摘要摘要本文主要研究了正交頻分復(fù)用OFDM系統(tǒng)中的預(yù)失真線性化技術(shù)。OFDM技術(shù)作為一種多載波調(diào)制技術(shù)有其先天的優(yōu)越性，但是峰均比過(guò)高的問(wèn)題，使OFDM信號(hào)對(duì)功放的非線性特別敏感，限制了它的應(yīng)用。為了減少功放對(duì)OFDM信號(hào)的不利影響，有兩種思想一種是從OFDM信號(hào)本身出發(fā)降低它自身信號(hào)的峰均比，這個(gè)思路無(wú)法解決BER過(guò)高的問(wèn)題；另外一種就是從功放出發(fā)，增大功放的線性化范圍。本文依據(jù)第二種思路，介紹了已有的線性化技術(shù)，并在此基礎(chǔ)上最終選擇查表法作為OFDM預(yù)失真的技術(shù)。依據(jù)查表法算法，對(duì)無(wú)記憶的OFDM系統(tǒng)進(jìn)行了仿真，驗(yàn)證了預(yù)失真的效果。同時(shí)將此算法推廣到有記憶的OFDM系統(tǒng)中，建立新的仿真模型和算法，在頻域和時(shí)域同時(shí)使用預(yù)失真技術(shù)，有效的糾正有記憶HPA系統(tǒng)中記憶性和HPA自身非線性的失真。關(guān)鍵詞OFDM有記憶預(yù)失真查表法ABSTRACTTHISPAPERDEALSWITHTHEWAYANDTHEPROCESSOFTHEPREDISTORTTECHNOLOGYINOFDMORTHOGONALFREQUENCYDIVISIONMULTIPLEXINGSYSTEMTHEOFDMTECHNOLOGY,ASAMULTICARRIERMODULATION，HASCONGENITALADVANTAGESBUTTHEPROBLEMOFPAPRPEAKTOAVERAGEPOWERRATIOCONSTRAINTSITSEXTENSIONITMAKESTHESIGNALSENSITIVETOTHEHPASHIGHPOWERAMPLIFIERNONLINEARITYTHEREARETWOWAYSTOSOLVETHISPROBLEMONEOFTHEMISTOREDUCETHEPAPRFROMTHESIGNALITSELFBUTITCANTSOLVETHEPROBLEMOFHIGHBERTHEOTHERWAYISTOACCRETIONTHELINEARRANGEOFHPATHISPAPERADOPTSTHESECONDMETHOD，ANDFIRSTINTRODUCESTHELINEARIZATIONTECHNOLOGYWHICHHASEXISTEDATLAST，WECHOOSETHELUTLOOKUPTABLEMETHODINALLOFTHATLINEARIZATIONTECHNOLOGYINTHISPAPER，WESIMULATETHEALGORITHMOFLUTINTHEMEMORYLESSSYSTEM，ANDITWASSHOWNEFFECTUALFURTHERMORE，WEEXTENDTHISMETHODTOTHEMEMORYSYSTEM，ANDPROVIDETHENEWMETHODWHICHUSESPREDISTORTTECHNOLOGYINFREQUENCYDOMAINANDTIMEDOMAININTHESAMETIMEITWASSHOWNGREATEFFECTBYTHERESULTOFSIMULATIONKEYWORDOFDMMEMORYPREDISTORTLUT西安電子科技大學(xué)學(xué)位論文創(chuàng)新性聲明秉承學(xué)校嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)分和優(yōu)良的科學(xué)道德，本人聲明所呈交的論文是我個(gè)人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究成果。盡我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝中所羅列的內(nèi)容以外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過(guò)的研究成果；也不包含為獲得西安電子科技大學(xué)或其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過(guò)的材料。與我一同工作的同志對(duì)本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中做了明確的說(shuō)明并表示了謝意。申請(qǐng)學(xué)位論文與資料若有不實(shí)之處，本人承擔(dān)一切的法律責(zé)任。本人簽名生出盈日期絲丑苧星西安電子科技大學(xué)關(guān)于論文使用授權(quán)的說(shuō)明本人完全了解西安電子科技大學(xué)有關(guān)保留和使用學(xué)位論文的規(guī)定，即研究生在校攻讀學(xué)位期間論文工作的知識(shí)產(chǎn)權(quán)單位屬西安電子科技大學(xué)。學(xué)校有權(quán)保留送交論文的復(fù)印件，允許查閱和借閱論文；學(xué)?？梢怨颊撐牡娜炕虿糠謨?nèi)容，可以允許采用影印、縮印或其它復(fù)制手段保存論文。同時(shí)本人保證，畢業(yè)后結(jié)合學(xué)位論文研究課題再攥寫的文章一律署名單位為西安電子科技大學(xué)。保密的論文在解密后遵守此規(guī)定本人簽名絲璽塑導(dǎo)師簽名V繃J第一章緒論第一章緒論11下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)第一代模擬移動(dòng)通信系統(tǒng)正逐漸退出歷史舞臺(tái)，第二代數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)正在以前所未有的速度發(fā)展，它們都是以傳輸語(yǔ)音業(yè)務(wù)為主要目的。第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)正處在大規(guī)模商用化的前夕，它將提出語(yǔ)音、數(shù)據(jù)以及視頻等多媒體通信業(yè)務(wù)。繼第三代以后的下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)“BEYOND3G”或“4G”的技術(shù)研究和標(biāo)準(zhǔn)建議工作目前也正在緊張開展。從移動(dòng)通信系統(tǒng)提供的傳輸速率來(lái)看，第一代模擬系統(tǒng)提供模擬語(yǔ)音服務(wù)和簡(jiǎn)單的信令；第二代數(shù)字NCDMA兩個(gè)系統(tǒng)為代表，主要傳輸數(shù)字語(yǔ)音，當(dāng)然可以同時(shí)使用多個(gè)時(shí)隙實(shí)現(xiàn)相對(duì)較高速率的數(shù)據(jù)通信；而第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸速率最高可達(dá)2MBPS，其中，靜止環(huán)境為2MBPS，慢速移動(dòng)環(huán)境為384KBPS，快速移動(dòng)環(huán)境為144KBPS；下一代4G移動(dòng)通信系統(tǒng)預(yù)計(jì)系統(tǒng)速率可達(dá)到20MBPS，甚至更高。總的來(lái)說(shuō)，下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)在性能方面主要有以下要求1用戶速率在準(zhǔn)靜止低速移動(dòng)和固定情況下達(dá)20MBPS，在高速移動(dòng)情況下達(dá)2MBPS,一2容量要達(dá)到第三代系統(tǒng)的510倍，傳輸質(zhì)量相當(dāng)于甚至優(yōu)于第三代系統(tǒng)3條件相同時(shí)，小區(qū)覆蓋范圍等于或大于第三代系統(tǒng)；4具有不同速率間的自動(dòng)切換能力，以保證通信質(zhì)量；5網(wǎng)絡(luò)的每比特成本要比第三代低。