華中科技大學碩士學位論文I摘要第二代和第三代移動通信系統(tǒng)對無線信道線性化提出了很高的要求，而功率放大器是導致無線信道產生非線性的重要因素，功率放大器線性化技術是目前移動通信領域的研究熱點。基于此因，本文將重點研究功率放大器的線性化技術。本文在廣泛地探究了功率放大器的基礎上，重點研究了功率放大器線性化技術中廣泛應用的前饋自適應技術和有著良好應用前景的預失真技術。在前饋部分，本文提出了一種自適應前饋技術，并闡述了自適應正向前饋線性功放的總體設計、仿真和測試。從試驗結果來看，線性功放對失真信號的抵消效果是明顯的。本文還重點研究了模擬預失真和數字預失真。在模擬預失真部分，提出了一種三階模擬預失真器的實現(xiàn)設計方案，從理論上分析了其可能性，并通過仿真表明此種設計明顯地降低了交調互擾；在數字預失真部分，分別研究了基于查找表和多項式法的數字預失真技術。在基于查找表的預失真技術部分，采用了最陡下降法算法對查找表進行自適應更新。在多項式預失真技術部分，采用了多項式方法對功放非線性進行補償。這兩種預失真方案表明了預失真技術能夠有效地改善功放的非線性失真，是很有發(fā)展前途的線性化技術。本文旨在研究常用的功率放大器線性化技術的大體設計實現(xiàn)及仿真試驗工作。研究表明，這些常用的線性化技術較好地改善了功率放大器的線性度。關鍵詞功率放大器線性化前饋預失真仿真華中科技大學碩士學位論文IIABSTRACTLINEARITYOFTRANSMITSCHANNELISENDUEDWITHNEWREQUIREMENTSINTHESECONDANDTHETHIRDGENERATIONCOMMUNICATIONSYSTEMANDPOWERAMPLIFIERISTHELEADINGFACTOROFTHENONLINEARITYOFTRANSMITSCHANNELTHELINEARIZATIONOFPOWERAMPLIFIERHASBEENTHEHOTSPOTFORCURRENTMOBILECOMMUNICATIONRESEARCHBEASUSEOFTHIS,THISTHESISMAINLYDISCUSSESTHELINEARIZATIONOFPOWERAMPLIFIERBASEDONTHECOMPREHENSIVESTUDYOFRADIOPOWER,THISDISSERTATIONFOCUSESONFEEDFORWARDANDPREDISTORTION,WHICHAREMOSTCOSTEFFECTIVEWAYSAMONGALLLINEARIZATIONTECHNIQUETHISTHESISSUMMARIZESTHEDOMESTICANDFOREIGNDEVELOPMENTOFLINEARPOWERAMPLIFIERSYSTEMICALLY,ANALYZESTHENONLINEARCHARACTERISTICOFPOWERAMPLIFIER,INTRODUCESANDCOMPARESLINEARTECHNOLOGIESUSEDWIDELY,SUCHASFEEDBACK,PREDISTORTION,FEEDFORWARDANDLINCINTHESEGMENTOFTHELINEARIZATIONOFPOWERAMPLIFIER,FIRSTLYINTRODUCESTHEPROJECTABOUTADAPTIVEFEEDFORWARDPOWER,GIVESANADAPTIVEFEEDFORWARDPOWERAMPLIFIERSCHEME、DESIGN、SIMULATIONANDTESTTHERESULTSHOWSTHATTHEKILLOFERRORSIGNALISOBVIOUSINADAPTIVEFEEDFORWARDPOWERAMPLIFIERFROMTESTRESULTTHENITALSORESEARCHESTHEANALOGPREDISTORTIONTECHNIQUEANDTHEDIGITALPREDISTORTIONTECHNIQUEINTHESEGMENTOFANALOGPREDISTORTION,ITINTRODUCESSOMEDESIGNANDRESEARCHWORKABOUTTHIRDORDERDISTORTIONGENERATORMODEL,ILLUSTRATESTHEFEASIBILITYINTHEORYTHEANALYSISOFTHESIMULATIONINDICATESTHEDESIGNIMPROVESINTERMODULATIONDISTORTIONOBVIOUSLYTHESEGMENTOFDIGITALPREDISTORTIONRESPECTIVELYRESEARCHESTHESIMPLEMODELOFADAPTIVEPREDISTORTIONBASEDONLOOKUPTABLEANDPOLYNOMIALTHEMETHODOFSTEEPESTDESCENTAREAPPLIEDTOUPDATETHECONTENTINTHELOOKUPTABLEANDTHENONLINEARITYOFPOWERAMPLIFIERISCOMPENSATEDBYUSINGPOLYNOMIALTECHNIQUETWOPREDISTORTIONDESIGNSSHOWTHATPREDISTORTIONTECHNIQUEIMPROVESTHENONLINEARITYOFTHEPOWERAMPLIFIER,ANDITISCOSTEFFECTIVELINEARIZATIONTECHNIQUETHISARTICLEAIMSTORESEARCHTHEMAINDESIGNANDSIMULATIONOFTHECOMMONLINEARTECHNOLOGIESOFPOWERAMPLIFIER,ANDTHERESEARCHSHOWSTHEYHAVESOMEEFFECTTOIMPROVETHECAPABILITYOFPOWERAMPLIFIERKEYWORDSPOWERAMPLIFIERLINEARITYFEEDFORWARDPREDISTORTIONSIMULATION獨創(chuàng)性聲明本人聲明所呈交的學位論文是我個人在導師指導下進行的研究工作及取得的研究成果。