摘要WIMAX射頻前端設(shè)計和寬帶功放數(shù)字預失真的研究研究生趙騰導師周健義教授東南大學信息科學與工程學院毫米波國家重點實驗室摘要WIMAXWORLDINTEROPERABILITYFORMICROWAVEACCESS，全球微波存取互通是一種新的無線城域網(wǎng)WMAN接入技術(shù)，具有較高的傳輸速率，開放的標準，低廉的成本等優(yōu)勢。研制WIMA設(shè)備中的關(guān)鍵部件之一性能優(yōu)異的WIMA射頻前端，對WIMAX的大規(guī)模商業(yè)化有重要的價值。在包括WIMA在內(nèi)的下一代通信系統(tǒng)中，為了提高頻譜利用率，使用了多載波調(diào)制方式，傳輸信號的峰均比更大。研究在高峰均比信號下線性度良好而且高效率的功放，對射頻技術(shù)的發(fā)展有重要的意義。本文針對WIMA射頻前端，研制了工作在26GHZ和35GHZ的高性能射頻前端。所設(shè)計的射頻前端具有輸出功率大、線性高、噪聲系數(shù)低、尺寸小等特點。論文給出了射頻前端的詳細設(shè)計方法和測試結(jié)果，研制的射頻前端已經(jīng)交付客戶進行試驗網(wǎng)的建設(shè)。本文針對高效率射頻功率放大器，進行了功放建模的研究。本文分別采用無記憶多項式模型、WIENER模型、HAMMERSTEIN模型、有記憶多項式模型對高效率射頻功放建模。仿真顯示有記憶多項式模型可以很好的模擬功放的非線性特性和寬帶信號下的記憶效應，其模型具有最小的歸一化均方誤差NMSE。本文針對功放線性化技術(shù)，在基于儀器的實驗平臺上，應用有記憶多項式模型獲得功放的逆模型，對被測DOHERTY功放做線性化，測試結(jié)果顯示獲得了很好的效果10M信號的ACLR臨信道泄露比改善了8DB，20M信號ACLR改善了12DB。關(guān)鍵詞WIMA，射頻前端，功放線性化，數(shù)字預失真ABS仃ACTDESIGNOFTHEWIMAXRFFRONTENDANDTHERESEARCHONTHEDIGITALPREDISTORTIONOFWIDEBANDWIDTHPOWERAMPLINERSMASTERCANDIDATEZHAOTENGTUTORPROFESSORZHOUJIANYIABSTRACTWIM_AXW|0DDHLTEROPERABILI鑼FORMICROWAVEACCESSISANC、VTECHNOLOGYOF銜ELESSME仃OPOLITANAREANEMRKSM，IAACCESS111EWI塤HOLDSADVANTAGESOFLLI曲DATARATE，0PENSTAILDARD，LOWD印LOYMENTCOSTA11DSOONTHEDEVELOPMENTOFHI曲PE墑衄AILCEWI訛議RF舶NTENDS，ISOFGREATVALUEFORMEM嬲SCO刪撇IALIMPLERNENT撕ONOFWMAXSYSTEMIILTHENEXTGENERATIONCOM姍】蚵CATIONSYSTEMSINCLUDES也EWIM吣P，MULTIC刪ERMODULATIONSCHEMESAREADOPTEDTOMCREASEMESPE酏RUME伍CIENCYTHILS齜PE出AVERAGE洲OPAROF拓A11SIILITTINGSIGLLALSISLARGERRESEARCH0NHIGH1INEARI夠鋤DLLI曲EMCIENCYPOWER鋤PLIFIERSUNDERLLI班PARSIGR謝S，ISAFOCUSOFMODEMRFTECLLILIQUE鋤D晰LLHAVEILLLPORRT觚TE舵CTON也EEVOLUTIONOFRFSYSTEMSINT11ISMESIS，鉚OKINDSOFLLI曲PERFB加ALLCEWJMAXRF丘ONTENDSAREDEVELOPEDFORME26C遷ZAND35GHZ懿QUENCYBANDSTHEDESIGILEDRF矗ONTENDSHAVEFEATURESSUCH船11IGHOUTPUTPOWER，GOODLINEARITY，LOWNOISEFIGUREA11DCOMPACTINSIZEDETAILEDDESIGNSCHEMESANDTESTRESULTSAREPROVIDEDTHEDESIGNEDI珂丘OMENDSHAVEBEENDELIVEREDTOCUSTOMERSFORFIELD印PLICATIOILSOFEXPERIMENTALWIMAXRLE觚ORKINT11ISTLLESIS，SEVERALMODELS，SUCHASTHEPOLYNOMIALMODEL，也E、胍ENERMODEL，TLLEHAMMERSTEINMODEL，ANDMEMEMORIALPOLYNOMIALMODELAREADOPTEDIILTHEMODELINGOFK幽EMCIENTRFPOWER鋤PLI矗ERSSIMULATIONSHOWSTHAT也EMEMORIALPOIYNOMIALMODELCALLACCURATELYMTHENONLINEARITYANDTHEMEMORYEFFECTU11DERBROADBALLD、RIDTHSIGNALS，A11DHASTHELEASTNMSENO脅ALIZEDMEANSQUAREENORINTHISTHESIS，THEVERSEDMEMORIALPOLYNOMIALMODELISEMPLOYEDTOLINEA打ZEAIII東南大學碩士學位論文11I曲E伍CIENCYDOHEN，POWERAMPLIFLER謝也THED磷TALPREDISTONIONTECMQUEBASEDON廿1EEXPERIMENTALPLATFONNTESTRESULTSSHOWMATGOODIRLLPROVEMENTSINADJACENTCH鋤E11EALAGERACIOACPRCANBEENACMEVED8DBBE訛RFOR10MSI驢A1A11D12DBBETTERFOR20MSIGLLALKEYWORDSWI訛議，RF舶NTEND，PAMEARIZATION，DPD目錄目錄摘IJ1ABSTRACT。