校 莉

(中國(guó)西南電子技術(shù)研究所,成都 610036)

1 引 言

隨著現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)通信速率和帶寬的不斷提高,寬帶抗干擾和如何有效利用頻率資源成為通信系統(tǒng)發(fā)展的關(guān)鍵,為此,以正交頻分復(fù)用(OFDM)為代表的多載波數(shù)字通信技術(shù)得到了快速發(fā)展。多載波通信系統(tǒng)通過將寬帶頻域信道分成多路子信道,在每個(gè)子信道上使用一個(gè)子載波進(jìn)行調(diào)制,各子載波并行傳輸?shù)姆绞絒1]有效降低了碼元速率,減少了多徑衰落的影響,同時(shí)由于各信道子載波之間相互正交,各子通道在頻域上可以緊密排布,有效提高了頻譜資源的利用率。

目前,OFDM技術(shù)為代表的多載波數(shù)字通信技術(shù)已經(jīng)大量應(yīng)用于非對(duì)稱用無線局域網(wǎng)(WLAN)、3G無線通信等民用系統(tǒng)[2],功放及信道鏈路的線性化技術(shù)成為近年來民用通信領(lǐng)域研究的熱門和重點(diǎn)。在衛(wèi)星通信、高速數(shù)據(jù)鏈等軍用系統(tǒng)中,多載波數(shù)字通信技術(shù)也逐步開始使用,但是由于系統(tǒng)工作頻率更高,同時(shí)對(duì)通信誤碼率要求更嚴(yán),因此系統(tǒng)非線性特性影響更加突出,線性化設(shè)計(jì)難度也更高。為此,本文針對(duì)多載波數(shù)字通信應(yīng)用需求,深入研究了射頻信道非線性失真的影響以及常用的線性化技術(shù)。

2 射頻電路非線性失真特性

2.1 非線性特性的數(shù)學(xué)表征

分析微波射頻電路中非線性特性的影響,需要了解信號(hào)通過該電路時(shí)的輸入輸出關(guān)系[3]。如果輸入信號(hào)vin(t)是幅度為Vin、頻率為fc的正弦函數(shù),對(duì)于線性電路,輸出信號(hào)vout(t)與輸入信號(hào)vin(t)有如下關(guān)系:

式中,A為與時(shí)間無關(guān)的常數(shù)。

對(duì)于無記憶的非線性電路,輸出信號(hào)中除了基波信號(hào)外,還將產(chǎn)生直流分量和高次諧波分量,其輸出為

如果電路中含有電抗器件,則非線性電路會(huì)具有記憶效應(yīng),此時(shí)輸出信號(hào)不僅取決于t時(shí)刻的輸入信號(hào),還與其它時(shí)刻的輸入信號(hào)有關(guān)。對(duì)于由多個(gè)正弦波組成的離散譜信號(hào),利用Volterra級(jí)數(shù)展開并進(jìn)行傅里葉變換后可以表示為[4]

輸出信號(hào)的DC分量由g0=G0給出,基波分量由G1(f1)Vin(f1)給出,其它的高次項(xiàng)表示電路的諧波響應(yīng)和交調(diào)響應(yīng)。通常情況下對(duì)微波射頻電路的非線性分析中,很少要求提取其高次Volterra級(jí)數(shù)表示,這樣可以將電路簡(jiǎn)化為無記憶電路或有限記憶電路[3]。

2.2 非線性失真特性表現(xiàn)

所有的微波射頻電路都存在一定程度的非線性特性[4]。輸入信號(hào)通過非線性電路后,不僅基波信號(hào)本身的幅度、相位與線性系統(tǒng)相比會(huì)發(fā)生偏差,同時(shí)還會(huì)產(chǎn)生新的頻率分量。這些不同的影響在模擬和數(shù)字通信系統(tǒng)中具體表現(xiàn)為增益壓縮、相位失真、諧波失真、交調(diào)失真以及相鄰信道干擾等不同的失真干擾形式,這些失真都會(huì)造成輸出信號(hào)時(shí)域波形的失真變形,影響系統(tǒng)通信能力,而對(duì)寬帶高速數(shù)字通信系統(tǒng)的影響尤為嚴(yán)重。