盡我所知，除文中已經標明引用的內容外，本論文不包含任何其他個人或集體已經發(fā)表或撰寫過的研究成果。對本文的研究做出貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標明。本人完全意識到，本聲明的法律結果由本人承擔。學位論文作者簽名日期年月日學位論文版權使用授權書本學位論文作者完全了解學校有關保留、使用學位論文的規(guī)定，即學校有權保留并向國家有關部門或機構送交論文的復印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權華中科技大學可以將本學位論文的全部或部分內容編入有關數據庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存和匯編本學位論文。保密，在_年解密后適用本授權書。不保密。（請在以上方框內打“”）學位論文作者簽名指導教師簽名日期年月日日期年月日本論文屬于華中科技大學碩士學位論文11緒論11課題研究的目的及意義隨著移動通訊事業(yè)的迅猛發(fā)展，移動通信系統(tǒng)經歷了第一代的模擬蜂窩系統(tǒng)、第二代的基于TDMA和窄帶CDMA基礎的數字蜂窩系統(tǒng)，現(xiàn)在已發(fā)展到第三代移動通信系統(tǒng)，例如WCDMA、CDMA2000和TDSCDMA。射頻技術的實現(xiàn)是WCDMA、CDMA和TDSCDMA實現(xiàn)產業(yè)化的關鍵技術之一，這些通信系統(tǒng)旨在為用戶提供高速、大容量和多種服務1。并且隨著無線用戶的飛速發(fā)展和寬帶通信業(yè)務的開展，通信頻段變得越來越擁擠。為了在有限的頻譜范圍內容納更多的通信信道，要求采用頻譜利用率更高的傳輸技術，因此線性調制技術在現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)中被廣泛采用。由于這些線性調制技術具有非恒定包絡、寬頻帶和較高的峰平比等諸多特點，當調制信號通過功率放大器后將產生互調信號失真?；フ{失真對鄰接信道產生不同程度的干擾，而這種互調產物無法用濾波去除，因此第三代移動通信系統(tǒng)對射頻功率放大器的線性度提出了更高的要求，射頻功率放大器的線性校正成為整個系統(tǒng)工作性能的關鍵技術之一。由于隨著信道寬度的減小，頻率利用率的提高，隨之而來的問題就是帶外輻射的增加，加劇了鄰道干擾。出現(xiàn)這種情況的主要原因是在無線通信系統(tǒng)中，存在許多非線性器件，比如放大器、混頻器等，特別是功率放大器，它用于放大高頻信號，并提供足夠高的輸出功率以實現(xiàn)最大輸出，因此功率放大器常常工作在非線性區(qū)甚至工作在飽和區(qū)的附近，此時功率放大器呈現(xiàn)出一定程度的非線性失真。因此，隨著輸入信號功率的增加或者當輸入多載波信號時，待放大的載波信號之間相互作用，產生了互調失真IMD產物。這些互調產物會導致對帶外信號的干擾，并且會對使用功率放大器的系統(tǒng)性能產生有害影響。而且在線性調制方案中，由于信號包絡是起伏的，故對功率放大器的線性度非常敏感，需要對功率放大器的線性化提出了更高的要求。其中射頻的線性化技術和高效率技術是相互矛盾的，對這兩種目標的實現(xiàn)往往決定了功放的其他幾個方面，因而射頻的線性化技術和高效率技術的研究成為業(yè)界的熱點2。目前，在各種線性化技術中，最主要的線性化技術是反饋法FEEDBACK、前饋法FEEDFORWARD、預失真法PREDISTORTION。而效率增強技術即基于提高線性功放效率的技術主要有DORHERTY技術、包絡跟蹤、包絡消除再生技術和自適應偏置技術等。華中科技大學碩士學位論文212國內外研究動態(tài)為了滿足這種對射頻功率放大器線性化的高度要求，線性化技術在國內外得到廣泛的關注，并在手機、基站和衛(wèi)星通信等應用領域進行了深入的研究，發(fā)展出了幾種主要的線性化技術，包括前饋法、反饋法和預失真法。前饋法的基本原理是用兩個環(huán)路分別對消掉載波信號和失真信號來實現(xiàn)線性化。通過比較輸入輸出信號，獲得非線性產物的波形，然后在輸出端，將非線性產物對消掉，從而在輸出端獲得純凈的信號。前饋技術既具有較高校準精度的優(yōu)點，又沒有不穩(wěn)定和帶寬受限的缺點。然而這些優(yōu)點是用高成本換來的，由于在輸出校準時，功率電平較大，校準信號需放大到較高的功率電平，這就需要額外的輔助放大器，而且要求這個輔助放大器本身的失真特性應處在前饋系統(tǒng)的指標之上。當然，校準環(huán)中添加一個輔助功率放大器，總效率會降低，體積增大。前饋系統(tǒng)不僅要求幅度匹配，而且還需要兩條平行通路上的相位和延遲匹配。前饋功放的抵消要求很高，需獲得幅度、相位和時延的匹配，如果出現(xiàn)功率變化、溫度變化及器件老化等均會造成抵消失靈，生產工藝較為復雜3。在上個世紀二十年代，在貝爾實驗室工作的美國人HAROLDSBLACK發(fā)明了反饋的電路形式，并且應用于放大器。