I目錄。V第一章W訂吼拭射頻前端研究背景111WIMAX極其關(guān)鍵技術(shù)簡介112收發(fā)信機結(jié)構(gòu)比較313射頻前端評價標準5參考文獻6第二章工作于35GLK的W訂咀射頻前端設(shè)計921系統(tǒng)設(shè)計922測試平臺1023測試結(jié)果11第三章工作于26GHZ的WIMAX射頻前端設(shè)計1731系統(tǒng)設(shè)計1732測試結(jié)果18第四章寬帶功率放大器建模。2341背景介紹2342實驗平臺與評價指標2443實驗功放DOHE啊2844模型簡介3045建模及其結(jié)果32參考文獻41第五章寬帶功率放大器數(shù)字預失真4S51研究背景4S52相關(guān)內(nèi)容及進展4653實驗平臺和評價指標5254實驗結(jié)論S2參考文獻53結(jié)論與展望SS一工作總結(jié)55二工作展望55致謝57V東南大學碩士學位論文第章WIMA射頻前端研究背景第一章WIMAX射頻前端研究背景11WIMAX極其關(guān)鍵技術(shù)簡介111WI的發(fā)展WIMAXWORLDINTEROPERABILITYFORMICROWAVEACCESS，即全球微波存取互通，是一項高速無線數(shù)據(jù)網(wǎng)標準，主要用在城域網(wǎng)絡(luò)MAN。WIMAX基于IEEE80216一系列標準，到目前為止包括80216、80216A、80216E、80216D、80216E、80216F和802169共七個，具體應用范圍如表卜L所示啪一。表卜1IEEE80216標準系列標準號針對的領(lǐng)域80216066GHZ固定寬帶無線接入系統(tǒng)空中接口標準80216A21LGHZ固定寬帶無線接入系統(tǒng)空中接口標準80216C1066GHZ同定寬帶無線接入系統(tǒng)關(guān)于兼容性的增補文件80216D固定寬帶無線接入系統(tǒng)空中接口標準10一66GHZ、臻LTINDB一然R礎(chǔ)D喲12在室溫溫度約為290K，系統(tǒng)帶寬為BW，解調(diào)門限為瓢H的情況下由噪聲系數(shù)，可以得到接收機的靈敏度公式S酗培捌腳DBL弧一174由量M10LOGBWNF臻蚶13其中勰甄妣通常是由誤碼率并結(jié)合信號調(diào)制解調(diào)方式推導出來的。前面噪聲系數(shù)的討論針對的都是單級系統(tǒng)，對于由多個子系統(tǒng)級聯(lián)而組成的系統(tǒng)，其中各子系統(tǒng)的噪聲系數(shù)為F。，可獲得功率增益為G。，則整個系統(tǒng)的噪聲系數(shù)為F噸警譽14由上式可以看出，位于接收通道最前一級的低噪聲放大器LNA，LOWNOISEAMPLIFIER的噪聲性能對整個系統(tǒng)的噪聲性能有著極大的影響。為了降低整個接收通道的噪聲系數(shù)，第一級LNA應具有盡量低的噪聲系數(shù)，同時功率增益盡量高。134其他除了前面提到的三點，還有其他一些指標如工作頻帶，輸出功率，本振相位噪聲等等衡量射頻前端的指標。參考文獻1PART16AIRINTERFACEFORFIXEDBROADBANDWIRELESSACCESSSYSTEM，IEEESTDS80216，20042WIMAXFORUMHTTPWWWWIMAXFORUMORG0L20053葉健輝WIMAX射頻前端的研究與設(shè)計D碩士學位論文重慶重慶64第一章WIMA射頻前端研究背景郵電大學2007王文博，鄭侃，寬帶無線通信_OFDM技術(shù)M，人民郵電出版社，2003年11月5AGILENTAPPLICATIONNOTE59883762ENOLWWWAGILENTCOMCN6賀忠堂，MIM0一OFDM系統(tǒng)若干關(guān)鍵技術(shù)研究D碩士學位論文南京，南京郵電大學博士論文20077891011121314陳欣捷，基于IEEE80216標準的MIMOOFDM研究D碩士學位論文東華大學碩士學位論文2007陳永紅，MIMO_OFDM系統(tǒng)盲信道估計方法的研究D碩士學位論文南京，南京郵電大學碩士學位論文2007MAKP，US，MARTINSR，TRANSCEIVERARCHITECTURESELECTIONREVIEW，STATEOFTHEARTSURVEYANDCASESTUDYCIRSUITSANDSYSTEMSMAGAZINEM，IEEE，2007TLEE，THEDESIGNOFCMOSRADIOFREQUENCYINTEGRATEDCIRCUITSM，CAMBRIDGEUNIVERSITYPRESS，1998RHARTLEY，MODULATIONSYSTEMP，USPATENTL，666，206APR1928BRAZAVI，RFMICROELECTRONICSM，PRENTICEHALL，1998JCROLSANDMSTEYAERT，CMOSWIRELESSTRANSCEIVERDESIGNM，K1UWERACADEMICPUBLISHERS1997金濤多頻多模射頻前端研究D碩士學位論文南京東南大學碩士學位論文7第二章工作于35GHZ的WIMA射頻前端設(shè)計第二章工作于35GHZ的WIMAX射頻前端設(shè)計21系統(tǒng)設(shè)計工作于35GHZ的WIMA射頻前端的系統(tǒng)指標如表21所示表2135GWIMAX射頻前端指標工作頻帶3436GHZ工作帶寬10Z最大輸出功率30DBM頻率穩(wěn)定度20DB接收噪聲系數(shù)一霸觴匱I。