在功能方面主要有以下要求1支持下一代因特網(wǎng)和所有的信息設(shè)備、家用電器等了2實(shí)現(xiàn)與固定網(wǎng)或?qū)Ｓ镁W(wǎng)的無(wú)縫化連接；3能通過(guò)中間件支持和開通多種多樣的IP業(yè)務(wù)；4能提供用戶定義的個(gè)性化服務(wù)；5按服務(wù)級(jí)別收費(fèi)。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，必須從通信網(wǎng)絡(luò)的交換、傳輸和接入等各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行研究和突破，尤其是在移動(dòng)環(huán)境和有限頻譜資源條件下，如何穩(wěn)定可靠高效地支持高速率的數(shù)據(jù)傳輸值得研究。正交頻分復(fù)用OFDM技術(shù)因其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)高度可擴(kuò)展，且有良好的抗噪聲性能和抗多徑信道干擾的能力以及頻譜利用率高而被2有記憶OFDM系統(tǒng)中自適應(yīng)預(yù)失真技術(shù)研究普遍認(rèn)為是下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)必不可少的技術(shù)。12OFDM簡(jiǎn)介OFDMORTHOGONALFREQUENCYDIVISIONMULTIPLEXING，正交頻分復(fù)用技術(shù)是一種高速傳輸?shù)亩噍d波系統(tǒng)【11。它把高速的數(shù)據(jù)流通過(guò)串并變換，分配到速率相對(duì)較低的若干個(gè)頻率的子載波信道中進(jìn)行傳輸，而且與傳統(tǒng)的復(fù)用技術(shù)如FDM相比，它采用了更好的控制方法，提高了頻譜的利用率。由于OFDM技術(shù)具有易均衡、頻譜利用率高、對(duì)多徑效應(yīng)和脈沖噪聲有較強(qiáng)的抵抗力等優(yōu)點(diǎn)而受到廣泛的關(guān)注。然而OFDM的傳輸符號(hào)是多載波的QAMQPSK信號(hào)經(jīng)過(guò)IFFR處理后得到的結(jié)果，由于這種處理是線性相加的關(guān)系，當(dāng)IFFT的輸入中存在相位一致的某些點(diǎn)時(shí)，必然會(huì)有較大的峰均比，產(chǎn)生很大的包絡(luò)起伏。因此對(duì)發(fā)射機(jī)中的放大器的線性度提出了非常高的要求，這就使得OFDM系統(tǒng)中的線性化技術(shù)研究成為了一個(gè)研究熱點(diǎn)。13線性化技術(shù)的發(fā)展正是由于OFDM系統(tǒng)具有很大峰均比，功率放大器的非線性將影響到整個(gè)系統(tǒng)的系能。由放大器產(chǎn)生的交調(diào)產(chǎn)物導(dǎo)致了帶內(nèi)失真和帶外失真。帶內(nèi)失真包括幅度失真和相位失真，帶外再生的頻譜會(huì)潛在地對(duì)相鄰信道產(chǎn)生不同程度的干擾。目前，無(wú)論是在無(wú)線通信還是線通信領(lǐng)域，功率放大器的線性化技術(shù)已經(jīng)成為一個(gè)廣泛的研究領(lǐng)域。實(shí)現(xiàn)線性放大的傳統(tǒng)方法是功率回退。但是這種方法的缺點(diǎn)在于一方面出現(xiàn)電源利用率非常低，散熱性要求高等問(wèn)題，另一方面只能輸出很小的功率，造成性能上的浪費(fèi)。功率放大器的線性化技術(shù)研究始于上個(gè)世紀(jì)二十年代。1928年貝爾實(shí)驗(yàn)室的HAROLDSBLACK發(fā)明了前饋和負(fù)反饋技術(shù)【23J并應(yīng)用到放大器的設(shè)計(jì)中，有效的減少了放大器的失真，可以認(rèn)為是功放線性化技術(shù)研究的開端。到上個(gè)世紀(jì)七八十年代，隨著無(wú)線通信技術(shù)的興起和飛速發(fā)展，射頻功率放大器的線性化技術(shù)得到了飛速發(fā)展。以下新興的功放線性化技術(shù)，如笛卡爾環(huán)路反饋技術(shù)、自適應(yīng)前饋線性化技術(shù)、基于多項(xiàng)式擬合的自適應(yīng)預(yù)失真技術(shù)，基于查詢表的數(shù)字預(yù)失真技術(shù)、LINC技術(shù)、CALLUM技術(shù)等得到了廣泛的研究和發(fā)展。線性化技術(shù)發(fā)展中非常重要的一步就是預(yù)失真技術(shù)的出現(xiàn)。預(yù)失真技術(shù)最初應(yīng)用于模擬通信系統(tǒng)中的射頻部分，后來(lái)隨著數(shù)字信號(hào)處理DSP技術(shù)的發(fā)展，預(yù)失真線性化技術(shù)也可以在數(shù)字域內(nèi)實(shí)現(xiàn)，形成數(shù)字預(yù)失真技術(shù)。數(shù)字預(yù)失第一章緒論3真技術(shù)既可以應(yīng)用在數(shù)字通信系統(tǒng)的基帶部分，也可以應(yīng)用在射頻部分，并且預(yù)失真技術(shù)還可以利用自適應(yīng)原理來(lái)跟蹤補(bǔ)償功率放大器對(duì)于溫度、濕度等環(huán)境因素改變而造成的誤差?？傮w來(lái)說(shuō)，預(yù)失真技術(shù)不但可以提升發(fā)射機(jī)的效率，降低成本，亦能有效增加發(fā)射機(jī)的線性度以提升系統(tǒng)效能與通信質(zhì)量，在現(xiàn)代通信領(lǐng)域扮演重要的角色。14有記憶OFDM系統(tǒng)介紹在傳輸寬帶信號(hào)時(shí)，放大器會(huì)呈現(xiàn)出一定的記憶性。所謂寬帶，就是指信號(hào)帶寬與載波頻率的相對(duì)大小。如果其比值與1相比不是小很多14J，這種系統(tǒng)就稱之為寬帶系統(tǒng)。對(duì)于OFDM系統(tǒng)而言，當(dāng)傳輸子載波數(shù)量足夠多時(shí)，基帶波形就是一個(gè)寬帶信號(hào)，而這時(shí)的系統(tǒng)信號(hào)會(huì)產(chǎn)生記憶性。記憶性失真是一種與頻率有關(guān)的頻率選擇性失真，此時(shí)不能使用針對(duì)窄帶無(wú)記憶的預(yù)失真技術(shù)去處理。針對(duì)這鐘情況必須采用新的技術(shù)來(lái)糾正失真，這也正是本文研究的重點(diǎn)。15本文的主要工作及內(nèi)容安排本文的重點(diǎn)即是研究有記憶情況下的OFDM信號(hào)系統(tǒng)的預(yù)失真技術(shù)。因?yàn)闊o(wú)記憶HPA預(yù)失真是有記憶情況下自適應(yīng)預(yù)失真的重要基礎(chǔ)，所以無(wú)記憶預(yù)失真情況的自適應(yīng)預(yù)失真也是本文研究的目的之一。全文共分五章，各部分安排如下第一章為緒論，簡(jiǎn)要介紹下一代通信技術(shù)，以及OFDM系統(tǒng)遇到的失真問(wèn)題，提綱挈領(lǐng)地提出全文提綱。第二章為OFDM系統(tǒng)的基本原理。簡(jiǎn)要介紹了OFDM系統(tǒng)的基本原理，討論了其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，并引出了OFDM系統(tǒng)高峰均比的問(wèn)題。正是由于這個(gè)問(wèn)題的存在使得OFDM系統(tǒng)的線性化技術(shù)不可缺少。第三章為高功率放大器模型及其線性化技術(shù)。分別介紹了無(wú)記憶和有記憶情況下HPA的模擬模型，以及分別對(duì)系統(tǒng)造成的誤差影響。針對(duì)這種影響，簡(jiǎn)要介紹并且比較了目前已有的各種線性化技術(shù)。最終確定基于查表法的數(shù)字化預(yù)失真技術(shù)為本文研究的重點(diǎn)技術(shù)。第四章是基于查表法的無(wú)記憶HPA預(yù)失真技術(shù)。由于無(wú)記憶HPA的預(yù)失真技術(shù)是有記憶HPA預(yù)失真技術(shù)的重要基礎(chǔ)，因此首先研究無(wú)記憶HPA的預(yù)失真技術(shù)。本章給出了查表法的基本原理和更新公式推導(dǎo)，并且基于仿真框圖進(jìn)行了模擬仿真，得出了結(jié)論。第五章是基于查表法的有記憶HPA預(yù)失真技術(shù)。