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摘要 新型自适应前馈线性功率放大器 研究生：郭冰 指导教师：朱晓维教授 摘要 随着无线通信的迅猛发展，用户不断增多，通信频率资源变得越来越紧张。 如今正在蓬勃发展并逐渐走向商用的第三代移动通信系统，包括w c d m a ，c d m a 2 0 0 0 1 x 和t d s c d i , i a ，都是具有高频谱利用率和高传输速率的通信体制。这些通信体 制对降低相邻频段信号的干扰，即射频系统功率放大器的线性度提出了较高的要 求。 本课题研究的就是一种新型的基于d s p 信号处理的全数字化自适应前馈线 性化功率放火器，可应用丁w c d m a 和21 ( ；1 1 z 的c d m a 2 0 0 01 x 的基站系统。 论文首先对已有的各种线性化方法进行了分析和对比，总结了已有方法的优 缺点，着重研究了前馈法已经取得的成果，在此基础上本文提出采用双音导频的 方法对i u 馈主体环路进行控制，并制作了独立的数字信号处理板用于采集检测到 的目标变量，进行实时的数字信号处理后用于环路控制电压的控制。采用了 m a l l a b 和a d s 软件刑小课题的优化控制算法部分和硬件r 乜路结构进行了仿真， 确保方案的町仃e 啸l 算法的收敛。i l ：。硬什l 乜路f 内设计选川了t ic 5 0 0 0 系列数字 信号处理器和im a x i m 公 _ l ：j 的数模，模数转换芯片，保证了数字信号处理的高迷 率和高精度。 采用双音信号和单载波以及多载波的w c d m a 谱信号进行了测试，结果表 明，对于取音信号和谱信号，采闩j 该自u 馈技术后，三阶交调改善了2 5 d b 以上， a c p r 改善了1 7 d b 以上，效果姓著，指标达到了3 g p p 的舭范要求。 关键词：i u 锁，自通应，线性化，d s p a b a r a c t n o v e la d a p t i v ef e e d f o r w a r dl i n e a r i z a t i o n t e c h n i q u e f o rp o w e r a m p l i f i e r m s c a n d i d a t e ：g u ob i n g a d v i s o r ：p r o f z h ux i a o w e i a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fw i r e l e s sc o n m l u n i c a t i o n ，t h e r ea r em o r ea n d r n o r cu s e l sa n dt h er e s o u r c eo ff f e q u e n c yb e c o m e sm o r ea n dl n o r cs c a r c e r t oh o l d m o r ec h a n n e l s1 n1 i m i t e ds p e c t r u m i ti sn e c e s s a r yt ou s en e wc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s u c ha sw c d m a c d m a 2 0 0 0a n dt d s c d m aa l lo fw h i c hh a v eh i g hs p e c t r a l e f f i c i e n c ya n dh i g hc h i pr a t e a l lo ft h e s e3 gc o m m u n i c a t i o ns y s t e m sh a v eah i g h e r c r i t e r i o nf o rt h el i n e a r i t yo ft h e 盯p o w e ra m p l i f i e r an o v e ls e l f - a d a p t i v ef e e d f o r w a r d1 i n e a r i z a t i o nt e c h n o l o g yb a s e do nd s pi s p r e s e n t e d w h i c hi su s e df o rw c d m a a n d21g h zc d m a 2 0 0 01xb a s e s t a t i o n f i r s t l y , b o t ha d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fe x i s t i n gl i n e a r i z a t i o nm e t h o d s w e r ei n v e s t i g a t e d e s p e c i a l l yt h ef e e d f o r w a r dl i n e a r i