（通信与信息系统专业论文）射频功率放大器的自适应数字预失真技术研究.pdf

武汉理工人学硕士学位论文 中文摘要 随着无线通信行业的发展，微波功率放大器起着越来越重要的作用。为了提 高功放的输出功率和利用效率，经常让功放工作在饱和状态，必然带来严重的 非线性失真。射频功放的非线性失真会使原始输入信号的频谱扩展，扩展的频 谱会对邻信道产生干扰，从而对其它用户产生干扰。本课题的主要任务是，解 决射频功率放大器由于非线性失真引起的邻信道干扰问题。 本文重点研究了线性化技术中效率高，成本低，且有着广泛应用前景的预 失真技术。本文中，数字预失真的应用是基于不带记忆效应的功放模型完成的。 主要研究内容如下： ( 1 ) 介绍了功率放大器的在线性化方面的主要技术指标，并且分析了几种常用 的功率放大器数学模型。在功放的线性化技术研究中，功放的模型是首要的重 点，并以直观的方式给出了各种模型的技术框图。 ( 2 ) 从理论方面讨论非线性失真给通信系统带来的问题，接着分析了几种主要 的功放线性化技术的基本原理和特点，通过分析与比较，基本确定使用预失真 技术实现改善功放的线性化程度。然后针对功放线性化技术进行深入的理论研 究，着重分析了预失真法。 ( 3 ) 分析了一种自适应数字预失真方案。从算法原理入手，分析查找表方式的 预失真技术。采用极坐标形式推导了整个自适应数字预失真方案。其重点于在 自适应算法，研究了线性迭代法与二分法相结合的方式及改进的迭代法即弦线 法方式解决自适应收敛的问题。 ( 4 ) 对数字预失真的关键技术提出了设计方法，并采用软件对其进行仿真。首 先仿真了功率放大器的模型，并在这一模型下验证预失真算法。通过预失真法 对功率放大器进行线性化改进，并仿真a c p r 指标可看出，在相邻的一个信道 内功率抑制程度最为明显。 仿真结果说明：通过预失真法对功率放大器进行线性化改进，其带外抑制 度明显提高，对邻道的干扰明显减弱，这在多载波通信系统及将来的第三代移 动通信中有非常重要的应用。通过软件仿真，验证了这一设计方案的可行性， 取得了预期的效果最后总结了本课题研究过程中的结论和体会，提出存在的问 题和不足之处，并展望今后继续努力的方向。 关键词：功率放大器，预失真技术，自适应技术，查找表，邻信道功率比 武汉理工大学硕士学位论文 w i t ht h ed e v e l o p m e n to fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ，m i c r o w a v ep o w e ra m p l i f i e r p l a y st h ev e r yi m p o r t a n tr o l e i no r d e r t oi m p r o v eo u t p u tp o w e ra n de f f i c i e n c y , p o w e r a m p l i f i e ra l w a y sw o r k si nt h es a t u r a t e ds t a t e ，w h i c hw i l lp r o d u c es e v e r en o n - l i n e a r d i s t o r t i o n n en o n l i n e a r i t yc r e a t e ss p e c t r a lg r o w t hb e y o n dt h es i g n a lb a n d w i d t h ， w h i c hi n t e r f e r e sw i t ha d j a c e n tc h a n n e l s i ta l s oc a u s e sd i s t o r t i o n sw i t h i nt h es i g n a l b a n d w i d t h n et o p i co ft h i st h e s i si st h el i n e a r i z a t i o nt e c h n o l o g yo fr fp o w e r a m p l i f i e r t oi m p r o v et h ep o w e ra m p l i f i e re f f i c i e n c yw i t h o u tc o m p r o m i s i n gi t sl i n e a r i t y , p o w e ra m p l i f i e rl i n e a r i z a t i o ni se s s e n t i a l t h et h e s i sf o c u so nd i g i t a lp r e d i s t o r t i o n ， w h i c hi so n eo ft h ec o s t s ，e f f e c t i v ea n dt h em o s tp o t e n t i a lt e c h n o l o g yf o rr fp o w e r a m p l i f i e rl i n e a r i z a t i o n i nt h i st o p i c ，d i g i