电子工程学院研究生论文综述文档格式.docx

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除此之外，同步数字微波传输系统和高清数字电视系统也对放大器的线性度提出了苛刻的要求。

因此，线性功率放大器设计技术已经成为通信系统的关键技术。

数字预失真技术是功放线性化技术中最热门的技术。

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，在设法提高频谱效率的同时，希望提高功率效率，使用最小的功率来保持每个信道的有效链接，同时保证对相邻频段的用户产生最小的干扰，即必须在所规定的频段内传送信号。

并且为了充分利用频率资源，提高系统的传输速率，线性调制技术如正交移相键控（QPSK）、十六进制正交振幅调制（16QAM）及多载波调制技术如正交频分复用（OFDM）、WCDMA等得到了越来越广泛的应用。

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。

对于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，但是它的绝对值还是很大，会对系统产生干扰，因此必须把它控制在一定的范围内。

功率放大器是通信系统中非线性最强的器件之一，其非线性失真会对无线通信系统产生诸多不良影响。

它会使输出信号星座图的实部和虚部发生偏移，使眼图的眼睛闭合，导致频谱扩展而干扰邻道信号并恶化误码率。

此外，失真还使系统的数据率下降，进而使系统的容量降低，或使系统信道频率间距变大而使系统的频谱利用率下降。

不仅如此，功率放大器在基站中的成本比例约占1/3，这样如何有效、低成本地解决射频功率放大器的线性化问题就显得非常重要。

基于这些原因射频功率放大器的线性化技术成为一个广泛活跃的研究领域。

2、课题的目的和意义

随着无线通信技术的快速发展，为了在有限的频率范围内容纳更多的通信信道，广泛采用具有频谱利用率较高的线性调制和宽带通信的传输技术。

在现代数字通信系统中，多采用QPSK或16QAM的调制方式。

这些调制方式要求射频系统具有很好的线性特性，否则将会导致已调制矢量信号的幅度和相位出现偏差，同时导致频谱扩展，对邻道信号产生干扰，导致误码率的恶化。

射频器件的非线性失真将恶化宽带数字传输系统的性能。

这就对射频信号处理系统的线性度要求越来越高。

因此，必须寻求一种高效率失真矫正技术来弥补其非线性所造成的影响，进而提高系统的线性度，这样才能满足不断发展的通信技术要求。

一般来说，功率放大器设置在发射机天线的前级，作用是将已调制信号进行功率放大，以满足发送功率的要求，然后经过天线将其辐射到空间，保证在一定区域内的接收机可以接收到满意的信号电平，对无错误的数据进行解调并且不干扰相邻信道的通信。