在本章中提出了一種新的頻域預(yù)失真技術(shù)，結(jié)合無(wú)記憶的HPA預(yù)失真技術(shù)，較好的解決了有記憶HPA預(yù)4有記憶OFDM系統(tǒng)中自適應(yīng)預(yù)失真技術(shù)研究失真的問(wèn)題。最后做出仿真，給出結(jié)論。第六章為結(jié)束語(yǔ)，總結(jié)全文，并提出日后工作的重點(diǎn)方向。第二章OFDM系統(tǒng)概述5第二章OFDM系統(tǒng)概述OFDM是一種并行傳輸體制，發(fā)送信息埋藏在載波的系數(shù)中，其載波之間具有正交性，由于正交性的存在，利用FFR就可以方便地將各個(gè)載波區(qū)分開以得到發(fā)送的數(shù)據(jù)，從而完成信息傳輸?shù)哪康模欢逸d波之間頻譜可以相互交迭，提高了系統(tǒng)的頻譜利用率。采用OFDM傳輸體制，各個(gè)子載波數(shù)據(jù)速率降低，可以提高抗多徑效應(yīng)的能力，減少信道延時(shí)造成的誤差，加上適當(dāng)?shù)木幋a和交織等措施，可以實(shí)現(xiàn)頻域的隱分集作用，抗頻率選擇性衰落。OFDM是一種特殊的多載波傳輸方案，它可以被看作是一種調(diào)制技術(shù)，也可以被當(dāng)作一種復(fù)用技術(shù)【51。多載波傳輸把數(shù)據(jù)流分解成若干子比特流，這樣每個(gè)子數(shù)據(jù)流將具有低的多的比特速率。用這樣的低比特率形成的低速率多狀態(tài)符號(hào)再去調(diào)制相應(yīng)的子載波，就構(gòu)成多個(gè)低速率符號(hào)并行發(fā)送的傳輸系統(tǒng)。正交頻分復(fù)用是對(duì)多載波調(diào)制MCM，MULTICARRIERMODULATION的一種改進(jìn)。它的特點(diǎn)是各子載波相互正交，所以擴(kuò)頻調(diào)制后的頻譜可以相互重疊，不但減小了子載波間的相互干擾，還大大提高了頻譜利用率。選擇OFDM的一個(gè)主要原因在于該系統(tǒng)能夠很好地對(duì)抗頻譜選擇性衰落和窄帶干擾。在單載波系統(tǒng)中，一次衰落或者干擾會(huì)導(dǎo)致整個(gè)鏈路失效，但是在多載波系統(tǒng)中，某一時(shí)刻只會(huì)有少部分的子信道受到深度衰落的影響。21OFDM系統(tǒng)的歷史采用多載波傳輸?shù)淖畛跄康氖且朔礼STNGENERALSWITCHEDTELEPHONENETWORK傳統(tǒng)的電話線路中因信道特性不理想對(duì)信息傳輸產(chǎn)生的影響。后來(lái)發(fā)現(xiàn)，對(duì)于其他非理想信道如頻率選擇性無(wú)線信道，多載波傳輸也具有很好的性能。又由于近年來(lái)數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)和大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，使得多載波技術(shù)應(yīng)用于無(wú)線環(huán)境也成為可能，故近年來(lái)對(duì)以多載波技術(shù)為代表的OFDM技術(shù)研究也成為了熱點(diǎn)。OFDM的歷史可以追溯到60年代，CHANG首先提出了在有限帶寬信道上無(wú)碼間干擾和載波問(wèn)干擾的并行數(shù)據(jù)傳輸方法。SALTZBERG對(duì)該方法進(jìn)行了分析，并指出在該系統(tǒng)中干擾主要來(lái)源于相鄰的子信道，這一預(yù)見(jiàn)在后來(lái)的數(shù)字基帶信號(hào)處理中得到了證明。WEINSTEIN和EBEN對(duì)OFDM作了一個(gè)重要的貢獻(xiàn)，首次提出用離散傅立葉變換DFR來(lái)實(shí)現(xiàn)OFDM的基帶調(diào)SUCH解調(diào)。為了消除載波間的干擾ICI和符號(hào)間干擾ISI，該方案使用了保護(hù)時(shí)間和升余弦窗函數(shù)。19806有記憶OFDM系統(tǒng)中自適應(yīng)預(yù)失真技術(shù)研究年，PELED和RUIZ對(duì)OFDM做出重要改進(jìn)，提出使用循環(huán)前綴CYCLICPREFIX來(lái)解決正交性問(wèn)題。后來(lái)，WYZOU對(duì)OFDM的原理和實(shí)現(xiàn)方案做出了概括性總結(jié)。OFDM的提出已經(jīng)有近40年的歷史，第一個(gè)實(shí)際應(yīng)用是軍用的無(wú)線高頻通信鏈路。但是這種多載波傳輸技術(shù)在雙向無(wú)線數(shù)據(jù)方面的應(yīng)用卻是近LO年來(lái)的新趨勢(shì)。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，該技術(shù)在廣播方式下的音頻和視頻領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。今年來(lái)，由于數(shù)字信號(hào)處理DSP，DIGITALSIGNALPROCESSING技術(shù)的飛速發(fā)展，OFDM作為一種可以有效對(duì)抗ISI的高速傳輸技術(shù)，引起了廣泛的關(guān)注。目前OFDM技術(shù)已經(jīng)成功地應(yīng)用于非對(duì)成數(shù)字用戶環(huán)路ADSL、無(wú)線本地環(huán)路WLL、數(shù)字音頻廣播墟、高清晰度電視HDTV、無(wú)線局域網(wǎng)WU心等系統(tǒng)中。它可以有效地消除信號(hào)多徑傳播所造成的ISI現(xiàn)象，因此在移動(dòng)通信中運(yùn)用也是大勢(shì)所趨。此外，OFDM還易于結(jié)合空時(shí)編碼、分集、干擾抑制已經(jīng)智能天線等技術(shù)，最大程度地提高物理層信息傳輸?shù)目煽啃?。如果再結(jié)合自適應(yīng)調(diào)制，自適應(yīng)編碼以及動(dòng)態(tài)子載波分配，動(dòng)態(tài)比特分配等技術(shù)，其性能可以進(jìn)一步的提高。221基本原理22OFDM的基本原理OFDM系統(tǒng)的典型框圖如圖所示。發(fā)送端將被傳輸?shù)臄?shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成子載波幅度和相位的映射，并進(jìn)行離散傅立葉反變換IDFT將數(shù)據(jù)的頻譜表達(dá)式變到時(shí)域上。IFFR變換于IDFT變換的作用相同，只是有更高的計(jì)算效率，所以適用于所有的應(yīng)用系統(tǒng)。接收端進(jìn)行發(fā)送端相反的操作，將射頻RF，RADIOFREQUENCY信號(hào)與基帶信號(hào)進(jìn)行混頻處理，并用FI叮變換分解頻域信號(hào)，子載波的幅度和相位被采集出來(lái)并轉(zhuǎn)換回?cái)?shù)字信號(hào)，如圖21所示。第二章OFDM系統(tǒng)概述7222串并變換圖21OFDM系統(tǒng)基本框圖滬噪聲數(shù)據(jù)傳輸?shù)牡湫托问绞谴袛?shù)據(jù)流，符號(hào)被連續(xù)的傳輸，每一個(gè)符號(hào)的頻譜可占據(jù)整個(gè)可利用的帶寬。但在并行數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中，許多符號(hào)被同時(shí)傳輸，減少了那些在串行系統(tǒng)中出現(xiàn)的問(wèn)題。在OFDM系統(tǒng)中，每個(gè)傳輸符號(hào)速率的大小大約在幾十BITS到幾十KBITS之間，所以必須進(jìn)行串并變換，將輸入串行比特流轉(zhuǎn)換成可以傳輸?shù)腛FDM符號(hào)。由于調(diào)制模式可以自適應(yīng)調(diào)節(jié)，所以每個(gè)子載波的調(diào)制模式是可變化的，因而每個(gè)子載波可傳輸?shù)谋忍財(cái)?shù)也是可以變化的，所以串并變換需要分配給每個(gè)子載波數(shù)據(jù)段的長(zhǎng)度是不一樣的。