這種反饋的電路形式在后來的電路設計中成為了一種非常基礎的實用電路。反饋型功放的線性是以犧牲其增益得到的，且存在不穩(wěn)定和頻帶窄的缺點。預失真線性化法就是在功放前加入預失真器PREDISTORTER，和功放元件PA級聯(lián)，非線性失真功能內置于數字、數碼基帶信號處理域中，其與功放展示的失真數量相當，但功能卻相反，進而抵消功放的非線性，使功放呈線性特性。將這兩個非線性失真功能相結合，便能夠實現(xiàn)高度線性、無失真的系統(tǒng)。預失真法由于結構簡單、成本底、線性化好、對輸出功率影響小而被廣泛采用。根據預失真器在發(fā)射機中的位置，可以分為射頻預失真技術、中頻預失真技術和基帶預失真技術。根據預失真器處理信號的形式，可以分為模擬預失真技術和數字預失真技術4。美國線性器技術公司是線性放大器專業(yè)公司，產品從L,S,C,K到KA波段均有不同功率的行波管及固態(tài)放大器產品，并可根據客戶為已有放大器提供附加線性化器。美國BROVOTECNH公司的TSLPA系列固態(tài)功率放大器模塊輸出功率50W，增益4555DB可調，傳輸16信道時，交調指標可達60DBC。美國POWERWAVE技術公司是低噪聲和高功放生產廠商，已推出了多載波功華中科技大學碩士學位論文3率放大器用于CDMA、PCS和無線蜂窩通信系統(tǒng)，頻段有800、1800和900MHZ，輸出功率50W200W，其中200W功放由4個50W模塊合成，采用前饋技術三階交調7060DB。日本三菱公司信息技術研發(fā)中心采用微波預失真法改善場效應管放大器的線性特性。利用場效應管源極接地時增益隨功率增加而增加，相位則隨功率增加而減小的特性，這正好與接近飽和輸出的功率放大器相反，這種線性化器用于7GHZ飽和輸出功率50W的功放使動態(tài)范圍改善2DB，增益回退3DB。臺灣地區(qū)的天工通訊在04年初推出供80211A/B/G無線局域網使用的線性化功率放大器，不但效率大幅提升，傳輸距離也增長了50。由于線性放大器在微波通信中有非常重要的應用，因此近年來國內對功率放大器線性化技術研究己經開始重視。東南大學、華中科技大學、電子科技大學、浙江大學等院校已經開始了這方面的研究，華為和中興等通信設備公司也進行了線性功放的研制。但由于國內相關研究起步晚，學術研究論文數量與國外相比相差很遠，專利申請更不樂觀，與國外同類產品相比還有不小的差距。隨著線性化技術的發(fā)展，開始逐漸出現(xiàn)了各種線性化技術逐步融合的趨勢。例如前饋技術的載波消除環(huán)中就經常會使用預失真技術，預失真技術中也加入了反饋的方法。現(xiàn)在不僅各種線性化技術之間相互融合，而且數字信號處理技術越來越多地應用到線性化技術中，特別是隨著高速DSP技術的發(fā)展，自適應的思想逐漸被引入到線性化技術中，相應地出現(xiàn)了自適應前饋技術和自適應預失真技術等5，隨著這些技術的相互緊密聯(lián)系和融合，有效地提升了線性功放的線性度。13本文小結和全文安排本文主要內容是有關功率放大器線性化技術研究，目的是針對功率放大器的非線性特性進行分析，進而改善功率放大器線性性能。論文的結構安排如下本論文共分為六章第一章介紹了線性功率放大器研究的意義以及國內外發(fā)展動態(tài)；第二章分析了功率放大器的非線性原理和相關的非線性特性指標；第三章介紹了描述功率放大器常用的三種功放模型AMAM和AMPM轉換、級數展開非線性模型和非線性諧波平衡仿真，并大體分析和評價了目前常見的四種線性化技術反饋技術、LINC技術、前饋技術與預失真技術；第四章闡述了自適應前饋功放系統(tǒng)的設計方案，簡要介紹了有關自適應前饋功華中科技大學碩士學位論文4放系統(tǒng)的仿真和測試等工作；第五章是介紹了三種常見實現(xiàn)預失真技術的方法三階模擬預失真、基于查找表法預失真和多項式法預失真，并分別對這三種方法進行了仿真和相關的研究工作；第六章總結了全文工作。華中科技大學碩士學位論文52功率放大器非線性原理理論分析21放大器非線性失真的原因及表現(xiàn)形式理想的放大器是線性的，其傳遞函數為|EXPHJHJJ，其中|HJ為常數，J也為常數，系統(tǒng)存在固定的放大倍數和固定的群時延。采用輸入輸出表示為YTGXT，YT為一個線性方程。如果對于非線性系統(tǒng)，不能簡單地用上述傳遞函數來描述，此時輸出是輸入信號的非線性函數YTTXT。YT與XT之間僅在XT較小的時候是線性的，在XT較大時則偏離線性，這種偏差稱為非線性失真,見圖21。當微波功率放大器工作在大信號情況時，其幅度和相位特性的非線性會引起信號失真，產生互調和相位噪聲等。XTYTGXTX圖21線性系統(tǒng)失真211AMAM和AMPM轉換由于電壓是具有幅度和相位的矢量，如果將輸出電壓的幅度和相位分別與輸入電壓的大小相關，則即是AMAM和AMPM特性6，也就是AMAM用來表示輸出電壓幅度隨輸入電壓幅度的變化關系，AMPM用來表示輸出電壓相位隨輸入對應幅度的變化關系，AMAM和AMPM轉換見圖22。華中科技大學碩士學位論文6實際響應理想響應DBDB0輸入功率輸出功率理想線性輸出相位曲線實際輸出相位曲線DBDB0輸入功率輸出信號相位圖22AM/AM失真和AM/PM失真212諧波失真非線性系統(tǒng)的一個顯著特征就是它能產生一個激勵頻率和一些激勵頻率的諧波,通?？梢园逊蔷€性系統(tǒng)的輸出電壓用其輸入電壓的冪級數來表示,見圖23，其表達式見21。非線性系統(tǒng)EITEOT圖23單一信號的輸入輸出頻譜0NONINETAET21式21中OET為系統(tǒng)的輸出信號，IET為系統(tǒng)的輸入信號。