设计功率放大器时，如何避免失真是关键问题，我们要求功率放大器的输入信号尽量无失真地放大。

若信号失真，高频信号的载波数据就会有损失。

功率放大器是射频系统的关键部件，也是产生非线性的主要部件，因此改善功率放大器的线性化研究具有重大意义。

3、射频功率放大器线性化技术的研究现状

目前，国内外从学术界到企业界都对射频功率放大器的线性化技术研究十分重视。

国内的东南大学、浙江大学、电子科技大学等高校都对这项技术开展了研究工作，但由于起步较晚，基本上2000年后才有这方面的研究论文发表。

国内工业界只有华为、中兴少数公司有这方面的发明专利。

国外学术界对这方面的研究广泛而深入，上世纪八十年代就有研究成果发表。

Intersil、Maxim等公司都有专用的预失真芯片，安捷伦的射频设计软件ADS也集成了功率放大器线性化设计模块。

而国内市场上的功率放大器模块在设计上基本上采用了功率回退法，这样就造成了射频功率放大器的效率低下，电源利用效率一般仅仅在1%～5%左右。

所以很有必要对射频功率放大器进行深入研究，更重要的是把理论研究成果转化为市场上有竞争力的产品，使我国在第三代移动通信市场上处于领先地位。

如何实现射频功率放大器的高效率和高线性度是射频功率放大器设计制作的基本出发点。

为此国内外的研究人员做了大量工作，从理论分析到实验分析都有量的研究成果出现。

总结起来对射频功率放大器的线性化方法主要有两种：

一个是输入功率回退的方法，另一个是采用外部电路来矫正功率放大器的非线性特性。

功率回退法是目前市场上现有功率放大器模块设计的主要设计方法，它用大功率的管子作小功率用，即用牺牲功率放大器效率的方法来提高线性度。

这种方法就是将输入功率降低使功率放大器工作在线性区域。

从经济利益方面考虑，能提供如此大功率的放大管价格是非常昂贵的。

基于此原因，功率回退所能获取的互调是有限的，随着功率的进一步增高，仍旧依靠功率回退是不能解决问题的。

采用适当的外部电路来改善功率放大器的线性度是比较切实有效的。

这其中主要包括三种功放线性化技术：

前馈技术，反馈技术和预失真技术。

其中，预失真技术具有电路形式简单、调整方便、效率高、造价低等优点。

目前，预失真线性化技术大体可分为数字预失真和射频模拟预失真两种方法。

数字预失真技术广泛采用了数字信号处理的硬件和软件来实现，大多数是在基带信号频谱内进行的预失真处理。

预失真技术是一种广泛使用的射频功率放大器线性化技术，它分为射频预失真、中频预失真和基带预失真3种。

根据预失真器处理信号的形式，又可以分为模拟预失真技术和数字预失真技术。

数字预失真技术是指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，基于非线性射频功率放大器的参数模型实现和基于查找表方式实现。

查询表预失真技术是把放大器的输入功率（或幅度）作为查询表的索引指针，把功率放大器的复增益预调整值作为指针对应内容存储在RAM表中，工作时根据输入信号的功率或幅度信息查找其对应预调整值，并将其输出给后继电路，达到线性化的目的。

在查询表的位数足够大的情况下，基于查找表LUT的预失真性能要大大优于基于模型的方法。

但位数足够大时，实现起来存在一定的困难。

基于非线性射频功率放大器的参数模型预失真技术主要通过某种函数形式，用计算的方法来得到原输入信号经过预校正器的对应输出，这种方法由于节省了用于查询表的RAM存储片而受到不少的关注和垂青。