t a lp r e d i s t o r t i o ni m p l e m e n t a t i o n sb a s e so n t h ep o w e ra m p l i f i e rt h a th a sam e m o r y l e s sn o n l i n e a r i t y m a i nr e s e a r c h e sa r ea s f o l l o w ： ( 1 ) i n t r o d u c et h ec h a r a c t e r i s t i co fn o n 1 i n e a rp o w e ra m p l i f i e ro ft h em a j o r t e c h n i c a la n da n a l y z es e v e r a lc o m m o n l yu s e dm a t h e m a t i c a lm o d e lo fp o w e r a m p l i f i e r ( 2 ) d i s c u s st h ep r o b l e m so fc o m m u n i c a t i o ns y s t e ma r i s i n gf r o mt h en o n l i n e a r d i s t o r t i o nt h e o r e t i c a l l ya n da n a l y z es e v e r a lm a i nt y p e so fl i n e a r i z a t i o nt e c h n i q u e s ( 3 ) an o v e lp r o g r a mo fb a s e do nl u ta d a p t i v ep r e d i s t o r t i o nl i n e a r i z a t i o ni s p r o p o s e d i nt h ep a p e r , w h i c hi sb a s e do nt h ea d e q u a t ea n a l y s i so nn o n l i n e a r c h a r a c t e r i s t i co fp o w e ra m p l i f i e r r e a s o nt h ea d a p t i v ed i g i t a lp r e - d i s t o r t i o np r o g r a m i np o l a rf o r m ( 4 ) d e s i g nk e yp a r t so fd i g i t a lp r e d i s t o r t i o na n ds i m u l a t et h ep r o g r a mi nm a t l a b s o f t w a r e s i m u l a t et h em o d e lo fp o w e ra m p l i f i e r , a n dv e r i f yt h ea l g o r i t h mi nt h i s e n v i r o n m e n t t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h ef e a s i b i l i t yo ft h es c h e m e t h er e s u l t s d e m o n s t r a t et h eg o o dp e r f o r m a n c eo ft h el i n e a r i z e da m p l i f i e r t h er e s u l t so f s i m u l a t i o nd e m o n s t r a t et h a tt h ep r e d i s t o r t i o nl i n e a r i z a t i o nc a ni m p r o v et h ep o w e r a m p l i f i e r sl i n e a r i t yd i s t i n c t l y , w h i c h i se s s e n t i a lt om u l t i c a r r yc o m m u n i c a t i o n s y s t e ma n dt h et h i r dg e n e r a t i o n ( 3 g ) m o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e mi nt h ef u t u r e a t t h ee n do ft h i sp a p e r , i tc o n c l u d e st h ep r o j e c t ，p o i n t so u tt h ee x i s t i n gp r o b l e m s ，a n d g i v e ss o m es u g g e s t i o n sf o rl a t e rw o r k k e yw o r d s ：p o w e ra m p l i f i e r ，p r e d i s t o r t i o nt e c h n i q u e ，a d a p t a t i o na l g o r i t h m ，l u t ， a c p r i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究性工作及取得的 研究成果。