專利名稱：預失真電路的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種能夠對任何模擬傳輸和器件進行線性化的預失真電路，屬于電子技術領域。具體涉及一種能夠壓縮三階非線性失真的預失真電路。
背景技術：
眾所周知，副載波調制(subcarrier modulation—SCM)在衛(wèi)星通信，無線通信， 雷達等系統(tǒng)廣泛應用。換句話說，無線信號由主載波和副載波組成，主載波(正弦波)攜帶著副載波，副載波攜帶著數字信號，這就是模擬傳輸。在用戶端解調之后，能夠獲取傳輸的數字信號。不幸的是，當應用副載波調制時，任何傳輸線路上器件的非線性會引起非線性失真，特別是三階交調失真。由于非線性失真，對任何模擬傳輸系統(tǒng)、模擬器件和模塊， 它們的輸入和輸出功率都會受到限制。否則非線性失真會惡化傳輸的信號質量，以致不能滿足標準要求。如果副載波是攜帶寬帶正交頻分復用(orthogonal frequency division multiplexing-OFDM)無線信號，非線性失真的影響會更大。光纖通信提供比傳統(tǒng)的銅纜更寬的傳輸帶寬，以及對電磁噪聲和其他干擾更強的抗干擾能力。因此，對于遠距離高速數據通信，光纖是一種較好的低成本媒質?，F在光纖也應用于分布無線信號，如從基站到天線塔。光纖無線電(Radio over fiber-RoF)被認為是一種低成本的無線信號分布技術。光纖無線電是基于光副載波調制，也即光模擬傳輸，因此它和無線模擬傳輸一樣，對非線性失真非常敏感。為了補償這些非線性失真，通常采用模擬線性化和數字線性化技術。數字線性化技術效率高但只能應用于窄帶信號。目前數字線性化技術廣泛地應用于大功率窄帶放大器的線性化(帶寬< 100MHz)，且數字線性化技術復雜和成本高。模擬預失真線性化技術的效率比數字線性化技術低，但是簡單和成本低。模擬預失真線性化技術可實現超寬帶線性化， 線性化帶寬可到60GHz。預失真線性化技術是通過產生具有和非線性失真相反相位和相同幅度的非線性分量，使模擬傳輸系統(tǒng)(包括器件和模塊)信號輸出的非線性失真分量被壓縮，這樣極大改善了通信性能。由于三階交調失真對傳輸性能影響最大，因此預失真線性化器設計中主要關心三階互(交)調失真分量。我們發(fā)明的推挽型預失真線性化器，能消除固有的自身產生的二階非線性失真分量，換句話說我們提出的推挽型預失真線性化器只生成奇數階非線性分量，一階分量是信號，三階以上分量是非線性失真，其中三階分量在非線性分量中最大，因此它的影響最大?？赏ㄟ^調整推挽偏置電壓增加或減小產生的三階失真分量，從而最佳地抑制傳輸系統(tǒng)產生的三階互調分量。雖然已有模擬預失真技術被提出或應用在模擬傳輸中，但是現有的預失真器具有一些缺陷，采用大量的頻率相關器件，如移相器和放大器。這增加了電路的復雜性和成本， 同時引入了不可控的非線性失真，從而很難實現寬帶預失真。另外一個缺點在于，這些器件要求每一個通路產生的失真程度需要良好的匹配，同時失真的相位需要和模擬傳輸產生的非線性失真反相，幅度需要相關?，F有線性化預失真器難以調節(jié)，在某些情況下電路需要復雜的調整。
因此，對新型預失真器的需求是顯而易見的。新提出的預失真器采用簡單的平衡雙通路結構，同時采用較少的非頻率相關器件來確保寬帶性能，簡單的預失真信號調節(jié)，即能使非線性預失真的性能最佳化。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于克服現有技術之不足，而提供一種能夠對任何模擬傳輸和器件進行線性化的預失真電路。本發(fā)明的預失真電路，安裝在非線性傳輸系統(tǒng)的輸入端，使得輸入信號產生預失真。本發(fā)明的預失真電路包括一個用于將輸入信號分配到失真產生上分支路和失真產生下分支路的功分器；分別與功分器連接的一個上分支路和一個下分支路；分別與一個上分支路和一個下分支路的另一端連接的一個功率合成器。