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
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。
RF高功率线性PA原理介绍(数字预失真)) LPA-P2原理介绍
数字接收自适应控制技术原理
RF
ADC
PLL
Vac Vpc
图3 数字接收自适应控制技术原理框图
DAC
M C U
DAC
数字接收自适应控制技术原理
• 数字接收自适应控制技术是通过中频滤 波接收检测信号对消效果，并结合高速 数字信号处理实现精确、及时的环路控 制的信号处理技术，这种技术主要用于 误差环的自适应控制过程 。
DTU(检测单元）
主环对消检测模块 RF6 AD8362 Vmc
正向输出信号和交调信号检测模块 10dB RF8 RFsa
AD8362
-10dB
10dB
-25dB -7dB 13dB
-11dB
-3dB~-20dB -3dB~-20dB -11dB 24dB 32dB 13dB AD8307
Vec
LO PLL
前馈技术原理
• 自适应控制器则参照载波抵消器输出取样信号闭环调 整主功率放大通道的增益和相移，保证载波信号的良 好对消，得到代表主功放失真特性的误差信号；误差 信号经过自适应控制器的幅度、相位调整和误差放大 器的功率放大后，耦合引入主功放输出通道，反相抵 消主功放输出信号中的失真分量，实现前馈线性化过 程，自适应控制器同样通过闭环取样检测误差信号的 对消结果，控制误差放大通道的增益和相移量，动态 保证失真信号的良好对消效果。
MPAU(主功放单元）
• 本单元是线性功放的关键部分，负责将信号 放大到要求的功率，同时要求很高的线性度。 来自ISU单元中的功率信号经主功率放大单元 放大后进入DFU，并由PU单元供给主功率放大 单元+12V电源和+28V电源，同时取出温度取 样电压给CU，接受CU的控制信号Voc控制误差 导频输出。 •
射频功放数字预失真技术研究及其FPGA实现的开题报告
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。
射频功率放大器数字预失真技术及其发展趋势
少成本并提高可靠性。数字预失真处理技术（Ｐ ） Ｄ Ｄ成功用 于 ＷＣ Ｍ Ｄ Ａ基站，使得功放效率从传统基站功放效率的 ９ ％提高到 １％。更高效率的 Ｄｈｒ 功放技术在 ＷＣ Ｍ ９ ｏｅｙ ｔ ＤＡ 基站应用方面已经获得突破 ，ｏｅｙ Ｄ ｈｒ 功率放大器采用载 ｔ
浙 江 省 教 育 厅 科 研 资 助 项 目（ ｏ ０ ８ ５ ３ ） Ｎ ． ０ ０４ ３ Ｙ２
通 常被称为后 置反 向滤波器 （ ｓｉ ｅ ｅｆｅ） ｐ ｔｎ ｒ ｌｒ。然 后 ， ｏ ．ｖ ｓ ｉ ｔ 这
一
２ 数 字 预 失真 器 基 础
预失真系统基本结构如图 １ 所示 ， 预失真器在功率放 大器之前对输入信号先做预处理， 它的传输特性刚好是放
系数被直接复制到前置的预失真滤波器。Ｓｈｔ ｎ ｃｅ ｅ 在参 ｚ
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研究与开发
射 频 功 率 放 大 器 数 字 预 失 真 技 术 及 其 发 展 趋 势
沈小 虎 ， 金 浩， 王德 苗 （ 江 大学 杭 州 ３ ０ ２ ） 浙 １０ ７
３ Ｇ无 线 通 信 系 统 对 功 率 放 大 器 的设 计 提 出 了更 加 严 格 的 要 求 。 了 有效 地 利 用 宝 贵 的频 谱 资 源 ， 为 功
大器的研究成果作一个总结， 介绍了各种放大器预失真结
构， 并针对不同的非线性模型 ， 讨论了各种模型的应用以 及对应的自适应方法 ， 同时分析了两者结合的发展趋势。
图 ３ 间 接 学 习 结 构
失真器广泛采用［１ 这种结构最先被用在消除扬声器的 １１ ０】 ，， 非线性上。在这种结构中， 我们首先提取出后置滤波器的 系数 ， 这个滤波器作为非线性放大器模型的反函数 ， 因此
一种新的用于射频功率放大器的预失真法
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。
射频功率放大器预失真技术研究
１．３主要内容
ｆ，
本文主要内容是进行模拟预失真线形化技术的研究，针对射频功率放大器
的非线性特性，研究和探讨可行和有效的模拟预失真技术，以提高射频功率放
大器的线形度。
。：
论文的结构安排如下：第一章介绍了应用线形化技术的意义及其发展史和
发展现状，并简述了本文的主要内容：第二章分析了射频功率放大器的非线形
ｐｒｅｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ ｌｉｎｅａｒｉｚａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｇａｉｎ ｅｘｐａｎｓｉｏｎ ｐｈｅｎｏｍｅｎｏｎ ｉｎ ａ
Ｄｏｈｅｒｔｙ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ ｉｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｃｈａｐｔｅｒ．Ａｔ ｔｈｅ ｅｎｄ ｏｆ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ａ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ａｂｏｖｅ ｍｅｔｈｏｄｓ ｉｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ．
ｏｔｈｅｒ ｈａｎｄ，ｔｈｅ ｍｏｄｅｍ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｒｅｑｕｉｒｅｓ ｔｈｅ ｈｉｇｈｅｒ ｌｉｎｅａｒｉｔｙ ｄｅｇｒｅｅ ｏｆ ｔｈｅ ｐｏｗｅｒ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ ｉｔｓｅｌｆ ｉｓ ｌｉｍｉｔｅｄ．Ｓｏ ｔｈｅ ｌｉｎｅａｒｉｚａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｉｓ ｐｒｅｆｅｒｒｅｄ ｔｏ
