華中科技大學(xué)碩士學(xué)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(dǎo)致無線信道產(chǎn)生非線性的重要因素，功率放大器線性化技術(shù)是目前移動通信領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)?；诖艘?，本文將重點(diǎn)研究功率放大器的線性化技術(shù)。本文在廣泛地探究了功率放大器的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)研究了功率放大器線性化技術(shù)中廣泛應(yīng)用的前饋?zhàn)赃m應(yīng)技術(shù)和有著良好應(yīng)用前景的預(yù)失真技術(shù)。在前饋部分，本文提出了一種自適應(yīng)前饋技術(shù)，并闡述了自適應(yīng)正向前饋線性功放的總體設(shè)計(jì)、仿真和測試。從試驗(yàn)結(jié)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(diǎn)研究了模擬預(yù)失真和數(shù)字預(yù)失真。在模擬預(yù)失真部分，提出了一種三階模擬預(yù)失真器的實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)方案，從理論上分析了其可能性，并通過仿真表明此種設(shè)計(jì)明顯地降低了交調(diào)互擾；在數(shù)字預(yù)失真部分，分別研究了基于查找表和多項(xiàng)式法的數(shù)字預(yù)失真技術(shù)。在基于查找表的預(yù)失真技術(shù)部分，采用了最陡下降法算法對查找表進(jìn)行自適應(yīng)更新。在多項(xiàng)式預(yù)失真技術(shù)部分，采用了多項(xiàng)式方法對功放非線性進(jìn)行補(bǔ)償。這兩種預(yù)失真方案表明了預(yù)失真技術(shù)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(shù)。本文旨在研究常用的功率放大器線性化技術(shù)的大體設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)及仿真試驗(yàn)工作。研究表明，這些常用的線性化技術(shù)較好地改善了功率放大器的線性度。關(guān)鍵詞功率放大器線性化前饋預(yù)失真仿真華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文IIABSTRACTLINEARITYOFTRANSMITSCHANNELISENDUEDWITHNEWREQUIREMENTSINTHESECONDANDTHETHIRDGENERATIONCOMMUNICATIONSYSTEMANDPOWERAMPLIFIERISTHELEADINGFACTOROFTHENONLINEARITYOFTRANSMITSCHANNELTHELINEARIZATIONOFPOWERAMPLIFIERHASBEENTHEHOTSPOTFORCURRENTMOBILECOMMUNICATIONRESEARCHBEASUSEOFTHIS,THISTHESISMAINLYDISCUSSESTHELINEARIZATIONOFPOWERAMPLIFIERBASEDONTHECOMPREHENSIVESTUDYOFRADIOPOWER,THISDISSERTATIONFOCUSESONFEEDFORWARDANDPREDISTORTION,WHICHAREMOSTCOSTEFFECTIVEWAYSAMONGALLLINEARIZATIONTECHNIQUETHISTHESISSUMMARIZESTHEDOMESTICANDFOREIGNDEVELOPMENTOFLINEARPOWERAMPLIFIERSYSTEMICALLY,ANALYZESTHENONLINEARCHARACTERISTICOFPOWERAMPLIFIER,INTRODUCESANDCOMPARESLINEARTECHNOLOGIESUSEDWIDELY,SUCHASFEEDBACK,PREDISTORTION,FEEDFORWARDANDLINCINTHESEGMENTOFTHELINEARIZATIONOFPOWERAMPLIFIER,FIRSTLYINTRODUCESTHEPROJECTABOUTADAPTIVEFEEDFORWARDPOWER,GIVESANADAPTIVEFEEDFORWARDPOWERAMPLIFIERSCHEME、DESIGN、SIMULATIONANDTESTTHERESULTSHOWSTHATTHEKILLOFERRORSIGNALISOBVIOUSINADAPTIVEFEEDFORWARDPOWERAMPLIFIERFROMTESTRESULTTHENITALSORESEARCHESTHEANALOGPREDISTORTIONTECHNIQUEANDTHEDIGITALPREDISTORTIONTECHNIQUEINTHESEGMENTOFANALOGPREDISTORTION,ITINTRODUCESSOMEDESIGNANDRESEARCHWORKABOUTTHIRDORDERDISTORTIONGENERATORMODEL,ILLUSTRATESTHEFEASIBILITYINTHEORYTHEANALYSISOFTHESIMULATIONINDICATESTHEDESIGNIMPROVESINTERMODULATIONDISTORTIONOBVIOUSLYTHESEGMENTOFDIGITALPREDISTORTIONRESPECTIVELYRESEARCHESTHESIMPLEMODELOFADAPTIVEPREDISTORTIONBASEDONLOOKUPTABLEANDPOLYNOMIALTHEMETHODOFSTEEPESTDESCENTAREAPPLIEDTOUPDATETHECONTENTINTHELOOKUPTABLEANDTHENONLINEARITYOFPOWERAMPLIFIERISCOMPENSATEDBYUSINGPOLYNOMIALTECHNIQUETWOPREDISTORTIONDESIGNSSHOWTHATPREDISTORTIONTECHNIQUEIMPROVESTHENONLINEARITYOFTHEPOWERAMPLIFIER,ANDITISCOSTEFFECTIVELINEARIZATIONTECHNIQUETHISARTICLEAIMSTORESEARCHTHEMAINDESIGNANDSIMULATIONOFTHECOMMONLINEARTECHNOLOGIESOFPOWERAMPLIFIER,ANDTHERESEARCHSHOWSTHEYHAVESOMEEFFECTTOIMPROVETHECAPABILITYOFPOWERAMPLIFIERKEYWORDSPOWERAMPLIFIERLINEARITYFEEDFORWARDPREDISTORTIONSIMULATION獨(dú)創(chuàng)性聲明本人聲明所呈交的學(xué)位論文是我個人在導(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，除文中已經(jīng)標(biāo)明引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果。