尽我所知，除了文字特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所作的任 何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：壶l 垄垦 日期：趁亟：红! 竺： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定；即学校有权 保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 研究生签名： 主二j 扯导师签名： 汐 f 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章引言 1 1 课题研究的目的和意义 在中、大容量的数字微波系统中，为了扩大通信容量，提高频谱利用率， 通常都要采用正交调制技术和多电平调制技术。为了保证质量指标，系统对信 道的非线性指标有严格要求。一般地，系统的频谱利用率越高，对信道的非线 性指标要求越高。数字信号通过非线性放大器时产生幅度波形失真，使信号质 量变坏，增加误码率，产生的互调产物增加了信号频谱，对邻近频道产生干扰。 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 个基站成本的8 0 ，为了节约成本，在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更高的要求，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，比如三阶互 调失真( i m 3 ) 和五阶互调失真( i m 5 ) 。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w c d m a ，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 a ，处理都是以码分多址方式传输的宽带信号，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度提出了要求。例如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，每一载波的带宽达到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( 1 0 d b ) ，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。只适用于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。 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 国内外研究状态和发展趋势 追溯历史，功率放大器线性化技术诞生于2 0 世纪2 0 年代。1 9 2 8 年，贝尔 实验室的h a r o l d s b l a c k 发明了前馈和负反馈线性功率放大器应用于贝尔电话系 统。这一方案有效地减少了放大器失真，可以认为是功率放大器线性化技术研 究的开端。但那时主要是从器件本身的角度来提高线性度，且只在模拟条件下 做，功放频率也较低。 线性化技术发展中非常重要的一步是预失真技术的出现，预失真技术最初 应用于模拟通信系统中的射频部分，2 0 世纪8 0 年代后期，模拟预失真进入快速 发展时期，这时的主要应用对象是移动通信系统。后来随着数字信号处理技术 的发展，预失真线性化技术也可以在数字域内实现，形成数字预失真技术，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多项式模型、v o l t e r r a 级数模型等，都是预失真技术 研究的热点。 数字预失真技术既可以应用在数字通信系统的基带部分，也可以应用在射 频部分，而且预失真技术还可以利用自适应原理来跟踪补偿功率放大器对于温 度、湿度等环境因素改变而造成的误差。总体来说，预失真技术不但可提升发 射机的效率，降低成本与缩小体积，亦能有效增加发射机的线性度以提升系统 效能与通信质量，是一种适应现代数字通信发展的线性化技术，在现代通信发 展中扮演着关键性角色 功率放大器的线性化技术已用于卫星通信、蜂窝移动通信等各个领域。随 着各种形式的通信业务的增长，对高线性功率放大器的需求也日益迫切。因此， 国内外对高功率放大器的线性化的研究已成为一个热点，并有相应产品问世。 美国p o w e r w a v e 技术公司、a m p l i d y n e 公司、m p t 公司、s t e a l t h 微波公 司、线性器件技术公司、加拿大a m p l i 集团、韩国电子学与通信研究所、日本 三菱公司信息技术研发中心等多家单位，均有不同波段不同功率的产品问世。 