基于削峰的LINC发射机效率改善技术

杨 玲

（电子科技大学电子工程学院，四川 成都 610054）

基于削峰的LINC发射机效率改善技术

杨 玲

（电子科技大学电子工程学院，四川 成都 610054）

LINC发射机是一种利用非线性器件的线性化发射机结构。文章从隔离合成器效率及LINC发射机整体效率分析出发，提出了一种基于削峰技术的LINC发射机效率改善技术，通过ADS及MATLAB混合仿真验证了，该方案能将原有系统效率从8.7%提高到14.5%。

LINC；隔离合成器；削峰；ADS

（一）LINC系统效率分析

纵观各不同3G标准，信号调制方式复杂化是其共通的特点。QPSK,16QAM,64QAM等调制方式产生的高峰均比非恒包络信号，虽然频谱利用率较高，但对发射机末中功率放大器的性能也提出了极高的要求[1]。功率放大器如何同时兼顾线性和效率指标是移动通信领域当前的研究热点。LINC技术[2]，利用非线性高效率放大器实现信号的线性放大，是一种可行的系统线性和效率平衡优化方案。

1.LINC 系统原理

典型的LINC发射机结构原理框图如下图所示。

输入为调幅调相信号

通过引入误差信号e(t)，在信号分离器，将输入信号分离为两路幅度相等的恒包络反相信号：

将分离后的两路信号上变频后,通过特性完全相同的非线性高效率放大器（如E类放大器），得到放大G倍的信号，再通过功率合成器合成则完成了对输入信号的高效率放大。理论上LINC结构的功放效率可达到100%，然而实际应用中为了保证系统的线性指标，功率合成器往往选用隔离合成器，而系统的效率就不止须考虑功放的效率还需考虑隔离合成器的合成效率[3]。

2.功率合成器效率特性对系统效率的影响

对于功率合成器，在理想情况下，总输出功率等于各末级放大器输出功率之和。但实际上，由于功率合成器存在损耗，各路的幅度和相位也不可能完全一致[4]，输出总功率总是比理想情况要小。而且在LINC 系统中，为了维持系统的高线性性，两放大支路要求尽量平衡且互相无牵引，为了避免两支路的相互影响而采用的隔离类功率合成器其合成效率也往往较低。

以威尔金森合成器为例，假设功放的效率为100%，匹配的合成器的瞬时效率为：

其中θ(t)为包络信号附加相位调制角度（见公式5）.设信号的概率密度函数为p()θ，则系统的平均效率为：

其中p()θ为包络信号附加相位调制角度的概率分布。由ADS仿真系统可对包络信号的附加相位调制角度 的概率分布近似仿真。图2为WCDMA下行信号在不同采样点数下附加相位调制角度 的概率分布图。

由图可知，附加相位调制角度θ在大角度区域分布较多，小角度区域分布较少。这也从一方面说明了实际信号出现峰值的概率很小。由仿真分析可知，角度值位于区（0,π/6）间的概率为0.16%，位于区间（π/3,π/2）的概率为92.60%。由 co s2函数的特性，功率合成器的瞬时效率在θ=0时取最大值100%，随着角度的增大，功率合成器瞬时效率不断减小，在θ=π/6后的瞬时效率将小于75%，在θ=π/3后的瞬时效率将小于25%。通过仿真，在考虑功率合成器的效率特性时，系统的平均效率只有8.7%。

（二）峰均比降低技术对LINC系统的效率改善

1.峰均比降低技术

峰均功率比（PAPR, Peak to Average Power Ratio）指信号的峰值与均值之比。可表示为：

其中P(t)为信号的功率，MAX[P(t)]为信号的峰值功率E[P(t)]，为信号的平均功率。由于信号出现最大值的概率非常小，实际应用中的峰值常采用概率峰值SP：

即信号以概率PC大于SP。PC的一种取值为0.01%。

由于3G系统的复杂调制方式，所产生的信号往往峰均比极高，这就要求发射装置和接受装置的数/模转换器及模/数转换器具有极广的动态范围，同时要求发射机的功率放大器有很高的线性度，现实中这些要求成本极高且难以满足。所以峰均比降低技术本身就在3G系统中有非常广泛的应用。目前峰均比降低技术的研究方向主要有3类：信号畸变技术、概率类技术、编码技术。

信号编码技术通过选择不同编码方式下峰均比较小的的信号来降低PAPR，这种技术不会带来带内带外干扰是一种线性的峰均比降低技术。但是这类技术只适用于部分调制方式，且当信号载波数增多时计算复杂度将大大增加，系统数据处理速度极慢，所以一般仅限于理论研究实际应用有限。概率类技术并不是将信号PAPR都降低到某个门限值下，而是通过在信号中加入扰码，降低高PAPR信号出现的概率。常用的概率类技术有选择映射法，部分序列传输法。因为接收机接收的信号中存在扰码，接收机额必须对接收信号分离恢复，这就大大的频带的利用率。在现有的的技术条件下，处于经济成本的考虑，实际应用中一般采用信号畸变类技术。此类技术用非线性的方法降低信号峰均比的技术，虽然会造成信号失真和带外辐射但由于方法简单、易于实现，且成本较低。信号畸变技术的实现具体有多种方法，如削波法（Clipping），峰值窗法（Peaking Windowing），峰值对消法等，这些算法都亟需解决带内失真和带外辐射的平衡问题。本文以削波法为例阐述峰均比降低技术对LINC系统效率的提高作用。

根据可描述峰均比统计特性的CCDF曲线，

高峰均比信号的出现概率极小，将以极小概率出现的瞬时幅度削去对信号的影响应该不大。传统削波法的基本原理如下图是对信号超过预设门限的部分直接削去：

2.降低峰均比提升LINC系统效率

由前文对功率合成器瞬时效率特性的分析，如何解决其与附加相位调制角度 的失配问题，将是提升LINC系统整体效率的关键。

附加相位调制角度向小角度扩散，由功率合成器效率公式

即是待合成信号向功率合成器瞬时效率更高的区域扩散。假设包络信号N点采样，则合成器的整体效率可表示为

其中，采样率N决定了 p (θi) ，通过削波，绝大部分采样点的 cos2θi增加，从而合成器的平均合成效率也相应增加。综上，通过降低信号峰均比可以提升LINC系统工作效率。

（三）算法仿真

1.仿真条件

本文以ADS和MATLAB软件为仿真平台，信号源采用符合3GPPFDD_TestModel1的16DPCH信号,共81961组符号输入。系统仿真平台如下：

2.仿真结果

上图为削波前后附加相位调制角度概率分布。由图可见通过削峰，包络信号附加相位调制角度的在向小角度区域扩散。削峰前后附加相位调制角度出现在各角度区间的概率对比如下：在合成器瞬时效率超过50%的角度区域，相位调制角度的出现概率由未削峰的0.0740提高到0.2343。在合成器瞬时效率小于50%大于34.20%的角度区域，相位调制角度的出现概率由未削峰的0.2271提高到0.2749。在合成器瞬时效率小于34.20%的角度区域，相位调制角度的出现概率由未削峰的0.6989减小到0.4908。由仿真计算结果表明，通过本发明实例所提供的自适应峰值抵消削峰算法，对极少出现的大幅度信号削峰抑制，可将系统的平均效率由最初的8.7%提升到14.5%。

由此可知，通过降低峰均比，提升功率合成器的平均效率是可行的。

[1] 刘宝玲,付长东,张轶凡.3G移动通信系统概述[M].人民邮电出版社.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

杨玲，女，四川人，电子科技大学电子工程学院硕士研究生，研究方向为电路与系统。