高级射频功放设计之预失真技术

一种新的用于射频功率放大器的预失真器在各种射频功率放大器线性化技术中，前馈技术有很高的线性度和带宽，但是其电路结构复杂，成本昂贵，而且效率低，他主要用于大功率放大器中，在直放站中，预失真技术就有一定优势，他的成本低，功耗小、电路结构简单。

在机失真rf 功率放大器中，放大器性能的好坏主要取决于预失真器的特性。

好的预失真器可以大大提高功率放大器的线性度，更好地抑制频谱再生。

本文研究了一种能够分别产生im3 和im5 的预失真器，他能很好地改善3 阶和5 阶交调分量。

1 预失真器的电路结构基本的谐波发生器电路如图1 所示。

这个谐波发生器由2 个具有相同特性的肖特基二极管（本文采用skyworks 公司的sms3922）、电容、电阻和180°3db电桥耦合器组成。

2 个二极管加有不同的偏置电压，使其工作在不同的非线性区，以产生失真信号。

电容电阻吸收一定带内信号，设在谐波发生器的输入端加等副的双音信号vi：vi＝acosω1t＋acosω2t（1）其中：a 是双音信号的幅值；ω1，ω2是双音信号的频率且ω1≠ω2。

并假设谐波发生器的非线性传输函数为y＝f（x），输出为v0。

即：v0＝f（vi）。

将其展开成幂级数的形式为：通过控制二极管偏置电压，即可适当调节式（2）中的系数bi（i＝1，2，3…），从而使式（2）能够分别独立地产生im3 和im5 信号，在预失真线性化电路中，采用2 个谐波发生器，一路用于产生im3 信号，另一路用于产生im5 信号。

这样就可以分别控制rf 功率放大器所产生的3 阶交调和5阶交调分量。

在ads 中对图1 的电路进行双音测试仿真。

调节各二极管的偏置电压，即可在输出端产生所要的im3 和im5。

仿真结果分别如图2（a）和（b）所示。

从。

射频功放数字预失真技术研究及其FPGA实现的开题报告1. 选题背景和意义射频（Radio Frequency，RF）功放是无线通信系统中重要的组成部分，其作用是将低功率的基带信号通过放大电路放大后转化为高功率的射频信号，以便传输信号的距离和覆盖面积。