對本文的研究做出貢獻(xiàn)的個人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識到，本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。學(xué)位論文作者簽名日期年月日學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，即學(xué)校有權(quán)保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)華中科技大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。保密，在_年解密后適用本授權(quán)書。不保密。（請?jiān)谝陨戏娇騼?nèi)打“”）學(xué)位論文作者簽名指導(dǎo)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(xué)碩士學(xué)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(jīng)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(chǔ)的數(shù)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(shù)的實(shí)現(xiàn)是WCDMA、CDMA和TDSCDMA實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵技術(shù)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(wù)1。并且隨著無線用戶的飛速發(fā)展和寬帶通信業(yè)務(wù)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(nèi)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(shù)，因此線性調(diào)制技術(shù)在現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)中被廣泛采用。由于這些線性調(diào)制技術(shù)具有非恒定包絡(luò)、寬頻帶和較高的峰平比等諸多特點(diǎn)，當(dāng)調(diào)制信號通過功率放大器后將產(chǎn)生互調(diào)信號失真?；フ{(diào)失真對鄰接信道產(chǎn)生不同程度的干擾，而這種互調(diào)產(chǎn)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(guān)鍵技術(shù)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(shí)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(dāng)輸入多載波信號時，待放大的載波信號之間相互作用，產(chǎn)生了互調(diào)失真IMD產(chǎn)物。這些互調(diào)產(chǎn)物會導(dǎo)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(chǎn)生有害影響。而且在線性調(diào)制方案中，由于信號包絡(luò)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(shù)和高效率技術(shù)是相互矛盾的，對這兩種目標(biāo)的實(shí)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(shù)和高效率技術(shù)的研究成為業(yè)界的熱點(diǎn)2。目前，在各種線性化技術(shù)中，最主要的線性化技術(shù)是反饋法FEEDBACK、前饋法FEEDFORWARD、預(yù)失真法PREDISTORTION。而效率增強(qiáng)技術(shù)即基于提高線性功放效率的技術(shù)主要有DORHERTY技術(shù)、包絡(luò)跟蹤、包絡(luò)消除再生技術(shù)和自適應(yīng)偏置技術(shù)等。華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文212國內(nèi)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(shù)在國內(nèi)外得到廣泛的關(guān)注，并在手機(jī)、基站和衛(wèi)星通信等應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行了深入的研究，發(fā)展出了幾種主要的線性化技術(shù)，包括前饋法、反饋法和預(yù)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(shí)現(xiàn)線性化。通過比較輸入輸出信號，獲得非線性產(chǎn)物的波形，然后在輸出端，將非線性產(chǎn)物對消掉，從而在輸出端獲得純凈的信號。前饋技術(shù)既具有較高校準(zhǔn)精度的優(yōu)點(diǎn)，又沒有不穩(wěn)定和帶寬受限的缺點(diǎn)。然而這些優(yōu)點(diǎn)是用高成本換來的，由于在輸出校準(zhǔn)時，功率電平較大，校準(zhǔn)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(yīng)處在前饋系統(tǒng)的指標(biāo)之上。當(dāng)然，校準(zhǔn)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(chǎn)工藝較為復(fù)雜3。在上個世紀(jì)二十年代，在貝爾實(shí)驗(yàn)室工作的美國人HAROLDSBLACK發(fā)明了反饋的電路形式，并且應(yīng)用于放大器。這種反饋的電路形式在后來的電路設(shè)計(jì)中成為了一種非?；A(chǔ)的實(shí)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(diǎn)。