基于预失真技术的射频功率放大器线性化研究

浙江大学

博士学位论文

基于预失真技术的射频功率放大器线性化研究

姓名：毛文杰

申请学位级别：博士

专业：电子科学与技术

指导教师：陈抗生;冉立新

2003.2.1

中文摘要

厂

／随着无线通信技术的飞速发展，线性调制技术正得到越来越广泛的应用。但包络变化的调制信号经过非线性射频功放后会产生交调分量，因此必须采用线性化技术来减少由此产生的邻道干扰。预失真技术是一种广泛使用的线性化技术，基于预失真技术的线性化系统Ｊ下逐步成为研究热点。本论文的研究分别涉及三阶模拟预失真系统、查找表预失真系统和前馈预失真系统，其中有创新和有价宿髓稚主要体现在以下三个方面：

１：对于采用二极管反向平呵宁对的三阶模拟预失真系统，本文提出了一种可以抑制驻留二阶交调（ＩＭＤ２）信号的新型三阶扰动器。该扰动器通过一个山’ｊ极管和电阻组成的反馈网络来平衡驻留ＩＭＤ２信号，本文理论分析了其基本原理并仿真研究了其性能特点、向ｊ比相同类型的三阶扰动器，新型扰动器具有更好的ＩＭＤ２抑制特性，并能自适应二极管对的不同匹配特性。仿真研究表明由该三阶扰动器组成的模拟预失真系统能有效抑制的ＩＭＤ２分量，并可达到４６ｄＢ的三阶交调（ＩＭＤ３）压缩性能。ｊ２：对基于查找表技术的数字预失真系统，本文着重研究了预失真表ｆ１０农』ｍ索引技杷、借先理论推导了实现表项最优分布的压缩函数，然后提Ⅲ了‘种非线性表项索引技术一查找表索引技术，分析了该技术的特点并给出了具体实现方式，最后还提出了自适应改进方案。仿真研究表明，在相同６４位表项的极坐标预失真系统中，对比幅度索引技术该新型索引技术可以提『？０２５ｄＢ的ＩＭＤ３压缩性能，但不增加硬件实现成本。本文还研究了自适应表』蛐ｗ新算法，提出了一种收敛速度较快的改进弦线算法。，

３：本文提出了一种射频预失真技术和前馈线性化技术相结合的前馈Ｊ．｛ｊｉ失真技术。由于在主功放和误差功放前分别加上了射频预失真单元，因此提高了整个系统的线性度和功率效率。咳技术改变了误差通路中的信号特性生，使误差放大器也输出有用信号功率，、提高了整个放大系统的性能。考虑到固态功率放大器（ＳＳＰＡ）幅度和相位非线性特性的差异，该系统采㈣旧度和相位不平衡调节的射频预失真结构

。仿真结粜＆ｆ】＿ｆ；ｊｉ幺技术方案可以到达６３ｄＢ左右的ＩＭＤ３

关键词：射频功率放大器，预失真，线性化，交调失真，查找表，索引技术，自０馈预失真系统

Ａｂｓｔｒａｃｔ

Ｗｉｔｈｔｈｅｒａｐｉｄｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｗｉｒｅｌｅｓｓｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｔｈｅｌｉｎｅａｒｍｏｄｕｌａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｓａｒｅｗｉｄｅｌｙｕｓｅｄ．Ｓｉｎｃｅｔｈｅｅｎｖｅｌｏｐｅｏｆｍｏｄｕｌａｔｅｄｓｉｇｎａｌｆｌｕｃｔｕａｔｅｓ，ｔｈｅｓｅｍｅｔｈｏｄｓｇｅｎｅｒａｔｅｕｎｗａｎｔｅｄｉｎｔｅｒｍｏｄｕｌａｔｉｏｎｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ（ＩＭＤ）ｐｒｏｄｕｃｔｓｉｎａｎｏｎｌｉｎｅａｒＲａｄｉｏＦｒｅｑｕｅｎｃｙ（ＲＦ）ＰｏｗｅｒＡｍｐｌｉｆｉｅｒ（ＰＡ）．Ｓｏｉｔｉｓｎｅｃｅｓｓａｒｙｔｏｕｓｅｌｉｎｅａｒｉｚａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｉｑｕｅｔｏｒｅｄｕｃｅｔｈｅａｄｊａｃｅｎｔｃｈａｎｎｅｌｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ（ＡＣＩ）．Ｐｒｅｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎｉｓａｗｉｄｅｌｙｕｓｅｄｌｉｎｅａｒｉｚａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｉｑｕｅｂｅｃａｕｓｅｏｆｉｔｓｕｎｉｑｕｅａｄｖａｎｔａｇｅ，ａｎｄｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｏｆｐｒｅｄｉｓｔｏｒｔｉｎｇｌｉｎｅａｒｉｚｅｒｉｓｂｅｃｏｍｉｎｇｔｈｅｈｏｔｒｅｓｅａｒｃｈｆｉｅｌｄ．Ｔｈｅｍａｉｎｓｔｕｄｙｉｎｇｏｆｔｈｉｓｄｉｓｓｅｒｔａｔｉｏｎｉｓａｂｏｕｔｃｕｂｉｃａｎａｌｏｇｐｒｅｄｉｓｔｏｒｅｒ，ｄｉｇｉｔａｌｐｒｅｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎｌｉｎｅａｒｉｚｅｒｂａｓｅｄｏｎＬｏｏｋ—ｕｐＴａｂｌｅ（ＬＵＴ）ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄｆｅｅｄｆｏｒｗａｒｄ—ｐｒｅｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎｌｉｎｅａｒｉｚａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｅｏｒｉｇｉｎａｌｗｏｒｋａｎｄｖａｌｕａｂｌｅｒｅｓｕｌｔｓｉｎｔｈｉｓｄｉｓｓｅｒｔａｔｉｏｎａｒｅａｓｆｏｌｌｏｗｓ．１．Ａｎｏ＇ｖ７ｅｌｔｈｉｒｄ—ｏｒｄｅｒｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎｇｅｎｅｒａｔｏｒｗｈｉｃｈｃａｎｓｕｐｐｒｅｓｓｔｈｅｒｅｓｉｄｕａｌｓｅｃｏｎｄ－ｏｒｄｅｒｉｎｔｅｒｍｏｄｕｌａｔｉｏｎｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ（１ＭＤ２）ｉｓｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．ＴｈｉｓｎｅｗｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎｇｅｎｅｒａｔｏｒｕｓｅｓａｆｅｅｄｂａｃｋｃｉｒｃｕｉｔｎｅｔｗｏｒｋｃｏｍｐｏｓｅｄｏｆｄｉｏｄｅｓａｎｄｒｅｓｉｓｔｏｒｓｔｏｂａｌａｎｃｅｔｈｅｒｅｓｉｄｕａｌＩＭＤ２ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ．Ａｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｓｔｕｄｙｉｓｃａｒｒｉｅｄｏｕｔａｎｄｂａｓｉｃｆｅａｔｕｒｅｏｆｔｈｉｓｇｅｎｅｒａｔｏｒｉｓａｎａｌｙｚｅｄ．Ｃｏｍｐａｒｅｄｕ，ｉｔｈｃｏｌｎｎｌｏｎｕｓｅｄｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎｇｅｎｅｒａｔｏｒ，ｔｈｅｃｕｂｉｃｐｒｅｄｉｓｔｏｒｔｅｒｓｔｈａｔｕｓｅｔｈｉｓｋｉｎｄｏｆｎｏｖｅｌｇｅｎｅｒａｔｏｒｈａｖｅａｂｅｔｔｅｒＩＭＤ２ｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅａｎｄｃａｎａｄａｐｔｉｖｅｔｈｅｄｉｆｆｅｒｅｎｔｍａｔｃｈｉｎｇｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｄｉｏｄｅｐａｉｒｓ．Ｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈｅｃｕｂｉｃｐｒｅｄｉｓｔｏｒｔｉｎｇｌｉｎｅａｒｉｚａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｃａｎａｃｈｉｅｖｅ４６ｄＢｔｈｉｒｄ－ｏｒｄｅｒｉｎｔｅｒｍｏｄｕｌａｔｉｏｎｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ（ＩＭＤ３）ｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎ．