前馈技术起源最早，发展最晚。早在Ｈ．Ｓ．Ｂｌａｃｋ发明反馈技术大约９年前， 他就发明了前馈线性化技术。虽然前馈线性化技术具有无条件稳定，线性度高， 线性度与增益无直接关系，噪声系数好等优点，但是由于当时器件工艺水平所 限，前馈技术所要求的相位、幅度和延时匹配较难实现，在问世后的二十多年 里一直被人们所忽视，直到ＭｃＭｉｌｌａｎｌｌ２１和Ｖａｎ Ｚｅｌｓｔ［１３Ｊ将反馈技术与前馈技术用 于同一系统中才引起人们的关注，并出现了一系列相关文章ｌ体１５】。现代意义上 应用于ＲＦ放大系统的前馈线性化技术是１９６８年贝尔实验室的Ｓｅｉｄｅｌ等人开始 并发展的Ｉｌ“”，但其发展步伐远远落后于预失真线性化技术，直到近几年，以
无线射频通信中改进式功放数字预失真技术
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 R.Look2up table techniques for adaptive digitalpredistortion:A development and comparison[J].I E E E T rans On V ehicular Technology,2000,49(5):199522002.RFI D Digital B aseb and Pre2distortion for R app N onlinearPow er Amplifier B ased on Look2Up2T able T echnologyLI U Zong2ming,T AN X i,MI N Hao(A S IC&S ystem S tate Key L aboratory,Fudan Universit y,S hanghai201203,China)Abstract:A digital baseband improved pre2distortion for Rapp nonlinear power amplifier based on look2up2table is proposed to compensate t he nonlinearity caused by High Power Amplifier.L U T based pre2distortion technology can compensate HPAπs nonlinearity by training it s nonlinearity character and performing it s inverse convert of t he HPAπs nonlinearity based on t he L U T table.Bot h t he computer simulation and t he real hardware testing result shows that t he met hod algorithm performs stable,converges fast wit h simple algorit hm less hardware but high nonlinear compensation effect s.K eyw ords:RFID;high 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
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。
射频功率放大器的数预失真研究
的显 示查 找表 中的 内容 。
在 现代 社会 环境 中 ，很 多行 业或 研究 领域 都对 射频 功率 放大 器 线性 化 的相关 技术 研 究及 应用 产生 较为 浓厚 的兴 趣 。究其
实 践应用 。 Ｈ 参考文 献
… 段淇， 叶建芳， 叶 建威 ． 一种 用于射 频功率放 大器的新型预 失真器
的设计［ １ ］ ． 现 代 电子 技 术 ， ２ ０ １ ０ ， １ １ （ １ １ ） ： １ ５ ６ — １ ５ ７ ．
益。功率放大器的作用机理主要是将信号放大置无线通信领域
供 一部 分理 论依据 。 关键 词 ：射 频功 率放 大器 ；数 字预 ；技 术研 究
定的频段之内。这便是研究射频功率放大器的数预失真的主
一
、
射频功率放大器数预 失真研究 内容概 要
要 目的 。
纵观 现代 无线 通信 系统 的构 建过 程 ，为 了提升 系统 的利
（ 一 ）射频 功率 放大 器 的运 作机 理与数 字预失 真 间的关 联 。射频 功率 放大 器是 现代通 信 系统 中非 线性 特征最 强烈 的
（ 二 ）针对 数 字 预 失 真技 术 的研 究 。在 数 字 预失 真 技 术 的具 体实施 过程 中 ，采用 了显示 查找 表 的结 构 。首先 发送 锯 齿 波 的训 练序 列 经过 射频 和 功放 端后 ，用Ａ Ｄ 采 样 来得 到 失 真 的接 收信 号 ［ ２ 】 。与此 同时 ，反 馈信 号通 过 同步与 数据 相
用率 ，就 采取 一 定 的调节 措施 ，使 得射 频功 率放 大器 的工 作
无线通信中射频功率放大器的数字预失真技术研究
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。
射频功放中基带数字预失真算法研究与实现
杭州电子科技大学硕士学位论文射频功放中基带数字预失真算法研究与实现姓名：陈胜康申请学位级别：硕士专业：通信与信息系统指导教师：张福洪;孔宪正20100301摘 要在现代通信系统中，由于受到高速率数据传输需求和有限频谱资源的双重压力，非恒包络调制技术得到了广泛的应用。
对于数字电视地面广播信号也采用了非恒包络调制方式，如64QAM、TDS-OFDM、COFDM等方式，其发射信号具有很高的峰均比和较宽的带宽，对功率放大器的非线性失真非常地敏感。
当这些非恒包络高峰均比发射信号通过非线性大功率放大器时，信号将会产生失真，系统性能将受到两方面的影响，即带内失真和带外噪声。
带内失真主要表现为信号的幅度和相位产生失真，使星座图产生偏移，降低系统的抗误码能力；带外噪声主要表现为信号的频谱扩展，产生邻道干扰，减小了系统的频带利用率。
为了系统获得较高的功率效率，功率放大器通常工作在饱和点附近，此处的非线性问题最为严重。
因此我们必须对功率放大器进行线性化处理，来提高它的工作效率。