預(yù)失真線性化法就是在功放前加入預(yù)失真器PREDISTORTER，和功放元件PA級聯(lián)，非線性失真功能內(nèi)置于數(shù)字、數(shù)碼基帶信號處理域中，其與功放展示的失真數(shù)量相當(dāng)，但功能卻相反，進(jìn)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(jié)合，便能夠?qū)崿F(xiàn)高度線性、無失真的系統(tǒng)。預(yù)失真法由于結(jié)構(gòu)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(jù)預(yù)失真器在發(fā)射機(jī)中的位置，可以分為射頻預(yù)失真技術(shù)、中頻預(yù)失真技術(shù)和基帶預(yù)失真技術(shù)。根據(jù)預(yù)失真器處理信號的形式，可以分為模擬預(yù)失真技術(shù)和數(shù)字預(yù)失真技術(shù)4。美國線性器技術(shù)公司是線性放大器專業(yè)公司，產(chǎn)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(chǎn)品，并可根據(jù)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(diào)，傳輸16信道時，交調(diào)指標(biāo)可達(dá)60DBC。美國POWERWAVE技術(shù)公司是低噪聲和高功放生產(chǎn)廠商，已推出了多載波功華中科技大學(xué)碩士學(xué)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(shù)三階交調(diào)7060DB。日本三菱公司信息技術(shù)研發(fā)中心采用微波預(yù)失真法改善場效應(yīng)管放大器的線性特性。利用場效應(yīng)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(wǎng)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(yīng)用，因此近年來國內(nèi)對功率放大器線性化技術(shù)研究己經(jīng)開始重視。東南大學(xué)、華中科技大學(xué)、電子科技大學(xué)、浙江大學(xué)等院校已經(jīng)開始了這方面的研究，華為和中興等通信設(shè)備公司也進(jìn)行了線性功放的研制。但由于國內(nèi)相關(guān)研究起步晚，學(xué)術(shù)研究論文數(shù)量與國外相比相差很遠(yuǎn)，專利申請更不樂觀，與國外同類產(chǎn)品相比還有不小的差距。隨著線性化技術(shù)的發(fā)展，開始逐漸出現(xiàn)了各種線性化技術(shù)逐步融合的趨勢。例如前饋技術(shù)的載波消除環(huán)中就經(jīng)常會使用預(yù)失真技術(shù)，預(yù)失真技術(shù)中也加入了反饋的方法?，F(xiàn)在不僅各種線性化技術(shù)之間相互融合，而且數(shù)字信號處理技術(shù)越來越多地應(yīng)用到線性化技術(shù)中，特別是隨著高速DSP技術(shù)的發(fā)展，自適應(yīng)的思想逐漸被引入到線性化技術(shù)中，相應(yīng)地出現(xiàn)了自適應(yīng)前饋技術(shù)和自適應(yīng)預(yù)失真技術(shù)等5，隨著這些技術(shù)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(jié)和全文安排本文主要內(nèi)容是有關(guān)功率放大器線性化技術(shù)研究，目的是針對功率放大器的非線性特性進(jìn)行分析，進(jìn)而改善功率放大器線性性能。論文的結(jié)構(gòu)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(nèi)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(guān)的非線性特性指標(biāo)；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(zhuǎn)換、級數(shù)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(jià)了目前常見的四種線性化技術(shù)反饋技術(shù)、LINC技術(shù)、前饋技術(shù)與預(yù)失真技術(shù)；第四章闡述了自適應(yīng)前饋功放系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，簡要介紹了有關(guān)自適應(yīng)前饋功華中科技大學(xué)碩士學(xué)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(shí)現(xiàn)預(yù)失真技術(shù)的方法三階模擬預(yù)失真、基于查找表法預(yù)失真和多項(xiàng)式法預(yù)失真，并分別對這三種方法進(jìn)行了仿真和相關(guān)的研究工作；第六章總結(jié)了全文工作。華中科技大學(xué)碩士學(xué)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(shù)為|EXPHJHJJ，其中|HJ為常數(shù)，J也為常數(shù)，系統(tǒng)存在固定的放大倍數(shù)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(shù)來描述，此時輸出是輸入信號的非線性函數(shù)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(dāng)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(chǎn)生互調(diào)和相位噪聲等。XTYTGXTX圖21線性系統(tǒng)失真211AMAM和AMPM轉(zhuǎn)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(guān)，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(guān)系，AMPM用來表示輸出電壓相位隨輸入對應(yīng)幅度的變化關(guān)系，AMAM和AMPM轉(zhuǎn)換見圖22。華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文6實(shí)際響應(yīng)理想響應(yīng)DBDB0輸入功率輸出功率理想線性輸出相位曲線實(shí)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(chǎn)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(shù)來表示,見圖23，其表達(dá)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(dá)到一定的精度，需要取前三項(xiàng)（不包括直流項(xiàng)），見22。