VL一一1I_LJ、ILI第二章工作子35GHZ的WIMAC射頻前端設(shè)計頻率穩(wěn)定度測試內(nèi)部時鐘模式時，我們可以使用ADI的軟件調(diào)節(jié)自動頻率控制，結(jié)果如圖212頻率誤差為65234HZ哩掣哪I蕾Z霉砥曲啡二蕾黼K堋，LTT_P峨血蕾L口一位，船帕TTD自3礬IT_M4T_。HIHM根蔓F膏嗍J曩T4P_TD程，童峨LI。曩棚FCQ亡I笛T括TLRN嘲啪7日警2T鹽_枷，口QERHA_日_O塒一，MNMTN0H蝴L軋?zhí)柮門A1LUJB6邶田唾蓼萎囊芝耋。寰二乏、，蘇鍪。碡LN壘夥前最。1也一靠蝴毋刪墓。掣群。黑拼產(chǎn)矗熙翼纛琵了翟葉吣。1呻拼價篙4嚼甜M如訥曬爺強L母。圖212頻率控制測試本章給出了工作于35GHZ的WIMA射頻前端的設(shè)計指標和原理框圖并給出了詳細的測試過程，測試結(jié)果表明所設(shè)計的射頻前端性能滿足設(shè)計指標。第三章工作于25GHZ的WIMA射頻前端設(shè)計第三章工作于26GHZ的WIMAX射頻前端設(shè)計31系統(tǒng)設(shè)計工作于26G的WIMA射頻前端的系統(tǒng)指標如下表所示表3126GHZ射頻前端指標工作頻帶2527GHZ帶寬10M最大輸出功率30DBM頻率穩(wěn)定度LI41式中XN，YN分別表示對時域連續(xù)信號XT，YT在TNT時刻的采樣值以下模型的推導中都沿用這個設(shè)定，T是采樣周期，1T是采樣頻率，AI為多項式各階次的系數(shù)，一般為復數(shù)，P為多項式的最高階次。442HAMMERSTEIIL模型H鋤ERSTEIN模型是由一個無記憶非線性系統(tǒng)后級聯(lián)一個線性時不變系統(tǒng)而成，如圖所示。H鋤ERSTEIN系統(tǒng)的輸入輸出關(guān)系為巾“瞄堪13KXNBR142YN璨。HQV弛一畦43YN姜OHQ醛1AKXN一心函NQL卜144其中LLQ為FIR濾波器的系數(shù)，AK為多項式的系數(shù)，K代表多項式階數(shù)，Q代表記憶長度。一種HAMMERSTEIN模型的擴展被稱為并行H鋤ERSTEIN模型，并行HA咖ERSTEIN模型的結(jié)構(gòu)圖如所示，其輸入輸出關(guān)系由以下公式給出FXNXCNLXO瑚K越第四章寬帶功放建模觚妨VMQ蛐K毪VNKKXBQLXNQP454647443WIENER模型WIENER模型則是由一個線性時不變系統(tǒng)后級聯(lián)一個無記憶非線性系統(tǒng)而構(gòu)成，如圖所示。其中線性時不變系統(tǒng)是一個有限沖激響應FIRFINITEIMPULSERESPONSE濾波器，無記憶非線性系統(tǒng)是無記憶多項式模型，WIENER模型輸入輸出之間的關(guān)系如下側(cè)巾“VN躡HQXN一面4849同樣的，LLQ為FIR濾波器的系數(shù)，AK為多項式的系數(shù)，K代表多項式階數(shù)，Q代表記憶長度。并行WIENER模型的結(jié)構(gòu)和輸出如下所示蝌建L距互譯嗥曙X狂一啪L曙蜘一Q廣1410444有記憶多項式模型有記憶多項式模型的輸入輸出關(guān)系服從下面的公式喊NKLH瓷VN芑冬LZH魄X伍一QIX國一QI如1411445VOITERRA級數(shù)模型VOLTERRA級數(shù)是有記憶的泰勒級數(shù)，傳統(tǒng)的V01TERRA級數(shù)針對弱非線性的動態(tài)系統(tǒng)建模，系統(tǒng)的參數(shù)會隨著系統(tǒng)階次和記憶長度的增多而急劇增加，所以這種模型的一個明顯的缺點是參數(shù)多，計算量大，收斂慢，性能受階次大小和記憶長度的影響。這個缺點使得V01TERRA級數(shù)模型實用性比較差，許多學者做了大量的研究對傳統(tǒng)的V01TERRA級數(shù)模型進行簡化啪H刪。東南大學碩士學位論文對比模型的數(shù)學定義我們不難發(fā)現(xiàn)，WIENER模型，H鋤ERSTEIN模型，并行H鋤ERSTEIN模型，有記憶多項式模型都是VOLTERRA級數(shù)模型的簡化形式，并行HA舳ERSTEIN模型在精度上等價于有記憶多項式模型。446模型的求解因為VOLTE玎A級數(shù)模型及上面提到的簡化模型，輸出相對于參數(shù)都是線性關(guān)系。所以可以利用簡單的最小二乘方法來估計參數(shù)。這里以記憶多項式模型為例，簡單說明其求解過程?？梢韵葘⒂洃浀亩囗検侥Ｐ捅硎緸榫仃嚨男问健暗禮B丙吐羅阻IX。YNNI1R412XE幻，一黿K氟I，一，宣K。，宣B0五2陬O，一TL如II，一，I旺一，碼鹼J413阮鼬H1R414U札X一枷BQP1415AA”，一A靴AIT鯫D416Y融417AG嘞一1妒Y418WIENER和H鋤MLERSTEM模型的參數(shù)識別一般分兩個步驟，利用最小二乘法求解，下面簡單的介紹其求解思路。首先，利用功放的輸入和輸出數(shù)據(jù)，求出第一個單元的參數(shù)；然后在已知第一個單元的參數(shù)的基礎(chǔ)上，求出第一個單元的輸出數(shù)據(jù)，再把它和功放輸出數(shù)據(jù)放一起，求出第二個單元的參數(shù)。45建模及其結(jié)果測試平臺即基于儀器的平臺。測試信號是0FDM64QAM信號，幀長5MS，帶寬有375M，10M，20M。第四章寬帶功放建模451非線性現(xiàn)象由功放的非線性特性我們可以知道，當輸入功放的信號幅度比較小時，功放工作于線性區(qū)域，當輸入功放的信號幅度大到一定程度，功放會產(chǎn)生非線性失真，我們用10M帶寬，調(diào)制方式為64QAM的0FDM信號，從時域上觀察，如下圖所示瑙馨赫瞇圖46功放功率壓縮的時域表現(xiàn)圖中紅色信號是實測的功放輸出，藍色信號是輸入信號經(jīng)過線性增益補償后的波形。