其中上分支電路和下分支電路上各設有一組二極管，每組二極管由一個二極管或多個二極管串聯(lián)或并聯(lián)構成；當各設有一組二極管時，兩組二極管反向安置，并被一個正電壓和一個負電壓推挽偏置；通過調整兩路二極管的偏置電壓或電流來調整三階非線性失真分量的大小，從而實現預失真電路的調整。一個用于將前述上分支電路和下分支電路產生的失真信號合成為預失真輸出信號的功率合成器，由于推挽偏置，所有的偶次非線性分量被抵消，預失真器的輸出信號由輸入信號和一系列三階互調失真分量組成，將這些信號輸入到非線性器件，抑制一系列三階
互調失真。本發(fā)明的預失真電路的特點在于能夠壓縮三階非線性失真，能夠實現預失真可調性；根據非線性傳輸系統(tǒng)產生的三階非線性大小，通過調整兩路二極管的偏置電壓或電流，能改變預失真電路輸出的三階非線性分量，達到壓縮最大。


圖1表示在非線性傳輸系統(tǒng)或非線性器件或模塊使用預失真電路框圖，該系統(tǒng)采用預失真電路來實現非線性傳輸系統(tǒng)的線性化。圖2表示預失真電路數學原理圖，預失真電路生成三階非線性失真，非線性傳輸系統(tǒng)也生成三階非線性失真，這樣兩個三階非線性失真在一定條件下有可能互相抵消。圖3表示應用預失真電路線性化光纖無線電傳輸系統(tǒng)的實例。在光纖無線電傳輸系統(tǒng)中，電吸收調制器集成的激光器是發(fā)射機，預失真電路的輸出射頻信號直接驅動電吸收調制器的射頻入口，經過光纖傳輸和光接收機后，在接收端會得到無線信號。圖4是測量的電吸收調制器傳輸響應(左軸)，這個電吸收調制器應用到光纖無線電系統(tǒng)中，在不同的電吸收調制器直流偏置電壓下，測量的無線信號載波和三階交調失真 (third order inter-modulation distortion—IMD3)功率(右軸)。圖5是圖2和3中應用的預失真電路圖。圖6是圖5中使用的二極管等效電路圖。圖7是二極管和電源以及負載相聯(lián)的等效電路圖。圖8是對圖3所指系統(tǒng)傳輸兩個頻率無線信號，使用和不使用預失真電路測量的無線信號載波功率和交調失真功率。橫軸是預失真電路輸入的無線信號功率?？v軸是無線信號經過光載無線電傳輸系統(tǒng)之后測試的射頻功率。光纖長度是20公里。圖9是對光纖載多頻段正交頻分復用超寬帶(multi-band-OFDM ultra-wideband)無線信號系統(tǒng)使用和不使用預失真電路，測量得到的誤差向量幅度關系圖。橫軸是無線信號輸入到預失真電路的功率。光纖長度是20公里。多頻段正交頻分復用超寬帶無線信號速率是200Mb/s (每一個頻道)，三個頻道按規(guī)律跳躍。
具體實施例方式本發(fā)明所涉及的預失真電路線性化非線性傳輸系統(tǒng)如圖1所示，通常用序號10表示。通信系統(tǒng)10對射頻信號Vin12進行預失真，用于線性化非線性傳輸系統(tǒng)(或非線性器件、或非線性模塊)18。傳輸鏈路10由預失真器14和非線性傳輸系統(tǒng)(或非線性器件、或非線性模塊)18串聯(lián)而成。具體說來，對光纖無線電系統(tǒng)來說，18通常指整個光纖傳輸系統(tǒng)的非線性，也即從發(fā)射機的射頻入口到接收機的射頻出口之間的非線性，如光調制引入的非線性直接調制激光器，或光電吸收調制器(electro-absorption modulator—EAM), 或馬氏賊和德調制器(Mach-Zehnder modulator—MZM)；或者其他非線性器件和模塊都可能引起非線性。對無線通信來說，許多模擬器件和模塊都會引起非線性失真，如放大器，混頻器等。如果沒有預失真電路，射頻信號vin12通過非線性傳輸鏈路18傳輸時，會產生互調以及諧波失真產物。