射频功放存在一些问题，如线性度、效率和可靠性等。

其中，线性度问题是最为关键的，因为信号放大后会导致畸变（Distortion），从而影响系统的传输效果。

数字预失真技术是解决RF功放线性度问题的有效手段。

其基本思想是通过对射频信号进行数字处理，提前对信号进行预处理，从而减小放大电路对信号的失真和畸变程度。

数字预失真技术已经被广泛应用于无线通信领域中，成为提高系统性能的有效手段。

本研究旨在探讨射频功放数字预失真技术，以及利用FPGA实现数字预失真技术的方案，旨在提高射频功放的线性度，并可将数字预失真技术在无线通信系统中得到应用。

2. 研究内容和方法（1）数字预失真技术的研究对数字预失真技术进行深入研究，包括预失真技术的基本原理、不同预失真算法的优缺点分析、预失真算法的实现过程等方面。

（2）数字预失真技术在FPGA上的实现利用FPGA技术实现数字预失真技术，包括数字信号处理和射频信号处理两个方面的内容。

其中，数字信号处理包括输入数据处理、预失真算法执行等部分；射频信号处理包括信号输入、功放实现、信号输出等部分。

（3）系统性能分析利用数字预失真技术实现的射频功放进行测试，并对其进行性能分析，包括功率输出、增益、失真情况等。

3. 研究目标和意义本研究旨在实现利用数字预失真技术提高射频功放的线性度，提高功放性能，为无线通信系统的应用提供有效手段。

具体目标如下：（1）实现数字预失真技术在FPGA上的应用，达到设计要求。

（2）对数字预失真技术在射频功放上的应用进行性能测试，并对其进行性能分析。

（3）实现数字预失真技术的优化，提高功放性能和降低失真程度。

本研究结果可应用于基站、卫星通信等无线通信系统中，提高系统的性能和稳定性，促进无线通信技术的发展。

一种新的用于射频功率放大器的预失真法辜文婷;李斌;黄微波【摘要】改善射频功率放大器非线性的方法通常有功率回退法、负反馈法、前馈法和预失真法.预失真技术与其他线性化技术相比具有电路结构简单、性能优良、成本低等优点,因而受到设计者的青睐.设计了一种利用混频器和滤波器分别产生三阶和五阶交调分量的预失真器.采用复增益调节器控制预失真器产生的IMD3,IMD5幅度和相位.并从理论上对其特性进行了分析,利用专用的微波电路仿真工具进行仿真验证,仿真结果表明双音测试在2 GHz频段,IMD3和IMD5分别改善了17 dBc 和12 dBc.【期刊名称】《现代电子技术》【年(卷),期】2008(031)015【总页数】3页(P62-64)【关键词】预失真器;IMD3;IMD5;射频功率放大器;双音测试【作者】辜文婷;李斌;黄微波【作者单位】电子科技大学物理电子学院,四川,成都,610054;电子科技大学物理电子学院,四川,成都,610054;电子科技大学物理电子学院,四川,成都,610054【正文语种】中文【中图分类】TN7221 引言随着大容量通信系统的发展,信道数量的增加、使用带宽的扩展、更高效调制方式的采用,对发射末端的射频功率放大器的线性度提出越来越高的要求,使得高线性射频功率放大器成为当今通信新技术领域中的一个重要研究课题。

目前,对发射机中功率放大器进行线性化有三种常见的技术:预失真、前馈 (feed-forword)、负反馈(negative-forword)[1]。

它们结构不同、各具特色。

前馈型具有很高的线性度和带宽等优点,但由于电路结构复杂，成本昂贵，而且效率低，主要用于大功率放大器中。

反馈型采用了传统的负反馈放大器原理,具有结构简单、方式多样、成本低廉等优点,但在较高的工作频率上,为了保持反馈回路的稳定,必须增加一个带限滤波器,从而限制工作带宽。