z a t i o nm e t h o d s d u a l - p i l o t m e t h o dw a su s e dt oc o n t r 0 1t h em a i nl o o po ft h i sn e wf e e d f o r w a r ds y s t e m as e p a r a t e d s pb o a r dw a sd e s i g n e da n di m p l e m e n t e dt or e c e i v et h ed e t e c t e dd a t af r o mm a i n p o w e ra m p l i t i e ra n dt op r o c e s st h eo p t i m i z a t i o na l g o r i t h ma n dt h e ng i v eo u tt h er i g h t r e a l t i m ec o n t r o l l i n gv o l t a g e a l g o r i t h ms i m u l a t i o n b a s e do nm a t l a ba n ds y s t e m s i m u l a t i o nb a s e do na d sw e r eb o t hi m p l e m e n t e dw h i c hg u a r a n t e e dt h ef e a s i b i l i t yo f a l lt h es c h e m et h et ic 5 0 0 0s e r i e sd s pa n dm a x i ma da n dd ac o n v e r t e r sw e r e u s e dt om a k es u r et h eh i g hp r e c i s i o na n dh i g hs p e e d i ne x p e r i m e n t a lt e s t t w o t o n es i g n a la n dm u l t i c a r r j e rs i g n a lw e r eb o t hu s e da s i n p u tt ot e s t t h ef e c d f o r w a r dl i n e a r i z e dp o w e ra m p l i t i e r t h ei m d 3w h e nu s i n g t w o t o n ei n p u ta n dt h ea c p rw h e nu s i n gm u l t i - c a r r i e ri n p u tw e r eb o t hg r e a t l y i m p r o v e d a 1 1t h er e s u l t ss h o wt h a t t h i ss e l f - a d a p t i v ef e e d f o r w a r d1 i n e a r i z e dp o w e r a m p l i f i e rw a se f f e c t i v ea n dp r a c t i c a l t h ep e r f o r m a n c eo ft h i sl i n e a r i z e dp o w e r a m p l i f i e ra l s om e e t st h er e q u i r e m e n t so f3 g p p k e yw o r d s ：f e e d f o r w a r d ；s e l f - a d a p t i v e ；l i n e a r i z a t i o n ；d s p 东南大学学位论文独创性声明 本人声叫所旱交的学位论文是我个人往导帅指导下进行| _ | 勺研究l i l l ：及取得的研究成果。尽我 所知，除了文q _ | 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，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同二 作的同 志对木例：究所做的任何贞献均i 3 ( - i j 论文l l 作了l 必确的既i 必并表示了谢意。 研究生签名堑塑日期：丝弓 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中困科学技术信息研究所、田家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和 电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内 容相 致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被奄阅和借阅，可以公御( 包括刊登) 论文的 伞部或部分内容。