近年来有许多有实力的国内公司，如中兴、华为、大唐等已投入一定人力物力进 行研发，但到目前为止研究成果并不能令人满意，与国外同类产品相比还有不 小的差距。大唐m 2 0 0 0 系列s d h 微波通信系统中采用了中频预失真技术，但无 互调指标。东南大学毫米波国家重点实验室研制的4 6 0 m h z 超线性功放，采用 前馈技术，输出功率1 0 w ，三阶互调据称可以达至u - - 6 6 d b c ，但也还处于实验阶 2 武汉理r t 大学硕士学位论文 段，离成熟的产品还有一定的距离。 1 3 本文的主要工作和文章结构 本课题来源于深圳市国扬通信技术有限公司的数字分布式直放站r r u 端的 研发项目。本课题主要研究r r u 中关于功率放大器的数字预失真部分的原理与 技术应用。 在课题展开过程中，通过阅读了有关线性功放方面的文献资料，作者从功 放的特性着手，首先分析了功放的非线性特性和，阐述了常用的几种线性化技 术。然后对预失真进行了较为深入的研究。根据该项目的技术要求，拟定了本 课题采用的技术路线及实主要分析了自适应数字预失真技术。对于自适应数字 预失真技术，作者从技术原理入手，通过算法的分析提出设计方案，最后通过 软件仿真看出此技术在较高程度上提高了功放的线性度和效率。 本文的基本结构安排： 第2 章介绍了功率放大器的在线性化方面的主要技术指标，并且分析了几 种常用的功率放大器数学模型。 第3 章通过对几种线性化技术的分析与比较，基本确定使用预失真技术实 现改善功放的线性化程度。 第4 章从算法原理入手，分析了一种自适应数字预失真方案。 第5 章对数字预失真的关键技术提出了实现方案，并采用m a t l a b s i m u l i n k + d s p b u i l d e r 的方式搭建系统并对其进行仿真。 第6 章总结全文，指出了文中方案的不足之处，并提出继续深入研究的方 向。 3 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章功率放大器的技术指标与数学模型 高速率数据传输需求和来自于有限频谱资源的压力，使现代无线通信系统 通常需要使用非恒包络的线性调制信号，它们比恒包络更有效。但是，起伏波 动的包络通过非线性放大器后，会由于互调失真的影响产生同频干扰和邻频干 扰。功放的非线性降低了传输质量，因此必须对其进行补偿。 尽管采用非恒包络数字调制机制的现代通信系统，烈需要放大器表现出较 高的幅度线性特性，但是众所周知，功率放大器仍然是一个主要的非线性失真 源。为了获得较高的功率效率，功率放大器通常工作在饱和点附近，此处的非 线性问题最为严重。 2 1 功率放大器的技术指标 2 1 1a m - a m 特性和a m - p m 特性 理想情况下，功率放大器呈线性特征，其输入电压应该是输入电压的线性 函数，即 易时o ) = k 。o ) ( 2 - 1 ) 其中k 为放大器电压增益，其值为常数。 但在实际情况中，各种放大器都不是线性放大器。在不考虑记忆效应的前 提下，功率放大器的非线性主要表现在两个方面，一个是输出信号的幅度响应 非线性，即a m - a m 转换时出现的非线性，另一个是输出信号的相位响应非线 性，即a m p m 转换时出现的非线性。 a m a m 失真，就是放大器的增益压缩现象，可以采用非线性的多项式来表 征放大器的这种特性，其数值由输入信号的幅度( a m ) 决定，其随输入信号幅 度变化如图2 1 所示 常用的多项式如下： y = a l x - i - a 2 x 2 + a 3 x 3 + 口4 x 4 + ( 2 - 2 ) 从以上表达式可以看出，功放的此类是真在数值域比较容易表征，因此很容易 4 武汉理工大学硕士学位论文 实现预失真。 其数值与a m a m 失真相似，a m p m 失真也是由输入信号的幅度决定，其 随输入信号幅度变化的曲线如图2 2 所示 t o ( d b m 图2 - 1a m a m 失真特性曲线 p h a s e 挑吵 理想功放曲线 气 图2 - 2a m p m 特性曲线 2 1 21d b 压缩点( p ld b ) d b m ) 当单音频信号输入时，主要通过测量放大器的l d b 压缩点或者饱和点功率 来考察放大器的非线性特性。 放大器有一个线性动态范围，在这个范围内，放大器的输出功率随输入功 率线性增加。这种放大器称之为线性放大器。随着输入功率的继续增大，放大 5 武汉理工大学硕士学位论文 器进入非线性区，其输出功率不再随输入功率的增加而线性增加，也就是说， 其输出功率低于小信号增益所预计的值。通常把增益下降到比线性增益低l d b 时的输出功率值定义为输出功率的l d b 压缩点，如图2 3 所示。l d b 增益压缩 点是功率放大器常用的一个特性指标，类似的压缩点也可以定义在其它地方。 输出功率 p 1 d b 输出功率 饱和点功率 2 1 3 饱和点 图2 - 3l d b 压缩点 入功率 图2 4 非线性功放的饱和点 窒 饱和现象发生在输入信号达到功率放大器的工作的最大极限的时候。