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Ｋｅｙ、、ｏｒｄｓ：ｒａｄｉｏｆｒｅｑｕｅｎｃｙｐｏｗｅｒａｍｐｌｉｆｉｅｒ，ｐｒｅｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ，ｌｉｎｅａｒｉｚａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｉｑｕｅ，ｉｎｔｅｒｍｏｄｕｌａｔｉｏｎｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ，ｌｏｏｋ—ｕｐｔａｂｌｅ，ｉｎｄｅｘｉｎｇｍｅｔｈｏｄ．ｆｅｅｄｆｏｒｗａｒｄ－ｐｒｅｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍ

Ｖ

第一章引言

第一章引言

１．１课题研究的目的和意义

毫无疑问，过去十年中无线通信技术的飞速发展，不仅改变人们的通信方式，还从某种程度上改变了生活方式…。从全球范围来看，无线通信用户的年增量都在持续逐年大幅度增长，无线通信已经进入规模化发展的阶段。如今，快速发展的无线通信己成为信息产业中最为耀眼的亮点，并成为推动社会经济发展的强劲动力。

无线通信系统的目的是用最小的功率来保持每个信道的有效链接，但随着无线用户的飞速发展和宽带通信业务的开展，通信频段变得越来越拥挤，在频谱效率和功率效率这两个重要指标之间更趋向于选择频谱效率。为了在有限的频谱范围内容纳更多的通信信道，要求采用频谱利用率更高的传输技术，因此线性调制技术技术如ＱＡＭ（ＱｕａｄｒａｔｕｒｅＡｍｐｌｉｔｕｄｅＭｏｄｕｌａｔｉｏｎ）、ＱＰＳＫ（ＱｕａｄｒａｔｕｒｅＰｈａｓｅＳｈｉｆｔＫｅｙｉｎｇ）等在现代无线通信系统中被广泛采用。

所有的无线通信系统都要求对相邻频段的用户产生最小的干扰，也就是必须在所规定的频段范围内传送信号。但通信系统中的非线性器件必定会使发送信号产生非线性失真，从而对相邻信道产生不同程度的干扰。对ｊ二一个高功率的射频发射机而言，这些失真信号虽然比所要输出的信号小许多，但它的绝对值还是很大，会对系统产生干扰，因此必须控制在一定的范围以内。

对于采用恒包络调制如ＦＭ（ＦｒｅｑｕｅｎｃｙＭｏｄｕｌａｉｔｏｎ）、ＭＳＫ（ＭｉｎｉｍｕｍＳｈｉｆｔＫｅｙｉｎｇ）的无线通信系统，可以采用滤波技术等来消除谐波干扰。但对于包络变化的线性调制技术，滤波并不能消除交调产物，因此必须采用线性化的发射机系统。射频功率放大器是发射机系统中非线性最强的器件，特别是为了提高功率效率，射频功放基本工作在非线性状态，因此线性功率放犬器设计技术己成为线性化发射机系统的关键技术。

目自ｄ，无论是在无线通信还是有线通信领域，功率放大器的线性化技

第一章引言

术已成为一个广泛而活跃的研究领域。除了线性化调制技术的广泛采用等原因以外，以下一些原因也促进该技术得到广泛研究并迅速发展：１．出于对通信系统功率效率的要求，不能采用简单的功率回退技术来解决功放线性化问题。所谓功率回退就是采用大功率的放大器，然后通过功率回退使之工作在线性放大区域。如果采用该技术，一方面电源利用率一般仅为１％～５％，会产生导致终端自主时间过短、基站热管理等一系列问题。另一方面大功率器件只能输出很小的功率，其本身潜力不能充分发捣二，也造成整机制造成本的提高。