值得注意的是，當非線性鏈路18所產生的非線性失真包含奇次和偶次諧波以及互調失真產物時，三階互調失真(IMDIB)影響最大，因為這種失真與信號混在一起，不能被濾波器濾除，而其他在頻帶外的諧波和二階互調失真Ond-Order IMD-IMD2)有可能被濾波器濾除。因此本發(fā)明的預失真電路只考慮壓縮三階非線性失真。如圖1所示，預失真器14級聯(lián)在非線性傳輸系統(tǒng)或器件18之前，射頻輸入信號 vin12輸入到預失真器14，輸出預失真信號電壓vkf16。考慮到偏置電壓，則輸入到非線性傳輸系統(tǒng)或器件18的電壓是Vkf = Vb+vEFO其中，Vb是偏置電壓，vKF是預失真電路輸出的射頻信號電壓。具體說來，預失真器14是一個模擬電路，輸出信號包含原始射頻輸入信號vin12 以及非線性分量，特別是三階互調失真分量，這些分量和非線性傳輸系統(tǒng)或器件18產生的非線性失真幅度相等，但是相位相反。由于采用預失真信號vKF16作為非線性傳輸系統(tǒng)或器件18的輸入，輸出的調制信號vKF,。ut20含有的三階互調失真就被抑制。需要注意的是，本發(fā)明的實例是以光纖無線電系統(tǒng)為例子，但是本發(fā)明的預失真電路同樣能應用在其它模擬傳輸系統(tǒng)或模擬器件中，例如無線通信中的功率放大器。如圖2所示，預失真器14在設計的時候要考慮到非線性傳輸系統(tǒng)或器件18的傳輸特性，比如應用于光纖無線電系統(tǒng)中的電吸收調制器(EAM)或者馬氏賊和德調制器 (MZM)的傳輸特性，這樣能夠精確的產生和非線性傳輸系統(tǒng)或器件18所產生的非線性失真具有相反相位和相同的幅度的非線性失真。圖3給出了應用本發(fā)明預失真電路的一個實例。在實例中，非線性傳輸系統(tǒng)是光纖無線信號傳輸系統(tǒng)110。在這個光纖無線電系統(tǒng)中，電吸收調制器集成的激光器104是光發(fā)射機，光信號經過20公里單模光纖105傳輸之后，到達光接收機106，光接收機包含光電檢測器和微波放大器。預失真器輸出的無線信號103加上偏置電壓Vb后直接驅動電吸收調制器的射頻入口，激光器的輸出光進入電吸收調制器(激光器和電吸收調制器集成在一起104，也即光發(fā)射機)，同時無線信號直接驅動著電吸收調制器，這樣就實現了光副載波調制。光發(fā)射機輸出的光進入傳輸光纖105，輸出光經過光電檢測和電子放大后106，就得 到了無線載波信號以及可能的非線性失真107。在這樣ー個光纖無線電系統(tǒng)中，非線性失真 的最大來源是電吸收調制器的調制響應，如圖4所示。因此在設計預失真電路吋，主要考慮 電吸收調制器引起的非線性失真。如圖4所示，電吸收調制器(EAM)的調制響應(圖4左軸)有明顯的非線性。當 這樣ー個調制器用做光副載波調制，許多非線性失真產物會伴隨著副載波而產生。對于圖3 中的光纖無線電系統(tǒng)，當輸入到電吸收調制器(EAM)的無線信號的信號功率在3. 96GHz和 3. 964GHz均為3dBm吋，在不同的電吸收調制器直流偏置電壓下，測量得到的三階交調失真 (IMD3)和無線信號射頻載波的功率在圖4中給出。當偏置電壓為OV吋，無線信號射頻載波 最大，但IMD3的功率也最大，原因是信號截止失真，而不是電吸收調制器調制響應非線性 引起的失真。當負偏置電壓增加吋，由于電吸收調制器光損耗增加，輸入到光纖的光功率減 小，這樣在光接收機輸出的無線信號射頻載波功率和非線性失真功率也就會開始減小。對 于光纖無線電系統(tǒng)110，希望得到較高的無線信號射頻載波功率。因此，在這個實例中，電吸 收調制器的偏置電壓盡量小，這樣不僅光衰耗較小，而且又能避免截止失真?？傊?，如圖4 所示電吸收調制器容易引起很大的交調失真。在光纖無線電傳輸系統(tǒng)中，三階交調失真主 要是電吸收調制器引起。對這ー實例，預失真電路主要是用來壓縮電吸收調制器引起的三 階交調失真。如圖2所示，在本發(fā)明的實例中，電吸收調制器的傳輸函數定義為=[1]