论文的公, t i ( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：殓叠导师签名：日期： 1 1 课题背景2 l 第一章绪论 j 山；苷艘人搽址j 蛆代迎竹系统叫，l - i ：蛆| 勺引成部分，收发堋的线陀放人用i 删 ：社嵌损址i ；t i l l ：能啦i l 确解州数。j ? 州制信譬n 勺必些条件。仟仲嫂或肖t 似的失真 掷将导敛信峙h i 能i h 南的传达。i | i - j 二近印：术兑线通信披术r i i i i | 羿范同内的乜述发 展，用户不断增多致使通信频段变得越来越捌挤。为在有限的频潜范围内容继 更多的通信信道，获得较l 笥的码h 速率乖i 步页带利用率现在通7 吉系统均采用了 q p s k ，6 4 q a m 等线性响制技术，这些调制力法刑功放的非线肚特一? 1 - - 1 1 1 = 常敏感， 因而列放大器柏更高的线性要求，以避免刘邻近信道的二r 扰，保证调制的窄带特 f ；- 。此外，在第一代数字移动j ! ! l 情系统巾，睹如动态信道分配快速跳频及软什 尤线电等新技术得到应用，需要较高的实时性和辟可能小的多径失真。因此，啦 计具有高度线肚的宽带功半放大器显得，必要。 但足，理想的线性助率放大器不易获得，放大器的非线性将产生包络火真和 频潴扩展。即使基带信号的频谱宽度满足信道带宽的要水，由于放大器的二线肚 产生的频谱扩展，也会对邻近信逆产生干扰。设汁高度线性的宽带功率放大器存 在以下几个问地：e 先是功率放大器的效率。在射额系统中，功率放大器处 一大 信g 工作状态，存在明显的非线性失真。为了能达到系统要求的指标，通常将功 率放火：； ： 从其1 d b 压缩点回退710 d b 使用，这n _ j 的功率利用效率只有5 左右， 放人器功耗较人。另个删题足所丌发产。l 见的成本。通常使刚高效牢的功牢放大 器采圳功率叫遇法，这利z 力法易丁实现，在工业中广泛使月，但值得注意的是， 因为需要采用更昂贵更高输m 功牢的放大器皿退使用，并且需要增山i 级数柬达到 所需的输出功牢，整个系统得成木人为提高。 另 个可行的方法是采用不同的偏置达到所需的线胜。众所刷知，a 类放人 器具隹最好的线性，但效率迁低。这是因为a 类放大器的偏臂使其上作在线性 区域的中r u 部分r f 信号小可能超出到非线性堕域。但由于其效率低下，a 类 放大器一般避免使用。此外还有a b 类，b 类，c 类偏置放大器，这些放大器通 过使放大器工作自更接近截i b 流的工作一j 上达到较高的效率。 凼此，何必婴对功率 5 大器聚收线性化技术使其杵小栅刳救率的时提卜鼹 著改善线性度指怀。功率放大器线性化技术作为射频系统的关键技术，也是通信 领域研究的热，点之一。本误题即足t , j f y i 采用l n 馈技术来改善功率放大器的非线 r 件。 1 。2 非线性的基本概念3 1 各种电了器件都是非线i i i i ( t ，所有包含电子器件的电子线路都是非线性 l u 路。竹二1 i 同的i i ：作条f l 。i - ，l u 子l l ( q 一所表小来的二m 线性利i ! 度并7 4 i , t ，日同。通。前 所晚的线性f 邑路，如小信号放大器，只是凼为其非线性非常弱，可以近似看成是 线。m 内。m “1i 作舟人功：红微波频段时，j 圳线i _ i - i 9 1 我现n 引“a 著。 i 乜j f 杆的二啦线性表现为许多现缘，主要有：谐波，调( i m ) ，a m a m 变换， a m p m 变换，交叉调制( c m ) 等等，简要介绍如下： 1 ) 谐波：谐波是非线性系统最显著的特征之一。如果系统的激励频率 是w ，则非线性系统会产生许多频琦夏为”w 的频率分量，这就是谐 波。对于通信发射机来说，谐波会干扰其他信道的信号证常传播， 因此必须将其抑制在一定电平之下。谐波一股远离基波分量，可以 用滤波器滤除，囚z x , j 系统影响不人。 2 ) 互调( i n t e r m o d u l a t i o n ) ：习惯上称为交调。交调分量是激励信号 中两个或多个频率的线性纽合。交调分量落存带内会形成假信号， 落在带外会形成邻带二f 扰，因此划咱身羽l 其他系统都会产生干扰。 交调分量中偶次分量离基波较远，可以用滤波器滤除，但奇次分量 的影响较大，特别是其中的三阶交调，即双音输入时频率为 ( 2 v v , 一) 和( 2 一w ) 的分量。由于其幅度最大，离主信号最近， 月无法用滤波器滤除，冈此危害最大。其次，l 阶交凋也有一定的 影响。 3 ) a m a m 变换：a m a m 变换就是指由输入信号的幅度变化而引起 的输出信号的幅度调制现象。饱和现象是一种最为常见的a m a m 转化现象，这是i 于任何器件n 勺输出能力都是有限的，当输入信号 增加到一定程度，输出信号就不随输入的增加而增加了。 4 )a m p m 变换：与a m a m 变换相似，a m p m 变换是指输出信号 相位与输入信号的幅度问的非线性关系。对于采用相位调制的系 统，a m p m 变换的影响比较大。