基于削峰的LINC發(fā)射機效率改善技術(shù)

楊 玲

（電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院，四川 成都 610054）

基于削峰的LINC發(fā)射機效率改善技術(shù)

楊 玲

（電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院，四川 成都 610054）

LINC發(fā)射機是一種利用非線性器件的線性化發(fā)射機結(jié)構(gòu)。文章從隔離合成器效率及LINC發(fā)射機整體效率分析出發(fā)，提出了一種基于削峰技術(shù)的LINC發(fā)射機效率改善技術(shù)，通過ADS及MATLAB混合仿真驗證了，該方案能將原有系統(tǒng)效率從8.7%提高到14.5%。

LINC；隔離合成器；削峰；ADS

（一）LINC系統(tǒng)效率分析

縱觀各不同3G標(biāo)準(zhǔn)，信號調(diào)制方式復(fù)雜化是其共通的特點。QPSK,16QAM,64QAM等調(diào)制方式產(chǎn)生的高峰均比非恒包絡(luò)信號，雖然頻譜利用率較高，但對發(fā)射機末中功率放大器的性能也提出了極高的要求[1]。功率放大器如何同時兼顧線性和效率指標(biāo)是移動通信領(lǐng)域當(dāng)前的研究熱點。LINC技術(shù)[2]，利用非線性高效率放大器實現(xiàn)信號的線性放大，是一種可行的系統(tǒng)線性和效率平衡優(yōu)化方案。

1.LINC 系統(tǒng)原理

典型的LINC發(fā)射機結(jié)構(gòu)原理框圖如下圖所示。

輸入為調(diào)幅調(diào)相信號

通過引入誤差信號e(t)，在信號分離器，將輸入信號分離為兩路幅度相等的恒包絡(luò)反相信號：

將分離后的兩路信號上變頻后,通過特性完全相同的非線性高效率放大器（如E類放大器），得到放大G倍的信號，再通過功率合成器合成則完成了對輸入信號的高效率放大。理論上LINC結(jié)構(gòu)的功放效率可達(dá)到100%，然而實際應(yīng)用中為了保證系統(tǒng)的線性指標(biāo)，功率合成器往往選用隔離合成器，而系統(tǒng)的效率就不止須考慮功放的效率還需考慮隔離合成器的合成效率[3]。

2.功率合成器效率特性對系統(tǒng)效率的影響

對于功率合成器，在理想情況下，總輸出功率等于各末級放大器輸出功率之和。但實際上，由于功率合成器存在損耗，各路的幅度和相位也不可能完全一致[4]，輸出總功率總是比理想情況要小。而且在LINC 系統(tǒng)中，為了維持系統(tǒng)的高線性性，兩放大支路要求盡量平衡且互相無牽引，為了避免兩支路的相互影響而采用的隔離類功率合成器其合成效率也往往較低。

以威爾金森合成器為例，假設(shè)功放的效率為100%，匹配的合成器的瞬時效率為：

其中θ(t)為包絡(luò)信號附加相位調(diào)制角度（見公式5）.設(shè)信號的概率密度函數(shù)為p()θ，則系統(tǒng)的平均效率為：

其中p()θ為包絡(luò)信號附加相位調(diào)制角度的概率分布。由ADS仿真系統(tǒng)可對包絡(luò)信號的附加相位調(diào)制角度 的概率分布近似仿真。圖2為WCDMA下行信號在不同采樣點數(shù)下附加相位調(diào)制角度 的概率分布圖。

由圖可知，附加相位調(diào)制角度θ在大角度區(qū)域分布較多，小角度區(qū)域分布較少。這也從一方面說明了實際信號出現(xiàn)峰值的概率很小。由仿真分析可知，角度值位于區(qū)（0,π/6）間的概率為0.16%，位于區(qū)間（π/3,π/2）的概率為92.60%。由 co s2函數(shù)的特性，功率合成器的瞬時效率在θ=0時取最大值100%，隨著角度的增大，功率合成器瞬時效率不斷減小，在θ=π/6后的瞬時效率將小于75%，在θ=π/3后的瞬時效率將小于25%。通過仿真，在考慮功率合成器的效率特性時，系統(tǒng)的平均效率只有8.7%。

（二）峰均比降低技術(shù)對LINC系統(tǒng)的效率改善

1.峰均比降低技術(shù)

峰均功率比（PAPR, Peak to Average Power Ratio）指信號的峰值與均值之比。可表示為：

其中P(t)為信號的功率，MAX[P(t)]為信號的峰值功率E[P(t)]，為信號的平均功率。由于信號出現(xiàn)最大值的概率非常小，實際應(yīng)用中的峰值常采用概率峰值SP：

即信號以概率PC大于SP。PC的一種取值為0.01%。

由于3G系統(tǒng)的復(fù)雜調(diào)制方式，所產(chǎn)生的信號往往峰均比極高，這就要求發(fā)射裝置和接受裝置的數(shù)/模轉(zhuǎn)換器及模/數(shù)轉(zhuǎn)換器具有極廣的動態(tài)范圍，同時要求發(fā)射機的功率放大器有很高的線性度，現(xiàn)實中這些要求成本極高且難以滿足。所以峰均比降低技術(shù)本身就在3G系統(tǒng)中有非常廣泛的應(yīng)用。目前峰均比降低技術(shù)的研究方向主要有3類：信號畸變技術(shù)、概率類技術(shù)、編碼技術(shù)。