t inPin和P。ut分別是電吸收調制器的輸入和輸出光功率，r是限制因數，a (Vef)是取 決于驅動電壓Vkf的吸收系數，L是電吸收調制器的波導長度。驅動電壓定義為Vkf = Vb+vEF, 其中\(zhòng)是電吸收調制器的偏置電壓，vEF是電吸收調制器的射頻輸入信號電壓，也就是預失 真電路輸出的射頻信號。對于小信號近似vKF <<Vb，在給定偏置電壓條件下電吸收調制器 的歸ー化傳遞函數可展開為如下泰勒級數pout = ^il = kvrf +k2vj +k3v^ +.....[2]其中kji = 1,2,3,...)是和電吸收調制器傳遞函數和偏置電壓有關的系數。如圖2所示，在小信號假設條件下，在預失真器14的設計中僅僅考慮三階非線性 失真。對應的預失真器輸出信號vKF16表示為vEF = aivin+a3vin3[3]vin是預失真器14的輸入射頻信號電壓，a,(i = 1和3)是取決于預失真器14的 系數?？紤]到公式[2]中的線性和三階非線性分量，將公式[3]代入公式[2]，電吸收調制 器的信號輸出表示為Pou, = ^a1Vin + + k^vl[4]其余項被忽略。為了抑制電吸收調制器產生的三階非線性失真(IMD3)，設計的預 失真器14必須滿足— =----[5]
/V-)Cl^,
條件[5]表示了電吸收調制器和預失真器14之間線性和三階非線性系數的關系。如圖5所示，本發(fā)明預失真電路14由下列相關器件組成，包括功分器沈、功率合成器32、一對對稱輸入電容34和36、兩個λ /4輸入阻抗變換器38和40、一對反向對稱二極管42和44 (如肖特基梁式引線二極管)、兩個λ /4輸出阻抗變換器46和48、兩個偏置電流源50和52，以及一對對稱的輸出電容M和56。如圖5所示，每一個分路上有一個肖特基二極管，事實上每一個分路也能由多個肖特基二極管串聯(lián)或多個肖特基二極管并聯(lián)組成。功分器26將輸入射頻信號12分成兩路，分別輸入到兩條對稱通路上，上信號通路觀和下信號通路30。功率合成器32將上信號通路觀和下信號通路30的信號合成為預失真信號輸出vkf21。一對對稱輸入電容34和36用于隔斷輸入射頻信號12的直流分量，同時通過交流分量。兩個λ /4輸入阻抗變換器38和40用于實現輸入口 50歐姆阻抗匹配。一對二極管42和44被設置為反對稱，分別放置在上信號通路觀和下信號通路30，當輸入射頻信號時它們會分別產生所有偶次和奇次分量。兩個λ/4輸入阻抗變換器46和48用于實現輸出口 50歐姆阻抗匹配。兩個電流源50和52分別提供二極管42和44的偏置電流。 一對對稱輸出電容討和56用于隔斷二極管42和44產生的直流分量。需要注意的是，上述預失真電路14的電路器件中，上信號通路觀的器件和傳輸參數值和下信號通路30的電路器件和傳輸應該一致。也就是說，任意一條通路對信號的影響是相同的，例如相同的延遲，衰減或者增益。如圖5所示，兩個二極管42和44被放置在兩條對稱通路28和30上，它們構成反向平行設置，并且對每一個分量產生相同幅度，相反極性的電流源50和52提供偏置電流。 兩個二極管42和44設置為推拉工作狀態(tài)，當輸入射頻信號時，在上信號通路觀上的二極管42產生的各階分量和下信號通路30上的二極管44產生的各階分量具有相反的極性。由于這種逆平行設置，在合成器32之后，偶次非線性分量相互抵消，僅留下奇次分量，也即一階，三階，五階等。如圖5所示，二極管42和44的偏置點可獨立地進行調節(jié)。具體說來，二極管42 和44的偏置點通過調節(jié)給它們饋電的電流源(50)和(52)的電流大小來進行調整，并且它們的調整是相互獨立的。因為二極管產生的非線性失真特性取決于它的偏置點，每一個二極管能通過調整偏置來產生不同程度的非線性失真。