２．多载波调制技术的逐渐采用也要求线性化的功率放大器。以ＯＦＤＭ（ＯｒｔｈｏｇｏｎａｌＦｒｅｑｕｅｎｃｙＤｉｖｉｓｉｏｎＭｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）为代表的多载波调制技术具有高传输速率、不需均衡等明显优点，已为许多标准如８０２．１１、ＨＤＴＶ（ＨｉｇｈＤｅｆｉｎｉｔｉｏｎＴｅｌｅｖｉｓｉｏｎ）、４Ｇ等所采用Ｉ“。由于ＯＦＤＭ信号具有很高的峰值／’Ｆ均功率比，功率放大器的非线性将影响到整个系统的性能。

３．多载波系统要求线性化的功率放大系统。多载波放大系统广泛应用于无线通信的基站系统中，由于多径传播和远近效应的存在，基站系统对邻道干扰的要求非常严格【３１，这就要求采用高线性度的发射机系统，减少交Ｉ周分量对相邻邻信道的干扰。

４．自适应天线系统的需要。发射机非线性引起的邻道干扰会影响相邻蜂窝甚至相邻波束的用户，非线性交调产物会导致波束宽带、旁瓣抑制、零位深度等一系列天线的性能指标变差【４Ｊ。

５动态信道分配的要求。动态信道分配技术要求发射机能工作于任何个信道【５Ｉ，最终要求采用宽带线性化的功率放大器。

６．一些新兴无线通信技术的需要。以软件无线电为代表的新兴无线通ｆ刊支术，从本质上要求线性、宽频的发射机技术，因此需要高度线性化的刑频功率放大器１６Ｊ。

１２国际国内研究状况和进展

小小节回顾了国内外射频功率放大器线性化技术的研究状况，着重介绍了基＿Ｊ预失真技术的射频功放线性化系统的研究现状及进展。

一２

第一章引言

１２．１射频功放线性化技术国内外研究现状

功率放大器的线性化技术研究可以追溯到上个世纪二十年代。１９２８在贝尔实验室工作的美国人Ｈａｒｏｌｄ．Ｓ．Ｂｌａｃｋ发明了前馈和负反馈技术并应用到放大器设计中【７－８］，有效地减少了放大器失真，可以认为是功放线性化技术研究的丌端。但那时主要是从器件本身的角度来提高功率放大器的线性度，所研究的功率放大器频率也较低。

随着无线通信技术的兴起和飞速发展，到上世纪七八十年代射频功率放大器的线性化技术得到飞速发展，主要呈现以下两个特点：１一些新兴的功放线性化技术，如基于查找表的自适应基带预失真技术、自适应前馈线性化技术、ＥＥ＆Ｒ（ＥｎｖｅｌｏｐｅＥｌｉｍｉｎａｔｉｏｎａｎｄＲｅｓｔｏｒａｔｉｏｎ）技术、ＬＩＮＣ（ＬｉｎｅａｒａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎｕｓｉｎｇＮｏｎｌｉｎｅａｒＣｏｍｐｏｎｅｎｔｓ）技术、ＣＡＬＬＵＭ（ＣｏｍｂｉｎｅｄＡｎａｌｏｇｕｅＬｏｃｋｅｄＬｏｏｐＵｎｉｖｅｒｓａｌＭｏｄｕｌａｒ）技术等得到广泛研究和发展，申请了一大批专利。

２研究人员从器件设计人员扩展到系统设计人员，许多学者试图从系统的角度解决射频功放的非线性问题。实际上有些线性化技术完全避丌了功率放大器本身的非线性特性，同样有些技术则能对整个发射机系统进行了线’性化。

日ｉＵ在围际上，无论是学术界还是工业界，对射频功放的线性化技术研究部非常重视。近年来，ＩＥＥＥ每年关于这方面论文以百分之十几的速度增长，２００１年直接相关论文就达四五十篇１９］。２００１年微波理论与技术国际会议（ＩＥＥＥＭＴＴ—Ｓ）有５个组讨论功率放大器，其中一个组专门讨论改进助；棼放大器线性度和效率的方法ｆ】ｏｌ。与此同时，由于该技术较强的实用性，缳年都有上百个相关的明专利被申请，仅２００１年批准相关的专利超过１５０个Ｉ“Ｉ。

相比之下，国内还没有对该技术研究引起足够重视，只有东南大学、华中科技大学、华南理工大学等少数单位丌展这方面的研究工作【”。５Ｉ。从ｚ三表的论文看，绝大部分部属于介绍性文章，学术研究论文较少。专利的申请更不容乐观，关于这方面的发明专利很少Ｉ”】，因此非常有必要开展这方面的研究工作。

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１２２基于预失真技术的线性化系统研究进展

预失真技术是一种广泛使用的射频功放线性化技术，图１．１就是一个典型的开环预失真系统。根据预失真器在发射机中的位置，可以分为射频预失真技术、中频预失真技术和基带预失真技术。根据预失真器处理信号的形式，可以分为模拟预失真技术和数字预失真技术。基于预失真技术的射频功放线性化系统是本论文的主要研究内容，本文分别就三阶模拟预失真系统、查找表预失真技术和前馈预失真系统中一些关键的技术问题进行了研究。

ｈｉ?ｎ｜ｆ１１ｐａｒ

图１．１开环预失真系统框图

１２２．１模拟预失真技术的研究状况及进展

模拟预失真技术起源于上世纪中叶对晶体管器件非线性特性研究的丌展。１９５９年ＭａｃＤｏｎａｌｄ就提出了用相反的非线性特性来补偿三极管本身二怍线性的方法【”】，这就包含了模拟预失真技术思想。１９６８年Ｌｏｔｓｃｈ提出了分析二极管非线性的理论【”ｌ；１９６７年Ｎａｒａｙａｎａｎ提出了用Ｖｏｌｔｅｒｒａ级数研究品体管的非线性［１９１并研究了串联晶体管的交调扰动问题【２…，Ｒｅｖｌｌｏｌｄｓ【２”２Ｉ、Ｔｈｏｍａｓ［２３。２４１等也研究了晶体管的非线性失真和消除问题。