在接收端執(zhí)行相反的過(guò)程，從各個(gè)子載波處來(lái)的數(shù)據(jù)被轉(zhuǎn)換回原始的串行數(shù)據(jù)。223子載波調(diào)制一個(gè)OFDM符號(hào)之內(nèi)包含多個(gè)經(jīng)過(guò)相移鍵控PSK或者J下交幅度調(diào)制QAM的子載波。其中，N表示子載波的個(gè)數(shù)，丁表示OFDM符號(hào)的持續(xù)時(shí)間周期，D；F一0，1，2，N一1是分配給每個(gè)子信道的數(shù)據(jù)符號(hào)，正是第I個(gè)子載波的載波頻率，矩形函數(shù)眥FF一1，HSIL，貝UAKTTY開始的OFDM符號(hào)可以表示為SRRE簍DT，EC，RT一吾EXP，2石五F一氣TSTSZ式22一旦將要傳輸?shù)谋忍胤峙涞礁鱾€(gè)子載波上，某一中調(diào)制模式則將它們映射8有記憶OFDM系統(tǒng)中自適應(yīng)預(yù)失真技術(shù)研究為子載波的幅度和相位，通常采用等效基帶信號(hào)來(lái)描述OFDM的輸出信號(hào)SR一N薈1DT，PCRR一一吾EXP，2萬(wàn)事F一T,STS吾式C23SF；0T丁式24ELZ。FX圖22OFDM系統(tǒng)基本框圖其中J的實(shí)部和虛部分別對(duì)應(yīng)OFDM符號(hào)的同相INPHASE和正交QUARTEREDPHASE分量，在實(shí)際系統(tǒng)中可以分別與相應(yīng)的載波的COS分量和SIN分量相乘，構(gòu)成最終的子信道信號(hào)和合成的OFDM符號(hào)。在圖21中給出了OFDM系統(tǒng)基本模型的框圖。在接收端，將接收到的同相和正交矢量映射回?cái)?shù)據(jù)信息，完成子載波調(diào)制。圖233子載波OFDM符號(hào)如圖23所示為一個(gè)3子載波的OFDM符號(hào)的實(shí)例。其中，每個(gè)子載波具黼叟渤殳一E32時(shí)該方法事實(shí)上已經(jīng)不再適用。到目前為止，幾乎所有的編碼技術(shù)都是采用窮搜索的方法尋找低峰均比的符號(hào)，這些方法以最小的數(shù)據(jù)速率的損失獲得大的峰均比的降低。然而，搜索和存儲(chǔ)這些碼字的復(fù)雜度卻隨著載波數(shù)的增加呈指數(shù)增加，當(dāng)N16時(shí)復(fù)雜度已經(jīng)第二章OFDM系統(tǒng)概述很大。舉例來(lái)說(shuō)，采用最小的映射星座4QAM，載波數(shù)N32，需存儲(chǔ)的OFDM符號(hào)數(shù)目竟達(dá)10埔的數(shù)量級(jí)。2622SLMSELECTEDMAPPING和ITSPARTIALTRANSMITSEQUENCESSLM和邢方法的不是著眼于減小最大信號(hào)幅度，而是減小峰值發(fā)生的概率，達(dá)到此目的的基本方法是采用如下公式表示的線性變換KAA。X?？凇Ｊ?12X防X。X表示原始頻域數(shù)據(jù)矢量，Y瞰，匕，Y】表示IFI可的輸入矢量。這兩種方法通過(guò)選擇以彳。和刀。為元素的最佳的矢量彳和B，使傳輸符號(hào)Y胛丁Y的高峰值發(fā)生的概率盡量小。SLM和PTS方法中，均令B為零矢量，僅對(duì)A矢量進(jìn)行最優(yōu)化，而且這兩種技術(shù)都選擇彳為純粹的旋轉(zhuǎn)矢量幅度為1，即A。一EJGN，日O，勱】，1NN，下面分別介紹這兩種方法。SLM技術(shù)是用D個(gè)統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的矢量圪1SDSD表示相同的信息，然后選擇PAPR最低的符號(hào)YD進(jìn)行傳輸。這D個(gè)獨(dú)立的矢量匕用D個(gè)不同的、但固定不變的偽隨機(jī)旋轉(zhuǎn)矢量AD1SDSD按357式產(chǎn)生，通常令彳，為全1矢量，即KX，這并不會(huì)影響系統(tǒng)性能【131。該方法最初提出時(shí)D僅為2【141，后來(lái)發(fā)展成D可取任意值。雖然SLM不對(duì)信號(hào)產(chǎn)生任何失真，但由于需要計(jì)算D個(gè)不同的時(shí)域符號(hào)YD，因此牽涉到D個(gè)IFFT的運(yùn)算，造價(jià)和復(fù)雜度都很高；而且，由于發(fā)射機(jī)對(duì)信號(hào)作了一定的變換，接收機(jī)必須作相應(yīng)的逆變換，這就要求接收機(jī)知道發(fā)射端選擇的是哪組變換矢量，為此，必須傳輸邊信息。該方法的優(yōu)點(diǎn)就是適用于任意數(shù)量的載波和任意大小的星座。PTS技術(shù)和SLM的基本原理相同，所不同的只是變換矢量的結(jié)構(gòu)。在該方法中，矢剝分成階不相重疊的大小為Y的子矢量X，151T即X，Y子矢量石，中的每個(gè)載波乘以相同的旋轉(zhuǎn)因子尺，而且不同子矢量的旋轉(zhuǎn)因子統(tǒng)計(jì)獨(dú)立，這意味著矢量以現(xiàn)在僅由階不同分量組成，時(shí)域矢量YD可利用IFFR的線性性得到16有記憶OFDM系統(tǒng)中自適應(yīng)預(yù)失真技術(shù)研究Y矗IFFT問(wèn)巧”JMYIFFT戧訂JA問(wèn)R，VD1DX戈213得到D個(gè)矢量YD后，選擇峰均比的最低的符號(hào)進(jìn)行傳輸。P1S方法只需計(jì)算階IFFT，由于每個(gè)IFFL運(yùn)算僅有Y個(gè)非零輸入，其實(shí)現(xiàn)大為簡(jiǎn)化，但與SLM方法類似，同樣需要傳輸邊信息，以使接收機(jī)知道發(fā)射機(jī)使用的旋轉(zhuǎn)矢量。2623TITONEINJECTION和TRTONEREJECTION11和TR是令357式中的A。為全1矢量，而對(duì)B。進(jìn)行最優(yōu)化的算法。TR方法首次在文獻(xiàn)【161中提出，它的基本思想是把一個(gè)時(shí)域信號(hào)稱為峰均比減小信號(hào)加到多載波數(shù)據(jù)符號(hào)上實(shí)現(xiàn)峰均比的降低。優(yōu)化該時(shí)域信號(hào)實(shí)際上是一個(gè)最優(yōu)化的問(wèn)題，精確求解后可使峰均比減小610DB，然而，一個(gè)簡(jiǎn)單的梯度算法只需幾次迭代就能達(dá)到差不多同樣大小的峰均比降低效果。這些相加的信號(hào)無(wú)須發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的握手即可很容易地從接收到的信號(hào)中移去。如果我們不是在所有的載波上都傳送數(shù)據(jù)，比如數(shù)據(jù)矢量的某些值為0，我們可以利用這些值來(lái)降低峰均比。設(shè)數(shù)據(jù)矢量X，一OJZJ。J，則發(fā)射機(jī)可在數(shù)據(jù)矢量上加一滿足CJOJ岳DJ工的矢量C并在接收端把它移去。IDFTX4C一QXC一ZQC一工C，Q表示IDFT矩陣，峰均比為PARXC一肛CIRETXC12J，由于在發(fā)射機(jī)數(shù)據(jù)矢量上相加的矢量C的元素個(gè)數(shù)非常有限，近似認(rèn)為E_0XC12。E恨12，因此使XC峰均比最小化相當(dāng)于計(jì)算最優(yōu)的C掣使忙C憶最小。TR方法要預(yù)留出一部分載波進(jìn)行峰均比的降低，當(dāng)載波數(shù)N較小時(shí)，預(yù)留載波所占比例不可忽略，因此提出了沒(méi)有數(shù)據(jù)速率損失的TI技術(shù)。該方法的基本思想是擴(kuò)展原始星座，以使原始星座中的每一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)可映射成擴(kuò)展星座中的幾個(gè)等價(jià)的點(diǎn)，如果這些復(fù)制的信號(hào)點(diǎn)之間的距離DPD4FFM表示星座的大小，P之1，D表示原始星座點(diǎn)之間的最小距離，則誤比特率BER不會(huì)增加，與標(biāo)準(zhǔn)接收機(jī)唯一不同之處就是在經(jīng)過(guò)FFT之后要進(jìn)行模D運(yùn)算。