当输 入信号较小时，放大器具有相对较好的线性指标，随着输入功率的增大，功率 6 武汉理工大学硕士学位论文 放大器逐渐进入饱和工作状态，线性指标开始急剧下降，如图2 4 所示在饱和 点，输出功率达到最大值，即使输入功率继续增加，输出功率几乎不变。此时， 放大器晶体管工作于饱和区。除了产生非线性失真外，饱和还会导致信号发生 相位失真。 2 1 4 互调失真 互调失真是具有不同频率的两个或多个输入信号通过功率放大器而产生的 混合分量，它是由于功率放大器的非线性而引起的。设有k 路输入信号，其频 率分别为 、厂2 、厶、 。通过功率放大器后由于功放的非线性，输出分量 中将包含许多混合分量： m l n a p a m ，n ，p = o ，1 ，2 ，( 2 3 ) 各分量分别称为( m + n + + p ) 阶互调分量。并且功率放大器的非线性越强， 互调分量越大，互调分量的大小可以用互调系数表示：例如假设有k 路等幅的 信号，( m + p ) 阶互调系数可以表示为： ppp i m 帅一1 0 1 0 9 乎= 1 0 1 0 9 乎1 0 1 0 9 乎 ( 2 - 4 ) 1 1 1 2k 式中，只，最，b 乓分别对应着基波功率，己+ p 为( m + p ) 阶互调功率，i m 。+ p 的单位为d b c 。若输入放大器的是等幅信号，在上面的各阶分量中，频率为 2 五一无+ 。或2 五+ 。一五的分量与基波五或五+ 。分量之比称之为三阶互调系数i m 3 ， 类似的3 五一2 丘，或3 丘，一2 五分量之比称五阶互调系数i m 5 2 1 5 三阶截点( ip 3 ) 在功率放大器输入端加入一个双音频信号，则输出端除了放大信号本身， 还有由此产生的倍频失真信号及互调失真信号，其中尤其以带内无法使用滤波 器消除的奇数阶互调失真对信号传输质量的影响最大。理想功率放大器的线性 直线与三阶互调的切线的交点经常用于表征功率放大器的非线性特真，称之为 三阶截点( i p 3 ) ，三阶截点与三阶互调由图2 5 所示三阶截点值由以下公式求得， ，h , f 气 i p 3 = 弓w + i ( 2 5 ) 7 武汉理工大学硕+ 学位论文 输出功率 图2 - 5 三阶互调曲线与三阶截断 2 1 6 邻信道功率比( a c p r ) 率 在实际通信系统中，输入信号比双音信号要复杂的多，因此需要引用其他 测量方法来表征功率放大器的非线性。 a c p r ( a d j a c e n tc h a n n e lp o w e rr a t i o ) 是测量功率放大器非线性所扩展到 临信道信号的功率，定义为指定带宽( 且) 内的信号功率与中心频率( l ) y a 定偏 移( f o ) 处带宽( b ：) 的信号功率之比。如图2 - - 6 所示 彳c p r = 毒( 2 - 6 ) 2 2 功率放大器的数学模型 射频功率放大器本质上都是非线性的，其输出信号钟包括非线性失真引起 的失真信号。此外这些功率放大器都是有记忆效应的，其输出不仅同现在的输 入信号相关，也同过去的信号相关。主要的记忆效应有， ( 1 ) 热学记忆效应：由器件内部热电耦合产生，器件内部温度的变化将引 起器件部分热学、电学参数的变化，从而引起器件的非线性特性的变化。 ( 2 ) 电学记忆效应：主要指是m e s f e t 放大器在调制频率的作用下的幅度 和相位失真，放大器在调制信号包络的作用下，其栅节点阻抗等特性发生了变 8 武汉理工大学硕士学位论文 化。 但是，如果输入信号的带宽较小，则可认为系统是无记忆效应的，在文章 后面分析的系统中都看作是无记忆效应的功率放大器系统。 2 2 1 极坐标非线性模型 将功率放大器的a m a m 和a m p m 特性转换成串连方式表示，可以得到极 坐标形式的功率放大器非线性模型。 对于单音频信号 毛= ac o s ( 2 以l4 - )( 2 7 ) 当该信号通过非线性射频功放后，输出信号为 s 。一f ( a ) c o s ( z n f 。t + + g ( 口) ) ( 2 8 ) 上式中，( 口) 和g ( a ) 分别表示功率放大器a m a m 和a m p m 特性。 对于调制信号( 2 6 ) ，( 2 - 7 ) 式所描述的关系也同样满足，则当输入信号为： s ，o ) - a ( t ) c o s ( 2 万c + 驴p ) )( 2 9 ) 输出信号为： s 。一f a ( t ) c o s ( 2 n f 。t + 驴o ) + g 口o ) 】- ) ( 2 - 1 0 ) ( 2 - 8 ) 式所示的模型可以描述包络变化的输入信号产生的带内失真扰动，该模型 结构如下： a ( t ) c o s c o 。t + 臼o ) + 驴o ) 】 a ( t ) c o s o j c t + 0 ( t ) ， q g a ( t ) ，尉 a ( t ) e o s c o c t + o ( t ) + c p a ，( t h l a m p m a m a m 图2 - 6 极坐标放大器模型 2 2 2 正交坐标非线性模型 9 武汉理工大学硕士学位论文 正交坐标模型其通用公式为 s 。一l a ( t ) c o s m 。t + 口( f ) 卜q 【彳o ) 】s i n 【。t + 日o ) 】 将( 2 - 9 ) 式三角变换得： s 。