23123OIIIEAEAEAE22假設(shè)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(xiàng)，還包含了直流項(xiàng)以及與基波角頻率成整數(shù)倍的各次諧波項(xiàng)1N（N為正整數(shù)）的各次諧波分量。基波分量是由各奇次項(xiàng)產(chǎn)生，二次諧波是由二次及二次以上的偶次項(xiàng)產(chǎn)生，三次諧波是由三次及三次以上的奇次項(xiàng)產(chǎn)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(yuǎn)，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(xué)碩士學(xué)位論文7213互調(diào)失真在通信技術(shù)中，信號頻帶內(nèi)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(chǎn)生出原有的這些頻率以及再加上無數(shù)個由這些頻率所組成的新的頻率，這種現(xiàn)象稱為互調(diào)。這些頻率分量如果落在信號頻帶內(nèi)，就形成互調(diào)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(diào)分量。當(dāng)它們對系統(tǒng)產(chǎn)生不良作用時，就稱之為互調(diào)干擾7?，F(xiàn)在對互調(diào)失真產(chǎn)生的過程進(jìn)行分析。假設(shè)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(jìn)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(chǎn)生的信號；33332222312112COSCOS3COSCOS3COSCOSKATBTABTTABTT為三次失真所產(chǎn)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(dá)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(diào)成分和頻率為122、212的三階互調(diào)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(xué)碩士學(xué)位論文8頻率為122、212的三階互調(diào)成分卻在了通帶之內(nèi)，無法通過濾波器將它們?yōu)V除，這些三階互調(diào)成分并且會影響基頻1和2。214交調(diào)失真交調(diào)失真是具有不同頻率的兩個或更多的輸入信號經(jīng)過功率放大器而產(chǎn)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(diào)分量。功率放大器的非線性越強(qiáng)，交調(diào)分量越大。交調(diào)分量的大小可以用交調(diào)系數(shù)表示，假如輸入1個等幅信號，MP階交調(diào)系數(shù)可以表示為1210LG10LG10LGMPMPMPMPNPPPMDBC27式中，1P、2PNP分別對應(yīng)著基波功率，MPP為MP階交調(diào)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(chǎn)生許多互調(diào)分量，其中的122和212兩個頻率分量稱為三階交調(diào)分量，其功率3P和信號1或2的功率之比稱三階交調(diào)系數(shù)3IM。22放大器非線性特性的描述指標(biāo)2211DB壓縮點(diǎn)功率放大器存在一段線性動態(tài)范圍，在這個線性區(qū)內(nèi)，放大器的輸出功率隨輸入功率線性增加。當(dāng)輸入功率較小時，輸出功率與輸入功率的比值是一個常數(shù)，即為線性關(guān)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(guān)。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(guān)系曲線逐漸彎曲。當(dāng)輸入功率加大到某一數(shù)值時，放大器的輸出功率達(dá)到最大，以后就不再增加，這點(diǎn)就稱為功率放大器的飽和點(diǎn)。很顯然，如果微波功率放大器上工作在飽和點(diǎn)附近，就會出現(xiàn)嚴(yán)重的非線性失真。當(dāng)微波功率放大器增益比小信號的線性增益低1DB時，這一點(diǎn)通常稱為1DB壓縮點(diǎn)，此時的增華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文9益稱為1DB壓縮點(diǎn)增益，記做1DBG8。對應(yīng)于該點(diǎn)的輸出功率稱為輸出1DB壓縮點(diǎn)功率，記做1DBP，見圖24。典型情況下，當(dāng)功率超過1DBP時，增益將迅速下降并達(dá)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(diǎn)功率是輸出功率的性能參數(shù)，壓縮點(diǎn)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(yán)重。當(dāng)系統(tǒng)為非線性時，由23可得基波的增益為31331333420LG20LG4AAAAGAAAA28對大多數(shù)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(diǎn)示意圖222三階互調(diào)系數(shù)由于三階互調(diào)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(diào)分量的大小，當(dāng)作為重要的衡量指標(biāo)，通常選用的是三階互調(diào)分量與基波的幅度比，即三階互調(diào)系數(shù)IM3。三階互調(diào)系數(shù)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(biāo)。