功率放大器的线性化技术包括功率回退法、前馈法、反馈法、模拟及数字预失真等方法，其中功率回退法是指功率放大器工作在远离饱和区的功率点上，进入线性工作区。
它是以牺牲功率放大器的效率为代价，并且存在成本高、体积大、功耗大以及散热困难等缺点，因此无法在数字电视发射机及其转发设备中使用。
基于自适应数字预失真的有记忆功率放大器线性化技术结合了实用性、经济性、稳定性和灵活性，被业内视为最有前途的一种功率放大器线性化技术，是今后一段时间内的研究热点。
它采用了数字信号处理技术来实现，并且利用自适应跟踪补偿功率放大器因环境因素改变而造成的误差，性能优良，十分适合于在数字电视发射机的功率放大器中使用。
本文首先介绍了数字电视及其信号的特点，概述了国内外功放线性化的研究状况及发展趋势。
其次分析了功率放大器的非线性特性及其影响，详细介绍了功率放大器模型及常用的线性化方法，并重点分析了预失真方法。
预失真技术在射频功率放大器设计中的应用
Ｔｈｅｎ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｐｏｉｎｔｓ ｏｆ ＲＦ ｐｏｗｅｒ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ ｄｅｓｉｇｎ ａｒｅ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ ｍａｄ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ
ａｍｐｌｉｆｉｅｒ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ａ １ ６Ｗ ＲＦ ｐｏｗｅｒ
ｉｓ ｐｅｒｆｏｒｍｅｄ ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ＡＤＳ
Ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｂｅｇｉｎｓ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｎｏｎｌｉｎｅａｒ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ＲＦ ｐｏｗｅｒ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ，ｔｈｅｎ
ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ｃｏｍｍｏｎ ｌｉｎｅａｒｉｚａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ ｓｕｃｈ ａｓ ｆｅｅｄｂａｃｋ、ｆｅｅｄｆｏｒｗａｒｄ、 ｐｒｅｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｈｅ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ａｎｄ ｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｏｆ ｅａｃｈ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ａｒｅ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．
ａｎｄ ＰＣＢ ｄｒａｗｉｎｇ ｗｉｔｈ ｐｒｏｔｅｌ．Ｔｈｅｎ ＲＦ ｐｒｅｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ ｌｉｎｅａｒｉｚａｔｉｏｎ ｉｓ ａｎａｌｙｚｅｄ，ｗｈｅｒｅ
ｔｈｅ ａｎｔｉ—ｐａｒａｌｌｅｌ ｄｉｏｄｅｓ ｐｒｅｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ ｉｓ ｕｓｅｄ．Ｆｏｒ ａ ｔｗｏ－ｔｏｎｅ ｓｉｇｎａｌ，ｔｈｒｅｅ
ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ ｐｒｅｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ ２５Ｗ ｐｏｗｅｒ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ．Ａｎｄ ｔｗｏ ｔｙｐｅｓ ｏｆ ｐｒｅｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ
ｌｉｎｅａｒｉｚａｔｉｏｎ ｗｈｉｃｈ ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔｌｙ ｃｏｎｔｒｏｌ ＩＭＤ３ ａｎｄ ＩＭＤ５ ａｒｅ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ，ｏｎｅ ｕｓｅｓ
求。 因此为了适应现代通信系统发展的要求，有必要采用线性化技术来对射频
功率放大器进行改善，以提高系统的性能，减小系统体积，降低系统的需求功 率和系统成本。采用线性化技术可以有效消除系统内的干扰和失真，特别是对 于功率放大器来说，可以在给定失真指标的情况下，工作在更高的功率电平上， 可以提高功率放大器的最大输出功率、效率，并改善功率放大器的线性度，增 加功率放大器的工作带宽，使其符合无线通信系统的指标要求。
射频功率放大器自适应预失真技术研究
了简单 的论述 ，随后 ，给 出了谐波 发生器 的电路结构 ，并对 其特性进行 了分析 ，在此基础 上添 加了 自适应控 制 电路 ，并对其进行 了深入 的算 法推 导 ，通过 与 自适应技术 的结合 ，整个系 统的稳定性得 到提 高。将此预失 真线性化 电路 用于射频放大器 中，Ｉ ３ ＭＤ 的性能得到有效的改善 。双音测试表 明Ｉ ３ ＭＤ 改善了９Ｂ 。 ｃｃ ｌ 关键字 ：预失真 ； 波发生器 ；Ｉ Ｄ３ 自 谐 Ｍ ； 适应
ａ ｐｔｖｅ ｔ ｃ ｄａ ｉ ｅ ｈｎｏｌ ｙ，ｔ ｈｏ ｅ ｓ ｓｅ ｓａ ｌｔ ｓｉ ｐ ｏｖｅ ｏｇ ｈｅ ｗ ｌ ｙ ｔ ｍ ｔｂｉｉｙ ｉ ｍ ｒ ｄ．Ｂｙ ｐ ｙｉ ｈｉ ｉ ａｉ ｅ Ｏ Ｉ ａ ｐｌ ｎｇ ｔ ｓｌｎｅ ｒｚ ｒｔ ＫＦ ｐｏｗ ｅ ｍ ｐｌｆｅ ，ｔ ｒａ ｉ ｒ ｈｅ ｉ