非線性射頻微波電路的輸入信號(hào)為正弦波時(shí),輸出信號(hào)可以表示為

(1)諧波失真

輸出信號(hào)中,與基波分量fc一起,還存在直流分量以及fc整數(shù)倍處的諧波分量。一般情況下,輸出信號(hào)的直流分量和諧波分量與基波分量離得較遠(yuǎn),可以利用帶通濾波器濾除。射頻微波電路設(shè)計(jì)中通常用諧波抑制指標(biāo)表示其諧波失真的程度。數(shù)字及模擬通信系統(tǒng)的發(fā)射鏈路如果存在嚴(yán)重的諧波失真,會(huì)產(chǎn)生無用的高頻分量,干擾其它無線系統(tǒng),導(dǎo)致系統(tǒng)的電磁兼容性能下降。

(2)增益壓縮

除了諧波失真外,輸出信號(hào)的基波已經(jīng)被修正,不再是線性項(xiàng)g1。根據(jù)能量守恒,信號(hào)傳輸及放大過程中,由于有部分能量被分配到了直流分量和諧波分量,與線性增益相比,基波信號(hào)的增益必然產(chǎn)生一定的壓縮。基波信號(hào)增益一般會(huì)隨著輸入信號(hào)幅度或功率電平的增加而減少,這些主要與器件的電流飽和或截止有關(guān)[5]。

射頻微波電路中,通常用實(shí)際增益與線性增益相比下降1dB時(shí)的輸出(或輸入)信號(hào)電平即P1dB指標(biāo)來衡量電路的增益壓縮情況。對(duì)于數(shù)字及模擬通信系統(tǒng),增益壓縮主要會(huì)導(dǎo)致信號(hào)幅度的非線性變化,造成幅度調(diào)制方式下通信誤碼率的提高。增益壓縮嚴(yán)重的情況下,會(huì)造成信號(hào)時(shí)域波形的“削頂”。對(duì)于多載波通信,由于其信號(hào)的峰值功率與平均功率相比較大,影響會(huì)更加明顯。

(3)相位失真

為了濾波或隔直,微波射頻電路中常常使用電容或電感,這將導(dǎo)致電路具有短期記憶效應(yīng),從而引起電路的AM-PM失真,即輸出信號(hào)的相位不僅與輸入信號(hào)的相位相關(guān),還與輸入信號(hào)的幅度相關(guān)。一般情況下,當(dāng)輸入信號(hào)輸入幅度的變化較小時(shí),由此引起的相位偏差關(guān)系可以視為線性。可以通過測(cè)量1dB增益壓縮點(diǎn)的相位偏差 (P1dB)來計(jì)算FM調(diào)制指數(shù)k ,用以衡量電路的相位失真特性。與增益壓縮類似,微波射頻電路從低功率到P1dB處其相位偏差較小且緩慢變化,當(dāng)功率電平超過 P1dB,電路被嚴(yán)重壓縮時(shí),輸出信號(hào)的相位偏差會(huì)急劇增加。

對(duì)于多載波通信系統(tǒng),為了提高頻譜利用率一般要求載波信號(hào)相互之間正交[6]。但由于信號(hào)波形幅度變化較大,電路的非線性相位失真可能會(huì)引起載波信號(hào)相位的抖動(dòng),破壞多個(gè)載波相互之間的正交性,形成載波間串?dāng)_,從而造成鄰道干擾,導(dǎo)致系統(tǒng)誤碼率提高。

(4)交調(diào)失真

如果信號(hào)中存在頻率相近的多個(gè)頻率分量,非線性電路會(huì)產(chǎn)生交調(diào)失真(IMD),在鄰近信道處產(chǎn)生新的頻率分量。與諧波失真不同的是,由于交調(diào)失真產(chǎn)物一般處于信號(hào)帶內(nèi)或距離邊帶很近,無法通過濾波器濾除。

交調(diào)失真最常用的衡量指標(biāo)是雙頻交調(diào)失真。假設(shè)輸入信號(hào)中存在頻率為f1和f2正弦波,通過非線性電路后,會(huì)在f1和f2兩邊產(chǎn)生大量的奇次諧波失真,其中2f1-f2和2f2-f1稱為三階交調(diào),影響最為嚴(yán)重。