一f a ( t ) l c o s e p a ( t ) c o s ( w d + 口) 一f a ( t ) s i n q a a ( t ) l s i n ( c o , t + 口) 则 ，【彳o ) 】= ，o ) 】c 0 s 伊【彳( f ) 】) q 【彳o ) 】一，【彳o ) 】s i n 妒【彳o ) 】 该模型结构图如下： ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) l t a u j ，c o s 6 0 c + v 【t ) l i a ( t ) 1 t ) c o s m 。t + 口( f ) 】 厂、s 。 。 l jl 0 a ( t ) 9 0 0 图2 7 正交坐标放大器模型 2 2 3 多项式非线性模型 对于极坐标或正交坐标形式的无记忆非线性模型，都需要得到功率放大器 的a m a m ，a m p m 特性函数，一般是由测量得到。对于没有测量的点则需要进 行差值运算得到，此运算量较大。对于非线性系统，有一种通过函数展开得到 较简单的数学模型，称作多项式模型。目前功率放大器非线性模型的展开函数 就很多种，比如泰勒序列，功率序列，s a l e h 函数和考虑记忆效应的v o l t e r r a 技 术等。本文此处运用功率序列展开得到无记忆的功率放大器非线性模型，此种 功率序列模型适合于带通信号。 对于无记忆非线性系统，其输出信号与输入信号的功率序列如下式所示： s 。o ) = c 。+ c z s fo ) + c 2 s fo ) 2 + c 3 s fo ) 。+ ( 2 - 1 5 ) 1 0 武汉理t 大学硕士学位论文 墨( f ) 是输入信号，s 。o ) 是输出信号，c ，是各次展开系数。 当输入信号为固定频率，c 的单载波正弦信号时，( 2 - 1 4 ) 式描述的非线性系统 会产生频率为，c 倍数的信号份量，这些信号份量称为基准频率份量s i n ( z u f 。t ) 的 谐波失真份量。 当输入信号是两个等幅单音频信号如，c + 厶和无一厂卅时，( 2 - 1 4 ) 式所表示 的系统会在基频及各次谐波附近产生各阶次互调失真份量( i n t e rm o d u l a t i o n d i s t o r t i o n ，i m d ) 互调分量与基频非常靠近，是系统的主要噪声信号。当多个 调制信号经非线性功率放大器放大时，互调分量会落在频带内，这是多载波系 统中非线性功率放大器面对的主要问题。图2 - 9 表示的是互调失真的情况。对系 统而言，互调失真比谐波失真要更加严重，因为谐波分量往往远离工作频率， 可以通过滤波器消除。所以一般功率放大器线性化技术的目的就是要消除互调 分量对系统的影响。 分析互调失真分量可知，只有基频信号的奇数次项组合才会出现在基频信 号附近。对一个通信系统，三阶互调分量是主要失真信号。如果把三阶互调分 量消除到同相邻高次分量( 如五阶互调) 相等或略低，就可以取得较好的线性 化效果。那么( 2 1 0 ) 式可以简化如下： s 。o ) ；c 。+ c l s j o ) + c 3 s j o ) 3 + c 5 s f o ) 5 + ( 2 1 6 ) 当输入信号为 s f o ) = a f 。c o s ( 2 # j + 谚) ( 2 1 7 ) 经过( 2 1 4 ) 式所描述的模型后，其输出信号可以表示为： 啪m + 孥+ 孚+ ) 啪s ( 2 知f c t + 谚) ( 2 - 1 8 ) 则基频内互调信号的幅度为 _ 等+ 等+ ( 2 - 1 9 ) 由于奇次互调失真落在通带区域内，偶次互调失真离通带较远，故此模型只考 虑了寄次互调失真，模型较简单。 武汉理工大学硕士学位论文 2 3 本章小结 本章前半部分主要分析功率放大器的主要技术指标，例如a m a m 特性和 a m p m 特性，l d b 压缩点，饱和点，互调失真，三阶截断点，邻信道功率比等。 其中邻信道功率比是关于功放线性化的一个主要表征指标。在本章后半部分主 要分析了几种功率放大器的数学模型，在功放的线性化技术研究中，功放的模 型是首要的重点，并以直观的方式给出了各种模型的技术框图。 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章功率放大器的线性化技术 如前所述，要设计一个线性化发射机系统，就需要对非线性射频功放进行 线性化处理，也就是需要附加电路来消除功放所产生的非线性影响。然而本文 所研究的线性化技术完全避开了射频功率放大器本身的非线性特性，本文把这 些技术统称为线性化技术。h p a 线性化技术所要解决的主要问题是：降低邻道 干扰( 带外失真) ；减小带内损耗，提高放大器功效。在这些线性化技术中，射 频功放的输入信号是包络变化的，通过非线性功放后会产生失真分量，但可以 利用某种技术来消除所产生的失真信号。比如前馈技术是先分离出失真信号， 然后再从输出端减去该失真信号的一种线性化技术。另外如预失真技术或负反 馈技术，是通过改变输入信号的特性来达到消除失真分量的目的。另一类技术 则完全避开了功率放大器的非线性特性，该类技术通过某种信号变换使输入信 号变成包络恒定的信号。