模拟预失真技术早期主要应用于行波管功率放大器中，行波管功率放大器是一种典型的三阶非线性器件，采用三阶模拟预失真器可以取得较好的线性化效果。１９７９年日本人Ｓａｔｏｈ就把模拟预失真技术应用于行波管功放。｛。诈取得不错的效果［２５ｌ：Ｂｒｅｍｅｎｓｏｎ等人研究了卫星通信系统中预失真行－ｉ；ｙ管功率放大系统【２６ｌ；Ｎａｍｉｋｉｙ等研究了ＱＡＭ调制下模拟预失真技术对行波管放大系统性能的提高‘２７】：Ｋａｔｚ研究了可自动适应环境变化的二极管模拟预失真嚣【２８】；此外还有一些相关的文章和专利１２９－３６１。

ｉ阶模拟预失真技术在行波管功率放大系统中成功应用后，就迅速推广到固态功率放大系统中。１９８４年日本人Ｎｏｊｉｍａ用二极管搭成了一个三

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阶模拟预失真系统【”１，并成功地应用到８００ＭＨｚ移动电话系统【３…。Ｎｏｊｉｍａ还研究了２５６ＱＡＭ调制方式下模拟预失真技术对系统性能的影响，在６ＧＨｚ载波５００ＭＨｚ带宽情况下可以压缩三阶交调分量６ｄＢ，２５ＭＨｚ带宽的时候可以抑制２０ｄＢｌ３９】。Ｋｕｍａｒ把三阶模拟预失真器应用到１２Ｗ３８－４．２Ｇ吲态功率放大器中，并可以通过改变偏置电压来改变预失真器的非线性特性ｍ４”。Ｎａｌ３ｎｉｃｉｎｉ研究了带温度补偿的固态功放预失真系统【４２】：Ｃｚｅｃｈ研究了模拟预失真技术４ＧＨｚ场效应功放性能的影响１４３１；Ａｍａｄｅｓｉ提出了分级预失真的方法【４４１：Ｓｔｅｗａｒｔ研究了应用于小功率终端的模拟预失真技术１４“。早期的模拟预失真技术主要应用于有线电视和卫星通信系统中，主要研究文献还包括［４６—５０］。

１９世纪８０年代后，模拟预失真技术进入快速发展时期，这时的主要应用对象是移动通信系统。在自适应技术方面，Ｓｔａｐｌｅｔｏｎ提出了通过带外Ｊ力簪采样来控制预失真器的自适应技术，该技术可以用在模拟和数字预失真系统中１５１－５２１。Ｂｅｎｅｄｅｔｔｏ提出了一种通过最小化输入和输出信号均方根误差来实现自适应控制的技术，分析指出了其优缺点∞“。Ｊｅｃｋｅｌｎ则通过对非线性Ｊ力放直接建模，来自适应控制预失真器川。Ｂｅｒｎａｒｄｉｎｉ仿真研究了不同控制策Ｈ．Ｓ对血阶模拟预失真系统性能的影响ｂ”。

许多文献对不同应用背景下模拟预失技术的性能进行了分析研究。Ｍｉｃｈａｅｌ提出了一种应用于多载波放大系统的模拟预失真技术，该技术通过对多通道输出信号的采样来完成自适应控制功能【５“。Ｋａｎｇ等研究了模拟顺√、且器在跳频系统中性能，实验研究表明交调失真可以压缩１０ｄＢ左右ｐ“。ＬａＪ等人提出了一科一采用新型放大器模型的预失真系统，与相同阶数的预失真器相比该系统可以取得更好的性能【５８１。Ｓｔｏｎｉｃ提出了－－＋００应用于数字电视系统的多级模拟预失真系统１５９Ｊ：韩国的Ｙｉ研究了一种应用于ＣＤＭＡ基站ｌ｛］的模拟预失真系统【６０］；Ｂｅｎｅｄｅｔｔｏ等人研究了三阶模拟预失真器对ＯＦＤＭ系统的影响Ｉ“】：Ｂａｎｅｌｌｉ研究了模拟中频预失真同数字预失真相结合的系统对ＯＦＤＭ信号的影响１６２］。Ｒａｈｋｏｎｅｎ研制了一种五阶模拟预失真器的芯片，该芯片可以用于Ａ类、Ｂ类或ＡＢ类功率放大器，当带宽为ＭＨｚ时交凋扰刊ｊ¨Ｉ．以Ｊｊ三缩：Ｏ一３０ｄＢｌ６３１。

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１２２２查找表预失真技术的研究状况及进展

数字预失真技术是指用在数字域内完成信号预失真处理的技术，一般有两种实现方式，基于非线性射频功放的参数模型实现和基于查找表方式实现。射频功放的参数模型有许多种，如多项式模型、Ｖｏｌｔｅｒｒａ级数模型等。多项式预失真系统是三阶预失真系统的推广，在模拟多项式预失真器出现后．就出现了用数字技术实现的多项式预失真系统【６４巧６１，并逐步发展完善１６７－６９］。Ｖｏｌｔｅｒｒａ级数是描述非线性系统的通用模型，因此基于Ｖｏｌｔｅｒｒａ模型数字预失真技术也是研究的热点１７０－７２］。

１９８８年Ｂａｔｅｍａｎ等提出了利用查找表和血线拟合的方法来实现信号的预失真Ｈ“，这可以认为是查找表预失真技术的起源。１９８９年Ｎａｇａｔａ提出了映射预失真技术【７４１，该技术采用两张二维预失真表来实现预失真功能，但系统收敛速度较慢。Ｍａｎｓｅｌｌ提出了一种实用的查找表预失真系统【７”，但ｌ亥技术需要做差值计算，运算负担较重。１９９０年Ｍｉｎｏｗａ等提出了与功率回遐技术相结合的类似系统【７…。对于映射预失真技术的进展还可参见文献ｆ７７—７８】。