现代通信系统中为了提高频谱利 川率，通常泵_ l l f i 交| | j 1 1 度渊制( q a m ) ，这种方法 1 j l j 了棚位信息， 防i i l j4 、h 何失真将导致误码率的增) j l i 。 5 ) 交叉调制( c r o s s m o d u l a t i o n ) ：非线性设备、电网络或传播媒介中 信1 ) n q 十7 i 作川所j “：，i - n q 几i 】信r - ，l 埘竹川信啪门胴制。 r 乜路的非线性特性会刘系统的币常工作产生各种二f 扰，因此掌握非线性的特 点，并根据实际需要尽i lj 能的消除- m 线性n 0r 扰是：惭目必要的。本课题就是研究 第一章绪论 使用自适应前馈的方法来减小功率放大器| 【| 勺三阶交调失真，从而改进功率放大器 的输出特性。 1 3 功放线性化技术简介i 。 功率放大器的线性化有许多种不同的方法，每种方法都有其独特的优t 涌| 缺点。日 m 没有任何坤| 1 线性化方法能够适用所有的系统咖得到统一的j 、洲j 。 在选择线性化方法时，必须综合考虑系统的效率，调制方法，带宽，电路复杂度， 动态范习等各种要求，根掘系统的具体要求选择最合适的方法。以下介绍几种常 用的功率放大器线性化方法及其特点。 1 3 1 功率回退法 改变放大器的直流偏置可阻看作是最简单的改进功率放大器线性化的方 法。从失真的角度来看，改变放大器的直流偏置等效于功率回退法。即选用功率 较大的管子做小功率使用，也就是牺牲直流功耗来提高线性度。图11 为l d b 压 缩点的表示。 输入功率( d b m ) 蚓1 1l d b i 、缩点圈不 功率退法就是把功率放人器的输入功率从l d b 压缩点向后回退几个招 殁 龇加眦 博 惦 住 佃 东南人学坝卜论文 i ：f t ( i ! 远小- t 二l d b 门i 缩止i 的f ：旷rf ：，使功率放大器脱离饱羽1 区，进入线性工作【翼：， 从而改菩功率放大器的三阶交调系数。从表达式来看，放大器的非线性输出可以 表示为 圪。= 订k 。+ b + 杉+ c k ，3 + d k ，+ l j 见，杉。越小，商次方二限线性的影响就越小，v 。越接近线性输l t j 。 这种方法简单易行，不需要附加任何设备，是改善放大器线性度常用有效 的方法，其缺点是功率放大器的功率利用率大为降低；另外，当功率回退到一定 程度，继续回退将不再改善放大器的线性度。因此，在线性度要求很高的场合， 完全依靠功率回退法是不够的，通常将回退法与其他方法结合起来使用。 1 3 2 负反馈法 负反馈是将功率放大器输 的非线性信号反馈到输入端，与原输入信号共同 作为功率放大器的输入信号，以减少功率放大器f l g q 线性。如果单阶放大器的增 益很高，可以考虑采用本地负反馈( l o c a lf e e d b a c k ) 来改进线性度。 图1 2 本地负反馈图示 可以看到，本地负反馈削减了整个放大器的增益。单阶放大器的增益不足以 高到能够使j 1 本地负反馈，因此我们可以采用多级放大器级联1 内方法来构成全局 负反馈( g l o b a l l yf e e d b a c k ) 。如图1 _ 3 所示。 r f 图1 3 全局负反馈图示 在工作频率较低时，这种方法经常得到使用。但高频时使用负反馈代价过大。 首先是高频时放大器价格较高，若每级只有很小的增益，则需要较多的级数和放 大器来达到所需的增益，是整体的效率较低。更重要的是，当级数较多时，每级 所产生的延时将使整个放大器变得不稳定。 第一章绪论 1 3 3c a r t e s i a n 环路法 c a r t e s i a n 环路法属于负反馈方法，是一种基带的线性化方法。如图1 4 所 示，c a r t e s i a n 环的基本原理是对i , q 两路信号分别加以调制，进入高频放大器p a 后将失真信号耦合出一部分，解调后返回到输入端的差分放大器。这样使环路精 f o f j l i ，j 跟踪l , q 信湖，j 变化，使系统整体输：j 一 具有良好的线性。该方法的局限赴较 窄的带宽，取决于差分放大器的带宽和解调器的线性程度，n 止g 不适用于宽带的 情况。 图1 4c a r t e s i a n 环路法原理图 1 3 4 预失真方法 预失真方法的基本思想是对放大器进行实时的补偿，通过电路网络或其他 技术方法对放大器的非线性输入输出特性进行校f 。按照预失真电路工作的频 段，可以分为射频预失真，中频预失真和基带预失真。其中射频预失真对最终的 射频信号进行纠正；中频预失真发生在中频上，精度不如射频预失真；基带预失 真主要应用了d s p 技术把预失真系数存在其中。按照预失真电路的不同结构，可 以分为丌环预失真和闭环预失真，如图1 5 ( a ) ( b ) 和图1 6 所示。 东南人学f 映i j 论义 i a )b l 图1 5 丌环预失真射频( a )基带( b ) 图1 6 闭环预失真图示 丌环预失真方法具有带宽较宽，稳定性好，易于与其他方法结合使用的优点。 而闭环方法则是在丌环的基础上加入了反馈，构成了自适应预失真，能够实时跟 踪放大器的非线性特性，并避免系统参数| ，i 勺漂移。 