依式24和25的信號輸出有23313213333333/4446ABKIMABKAKKAABKAKABK29華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文10223三階交調(diào)系數(shù)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(chǎn)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(nèi)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(diào)幅度，見圖25。定義三階交調(diào)系數(shù)IMD為IMDDBC三階交調(diào)幅度輸出基波幅度。在通信系統(tǒng)的非線性度量上，交調(diào)系數(shù)是一個很重要的衡量指標(biāo)之一。F1F22F1F22F2F13F12F23F22F1F1F22F12F2IM3圖25三階交調(diào)系數(shù)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(nèi)平均功率與發(fā)射信號頻道內(nèi)的平均功率之比，ACPR描述了由于發(fā)射機(jī)硬件非線性造成的失真大小。鄰道功率的產(chǎn)生主要來自兩個方面，一是由于器件的非線性作用產(chǎn)生；二是由于主信道信號本身頻譜較信道寬。23本章小結(jié)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(guān)的非線性特性指標(biāo)。功放非線性失真表現(xiàn)形式有諧波失真、互調(diào)失真和交調(diào)失真等，而描述功放非線性特性的指標(biāo)有1DB壓縮點(diǎn)功率、三階互調(diào)系數(shù)、三階交調(diào)系數(shù)和ACPR等。華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文113微波功率放大器的線性化技術(shù)31功率放大器非線性模型功率放大器在本質(zhì)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(jù)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(shè)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(diào)幅調(diào)幅AMAM變換失真和調(diào)幅調(diào)相AMPM變換失真。弱非線性可用泰勒級數(shù)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(shù)和諧波平衡法等方法來描述和分析。VOLTERRA級數(shù)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(qiáng)非線性電路。在本文的所有分析中假設(shè)所研究的功率放大器均為無記憶效應(yīng)的。311AMAM/AMPM模型假設(shè)不考慮記憶效應(yīng)，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(diào)幅調(diào)幅AMAM變換和調(diào)幅調(diào)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(biāo)形式的非線性模型10。設(shè)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(shù)，式31被稱為是AMAM和AMPM模型的極坐標(biāo)形式。通過對式31所示的極坐標(biāo)非線性模型進(jìn)行變形，可以得到正交形式的模型，從而避開了較復(fù)雜的AMPM轉(zhuǎn)換特性。式31進(jìn)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(xué)碩士學(xué)位論文12上式中的IVT和QVT分別定義為COSSINIVTFVTGVTQVTFVTGVT34根據(jù)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(biāo)非線性模型圖312級數(shù)展開非線性模型對于非線性系統(tǒng)，可通過各種基函數(shù)對其進(jìn)行展開，進(jìn)而得到簡單描述的參數(shù)模型，這樣可以提高運(yùn)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(shù)和記憶型VOLTERRA級數(shù)等11。1泰勒級數(shù)模型該種模型也稱為多項(xiàng)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(shù)，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(shù)表示為2121NNOINNNVTFVTCTXTCTXTCTXT35如果同時還存在AMPM失真，則需用復(fù)數(shù)泰勒級數(shù)表示為1NNONNVTAJBXT36一般級數(shù)在N處截?cái)?，INFVT為單值、弱非線性，通過恰當(dāng)?shù)厝〖墧?shù)合適的若干階代替功放的非線性。泰勒級數(shù)分析簡單，在定量分析放大器的諧波、三階互調(diào)截點(diǎn)、1DB壓縮點(diǎn)等指標(biāo)時非常方便。2SALEH函數(shù)模型當(dāng)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(shù)和構(gòu)成數(shù)學(xué)方程對非線性放大器的幅幅特性和幅相特性進(jìn)行建模，不華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文13同的和值可以得到不同功率放大器模型。半導(dǎo)體企業(yè)通常將這兩個參數(shù)定為功率放大器的技術(shù)指標(biāo)12，SALEH模型也是在文獻(xiàn)中最常用于對各種類型的功率放大器進(jìn)行模擬的模型,一般將其成為參考模型或者標(biāo)準(zhǔn)模型。假設(shè)放大器的輸入信號為COSIVRTTT，其中RT為輸入信號的調(diào)制包絡(luò)，為信號載波頻率，T為輸入信號調(diào)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(shù)為2211AARTARTRTRTRTRT373記憶效應(yīng)VOLTERRA級數(shù)對于有記憶效應(yīng)的模型，通常采用VOLTERRA級數(shù)來表示。VOLTERRA級數(shù)模型可以準(zhǔn)確地描述任何一種非線性系統(tǒng)，是分析實(shí)際可實(shí)現(xiàn)非線性系統(tǒng)或電路的通用方法，在計(jì)算小信號、無記憶非線性電路時同泰勒級數(shù)無任何區(qū)別13。