Ｉ Ｄ３ ｉ ｔｍ ｍｄ ｌｔ ｎ ｄ ｓ ｒ ｏ ｓａｅ ｉ ｒ ｖ ｄ ｅ ｅ ｔ ｅ ． Ｍ ｅ ｎ ｕ ａｉ ｉ ｏ ｔ ｎ ｒ ｏ ｔ ｉ ｍｐ ｏ ｅ ｆ ｃｉ ｌ Ｔｗｏ ｏ ｅ ｔｓ ｒ ｓ ｌ ｈ ｗ ａ ｅｉ ｒ ｖ ｍｅ ｔ ｎ Ｉ Ｄ３ ｖ ｙ —ｔ ｎ ｔ ｅ ｕｔ ｓ ｏ ｔ ｔ ｈ ｍｐ ｏ ｅ ｎ ｅ ｓ ｈ ｔ ｉ Ｍ
中文分类号 ：Ｔ ３ ３ Ｐ ９ 文献 标识码 ：Ｂ
Ｒｅ ｅ ｒ ｈ ｆａ ｐｔｖ ｅ－ ｓｏｒｉ ｎ ｔ ｃ ｎｉ ｓ ａ ｃ ｏ ｄａ ｉ ｅ ｐｒ ｄｉｔ ｔｏ ｅ ｈ ｑｕｅ ｆ ｒ ＲＦ ＿ ＿ ｏ
射频功率放大器的基带自适应预失真技术概要
山东大学硕士学位论文射频功率放大器的基带自适应预失真技术姓名：王晓峰申请学位级别：硕士专业：微电子学与固体电子学指导教师：林兆军;阎跃鹏20090420射频功率放大器的数字自适应基带预失真技术摘要功率放大器是通信系统中最重要的器件，存在固有的非线性。
非线性导致了信号带宽之外的频谱再生或扩展，对邻近信道造成干扰。
同时，这种非线性在信号带宽内也造成失真，恶化了接收机的比特误码率。
新型的传输格式，比如宽带码分多址（ＷＣＤＭＡ）和正交频分复用（ＯＦＤＭ），由于具有较高的峰均功率比（ＰＡＰＲ）尤其容易受到非线性失真的影响，造成功率放大器记忆效应的产生，使功率放大器的特性发生变化，互调产物发生不平衡，同样引起失真。
如果我们为了获得功率放大器所需的线性度，仅仅采用简单地回退方法，那么功率放大器的效率在高峰均功率比情况下将会是非常小。
为了获得高效率同时线性度比较好的功率放大器，通常可以采用线性化的方法来实现。
数字预失真是所有线性化技术中性价比最好的一种，因此我们主要研究目标是数字预失真系统的实现。
为了研究数字预失真系统，需要对功率放大器的非线性特性及其记忆效应有非常深入的理解，同时为了进行数字预失真系统的仿真，需要构建准确的功率放大器行为模型。
本文就是对宽带功率放大器的非线性特性、记忆效应、行为模型以及数字预失真系统进行逐步展开研究的。
本文对功率放大器的非线性特性及其引起的失真、记忆效应的产生及其消除、行为模型的构建以及数字预失真系统仿真实现进行了全面的描述与研究。
功率放大器非线性特性部分主要阐述了非线性特性的描述、非线性特征参数、非线性产生的失真产物、非线性分析方法等；功率放大器记忆效应部分主要分析了记忆效应的识别、产生的原因，给出了记忆效应消除的方法；功率放大器的行为模型部分主要对当前提出的典型行为模型进行的分析和比较：数字预失真系统与仿真实现部分主要分析了当前主要的线性化技术并进行了比较，对数字射频预失真系统和数字基带预失真系统在ＭＡＴＬＡＢ环境下进行了系统构建并进行了仿真。
射频功率放大器的预失真线性化
记忆效应与预失真的关系
在存在记忆效应的条件下，预失真线性化的效果只能做到对某一个频 率点最优； 在存在记忆效应的条件下，如果输入信号是窄带的，则记忆效应通常 不会造成太严重的影响，但是，如果输入信号是宽带的，则记忆效应 的影响不容忽视，它往往是限制预失真的线性化效果的主要因素； 如果采取某种方法消除了放大器的记忆效应，则放大器在各个频率点 的失真情况都是一样的，这时只要做到了在一个频率点的补偿最优， 也就是在整个频带上的补偿最优。
计入记忆效应方法（1）
PMC 7815
计入记忆效应方法（1）（cont’d）
PMC 7815
PMC-7815 原理分析
这是 PMC-7815 采取的方案；
通过功率积分（过去）与功率微分（变化率）的地址指标寻址来计入记忆效应的 影响（这可理解为时变的非线性）； 引入平方、三次方、四次方……非线性 FIR 滤波器来计入非线性效应的影响； 存储体中每一个单元储存有一组完整的 FIR 参数； FIR 中的参数是实时更新的； 每隔一段时间，用一组己知的训练序列来校正放大器，更新存储体中所有的 FIR 参数 但是这样整个系统会变得十分复杂，为补偿非线性，计算开销与存储开销会非常大； 自适应校正的时间也会非常长，有时会因此导致不能满足系统的要求； DCSP (数字补偿信号处理单元) 需要专门设计（ASIC），以保证计算速度，因为 补偿信号的带宽是基带信号带宽的3－5倍，所以对 DCSP 的计算能力的要求非常 高（时钟频率：80－100 MHz）；
High Power (40W) 3-Sector Multi-carrier (4 W-CDMA) BTS PALADIN Cost Advantage: $12,393 per BTS
基于matlab的射频功放数字预失真方案设计与验证
摘要摘要射频功放是无线通信中必不可少的组件，用于对信号功率进行放大。
由于射频功放在提高信号功率的同时，也会伴随产生记忆非线性失真，因此，解决功放的记忆非线性失真特性显得尤为关键。
数字预失真具有高效和易于工程实现等优点，使其成为解决这一问题的普遍方法。
本文使用MATLAB的SYSGEN模块实现了一种构造简单、功放失真特性改善程度较好的数字预失真系统。
主要内容包括：第一，介绍了功率放大器的相关特征以及数字预失真的主要技术。
通过理论分析以及MATLAB仿真比较几种学习结构，选择使用间接学习结构；比较了三种经典的辨识算法模型，选择使用实现和计算都较为简单且开销较小的最小均方自适应(Least Mean Square, LMS)算法；比较几种预失真器模型，选择使用记忆多项式模型，并且在资源开销与性能综合考虑下选择了记忆深度为3、非线性阶数为5的实现方案。
第二，根据选择的模型与参数，在SYSGEN平台上搭建了数字预失真系统。
该系统包括信号源、预失真器、功率放大器模型、正交调制/解调、数据缓存和预失真算法模块。
并且，在SYSGEN中使用的MCode模块，可以直接调用.m文件进行预失真算法的计算，并返回抽头加权向量，极大地提高了建模的效率。
第三，通过自主研发的软件无线电平台，对链路整体功能的正确性进行了验证：通过FPGA内部环回、FPGA夹层卡(FPGA Mezzanine Card, FMC)环回、射频功放环回，测试数字预失真系统的改善效果。
功放输出的邻道泄漏比(Adjacent Channel Leakage Ratio, ACLR)满足3GPP关于ACLR小于-45dB的要求。
证明了使用MATLAB的SYSGEN模块设计数字预失真系统的方案基本可行。