通常情況下，非線性相同是指比較輕微偏離理想線性的相同。它們的輸入輸出特性如需要達到一定的精度，需要取前三項（不包括直流項），見22。23123OIIIEAEAEAE22假設輸入信號是簡單的射頻信號為1COSIFTAT，那么輸出可表示為22232131213131COSCOS2COS3244OAAFTAAATAATAAT23從上式23可知，輸出信號不僅有角頻率為1的基波項，還包含了直流項以及與基波角頻率成整數倍的各次諧波項1N（N為正整數）的各次諧波分量?；ǚ至渴怯筛髌娲雾棶a生，二次諧波是由二次及二次以上的偶次項產生，三次諧波是由三次及三次以上的奇次項產生等等。射頻放大器一般都是頻帶放大器，這些諧波由于離基波較遠，一般都可以濾除，因此諧波對放大器的影響不是太大。華中科技大學碩士學位論文7213互調失真在通信技術中，信號頻帶內的任意兩個頻率以上的頻率激勵信號通過傳輸電路（如放大器，混頻器等）時，由于傳輸電路的非線性作用，會產生出原有的這些頻率以及再加上無數個由這些頻率所組成的新的頻率，這種現(xiàn)象稱為互調。這些頻率分量如果落在信號頻帶內，就形成互調失真，原激勵信號的頻率新組成的頻率成分就被稱之為互調分量。當它們對系統(tǒng)產生不良作用時，就稱之為互調干擾7?，F(xiàn)在對互調失真產生的過程進行分析。假設輸入信號為兩個頻率成分的信號所組成，即輸入信號為12COSCOSIFTATBT，將此信號通過23123OIIIEAEAEAE的系統(tǒng)來進行分析，其輸出為22221122121233332222312112COSCOSCOSCOS2COSCOSCOSCOS3COSCOS3COSCOSOFTKATBTKATBTABTTKATBTABTTABTT24112COSCOSKATBT為輸入信號的放大信號；222221212COSCOS2COSCOSKATBTABTT為二次失真產生的信號；33332222312112COSCOS3COSCOS3COSCOSKATBTABTTABTT為三次失真所產生的信號。為了更清晰地分析二次、三次失真，將二次、三次失真所得到表達式展開222221212COSCOS2COSCOSKATBTABTT22221221212COS2COS2COSCOS2222ATBTABABT33332222312112COSCOS3COSCOS3COSCOSKATBTABTTABTT323233312122212121212333311COSCOSCOS3COS3424244COS2COS2COS2COS244AABBABKTTATBTABTTABTT25由上式24，25可見，輸出信號包括直流分量、基波1和2、二次諧波12和22、三次諧波13和23，以及頻率為12的二次互調成分和頻率為122、212的三階互調成分等分量?？梢钥吹皆诠ぷ黝l帶小于一倍頻程的系統(tǒng)中，所有12、22、122、212以及13和13都在通帶之外，可以通過使用合適的濾波器濾除這些分量，然而所有華中科技大學碩士學位論文8頻率為122、212的三階互調成分卻在了通帶之內，無法通過濾波器將它們?yōu)V除，這些三階互調成分并且會影響基頻1和2。214交調失真交調失真是具有不同頻率的兩個或更多的輸入信號經過功率放大器而產生的混合分量，它是由于功率放大器的非線性造成的。若輸入1個信號，其角頻率分別是1、2、N，由于功率放大器的非線性作用，輸出分量中將包含許多混合分量12NMNP,M,N,P0,1,2,26式26中的分量分別稱為（MNP）階交調分量。功率放大器的非線性越強，交調分量越大。交調分量的大小可以用交調系數表示，假如輸入1個等幅信號，MP階交調系數可以表示為1210LG10LG10LGMPMPMPMPNPPPMDBC27式中，1P、2PNP分別對應著基波功率，MPP為MP階交調功率。若輸入放大器的是兩個等幅的正弦信號1和2，由于非線性作用將產生許多互調分量，其中的122和212兩個頻率分量稱為三階交調分量，其功率3P和信號1或2的功率之比稱三階交調系數3IM。22放大器非線性特性的描述指標2211DB壓縮點功率放大器存在一段線性動態(tài)范圍，在這個線性區(qū)內，放大器的輸出功率隨輸入功率線性增加。當輸入功率較小時，輸出功率與輸入功率的比值是一個常數，即為線性關系。所以功率放大器以小信號工作時，其增益與輸入功率大小無關。但隨著輸入功率的增大，輸出功率與輸入功率的比值將減小，即出現(xiàn)增益壓縮現(xiàn)象，輸出功率與輸入功率的比值的關系曲線逐漸彎曲。當輸入功率加大到某一數值時，放大器的輸出功率達到最大，以后就不再增加，這點就稱為功率放大器的飽和點。很顯然，如果微波功率放大器上工作在飽和點附近，就會出現(xiàn)嚴重的非線性失真。當微波功率放大器增益比小信號的線性增益低1DB時，這一點通常稱為1DB壓縮點，此時的增華中科技大學碩士學位論文9益稱為1DB壓縮點增益，記做1DBG8。對應于該點的輸出功率稱為輸出1DB壓縮點功率，記做1DBP，見圖24。典型情況下，當功率超過1DBP時，增益將迅速下降并達到一個最大或完全飽和的輸出功率，其值比1DBP大34DB。輸出1DB壓縮點功率是輸出功率的性能參數，壓縮點越高意味著輸出功率越高。1DBP越大的器件，其線性化程度越好，非線性失真程度越低；反之，則其非線性失真越嚴重。當系統(tǒng)為非線性時，由23可得基波的增益為31331333420LG20LG4AAAAGAAAA28對大多數器件來說，都有3A0，故其輸出基波分量的增益要比線性時輸出的增益小，即會出現(xiàn)增益壓縮的現(xiàn)象。