既然每一個(gè)信息單元可映射成多個(gè)等價(jià)的點(diǎn)，則這此額外的自由度可用來(lái)降低峰均比。由于在等價(jià)的第二章OFDM系統(tǒng)概述17星座集合中選擇使峰均比最小化的星座點(diǎn)具有指數(shù)增長(zhǎng)的復(fù)雜度，因此提出了一種復(fù)雜度為AN2口1，,12,O的次最佳的迭代算法，該迭代算法接近理論最大峰均比降低極限。在上面介紹的TI、TR、SLM和PTS這四種方法中，除了TR，其它方法只有很小的數(shù)據(jù)速率損失SLM和PTS或沒(méi)有損失TI，TR的數(shù)據(jù)速率的損失取決于預(yù)留的載波數(shù)量以及這些預(yù)留載波用于數(shù)據(jù)傳送時(shí)的數(shù)據(jù)傳送量。不同技術(shù)的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度是評(píng)價(jià)一項(xiàng)技術(shù)的重要方面，涉及到多個(gè)IF兀1運(yùn)算的方法如SLM和PTS與其它方法相比當(dāng)然要復(fù)雜的多，TR和TI方法的迭代運(yùn)算在時(shí)域矢量上操作，因此避免了額外的IFBT運(yùn)算。TR迭代的運(yùn)算量為D，它的造價(jià)ILSLM和PTS要稍微高一些。然而，并不是每個(gè)符號(hào)都需要所有這些迭代，所以實(shí)際的平均使用的資源可能會(huì)少些。梯度算法比文酬17L提出的方法要復(fù)雜，但卻有更快的收斂速度。TI的復(fù)雜度要高于TR，但因?yàn)門I沒(méi)有數(shù)據(jù)速率的損失，因此對(duì)于小載波數(shù)量的情況很有效。對(duì)于TR矛NTI，我們必須考慮其遲延，遲延的大小由迭代次數(shù)決定。然而，只有相當(dāng)小的一部分?jǐn)?shù)據(jù)矢量需要較多的迭代，而對(duì)于非迭代方法SLM和PTS，每個(gè)符號(hào)進(jìn)行相同的運(yùn)算，因此，迭代和非迭代方法的平均遲延基本是相同的。不過(guò)，迭代算法的遲延抖動(dòng)要大一些，而非迭代方法的遲延幾乎為常數(shù)。在某些應(yīng)用中，遲延是一個(gè)很重要的參數(shù)，比如實(shí)時(shí)通信對(duì)遲延抖動(dòng)比對(duì)成批數(shù)據(jù)傳送更為敏感。以上是對(duì)目前使用的峰均比降低方法的一個(gè)大概的分類總結(jié)，這些方法均是從OFDM的角度出發(fā)，來(lái)解決OFDM信號(hào)高峰均比和高功率放大器的非線性放大之間的矛盾，事實(shí)上，我們還可以從放大器的角度出發(fā)來(lái)解決問(wèn)題，這就是放大器線性化技術(shù)，該類技術(shù)允許適當(dāng)放松對(duì)OFDM信號(hào)峰均比的要求，對(duì)放大器進(jìn)行線性化處理，使放大器以較小的功率回退并進(jìn)行高效率的工作。本文第三毒將會(huì)對(duì)放大器的線性化技術(shù)做一個(gè)簡(jiǎn)單的介紹，并且最終選擇數(shù)字預(yù)失真線性化技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)有記憶放大器的線性化算法。27本章小結(jié)本章簡(jiǎn)單介紹了OFDM系統(tǒng)的基本原理，總結(jié)了其關(guān)鍵技術(shù)，并且對(duì)于其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)作了詳細(xì)介紹。OFDM技術(shù)是一項(xiàng)在技術(shù)上很優(yōu)越的技術(shù)，但是并不表示其沒(méi)有任何缺點(diǎn)。其中比較關(guān)鍵的一個(gè)缺點(diǎn)就是上文所述的峰均比過(guò)大問(wèn)題。這個(gè)問(wèn)題直接影響到OFDM系統(tǒng)的傳輸性能，并且對(duì)于放大器的線性化提出了更高的要求。正是由于這個(gè)問(wèn)題的存在，線性化技術(shù)作為一種降低峰均比的有效技術(shù)，才有了重要的用武之地。這也正是本課題的來(lái)源和意義所在。第三章商功率放大器模型及其線性化技術(shù)19第三章高功率放大器HPA模型及其線性化技術(shù)任何通信系統(tǒng)都離不開放大器。而且，由于上文中所述OFDM系統(tǒng)高峰均比缺陷的存在，HPA對(duì)OFDM信號(hào)的影響不可忽略。因此有必要研究高功率放大器對(duì)OFDM信號(hào)造成的影響。一個(gè)理想的高功率放大器應(yīng)該是輸入和輸出的線性函數(shù)，其線性增益和激勵(lì)信號(hào)的幅度、相位或者頻率都無(wú)關(guān)。即YFKZF式31但在實(shí)際電路中，輸入和輸出往往成一定的非線性關(guān)系。非線性系統(tǒng)可以分為無(wú)記憶和有記憶系統(tǒng)。所謂無(wú)記憶系統(tǒng)就是指系統(tǒng)的輸出信號(hào)只是其當(dāng)前輸入信號(hào)的瞬時(shí)函數(shù)；而有記憶則不僅與當(dāng)前的輸入有關(guān)，與系統(tǒng)之前的輸入也有關(guān)系，其失真是頻率選擇性的。由于兩種HPA的失真都很重要，并且無(wú)記憶HPA失真是有記憶HPA失真的基礎(chǔ)，因此下文分別討論無(wú)記憶和有記憶情況下的系統(tǒng)失真情況。31無(wú)記憶高功率放大器311無(wú)記憶高功率放大器模型當(dāng)放大器具有很大的帶寬時(shí)，在這個(gè)帶寬范圍內(nèi)的任何相對(duì)較小的一部分帶寬上，傳輸特性相對(duì)于基帶中心看來(lái)都是頻率獨(dú)立的。此時(shí)可以將放大器模型近似為無(wú)記憶模型。無(wú)記憶模型的推導(dǎo)主要來(lái)源于窄帶激勵(lì)測(cè)量數(shù)據(jù)。1無(wú)記憶多項(xiàng)式模型ACOSO,T妒TOT妒G月COS睦蘭墨墟圖31多項(xiàng)式模型框圖TAYLOR18L級(jí)數(shù)是分析無(wú)記憶非線性最通用的工具，同時(shí)也是描述非線性系統(tǒng)最通用的模型。一般情況下采用兩個(gè)多項(xiàng)式級(jí)聯(lián)來(lái)分別模擬放大器的幅度和相位特性【19J，構(gòu)造仿真模型，如圖31所示。假設(shè)AMAM失真函數(shù)為廠，AMPM失真函數(shù)為G。我們現(xiàn)在考慮一個(gè)輸入信號(hào)為單音信號(hào)的系統(tǒng)，輸入信號(hào)表示為有記憶OFDM系統(tǒng)中自適應(yīng)預(yù)失真技術(shù)研究XTACOSOGT驢則帶通無(wú)記憶非線性的輸出可以寫為，T一廠彳COS耐驢G爿】上式表示了包絡(luò)非線性失真都僅與幅度彳有關(guān)，是輸入信號(hào)幅度的函數(shù)。式32式33即幅度失真和相位失真都由于考慮的是窄帶附近的信號(hào)系統(tǒng)，故再設(shè)輸入為頻譜在廠附近的信號(hào)ZFXF一爿FCOS耐F】非線性帶通模型的特征一般是采用單一正弦波掃頻音測(cè)量的。證明大部分情況下式可以一般化，則輸出簡(jiǎn)化為YF一廠彳TC。S耐妒，G么F】利用式即可得到如下圖32所示的仿真框圖2固態(tài)功率放大器模型式34但是，實(shí)驗(yàn)式35“FEIGA4“FAEJGA卜一圖32無(wú)記憶多項(xiàng)式模型仿真圖固態(tài)功率放大器【20L是一種重量輕、壽命長(zhǎng)、維護(hù)成本低、可靠性穩(wěn)定的小功率放大器。但是功率低的放大器主要特點(diǎn)是當(dāng)輸入功率小于飽和點(diǎn)時(shí)，可以近似認(rèn)為工作在線性區(qū)，此時(shí)可以忽略其相位失真，僅僅有幅度失真。利用RAPPL211模型可以描述固態(tài)功率放大器的幅度失真特性函數(shù)，彳。I。式36IA2P_式中的P是光滑因子，彳為輸入信號(hào)的幅度。由此函數(shù)可以得到固態(tài)功率放大器的特性LTTL線，如圖33所示第三章高功率放大器模型及其線性化技術(shù)21圖33固態(tài)功率放大器特性曲線圖由圖可以看出，隨著光滑因子P的增大，放大器的線性范圍逐漸變大。