本文使用的SYSGEN实现方案不需要使用Verilog语言即可搭建链路并实现功能。
大大降低了开发的成本。
关键词：射频功放，数字预失真，SYSGEN，DPSABSTRACTABSTRACTA RF power amplifier is an indispensable component in wireless communication for amplification of signal power. RF power amplifiers can improve the signal power, but cause memory nonlinear distortion simultaneously, Therefore, it is particularly critical to solve the memory nonlinear distortion of the amplifier. Digital predistortion has the advantages of being efficient and easy to implement, making it a common way to solve this problem. In this paper, SYSGEN platform is used to realize a digital predistortion system with simple structure and improved power amplifier distortion. The main contents include:First, study the characteristics of the PA and the main technology of DPD. Through the theoretical analysis and MATLAB simulation comparison of several learning structures, indirect learning structure is chosen. LMS algorithm which is simple and less costly to implement and calculate is selected by comparing three classical identification algorighm models. The memory polynomial model is selected after comparing several predistorter models. Under the consideration of resource cost and performance,the realization scheme of memory depth 3 and non-linear order 5 has been chosen.Second, build a digital predistortion system in the SYSGEN platform according to the selected model and parameters. The signal source, predistorter, amplifier model, quadrature modulation/demodulation, data buffer and predistortion algorithm modules are built.And by using the MCode module in SYSGEN, the .m file can be called directly to calculate the predistortion algorithm and return the tap weight vector,which greatly improves the efficiency of modeling.Thirdly, the overall function of the link is verified by the software radio platform independently developed by ourselves. Through the internal loopback of the FPGA, FMC board loopback, the power amplifier loopback to test the improvement effect of DPD. The output’s ACLR of the power amplifier is lower than -45dB which meets the require of 3GPP.The output ACLR of amplifier signal meets the requirements of 3GP which proves that the design of using SYSGEN is basically correct.Key Words: Power amplifer, digital predistortion , SYSGEN,DPS目录第一章绪论 (1)1.1 研究背景与意义 (1)1.2 国内外研究进程 (1)1.3 论文结构与安排 (2)第二章射频功放及数字预失真关键技术 (4)2.1 射频功放的失真特性及行为模型 (4)2.1.1 射频功率放大器的非线性 (4)2.1.2 射频功率放大器的记忆性 (5)2.1.3 射频功率放大器的行为模型 (5)2.2 数字预失真技术介绍 (7)2.2.1 数字预失真的基本原理 (8)2.2.2 数字预失真的学习结构 (8)2.2.3 自适应模型辨识算法 (10)2.3 功放性能分析与评价指标 (16)2.3.1 1dB压缩点 (16)2.3.2 AM-AM曲线和AM-PM曲线 (17)2.3.3 频谱图 (18)2.3.4 邻近信道泄漏比(ACLR) (18)2.3.5 误差矢量幅度(EVM) (19)2.3.6 归一化均方误差(NMSE) (20)2.4 小结 (20)第三章DPD系统分析与设计 (21)3.1 数字预失真系统设计目标 (21)3.2 数字预失真实现方法对比 (23)3.3 数字预失真方案设计 (24)3.3.1 预失真总体方案设计 (24)3.3.2 预失真器参数确定 (25)3.3.3 算法选择与参数确定 (27)3.3.4 环路延迟补偿 (31)3.4 小结 (33)第四章数字预失真的FPGA实现 (34)4.1 SYSGEN的开发优势及开发流程 (34)4.2 SYSGEN的DPD实现 (35)4.2.1 顶层模块 (35)4.2.2 预失真器模块 (37)4.2.3 正交调制/解调模块 (42)4.2.4 数据缓存模块 (45)4.2.5 预失真算法模块 (50)4.3 小结 (56)第五章测试验证与分析 (57)5.1 测试环境 (57)5.2 功能测试 (58)5.2.1 预失真算法模块测试 (58)5.2.2 预失真器模块测试 (60)5.2.3 预失真系统测试 (61)5.3 小结 (69)第六章结束语 (70)6.1 全文总结 (70)6.2 下一步工作建议 (70)致谢 (72)参考文献 (73)攻读硕士学位期间的研究成果 (75)图目录图2-1无记忆非线性失真AM-AM与AM-PM曲线 (4)图2-2有记忆非线性失真AM-AM与AM-PM曲线 (5)图2-3Wiener模型图 (6)图2-4Hammerstein模型图 (7)图2-5预失真实现原理图 (8)图2-6直接学习结构 (9)图2-7间接学习结构 (9)图2-8基于模型辨识的学习结构 (10)图2-9自适应模型辨识 (11)图2-10自适应辨识系统结构 (11)图2-11三种预失真算法改善效果对比 (15)图2-121dB压缩点示意图 (17)图2-13功放输出频谱图 (18)图2-14邻道泄漏比示意图 (19)图2-15EVM示意图 (19)图3-1预失真方案结构图 (24)图3-2不同阶数预失真系统频谱 (26)图3-3不同记忆深度频谱改善情况 (27)图3-4μ为2.4时的频谱图 (29)图3-5μ为1.6时的频谱图 (29)图3-6μ为各值时的代价函数曲线图 (30)图3-7预失真器与功率放大器输出信号时序图 (31)图3-8预失真器过程 (32)图3-9延迟估计 (32)图4-1SYSGEN+DPS开发流程 (34)图4-2FMC发送模块框架 (35)图4-3FMC接收模块框架 (36)图4-4预失真器外部接口 (37)图4-5预失真器结构 (37)图4-63路延迟模块外部接口 (38)图4-7模方计算模块外部接口 (39)图4-8高阶扩展模块接口图 (39)图4-9高阶扩展内部结构 (40)图4-10预失真模块接口 (41)图4-11预失真模块内部结构 (42)图4-12调制接口 (43)图4-13调制模块内部结构 (43)图4-14解调接口 (44)图4-15正交解调内部结构 (45)图4-16数据缓存模块外部接口 (45)图4-17数据缓存模块内部结构 (46)图4-18Buffer_source_real模块 (47)图4-19FIFO存储控制信号时序图 (48)图4-20写入数据时序图 (48)图4-21数据读取时序图 (49)图4-22LMS_en模块外部接口 (49)图4-23预失真算法模块接口 (50)图4-24预失真算法模块内部图 (51)图4-25权值检测模块外部接口 (52)图4-26权值检测模块工作流程 (52)图4-27LMS算法模块外部接口 (53)图4-28预失真算法模块运算流程图 (54)图5-1测试环境关系图 (57)图5-2测试平台实物图 (58)图5-3相同预失真器参数改善效果比较 (61)图5-4不加调制/解调模块的FPGA内部环回AM-AM曲线图 (62)图5-5不加调制/解调模块的FPGA内部环回频谱图 (63)图5-6加调制/解调模块的FPGA内部环回AM-AM曲线图 (63)图5-7加调制/解调模块的FPGA内部环回频谱图 (64)图5-8通过FMC板时AM-AM曲线图 (65)图5-9FMC板环回频谱效果对比 (66)图5-10不加预失真器时功率放大器输出频谱图 (67)图5-11加入预失真器后功率放大器输出频谱 (68)表目录表2-1 三种经典算法比较 (16)表3-1 DPD系统相关指标 (21)表3-2 FMC板卡参数 (22)表3-3 射频板参数 (22)表3-4 不同阶数预失真效果性能指标 (25)表3-5 不同记忆深度性能改善效果 (26)表3-6 数据位宽对预失真性能的影响 (28)表3-7 LMS仿真条件 (28)表3-8 不同步长因子的NMSE值 (31)表4-1 预失真器接口说明 (37)表4-2 3路延迟模块接口说明 (38)表4-3 模方计算模块接口说明 (39)表4-4 高阶扩展模块接口说明 (40)表4-5 预失真模块接口说明 (41)表4-6 调制模块接口说明 (43)表4-7 正交解调模块接口说明 (44)表4-8 数据缓存模块接口说明 (46)表4-9 LMS_en模块接口说明 (50)表4-10 预失真算法模块接口说明 (50)表4-11 权值检测模块接口说明 (52)表4-12 LMS算法模块接口说明 (53)表5-1 功率放大器的相关参数 (58)表5-2 FPGA与MATLAB的抽头加权向量对比 (59)表5-3 不同方式计算的加权系数对性能的影响 (59)表5-4 FPGA功放模型具体参数 (60)表5-5 FPGA内部环回与MATLAB仿真对比 (65)表5-6 FMC板环回性能指标 (66)表5-7 各节点功率值 (67)表5-8 数字预失真对功率放大器失真特性的改善 (68)缩略词表英文缩写英文全称中文释义4G 4th Generation第四代移动通信技术5G 5th Generation第五代移动通信技术ACLR Adjacent Channel Leakage Ratio 相邻频道泄漏比ADC Analog-to-Digital Converter 模拟数字转换器CDMA Code Division Multiple Access 码分多址DAC Digital-to-Analog Converter 数字模拟转换器DDS Direct Digital Synthesizer 直接数字式频率合成器DSP Digital Signal Processing 数字信号处理EVM Error Vector Magnitude 误差向量幅度FIFO First Input First Output 