對(duì)于多頻信號(hào),與雙頻信號(hào)的主要區(qū)別是信號(hào)功率的峰值與平均值之比即峰均比(PAR)不同。一個(gè)雙頻信號(hào)的平均功率等于兩個(gè)載頻信號(hào)的功率之和,而峰值功率是單個(gè)載頻功率的4倍。對(duì)于一個(gè)n頻的信號(hào),其峰均比為

如果多頻信號(hào)中擁有10個(gè)幅度相同的載波,相位對(duì)齊的情況下,其峰值功率將是平均功率的10倍,是單個(gè)載頻信號(hào)的100倍,其非線性失真影響更大。同時(shí),由于有多個(gè)頻率相近的基波載頻信號(hào),其交調(diào)產(chǎn)物更多,并與基波信號(hào)鄰近或混疊,造成帶內(nèi)干擾或鄰道干擾。對(duì)于密集多頻信號(hào)的交調(diào)失真特性,通常用噪聲功率比(NPR)指標(biāo)來衡量。

(5)數(shù)字調(diào)制信號(hào)失真

微波射頻電路的非線性失真對(duì)數(shù)字信號(hào)的影響和對(duì)模擬信號(hào)的影響是一樣的[3],主要是造成增益壓縮、相位變化及產(chǎn)生新的交調(diào)頻率分量。以QPSK和QAM為代表的數(shù)字調(diào)制方式中,幅度和相位信息都用來產(chǎn)生數(shù)字調(diào)制信號(hào),因此信號(hào)通過非線性電路后,會(huì)表現(xiàn)為輸出信號(hào)(I、Q矢量信號(hào))在時(shí)域星座圖中的目標(biāo)點(diǎn)周圍抖動(dòng)甚至混疊,造成比特誤碼率的提高。對(duì)于輸出信號(hào)的I、Q矢量誤差情況,可以用誤差矢量幅度(EVM)指標(biāo)衡量,其定義為所有誤差矢量模值的總和除以取樣數(shù)[4]。數(shù)字調(diào)制信號(hào)的非線性交調(diào)失真主要表現(xiàn)為在頻域的相鄰頻道上產(chǎn)生無用信號(hào)電平,從而造成對(duì)系統(tǒng)其它用戶的干擾。對(duì)于數(shù)字信號(hào)的交調(diào)失真,一般用相鄰信道功率抑制比(ACPR)衡量。ACPR定義為相鄰信道規(guī)定帶寬內(nèi)的總干擾功率與固有信道規(guī)定帶寬內(nèi)的信道載頻功率的比值[5,6]。

對(duì)于多載波數(shù)字通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì),必須開展其射頻微波電路的非線性特性分析[7],其中不僅包括了多載波信號(hào)的高峰均比可能帶來的各種干擾分析,同時(shí)還需要開展數(shù)字調(diào)制信號(hào)的EVM和ACPR特性分析。這就要求在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí),對(duì)射頻電路非線性特性、調(diào)制解調(diào)方式、基帶信號(hào)處理等多方面性能進(jìn)行綜合考慮。常規(guī)的設(shè)計(jì)分析方法已經(jīng)無法滿足多載波通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求,可利用數(shù)字電路和模擬電路混合仿真的軟件虛擬技術(shù)在前期進(jìn)行方案驗(yàn)證。

3 非線性失真對(duì)多載波數(shù)字通信影響的仿真

利用ADS仿真軟件進(jìn)行仿真。對(duì)于16QAM調(diào)制方式、單載波數(shù)字通信的輸出頻譜及輸出信號(hào)星座圖如圖1所示。在理想信道情況下,整個(gè)系統(tǒng)的EVM非常小,僅為0.9%。

圖1 單載波16QAM理想通信系統(tǒng)仿真Fig.1 Simulation of mono-carrier 16QAM ideal communication system

在上述系統(tǒng)中加入放大器模型,模擬放大器所引入的非線性增益壓縮及相位失真等效應(yīng),其仿真結(jié)果如圖2所示。此時(shí)系統(tǒng)的EVM增加到5.9%。

圖2 單載波16QAM非線性通信系統(tǒng)仿真Fig.2 Simulation of mono-carrier 16QAM non-linear communication system

將3個(gè)相同的16QAM非線性信道使用功率合成器拼成多載波信號(hào)源,在相同的非線性放大器的作用下,由于多載波間的干擾,導(dǎo)致EVM從5.9%增加到7.6%,如圖3所示。