１９９０年Ｆａｕｌｋｎｅｒ提出了用两张一维预失真表实现预失真功能的技术¨…，Ｆａｕｌｋｎｅｒ的研究表明该技术可以压缩３０ｄＢ交调失真，但实验系统带’麓ｊ｛仃２ＫＨｚ㈦…。这种预失真技术同相位相关，因此对正交调制和解调器的瞑差卜分敏感，文献［８１罐３］研究了自动纠正这些误差的方法。同年Ｃａｖｅｒｓ提出了一种用复增益查找表来实现预失真器的方法１８４。８５１，该技术用ｌＦ交方式表示的复增益来实现预失真表１８４－８５１。Ｗｒｉｇｈｔ实验研究表明［８６－８７Ｉ，在中带情况Ｆ该技术可以达到２５ｄＢ的交调失真分量压缩。

目ｆｊＵ，查找表预失真系统以成为预失真技术的一个重要分支，其最新的研究成果综述如下。Ｓｕｎｄｓｔｒｏｍ研究了预失真系统各部分量化效应对系统性能的影响【８８】；Ｃａｖｅｒｓ研究了调制解调误差对预失真系统性能的影响［８９Ｉ；Ｍａｎｎｉｎｅｎ研究了反馈回路延迟对系统性能的影响［９０１。Ｊｅｃｋｅｌｎ提出了通过刈ｔ０波非线性特性时实建模来刷新预失真表的技术【。ｌ－９２１；Ｍａｎｓｅｌｌ研究了一种简化反馈形式的复增益预失真系统［９３１；Ｈａｎ等提出了一种通过时实估计复包络传输函数来刷新查找表的技术【９”。Ｔａｋａｂａｙａｓｈｉ研究了采用数字调制器

６一

第一章引言

的查找表预失真技术，该方法可以消除调制器的Ｉ／Ｑ信号不匹配、直流偏移等误差１９５ｉ。Ｈａｓｓａｎｉ等对基本复增益预失真系统做了改进，这些改进只需要很小的硬件改动但可以得到不错的效果１９６１。Ｌｅｅ等比较了在ＥＤＧＥ（ＥｎｈａｎｃｅｄＤａｔａｒａｔｅｆｏｒＧＳＭＥｖｏｌｕｔｉｏｎ）系统中各种自适应算法性能【９７１；Ｉｂｎｋａｈｌａ等研究了神经网络算法在查找表预失真技术中的应用１９８１：Ｍｕｈｏｎｅｎ等对比评述了各种查找表预失真技术的特点【９９】。

１．２２３预失真技术同其它线性化技术相结合

随着无线通信技术的发展，对发射机系统的功率效率、频谱效率、线性度等性能要求也越来越高。线性化技术的～种发展趋势就是组合几种基本线性化方法，通过各自优点来提高整个系统的性能。预失真技术同各种反馈技术相结合是普遍采用的一种技术，Ｎｅｓｉｍｏｇｌｕ提出了一种有源反馈同预失真相结合的技术１１００１；Ｃａｒｄｉｎａｌ提出了一种双有源包络反馈的预失真技术【’０１】：Ｐａｒｋ研究了一种只反馈包络信号的预失真系统１１０２Ｉ；Ｋｉｍ等人提出了一种新型的电路拓扑结构，这种反馈预失真回路可以实现同前馈系统一样的工作原理Ｉ”…。

此外，还出现预失真技术同前馈技术相结合的系统，但所开展的研究不是很深入。文献［１０４，１０５］在研究卫星地球站系统时指出，前馈技术和预失真化技术相结合可以得到更好的功率效率和线性化性能。文献ｆ】０６］在一个６Ｕ馈功率放大系统中采用了预失真技术。预失真技术同ＬＩＮＣ技术相结合是最近提出的一种新型技术‘１０７１，该技术的本质是采用预失真器来弥补ＬＩＮＣ系统中两条回路的幅度和相位不平衡。

１３本论文的主要工作和内容安排

本论文的主要工作可分为三个部分，分别涉及到三阶模拟预失真系统、基于查找表技术的自适应基带预失真系统和同前馈技术相结合的射频预失真系统。概括起来，本文创新性的工作可简要叙述如下。

刈ｊｊ采用二极管反向平行对的三阶模拟预失真系统，当二极管对统计特ｒ｛．不匹配时会产生驻留的二阶交调失真信号，从而会影响整个系统性

第一章引言

能。本文提出了一种可以抑制驻留二阶交调扰动的新型三阶扰动器，该扰动器采用由电阻和二极管组成的反馈网络来平衡二阶交调信号。本文从带反馈电阻的二极管堆扰动器开始逐步推导了该新型阶扰动器的基本原理，分析了其基本特性。研究表明该扰动器具有两个驻留二阶交调分量最小压缩点，因此具有更好的抑制特性。此外该新型扰动器调节方便，并可以构成自适应系统以适应不同的二极管对匹配情况。仿真结果表明采用该新型扰动器的三阶模拟预失真系统能达到４６ｄＢ的三阶交调压缩性能。

对于基于查找表技术的自适应预失真系统，本文主要研究了这种系统中的一项关键技术一查找表表项索引技术。首先通过理论推导得出了可以实现最优表项分布的压缩函数，然后提出了一种用查找表技术实现的非线性表项索引技术，分析了该技术的优点并给出了具体实现方式，最后提出了一种自适应改进方案。仿真研究表明，在相同６４位表项的极坐标预失真系统中，查找表索引技术可以比幅度索引技术提高２．５ｄＢ左右的ＩＭＤ３压缩性能，但不会增加硬件实现的成本。本章最后还研究了表项的自适应刷新算法，在分析儿种基本算法的基础上提出了一种改进弦线算法，仿真结果表明该算法可以提高表项收敛速度。

本文最后从系统原理的角度研究了一种射频预失真技术和前馈技术相结合的线性化技术，该技术改变了基本前馈技术中误差信号的特性，使误芋放大器也输出有用信号功率，这样提高了整个放大系统的性能。此外由ｒ在主功放和误差放大器前分别添加了预失真单元，因此提高了整个放火系统的线性度和功率效率。考虑到固态功放幅度和相位非线性特性的差异，陔技术采用了幅度和相位不平衡调节的射频预失真结构，可以降低硬件成本。仿真结果表明该技术方案可以到达６３ｄＢ的三阶交调压缩性能。