VOLTERRA級數(shù)方法采用顯式表示激勵和響應(yīng)關(guān)系的電路傳遞函數(shù)，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(shù)相加形式實(shí)際取多少階，則根據(jù)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(shù)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(shù)系統(tǒng)模型華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文14VOLTERRA模型的數(shù)學(xué)描述如下0NNYTYT38其中NYT為系統(tǒng)的N次諧波階躍響應(yīng)，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(yīng)，1H表示系統(tǒng)對一次諧波的沖擊響應(yīng)，2H表示系統(tǒng)對二次諧波的沖擊響應(yīng)，NH表示系統(tǒng)對N次諧波的沖擊響應(yīng)。故系統(tǒng)對輸入信號的響應(yīng)可以由這些VOLTERRA核完全表示。VOLTERRA最大的優(yōu)點(diǎn)是可以描述在系統(tǒng)中存在的各階失真，能夠非常準(zhǔn)確地，從數(shù)學(xué)上講，是完全等價(jià)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(jìn)行傅氏變換得到各階VOLTERRA傳遞函數(shù)，只需用線性電路的分析方法便可進(jìn)行求解各種非線性指標(biāo)，簡化了非線性失真的研究工作。但不足的是從試驗(yàn)數(shù)據(jù)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(nèi)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(nèi)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(zhuǎn)化到時域內(nèi)，在時域內(nèi)完成非線性電路方程求解后，再轉(zhuǎn)換到頻域內(nèi)得到整個系統(tǒng)頻域響應(yīng)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(qiáng)，所需平衡的諧波數(shù)就越多，計(jì)算量就越大。它的優(yōu)點(diǎn)是具有運(yùn)算速度快、收斂精度高等15。32功率放大器線性化技術(shù)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(shù)。功率放大器的線性化技術(shù)起源于上世紀(jì)六十年代，當(dāng)時主要用于中頻、高頻和超高頻通信系統(tǒng)中；后來應(yīng)用于微波射頻通信領(lǐng)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(shù)值。常用到的功率放大器的線性化技術(shù)主要有前饋技術(shù)、LINC（LINEARAMPLIFICATIONWITHNONLINEARCOMPONENTS）、反饋技術(shù)和預(yù)失真技術(shù)。華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文15從線性化技術(shù)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(diào)干擾分量，這類線性化技術(shù)主要包括前饋技術(shù)、負(fù)反饋技術(shù)和預(yù)失真技術(shù)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(jìn)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(yù)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(shù)的合并，本文重點(diǎn)在于論述前饋法和預(yù)失真法。表31常用線性化技術(shù)反饋前饋預(yù)失真RF反饋極性環(huán)笛卡爾環(huán)自適應(yīng)數(shù)字基帶預(yù)失真EER法前饋法LINC法RF/IF預(yù)失真自適應(yīng)數(shù)字基帶預(yù)失真321反饋線性化技術(shù)反饋技術(shù)是減小放大器失真的最簡單一種的線性化技術(shù)，在低頻電子技術(shù)領(lǐng)域中對失真抵消具有明顯的效果，電路結(jié)構(gòu)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(yīng)用在射頻頻段的反饋技術(shù)還可以分為直接反饋技術(shù)和調(diào)制反饋技術(shù)。直接反饋技術(shù)是將RF輸出信號直接反饋到輸入端，通過反饋來達(dá)到對交調(diào)產(chǎn)物的抑制。直接反饋法常用于低功率放大器，其應(yīng)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(shí)現(xiàn)多級反饋。調(diào)制反饋技術(shù)是利用檢波或解調(diào)來恢復(fù)基帶調(diào)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(qū)動或控制信號。簡單的調(diào)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(xué)碩士學(xué)位論文16由于調(diào)制反饋系統(tǒng)反饋到輸入端的信號是用于調(diào)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(diǎn)。調(diào)制反饋技術(shù)具體的實(shí)現(xiàn)方法有很多，如包絡(luò)消去與恢復(fù)技術(shù)、極化環(huán)技術(shù)和笛卡兒環(huán)技術(shù)等17。1包絡(luò)消去與恢復(fù)技術(shù)包絡(luò)消去與恢復(fù)技術(shù)（EE正交調(diào)制濾波器濾波器正交調(diào)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(xué)碩士學(xué)位論文19設(shè)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(jīng)過信號分量器的兩路信號1ST和2ST分別表示為1COS2MCSTATFTTT3102COS2MCSTATFTTT311令A(yù)RCCOS/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(luò)的信號是比較困難的，LINC技術(shù)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(dǎo)致臨道干擾增加，故LINC技術(shù)不容易實(shí)現(xiàn)，進(jìn)而影響了這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用。