1 3 5 前馈法 在所有的线性化方法中，自仃馈法一直得到广泛的使用。早在1 9 2 3 年就由 h a r o l ds b l a c k 首先使用。图1 7 为自适应前馈法的简要框图。 r f p u t 图1 7 前馈法结构框图 i ，j 馈法的思想是，先把放大器的输出衰减至输入的水平，然后把它们相减， 这样就只剩下畸变部分，这个畸变信号是由于放大器的非线性产生的，接着把畸 变部分经由一个单独的放大器加以放大，并与原放大器输出信号相减，这样就剩 下了线性放大部分。前馈结构包括两个坏路：信号消减环和误差消减环。信号消 减环是从主支路中把主功率放大器输出信号耦合出来，与参考支路的信号叠加， 以抵消主信号分量，从而提取交凋信号分量。参考支路的延迟线是为了补偿主支 第一章绪论 路的群延迟。误差消减环足把交响信号分毓放大，僻耦合唧卜支路jj1 i 功率放人 器输出信号相减，抵消掉交调信号分量，从而使主功率放大器的交调信号分量降 低。此环路中的延迟线的功能与信号消减环的是相同的。为了提高线性化的精度， 可以对i ，j 馈网络进行嵌套，进行多重i ，j 向交调信号消减。 此外，为了保持良好的线性化效果，就需要坏路的幅度和相位随着工作环境 的变化而变化，即具有自适应的效果。可以通过在第一环雨1 第二坏附加功率检测 电路科1d s p 数字信号处理电路构成数字自适应i ，j 馈系统。本课题即采用这种方 案，详细的结构和算法将在后面的章节介绍。 1 4 本课题主要工作及论文内容安排 以上介绍的各种线性化方法在实际系统中均有广泛应用，具有不同的特点。 功率回退法的优点和缺点日，j 面已经提及，反馈法更适用于单载波单信道的情况， c a r t e s i a n 环路简j 、b 易于集成，适用于机r f l f j 勺功放，但稳定n 勺工作带宽较窄；预火 真技术电路形式简单，凋整方便，效率高；自，j 馈法可有效改善线性度，同时获得 较大带宽，适用于第三代移动通信系统多载波宽频带的工作方式，但缺点是电路 复杂。 本课题研究并完成的就是一种基于d s p 的数字自适应前馈线性化功放系 统，可应用于w c d m a 和2 1 g h z 的c d m a l x 系统。本课题在传统的前馈线性化 功放方案的基础上，采用加入双音导频的方法，对信号消减环和误差消减环进行 自适应控制，采用模式搜索法算法作为求多维极值的优化算法，有效的通过优化 导频达到了对消三阶交调分量的效果。 本文的主要工作是进行了课题的调研和方案的确定，完成了优化算法和硬件 电路的仿真和实现。论文第一章介绍了课题的背景，当前的研究情况和本课题工 作内容及论文安排。第二章针对功率放大器的非线性特性分为弱非线性和强非线 性的情况分别进行了分析和建模。在此理论基础上分析了采用功率放大器线性化 技术的必要性和可行性。第三章介绍了基本的前馈系统的原理，组成和自适应方 案的选择，确立了本课题的全数字化控制自适应前馈功放的结构和控制方法，并 且基于自适应控制的数学模型比较选择了优化算法。第四章对该方案进行了基于 m a t l a b 的软件仿真和基于a d s 的系统硬件仿真，给出了仿真结果，并进行了分 析，验证了本方案能够在双音及w c d m a 谱信号的输入下具有良好的线性化性 能，三阶交调和a c p r 显著改善。第五章介绍了器件选型和具体的硬件电路实 现。j j i 要分为d s p 控制电路和环路结构进行了方案和电路结构的具体介绍。第 六章介绍了系统测试的过程，并给出了测试结果，分别给出了米加线性化之前和 东南人学坝卜论文 采用线性化方案之后的频谱输出，并分别采用了不同双音| 、自j 隔和c d m a 潜信号 作为输入，最后针t 对得到的测试结果进行了分析和总结。 第二章功放的l r 线陀分析 第二章功放的非线性分析 无线通信系统中，不同的调制方式对系统有不同的线性度要求。诸如q p s k 这样的调制方式得到广泛应用，产f h f 恒包络调制信号，表现为包络的峰值功率 ( p e a ke n v e l o p ep o w e rp e p ) 大于信号的平均功率。峰值功率和平均功率的比值 定义为峰均比( p e a kt oa v e r a g er a t i o ) ，是描述不同的数字调制方式的重要参数， 也和系统的线性化程度有很大关系。以下的章节描述了峰均比的重要性和 a m a m ，a m p m 特性，以及这些特性和i m d ，a c p r 的关系。 2 1 弱非线性及交调的分析【3 1 通常，交调失真是用来衡量放大器非线性特性的主要指标。在较弱的非线性 情况下，放大器的输出可以表示为输入的幂级数，利用单音和双音测试就能表征 出放大器的非线性特性。所谓的弱非线性情况，是指放大器工作在远离l d b 压缩 点的区域。这时的交调失真( i m d ) 一3 0 d b c 以下较为显著。双音分析在接收机 和低噪声放大器( l n a ) 的设计中非常有用，此时的信号功率较低，会受到同样 较低的交调失真的干扰。双音分析在功率放大器的设计中也非常重要，能够清楚 的表征放大器的非线性特性。但是，在强非线性的工作区域内还需要更好的方法 柬分析其非线性特性。