相比较而言,预失真型具有工作频带宽，工作稳定因而近年来已成为国内外十分关注的一种线性化技术。

文章编号:000020000(2010)0120126206 收稿日期:2009205205 基金项目:国家高技术研究发展计划(863计划)资助项目(2006AA04A101) 作者简介:刘宗明(1984—),男,硕士研究生;闵　昊,教授,博士生导师,通信联系人,E 2mail :hmin @f .无线射频通信中改进式功放数字预失真技术刘宗明,谈　熙,闵　昊(复旦大学专用集成电路与系统国家重点实验室,上海201203)摘　要:提出了一种用于无线射频通信系统中补偿由于高功率放大器引起的非线性失真的改进式的基带查找表预失真方法.查找表预失真方法是基于对高功率放大器的非线性特性进行训练,由训练得到的功放非线性参数对功放进行线性化校正,以达到预失真补偿的效果.由计算机仿真结果和实测结果表明,该方法具有稳定性高、收敛速度快、补偿算法简单、硬件开销较少、补偿效果较好等优点.关键词:RFID ;高功率放大器;数字基带预失真;查找表;ACP中图分类号:TN 45文献标志码:A功率放大器是无线通信系统中必不可少的重要器件,传输信号经射频功放发送时,必然要受到其非线性失真的影响,由此常常引起邻近信道干扰(adjacent channel interference ,ACI )并导致误比特率(B ER )性能的下降.在频谱资源日益紧张的今天,需要寻求诸如非恒定包络调制方式,以提高频谱利用率,但这对射频功率放大器线性度提出了很高的要求;在诸如无线射频通信等便携式移动通信设备中,功率放大器是耗电较大的部分,提高功放的功效对于延长移动设备的使用时间意义重大.因此需要采用相关技术来降低功放耗电,同时对其非线性进行补偿.功放线性化技术所要解决的主要问题是:降低邻近信道(带外失真);减小带内损耗,提高功放的功效.目前关于功放的线性化有许多方法:功率回退技术、包络消除和恢复技术[1]、笛卡尔环路后馈技术[2]、前馈线性化技术、非线性器件线性化技术以及数字预失真技术[3]等.各种技术都有其优缺点,其中的数字基带预失真方法以其无稳定性问题、精确度较高、适用于宽带通信等优点前景最被看好.1　功率放大器数学模型关于功率放大器的数学模型到目前为止总体上可以分为两类:有记忆和无记忆模型;当输入信号的带宽较小时,记忆常数小于信号最大包络频率的倒数时,就可以将功率放大器认为是无记忆的系统.在无记忆系统模型中,广为使用的有:针对行波管高频放大器(traveling wave t ube amplifier ,TW TA )的Saleh 模型[4]和主要针对固态功率放大器(solid state power amplifier ,SSPA )的特性发展而来的Rapp 模型[5].SSPA 的幅度和相位失真相对于TW TA 模型来说较小,所以多数情况下其相位失真可以认为是0.由于本文的研究重点基于查找表(look up table ,L U T )的预失真算法研究,因而本文采用相对简单的无记忆SSPA 模型来进行分析.对于SSPA ,若功放的输入信号x (t )=p (t )exp [j φ(t )],(1)则功放的输出信号可以表示为:z (t )=A [p (t )]exp [j (φ(t )+θ[p (t )])];(2)式(2)中A [p (t )]和θ[p (t )]分别代表功放的幅度非线性AM 2AM 和相位非线性AM 2PM ,p (t )为功放的输入电压.第49卷　第1期2010年2月复旦学报(自然科学版)Journal of Fudan University (Natural Science )Vol.49No.1Feb.2010A [p (t )]=p (t )1+p (t )O sat 2dS 1/2S ,(3)θ[p (t )]=0.(4)其中S 为AM/AM 转移特性平滑系数,O sat 为功放输出的饱和电平.图1中给出了Rapp 模型特性曲线仿真图,本文后面的仿真都是以此模型作为基础的.2　改进式数字预失真技术算法传统的数字预失真技术[6]基本思想如图2所示.设功率放大器理想的线性输出特性为图2中线性传输曲线,由于器件的非线性导致实际传输特性为图中曲线PA.预失真模块位于功率放大器的前级,能够将实际输入信号V in 转换为预失真输入信号V p .在图2中,该过程实际是将输入信号V in 由理想情况下的输出信号A 点平移到了此时对应PA 输出特性曲线上的B 点所输入的信号V p .将V p 作为功率放大器的输入时,就能够补偿饱和的输出增益,得到较为理想的线性传输特性曲线.由于传统的数字预失真技术采用将输入信号的幅值推高,从而补偿由于功率放大器所产生的非线性,使得基带预失真非线性校正查找表格的大小难以控制,其在实现上需要较大的硬件开销,因而实现起来较为困难.由此,提出了图3中所示的改进式数字预失真校正方法.改进式数字预失真技术基本思想如图3所示.其是将功率放大器增益曲线设定为连接功率放大器转图3　改进式的数字预失真算法Fig.3　Advanced digital pre 2distortion algorit hm换特性曲线的始末两端的线性曲线作为功率放大器理想的线性输出特性.预失真模块仍然位于功率放大器的前级,通过其将实际输入信号V in 转换为预失真输入信号V p .在图3中,该过程实际上是将输入信号V in 由理想情况下的输出信号D 点平移到了此时对应PA 输出特性曲线上的C 点所输入的信号V p .再将V p 作为功率放大器的输入时,就能够补偿饱和的输出增益,得到人为设定的较为理想的功率放大器线性输出特性曲线.该做法由于采用将输入信号限制在功率放大器输出的幅度范围之内,校正后的信号是原输入信号的回退信号,使其相对于图2中传统式的预失真技术在实现上大大缩小了用于线性化校正时基带所需的表格数量,从而使得该改进式的预失真算法能够更好的得以实现.