圖3 多載波16QAM非線性通信系統(tǒng)仿真Fig.3 Simulation of multi-carrier 16QAM non-linear communication system

多載波通信系統(tǒng)中同時(shí)存在多路信號(hào),信號(hào)時(shí)域波形峰值功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于每個(gè)子信號(hào)載頻的功率之和,這對(duì)射頻信道的線性度提出了極高的要求。對(duì)于多載波數(shù)字通信系統(tǒng),一方面由于其非線性增益壓縮和相位失真會(huì)導(dǎo)致調(diào)制信號(hào)幅度和相位信息的變化,造成誤碼率的提高;另一方面由于其非線性相位失真和交調(diào)失真會(huì)破壞子載波之間的正交性,導(dǎo)致相鄰子載波之間的鄰道干擾增加,從而造成載波間串?dāng)_,進(jìn)一步造成系統(tǒng)誤碼率的提高,因此與單載波相比,其非線性影響更大。

4 常用線性化技術(shù)

為了減少非線性特性對(duì)多載波數(shù)字通信系統(tǒng)的影響,對(duì)其射頻電路按需要進(jìn)行線性化改進(jìn)。

目前,微波射頻電路的線性化技術(shù)在民用系統(tǒng)中應(yīng)用較為成熟,主要有功率回退法、前饋法(Feedforward)、反饋法(Feedback)、預(yù)失真法(Predistortion)以及非線性部件實(shí)現(xiàn)線性化(LINC)等[8,12]。這些方法各有特點(diǎn),適用于不同的應(yīng)用環(huán)境。

(1)功率回退法

功率回退是指工作時(shí)其最大信號(hào)電平與系統(tǒng)的壓縮點(diǎn)相比降低一定幅度,這樣整個(gè)系統(tǒng)將工作在比較理想的線性放大區(qū)域[9]。與其它線性化技術(shù)相比,功率回退法是最簡(jiǎn)單,也最常用的線性化技術(shù),同時(shí)可以適用于系統(tǒng)級(jí)電路,因此對(duì)于多載波數(shù)字通信等線性化要求高的系統(tǒng),其接收信道和發(fā)射通道的前級(jí)一般都采用功率回退以保證其線性指標(biāo),足夠的功率回退余量能夠使系統(tǒng)的三階交調(diào)抑制達(dá)到60dBc以上。但是對(duì)于大功率功放單元,采用功率回退技術(shù)會(huì)嚴(yán)重降低功率放大效率,造成系統(tǒng)體積、功耗以及成本的急劇增加,因此需要采用其它的功放線性化技術(shù)[8,10]。

(2)預(yù)失真技術(shù)

預(yù)失真技術(shù)是根據(jù)預(yù)先得到的功率放大器的非線性情況,在功率放大器前增加一個(gè)非線性電路(預(yù)失真電路)用以補(bǔ)償功率放大器的非線性,使功率放大器的非線性得以矯正[11]。按照預(yù)失真器的實(shí)現(xiàn)方式,可分為模擬預(yù)失真和數(shù)字預(yù)失真(Digital Pre-distortion,DPD)。模擬預(yù)失真器利用混頻、濾波以及延時(shí)等模擬電路實(shí)現(xiàn),電路原理簡(jiǎn)單,同時(shí)工作頻率較高,可以直接實(shí)現(xiàn)功放的射頻預(yù)失真,但是其電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜,電路的適應(yīng)能力較差,同時(shí)高階頻譜分量抵消困難。數(shù)字預(yù)失真器采用數(shù)字電路實(shí)現(xiàn),在知道主放大器非線性特性的基礎(chǔ)上,可以通過多項(xiàng)式逼近或查表的方式實(shí)現(xiàn)反向特性預(yù)失真處理,對(duì)功放進(jìn)行線性補(bǔ)償[12-14]。數(shù)字預(yù)失真技術(shù)電路簡(jiǎn)單,同時(shí)具有一定自適應(yīng)能力,可抵消非線性高階分量。但是受數(shù)字電路器件性能限制,數(shù)字預(yù)失真一般用于中頻或基帶部分。