輸入功率輸出功率DBDBP1DB圖241DB壓縮點示意圖222三階互調系數由于三階互調分量對系統(tǒng)的影響最大，故衡量一個非線性系統(tǒng)時，通常把三階互調分量的大小，當作為重要的衡量指標，通常選用的是三階互調分量與基波的幅度比，即三階互調系數IM3。三階互調系數能比較方便地用來分析信號通過非線性系統(tǒng)引起的頻譜畸變和非線性干擾，也是最常用的衡量非線性程度的重要指標。依式24和25的信號輸出有23313213333333/4446ABKIMABKAKKAABKAKABK29華中科技大學碩士學位論文10223三階交調系數放大器在大功率時呈現(xiàn)非線性，如果有兩個相近的頻率1和2信號，通過放大器，則將產生新的組合頻率，一般表示為12MN，最靠近1和2的頻率分量為122和212，由于這兩個頻率分量在放大器的通帶內難于濾除，故以它們的幅度與基波幅度之比也常用來衡量放大器非線性失真的程度。一般稱122及212兩個頻率分量的幅度為三階交調幅度，見圖25。定義三階交調系數IMD為IMDDBC三階交調幅度輸出基波幅度。在通信系統(tǒng)的非線性度量上，交調系數是一個很重要的衡量指標之一。F1F22F1F22F2F13F12F23F22F1F1F22F12F2IM3圖25三階交調系數224鄰近信道功率比鄰近信道功率比ACPR度量了干擾或者說是相鄰頻率信道功率的大小。通常定義為相鄰頻道（或偏移）內平均功率與發(fā)射信號頻道內的平均功率之比，ACPR描述了由于發(fā)射機硬件非線性造成的失真大小。鄰道功率的產生主要來自兩個方面，一是由于器件的非線性作用產生；二是由于主信道信號本身頻譜較信道寬。23本章小結本章主要分析了功率放大器的非線性失真原理和表現(xiàn)形式以及相關的非線性特性指標。功放非線性失真表現(xiàn)形式有諧波失真、互調失真和交調失真等，而描述功放非線性特性的指標有1DB壓縮點功率、三階互調系數、三階交調系數和ACPR等。華中科技大學碩士學位論文113微波功率放大器的線性化技術31功率放大器非線性模型功率放大器在本質上是非線性的，即輸出信號中包括了非線性引起的失真分量。根據器件的大體特性，可將其分為無記憶器件和有記憶器件。若功率放大器是無記憶器件，即假設輸入信號的帶寬足夠小，則可以把其看成無記憶非線性器件，其非線性失真主要考慮調幅調幅AMAM變換失真和調幅調相AMPM變換失真。弱非線性可用泰勒級數模型來描述和分析。如果功率放大器需要考慮器件的記憶特性，則需用VOLTERRA級數和諧波平衡法等方法來描述和分析。VOLTERRA級數適用于小信號激勵的弱非線性電路，諧波平衡法主要用于大信號激勵的強非線性電路。在本文的所有分析中假設所研究的功率放大器均為無記憶效應的。311AMAM/AMPM模型假設不考慮記憶效應，只考慮功率放大器兩種類型的非線性特性，將把輸出信號中的幅度和相位失真看成是由輸入信號幅度變化引起的，即調幅調幅AMAM變換和調幅調相AMPM變換9。如果用串聯(lián)方式表示功放的AMAM和AMPM變換特性，即可得到極坐標形式的非線性模型10。設單頻輸入信號COS2ICVTVTFTT，該信號通過非線性功放時，得到輸出信號COS2OCVTFVTFTTGVT31式中FVT是輸出信號幅度，TGVT是輸出信號的相位，它們是輸入信號幅度VT的函數，式31被稱為是AMAM和AMPM模型的極坐標形式。通過對式31所示的極坐標非線性模型進行變形，可以得到正交形式的模型，從而避開了較復雜的AMPM轉換特性。式31進行展開后可表示為COSCOS2SINSIN2OCCVTFVTGVTFTTFVTGVTFTT32式32可以寫成如下的正交形式COS2SIN2OCCVTIVTFTTQVTFTT33華中科技大學碩士學位論文12上式中的IVT和QVT分別定義為COSSINIVTFVTGVTQVTFVTGVT34根據式34可得到如圖31所示的正交非線性模型框圖。IVTQVT90O圖31正交坐標非線性模型圖312級數展開非線性模型對于非線性系統(tǒng)，可通過各種基函數對其進行展開，進而得到簡單描述的參數模型，這樣可以提高運算的速度。目前對射頻功放非線性模型的展開方法有許多，如泰勒序列、SALEH函數和記憶型VOLTERRA級數等11。1泰勒級數模型該種模型也稱為多項式無記憶性模型。如果放大器輸出信號是其輸入信號的瞬時函數，即功率放大器為無記憶，且非線性很弱時，則輸出信號OVT可用輸入信號INVT的泰勒級數表示為2121NNOINNNVTFVTCTXTCTXTCTXT35如果同時還存在AMPM失真，則需用復數泰勒級數表示為1NNONNVTAJBXT36一般級數在N處截斷，INFVT為單值、弱非線性，通過恰當地取級數合適的若干階代替功放的非線性。泰勒級數分析簡單，在定量分析放大器的諧波、三階互調截點、1DB壓縮點等指標時非常方便。2SALEH函數模型當放大器工作在非線性區(qū)域時，有兩個畸變發(fā)生，一個是因輸入的幅度引起的輸出信號在幅度上的畸變ARTAM/AM，另一個是因輸入的幅度引起的輸出信號在相位上的畸變RTAM/PM。SALEH模型包含AM/AM變換和AM/PM變換，并采用兩個參數和構成數學方程對非線性放大器的幅幅特性和幅相特性進行建模，不華中科技大學碩士學位論文13同的和值可以得到不同功率放大器模型。半導體企業(yè)通常將這兩個參數定為功率放大器的技術指標12，SALEH模型也是在文獻中最常用于對各種類型的功率放大器進行模擬的模型,一般將其成為參考模型或者標準模型。假設放大器的輸入信號為COSIVRTTT，其中RT為輸入信號的調制包絡，為信號載波頻率，T為輸入信號調制初始相位，得到的輸出信號為COSOVARTTTRT?？