如l i n c 技术是把输入信号的幅度和相位分离开，形成 恒包络但相位变化的两路信号，然后再通过放大器放大后再合成的技术。下面 综合介绍除预失真技术以外的常用线性化技术。 3 1 功率回退技术 在功放线性化技术尚未成熟时，普遍采用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放大器，然后通过功率回退使之工作在线性 放大区。输入功率在l d b 压缩点附近功率每回退l d b ，三阶互调系数将降低2 d b 。 例如，一个l d b 压缩点输出功率1 0 w 的功率放大器，对应的三阶互调系数为一 2 0 d b ，若限制输入功率，使输出功率仅为1 w ，则三阶互调系数变为4 0 d b 。功率 回退法是一种最简单、最可靠的线性化措施，但它限制了功率放大器器件的实际 应用功率，如果采用这种技术，功放电源利用率很低，a 类功放在回退时电源利 用率可能会低到1 ，另外，工作在回退模式的功放在造价上也会是比较贵的。 3 2 前馈线性化技术 前馈线性化技术是h s b l a c k 在上世纪2 0 年代提出的减少放大器失真的 武汉理1 = 大学硕士学位论文 技术，图3 1 是前馈线性化系统框图。输入信号进入非线性功率放大器放大，放 大后的信号部分采样与原始输入信号相减，就可以得到主功放的产生的互调干 扰信号。该互调干扰信号经过辅助功率放大器放大后，在输出端与主功放输出 信号相减得到放大但没有失真的信号。前馈系统不仅要求幅度匹配，而且要求 两条平行通路上的相位和延时匹配，导致前馈系统非常复杂，。 前馈技术既提供了较高校准精度和绝对稳定的优点，又没有带宽受限的缺 点，在理论上可以完全消除互调干扰。但是，这些优点是用高成本换来的，由 于校准信号需放大到较高的功率电平，这就需要额外的辅助放大器，而且要求 这个辅助放大器本身的失真特性应处在前馈系统的指标之上。当然，由于校准 环中添加了一个辅助功率放大器，因而总的效率有所降低。但是，由于前馈技 术的优点，近年来得到了快速发展，已经成为一种主要的线性化技术，在宽带 和多载波系统中得到了广泛应用 主功率放大器 出古膛目 3 2 。1 前馈法原理 图3 - 1 前馈线性化技术模型 这种方法的基本原理与反馈法类似，也是将放大器的输入和输出信号进行 比较，从而得出误差信号，再从输出信号中减去误差信号，得到无非线性失真 信号。不同的是，它不是在同一放大器中减掉误差信号，而是用一个辅助放大 器在专门的耦合器中去抵消。 射频信号经过功率分配器，一路直接进入功率放大器，原始信号上出现了 互调失真和谐波失真，另一路经过延时，与来自功率放大器输出并经衰减后的 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 信号对消，得到失真分量，也即互调产物。该信号再经辅助放大器放大到需要 的程度后，与经过延时的功率放大器输出对消，便得到不含失真分量的放大信 号。当然，在失真分量放大的时候也会出现非线性失真，因此仍然会影响最后 的输出信号，一种解决办法是加入一个嵌套的误差环路。 $ a l ) 。皇 s io ) e 一f r 功- + s d ( f ) ( 3 1 ) 其中巳。是主链路信号的延时，g 一。是主链路增益，o ) 是主链路失真信号，s a l o ) 是主链路输出信号，s ，( f ) 是系统输入信号 设耦合器c 1 的耦合系数为1 ：1 ，那么主链路采样输入到加法器的信号为 ( f ) ，肇s i ( o e 帆t + 盟( 3 - 2 ) “lc l 加法器另输入端口的信号为 s 鼬：o ) 一一言& o 弦一铂 ( 3 - 3 ) r r l 是延时器延时。 因此，加法器的输出信号为互调干扰信号，记做s ，则 s m ；( t ) + $ s u b 2o ) 。；肇s io ) p 一慨+ 盟一i 1s ，( t ) e - 慨( 3 - 4 ) 2 c ，c ， z 那么，当了4 l 一巧1 ，c 1 ；g a l 时， s 肼；掣( 3 - 5 ) 主链路信号的输出经过延时器巧：延时后的信号为 s r 2 = 兰等旦墨( f ) e - j w ( 功t + 一z ) + s do ) e 一抄f r ： ( 3 6 ) 互调干扰信号进过差错链路的线性放大后为 s a 2o ) = ! 导s do ) p 一f h ，h 。 ( 3 7 ) 那么最后的输出信号为： 1 5 武汉理工大学硕士学位论文 已o ) ：。s t 2 ( f ) 一掣 c z 一争。弦- j w ( + f r 2 ) + s d 缈蜥2 一袅啪矿 当l 2 - b 2 ，c l c l q 2 时，最终输出信号为： ”牟s ；o ) e 一， 。宰屯。弦州m z ) i 一、t - e 。 ， 3 2 2 前储法的优点及缺点 ( 3 - 8 ) ( 3 - 9 ) 前馈系统不仅需要幅度匹配，还需要两条线路上信号的相位和延时匹配。 对于窄带系统，延时问题可以通过调整相位得到，但对于宽带系统，固定的延 时意味着不同的相位和频率，目前已被证明，当延时超过一个波长，前馈系统 对互调信号的压缩不会优于2 0 d b 。 