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无线通信中射频功率放大器的数字预失真技术研究

赵景梅  
【摘要】: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。2、针对一维波峰因数降低技术应用于2D-DPD时存在的过度削峰和削峰不足的缺点。提出了二维波峰因数降低(Two-dimensional CFR, 2D-CFR)技术和双频数字预失真(Two-dimensional DPD,2D-DPD)技术的联合新结构。该结构根据两个频段信号的和值设置阈值并引入两频段信号瞬时差值的比较过程。论文对所提方法进行了仿真,并应用中心频率分别在2.65GHz和3.45GHz处的F类和Doherty功放进行了实际测试。F类功放测试时功放漏极效率从原来的1D-CFR情况下的43.5%提高到了46.3%,EVM性能相对于传统2D-CFR 技术在 2.61GHz和 2.69GHz 处分别降低了 1.47%和 1.53%,ACPR值在两个频段的10MHz频率偏移处约为-57dBc。Doherty功放测试同样得到了良好的效果。3、针对宽带通信中DPD技术受到反馈回路中模/数转换器(Analog to Digital Converter, ADC)速率的限制,并且传统带限方法不能对滤波器通带范围外的失真成分进行有效补偿的问题。提出了基于带限Volterra级数的预测补偿模型算法。所提算法在传统带限DPD结构的基础上引入基于G auss - S eid el算法的全频带模型提取和系数迭代两个模块。该算法在降低反馈回路采样率的同时增加了系统整体线性化带宽以及模型精度。通过仿真及实际测试对比分析了传统方法与所提方法的性能,验证了所提方法的优越性。4、提出并实验论证了基于CS理论的频域随机解调(Frequency-domain Random Demodulation, FRD)和宽带 DPD 联合结构。所提方法应用传输信号的稀疏特性,在对信号采样时不对全部的N维信号进行处理,而是用远小于N的M维观测矩阵做线性测量。克服了在宽带功放线性化系统中使用常规ADC硬件采样率不能达到实际应用要求的缺点。通过仿真与测试对所提方法进行了验证,输入信号带宽为40MHz时,可以用20MHz的低采样率获得好的线性化效果,ACPR比无预失真时改善21dB。


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