從圖中可以看到，在輸入信號幅度較大時，輸出信號被壓縮了。對被測功放的增益進行分析，得到如下圖所示的AMAM曲線圖中紅色直線斜率為1圖47被測功放的AMAM曲線從AMAM曲線我們可以看到1在單音測試中觀察到的增益壓縮曲線現(xiàn)33東南大學碩士學位論文在成為一簇曲線，這是由于記憶效應引起的。2在輸入信號電壓較低時，增益保持平坦，當輸入信號電壓升高，增益變小，明顯觀察到了增益壓縮現(xiàn)象。452無記憶多項式模型中階次對非線性特性的擬合結(jié)果分別用20兒10M和375M信號采集的數(shù)據(jù)對被測功放進行無記憶多項式模型的建模，分析多項式的階次對模型精度的影響。結(jié)果如下20M信號多項式階次對模型精度的影響圖48多項式階次對模型精度的影響一20M信號測試結(jié)果10M信號測試結(jié)果越察到輜多項式階次對模型精度的影響多項式的階次圖49多項式階次對模型精度的影響一10M信號測試結(jié)果375M信號測試結(jié)果34第四章寬帶功放建模多項式階次對模型精度的影響多項式的階次圖410多項式階次對模型精度的影響一375M信號測試結(jié)果從模型的精度分析我們可以得到以下結(jié)論1對所測信號來說，多項式階數(shù)在三階或者三階以上時，模型的精度幾乎沒有變化。因此，如果考慮硬件實現(xiàn)，三階多項式可以很好的完成擬合；2對于不同帶寬的信號結(jié)論1具有普適性；3對被測功放用無記憶多項式模型建模，模型精度在不優(yōu)于一32DB。453WIENER模型中階次和FIR濾波器抽頭數(shù)對模型精度的影響從無記憶多項式模型對被測功放進行建模的結(jié)果來看，一32DB的精度并不是令人滿意的，接下來我們應用一些含記憶效應的模型對功放建模，首先，我們采用WIENER模型，分析WIENER模型中不同階次和不同F(xiàn)IR濾波器對模型精度的影響。同樣，我們采用20M，10M，375M信號采集得的數(shù)據(jù)對功放建立WIENER模型并分析精度，得到的結(jié)果如下20M信號山Z東南大學碩士學位論文圖41LWIENER模型中多項式階次和FIR抽頭個數(shù)對模型精度影響一20M信號測試結(jié)果10M信號375M信號第四章寬帶功放建模圖413WIENER模型中多項式階次和FIR抽頭個數(shù)對模型精度影響一375M信號測試結(jié)果從模型精度分析我們得到如下結(jié)果1WIENER模型比無記憶多項式模型具有更高的精度，F(xiàn)IR濾波器可以在一定程二度上對功放的記憶效應建模2信號帶寬越窄，對FIR濾波器的要求越低。375M信號只要2抽頭FIR濾波器就可以達到穩(wěn)定的精度，10M信號在FIR濾波器抽頭數(shù)達到3后精度改善就不大了，20M信號在FIR濾波器抽頭數(shù)到達5后精度才沒有顯著改善。3從2的結(jié)果我們得到的一條推論是記憶效應和信號帶寬相關(guān)，帶寬越寬的信號，功放上表現(xiàn)出的記憶效應越明顯，越強，所以我們需要用更復雜的FIR濾波器去建立記憶效應的模型；4無記憶多項式中關(guān)于多項式階次的結(jié)論可以適用在WIENER模型中對待測功放，抽頭數(shù)固定的WIENER模型，3階多項式可以很好的擬合其非線性特性。454HAMERSTEIN模型中階次和濾波器抽頭數(shù)對模型精度的影響我們應用另一種有記憶模型H鋤ERSTEIN模型一對待測功放建模，同樣，分別使用了三種不同帶寬的信號數(shù)據(jù)。對HAMMERSTEIN模型中多項式階次和FIR濾波器抽頭數(shù)在模型精度上的影響分析如下20M信號山乏Z東南大學碩士學位論文圖4_14H鋤ERSTEIN模型中多項式階次和FIR抽頭數(shù)對模型精度影響一20M信號測試結(jié)果10M信號山C，ZFIR抽頭數(shù)圖415H鋤ERSTEIN模型中多項式階次和FIR抽頭數(shù)對模型精度影響一10M信號測試結(jié)果375M信號第四章寬帶功放建模圖4一16H咖ERSTEIN模型多項式階次和FIR抽頭數(shù)對模型精度影響一375M信號測試結(jié)果從模型精度分析我們可以得到如下結(jié)論1WIENER模型和H鋤ERSTEIN模型具有類似的精度；2WIENER模型中得到的關(guān)于多項式階次和FIR濾波器抽頭數(shù)對模型精度的結(jié)論在HAMMERSTEIN模型中也是適用的；455有記憶多項式模型中不同階次和記憶長度對模型精度的影響最后，我們用有記憶多項式模型對被測功放進行建模，觀察不同的多項式階次和記憶長度對模型精度的影響，分別使用20M，10M，375M信號，得到的結(jié)果如下20M信號圖417記憶多項式模型中多項式階數(shù)和記憶長度對模型精度的影響一20M信號測試結(jié)果10M信號39東南大學碩士學位論文記憶長度圖418記憶多項式模型中多項式階數(shù)和記憶長度對模型精度的影響一10M信號測試結(jié)果375M信號圖419記憶多項式模型中多項式階數(shù)和記憶長度對模型精度的影響一375M信號測試結(jié)果對模型精度的分析我們得到如下結(jié)論有記憶多項式比WIENER模型和HA姍ERSTEIN模型具有更高的精度，從數(shù)學表達式上分析，有記憶多項式模型精度等同于并行HAMMERSTEIN模型；本章主要介紹了寬帶功率放大器的建模，采用了一些易于硬件實現(xiàn)的模型無記憶多項式，WIENER模型，HAMMERSTEIN模型，有記憶多項式模型對被測高效率射頻放大器建立模型，分析模型中非線性參數(shù)和記憶長度參數(shù)的變換對模型精度的影響。