當(dāng)P10的時(shí)候，對(duì)輸入幅度小于1O的信號(hào)，放大器幾乎可以看成一個(gè)理想的線性放大器。為了模擬實(shí)際中的放大器模型，一般將P取在2到3之間。3行波管放大器行波管放大器是一種真空電子管器件，具有功率大、工作頻帶寬的優(yōu)點(diǎn)。行波管放大器的AMAM，和AMPM失真都比較明顯，一般采用SALEH模型221來(lái)模擬行波管放大器，其中包含了AMAM和AMPM失真F231。同時(shí)，由于SALEH模型簡(jiǎn)單以及對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的高度擬合性，被廣泛的應(yīng)用于計(jì)算機(jī)仿真中。下面介紹SALEH模型。假設(shè)HPA的AMAM響應(yīng)函數(shù)和AMPM響應(yīng)函數(shù)分別為廠和G，則SALEH模型是巾；幣AA萬(wàn)AG彳而AQ口A牙Z其中的，成，島是控制特性曲線的參數(shù)。如果我們?nèi)∪缦聟?shù)，式37有記憶OFDM系統(tǒng)中自適應(yīng)預(yù)失真技術(shù)研究F吒一21F一4033，【尾115I島413可以得到下圖34所示的HPA特性曲線。由圖34可見(jiàn)，放大器對(duì)輸入信號(hào)的幅度和相位均有失真。圖34行波管放大器特性曲線圖通過(guò)對(duì)SALEH模型研究可知，當(dāng)HPA的輸入值為如一，即輸入值達(dá)到QPO放大器模型的輸入飽和電壓時(shí)，功率放大器模型有最大輸出FAZA,“LSAT。功、，NLAX1率放大器的最大輸出電壓決定了可修正的最大輸出值。如果輸入信號(hào)的對(duì)應(yīng)輸出信號(hào)大于功放的最大輸出，則該非線性失真是不可補(bǔ)償?shù)摹?12無(wú)記憶HPA對(duì)系統(tǒng)造成的影響對(duì)于無(wú)記憶HPA來(lái)說(shuō)，它產(chǎn)生的非線性表現(xiàn)為輸出信號(hào)幅度響應(yīng)非線性和輸出信號(hào)相位響應(yīng)的非線性。假設(shè)輸入到HPA的等效復(fù)基帶信號(hào)為KT，我們將其表示為哆TRTEPO式38其中RT是信號(hào)的幅度，而臼F是信號(hào)的相位。此時(shí)HPA的輸出信號(hào)為屹FG，F(xiàn)P慚F】式39其中的G和矽分別稱為HPA的AMAM和AMPM轉(zhuǎn)換特性。第三章高功率放大器模型及其線性化技術(shù)AMAM的存在使得功放的輸出不再是其輸入的線性函數(shù)，從而導(dǎo)致非線性轉(zhuǎn)移。舯M失真是增益壓縮直接表現(xiàn)的結(jié)果。在通信系統(tǒng)中，腳M效應(yīng)的存在，會(huì)導(dǎo)致群時(shí)延失真，微分相位、微分增益和交調(diào)失真變壞。當(dāng)信號(hào)經(jīng)歷非線性失真時(shí)，系統(tǒng)性能會(huì)受到兩方面的影響即放大器非線性引起信號(hào)產(chǎn)生嚴(yán)重帶內(nèi)失真和帶外噪聲1241。帶內(nèi)失真主要表現(xiàn)為信號(hào)的幅度和相位產(chǎn)生失真，使信號(hào)的星座圖發(fā)生偏轉(zhuǎn)，降低系統(tǒng)的抗誤碼能力；帶外噪聲則主要是使信號(hào)的頻譜擴(kuò)展，對(duì)臨道產(chǎn)生干擾，減小系統(tǒng)的頻帶利用率。我們使用下圖所示的系統(tǒng)來(lái)模擬非線性對(duì)系統(tǒng)信號(hào)的影響。圖35無(wú)記憶HPA系統(tǒng)簡(jiǎn)易仿真框圖仿真中我們使用16QAM作為調(diào)制方式，放大器采用SALEH模型，子載波的數(shù)目為128。為了突出HPA非線性的影響，我們忽略信號(hào)中噪聲的影響。利用MATLAB作為仿真工具，可以得到失真后的信號(hào)星座圖如圖所示。在理想的星座圖36中，信號(hào)沒(méi)有受到任何噪聲干擾，也沒(méi)有任何線性或非線性的失真影響。此時(shí)信號(hào)星座點(diǎn)清晰可辨。圖36理想16QAM星座圖圖37無(wú)記憶HPA失真信號(hào)星座圖對(duì)比來(lái)看失真的信號(hào)星座圖37。從圖中可以看出，信號(hào)經(jīng)過(guò)放大器之后，AMAM失真使星座點(diǎn)發(fā)生了擴(kuò)散，系統(tǒng)的接收誤碼率非常大；AMPM失真使放大器的輸出信號(hào)相位發(fā)生了比較明顯的偏轉(zhuǎn)。當(dāng)這兩種失真同時(shí)存在時(shí)，信號(hào)星座圖扭曲非常嚴(yán)重，信號(hào)的星座點(diǎn)無(wú)法進(jìn)行有效的辨別。如果信道的信噪比相對(duì)較大時(shí)，很容易造成信號(hào)的誤判。有記憶OFDM系統(tǒng)中自適應(yīng)預(yù)失真技術(shù)研究32有記憶高功率放大器321有記憶高功率放大器模型記憶功放模型包括WINNER模型、HARMERSTERIN模型、WINNERHARMERSTERIN模型和記憶多項(xiàng)式模型等，不同的模型的構(gòu)成和表現(xiàn)出來(lái)的記憶特征都不盡相同。如WINNERHARMERSTERIN模型由無(wú)記憶功放模型和其之前串聯(lián)的線性時(shí)不變單元構(gòu)成。在這里我們使用一個(gè)FIR的濾波器來(lái)代替線性時(shí)不變單元LTI的功能，而無(wú)記憶的HPA模型仍然采用上文提到的SALEH模型【251，整個(gè)的系統(tǒng)框圖如圖38所示FIR濾波器HPA圖38有記憶HPA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖322有記憶HPA對(duì)系統(tǒng)造成的影響當(dāng)系統(tǒng)是一個(gè)寬帶系統(tǒng)時(shí)，此時(shí)HPA失真不再是一個(gè)無(wú)記憶的失真，而是有記憶的失真，即當(dāng)前的輸出不僅和當(dāng)前的輸入有關(guān)，還與之前的輸入有關(guān)。這也造成了整個(gè)系統(tǒng)的失真變成了頻率選擇性的失真。我們?nèi)匀患僭O(shè)輸入的復(fù)基帶信號(hào)為UF，HT一RFE歸。設(shè)模型中的記憶性失真部分，即FIR濾波器的傳輸函數(shù)如下所示YNALXNAZ廳一1口，XN一2，式310而無(wú)記憶HPA的AMAM和AMPM轉(zhuǎn)換特性仍然假設(shè)為G和。則推得系統(tǒng)的失真為。YFALGLRFL州FLIA2GRT1P“哪“】式311此時(shí)的信號(hào)輸出不僅產(chǎn)生了相位偏轉(zhuǎn)和星座點(diǎn)擴(kuò)散，而且依據(jù)輸入信號(hào)頻率的不同發(fā)生了不同程度的偏轉(zhuǎn)和擴(kuò)散，直接導(dǎo)致了信號(hào)的誤碼率更高，直接傳輸幾乎不能辨別任何數(shù)據(jù)。我們使用如下框圖來(lái)模擬有記憶HPA對(duì)系統(tǒng)信號(hào)的影響。第三章高功率放人器模型及其線性化技術(shù)QAM映射妻羹HF兀，變換II兒1。1需墓HH警HHPFILTA前綴HERHA圖39有記憶HPA系統(tǒng)簡(jiǎn)易仿真框圖仿真中我們使用16QAM作為調(diào)制方式，放大器采用SALEH模型，子載波的數(shù)目為128。在此仿真中，我們?nèi)匀缓雎孕诺乐性肼暤挠绊憽？梢缘玫绞д婧蟮男盘?hào)星座圖如圖311所示?？梢钥闯?，與理想的16Q舢訂星座圖相比較，失真后的星座圖中的星座點(diǎn)基本不可辨識(shí)，星座點(diǎn)的擴(kuò)散和相位偏轉(zhuǎn)十分嚴(yán)重。與無(wú)記憶系統(tǒng)相比較，信號(hào)失真更加嚴(yán)重，基本無(wú)法辨識(shí)任何信號(hào)的星座點(diǎn)。因此對(duì)有記憶HPA的線性化處圖310理想16QAM星座圖圖311有記憶HPA失真信號(hào)星座圖33HPA線性化技術(shù)簡(jiǎn)介隨著移動(dòng)通信中線性調(diào)制技術(shù)的出現(xiàn)，功率放大器的線性化已經(jīng)越來(lái)越受到人們的重視。