梢钥闯鯝MAM特性和AMPM特性分別由ART和RT表示，其SALEH模型函數為2211AARTARTRTRTRTRT373記憶效應VOLTERRA級數對于有記憶效應的模型，通常采用VOLTERRA級數來表示。VOLTERRA級數模型可以準確地描述任何一種非線性系統(tǒng)，是分析實際可實現(xiàn)非線性系統(tǒng)或電路的通用方法，在計算小信號、無記憶非線性電路時同泰勒級數無任何區(qū)別13。VOLTERRA級數方法采用顯式表示激勵和響應關系的電路傳遞函數，考慮輸入各頻率之間的互相影響，把系統(tǒng)劃分為無窮個VOLTERRA級數相加形式實際取多少階，則根據具體的電路情況而定，一般35階。系統(tǒng)時域框圖如圖32，VOLTERRA級數系統(tǒng)模型如圖33所示。非線性系統(tǒng)XTYT圖32系統(tǒng)時域框圖N123H,NJJJJN123H,JJJN12H,JJN1HJXJYJ圖33VOLTERRA級數系統(tǒng)模型華中科技大學碩士學位論文14VOLTERRA模型的數學描述如下0NNYTYT38其中NYT為系統(tǒng)的N次諧波階躍響應，其定義為11,21,NNNNNYTHXTXTDD39式39中，1,2,NNH為N階VOLTERRA核。0H表示系統(tǒng)對直流信號的沖擊響應，1H表示系統(tǒng)對一次諧波的沖擊響應，2H表示系統(tǒng)對二次諧波的沖擊響應，NH表示系統(tǒng)對N次諧波的沖擊響應。故系統(tǒng)對輸入信號的響應可以由這些VOLTERRA核完全表示。VOLTERRA最大的優(yōu)點是可以描述在系統(tǒng)中存在的各階失真，能夠非常準確地，從數學上講，是完全等價地表述任何非線性系統(tǒng)。通過對模型非線性系統(tǒng)的微分方程進行傅氏變換得到各階VOLTERRA傳遞函數，只需用線性電路的分析方法便可進行求解各種非線性指標，簡化了非線性失真的研究工作。但不足的是從試驗數據中獲得VOLTERRA核非常困難，而且系統(tǒng)的收斂速度較慢。313非線性諧波平衡模型諧波平衡法是在頻域內仿真電路性能的一種方法，對于線性部分電路就可直接在頻域內求得穩(wěn)態(tài)解；而對于非線性電路，則需要先通過傅里葉反變換轉化到時域內，在時域內完成非線性電路方程求解后，再轉換到頻域內得到整個系統(tǒng)頻域響應特性14。諧波平衡法主要用于單頻大信號激勵的非線性電路。電路的非線性越強，所需平衡的諧波數就越多，計算量就越大。它的優(yōu)點是具有運算速度快、收斂精度高等15。32功率放大器線性化技術簡介為了消除射頻功率放大器的非線性失真，必須采用一些可靠的線性化技術。功率放大器的線性化技術起源于上世紀六十年代，當時主要用于中頻、高頻和超高頻通信系統(tǒng)中；后來應用于微波射頻通信領域16。需要多大的線性取決于鄰近信號功率比ACPR可以接受的數值。常用到的功率放大器的線性化技術主要有前饋技術、LINC（LINEARAMPLIFICATIONWITHNONLINEARCOMPONENTS）、反饋技術和預失真技術。華中科技大學碩士學位論文15從線性化技術從原理上來分，主要有兩個大類一類是通過獲得功率放大器非線性特性來消除功率放大器輸出信號中的互調干擾分量，這類線性化技術主要包括前饋技術、負反饋技術和預失真技術等；另一類是通過輸入幅度恒定的信號給功率放大器來避免非線性失真，如LINC。對放大器進行線性化的方法很多，一般而言，可以分為三大類反饋、前饋和預失真。每類中都包含很多種具體的線性化方法，見表31，其中有些線性化方法是多種技術的合并，本文重點在于論述前饋法和預失真法。表31常用線性化技術反饋前饋預失真RF反饋極性環(huán)笛卡爾環(huán)自適應數字基帶預失真EER法前饋法LINC法RF/IF預失真自適應數字基帶預失真321反饋線性化技術反饋技術是減小放大器失真的最簡單一種的線性化技術，在低頻電子技術領域中對失真抵消具有明顯的效果，電路結構也比較簡單，只是工作頻帶窄，反饋原理框圖如圖34所示。1/K輸入信號輸出信號AXTYT圖34反饋線性化系統(tǒng)原理框圖應用在射頻頻段的反饋技術還可以分為直接反饋技術和調制反饋技術。直接反饋技術是將RF輸出信號直接反饋到輸入端，通過反饋來達到對交調產物的抑制。直接反饋法常用于低功率放大器，其應用受到工作頻率和輸出功率的很大限制，反饋環(huán)上的有限時延限制了帶寬，而且這種方法難以實現(xiàn)多級反饋。調制反饋技術是利用檢波或解調來恢復基帶調制信號和功放輸出信號，然后利用基帶信號與輸出信號之間的誤差來校正放大器的驅動或控制信號。簡單的調制反饋系統(tǒng)一般僅僅是幅度反饋，較高級的系統(tǒng)則需要校正幅度和相位。跟直接反饋相比，華中科技大學碩士學位論文16由于調制反饋系統(tǒng)反饋到輸入端的信號是用于調制，故在反饋程度比較深的情況下，仍然可以得到穩(wěn)定的工作點。調制反饋技術具體的實現(xiàn)方法有很多，如包絡消去與恢復技術、極化環(huán)技術和笛卡兒環(huán)技術等17。1包絡消去與恢復技術包絡消去與恢復技術（EE正交調制濾波器濾波器正交調制輸入信號S非線性功率放大器非線性功率放大器信號分量分離器本振信號合成器S1S2輸出信號圖38LINC線性化系統(tǒng)原理框圖華中科技大學碩士學位論文19設輸入信號為COS2CSTATFTT，令MA為輸入信號ST分解后兩個等幅矢量的幅度值，該信號可分解為兩個等幅度但相位不同的信號，則經過信號分量器的兩路信號1ST和2ST分別表示為1COS2MCSTATFTTT3102COS2MCSTATFTTT311令ARCCOS/MTATA,使得12/2STSTST。