奉论文的主要内容分为血章，上面三部分研究工作分别在第三章、第四章和第血章中做重点阐述。本论文第二章介绍了射频功率放大器的非线性模型并分析了非线性射频功率放大器对发射机系统性能的影响，然后对常用的线性化技术做了综述性介绍。第二章内容可以看做后续几章研究工作的背景介绍。

一８

第二章射频功率放大器及其线性化技术

第二章射频功率放大器及其线性化技术

本章首先分析了射频功率放大器的非线性模型，然后介绍了非线性射频功放对发射机系统的影响，最后对主流的功放线性化技术做了综述性介绍。２．１节分析了射频功率放大器的非线性模型，包括用ＡＭ—ＡＭ和ＡＭ．ＰＭ转换特性描述的非线性模型和用序列展开得到的带通无记忆非线性模型。２１节介绍了线性发射机以及性能指标，着重分析了非线性功率放大器对发射机系统性能的影响。２＿３节对主流的射频功放线性化技术做了综述，包括前馈技术、负反馈技术、ＥＥ＆Ｒ技术、ＬＩＮＣ技术和ＣＡＬＬＵＭ技术。

２１射频功率放大器非线性模型

本论文研究对象是高功率高效率的射频功率放大器，本质上射频功率放大器都是非线性的，也就是输出信号中会包括非线性引起的失真分量。此外这些功率放大器都是有记忆效应的，也就是其输出不仅同现在的输入信号相关，也同过去的信号有关。如果假设输入信号的带宽足够小，则叮以把其看成无记忆非线性系统【”８ｌ，在本文的所有分析中都假设所研究的射频功放是没有记忆效应的。

２．１．１极坐标非线性模型

如果不考虑记忆效应，可以把输出信号中的幅度和相位失真看成是由输入信号幅度变化引起的。这种模型实质上考虑功率放大器两种类型的非线性特性，即调幅．调幅（ＡＭ．ＡＭ）转换特性和调幅．调Ｘｇ（ＡＭ—ＰＭ）转换特陀。由于射频功放的这两个非线性特性可以通过矢量网络分析仪测量得到，因此用ＡＭ．ＡＭ和ＡＭ．ＰＭ特性来描述非线性功放是实际中经常采用的方法。

如果把射频功放的ＡＭ—ＡＭ、ＡＭ—ＰＭ转换特性用串联方式表示，则可Ｕ得剖极坐标形式的非线性模型。考虑如下形式的单频输入信号：

第二章射频功率放大器及其线性化技术

Ｊ。＝ａｃｏｓ（２矾ｆ＋≯）（２．１—１）

当陔信号通过非线性射频功放后，输出信号变为：

Ｓ。＝ｆ（ａ）ｃｏｓ（２刁：，＋妒＋ｇ（ｄ））ｆ２．１．２）

上式中ｆ（ａ）和ｇ（口）分别代表功放的ＡＭ—ＡＭ和ＡＭ－ＰＭ非线性转换特性。

Ｍｉｎｋｏｆｆ研究表明【１０９Ⅲ０１，对于调制输入信号式（２．１－１）和式（２．１－２）ｆｆｉｉ融述的关系也同样满足，即对于如下调制输入信号：

Ｓ，（ｆ）＝ａ（ｔ）ｃｏｓ（２刀：ｆ＋≯（ｆ））ｒ２．１—３１

输出信号可表示为：

ＳＯ（ｆ）＝ｆ｛ａ（ｔ）｝ｃｏｓ（２巧：，＋≯０）＋ｇ｛ｄ（ｆ）｝）ｆ２．１—４、式（２．１—４）所示的模型可以描述包络变化的输入信号所产生的带内失真

扰动，该模型用框图表示如下：

ａ（ｔ）ｃｏｓ（２＜ｔ＋妒（ｆ）＋ｇｆ。（ｆ）｝）

ａ－ｔ）ｃｏｓ（２，ｆｔ＋ｆｂ（ｔ１）竺！ＨＮ、竺！卜ｆ｛ａ（ｔ）｝ｃｏｓ（２ｎｆｄ＋Ｏ‘卅如“…

图２．１极坐标非线性模型框图

２１２正交坐标非线性模型

通过对式（２．１．４）所示的极坐标非线性模型变形型。这种模型建立了两个幅度模型，｛口（，）｝和９｛。（ｆ）｝ＡＭ．ＰＭ转换特性。

对式（２．１．４），三角展开后可表示为：

Ｓ，，（ｔ）＝厂｛ｄ（ｆ））ｃｏｓ｛ｇ｛ａ（ｔ）｝ｃｏｓ（２ｎｆｄ＋妒０））

一厂｛口Ｏ）｝ｓｉｎ｛ｇ｛口（ｆ））ｓｉｎ（２刁：ｆ＋≯（ｆ））式（２１．５）可写成如下正交形式：可以得到正交形式模从而避开了较复杂的

（２．１—５）

＿，，（ｆ）＝ｌ｛ａ（ｔ）｝ｃｏｓ（２ｎｆｄ＋≯Ｏ））一Ｑ｛ａ（ｔ）｝ｓｉｎ（２ｒ：ｆｃｔ＋声（ｆ））（２．１，６）』℃中，（，）和Ｑ（，）分别定义为：

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，｛口（，））＝厂｛。（‘）｝。。８｛ｇ｛“（‘））

２１．７、Ｑ｛日（，））＝厂（口（，）｝ｓｉｎｆｇ｛口（，）｝

根据式（２．１—６）可得到如图２．２所示的正交非线性模型框图。

图２．２正交坐标非线性模型框图

２．１．３序列展开非线性模型

对于极坐标或正交坐标形式的无记忆非线性模型，都需要通过测量得到ＡＭ．ＡＭ和ＡＭ。ＰＭ信息，而对于没有测量的点则需要进行差值运算得到，因此该模型运算量较大。对于非线性系统，一种分析方法是通过各种基函数展开，得到简单描述的参数模型，这样可以提高运算的速度。