非线性射频功率放大器的参数模型预失真理论研究中，确定一个好的多项式功放模型十分重要。

根据是否考虑功放的记忆性，可分为无记忆和有记忆的预失真。

无记忆的功放常用的模型有：

针对行波管功率放大器的Saleh模型，针对固态功率放大器Rapp模型等。

有记忆的功放模型有：

Wiener模型、Hammerstein模型、Volterra级数模型建模记忆性非线性系统。

在以上模型中，Volterra级数模型建最为准确，但其系数的提取较为复杂，没有太大的实用价值。

Wiener模型、Hammerstein棋型的参数最小而且最容易通过数字器件来实现，但是准确有效的识别其模型参数依然是非常艰巨的任务。

由于数字预失真系统对需要在基带系统中对信号进行适时数字处理，系统的结构和算法将直接影响到整个发射机系统的整体性能。

同时，优化的系统算法能够大大满足DSP芯片的计算负荷和适时性需求，能够整体降低系统实现成本。

因此，提出有效并且能够实际应用的预失真器识别算法对于数字预失真系统的应用和发展具有非常重要的意义。

对于Wiener模型的识别算法主要分为以下几种：

频域算法、基于预测误差的时域算法、线性回归的初值估计法、采用Gauss白噪作为输入信号的参数识别法等。

以上各算法中，误差估计法等都要进行大量的迭代运算，而且可能出现收敛到局部最小量而非全局小量的特点；

Gauss白噪信号输入还必须在系统识别时注入训练序列，增加了实际应用的复杂度；

线性回归的初值估计法的精度有待提高。

对于Hammerstein模型的识别算法主要有：

NG迭代算法和牛顿迭代算法是应用最为广泛的迭代算法，其主要缺点为收敛结果对于初始值很敏感，容易收敛到局部最小值。

而最小二乘法／奇异值分解法能够得到全局最小值，但不一定是最为精确的估值结果，而且计算量很大。

自适应滤波算法的研究是当今信号处理领域中最活跃的课题之一。

自适应滤波算法不仅在数字预失真技术中有应用，还广泛应用于系统辨识、回波消除、自适应谱线增强、自适应信道均衡、语音线性预测、自适应天线阵列等诸多领域。

寻求收敛速度快，计算复杂性低，数值稳定性好的自适应滤波算法是研究人员不断努力追求的目标。

几种典型的自适应算法有：

最小均方自适应算法，仿射投影算法，RLS算法，基于QR分解的RLS算法等。

最小均方自适应算法的优点是结构简单，鲁棒性强，其缺点是收敛速度很慢。

固定步长的最小均方自适应算法在收敛速度、时变系统跟踪速度与收敛精度方面对算法调整步长因子的要求是相互矛盾的。

为了克服这一矛盾，人们提出了许多变步长最小均方自适应算法，这也是当前研究的热点。

4、主要参考文献综述

在文献[1]中，研究了前人所提出的各种功放线性化技术，如功率回退法、正负反馈法、预失真和非线性器件法等等，针对功率放大器对信号的失真放大问题进行研究，对比和研究了目前广泛流行的自适应数字预失真算法。

在一般的自适应数字预失真算法中，主要有两类：

无记忆非线性预失真和有记忆非线性预失真。

无记忆非线性预失真主要是通过比较功率放大器的反馈信号和己知输入信号的幅度和相位的误差来估计预失真器的各种修正参数。

而有记忆非线性预失真主要是综合考虑功率放大器非线性和记忆性对信号的污染，需要同时分析信号的当前状态和历史状态。

在对比完两种数字预失真算法之后，文章着重分析了有记忆预失真算法，选择了其中的多项式预失真算法进行了具体分析推演，并通过软件无线电的方法将数字信号处理与FPGA结合起来，在内嵌了SystemGenerator软件的Matlab／Simulink上对该算法进行仿真分析，证明了这个算法的性能和有效性。

最重要的创新点在于，在FPGA设计上，使用了系统级设计的思路，与Xilinx公司提供的软件能够很好的配合，在完成仿真后能够直接将代码转换成FPGA的网表文件或者硬件描述语言，大大简化了开发过程，缩短了系统的开发周期。

在文献[2]中，主要研究射频功放的建模和采用自适应算法对预失真器的参数进行辨识问题。

在MATLAB环境下构建了无记忆效应的幂级数功率放大器模型以及具有记忆效应的Wiener功率放大器模型和Hammerstein功率放大器模型，并采用NG迭代算法和LS/SVD（最小二乘/奇异值分解）算法，分别给出了Hammerstein自适应预失真器的设计方案，以及采用LR线性回归算法和LR与LMS相结合的算法，分别给出了Wiener自适应预失真器的设计方案。

针对NG迭代算法对初值的敏感性问题，提出了LR/NG算法，有效避免了局部收敛的问题。

然后对预失真器进行了仿真与性能比较，其中有记忆预失真器对功率放大器的线性度最多可改善36dB,验证了本文所构建的预失真器能够很好的抑制频谱再生。

并且仿真结果表明运用LR/NG算法的Hammerstein自适应预失真器可以更好地改善功率放大器的线性度，与其他算法相比最多可改善10dB，从而证实了经改进的自适应算法的有效性与合理性。

在文献[3]中，运用非线性系统的相关理论和方法，对宽带通信系统中，有记忆功放的建模和预失真方法进行了研究，主要内容如下:

（1）首先搭建测试平台，采用单音、双音输入信号对不同的功率放大器非线性和记忆效应进行测量；

分析短波功率放大器的非线性特性，记忆效应；

阐述功率放大器建模的基本理论；

根据测量与分析结果，选取合适的功放模型。

（2）阐述了预失真技术的原理，着重研究了基于查询表和基于工作函数的预失真器实现方法，并对二者的特点进行了比较。

（3）采用了一种预失真方法。

首先该方法采用记忆多项式构造预失真器，然后采用间接学习结构设计预失真系统。

仿真结果表明，该方法能较好地补偿功率放大器的非线性失真和记忆失真。

在文献[4]中，做了以下研究。

主要内容有:

（1）介绍了放大器的各个模型。

（2）阐述了预失真技术的基本原理，着重研究了基十查找表法的预失真器的实现方法。

（3）对LMS算法做了改进得到了一种新的基十反正切函数的变步长LMS算法，新算法只有一个参数需要确定其范围，形式简单，方便使用。

通过理论分析，证明了新算法的稳定性，并引入了级数收敛原理证明了新算法的均值收敛性和均方收敛性。

仿真表明新算法收敛速度比LMS算法和改进的SVSLMS算法都好。

（4）对归一化LMS算法做了改进，新算法对输入信号进行了归一化处理并采用了带有遗忘因子的函数，为了提高收敛速度又加入了控制初始步长的因子。

通过理论分析，证明了新算法的稳定性和收敛性。

同时也证明了在初始误差很小的情况下，初始步长控制因子可以有很大的取值范围。

仿真表明新算法收敛速度比归一化LMS算法快。

（5）阐述了RLS算法和仿射投影算法的基本原理，并将两个算法用十预失真放大器的仿真，取得了良好的仿真效果。

在文献[5]中，重点介绍的是数字预失真技术，在阐述了预失真技术的基本原理后，详细讨论了基于查询表（LUT）和基于多项式的预失真技术。

其中在基于查找表预失真技术中详细说明了查找表的形式，地址索引方式以及查找表常采用的方法，在对多项式预失真技术的研究中给出了多项式预失真的原理图及对其原理的详细阐述。

接下来对OFDM系统的多项式预失真算法进行了重点研究，首先通过Volterra级数对功放进行建模，改进了模型后得出一种便十计算的功放的简化模型，通过功放模型得出多项式预失真器的模型，然后分别通过对最小均方误差的多项式算法和递归最小二乘的多项式算法的分析比较，最后对递归最小二乘的多项式算法进行了仿真，并对不同的记忆深度下不同的非线性阶数下的仿真结果进行比较和分析。

验证了其对功放非线性补偿的有效性，有效的消除了由功率放大器的非线性造成的传输信号的幅度和相位失真，降低了信号邻道干扰，提高了系统频带利用率。

为了进一步改善OFDM数字预失真系统的性能，本文对系统进行改进提出了双功放数字预失真系统，并通过计算机仿真验证了双功放数字预失真系统能够有效的提高系统性能，使输出信号得到更大的增益。

在文献[6]中，以FPGA为平台对数字电视基带信号进行预失真处理，实现数字电视发射机中功放线性化。

该平台方案是解决功放线性化的通用方案，其最大优点就是能在基带数字段进行自适应预失真处理。

方案核心FPGA基带处理软件采用的是赛灵思公司的预失真IP核，简化软件开发过程，提高研发效率。

围绕该IP核，数字预失真基带处理硬件平台主要由FPGA,DAC与ADC、射频上行链路与下行反馈电路部分组成，外加时钟板及功放板构成了整个预失真系统。

整个系统信号数率以及射频频率都比较高，对各部分器件性能都有较高要求。

以上述硬件平台为基础，围绕数字预失真基带板及其频率合成板调试展开，旨在FPGA中使用DPDIP核实现功放线性化。

作者所做的主要工作如下:

1、介绍了数字电视以及其信号特点，描述了国内外业界功放线性化研究的现状及发展趋势，本课题的研究目的和意义。

2、分析了功率放大器的非线性对系统性能的影响，给出了衡定功放的性能指标，特别是课题中功放需要实测的功放指标，还研究了现在流行的几种功放线性化技术。

3、介绍了基十FPGA的数字预失真硬件平台方案，详细分析了DPDV2.0IP核中MircoBlaze处理器运行控制流程以及Virtex4FPGA的SBRAM在此IP核中的存储分配方式，为后续更好的应用MircoBlaze处理器做好准备。