323前饋線性化技術(shù)在改善功率放大器非線性的方法中，前饋技術(shù)是經(jīng)常使用的方法之一，也是目前放大器線性化技術(shù)中最先進(jìn)、發(fā)展得最為迅速的方法。前饋技術(shù)在國外已得到較為廣泛的應(yīng)用，但在國內(nèi)它還處于起步階段。前饋線性化技術(shù)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(diào)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(gòu)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(chǎn)生的交調(diào)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(jìn)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(xué)碩士學(xué)位論文20主載頻信號外，還有非線性產(chǎn)生的互調(diào)干擾分量。主功率放大器輸出的部分信號經(jīng)衰減器調(diào)節(jié)幅度，與抵消支路的經(jīng)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(diào)干擾分量?；フ{(diào)干擾分量經(jīng)輔助功率放大器放大后與經(jīng)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(diào)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(shù)性能穩(wěn)定、帶寬較寬。理論上，前饋技術(shù)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(shù)，但在實(shí)現(xiàn)時必須要精確設(shè)計(jì)前饋環(huán)中的相位、幅度的平衡度。324預(yù)失真線性化技術(shù)隨著數(shù)字移動通信技術(shù)的飛速發(fā)展，預(yù)失真線性技術(shù)應(yīng)用也越來越廣泛。預(yù)失真技術(shù)是在信號放大之前對信號按照一定的規(guī)律進(jìn)行“預(yù)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(jù)預(yù)失真對象信號的不同，可以把預(yù)失真法分為射頻預(yù)失真和基帶預(yù)失真19。模擬預(yù)失真的基本思想就是用非線性器件模擬產(chǎn)生線性器件的非線性成分，進(jìn)而對消掉非線性成分。射頻預(yù)失真一般采用模擬電路來實(shí)現(xiàn)，具有電路結(jié)構(gòu)簡單、成本低、易于高頻、寬帶應(yīng)用等優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)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(yù)失真方案較前饋和數(shù)字預(yù)失真方案來說，雖然其線性改善程度無法達(dá)到相同的水平，但模擬預(yù)失真方案的技術(shù)難度低，體積小，成本低等優(yōu)點(diǎn)非常明顯20。雖然模擬預(yù)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(shù)字預(yù)失真比較適合于基站和手機(jī)等功放設(shè)計(jì)。數(shù)字預(yù)失真器由矢量增益調(diào)節(jié)器組成，通過優(yōu)化查找表LUT的內(nèi)容來控制輸入信號的幅度和相位。從原理上講，基帶預(yù)失真技術(shù)也是對輸入信號進(jìn)行預(yù)失真，以達(dá)到線性化功率放大器的目的。但基帶預(yù)失真一般在數(shù)字域內(nèi)完成輸入信號的預(yù)失真處理，這是與采用模擬器件實(shí)現(xiàn)預(yù)失真技術(shù)的本質(zhì)區(qū)別。數(shù)字基帶預(yù)失真的優(yōu)點(diǎn)是工作頻率低，可以通過數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)，適應(yīng)性強(qiáng)，其缺點(diǎn)在于線性度略低于前饋技術(shù)，但是目前兩者的水平已經(jīng)比較接近。數(shù)字預(yù)失真技術(shù)沒有廣泛應(yīng)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(xué)碩士學(xué)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(diǎn)，但可從以下幾個方面對其進(jìn)行綜合評價(jià)，包括線性化方法的線性化帶寬，可達(dá)到的功率效率，對放大器非線性變化的自適應(yīng)性以及實(shí)現(xiàn)成本，評價(jià)結(jié)果如表32所示表32線性化技術(shù)性能對比表線性化技術(shù)反饋LINC前饋預(yù)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(yīng)較高較差較差較高實(shí)現(xiàn)成本一般一般較高較低從表32看出，前饋和數(shù)字預(yù)失真是線性功放設(shè)計(jì)中經(jīng)常采用的兩種方案。經(jīng)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(shù)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(yù)失真方案較前饋和數(shù)字預(yù)失真方案來說，雖然其線性改善程度無法達(dá)到相同的水平，但也有相當(dāng)好的表現(xiàn)，模擬預(yù)失真方案的技術(shù)難度低、體積小、成本低等優(yōu)點(diǎn)是非常明顯的。前饋、模擬預(yù)失真和數(shù)字預(yù)失真是當(dāng)今應(yīng)用最為廣泛的三種功放線性化技術(shù)。