給出了實驗結(jié)論。參考文獻1第四章寬帶功放建模KENINGTONPBHIGHLINEARITYRFAMPLIFIERDESIGNMBOSTON，MAARTECHHOUSE，20001852SALEHAFREQUENCYINDEPENDENTANDFREQUENCYDEPENDENTNONLINEARMODELSOFTWTAMPLIFIERSJIEEETRANSCO加MUN，1981，29111715一17203MATHEWSVJ，SICURANZAGLPOLYNOMIALSIGNALPROCESSINGMNEWYORKWILEY，20004ISAKSSONM，WISELLD，RONNOWDACOMPARATIVEANALYSISOFBEHAVIORALMODELSJIEEETRANSMICR0WTHEORYTECH，2006，5413483595SALEHAFREQUENCYINDEPENDENTANDFREQUENCYDEPENDENTNONLINEARMODELSOFTWTAMPLIFIERSJIEEETRANSCO加MUN，1981，29111715一17206GILABERTPL，SILVEIRADD，MONTOROG，ETA1RFPOWERA加PLIFIERMODELINGANDPREDISTORTIONBASEDONAMODULARAPPROACHCPROCIEEEEUROPEANMICROWAVEINTEGRATEDCIRCUITSCONFERENCEEUMIC06，MANCHESTER，UNITEDKINGDOIN，20062652687LIUT，BOUMAIZAS，GHANNOUCHIFMAUGMENTEDHAMMERSTEINPREDISTORTERFORLINEARIZATIONOFBROADBANDWIRELESSTRANSMITTERSJIEEETRANSONMICROWAVETHEORYANDTECHNIQUES，2006，544134013498SI1VEIRADD，ARTHABERH，GILABERTPL，ETA1APPLICATIONOF0PTIMALDELAYSSELECTIONONPARALLELCASCADEHAMMERSTEINMODELSFORTHEPREDICTIONOFRFPOWERAMPLIFIERBEHAVIORCASIAPACIFICMICROWAVECONFERENCEPROCEEDINGSAPMC2006，YOKOHAMA，JAPAN，2006，12832869BENEDETTOS，BIGLIERIE。NONLINEAREQUALIZATIONOFDIGITALSATELLITECHANNELSJIEEEJSELECTAREASCOMMUN，1983，SAC一11576210SIMONHAYKIN神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)原理M機械工業(yè)出版社，200411MARTINTHAGAN，HOWARDBDEMUTH，MARKHBEALE神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計M機械工業(yè)出版社，200212WOODJ，ROOTDE，TUFILLARONBABEHAVIORALMODELINGAPPROACHTO41東南大學碩士學位論文NONLINEARMODELORDERREDUCTIONFORRFMICROWAVEICSANDSYSTEMSJIEEETRANSMICROWTHEORYTECH，2004，5292274228413XUJJ，YAGOUBMCE，DINGR，ETA1NEURAL一BASEDDYNAMICMODELINGOFNONLINEARMICROWAVECIRCUITSJIEEETRANSMICROWTHEORYTECH，2002，50122769278014IBNKAHLAM，SOILLBRIAJ，CASTANIEF，ETA1NEURALNETWORKSFORMODELINGNONLINEARMEMORYLESSCOM眥NICATIONCHANNELSJIEEETRANSCOII咖【UN，1997，45776877115翟建鋒寬帶功率放大器模型和線性化技術(shù)研究D博士學位論文南京東南大學200916CREATINGANDDOWNLOADINGUSERDATAFILESWWWAGILENTCOMOL17CREATINGANDDOWNLOADINGWAVEFORMSWWWAGILENTCOMOL18SCPICO眥ANDREFERENCEWWWAGILENTCOMOL19WISELLD，RONNOWD，ANDHANDELPATECHNIQUETOEXTENDTHEBANDWIDTHOFANRFPOWERAMPLIFIERTESTBEDJIEEETRANSONINSTRUMENTATIONANDMEASUREMENT，2007，5641488149420ISAKSSONM，WISELLD，RONNOWDACOMPARATIVEANALYSISOFBEHAVIORALMODELJIEEETRANSMICROWTHEORYTECH，2006，54134835921MARTINTHAGAN，HOWARDBDEMUTH，MARKHBEALE神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計M機械工業(yè)出版社，200222JANGJSANFISADAPTIVENETWORKBASEDFUZZYINFERENCESYSTEMJIEEETRANSSYSTEMSMANCYBERN，1993，23366568523WHDOHERTY，“ANEWHIGHEFFICIENCYPOWERAMPLIFIERFORMODULATEDWAVES，”JPROCIRE，V0124，NO9，PP11631182，193624張磊S波段高線性功率放大器的設(shè)計與實現(xiàn)D碩士學位論文成都電子科技大學25吳琦基于DOHERTY理論的L波段40W功放研究D碩士學位論文成都電子科技大學26FHRAAB，“EFFICIENCYOFDOHERTYRFPOWERAMPLIFIERSYSTEM，”IEEETRANSBROADCAST，V01BC一33，NO3，PP7783，SEP198727SHILEIJIN，JIANYIZHOU，LEIZHANG，WEIHONG“ALOWCOSTLWATTDOHERTYPOWERAMPLIFIERFORWLANANDWIMAXAPPLICATIONS”CPROGRESSINE1ECTROMAGNETICSRESEARCHSYHLPOSIUMPIERS2009，200928PEDROJC，CARVALHONBINTERMODULATIONDISTORTIONINMICROWAVEANDWIRELESSCIRCUITSM，BOSTON，MAARTECHHOUSE，2003257142第四章寬帶功放建模29KENINGTONPBHIGHLINEARITYRFAMPLIFIERDESIGNM，BOSTON，MAARTECHHOUSE，2000218530CLARKCJ，CHRISIKOSG，MUHAMS，ETA1TIMEDOMAINENVELOPEMEASUREMENTTECHNIQUEWITHAPPLICATIONTOWIDEBANDPOWERAMPLIFIERMODELINGJIEEETRANSMICROWAVETHEORYTECH，1998，4612253L一254031GILABERTPL，MONTOROG，BERTRANEONTHEWIENERANDH鋤ERSTEINMODELSFORPOWERAMPLIFIERPREDISTORTIONCASIAPACIFICMICROWAVECONFERENCEPROCEEDINGSAPMC2005，SUZHOU，CHINA，2005，232SILVEIRAD，GADRINGERM，ARTHABERH，ETA1RFPOWERAMPLIFIERCHARACTERISTICSDETERMINATIONUSINGPARALLELCASCADEWIENERMODELSANDPSEUDOINVERSETECHNIQUESCASIAPACIFICMICROWAVECONFERENCEPROCEEDINGSAPMC2005，SUZHOU，CHINA，2005，133BAIERWEIANOPTIMALTWOSTAGEIDENTIFICATIONA190RITHMFORHAMMERSTEINWIENERNONLINEARSYSTEMSCAUTOMATICA，1998，34333333834GILABERTPL，SILVEIRADD，MONTOROG，ETA1RFPOWERAMPLIFIERMODELINGANDPREDISTORTIONBASEDONAMODULARAPPROACHCPROCIEEEEUROPEANMICROWAVEINTEGRATEDCIRCUITSCONFERENCEEUMIC06，MANCHESTER，UNITEDKINGDOM，200626526835LIUT，BOUMAIZAS，GHANNOUCHIFMAUGMENTEDHAMMERSTEINPREDISTORTERFORLINEARIZATIONOFBROADBANDWIRELESSTRANSMITTERSJIEEETRANSONMICROWAVETHEORYANDTECHNIQUES，2006，5441340134936SILVEIRADD，ARTHABERH，GILABERTPL，ETA1APPLICATIONOF0PTIMALDELAYSSELECTIONONPARALLELCASCADEHAMMERSTEINMODELSFORTHEPREDICTIONOFRFPOWERAMPLIFIERBEHAVIORCASIAPACIFICMICROWAVECONFERENCEPROCEEDINGSAPMC2006，YOKOHAMA，JAPAN，2006，128328637BENEDETTOS，BIGLIERIENONLINEAREQUALIZATIONOFDIGITALSATELLITECHANNELSJIEEEJSELECTAREASCOMMUN，1983，SAC一11576238SCHETZENMTHEVOLTERRAANDWIENERTHEORIESNONLINEARSYSTEMSMNEWYORKWI1EY，198043394041424344454647東南大學碩士學位論文MATHEWSVJ，SICURANZAGLPOLYNOMIALSIGNALPROCESSINGMNEWYORKWILEY，2000HUMMELSDR，GITCHELLRDEQUIVALENTLOWPASSREPRESENTATIONSFORBANDPASSV01TERRASYSTEMSJIEEETRANSACTIONSONCOMMUNICATIONS。