4、详细调试了本课题频率合成方案，给出了各个时钟芯片在本方案中的应用设计，给出了调试结果。

5、由十方案设计之初的DVB-T数字基带信号源没有如期获得，以及基带板硬件平台指标也未满足反馈信号要求，故非常遗憾不能使用IP核实现最终的DPD。

在此种情况下，为了接下来的改进板联调，本文软件部分给出了DPDIP核应用中的FPGA顶层模块设计以及部分软件设计仿真，硬件调试了基带板及功放板，给出了调试后问题解决方法及实测结果。

在文献[7]中，主要关注于对记忆多项式DPD算法的数学原理、性能仿真的讨论和研究，以及最终的硬件实现方案的设计和测试。

详细讨论了记忆多项式DPD算法在MATLAB平台上的仿真方案，以及对于WCDMA不同载波信号的仿真结果，包括浮点仿真结果和定点仿真结果，最后给出了仿真结论。

最终的定点仿真结果也为该算法的硬件实现提供了很好的设计依据。

本文在第四章则详细阐述了整个DPD系统的硬件解决方案，从硬件平台到算法的FPGA设计都给出了详细的分析和说明。

我们最终在Xilinx的FPGA上完成了算法实现，该实现方案是一个软硬件协同工作的嵌入式方案，DPD滤波器的FPGA实现采用了查找表的方式，很大程度的节省了FPGA的硬件源。

DPD参数估计是在FPGA上的嵌入式CPU_L实现的。

主要给出了基于该硬件解决方案的测试结果。

最终测试结果表明该算法对功放输出信号的ACLR指标的改善能达到15db左右（正负2db变化），同时把功放的效率从8%提高到29%。

在文献[8]中，是基于FPGA的射频功放数字预失真器设计。

传统的查找表数字预失真算法需要进行同步，运算量大。

本文设计了一种基于训练序列的查找表数字预失真算法，无需同步，减小了运算量，并利用此算法设计了基于FPGA的数字预失真器，根据FPGA特点优化了算法，使其占有更少的资源。

本算法采用闭环链路来提取功放模型和实现线性化。

整个基带数字预失真系统分为两部分，本课题的研究主要是基带部分的设计。

在数字预失真算法的具体实现中，首先在FPGA内部产生锯齿波的训练序列，经过DA变换，传递给射频功放后，再经AD反馈回来，以提取功放的非线性信息。

由此对比理想功放的增益即得到离散的预失真函数，将其存储在LUT表中。

LUT表的更新亦基十此原理。

当预失真器开始工作时，输入的基带数字信号与LUT表中的离散预失真函数作复乘，即完成了预失真处理。

通过ADS系统仿真，证明该数字预失真算法对功放非线性效应有很好的改善效果。

针对FPGA的特点，对于数字预失真器的关键模块进行了设计。

包括地址产生模块，复数乘法器模块，训练序列生成模块LUT生成/更新模块的设计。

使用芯片CycloneIIEP2C20经QuartusII5.0编译后使用了10%的逻辑单元和55%的存储单元，还有很大的余量，这也为进一步的改善DPD算法预留了空间。

在文献[9]中，是对多阶调制自适应数字预失真算法的研究与改进。

本文从功放的线性化方法分析对比入手，对负反馈法、前馈法、使用非线性器件法等进行了仿真，分析了各种线性化方案的线性提高程度，对比了它们各自的优缺点，指出不同线性化方案的应用场合不同，在选择线性化方法时，必须综合考虑系统的效率，调制方法，带宽，电路复杂度，动态范围等各种要求，根据系统的具体要求选择最合适的方法。

数字技术的发展使数字预失真这种线性化方案的优势越来越大，特别是加上了自适应之后能够跟踪功放非线性特性的缓慢变化，自适应数字基带预失真是本文重点，在详细清楚地阐述了预失真的原理之后，从多项式预失真和查找表预失真这两个方面来分别研究预失真这种线性化方案。