當二極管0 和G4)具有相同的特性時，它們通過偏置設置，使得上信號通路觀上的二極管42產生的非線性失真對稱于下信號通路30上的二極管44產生的非線性失真。通過調節(jié)二極管42和44的偏置電流，可使得預失真器14產生不同類型的非線性失真，從而對不同類型的非線性器件18進行線性化。 如果非線性失真分量是對稱的，也就是說上信號通路觀和下信號通路30產生的非線性失真具有相同的幅度和相反的相位，預失真器14將只產生奇次非線性失真分量，因為當信號通路觀和30產生的偶次非線性失真分量通過功率合成器32合并后相互抵消。圖2加上圖5所示，現在介紹預失真電路14的工作原理。輸入功分器沈的射頻信號vin12被分配給上信號通路觀和下信號通路30的二極管42和44。二極管42和44 將產生各階失真分量，失真分量的大小取決于電流源50和52的偏置電流所設置的偏置點。 由于輸入射頻信號vin12被分配給二極管42和44，兩條通路觀和30將同時產生預失真信號。兩路信號通過功率合成器32相互疊加產生預失真輸出信號vkf21。由于兩條通路觀和 30同時產生預失真信號，通過功率合成器32合并后，偶次失真分量互相抵消。然而，兩條通路觀和30產生的三階非線性分量互相疊加。預失真輸出信號vkf16隨后作為非線性器件 18的輸入。預失真器14的兩條對稱通路使得可控的延遲和預失真輸出信號vkf16得以實現，并且不需要使用移相器等窄帶器件，同時使得器件成本降低。通過調整為二極管42和 44提供偏置電流的電流源50和52，產生可調的三階交調預失真(IMD3)。如圖5所示，二極管42和44的非線性失真特性，特別是三階非線性失真分量，可通過將預失真器14的輸出vkf16展開成Volterra級數來加以說明。這里只考慮兩個輸入
信號，也即
權利要求
1.一種用于對非線性系統(tǒng)或器件的輸入信號進行預失真的預失真電路，其特征在于該預失真電路包括一個用于將輸入信號分配到失真產生上分支路和失真產生下分支路的功分器；分別與功分器連接的一個上分支路和一個下分支路；分別與一個上分支路和一個下分支路的另一端連接的一個功率合成器。
2.根據權利要求1所述的預失真電路，其特征在于上分支電路和下分支電路上各設有一組二極管，每組二極管由一個二極管或多個二極管串聯(lián)或并聯(lián)構成；當各設有一組二極管時，兩組二極管反向安置，并被一個正電壓和一個負電壓推挽偏置；通過調整兩路二極管的偏置電壓或電流來調整三階非線性失真分量的大小，從而實現預失真電路的調整。
3.根據權利要求1所述的預失真電路，其特征在于一個用于將前述上分支電路和下分支電路產生的失真信號合成為預失真輸出信號的功率合成器，由于推挽偏置，所有的偶次非線性分量被抵消，預失真器的輸出信號由輸入信號和一系列三階互調失真分量組成，將這些信號輸入到非線性器件，抑制一系列三階互調失真。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種能夠對任何模擬傳輸和器件進行線性化的預失真電路，屬于電子技術領域。該預失真電路含有兩個平行分路，首先一個功分器把信號分成兩個支路，每個支路被一個或多個肖特基二極管驅動，然后兩路信號由功率合成器合并。兩路的二極管被安置為反向狀態(tài)，都會產生一階、二階、三階和其它高階分量。通過功率合成器之后，所有的偶階分量都被抵消，只剩下寄階分量，也即一階、三階、五階，其中三階交調失真對傳輸信號的影響最大。該預失真電路的特點在于能夠壓縮三階非線性失真，能夠實現預失真可調性；根據非線性傳輸系統(tǒng)產生的三階非線性大小，通過調整兩路二極管的偏置電壓或電流，改變預失真電路輸出的三階非線性分量，達到壓縮最大化。
文檔編號H04L25/49GK102368757SQ20111030962
公開日2012年3月7日 申請日期2011年10月13日 優(yōu)先權日2011年10月13日
發(fā)明者余江, 張秀普, 徐杰, 申東婭, 鄧世昆 申請人:云南大學