1980，COM一281140一142MARTINRJVOLTERRASYSTEMIDENTIFICATIONANDL【RAMERSSAMPLINGTHEOREMJIEEETRANSACTIONSONSIGNALPROCESSING，1999，471131523155ZHUA，WRENM，BRAZILTJANEFFICIENTV01TERRABASEDBEHAVIORALMODELFORWIDEBANDRFPOWER鯽PLIFIERSCIEEEMTTSINTMICROWAVESYMPDIGEST，PHILADELPHIA，PA，USA，2003，2787790ZHUA，BRAZILTJBEHAVIORALMODELINGOFRFPOWERAMPLIFIERSBASEDONPRUNEDV01TERRASERIESJIEEEMICROWAVEANDWIRELESSCOMPONENTSLETTERS，DEC2004，1412563565ZHUA，PEDROJC，BRAZILTJDYNAMICDEVIATIONREDUCTIONBASEDV01TERRABEHAVIORALMODELINGOFRFPOWERAMPLIFIERSJIEEETRANSONMICROWAVETHEORYANDTECHNIQUES，2006，541243234332ZHUA，BRAZILTJRFPOWERAMPLIFIERSBEHAVIORALMODELINGUSINGVOLTERRAEXPANSIONWITHLAGUERREFUNCTIONSCIEEEMTTSINTMICROWAVESYMPDIG，LONGBEACH，CA，USA，2005963966ISAKSSONM，RONNOWDAKAUTZV01TERRABEHAVIORALMODELFORRFPOWERAMPLIFIERSCIEEEMTTSINTMICROWAVESYMPDIG，SANFRANCISCO，CALIFORNIA，USA2006485488DINGL，ZHOUGT，MORGANDR，ETA1AROBUSTDIGITALBASEBANDPREDISTORTERCONSTRUCTEDUSINGMEMORYP01YNOMIALSJIEEETRANSONCO脅UNICATIONS，2004，521159一164第五章寬帶功放數(shù)字預失真第五章寬帶功率放大器數(shù)字預失真51研究背景射頻功放在現(xiàn)代通信系統(tǒng)中的地位及其重要。不同的應用對射頻功放的關(guān)注點也有區(qū)別在大多數(shù)的手持終端或者那些對電池壽命很敏感的應用中，人們關(guān)注的重點放在功放的效率，高效率的功放可以在同樣的電池容量的前提下延長使用時間，提供更長時間的服務(wù)。在各種地面通信或者衛(wèi)星通信的基站中，由于設(shè)備的直流供電有所保障，所以設(shè)計者更關(guān)注于功放的線性度。隨著現(xiàn)代通信技術(shù)的發(fā)展，無線頻譜的稀缺越來越多的被人認識到。系統(tǒng)設(shè)計者需要在有限的帶寬內(nèi)傳輸更高速率的信息，就需要使用更為復雜的調(diào)制方式或者接入方式。在下一代無線通信系統(tǒng)中，64QAM調(diào)制和OFDMA技術(shù)被廣泛使用。復雜的調(diào)制方式，如64QAM把傳統(tǒng)的恒包絡(luò)調(diào)制，如QPSK變?yōu)榭勺儼j(luò)。OFDMA使用了多載波的思想來提高頻譜利用效率參見第一章的介紹。復雜調(diào)制技術(shù)的使用一方面緩解了頻譜緊張的危機，另一方面增大了傳輸信號的峰均比PAPR，對射頻前端，尤其是功放的線性度提出了更高的要求。功率峰均比PEAKAVERAGEPOWERRATIO，PAPR，和峰均比PEAKTOAVERAGERATIO，PAR、峰值因子CRESTFACTOR一樣是一個用來衡量信號包絡(luò)波動的指標，其數(shù)學定義為弛豫蓑51峰均比的計算一般通過互補累積分布函數(shù)COMPLEMENTARYCUMULATIVEDISTRIBUTIONFUNCTION，CCDF曲線的測量來實現(xiàn)M。下表是一些常用通信系統(tǒng)中所使用的信號的PAPR的值幢3表51常用通信系統(tǒng)中信號的PAPR值木W(wǎng)IMAX系統(tǒng)配置靈活，這里的峰均比是對于子載波數(shù)為1024，子載波調(diào)制方式64QAM的信號。45東南大學碩士學位論文可以看到，隨著通信系統(tǒng)的演進，更復雜調(diào)制方式和接入方式被使用，傳輸信號的峰均比提高，這說明傳輸信號的包絡(luò)變化更大，從而，對功放線性度的要求也隨之提高。為了緩解高峰均比信號對射頻功放造成的影響，人們從兩個方面著手一是處理基帶信號，降低信號的峰均比，比如削波技術(shù)CRESTFACTORREDUCTION，另一方面就是從射頻功放入手，在付出一定代價的前提下提高射頻功放的線性度。52相關(guān)內(nèi)容及進展521線性化技術(shù)綜述很多學者在功放線性化領(lǐng)域做了大量的工作，常用的線性化技術(shù)有功率回退，負反饋技術(shù)FEEDBACK、前饋技術(shù)FEEDFONARD、EERENVELOPELIMINA_TIONANDRESTORATION技術(shù)、LINC技術(shù)和預失真技術(shù)PREDISTONION等。下面簡單介紹一下這幾種技術(shù)功率回退實現(xiàn)功放線性化最簡單的一個方法沒有任何附加成本一就是功率回退。由于功放的非線性特性，為了使通過功放的高峰均比信號在大功率時飽和，我們把輸入信號的平均功率降低，使得功放工作于線性區(qū)，這樣就可以得到線性度很好的輸出。這種做法的缺點是顯而易見的效率極其低下。功率回退意味著相同功率輸出信號需要更大功率容量的功率放大器，功率容量越大，器件成本越昂貴。另外一個缺點是功率放大器消耗的能量通常占整個射頻系統(tǒng)的85以上，功率回退意味著功率放大器的工作效率很低，電源的利用率很低，比如有的系統(tǒng)中電源利用率只有15，設(shè)備工作時非常耗能源，并且維護成本極高口M。負反饋技術(shù)負反饋技術(shù)也許最初在音頻放大器領(lǐng)域廣泛應用。