從以上分析可得出，要從輸入信號中分離出兩組恒包絡的信號是比較困難的，LINC技術對兩條路徑上信號幅度和相位的不平衡十分敏感，這種不平衡會導致臨道干擾增加，故LINC技術不容易實現(xiàn)，進而影響了這項技術的應用。323前饋線性化技術在改善功率放大器非線性的方法中，前饋技術是經常使用的方法之一，也是目前放大器線性化技術中最先進、發(fā)展得最為迅速的方法。前饋技術在國外已得到較為廣泛的應用，但在國內它還處于起步階段。前饋線性化技術的系統(tǒng)原理框圖如圖39所示射頻輸入信號延時器2衰減器主功率放大器延時器1互調干擾輔助功率放大器誤差抵消環(huán)路載波抵消環(huán)路主放大支路抵消支路圖39前饋線性化系統(tǒng)原理框圖前饋線性化系統(tǒng)由兩個環(huán)路構成，主功率放大器、衰減器、合成器、延時器1組成載波抵消環(huán)路，其作用是抵消放大器的主載頻信號；延時器2、衰減器、輔助功率放大器、合成器組成誤差抵消環(huán)路，其作用是抵消主放大器非線性產生的交調分量，改善功放的線性度。在圖39中，上面一路為主放大支路，下面一路為抵消支路。前饋線性化系統(tǒng)工作原理如下射頻信號輸入后分成兩路，一路進入主功率放大器所在的主放大支路，由于主功率放大器的非線性，其輸出信號除了有需要放大的華中科技大學碩士學位論文20主載頻信號外，還有非線性產生的互調干擾分量。主功率放大器輸出的部分信號經衰減器調節(jié)幅度，與抵消支路的經過延時器1延時的輸入信號在合成器中疊加，使主載頻信號完全抵消，只剩下反相的互調干擾分量?；フ{干擾分量經輔助功率放大器放大后與經延時器2延時的主功放輸出信號疊加，抵消主功率放大器的互調干擾分量干擾，從而得到線性的放大信號18。前饋線性化技術性能穩(wěn)定、帶寬較寬。理論上，前饋技術很好地消除二階和三階非線性分量，對功放線性度的改善是目前較好的一種線性化技術，但在實現(xiàn)時必須要精確設計前饋環(huán)中的相位、幅度的平衡度。324預失真線性化技術隨著數字移動通信技術的飛速發(fā)展，預失真線性技術應用也越來越廣泛。預失真技術是在信號放大之前對信號按照一定的規(guī)律進行“預失真”，以便使得最終輸出信號中的失真分量盡可能地小，對功率放大器的線性化起到很好的效果。根據預失真對象信號的不同，可以把預失真法分為射頻預失真和基帶預失真19。模擬預失真的基本思想就是用非線性器件模擬產生線性器件的非線性成分，進而對消掉非線性成分。射頻預失真一般采用模擬電路來實現(xiàn)，具有電路結構簡單、成本低、易于高頻、寬帶應用等優(yōu)點，缺點是頻譜再生分量改善較少、高階頻譜分量抵消較困難。不過模擬預失真方案較前饋和數字預失真方案來說，雖然其線性改善程度無法達到相同的水平，但模擬預失真方案的技術難度低，體積小，成本低等優(yōu)點非常明顯20。雖然模擬預失真對于高功放的線性改變有限，但是這樣的線性改善對于提高系統(tǒng)的效率卻是很重要的。數字預失真比較適合于基站和手機等功放設計。數字預失真器由矢量增益調節(jié)器組成，通過優(yōu)化查找表LUT的內容來控制輸入信號的幅度和相位。從原理上講，基帶預失真技術也是對輸入信號進行預失真，以達到線性化功率放大器的目的。但基帶預失真一般在數字域內完成輸入信號的預失真處理，這是與采用模擬器件實現(xiàn)預失真技術的本質區(qū)別。數字基帶預失真的優(yōu)點是工作頻率低，可以通過數字電路實現(xiàn)，適應性強，其缺點在于線性度略低于前饋技術，但是目前兩者的水平已經比較接近。數字預失真技術沒有廣泛應用的主要原因在于功率放大器的非線性失真特性會隨時間、溫度以及偏壓BIASING的變化而變化，因器件的不同而不同21，從而使得不易建立良好的非線性特性模型。華中科技大學碩士學位論文21現(xiàn)歸納一下本文介紹的幾種線性化方法，雖然每種方法都各有優(yōu)缺點，但可從以下幾個方面對其進行綜合評價，包括線性化方法的線性化帶寬，可達到的功率效率，對放大器非線性變化的自適應性以及實現(xiàn)成本，評價結果如表32所示表32線性化技術性能對比表線性化技術反饋LINC前饋預失真線性化帶寬窄中等寬中等功率效率一般較高較高較高自適應較高較差較差較高實現(xiàn)成本一般一般較高較低從表32看出，前饋和數字預失真是線性功放設計中經常采用的兩種方案。經過多年的研究發(fā)展，這兩個方案都能得到很好的線性改善，但其技術難度高，成本昂貴，需要許多外圍元器件，功放的體積一般也很龐大。模擬預失真方案較前饋和數字預失真方案來說，雖然其線性改善程度無法達到相同的水平，但也有相當好的表現(xiàn)，模擬預失真方案的技術難度低、體積小、成本低等優(yōu)點是非常明顯的。前饋、模擬預失真和數字預失真是當今應用最為廣泛的三種功放線性化技術。33本章小結本章主要介紹了描述功率放大器常用的三種功放模型AMAM和AMPM轉換、序列展開非線性模型和非線性諧波平衡模型，分析和評價了當今主要用于改善放大器線性度的線性化技術反饋技術、LINC技術、前饋技術和預失真技術。華中科技大學碩士學位論文224自適應前饋傳統(tǒng)前饋功率放大器雖然有很高的線性度，但是傳統(tǒng)前饋功率放大器性能會隨著環(huán)境溫度的改變、器件的老化、輸入功率的變化以及頻率的漂移而變化，因此對系統(tǒng)的控制顯得尤其重要22。自適應前饋放大器能實時地對前饋放大器系統(tǒng)進行控制，使放大器始終上作在最佳狀態(tài)。