由于改进式数字预失真技术采用将输入信号的幅值回721　第1期刘宗明等:无线射频通信中改进式功放数字预失真技术退的方法来补偿功率放大器所产生的非线性,从而使其相对于传统的预失真技术来说,在对于功率放大器具有相同的线性化校正效果的前提下,可以使功放得到更高的功率增加效率.3　改进式数字预失真技术系统架构改进式数字预失真技术的实现系统架构如图4所示.该系统的工作流程大致分为两步:非线性功率放大器训练阶段和通信信号发射阶段.具体工作流程阐述如下:首先,由基带经数模转换器发送Ramp 训练序列,由于超高频射频识别系统的发射信号与接收信号均采用同一频率的本征信号(LO ),因此在发射机发射信号的同时,能够利用接收机的下变频混频器将发射信号经衰减器(Attenuator )下变频,再由模数转换器(A/D )将该信号转换为基带信号,根据输出信号的采样值获得功率放大器的非线性传输特性,计算出数字查找表的表项值.图4　改进式的数字查找表算法系统架构Fig.4　System architecture of advanced digital L U T pre 2distortion algorit hm训练完成后是通信信号发射阶段.该阶段发送由脉冲编码(PIE Encoding )模块完成数据流(Bit stream )的信号编码.PIE 信号经过升余弦滤波器(raised cosine filter ,RCF )后,将信号带宽限制在发射信道以内,并满足协议规定的时域规范.发射链路中基带信号通过半带滤波器(Half Band )逐步提高信号的采样频率的同时,对信号进行插值以匹配查找表的表格数目,该采样插值后的信号再在训练阶段计算得到的查找表中查找得到该发射信号预失真后的信号,再经由数模转换器输出后,被正交上变频混频器(Quad.Mixer )调制到本征信号(LO )等于920M Hz 的载波上,最终由射频功率放大器(PA )以及天线发射.由于信号在调制过程中经位于半带滤波器输出级与数模转换器输入级之间的数字查找表(LU T ),基带信号能够在上变频之前改变信号幅度,补偿功率放大器所引入的非线性,从而减少发射信道对邻近信道的干扰,实现线性发射机的要求.由于改进式数字查找表算法的实现位于整个系统的数字部分,因而相比于采用模拟和射频的功放线性化校正方法来说,大大的降低了整个系统的硬件开销.并且改进式数字预失真技术的实现位于整个系统工作频率较低的数字部分,所以在降低了硬件开销的同时,还大大降低了整个系统的功耗开销.改进式数字预失真技术的另一大优点是采用了将功率放大器增益曲线设定为连接功率放大器转换特性曲线的始末两端的线性曲线作为功率放大器理想的线性输出特性,从而较好地克服了由衰减器至数模转换器之间环路增益难以控制的问题.在未知环路增益的情况下,只需通过发送训练序列获得相对的功率放大器幅度非线性传输特性,就一定能够找出合适的功率放大器线性目标增益曲线,达到对于功率放大器线性化校正的目的.再者,改进式预失真技术将整个线性化过程分为两步:非线性功率放大器训练阶段和通信信号发射阶段,人为地打断了整个环路系统,使得整个系统在非线性功率放大器训练阶段具有反馈系统的特点,而在通信信号发射阶段具有前馈系统的特点.从而既弥补了前馈系统无法较好随环境适应整个线性化校正需要的缺点,又较好地克服了反馈系统中不稳定因素的影响.4　改进式数字预失真技术仿真结果4.1　改进式数字预失真技术对于领近信道功率(ACP)的改进效果图5表示的是不同数据率(DR )下,未采用预失真技术和采用了改进式预失真技术信号发射功率谱的821复旦学报(自然科学版) 第49卷比较情况(且以下各图均采用中国频率规范,仿真时数字查找表的表格数目为128).图5中,频率f 为零时,本文定义为中心频率,其两边分别表示为中心频率的偏差,左边定义为负,右边定义为正.图5　不同数据率下未采用和采用预失真技术ACP 比较图Fig.5　ACP comparison between predistortion and no predistortion technology under different data rate表1所示为不同数据率下,未采用预失真技术和采用了改进式预失真技术信号功率谱第一、二邻道功率下降情况的比较表.且以下各表值均为中国频率规范下,仿真时采用的数字查找表表格数目为128.表1　采用预失真与未采用预失真技术领近信道相对于主信道所下降功率表Tab.1　ACP comparison of no pre 2distortion and pre 2distortion technologyD R /k Hz P nopre./dBc邻道1邻道2邻道3P pre./dBc邻道1邻道2邻道350-37.62-63.47-79.92-59.20-73.27-82.0660-33.97-61.12-77.60-53.59-72.19-81.1070-22.88-51.97-72.71-50.18-70.95-80.2380-21.83-51.59-64.39-37.43-63.59-79.094.2　改进式数字预失真技术查找表数目对于发射信号ACP 的影响效果由图6(见第130页)数据率、查找表表格数目和第一、二邻道ACP 关系图中可以看出,在中国频率规范下,当不断增大查找表表格数目时,对于较小数据率的发射信号的ACP 改善较为明显.还可以看出,在不同PIE 码数据率下,增大用于数字预失真查找表的表格数目可以起到对于发射信号邻道功率的改善作用.但其对于邻道功率谱的改善作用会随着查找表格数目的增加而逐渐趋于饱和.发现当查找表表格数目从64格变化到128格时,对于不同数据率的发射机来说,其邻道下降功率较快;而当查找表表格数目从128格变化到256格时,其邻道下降功率较慢.921　第1期刘宗明等:无线射频通信中改进式功放数字预失真技术图6　数据率、查找表表格数目和第一、二邻道ACP 关系图Fig.6　Relationship between L U T size and ACP under different data rate5　改进式数字查找表算法测试结果图7是数据率为70k Hz 时,在中国频谱规范下的对于改进式数字查找表测试结果图.