。我们通常用放大器的最大交调产物的幅度与输入双音信号的幅度之比( “d ) 来表示功率放大器的失真。对a 类放大器来说，i m d 值通常介于3 0 d b 到3 5 d b 。 华东师范人学2 0 0 4 届硕士论文 d v b - t 数字电视信号发射机若干问题的研究 对于大多数的半导体放大器而言，带内的最大的交调产物通常是三阶交调失真。 3 2 2i m d 对载波噪声比的影响 总的来说，i m d 产物降低了系统载波噪声之比( c n r ) ，因为，i m d 产物被 看作是增加了系统的噪声电平，因此，降低了载波噪声之比。当系统的输入信号 是数字调制的信号或者是多载波调制的信号时，i m d 产物的属性类似于噪声， 因此，可以通过把i m d 产物增加到噪声中以简化分析c n r 的降低情况。由噪声 和i m d 产物对系统的影响为： c n r = c n r 厂1 0 1 0 9 0 + l o 。川o ) ( 3 8 ) 其中，c n r ，表示系统固有的载波噪声zl l ( 7 f 包括i m d 的影响) ，c 。表示 考虑i m d 的影响之后系统的载噪比与系统固有的载波噪声比的差值，通常情况 _ 卜| ，c ，d 表示考虑i m d 的影响之后系统的载噪比与系统固有的载波噪声比的差 值，通常情况下，c ，d 是负值。 3 3 交调失真比的计算 3 3 1 双音交调比的计算 假设功率放大器的传输函数表示为： 圪。o ) = k 1 v 。o ) + 互k o 讦+ 世，以。o ) 】3 ( 3 9 ) 假设