在寬帶通信系統(tǒng)中，信號的帶寬遠遠寬于音頻，環(huán)路時間必須更小，功放前向增益更難獲得，這些問題都必須仔細的考慮，所以反饋式寬帶射頻功放的設(shè)計更難。它的基本原理如圖所示1，第五章寬帶功放數(shù)字預失真圖51負反饋技術(shù)原理圖圖中G為理想功放的增益，1為反饋回路的增益，XD為輸入信號，滅F為輸出信號，吠O為噪聲和功放的失真。前饋技術(shù)前饋線性化技術(shù)在上個世紀20年代由貝爾實驗室的HSB1ACK首先提出。但由于前饋技術(shù)中對兩條支路幅度和相位的匹配要求非常高，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比反饋的復雜，所以在提出之初一直受到冷落。近年來，隨著寬帶多載波系統(tǒng)的出現(xiàn)，負反饋技術(shù)有條件穩(wěn)定和只能消除有限的失真分量等缺點日益突出，這使得前饋技術(shù)重新獲得了重視和廣泛應用。圖52為前饋線性化技術(shù)的基本框圖【5H酊，輸入和輸出信號都是射頻信號，線性化的原理如下首先把輸入信號分成兩路，一路通過非線性的功率放大器產(chǎn)生帶失真的輸出信號，另一路延時后和功放輸出信號相減得到失真信號，再把失真信號輔助放大后和第一路非線性功放產(chǎn)生的有失真的輸出信號相減，這樣輸出信號理論上可以完全消除失真分量。前饋線性化技術(shù)是開環(huán)結(jié)構(gòu)，是絕對穩(wěn)定的，但要求兩條通路上的幅度、相位和延時嚴格匹配，才能有很好的效果。也正是因為前饋線性化技術(shù)是開環(huán)電路的形式，所以所有的器件隨時間和溫度變化的特性不能自動補償，必須加自適應的電路才能補償。輔助放大器圖52前饋技術(shù)原理EER技術(shù)包絡(luò)消除號恢復技術(shù)EER，ENVELOPELIMINATIONANDRESTORATION，其原理如圖53所示。EER技術(shù)的中頻輸入信號通過包絡(luò)檢波器和限幅器把幅度東南大學碩士學位論文和相位分離，然后在把幅度信號放大，最后到射頻功放合成。EER技術(shù)的優(yōu)點有結(jié)構(gòu)簡單，效率高，對于較低峰均比的信號，可以設(shè)計出高線性度的放大器。其缺點也很明顯對于峰均比較高的信號，用很大范圍的幅度來調(diào)制射頻功放的電壓比較困難，效率也會降低，放大器的非線性特性會十分明顯；寬帶信號條件下，必須補償兩個通路的時延；限幅器和功放在大信號條件下容易產(chǎn)生腳M失真。射頻功放圖53EER技術(shù)原理LINC技術(shù)非線性部件進行線性放大1LINC，LINEARAMPLIFICATIONUSII塢NOIDINE盯COMPONENTS，其原理是把輸入功放的包絡(luò)非恒定信號分解成兩個包絡(luò)恒定的信號，再分別放大合成，從而減少放大器的非線性失真。LINC信號分解時，既可以通過模擬技術(shù)來實現(xiàn)，又可以通過數(shù)字信號處理的方法完成。LINC對于兩條通路上幅度和相位的匹配十分敏感，微小的誤差都會導致線性度的惡化，因此LINC技術(shù)在現(xiàn)代通信系統(tǒng)中應用不多。預失真技術(shù)N婦寬帶通信系統(tǒng)中，預失真技術(shù)無疑是一種主流的技術(shù)。其基本思想是在非線性的射頻功放前面插入一個非線性的器件，使得兩者的非線性特性相互抵消來達到線性化的目的。原理如下圖所示N，疊入，昏溺和D射頻功成J_O二，|礦下厶弋廠Y斌斌。BLF膩柵。圖54預失真技術(shù)原理輸入復信號工F通過預失真器后的信號為砌0，功放輸出信號為吠F，預第五章寬帶功放數(shù)字預失真失真器和功放的非線性響應函數(shù)為石A和石A，那么可以得到酗T2X締52Y瞻篁HTKX嬸53理想情況下滅FG攻O，G為功放的增益，如果預失真器非線性響應函數(shù)7；D的幅度AMAM和相位A【PM特性與功放非線性響應函數(shù)知的相反，預失真器和功放的整體特性就是線性的，那么就可以輸出沒有失真的信號。根據(jù)頻段，可以把預失真技術(shù)分為射頻RF預失真、中頻IF預失真和基帶預失真。射頻和中頻預失真的結(jié)構(gòu)和原理類似，只是頻率不同而已，通常采用模擬電路實現(xiàn)，而基帶預失真通常都是采用數(shù)字技術(shù)實現(xiàn)，所以也可以把預失真技術(shù)分為模擬A強IF預失真和基帶數(shù)字預失真。射頻和中頻預失真技術(shù)的一個基本的優(yōu)勢在于可以在整個頻段內(nèi)把功放產(chǎn)生的非線性特性同時進行線性化，所以適用于寬帶多載波系統(tǒng)。射頻和中頻預失真技術(shù)中的三階砌F預失真技術(shù)是一種應用比較廣泛的技術(shù)，其基本原理就是通過增加相位調(diào)整器件和三階分量生成器件來抑制功放的三階失真分量。RFIF預失真技術(shù)的優(yōu)點有電路結(jié)構(gòu)簡單、成本低、開環(huán)結(jié)構(gòu)的無條件穩(wěn)定和線性化帶寬寬；其缺點有線性化的效果有限，在高頻處理高階的失真分量比較困難等。522數(shù)字預失真技術(shù)簡介一種基本的基帶數(shù)字預失真DPD系統(tǒng)如圖55所示，目前大多基帶數(shù)字預失真系統(tǒng)都采用自適應的結(jié)構(gòu)，可以動態(tài)地調(diào)整預失真器的參數(shù)。圖中有一個回路，前向通道是基帶輸入信號通過一個數(shù)字信號處理器DIGITALSIGNALPROCESSINGDSP，然后輸出IQ信號到數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器DAC、正交調(diào)制器和