前馈法的优点在于，它可以较大程度地改善功放的非线性失真，且不影响 其增益带宽，无条件稳定；缺点是对定位调整敏感，需要两套完全相同的放大 器和延时线，整个系统结构复杂，增益和相位的调整相对困难，硬件实现的成 本更高。 3 3 负反馈法( f e e d b a c k ) 在较低频段，改善微波功率放大器线性性能最常见的办法是采用负反馈。 负反馈系统是牺牲功放增益来提高达到压缩失真信号的目的。在原理上，要实 现负反馈必须使输出信号和输入信号相位完全相同，但在微波频段，放大器件 的渡越时间与信号周期相比，不能忽略，使负反馈技术难于直接应用于微波放 大器电路。此外，微波功率放大器的增益有限，如果负反馈用于单级，则增益 损失太大，用于多级电路，又难于保持稳定。所以负反馈技术不适合用在射频 情况下，一般情况下只反馈较低频率的调制信号，或者通过环路滤波使负反馈 系统工作在较低频段。同一般系统相比，这些系统要复杂一些，这也是限制负 反馈技术发展的因素之一。负反馈法的基本框图如图3 2 所示。 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 图3 2 反馈技术基本原理框图 3 3 1 正交负反馈技术 在这种技术中，非线性功放的输出信号经由同步解调后，负反馈至输入并 做比较可得误差信号，误差信号经过环路滤波、正交调制，再送入射频功率放 大器完成反馈的过程。其线性化原理框图如图3 3 所示。 图3 3 正交负反馈技术原理框 i q 两路是被滤波或平滑过的二进制序列，通过差分放大器后，进矢量调制器， 在输出端得到真实的信号： s o ) 一t ( t ) c o s ( w 。f ) + q ( t ) s i n ( w 。f )( 3 - 1 0 ) s ( t ) 经过固态功率放大器放大后出现了非线性失真，耦合出部分输出信号， 经下变频，得到包含失真分量的i 、q 信号，与无失真的输入i 、q 比较。正交 负反馈环的精度，不仅依赖于射频电路的增益和带宽，还依赖于下变频器的线 性度。相对于极坐标负反馈，其i 、q 信号处理通道在增益和带宽上都具有对称 性。正交调制解调器成本低廉，应用范围广泛，使得笛卡尔环校准技术简单而 实用。相对于其它技术，正交负反馈减少了系统环路增益，并且可能会产生跳 1 7 武汉理工大学硕士学位论文 变，因此需要一个相位调节器，保持反馈环的稳定性。由于放大器的输入信号 是变包络信号，如果输入信号的幅度低，功率效率也很低。实际使用的正交负 反馈系统更复杂。实际上，笛卡儿环校准技术最容易过渡到数字线性化技术， 因为l 、q 两路很有可能使用d s p 和a d c ，所以，可采用数字信号方式直接实 现基带信号的比较和校准。笛卡儿环校准技术原理框图如图3 4 所示。 图3 4 笛卡儿环校准技术原理框图 3 3 2 极坐标负反馈 极坐标负反馈法完全避开了功放本身的非线性，其采用的输入信号是中频 信号，它被分解成幅度信号和相位信号，分别控制功放的电压和压控振荡器， 进入非线性功放的是一个恒包络但相位变化的信号。极坐标负反馈的基本原理 如图3 5 所示。极坐标负反馈又叫极环校准技术。极坐标负反馈的难点在于相位 的检测和校准，由于其典型特征是对窄带信号的杂波抑制表现出良好的性能， 因此多用于窄带通信系统，其关键因素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。极坐标负反馈技术对于低阶互调失真， 如i m 3 ( 三阶互调) 、i m 5 ( 五阶互调) 可以得到较好的改善，但对于高阶互调 失真则不能有效抑制，在频谱上也会出现不对称。 1 8 武汉理工大学硕士学位论文 图3 5 极坐标负反馈技术原理框图 虽然这种技术可以用于任何调制系统，但其最适合窄带通信系统，因为宽 带信号用幅度和相位表示比较困难，极坐标负反馈系统的效率大于4 0 ，i m 3 约5 0 d b c ，若使用性能较好的晶体管，效率可达5 0 以上。对于窄带系统，该 技术对杂波的抑止可达6 0 d b 。典型应用场合是k h z 带宽的载波从1 0 0 m h z 到 9 5 0 m h z 的系统。 3 4 非线性器件法( l in c ) l i n c 法将输入信号变成两个恒包络、相位差异的信号代替原始输入信号， 由两个c 类放大器分别放大，然后合成；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个 信号合成，输出放大信号。这种方法效率高，但实现信号分离复杂，要求两个 放大器一致性好且合成效率高，因此对于元器件的漂移非常敏感，不适合温度、 湿度等环境参数变化比较大的场合。 1 9 武汉理工大学硕士学位论文 燃燃 图3 - 6 非线性器件法原理框图 设输入信号为： 墨o ) 一a ( t ) c o s ( 2 万d + o ) ) 则信号被分离后具有相同幅度和相位的两路信号为 ， s 1 0 ) r o l l 口。基c o s ( 2 n f d + 驴p ) + 口1 3 f ) ) j 2 0 ) 一口一c o s ( z , c , t + 妒o ) + 口o ” 其中 ( 3 1 1 ) ( 3 - 1 2 ) ( 3 1 3 ) 2 s f o ) 一s l o ) + 5 2 0 ) ( 3 1 4 ) 口o ) 。a f c c