為了獲取比較高的碼速率和頻譜利用率，現(xiàn)代通信系統(tǒng)均采用了如QPSK，Q舢等線性調(diào)制技術(shù)。這些高效的調(diào)制技術(shù)對(duì)HPA的非線性特別敏感。在實(shí)際應(yīng)用中，為了提高效率，功率放大器一般工作在接近飽和區(qū)的非線性區(qū)域，而這種非線性特性會(huì)引入諧波成分，這些諧波成分不但降低了信噪比，而且也常常會(huì)引起信道間的串?dāng)_，從而帶來(lái)信號(hào)的失真，所以針對(duì)放大器的線性化技術(shù)是必須的。目前常用的放大器線性化技術(shù)126J有以下幾種331前饋線性功率放大器有記憶OFDM系統(tǒng)中自適應(yīng)預(yù)失真技術(shù)研究輸出輔助功放圖312前饋線性功率放大器結(jié)構(gòu)示意圖前饋法【明是目前放大器線性化技術(shù)中發(fā)展最迅速的方法。其主要思想是先把放大器的輸出衰減至輸入的水平，然后把它們相減，這樣就只剩下失真部分。這個(gè)失真信號(hào)是由于放大器的非線性產(chǎn)生的。接著把失真部分經(jīng)由一個(gè)單獨(dú)的放大器加以放大，并與原放大器輸出信號(hào)相減，這樣就剩下了線性放大部分。其結(jié)構(gòu)圖如圖312所示。前饋線性化技術(shù)性能穩(wěn)定，帶寬較寬。但是在實(shí)現(xiàn)上必須精確設(shè)計(jì)前饋環(huán)路中的相位、幅度的平衡度，是目前整個(gè)實(shí)現(xiàn)中的難點(diǎn)。332負(fù)反饋法負(fù)反饋線性化技術(shù)是將功率放大器的非線性失真信號(hào)反饋到輸入端，與原信號(hào)一起作為功率放大器的輸入信號(hào)，以減少功放非線性的一種方法。負(fù)反饋技術(shù)相對(duì)比較容易實(shí)現(xiàn)，可以控制功放輸入輸出阻抗，減少噪聲和元器件變化造成的影響，而且在抑制帶外輻射方面性能優(yōu)越。其原理框圖如圖313所示。非F，、本振、一圖313負(fù)反饋法結(jié)構(gòu)示意圖第三章高功率放人器模型及其線性化技術(shù)利用負(fù)反饋2A291改善放大器線性的方法有很多，例如包絡(luò)反饋、RF反饋、極坐標(biāo)反饋、笛卡爾反饋和POLAR反饋等等。333具有非線性元件的線性放大器俞入信號(hào)一濾波器H正交竺器H爹_言晏分量本振、分離L信器一濾波器H正交調(diào)制器卜驢成輸出信號(hào)圖314UNC結(jié)構(gòu)不意圖LINCLINEARAMPLIFICATIONWITHNONLINEARCOMPONENTS是由COX在1974年提出的一種線性化技術(shù)【30】。其基本思想是對(duì)任意帶通信號(hào)用恒定幅度和只有相位變化的信號(hào)來(lái)表示。這兩個(gè)角度調(diào)制信號(hào)可以適用功率效率高的非線性放大器進(jìn)行分離放大，最后將放大的信號(hào)合在一起產(chǎn)生調(diào)幅信號(hào)。由于放大器輸入信號(hào)是恒包絡(luò)信號(hào)，避免了功率放大器的非線性失真。LLNC的原理如圖314所示。LINC的實(shí)質(zhì)是采用非常高效的非線性放大器對(duì)恒定信號(hào)進(jìn)行射頻放大，缺點(diǎn)是需要設(shè)計(jì)兩個(gè)匹配良好的放大鏈，同時(shí)，這種放大不能適應(yīng)由溫度，電源電壓，頻率變化引起的放大器特性漂移環(huán)境。334預(yù)失真法預(yù)失真法是補(bǔ)償放大器非線性失真最好的方法之一。使用這種技術(shù)，在功率放大器輸入端采用反失真來(lái)抵消功率放大器的非線性失真。其系統(tǒng)原理框圖如圖315所示圖315預(yù)失真法結(jié)構(gòu)示意圖假設(shè)功率放大器的傳輸特性函數(shù)為G，則我們需要設(shè)計(jì)預(yù)失真器的傳輸特性函數(shù)為F滿足有記憶OFDM系統(tǒng)中自適應(yīng)預(yù)失真技術(shù)研究，KG圪一K式312其中K為預(yù)失真器和功率放大器級(jí)聯(lián)系統(tǒng)的增益系數(shù)。當(dāng)預(yù)失真器滿足式312條件時(shí)，信號(hào)被線性放大。預(yù)失真可以在數(shù)字域?qū)崿F(xiàn)，也可以在模擬域中實(shí)現(xiàn)。與其它方法相比，預(yù)失真具有實(shí)現(xiàn)成本低，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、效率高、自適應(yīng)性能強(qiáng)等特點(diǎn)，因此本文將預(yù)失真技術(shù)作為OFDM系統(tǒng)預(yù)失真研究的重點(diǎn)技術(shù)。34數(shù)字預(yù)失真技術(shù)基本概念及分類自適應(yīng)預(yù)失真技術(shù)是提高具有非恒定包絡(luò)信號(hào)非線性HPA效率的有效的技術(shù)【31】。這種技術(shù)通常利用一個(gè)輔助的失真源來(lái)產(chǎn)生和功率放大器相反的輔助失真信號(hào)。然后把具有恰當(dāng)?shù)姆葔嚎s和相位變化的信號(hào)加在功放的輸入端來(lái)完成對(duì)HPA非線性的抑制。數(shù)字預(yù)失真技術(shù)指的是預(yù)失真信號(hào)在數(shù)字域產(chǎn)生，在輸入放大器前疊加到原信號(hào)，從而達(dá)到對(duì)功放失真進(jìn)行補(bǔ)償?shù)哪康摹，F(xiàn)在對(duì)一些常用的預(yù)失真方法進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。341多項(xiàng)式預(yù)失真技術(shù)從上文中的分析我們得知，功率放大器的AMPM，AMAM特性非線性函數(shù)都可以用多項(xiàng)式來(lái)表示，所以可以用多項(xiàng)式方程來(lái)進(jìn)行功放建模型。預(yù)失真器具有放大器非線性的逆特性，同樣也可以采用無(wú)記憶的多項(xiàng)式來(lái)表示。理想的放大器的多項(xiàng)式描述需要有無(wú)限高的階數(shù)，在實(shí)現(xiàn)中是不可能實(shí)現(xiàn)的。因此在實(shí)際應(yīng)用中，一般采用5階多項(xiàng)式方程來(lái)模擬預(yù)失真器的多項(xiàng)式表達(dá)式。342曲線擬合技術(shù)曲線擬合技術(shù)132L是在充分了解HPA特性曲線的數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上提出來(lái)的。跟多項(xiàng)式一樣，這個(gè)技術(shù)也是通過(guò)數(shù)學(xué)模型估計(jì)出放大器的模型，然后將數(shù)學(xué)模型求逆來(lái)構(gòu)造預(yù)失真器。不同的是，曲線擬合應(yīng)用了比多項(xiàng)式更接近實(shí)際放大器特性的類似于Y；XDF33】的雙線性有理函數(shù)模型，而且曲線擬合算法也充CRD分考慮了造成多項(xiàng)式算法不穩(wěn)定的原因，將放大器的整體非線性看成是由各階非線性疊加構(gòu)成的，對(duì)各階非線性求逆，以此來(lái)描述預(yù)失真器。這樣就不會(huì)因?yàn)檩斎胄盘?hào)的微小變動(dòng)，導(dǎo)致整個(gè)逼近曲線的改變，影響算法穩(wěn)定性。第三章高功率放大器模型及其線性化技術(shù)343查表法查表法134】是一種在基帶易于實(shí)現(xiàn)且能很好體現(xiàn)模擬域不連續(xù)性的模型，因此成了目前數(shù)字預(yù)失真的主流方案。用查表法模型在數(shù)字域可以很好的表征模擬域中的不連續(xù)性，且易于實(shí)現(xiàn)，因此是目前數(shù)字預(yù)失真方案的主流模型。查表法的思想是放大器的整體非線性看成是各階非線性疊加構(gòu)成的。之前的預(yù)失真技術(shù)都是將放大器看成一種數(shù)學(xué)模型，但數(shù)學(xué)模型和實(shí)際的系統(tǒng)特性之間還是有區(qū)別的。