所谓强非线性，是指当放大器工作在很接近或者超过l d b 压缩点的区域。 首先利用双音来分析弱非线性系统的非线性特性。在弱非线性的情况下，功 率放大器的输出可以表示成以下的幂级数： v o ( t ) = a v i ( f ) + a ：v ，2 ( t ) + 及3 v ，3 ( f ) + 口。1 2 ，4 ( t ) + a ，v ，5 ( t ) + l ( 2 1 ) 其中v i ( t ) 是盯输入信号，、，d ( ，) 赴放人器的输出信号。双音分析时，输入信 可7 2 1 刀k _ 两个幅度一样，频率刚辐一定并在放大器工作带宽内的信号，假设此时的双音频 率分别为，和，则输入信号为 v i ( t ) = a c o s g o l ha c o s c 0 2 t ( 2 2 ) 由公式( 2 1 ) 和( 2 2 ) 可得输出t 信号的表示形式为： 屹( f ) = a 1a ( c o sc 0 1 + c o s0 9 2 ) + 2 a 2c o s ( _ 0 1 t + c o s ( _ 0 2 t ) 2 + 及3 a 3 ( c o sc q t + c o so ) 2 t ) 3 + l ( 2 ：3 ) 展j l ：j , 7 得： 东南人! # 帧t j 论义 、，0 ( ，) = a ；爿一+ 倥二a c o s ( l 一0 9 2 ) t + ( 口。彳+ 言a 3 a3 c o s c o ) t + ( a 爿+ 言口，爿3 ) c 。s 国：r + 3 q 3 a 3 c o s ( 2 l 一缈z ) + 五3q 3 a 3 c o s ( 2 似：一) + a ! 彳：c 。( i + ! ) ，+ 吉o r 2 a 2c o s 2 a ) , t + 吉a ! 爿：c 。s 2 ：， 2 4 +a 3c o s ( 2 q + 缈! ) f + 丢口3 a3 c o s ( 2 ( 0 2 + ( o j ) ， + 去a ，彳3c o s 3 r + 去a ，彳3c o s 3 ：r 山公式( 2 1 ) 可见，输出信一f 百t 1 中的频率分量包括直流，基波和谐波分量，还包括 输入信号频率经过线性组合后产生得频率分量。输入输出的频率分量如图2 1 所示佰得沛案的舡夺渊i 0 为给定的反射系数，常耿以= 1 ，则x + ”为x ( j i 关于叉的反射点( 参 看图3 5 ) 。 ( 2 ) 延伸 当反射成功时，即有 f ( x ”1 ) f ( x ) ) 图3 5 反射 说明沿( x “”一x ) 方向还有希望珥义得更好的效果，则作延伸运算。即求： x = 又+ r ( x + 一叉、 ( 3 6 ) 其中y 1 是延伸系数，常取7 ，= 2 ，此时，若f ( x ) f ( x ”“) f ( x 。) ， ( k h k = o ，1 ，n ) 对于情况，则计算 x 十3 ) = 一x + p ( x 一叉1 ( 3 7 ) 其中0 1 ，称为收缩系数，常取p = 0 5 。 当f ( x “) f ( x “) 时，则以x ”+ 3 代替x “构成新的单纯形。对于情况，则 先以x ”l 代替x ，然后进行上述收缩运算，此时有 x t 3 ) ：叉+ ( x + 一又) ( 3 8 ) 如果反射点x + ”除最坏点x t “1 外至少比其余一个顶点好，这时以x ”+ 1 代替 x “构成新的j 弘纯彤。 东南人学坝i j 论义 小1 1 图3 7 向内收缩 ( 4 ) 减小边长 爿7 ) 一，、黟一 j 、“、， - j ；l ，xj ， 、j x ( 1 ) “1 ) 图3 8 向外收缩 x ( 7 ) ， 、 一 ( 川，一j 、x ，( ) x ( 1 ) 图3 9 减小边长 如反射失败，收缩亦失败，则作减小边长运算，如图3 1 1 所示。即将最好 的点保留不动，将其余所有边长减小一半，计算式为 x 似) = x + 圭( x 似) 一x ) = 圭( x 似) + x )( 3 9 ) k = 0 ，1 ，n ( k ，) 如此迭代逐渐逼近最小点。 3 4 3 模式搜索法 模式搜索法是i j - th o o k e 和j e e v e s l9 6 1 年提出的，其基本思想是山交替进行 的探测搜索和模式移动两部分组成。选定目标函数的初值向量x 。和初始步长s 。 首先进行探测搜索，其出发点称为参考点，用向量一： 。t ，l 7 表示。探 测搜索的曰的是在参考点周围寻找比它更好的，k 从而确定一个有利的前进方 2 4 、堂 、 、 、 一 d 、哆 卜ilo、一一 ， 第_ 三章数。j ：白适心前馈技术 向。这样的点称为基，氯，用言： b ib 2 ，l 包，】7 表示，此时有厂( 艿 厂耐，因此从丢 出发酒蕾渤向，目标函数有可能继续下降，这样的向量称为模式，如图3 1 0 所示。接下来进行模式移动，起点是基点，终点是新的参考点，公式为 健静口一书，般取a ：1 ，凶此公式简化为f ：2 乒1 声这样探测搜索和模 式移动就可以交替进行下去，逐渐逼近最小点。