先进先出队列FIR Finite Impulse Response 有限冲激响应FMC FPGA Mezzanine Card FPGA夹层卡FPGA Field Programmable Gate Arrays 现场可编程门阵列IP Intellectual Property 知识产权非线性器件线性放大法LINC Linear Amplification with NonlinearComponentsLMS Least Mean Square 最小均方LS The Least Square Method 最小二乘MP Memory Polynomial 记忆多项式NMSE Normalized Mean Square Error 归一化均方误差正交频分复用OFDM Orthogonal Frequency DivisionMultiplexPAPR Peak-to-Average Power Ratio 峰均功率比QAM Quadrature Amplitude Modulation 正交幅度调制RAM Random Access Memory 随机存取存储器RLS Recursive Least Square method 递归最小二乘ROM Read Only Memory 只读存储器时分同步码分多址TD-SCDMA Time Division-Synchronous CodeDivision Multiple AccessTDS Time-delay spectrum 延迟估计谱VCO V oltage-Controlled Oscillator 压控振荡器第一章绪论第一章绪论1.1研究背景与意义第四代移动通信(4th Generation, 4G)技术已经逐步成为了整个移动通信的主流，第五代移动通信(5th Generation, 5G)技术正在大步向前地研发中。
射频功放数字预失真技术探讨
真 技 术 的 快 速 更新
射 频 功 放 数 字 预 失 真 技 术 的 应 用 ．提 高 了无 线 通 信 的 质 的效果 ． 利 用基 带 完 成 射 频 的过 程 ． 降低 了射 频 功 放 的 成 本 ，
用 的 热 点 。射 频 功 放 数 字预 失 真技 术 ， 保 障优 质 的线 性 度 ， 排
所 以采 用数 字预 失真 技 术 ， 保障Ｐ Ａ 的 有 效输 出。
１ ． ２ 数 字预 失真 技术 的平 台测试
射 频 功 放 数 字预 失真 技 术 的 平 台 测 试 ， 主要 是 验 证 技 术
射频 功放数 字预 失真技 术探 讨
周 波 （ 陕西烽火电子股份有限公司， 陕西 宝鸡 ７ ２ １ ０ ０ ６ ）
【 摘 要 】 射频功放是线性技术 中的一项研究项 且， 关系到射频 功率放大器的应用效果。射频功放 中的核 心是数 字预失 真技术 ， 深入研 究数字
预失真技术 ， 保障其在射频功放中的应用效 果， 最主要 的是满足射频功率放大器 的需求， 体现数 字预失真技术的优 势， 因此， 本文通过 对数 字预
２ ． １ 放大 器建模
射 频 功 放 数 字预 失真 技 术 中 的放 大 器 建模 ，属 于研 究 非 线 性 问题 的 关键 ， 找 到 数 字预 失真 技 术 的本 质 。 依 照 射 频 功放
数 字预 失 真技 术研 究 ． 放大器建模分为无记忆模型、 记 忆模 型
为模 型 ， 专 门用于指导 编程 ， 深化 射频功放 的仿真研 究 ； ② 射
失真技术进行研究 ， 分 析 其在 射频 功 放 中 的应 用 。
射频功放数字预失真技术的设计与实现的开题报告
射频功放数字预失真技术的设计与实现的开题报告一、选题背景随着无线通信技术的不断发展，射频功率放大器（RFPA）的性能及可靠性越来越受到人们的关注。
在现有的射频功率放大器中，数字预失真技术已经成为提高功率放大器性能的一种重要手段。
数字预失真技术是指在数字信号上进行处理，根据功率放大器的非线性特性提前将失真信号进行补偿，以达到降低系统误码率（SER）和提高功率放大器效率的目的。
本文选题旨在设计一种射频功率放大器数字预失真技术，并对其进行实现与测试，达到提高射频功率放大器性能的目的。
二、研究内容（一）数字预失真技术研究1.数字预失真技术的基本原理2.数字预失真技术中的预测算法、仿真算法（神经网络算法、LMS 算法）的研究3.数字预失真技术中所涉及到的参数的选取（二）射频功率放大器研究1.射频功率放大器的分类2.射频功率放大器的工作原理3.射频功率放大器中的非线性特性的研究（三）射频功率放大器数字预失真技术的设计与实现1.射频功率放大器的数字预失真技术框架设计2.数字预失真算法的仿真与实现3.数字预失真技术在射频功率放大器中的实现（四）仿真与测试分析1.仿真分析射频功率放大器数字预失真技术的性能2.基于实验测试分析射频功率放大器数字预失真技术的性能三、研究意义本文的研究内容是射频功率放大器数字预失真技术的设计与实现，具有以下三个方面的研究意义：（一）提高射频功率放大器的性能和可靠性射频功率放大器数字预失真技术可以克服降低功率放大器线性度而影响功率放大器效率的问题，提高功率放大器的线性度和效率，提高无线通信系统的可靠性和性能。
（二）深入研究数字预失真技术数字预失真技术是目前射频功率放大器领域的热门研究方向之一，本文所研究的数字预失真技术为射频功率放大器研究提供了新的角度和思路，有利于深入研究数字预失真技术。
（三）贡献实用的数据本文通过实验测试，将数字预失真技术实用化，并将测试数据进行表达，为以后研究、扩展与推广数字预失真技术提供了基础数据。
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高级射频功放设计之预失真技术
Steve C. Cripps
翻译：安斌
5.1 简介
预失真是提高射频功放线形度的一种有效的方法。
在功放的输入端放置一个很小的有魔力的盒子就可以提供比其他更复杂的方法，比如前馈更好的线性度，这是有竞争力也是可笑的。
从根本上说，所有的预失真的方法都是开环的，因此它只能在有限的时间和有限的动态范围达到闭环系统的线性化程度。
尽管如此，预失真方法还是成为了最新研究和发展的焦点，主要是由于DSP提供的更新能力。
但是预失真还只是前馈或者反馈系统的实验性质的补充技术。
尤其是将在第六章分析的，前馈环中的主功放中精心设计的预失真器能够有效地减少伴随误差功放的功率需求，因此提高了整体效率。
