前馈系统中自适应控制部分的研究与设计

摘要

随着现代通信技术朝着高速、宽带、多载波的方向发展，现代通信技术对通信系统的非线性特性非常敏感。而功率放大器是通信系统中必不可少的部分，也是其中产生非线性失真的主要部件。在提倡“节能”、“环保”发展的社会背景下，可以说功率放大器成为实现“绿色通信”的关键。因此，开展高线性度、高效率功率放大器的研究工作具有重要的经济和社会价值。自适应前馈功率放大器具有线性度高，工作带宽大，无条件稳定和良好的噪声特性等优点，是功率放大器研究中的一个热门方向。但其仍然具有成本高、效率不理想、结构复杂等缺陷。因此，本文开展了自适应前馈功率放大器控制部分的研究工作，找到一种能够将自适应前馈功率放大器整体的成本降低、结构简化的自适应控制实现方案。
　　本文介绍了自适应前馈功率放大器中常用的三种控制策略——直接信号最小功率检测法、直接信号最小相关检测法和导频信号检测法的原理和特点。本方案中采用直接信号最小相关检测法和导频信号检测法相结合的改进控制策略，消除了单独采用直接信号最小相关检测法时，信号抵消环中α的收敛过程对误差抵消环中β的收敛过程的影响，和单独采用导频信号检测法时，在信号抵消环中导频信号通过主功率放大器会产生额外失真的缺陷。在自适应算法方面，使用具有变步长特点的自适应算法——NLMS算法明显地改善了自适应前馈功率放大器的收敛性能。通过MATLAB的仿真显示，与单独采用直接信号最小相关检测法相比，采用改进控制策略的前馈功率放大器线性度改善能力可被提高50％以上；在采用改进型控制策略的自适应前馈功率放大器中，在相同步长时，使用NLMS算法的自适应收敛性能比传统LMS算法有明显提高，其收敛速度可以加快35%左右。
　　自适应前馈功率放大器系统中的信号频率很高，带宽大，非常难检测。在本方案中，信号下变频部分参考和改进了由P. B. Kenington等人提出的方法，使下变频后的信号带宽很窄（<5KHz），频率低至KHz级别，大大降低了对采样和数字信号处理的要求。文中分析了基于该方法和NLMS算法的自适应前馈控制的原理。
　　本文采用FPGA作为自适应控制部分的数字信号处理器。待其在FPGA平台上的设计完善和成熟之后，再转化为ASIC，做成专用的自适应控制芯片。这种芯片将使自适应前馈功率放大器整体的成本、体积、结构复杂性和效率等得到明显的改善。文中详细地介绍了NLMS算法在FPGA中的实现方法；并设计出能满足自适应控制部分要求的，包含FPGA、ADC和DAC等器件的数字硬件平台；然后详细介绍了数字信号处理系统的逻辑设计和功能验证过程。

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主要符号表

第一章绪论

1.1 本课题的研究背景

1.2 本课题在国内外的研究现状

1.3 本课题研究的目的和意义

1.4 本文的主要工作和内容安排

第二章功率放大器的线性化技术分析

2.1 功率放大器的线性化技术

2.2 各种线性化技术的对比

2.3 本章小结

第三章自适应前馈功率放大器

3.1 自适应前馈功率放大器的控制实施器件

3.2 自适应前馈功率放大器的原理

3.3自适应算法在自适应前馈技术中的应用

3.4自适应前馈功率放大器的MATLAB仿真

3.5 本章小结

第四章基于FPGA的自适应控制部分实现方案分析

4.1自适应控制部分的信号检测方案

4.2 NLMS算法在FPGA中实现方案

4.3 实复信号转换方法的优化

4.4 本章小结

第五章自适应前馈功率放大器的数字控制平台设计

5.1 数字控制平台的总体方案

5.2 数字控制平台的硬件电路设计

5.3 数字控制平台的PCB设计

5.4 数字控制平台的硬件调试

5.5 本章小结

第六章基于FPGA的数字信号处理系统设计

6.1 FPGA应用开发简介

6.2 数字信号处理系统的结构

6.3 数字信号处理系统的顶层设计

6.4 本章小结

结语

致谢

参考文献

攻硕期间取得的研究成果