迭代丌始时，基点和参考点相重 合，都在初值处，经过探测搜索得到新的基点，然后经过模式移动得到新的参考 点，这样经过反复交替使用探测搜索和模式移列j 诼渐逼近最小点。 图3 10 参考点，基点，模式示意图 下面分别讨论探测搜索和模式搜索法的算法。模式搜索法的框图如图3 6 所示。已知目标函数厂( x ) ，步长向量s 。= h ，s ! ，ls ， 和参考点甚 ，l r 其 中探测搜索的详细步骤为： 一 一一 1 ) 计算，= 厂( r ) ，置兀= ，b = ，。 2 ) 依次沿浮1 ，2 , l 维j 蝰标轴方向作如下一维搜索：计算 一、一、 石= 厂( 6q - s i e i ) ：六= 厂( 6 一s i p i ) ，其中e i 是第i 个坐标轴上的单位向 -jjj _ j 量。此时，若7 1 , 兀，说明b + s j p 少匕b 好，置b = b + s i e i ，五= z ； -3jj 若z 厶，说明b s i c i 比b 好，置b = b s i p ，厶= 六；若z 五与 一 一j一 厶厶f i j j 口寸成：! z ，说 刿b + s i 哆矛f _ | 6 一s i e , 都刁i 比b 好，贝0 b 矛口：者j 保持； 东南人学硕i j 论文 当前值不变。 依次对待1 ，2 ，l 门计算后，最后得到的b 和五分别是从，出发以s 为 po p 步长向量探测搜索的终点及其目标函数值。当兀 厂时，称探测搜 一 1 j 索成功，此时b r ；否则称探测搜索失败。 若探测搜索成功，则进行模式移动，否则将步长缩小，继续进行探测搜索。但爿； 要注意的是，按照芦：2 t b 随行的模式移动，搜索速度过慢，因此可以采用加要注意的是，按照芦=一尸进行的模式移动，搜索速度过慢，因此司以米用加 速步骤，算法如图3 1 l 所示。 一 ! 。1 。1 1 1 。一 打印输出 t 停 1 、 图3 11 模式搜索法框图 第三里墼! 旦垩坐塑堡丝查一 3 5 小结 本章介绍了i ，j 馈法的基本原理，以及采用数字自适应控制法的i ，j 馈线性化功 放的基本结构，讨论了第一环和第二环可供选择的控制方法和本课题采用的方 案，并介绍了其= i ：，求得多维极值所采用的优化算法。 下面的章节将介绍根据基本结构结合实际的器件与模型进行的软硬件仿真 和具体的硬件实现。 东南人学顺i j 论义 第四章系统软硬件仿真 4 1 优化算法的m a t l a b 仿真及结果 m a t l a b 作为纠翻j i u4 ：t ! 语言和f 可视化：l 具，具有：| 二富的功能，可以解决工程，科 学计算和数学学科中的许多问题。 前面一章讨论了应用于多维极值的_ l 种优化算法，本章首先采用m a t l a b 语 言对其进行仿真比较。在日，j 馈功放的控制中，控制变量和优化目标之间没有明确 的函数关系，耳义决于功放的具体特性，并且随时问而改变。因此在算法仿真中我 们无法得到与实际的运行情况一致的算法特性。本文中采用的方法是假设一个复 杂度较高的三次函数，分别运用模式搜索法和单纯形法对其进行二：维极值搜索， 作图分析其收敛特性。下图4 1 和4 2 分别是模式搜索法和单纯形法的迭代曲线。 图4 1模式搜索法 图4 2 单纯形替换法 以上结果可见，这两种算法在丌始取值离最小点较远处最后均能达到收敛。 其中m s e 的f “1 线变化并不表明存中问部分饫 i - i 差很大，而是止1 ：i t t 迭代使其迅速向 最小点收敛，凶而两次数值之差求得的m s e 较人。这几种方法都可方便的移植 第p u 章系统软耻件仿真 到d s p 中实现自适应的全数字化控制。 4 2 自适应前馈系统的a d s 仿真及结果 4 2 1a d s 系统简介 a d s ( a d v a n c e dd e s i g ns y s t e m ) 是a g i l e n t 公司推出的新一代的e d a 设计土f 台，给j 一 j 户提供了从综合、系统仿真，剑完整的通信系统设计的解决方案，使刚 户能够方便有效的进行硬件系统的研究丌发工作。 a d s 提供了一系列独特的功能，是其它e d a 工具不具备的。它可以对d s p l u 路、射频电路、光l 1 予通信与微波器件的设计进行仿真、优化与验讧e ：它川提 供通信系统一 _ 1 基州 部分与射频部分之| 、“j 的联合仿真，可提高系统仿真的准确度， 节约丌发时i 、白j ；它可以方便的将d s p 系统框图向下综合到v h d l 器件：a d s 可 方便的与h p 测量仪器相连接，使系统即使有一部分硬件电路不存在也能测试， 这样就提高了系统丌发过程中的灵活性；a d s 提供了大量的仿真库与行为模型， 给设计人员以强有力的支持。另外它对硬件的要求不高，可方便的应用于p c 机 和u n i x 系统等多种操作平台。 4 2 2a d s 系统仿真及结果 1 首先看主功放的仿真，为系统中采用的主功率放大器建立了实际的l d m o s 模 型，计算并仿真了各类非线性特征，并且与实测参数进行了对比。