信號編碼技術(shù)通過選擇不同編碼方式下峰均比較小的的信號來降低PAPR，這種技術(shù)不會帶來帶內(nèi)帶外干擾是一種線性的峰均比降低技術(shù)。但是這類技術(shù)只適用于部分調(diào)制方式，且當(dāng)信號載波數(shù)增多時計算復(fù)雜度將大大增加，系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理速度極慢，所以一般僅限于理論研究實際應(yīng)用有限。概率類技術(shù)并不是將信號PAPR都降低到某個門限值下，而是通過在信號中加入擾碼，降低高PAPR信號出現(xiàn)的概率。常用的概率類技術(shù)有選擇映射法，部分序列傳輸法。因為接收機接收的信號中存在擾碼，接收機額必須對接收信號分離恢復(fù)，這就大大的頻帶的利用率。在現(xiàn)有的的技術(shù)條件下，處于經(jīng)濟成本的考慮，實際應(yīng)用中一般采用信號畸變類技術(shù)。此類技術(shù)用非線性的方法降低信號峰均比的技術(shù)，雖然會造成信號失真和帶外輻射但由于方法簡單、易于實現(xiàn)，且成本較低。信號畸變技術(shù)的實現(xiàn)具體有多種方法，如削波法（Clipping），峰值窗法（Peaking Windowing），峰值對消法等，這些算法都亟需解決帶內(nèi)失真和帶外輻射的平衡問題。本文以削波法為例闡述峰均比降低技術(shù)對LINC系統(tǒng)效率的提高作用。

根據(jù)可描述峰均比統(tǒng)計特性的CCDF曲線，

高峰均比信號的出現(xiàn)概率極小，將以極小概率出現(xiàn)的瞬時幅度削去對信號的影響應(yīng)該不大。傳統(tǒng)削波法的基本原理如下圖是對信號超過預(yù)設(shè)門限的部分直接削去：

2.降低峰均比提升LINC系統(tǒng)效率

由前文對功率合成器瞬時效率特性的分析，如何解決其與附加相位調(diào)制角度 的失配問題，將是提升LINC系統(tǒng)整體效率的關(guān)鍵。

附加相位調(diào)制角度向小角度擴散，由功率合成器效率公式

即是待合成信號向功率合成器瞬時效率更高的區(qū)域擴散。假設(shè)包絡(luò)信號N點采樣，則合成器的整體效率可表示為

其中，采樣率N決定了 p (θi) ，通過削波，絕大部分采樣點的 cos2θi增加，從而合成器的平均合成效率也相應(yīng)增加。綜上，通過降低信號峰均比可以提升LINC系統(tǒng)工作效率。

（三）算法仿真

1.仿真條件

本文以ADS和MATLAB軟件為仿真平臺，信號源采用符合3GPPFDD_TestModel1的16DPCH信號,共81961組符號輸入。系統(tǒng)仿真平臺如下：

2.仿真結(jié)果

上圖為削波前后附加相位調(diào)制角度概率分布。由圖可見通過削峰，包絡(luò)信號附加相位調(diào)制角度的在向小角度區(qū)域擴散。削峰前后附加相位調(diào)制角度出現(xiàn)在各角度區(qū)間的概率對比如下：在合成器瞬時效率超過50%的角度區(qū)域，相位調(diào)制角度的出現(xiàn)概率由未削峰的0.0740提高到0.2343。在合成器瞬時效率小于50%大于34.20%的角度區(qū)域，相位調(diào)制角度的出現(xiàn)概率由未削峰的0.2271提高到0.2749。在合成器瞬時效率小于34.20%的角度區(qū)域，相位調(diào)制角度的出現(xiàn)概率由未削峰的0.6989減小到0.4908。由仿真計算結(jié)果表明，通過本發(fā)明實例所提供的自適應(yīng)峰值抵消削峰算法，對極少出現(xiàn)的大幅度信號削峰抑制，可將系統(tǒng)的平均效率由最初的8.7%提升到14.5%。

由此可知，通過降低峰均比，提升功率合成器的平均效率是可行的。

[1] 劉寶玲,付長東,張軼凡.3G移動通信系統(tǒng)概述[M].人民郵電出版社.2008,5-10.

[2] Cox D C .Linear Amplification with Nonlinear Components[J].IEEE Trans.Commun.,1974,COM-22,12:1942-1945.

[3] Ampem DarkoS ,Raweshidy H S. Gain/phase Imbalance Cancellation Technique in LINC Transmitters[J].Electron.Lett.,1998,34(22):2093-2094.

[4] Seung HeeHan，Jae HongLee.An over view of peak-to-average power ratio reduction techniques for multi-carrier transmission[J].IEEE Wireless Communication.

TN83

A

1008-1151(2010)04-0033-02

2010-01-12

楊玲，女，四川人，電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院碩士研究生，研究方向為電路與系統(tǒng)。