因此查表法實(shí)際上是一種基于數(shù)據(jù)分析的數(shù)據(jù)預(yù)失真技術(shù)。查表法的模擬框圖如圖316所示。數(shù)字預(yù)失真技術(shù)是指將事先計(jì)算好的預(yù)失真補(bǔ)償參數(shù)保存在一個(gè)表格中。根據(jù)當(dāng)時(shí)輸入的信號(hào)經(jīng)過(guò)某種量化，得到查詢準(zhǔn)則。依據(jù)這種準(zhǔn)則在已經(jīng)存在的存儲(chǔ)表格計(jì)算出表中的地址量，然后根據(jù)當(dāng)時(shí)輸入的基帶信號(hào)進(jìn)行預(yù)失真處理，這就是查表法的基本原理。鑒于查表法在實(shí)現(xiàn)上的易于性和性能的良好性，本文中使用基于查表法的數(shù)字預(yù)失真級(jí)數(shù)來(lái)糾正HPA對(duì)系統(tǒng)造成的失真。圖316查表法結(jié)構(gòu)示意圖35本章小結(jié)本章分別介紹了高功率放大器在無(wú)記憶和有記憶情況下相應(yīng)的系統(tǒng)模型。高功率放大器是通信系統(tǒng)不可或缺的一個(gè)部件。但是由于OFDM過(guò)大的動(dòng)態(tài)范圍，導(dǎo)致相應(yīng)的放大器也需要有很大的線性化范圍，這在實(shí)際中是難以實(shí)現(xiàn)的。線性化技術(shù)正是在這個(gè)背景下提出來(lái)的。本章簡(jiǎn)單介紹了目前存在的線性化技術(shù)。由于預(yù)失真技術(shù)有實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，效率高等特點(diǎn)，因而本章的重點(diǎn)放在預(yù)失真技術(shù)研究上。針對(duì)HPA的預(yù)失真技術(shù)又包括了多項(xiàng)式擬合，曲線擬合，查表法等多種方法，其中又以查表法具有容易實(shí)現(xiàn)，精度高等特點(diǎn)成為本文研究預(yù)失真的首選方有記憶OFDM系統(tǒng)中自適應(yīng)預(yù)失真技術(shù)研究案。之后的針對(duì)無(wú)記憶和有記憶HPA預(yù)失真的研究都是基于查表法預(yù)失真技術(shù)的基礎(chǔ)上的。第網(wǎng)章基于查表法的無(wú)記憶HPA自適應(yīng)預(yù)失真技術(shù)31第四章基于查表法的無(wú)記憶HPA自適應(yīng)預(yù)失真技術(shù)為了消除或者降低OFDM系統(tǒng)高PAPR對(duì)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)和性能的影響，人們進(jìn)行了大量的研究。目前所得的方法概括起來(lái)主要分為兩個(gè)方面一是從OFDM信號(hào)本身進(jìn)行處理直接降低PAPR，這不是本文討論的重點(diǎn)內(nèi)容，因而略過(guò)不計(jì)；另一就是從放大器的角度出發(fā)，對(duì)放大器進(jìn)行預(yù)失真處理，增大其線性化的范圍。這是一種針對(duì)放大器的能有效增大放大器線性范圍的技術(shù)。通過(guò)第三章的分析，我們最后選擇了查表法作為數(shù)字自適應(yīng)預(yù)失真的基本算法，因此本章分析在無(wú)記憶HPA系統(tǒng)中應(yīng)用查表法預(yù)失真技術(shù)的基本原理。41基于查表法的無(wú)記憶HPA預(yù)失真技術(shù)基本理論現(xiàn)有的查詢表預(yù)失真線性化方法主要有3類映射法，極坐標(biāo)法和復(fù)增益法。相比而言，極坐標(biāo)法對(duì)反饋信號(hào)的相位不敏感，自適應(yīng)算法比較簡(jiǎn)單，查詢表項(xiàng)數(shù)少，收斂速度快，因此應(yīng)用廣泛。極坐標(biāo)預(yù)失真技術(shù)首先由FAULKNER等人提出，該技術(shù)采用兩張分別包含增益和相位信息的一維預(yù)失真表來(lái)近似放大器非線性的逆特性，實(shí)現(xiàn)預(yù)失真功能。根據(jù)輸入信號(hào)的幅度計(jì)算查詢表的地址來(lái)查找相應(yīng)的增益和相位，然后對(duì)信號(hào)進(jìn)行幅度縮放和相位旋轉(zhuǎn)得到預(yù)失真后的信號(hào)。兩張表中的數(shù)據(jù)利用反饋數(shù)據(jù)依據(jù)某種更新算法得到。圖41為查表法預(yù)失真器的結(jié)構(gòu)圖。QRP變，、叫圈R警卜圖41查表法預(yù)失真器結(jié)構(gòu)圖32有記憶OFDM系統(tǒng)中自適應(yīng)預(yù)失真技術(shù)研究將查表法應(yīng)用于OFDM系統(tǒng)中的框圖如下圖42所示圖42查表法應(yīng)用于OFDM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖信源輸出后經(jīng)過(guò)QAM映射，串并變換，IFFT，并串變換，加循壞前綴等一系列處理后，得到OFDM編譯信號(hào)。將OFDM信號(hào)進(jìn)行量化，按照某種查詢法則在查詢表中查詢相應(yīng)的地址，對(duì)應(yīng)地址中的內(nèi)容就是此信號(hào)的預(yù)失真值。在此我們使用輸入信號(hào)的幅度值作為查詢的索引進(jìn)行查詢。利用查詢到的預(yù)失真的值對(duì)信號(hào)的幅度進(jìn)行補(bǔ)償，同時(shí)再對(duì)信號(hào)的相位進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，得到預(yù)失真的信號(hào)。這種級(jí)聯(lián)的方式可以把幅度和相位分開來(lái)收斂，避免相互之間的干擾。將經(jīng)過(guò)預(yù)失真處理后的信號(hào)輸入HPA后，輸出即為線性輸出。由于非線性受器件老化、溫度、頻率、放大器工作點(diǎn)、負(fù)載和電源電壓及其它動(dòng)態(tài)非線性損害的影響，以及信號(hào)概率密度函數(shù)的變化，所以必須采用自適應(yīng)的預(yù)失真器，以便于跟蹤非線性的變化。在電路中應(yīng)用反饋式閉環(huán)形式，從放大器的輸出信號(hào)中提取一部分信號(hào)進(jìn)行衰減后輸入預(yù)失真器，與預(yù)失真的延時(shí)輸入相比較，依據(jù)某一種更新算法，適時(shí)更新預(yù)失真器參數(shù)，使其特性與最終與HPA特性互補(bǔ)。由于OFDM的幅度服從瑞利分布，同時(shí)OFDM具有多電平調(diào)制方式，這會(huì)造成數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)范罔的增大，因此有必要首先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行量化。量化本身還可以增加數(shù)據(jù)的均勻分布率，加快迭代速度【35J。同時(shí)，有必要對(duì)極少數(shù)大數(shù)據(jù)進(jìn)行限幅處理，可以有效降低輸入數(shù)據(jù)的峰均比。此外，查詢表所采用的地址索引方式和查詢表所要達(dá)到的精度要求共同決定了查詢表的大小。查詢表的項(xiàng)數(shù)越多，其精度越高，造成鄰道干擾也就越小。一般來(lái)說(shuō)，查詢表的尺寸每增大一倍，經(jīng)過(guò)預(yù)失真器信號(hào)的鄰道干擾降低6DB左右。但是當(dāng)鄰道干擾降低到一定程度后，增大查詢表的尺寸不能再減少鄰道干擾。第四章基于查表法的無(wú)記憶HPA自適應(yīng)預(yù)失真技術(shù)3342自適應(yīng)算法推導(dǎo)利用SALEH模型推導(dǎo)預(yù)失真自適應(yīng)更新公式原理框圖如下圖43所示預(yù)失真器圖43SALEH模型結(jié)構(gòu)椎圖由于采用SALEH模型，其非線性由下式描述ZOT一圪TGVAFI式41其中的圪表示放大器輸出信號(hào)，虼仰表示放大器的瞬時(shí)輸入信號(hào)。放大器的非線性增益G1