1、分类号 密级 UDC 学 位 论 文WCDMA 系统中基于小波网络的数字预失真技术研究A Thesis in Communications and Information SystemResearch on Digital Predistortion Technology Based on Wavelet Network in WCDMA SystemBy Yan XingxingSupervisor: Associate Professor Sha YiNortheastern UniversityJune 2013-I-独创性声明本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得
2、的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文作者签名：日 期：学位论文版权使用授权书本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后：半年 一年 一年半 两年 学位论文作者签名： 导师签名：签字日期： 签字日期东北大
3、学硕士学位论文 摘 要-II-WCDMA 系统中基于小波网络的数字预失真技术研究摘 要在移动通信系统中，为了保证一定范围的信号覆盖，在基站和直放站中一般都要采用射频功率放大器对信号进行放大。为了保证效率，功率放大器通常工作在接近饱和点的非线性区，这会导致发射信号出现严重的非线性失真，增大系统的误码率，并对邻近信道产生干扰，降低系统性能。在 GSM 系统中采用 GMSK 这种恒包络的调制方式，信号对于功放的非线性不敏感；而在 WCDMA 系统中，为了高效的利用有限的频谱资源，采用了 QAM、QPSK 等高频谱利用率的调制方式和码分多址的传输方式，信号具有宽频带、非恒包络、高峰均比等特点，对于功放
4、的非线性非常敏感，这就对发射端射频功率放大器的线性度提出了很高的要求，因此，对于功率放大器线性化技术的研究具有重要意义。在各种功放线性化技术中，数字预失真技术具有线性度好、适用带宽宽、稳定性高以及灵活性好等优点，因而被认为是最具前景的线性化技术，该技术的基本原理是在功放前端构造一个与功放特性互逆的预失真器，以补偿由功放的非线性产生的失真，从而实现整个系统的线性化。因此预失真器可以看作是一个非线性系统，实现输入到输出的非线性映射，而小波神经网络结合了小波变换良好的时频化特性和神经网络的自学习功能，具有较强的非线性逼近能力，所以本文提出将小波神经网络用于预失真器的建模中。考虑 WCDMA 系统中的
5、功放存在记忆效应，功放当前的输出不仅取决与当前的输入，还与其历史信号状态有关，因此本文设计了时延小波网络预失真模型。另外，针对传统的 BP 算法存在容易陷入局部极小、收敛速度慢及容易产生振荡等缺点，本文采用了改进的 BP 算法对网络进行训练。为了验证本文所提出的算法的性能，本文将基于小波网络和基于 BP 网络的数字预失真算法进行了仿真对比。仿真结果表明，与无预失真的系统相比，基于小波网络的数字预失真系统邻道功率有大约 17dB 的改善；与基于 BP 网络的数字预失真系统相比，邻道功率有大约 7dB 的改善，而且基于小波网络的预失真算法的逼近精度和收敛速度更高。关键词：WCDMA；功率放大器；线
6、性化技术；数字预失真；小波网络东北大学硕士学位论文 Abstract-III-Research on Digital Predistortion Technology Based on Wavelet Network in WCDMA SystemAbstractIn the mobile communication system, in order to ensure the radio coverage, RF power amplifiers (PAs) is generally used in a base station or a reapter to enlarge the pow
7、er of the transmitted signal. Power amplifiers usually works in nonlinear area close to the saturation point, therefore the transmitted signal would be distorted severely. As a result, the bit error rate and adjacent-channel interference would increase. In GSM system, a constant envelope modulation,
8、 GMSK, is used. So the GSM signal is not sensitive to nonlinear distortion. But in WCDMA system, in order to improve the spectrum efficiency, some modulation modes, such as QAM and QPSK, and code division multiple access transmission technology are widely used, which leads to wide-band and high peak
9、-to-average power ratio (PAPR) signal. Hence the WCDMA system is sensitive to the nonelinearity of power amplifiers, and it requires highly linear RF power amplifiers in the transmitter. Consequently, the study on linearization techniques of power amplifier is of great significance.With the advantag
10、es of high linearity, suitable for wideband signals, high stability and flexibility, digital predistortion is considered as the most promising among all kinds of linearization techniques. The basic principle of predistortion technology is to construct a predistorter with inverse characteristics comp