图7(a )为未采用预失真技术时发射信号ACP 测试结果,其第一邻道相对主信道功率谱下降35dBc ,其第二邻道相对主信道功率谱下降51dBc.下图7(b )为采用了改进式数字预失真技术时发射信号ACP 测试结果,其第一邻道相对主信道功率谱下降46dBc ,其第二邻道相对主信道功率谱下降59dBc.比较采用和未采用预失真技术发射信号ACP 测试结果表明,采用了预失真技术比未采用预失真技术时,发射信号功率谱第一邻道ACP 改善了约11dBc ,其第二邻道ACP 改善了8dBc.图7　改进式数字预失真技术测试结果Fig.7　Testing result s of improved digital pre 2distortion本文采用了改进式数字预失真技术有效地抑制了在无线射频中高功率放大器Rapp 在放大信号过程中所引起的非线性失真.与传统的基于查找表预失真算法相比,该改进式数字预失真引入了训练序列,简化了预失真参数的捕获过程,同时有效地控制了预失真器对于基带数字查找表硬件的开销.在无线射频发射机的应用中,保障了发送信号的线性度;在相同带宽的条件下,有效地提高了发送信号的数据率;降低了功放的工作电压,提高了无线射频移动通信功率放大器的功效.参考文献:[1]　刘　洋,贾建华.射频放大器互调失真检测和载波抵消的研究[J ].信息技术,2004(11):123.[2]　李胜红,向志军.固态功率放大器的线性化技术[J ].电子对抗技术,2004(2):123.031复旦学报(自然科学版) 第49卷[3]　魏　峰,史小卫.通信用功率放大器的线性化技术[J].电子科技,2003(12):123.[4]　Rapp C.Effects of HPA2nonlinearity on a42DPSK/OFDM2signal for a digital sound broadcastingsystem[C]//Proceedings of the Second European Conference on Satellite Communications Belgium:Liege,1991:1792184.[5]　Saleh A A M.Frequency2independent and f requency2dependent nonlinear models of TWT amplifiers[J].I E E E T rans Comm unications,1981:171521720.[6]　Muhonen K J.Kavehrad M,Krishnamoorthy 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power amplifier;digital baseband pre2distortion;look2up2table;ACP(上接第125页)A R esearch on the Driven Mechanism for C arbonR eduction and a Discussion of Chinaπs PoliciesZH ANG Wen2lei,H U Huan(Department of Envi ronmental S cience and Engineering,Fudan Universit y,S hanghai200433,China)Abstract:Following wit h t he worsening impact of climate change,carbon2reduction becomes a large problem in all countries.To explain t he differences among t he countriesπattitude towards t he problem,t he driven mechanism for carbon2reduction is studied t hrough t heoretical research and case analysis.The national policies on carbon emissions are affected by t he maximum of national interest s which is a integrated index constituted by economic interest s, national security,international status,political interest s and ot her factors.And national features such as degree of economic development and impact of climate change,mitigation cost s,low2carbon technologies,political background,and research will make t he policies different to maximize t heir own interest.It also test s Chinaπs climate change policies based on t he mechanism.And t he result shows t hat t he slow2down policy which is implementing in China is reasonable for now but too weak for t he future.K eyw ords:carbon2reduction;national interest s;driven mechanism;China 131　第1期刘宗明等:无线射频通信中改进式功放数字预失真技术。