33本章小結(jié)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(zhuǎn)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(jià)了當(dāng)今主要用于改善放大器線性度的線性化技術(shù)反饋技術(shù)、LINC技術(shù)、前饋技術(shù)和預(yù)失真技術(shù)。華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文224自適應(yīng)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(yīng)前饋放大器能實(shí)時地對前饋放大器系統(tǒng)進(jìn)行控制，使放大器始終上作在最佳狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)室以自適應(yīng)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(guān)項(xiàng)目，本節(jié)即是自適應(yīng)前饋功率放大器的相關(guān)研究內(nèi)容。41自適應(yīng)正向前饋線性功放總體方案本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的自適應(yīng)前饋線性功率放大器應(yīng)用在WCDMA通信系統(tǒng)的基站中，功率增益設(shè)計(jì)為45DB，輸出功率要求達(dá)到35DBM，線性指標(biāo)為用三階互調(diào)衡量要求達(dá)到40DBC。自適應(yīng)前饋功率放大器系統(tǒng)框圖如圖41所示。VMTFROMDSPVECTORMODULATORMAINAMPLIFIERDELAYLINEVMVECTORMODULATORTDELAYLINEERRORAMPLIFIERTVMTVEDOWNCONVERTA/DRSPDSPPILOTGENERATORRFINRFOUTPDPREDISTORTORFROMDSPTVOADAPTIVECONTROL圖41自適應(yīng)前饋功率放大器系統(tǒng)框圖華中科技大學(xué)碩士學(xué)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(yù)失真器、信號抵消環(huán)路、誤差抵消環(huán)路、導(dǎo)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(diào)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(shù)字正交解調(diào)器、數(shù)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(yù)處理單元、子帶信號抽取單元、梯度信號并行計(jì)算單元、導(dǎo)頻信號分析單元、輔助參數(shù)計(jì)算單元、射頻預(yù)失真參數(shù)計(jì)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(jù)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(diào)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(diào)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(yīng)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(yīng)控制單元和射頻單元，線性化技術(shù)原理體現(xiàn)在射頻部分。信號進(jìn)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(diào)節(jié)矢量調(diào)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(xué)碩士學(xué)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(bǔ)償寬帶信號經(jīng)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(xì)微調(diào)整誤差抵消環(huán)中矢量調(diào)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(bǔ)償寬帶信號經(jīng)過誤差功放的群延時。現(xiàn)分析圖42自適應(yīng)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(jīng)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(jīng)矢量調(diào)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(diǎn)所示，C點(diǎn)輸出信號經(jīng)定向耦合器取出部分功率，再經(jīng)固定衰減器ATT后送入功率合成器，頻譜如圖42中D點(diǎn)。在下支路，由功分器分出的輸出信號，經(jīng)延時線L1延時后，再經(jīng)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(diǎn)。通過調(diào)整上支路中矢量調(diào)制器的衰減量和相移量，調(diào)整信號的幅度和相移量，使D和E兩點(diǎn)的主譜信號幅度相等，相位相反，經(jīng)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(diào)整兩路信號的幅度和相位，以達(dá)到輸出譜信號中主譜分量低于互調(diào)分量。誤差抵消環(huán)路主功率放大器輸出的高功率信號，經(jīng)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(diào)分量如圖42中F點(diǎn)，經(jīng)矢量調(diào)制器VM2調(diào)整其幅度及相位，再經(jīng)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(diào)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(diào)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(diào)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(xué)碩士學(xué)位論文25圖43前饋系統(tǒng)信號抵消環(huán)ADS拓?fù)鋱D圖43中，輸入信號采用雙音信號，其輸入頻率為2139GH