主功放的仿真 图蜘1 下： 图4 3 主功率放大器的实际模型 东南人学硕l j 论义 ooop _ 一 o n 扛oo oo” o oo o oo o oo o o pr 亡c luen cy 图4 4j 三功率放大器输出互调特性 rppower 图4 6 主功率放大器a m a m 特性 多 一一 一一m _ 一一一p 一 一e | 蕞了i| outp 1 , 1tpo - r 9o ht on db m 图4 5 主功放高低三阶互调功率特性 o o o o - o l l 一1 r ppo w er 图4 7 主功率放大器a m p m 特性 一 忡u廿口q oaooaoo fr equ e n cy 图4 8 主功率放大器延时特性 2 基于实际的功率放大器模型，对第一坏和第二环进行了衰减器和移相器参数 优化和仿真，这对于考察自适应算法的收敛程度有重要意义。 第一环的仿真图如图4 9 所示： 第u u 章系统软硬件仿真 匝臣五互口匿臣亚卫 u j e ；r。v c 口 二l 1 - n f t o 7 “ # t 口 i u j l。 “d “舢 m + p - = ；0 0 1 b t j 。“bij 、i 1 + ：、h t t ：7 1 i 0 1 ： 5 ， 图4 9 第一环的仿真框图 以下是双音的仿真结果，中心频率2 1 4g h z ，双音分别为2 1 3g h z 和2 1 5g h z 。 图4 1 0 为衰减量和第一环对消后高低载波分量大小的关系图。 图4 1 0 衰减量和第一环对消后高低载波分量大小的关系 东南人学坝卜论义 图4 11 衰减量，移相量和载波分量大小关系图( 1 0 w e rs i d e ) 图4 1 2 衰减量，移相量和载波分量大小关系图( u p p e rs i d e ) 图4 11 和4 1 2 显示了同i t q 改变移相和衰减参数对载波分量的影响。图4 1 1 和图4 1 2 i i ，横坐标烂衰减量的大小，纵坐标是移相量的大小，图- p 的一幽幽 的闭合曲线代表不同的载波分量的大小，圈越小则载波分量越小，最后收缩为一 个点，即载波分量达到最小。 由以上图可以看出，随着衰减量和移相量的改变，载波分量都有一个唯一的 最小值，这也就是说，改变第一环移相器和衰减器的控制电压值能找到一个唯一 的点使载波分量对消到最小，这说明采用极值法控制两个自变量可以得到收敛的 结果。图4 1 3 为笫一叫i 主信号的对消结果。图4 1 4 为第一环控制系数的收敛曲 线。 第p q 章系统软硬件仿真 图4 1 3 第一环的对消结果图 图4 1 4 第一环控制系数的收敛 3 第二二环的仿真如i 冬14 15 所示： 东南人学f 硬l j 论文 篓蓁黑。，熏罴囊= 三 * j3 t 1 o 一) = 一一 一， c 口n co j 目 一。一。”1 p o 1 # w o 口“ 篓墓乏。 叠”。“ 4 t t 一一 tj “ 口一 ；攀留 誉一 1 0 一 一 一 ：，”蒜c ：赫。鍪慕；。 图4 15第二环的仿真框图 图4 1 6 为第二环的可调移相器和可调衰减器对最后交调分量对消结果的影响。 图中的横坐标和纵坐标分别表示衰减量和相移量的大小，闭合曲线表示交调分量 的大小，由图可见，同时改变移相器和衰减器的数值，交调分量的大小同样随之 改变，最终有一个唯一的最小值。这说明采用优化算法来控制两个白变量，能够 达到收敛的效果。 图4 1 6 衰减量和移相量与第二环输出i m d ，的关系图 经过优化后，笫_ ：环的输汁侄吉果( 【；! l 】丰功放的最后输出) 具有良好的线性，如图 4 1 7 所示。 笫p u 章系统软硬件仿真 isp ；c ：u ：、1a：je ecf 。rwd ：di jl ltput 图4 1 7 前馈线性化功放的输出 图4 1 8 为第二环控制系数的收敛。 图4 1 8 第二环控制系数的收敛 4 相关法提取导频 系统采用了双边带导频技术的自适应方案，它通过抵消导频信号来完成 抵消失真信号的功能。由于双边带导频信号位于上下交调分量的附近，所以导频 信号的抵消程度反映了i j 下两个边带的互调的抵消特性。在导频信号的提取上， 采用了相关解调的方法，如下图所示： 东南入学坝卜论义 4 2 3 小结 一 蛘 幽4 1 9 复数相关法提取导频信号 从以上的a d s 仿真结果可见，本课题采用的双音导频法控制自仃馈线性化功 放的方法可行，由两环的相移量和衰减量与输出的关系可见，可以采用求极值的 优化算法达到收敛。从最终的线性化功放输出也可以看到，该方法改善功放线性 度具有明显的效果。 第五章系统的硬件实现 第五章系统的硬件实现 本课题设计的线性化功放工作频段在2 1g h z ，同时适用于w c d m a 和 c d m a 2 0 0 01 x ，日j ，j 是基于w c d m a 工作。输出功率1 6 w 。 5 1d s p 数字信号处理模块1 1 4 1 1 1 5 i 课题采用t i 的c 5 4 0 2d s p ，加上a d ，d a ，f l a s h 等组成d s p 数字信号处 理模块，其功能是接【恢第一环和第二：坏的检测信号，以其最优为目标，采用优化 算法，分另0 控制两叫i 的j 训移相器和可调衰减器控制电脏。该数字信号处理模块， 即d s p 板的结构如图5 1 所示： p r a 、