多项式预失真的关键技术是功放模型的提取，包括多项式拟合、Volterra级数法、神经网络法。

查找表预失真主要从表项索引和白适应刷新算法上提高性能。

之后对比了两种方式的复杂度和收敛速度等。

考虑数字基带实现，选定基十查找表的数字预失真，以16QAM通信系统为例实现了查找表的预失真，从星座图和频谱上可以看到预失真前后性能有很大的改善。

同时对查找表的地址索引方式进行了分析改进，提出了幅度功率二择一的简单寻址方式，能很好的满足常见功放非线性曲线分布的要求，而且算法简单易实现。

查找表的表项刷新所采用的自适应算法也很重要，仿真了各种现有的刷新算法并进行了性能对比，在此基础上提出了新的二分割线组合法，减少了迭代次数，加快了收敛速度。

数字固有的有限表示使得不同的表项数目和量化步长会对预失真性能造成影响，这会随着数字技术的发展得到解决。

查找表的归一化方法同样影响信号失真和功放效率，新的包络归一化方法不仅效率较高，线性增益也增加了，仿真表明线性增益在输入回退3dB处0.5078dB的提高，回退越多增益提高的程度越高。

在文献[10]中，是WCDMA直放站中频偏估计和数字预失真算法设计与实现。

本文全面分析了数字预失真算法。

其中分别介绍了无记忆功放建模，与此功放模型相对应的无记忆预失真算法，然后是有记忆功放建模及有记忆预失真算法，最后详细讨论了有记忆预失真算法中的有记忆多项式预失真器。

论文用四个实例证明了有记忆多项式预失真器不仅是一种针对有记忆功放模型通用的预失真技术，并且该方法可以有效对抗频谱再生。

论文最后在硬件上实现了ML估计算法和有记忆多项式预失真算法。

硬件平台为ADI公司的16位定点DSP—BF561。

论文给出了各算法的硬件设计方案、量化方案、定点方案，最后还将硬件性能曲线与之前的浮点性能曲线做了比较。

通过比较可知:

因为两种算法的硬件设计都比较合理，所以几乎没有定点性能的损失。

在ML估计算法中，即使是在信噪比为-18dB，实际频差为1660Hz的情况下，估计误差仅有1.6Hz，执行时间只需要1.1ms。

多项式预失真算法的硬件性能曲线与浮点性能曲线大致相当，比未使用预失真技术以前改善了约15dB，并且由于采用了大矩阵分块计算方法，双核运算及DMA传送，所以整个算法的执行时间也仅有1.9987s。

在文献[11]中，设计了基于DSP的数字预失真系统。

采用TI公司的低功耗、高性能数字信号处理器TMS320V05502，有效提高了信号处理速度，减少了回路延时。

根据信号的幅度，数控衰减器工作在不同的控制模式，以满足不同系统输出功率的要求。

结果表明，该系统能有效改善功率放大器的线性度，并将功放的邻道功率比（ACPR）降低了10<

IB左右。

系统总体结构框如下：

在文献[12]中，研究了前人所提出的各种功放线性化技术，如功率回退法、正负反馈法、预失真和非线性器件法等等，采用射频技术与数字技术相结合，组成自适应预失真系统。

论文的特色在于，以数字信号处理技术为核心的数字电路与射频模拟电路相结合，有效实现自适应算法，进一步提高功率放大器的线性化程度；

将数字信号处理器与FPGA相结合，使系统既有灵活的可操作性，又具有快速处数字信号的能力，缩短了自适应搜索的时间，提高了系统的整体性能和稳定性。

方案实现的核心硬件为数字信号处理器和FPGA。

采用的数字信号处理器为TI公司的定点芯片TMS320VC5509A，这一款芯片属于TI公司的高性能低功耗定点55x系列处理器.选用的FPGA为EP2C5Q208C7，它是ALTERA的低成本CycloneII系列.最后，通过实际测试，指出了存在的问题和不足，并提出了可能的改进方案。

文献[13]是基于IMTAdvanced收发系统的数字预失真硬件平台设计。

本文基于IMTAdvanced收发系统，设计并实现了提供数字预失真功能的硬件平台。

该平台可以实现传输信号的线性放大，从而提高信号的传输质量，降低误码。

首先对IMTAdvanced系统的研究现状、标准进展及技术特点进行了介绍。

针对数字预失真技术的原理，引出本文所研究的数字预失真硬件平台的工作原理以及设计思路。

该硬件系统可将功率放大器送出的信号祸合一