日ｄＵ列射频功放非线性模型的展开方法有许多，如泰勒序列、功率序列、Ｓａｌｅｈ函数【“１１和考虑记忆效应Ｖｏｌｔｅｒｒａ级数【¨２…３１等。本章用功率序列展开得到射频功放的带通无记忆非线性模型，这种模型适合通信系统中带通信号的情况。

划‘于一个无记忆非线性系统，其输出信号可以用输入信号的功率序列表示，如下式所示：

ｓ，，（，）＝ｃｏ＋ｃ】Ｓ，Ｏ）＋Ｃ２Ｓ，Ｏ）２＋Ｃ３Ｓ，（ｒ）’＋???ｆ２．１．８）

｝一式中Ｓ（，）是输出信号，Ｓ，（，）是输入信号，ｃ．是各次展开系数。

当输入信号为固定频率ｆ的单载波正弦信号时，式（２１．８）所描述的非线性系统会产生频率为厂倍数的信号分量，这些信号分量称为基准频率分量ｓｉｎ（２万ｆ）的谐波失真分量。

当输入信号是两个等幅单频信号如．ｆ一厶和正＋厶时，即在双音测试情况Ｆ，式（２．１—８）所示的非线性系统会在测试频率及各次谐波附近产生各阶次变调失真分量（ＩｎｔｅｒｍｏｄｕｌａｔｉｏｎＤｉｓｔｏｒｔｉｏｎ，１ＭＤ），如图２．３所示。

第二章射频功率放大器及其线性化技术

从图中可以看到，交调分量与基频的频率建国非常近，是通信系统的主要干扰信号。当多个调制信号通过非线性射频功放时，这些交调分量会落在通信频带内，会对所要传输的信号产生很大干扰，这就多载波系统中非线性射频功率放大器面对的主要问题。对通信系统而言，交调失真比谐波失真要严重的多，因为谐波分量一般远离所工作频率，因此可以通过滤波器方便地滤除。一般功率放大器线性化技术的目的就是消除交调分量对通信系统的影响。

‘．”“ｆｊ？ｆ

５引ｈ盘量…世

图２．３交调失真分量示意图

从图２．３中还可以看出，只有基频信号的奇数次项组合才会出现在基频信号附近。因此如果只考虑交调分量的影响，模型式（２．１—８）可简化如下：ｓ。（，）＝ＣＩｓ，（ｆ）十Ｃ３ｓ，（ｆ）３＋ｃ５Ｊ，（，）５＋??－（２．１—９１对于下式表示的输入信号，来研究交调失真信号幅度的变化情况。

Ｓｚ（ｆ）＝ｎ，‘ｃｏｓ（２刀＂ｃｆ＋≯，）（２．１．１０、

将上式代入式（２．１．９），三角展开后得：

以，）－∽”竽＋挈川．ｃｏＳ（２矾州，）（２．１－１１）

这样基频区域内的交调信号的幅度可表示为：

ａ户叩，＋孚＋争¨．，（２．１－１２）

式（２１．１２）就是射频功率放大器的带通非线性模型，这种模型只考虑了通带区域内失真信号的影响，而且没有考虑偶次分量，是一种比较简单的分折模型。

第二章射频功率放大器及其线性化技术

２．１．４非线性谐波平衡仿真

数值仿真是研究非线性系统的常用方法，一般非线性电路的数值分析方法有瞬时分析法、谐波平衡法和ＳｈｏｏｔｉｎｇＭｅｔｈｏｄｓ等…“。谐波平衡法是在频域内仿真电路性能的一种方法Ｉ“５’１１６ｌ，对于线性部分电路可直接在频域内求得稳态解；而对于非线性电路，则需要先通过傅里叶反变换转化剑Ｈ，１。域内，在时域内完成非线性电路方程求解后，再转换到频域内得到整个系统频域响应特性。谐波平衡法比较适合结非线性程度一般的电路系统，具有运算速度快收敛精度高等优点。

先进设计系统（ＡｄｖａｎｃｅｄＤｅｓｉｇｎＳｙｓｔｅｍ，ＡＤＳ）是安捷伦公司推出的一套专门针对微波射频系统的电子设计自动化软件，该软件具有微波射频电路设计、二维半电磁场仿真、无线通信系统仿真等强大的仿真功能模块和良好的射频仪器接口…７１。目前ＡＤＳ己成为微波射频设计领域的标准软件，其仿真结果具有很高的可信度。本论文的研究工作都是在ＡＤＳ设计环境下丌展的，对于非线性射频功放的仿真采用了该设计软件谐波平衡非线性仿真器。为验证ＡＤＳ中谐波平衡仿真的正确性，本文仿真研究了文献ｆ５２１所示的线性化系统，仿真结果同文献所给出的结果基本一致，从而浇明本文所采用的仿真方法是正确的。

２２非线性射频功放对发射机性能的影响

本小节介绍了线性发射机的概念、描述指标和测量方法，分析了非线性射频功放对无线发射机系统性能的影响。

２２．１线性发射机系统

图２４是一个典型的无线发射机系统框图。信号源经矢量调制器后形成脉冲信号，这个脉冲信号经过成形滤波器后得到所需要的时域和频域特性，形成基带信号。上变频系统把基带信号线性地搬迁到指定的射频频段，最后山射频功放放大到指定功率后输出，这样就完成整个发射过程。

所谓线性发射机是指发射机系统保持了基带信号在时域和频域中的

第二章射频功率放大器及其线性化技术

特性，只是由上变频器在频域上有个线性搬迁的发射系统。发射机系统可以包含非线性器件，但对整个系统必需呈现线性。出于对更高频谱效率的要求，线性发射机系统是无线通信技术的发展趋势，因此必需对发射机中非线性最严重的功率放大器进行线性化处理。