也有一些例子，比如移动发射机，预失真器的简单和近乎零成本，对有限的功率范围减少几个dB的ACP/IM是很值得的。
预失真功放系统能够在MCPA应用中能够真正的和传统的前馈技术相抗衡，这是一个很活跃也是一个没有完成的领域。
这章的主要目标是使预失真的设计成为一个更严格的初始设计，就像过去讲过的方法一样。
简单的模拟预失真器依靠经验调整，通常使用一两个二极管的简单电路，它对于压缩的（expanding）的增益特性进行上撬，这种方法比较粗糙。
这种费劲的方法还可以在论文和论坛上见到，这种PD-PA组和特性在双载波的应用中，当驱动电平到达1dB压缩点的时候，IM3响应会出现很深的凹坑。
对测量到的数据更仔细的分析可以发现更多不想看到的特性。
在更高阶IM3提高很少（甚至在一些例子中出现恶化）；对于多载波和频谱扩展的信号，会出现大量的IM3凹坑的填充。
这章中介绍的设计的方法是严格基于第三章中讨论的功放非线性模型的方法。
为了建立PD特性第一步是求出PA的Volterra级数的反函数。
这个过程，得出了一些非常有用的关于PD 性能极限的普遍法则，这也可以解释经常观察到的凹坑现象。
第二步是考虑综合（synthesizing）PD的不同方法。
模拟预失真和DSP预失真都使用在本章中第一部分相同的步骤。
从概念上说，预失真器很简单，很吸引人，见图5.1。
此图描述了典型的PA增益压缩特性，为了简单起见假设只有三阶非线性特性。
预失真器的曲线（action）在任何输入信号电平都呈现出外推（extrapolated）的线性特性。
如果输入信号是V in，功放表现出压缩特性，输出电平为V o。
为了得到线性的输出，预失真器的行为特性应该增加输入电V in平到一个更高的电平V p。
从V in与线性特性的焦点画一条水平直线与压缩的功放特性相交，从此焦点向下画垂线与水平轴相交，此点即为需要的PD输出电平V p。
在把这个简单的图形诠释（cast into）为翔实的数学概念之前，很值得研究（(bservation）一下贯穿整个章节中需要牢记的东西。
1、
图1预失真典型特性曲线
1、预失真从某种意义上来说，它自身是矛盾。
当功放压缩的时候，它通过加大驱动电平来
减轻失真。
2、当功放饱和的时候，这个过程显然就陷入（run into）了困境。
继续增加驱动电平也不能
够使输出回到需要的线性点。
这个问题很重要，因为在现代通信系统中，高峰均比（high PEP to average power tatios）使用。
3、从预失真器出来的信号将被严重扭曲。
实际上，用频谱仪可以看到，从PD中出来的信号
呈现出与未经预失真的PA出来的信号有着相似的频谱失真。
这个结论对PD的带宽和DSP电路的速度有着深刻的影响。
当高速数据信号扩展到填满整个功放带宽的时候，一上结论也有着更为深远的应用。
4、这里提到（shown）的预失真器有增益。
实际上，PD通常是无源器件，增益的获得是指
PD衰减的减少。
这并没有从根本上影响分析的结论，PD有增益的假设方便了分析，在
后面的整个分析中将会继续使用。
5.2三阶PA：预失真分析
我们在适当的时候会回到上面的所有问题，但现在将对如图中的简单的三阶PA作分析。
小写的电压符号表示时间函数
v o=a1v p-a3v p3
=a1v in
于是
v p3-(a1/a3)v p+(a1/a3)v in=0 (5.1) 于是输入信号v in和预失真输出v p是三次方程的根，当然这是假定功放为三阶的。
我们很有必要回顾有关这种类型的三次方程的解的形式的光辉历史，尽管简单的迭代算法可以艰难得到足够精度的解，但是仔细分析却可以得到更有意义的东西。
通过以上迭代的方法可以得到需要的PD特性，如图所示。
仔细研究可以发现驱动电平从压缩点回退了很多，需要的特性近似于补偿的增益扩展。
PD提供的扩展增益就是PA压缩的增益。
当功放进入更深的压缩区，需要更多的扩展增益才能补偿，这是由于给定的增量不能得到相应的输出增量。
于是PD的需要的增量开始上升直到功放饱和的不可返回点。
图2三阶功放的理想预失真扩展曲线
把（5.1）式变换成解析形式可以得到PD设备的可能的实现形式。
传统的Cardano在这个例子中毫无用处，（5.1）是所谓的不可化简的有三个实根的三次方程。
我们所需要的解得功率技术的形式。
这可以通过adhoc符号迭代的方法来实现。
重写（5.1）并且令a1=1,于是可以得到
v p=v in+a3v p3
这将给出一个更好的v p的近似。
初始化迭代v p=v in将得到用v in表达的无穷级数形式的v p。
v p=v in+a3(v in+…a3(v in+a3(v in+a3v in3)3)3….)3
= v in+a3v in3+3a32v in5+12a33v in7+37a34v in9+…（5.2）尽管我们仍然使用最简单的三阶功放模型，这个结果仍然有深远的结论。
最注目的是，理想的PD有无穷多的功率级数项。
PD的三阶项与功放的三阶项有相同的幅度，但是有相反的符号。
但是一个只有三阶项的PD三阶将不能抵消功放的高阶项。
举例如下，假如PD 特性是
v p=v in+b3v in3
于是功放的输出将是
v out=a1v p-a3v p3
=a1(v in+b3v in3)-a3(v in+b3v in3)3 （5.3）
=a1v in+(a1b3-a3)v in3-3a3b3v in5-3a3b3v in7-a3b33v in9 很显然，如果们令PD的系数b3=a3/a1,所有的三阶失真将被清除，但是增加了原来没有的更高阶的项。
为了抵消这些更高阶的项，PD需要在（5.2）中增加额外的更高阶的预失真项。
我们将在适当的地方介绍削减很多的PD特性项，但是和理想响应很接近。
值得说明的是，它的属性可能不是以多项式的形式工作的。
虽然PD设备有无穷多项式级数的形式，并不表明不能实际制造。
曲线用来给它建模。
但是，一个好的支撑理论和设计，正如第三章讨论的：幂级数都在频域有直接的重要性。
尤其低阶的非线性项，比如三阶和五阶，在通信系统中很烦人，因此很值得（merit）仔细研究。
即使是实际的PA，它的特性不可能用一对低阶非线性多项式建模，但是去掉这样的低阶非线性项将给PA的性能很大的提高。
对于PD的合成，幂级数是最方便的形式，无论是用模拟器件还是用DSP 算法
（5.3）式中的多项式，代表了三阶的PA和三阶的预失真器，也表明了预失真器的普。