射频预失真技术研究目录一、功放线性化的必要性 (1)二、功放线性化技术分类 (2)2.1功率回退法 (2)2.2前馈法 (2)2.3反馈法 (2)2.4 LINC(linear amplification with none linear component) (3)2.5预失真法 (3)三、自主射频预失真技术仿真 (4)3.1射频预失真方案比较 (4)3.2 放大器非线性特征建模及仿真 (5)3.3射频预失真器建模及仿真 (8)四、参考文献 (11)随着移动通讯事业的迅猛发展，特别是CDMA和第三代移动通信技术的发展，使得系统对功放线性的要求越来越高。

在移动通信系统中，为了保证一定范围的信号覆盖，我们通常使用功率放大器来进行信号放大，进而通过射频前端和天线系统发射出去。

而在CDMA或W-CDMA的基站中，如果采用一般的高功放（通常工作在AB类）将由于非线性的影响产生频谱再生效应。

尽管它对本信道的影响不大，甚至有时候可以忽略，但它将会干扰邻信道。

为此3GPP规范规定了频谱辐射屏蔽（Spectrum emission mask）的要求，一般的高功放不能达到要求。

另一方面，在移动通信系统设计中，为了扩大用户容量，最有效的方法就是同扇区多载频应用。

在传统的多载频系统设计中，往往每个通道采用一个窄带的单载波功放（SCPA），然后把它们的输出进行大功率的合成，由天线发射出去。

但是它有很多缺点，两路多载波的功率合成要产生3dB的损耗，并且效率比较低，从而导致能量的大量损失。

由于多载波线性功放基本上消除了器件的非线性影响，因此，可以先采用小信号功率合成器将各载频进行信号相加，然后采用一个功率放大器进行功率放大，有资料表明，在EDGE单载波功放基站的效率是4%，4载波线性功放基站的效率是12%。

多载波线性功放不仅能够提高功放的效率，而且可以大大降低系统的制造成本（功放在基站中的成本比例约占1/3），减小其体积。

无线通信中射频功率放大器的数字预失真技术研究现代移动通信技术的高速发展使得无线通信的传输信道和频谱资源日益紧张。

目前通信系统正向着宽带化、多频化和低能耗的趋势发展。

无线通信系统是工业节能降耗的重点,而微波集成器件的能耗占基站主设备能耗的60%以上。

射频功率放大器(RF Power Amplifier,RF PA)作为无线通信中必不可少的核心器件,其性能的优劣将直接影响整个系统的通信质量。

而目前通信系统中常用的复杂信号具有非恒包络高峰均功率比(Peak-to-Average Power Ratio, PAPR)特征,这就要求功放具有足够高的线性度。

凭借其编程灵活、成本适中、性能卓越等优势,数字预失真(Digital Predistortion, DPD)成为无线通信发射机中重要的线性化方法。

针对国内外的现有研究情况,本文对宽带及双频DPD建模技术、功放如何在非恒包络高峰均比信号激励下实现高效率高线性度的技术、以及宽带功放预失真系统反馈回路降低采样率技术等进行了深入的研究。

实现了波峰因数降低(Crest Factor Reduction,CFR)技术与宽带及双频预失真系统的有效结合、优化了宽带预失真系统中基于带限Volterra级数的模型算法、提出了基于压缩感知(Compressed Sensing,CS)的宽带DPD反馈回路低采样率实现方案。

本文的主要工作和创新点如下:1、在研究CFR和DPD技术内在关系的基础上,根据两者之间的互逆特性,引入一个对削峰与预失真信号的补偿模块(Compensation Module, CM),提出了 CFR-DPD-CM联合结构。

该结构在保证线性化性能的前提下,充分提高了信号传输质量。

仿真及测试结果表明,当应用PAPR值为10.12dB的20MHz WCDMA1001信号激励F类功放进行验证时,信号PAPR值降低3.27dB的同时EVM值比无预失真情况降低了 2.98%,ACPR值达到-53dBc以下。