图２．４无线发射机系统框图

对于无线通信系统，通常用输出信号频谱对相邻信道的干扰程度来衡量发射机系统的线性化性能的好坏。相邻信道干扰比（ＡｄｊａｃｅｎｔＣｈａｎｎｅｌＩｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ，ＡＣＩ）是描述发射机输出频谱纯度的重要指标，定义为调制信号的频谱和带外最大频谱的比值，图２．５示例了非线性射频功放的输出频谱及ＡＣＩ值。在研究功放线性化技术时，通常用线性化后提高的相对ＡＣＩ值来代替真正的ＡＣＩ值。

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幽２５非线性射频功放的输出频潜及ＡＣＩ值

描述发射机线性化性能的另一个重要指标是信号矢量误差，定义为实际信号源与发射后信号之间的矢量误差。发射机的非线性或多或少会产生矢量误差，但不会对传输性能产生较大影响。但是当接收机系统信噪较高

第二章射频功率放大器及其线性化技术

时，由于功放非线性引起的矢量误差也会产生一定的误码率。

通常采用双音测试方法来测量射频功放的非线性指标。这种测试方法不需要调制信号源，操作比较简单；而且能在频谱分析仪上方便地得到各种量化指标，因此在实际得到广泛应用。然而作为一个替代方法，双音测试结果和采用实际调制信号测试的结果是不同的，通常情况下双音测试的结果比调制信号测试时更差……。

２．２２非线性功放对发射机的影响

对非线性射频功率放大器，如果输入信号幅度使功率放大器工作在截下区域或者饱和区域，则会比工作在放大器区域的功率放大器产生更多的交调失真分量，因此输入信号的幅度是一个重要参数。从星座图上看，输入信号的幅值是由星座图上信号的位置和其偏移量共同决定的，因此不同调制方式会有不同信号幅度变化情况。图２．６给出了三种不同调制方式下信号幅度的变化范围。

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龌熟。

婚锣１

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Ｊ。¨ｎ０｛ｆ’（ａ）：ＯＱＡＭ（ｂ）：ＰＩ／４一ＤＱＰＳＫ（ｃ）：４－ＱＡＭ图２．６不同调制方式下输入信号的幅度

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国锣。ｊ

（ａ）：口＝１．００（ｂ）：口＝Ｏ．５０（ｃ）：口＝Ｏ．２５

图２．７不同滚降系数下ＰＩ／４－ＤＱＰＳＫ调制信号轨迹到

第二章射频功率放大器及其线性化技术

从图２．６可以看出，在ＯＱＡＭ（Ｏｆｆｓｅｔ?ＱＡＭ）和Ｐ［／４－ＤＱＰＳＫ调制方式下输入信号的变化幅度比４－ＱＡＭ调制方式小，而且前两种调制技术都可以避开了功率放大器的截至区域。此外，成形滤波器的性能也会对输入信号幅度产生影响，图２．７描述了升余弦滤波器在不同滚降系数下输入信号幅度的变化情况。

在频域内，非线性射频功放会扩展输入信号的频谱，从而对相邻信道产！￡干扰，图２．８描述输入信号通过非线性功放后频谱的展宽效应。从图中还可以看出不同的调制方式下输入信号的频谱扩展程度是不一样的，同前分析的一样，ＯＱＡＭ和ＰＩ／４．ＤＱＰＳＫ调制技术要优于４－ＱＡＭ调制技术。

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图２．８不同调制方式下非线性功放引起的频谱扩展

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（ａ）：４－ＱＡＭ（ｂ）：】６－ＱＡＭ（Ｃ）：６４一ＱＡＭ

幽２．９不同阶次调制下非线性功放对信号分布的影响

在高阶调制方式如６４一ＱＡＭ等情况下，功率放大器非线性会引起接收机信号判决上的困难，特别是相位同幅度有很强相关性时，这种影响更明Ｓ＆。㈦二．９显示了不同阶次ＱＡＭ调制下非线性功放对信号分和的影响。

第二章射频功率放大器及其线性化技术

２．３射频功率放大器的线性化技术

如前所述，要设计一个线性化发射机系统，就需要对非线性射频功放进行线性化处理，也就是需要附加电路来消除功放所产生的非线性影响。然而本文所研究的线性化技术完全避开了射频功率放大器本身的非线性特性，本文把这些技术统称为线性化技术。这些技术大体可以分成两类，分述如下。

在第一类技术中，射频功放的输入信号是包络变化的，通过非线性功放后会产生失真分量，但可以利用某种技术来消除所产生的失真信号。比如６Ｕ馈技术是先分离出失真信号，然后再从输出端减去该失真信号的一种线性化技术。另外如预失真技术或负反馈技术，是通过改变输入信号的特性来达到消除失真分量的目的。

另一类技术则完全避开了射频功放的非线性特性，该类技术通过某种ｆ，；弓变换使输入信号变成包络恒定的信号。如ＬＩＮＣ和ＣＡＬＬＵＭ技术是把输入信号的幅度和相位分离开，形成恒包络但相位变化的两路信号，然后通过放大器放大后再合成的技术。另一种技术ＥＥ＆Ｒ则把输入信号分解成幅度和相位表示的形式，但只有相位信息通过非线性功放，而幅度信息则用束控制功放的供给电压，通过这种方式来达到线性化目的。

本节将对除预失真技术以外的常用线性化技术作综述性介绍。

２３１前馈线?性化技术

上世纪２０年代，贝尔实验室的ＨＳ．Ｂｌａｃｋ发明了两种减少放大器失真的技术，即前馈技术和负反馈技术‘７。８】。虽然前馈技术的发明还要比负反馈技术早几年，但接下来几十年里负反馈技术得到广泛应用，而前馈技术则被冷落。正如Ｂｌａｃｋ自己指出的【引，前馈技术的缺点是要求两路信号通路的幅度和相位特性完全匹配，因此最简单的前馈系统也远比负反馈系统复杂。

近年来人们又逐渐认识到，负反馈系统具有条件稳定和只能消除有限失真分量的缺点，相反前馈技术则是无条件稳定并且理论上可以完全消除

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