(3)負(fù)反饋法

反饋型采用了傳統(tǒng)的負(fù)反饋放大器設(shè)計(jì)方法,在放大器設(shè)計(jì)中引入直流負(fù)反饋以及交流負(fù)反饋,可以減少晶體管靜態(tài)工作點(diǎn)對(duì)晶體管參數(shù)的依賴性,改善放大器一系列重要性能,包括非線性特性的改善[12]。負(fù)反饋法線性功放具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、方式多樣、成本低廉等優(yōu)點(diǎn),但為了保持反饋回路的穩(wěn)定,工作帶寬有限,同時(shí)其功放的增益及效率有所下降。

(4)前饋法

前饋技術(shù)是將輸入的射頻信號(hào)經(jīng)功分器將其分成兩路,其中一路信號(hào)經(jīng)過主放大器,由于放大器的非線性失真,輸出的信號(hào)除了所需要的主頻信號(hào)外,還存在著高階干擾,這是需要消除的信號(hào)。另外一路信號(hào)先經(jīng)過移相器后信號(hào)反相,再與從主放大器輸出的一部分信號(hào)合成,抵消主頻信號(hào)后,剩余諧波信號(hào)經(jīng)放大及移相后再與主放大器輸出信號(hào)合成,抵消主信號(hào)中的高階諧波分量,從而實(shí)現(xiàn)功放的線性化[9,11]。前饋型具有很高的線性度和大帶寬等優(yōu)點(diǎn),但由于電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜,成本昂貴,而且效率低,主要用于大功率放大器中。

(5)線性化Doherty功放

線性化Doherty功放是最新,也是民用通信系統(tǒng)正在大力發(fā)展和使用的功放級(jí)線性化技術(shù)。Doherty放大器主要由載波放大器和峰值放大器兩個(gè)功率放大單元組成。信號(hào)從放大器的輸入端進(jìn)入,經(jīng)過功分器分成兩路,分別輸入載波放大器和峰值放大器。經(jīng)過放大器之后兩路信號(hào)最終在末端直接耦合輸出[15,16]。其中載波放大器工作在AB類,峰值放大器工作在C類。通過合理地設(shè)置工作點(diǎn)和匹配電路,輸入為小信號(hào)時(shí)載波放大器工作,峰值放大器截止;輸入為大信號(hào)時(shí)峰值放大器導(dǎo)通工作,開始飽和輸出,因此Doherty放大器與常規(guī)放大器相比,其功放效率高很多,同時(shí)非常適用于多載波系統(tǒng)中的高峰均比信號(hào)的放大。同時(shí),通過實(shí)驗(yàn)可知LDMOS功放互調(diào)分量的輸出相位對(duì)柵極偏置極為敏感,在不同的偏置狀態(tài)下,功放管互調(diào)產(chǎn)物的輸出相位會(huì)發(fā)生較大變化,而其載波相位變化相對(duì)很小,如果射頻功放器件采用LDMOS管,合理地調(diào)節(jié)偏置狀態(tài)可以使Doherty功放的峰值放大器和載波放大器的三階互調(diào)分量接近于反相狀態(tài),而載波相位處于同相狀態(tài)[15]。這樣,載波相互迭加而互調(diào)成分被對(duì)消,使功放的線性度得以提高。線性化Doherty功放目前已經(jīng)可以在百瓦輸出功率量級(jí)上做到電源效率超過45%,三階交調(diào)抑制改善15～20dBc。

5 結(jié) 論

多載波數(shù)字通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,多種方法可以改善射頻信道的非線性特性,但是除功率回退外,負(fù)反饋及預(yù)失真等其它技術(shù)都是針對(duì)功放的器件級(jí)改進(jìn)措施,而在多信號(hào)激勵(lì)下,混頻器、開關(guān)等器件也存在非線性特性,同時(shí)多級(jí)器件的級(jí)聯(lián)也會(huì)惡化電路非線性影響。因此,對(duì)于高頻段多載波數(shù)字通信系統(tǒng)射頻電路的設(shè)計(jì),除功放以外的發(fā)射通道和接收信道可采用功率回退技術(shù)保證整個(gè)鏈路的線性度指標(biāo),而高頻功放模塊為了保證其工作效率和線性度,應(yīng)當(dāng)開展相關(guān)高頻線性化Doherty功放技術(shù)研究。相信通過系統(tǒng)性的線性化設(shè)計(jì),射頻信道的特性能夠滿足多載波通信系統(tǒng)的性能要求。

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