實驗室以自適應正向前饋超線性功率放大器研究為題申請了2006年湖北省科技攻關項目，本節(jié)即是自適應前饋功率放大器的相關研究內容。41自適應正向前饋線性功放總體方案本項目設計的自適應前饋線性功率放大器應用在WCDMA通信系統(tǒng)的基站中，功率增益設計為45DB，輸出功率要求達到35DBM，線性指標為用三階互調衡量要求達到40DBC。自適應前饋功率放大器系統(tǒng)框圖如圖41所示。VMTFROMDSPVECTORMODULATORMAINAMPLIFIERDELAYLINEVMVECTORMODULATORTDELAYLINEERRORAMPLIFIERTVMTVEDOWNCONVERTA/DRSPDSPPILOTGENERATORRFINRFOUTPDPREDISTORTORFROMDSPTVOADAPTIVECONTROL圖41自適應前饋功率放大器系統(tǒng)框圖華中科技大學碩士學位論文23整個系統(tǒng)由四部分組成射頻單元、下變頻單元、多路RSP單元、DSP單元。其中，射頻單元主要包括預失真器、信號抵消環(huán)路、誤差抵消環(huán)路、導頻信號發(fā)生器、AB類主功率放大器、A類誤差放大器和矢量調制器等；下變頻單元包括多路模擬下變頻器、多路中頻放大電路、多路低相噪高穩(wěn)定度頻率合成器等；RSP單元包括多路高速ADC、多路數字正交解調器、數控振蕩器NCO、信道抽取濾波器、軟件加載與控制接口等；DSP單元包括多路信號預處理單元、子帶信號抽取單元、梯度信號并行計算單元、導頻信號分析單元、輔助參數計算單元、射頻預失真參數計算單元、多路DAC輸出與控制執(zhí)行單元等。42射頻組件模塊方案射頻組件包括兩個環(huán)路和下變頻電路，環(huán)路根據功能分為載波信號抵消環(huán)路和誤差抵消環(huán)路，如圖42所示，本節(jié)主要研究這兩個環(huán)路。1載波信號抵消環(huán)路3DB功分器、矢量調制器VM1、主功放、輔助功率放大器1、輔助功率放大器2、耦合器1、耦合器2、延時線、衰減器、功率合成器；2誤差抵消環(huán)路矢量調制器VM2、輔助功率放大器3、誤差放大器、耦合器3、耦合器4、延遲線。RFINVM1TFROMDSPVECTORMODULATORMAINAMPLIFIERDELAYLINEVM2VECTORMODULATORTFROMDSPDELAYLINEERRORAMPLIFIERRFOUT載波抵消環(huán)路誤差信號抵消環(huán)路上支路CATTFEGDC1C2下支路上支路下支路A_AMPLIFIER2A_AMPLIFIER3A_AMPLIFIER1L2圖42自適應正向前饋線性功率放大器射頻模塊框圖射頻組件工作原理前饋線性化功放按功能又可分為自適應控制單元和射頻單元，線性化技術原理體現(xiàn)在射頻部分。信號進入系統(tǒng)后分為兩路主支路和參考支路。載波抵消環(huán)的目的是從主功放的輸出中抵消掉載波信號，提取出主功放的失真信號（包括線性失真和非線性失真）。通過選擇耦合器和固定衰減器的值，精確調節(jié)矢量調制器，使得在合路器處，主功放輸出信號的幅度和參考支路的信號幅度一致，華中科技大學碩士學位論文24而相位相反，則主支路和參考支路中的信號疊加時，載波信號將被抵消。參考支路的延時線可以用來補償寬帶信號經過功放后的群延時。誤差抵消環(huán)的目的是抵消主功放輸出信號中的失真信號，只留下功放的線性分量。同樣，通過選擇誤差放大器的增益和輸出合路器的值，細微調整誤差抵消環(huán)中矢量調制器，使誤差信號的幅度和主功放失真信號的幅度相等，相位相反，主支路和參考支路中的失真信號成分將被抵消23。主支路的延時線可用來補償寬帶信號經過誤差功放的群延時。現(xiàn)分析圖42自適應正向前饋線性功率放大器射頻模塊框圖。載波信號抵消環(huán)路雙頻的輸入信號經功分器被分為等幅且同相的兩路信號，饋入上、下兩路。在上支路，經矢量調制器VM1后送至主功率放大器放大，其輸出信號譜如圖42中C點所示，C點輸出信號經定向耦合器取出部分功率，再經固定衰減器ATT后送入功率合成器，頻譜如圖42中D點。在下支路，由功分器分出的輸出信號，經延時線L1延時后，再經過輔助功率放大器放大后，送入功率合成器，其頻譜如圖42中E點。通過調整上支路中矢量調制器的衰減量和相移量，調整信號的幅度和相移量，使D和E兩點的主譜信號幅度相等，相位相反，經功率合成器相加，從而使得輸出信號譜中的主功率譜大部分被抵消掉。需精確調整兩路信號的幅度和相位，以達到輸出譜信號中主譜分量低于互調分量。誤差抵消環(huán)路主功率放大器輸出的高功率信號，經定向耦合器C1，延時線L2和定向耦合器C2輸出。環(huán)路I中提取的互調分量如圖42中F點，經矢量調制器VM2調整其幅度及相位，再經誤差信號放大器后由定向耦合器C2饋入主路。耦合后要保證兩者幅度相同、相位相反，使得總輸出信號中不含失真信號，最終得到的互調分量抑制優(yōu)于45DBC。43前饋系統(tǒng)電路仿真431雙音信號輸入前饋系統(tǒng)仿真1載波抵消環(huán)路仿真仿真原理圖43為系統(tǒng)仿真模型，矢量調制器采用一個衰減器和一個相移器串聯(lián)代替，延時線的插損用衰減器代替。輸入雙音信號F12139MHZ；F22141MHZ；POWER8DBM，調整衰減和相移，觀察功率合成器輸出載波情況，使得載波信號最小。華中科技大學碩士學位論文25圖43前饋系統(tǒng)信號抵消環(huán)ADS拓撲圖圖43中，輸入信號采用雙音信號，其輸入頻率為2139GH