11、ared with power amplifiers. Based on digital predistortion technology, the wavelet network(WNN)-based digital predistortion technology is mainly studied in the paper. Combining the good time-frequency localization properties of wavelet transform and the self-learning ability of artificial neural net
12、work, wavelet network has good approximation and fault-tolerant capability. We applied WNN to the modeling of predistorter. As the power amplifier in WCDMA system has memory effect, the recent output of power amplifier depends on both the recent input and the historical states of power amplifier. Th
13、erefore we designed time-delay wavelet network model to compensate the memory effect and nonlinearity of power amplifiers. As tranditional back propagation (BP) algorithm can easily get into local minimum. Besides, its convergence speed is slow and it often results in oscillating, so an improved BP
14、algorithm is used to train the network.In order to evaluate the performance of the proposed algorithm in the paper, the WNN-based digital predistortion algorithm was simulated and compared with BP neural network-based digital predistortion algorithm. The simulation results showed that compared with
15、the system without predistortion, the adjacent-channel power of the WNN-based digital predistortion system is decreased by 17dB. Compared with BP neural network-based digital 东北大学硕士学位论文 Abstract-IV-predistortion system, the adjacent-channel power is decredased by 7dB. In addition, the approximate pr
16、ecision and convergence speed of the proposed algorithm is higher. Keywords: WCDMA; power amplifier; linearization technique; digital predistortion; wavelet network东北大学硕士学位论文 目 录-V-目 录独创性声明 .I摘 要 .IIAbstract.III第 1 章 绪论 .11.1 课题研究背景与意义 .11.2 线性化技术发展及现状 .31.3 本文的研究内容及主要工作 .5第 2 章 功率放大器的非线性特性与行为模型 .62
17、.1 功率放大器的非线性特性 .62.1.1 谐波失真 .62.1.2 互调失真 .72.1.3 交调失真 .82.1.4 AM/AM 和 AM/PM 失真 .82.2 功率放大器非线性的影响 .92.2.1 带内失真 .92.2.2 带外失真 .102.3 功率放大器的记忆效应 .112.4 功放的非线性技术指标 .122.4.1 1dB 压缩点 .122.4.2 三阶互调系数和三阶截断点 .132.4.3 邻信道泄露功率比 .132.4.4 误差矢量幅度 .142.5 功率放大器的行为模型 .142.5.1 无记忆模型 .152.5.2 有记忆模型 .17第 3 章 功放的线性化技术与数字
18、预失真 .203.1 功放的线性化技术 .20东北大学硕士学位论文 目 录-VI-3.1.1 功率回退技术 .203.1.2 负反馈技术 .203.1.3 前馈技术 .223.1.4 LINC 技术 .223.1.5 预失真技术 .233.1.6 功放线性化技术的对比 .253.2 数字预失真技术 .253.2.1 自适应数字预失真技术原理 .253.2.2 预失真系统学习结构 .273.2.3 数字预失真技术分类 .28第 4 章 人工神经网络与小波分析理论 .314.1 人工神经网络 .314.1.1 人工神经网络概述 .314.1.2 人工神经元模型 .324.1.3 神经网络的拓扑结构
19、 .334.1.4 神经网络的学习 .344.1.5 BP 神经网络 .374.2 小波分析 .424.2.1 连续小波变换 .434.2.2 离散小波变换 .454.2.3 几种常用的小波 .46第 5 章 基于小波网络的数字预失真算法设计与仿真 .475.1 小波神经网络 .475.1.1 小波神经网络分类 .475.1.2 小波神经网络学习算法 .485.1.3 小波网络与 BP 网络的比较 .515.2 基于小波网络的数字预失真算法设计 .525.2.1 问题描述 .525.2.2 小波神经网络设计 .525.3 算法仿真及性能分析 .55东北大学硕士学位论文 目 录-VII-5.3.
20、1 训练样本提取 .555.3.2 仿真过程及结果分析 .58第 6 章 结论与展望 .65参考文献 .67致 谢 .70攻读硕士学位期间发表论文情况 .71东北大学硕士学位论文 第 1 章 绪论-1-第 1 章 绪论1.1 课题研究背景与意义随着信息技术的迅猛发展，人们对移动通信的要求越来越高，不断追求更高的通信质量和更丰富的通信业务，移动通信正在以前所未有的速度向前发展。从 20 世纪 80年代的第一代模拟蜂窝移动通信开始，到 90 年代中期以 GSM 和 CDMA 为代表的第二代数字移动通信，再到本世纪初的第三代（3G）移动通信系统，技术的更新换代越来越快。目前，第三代移动通信已经步入大
21、规模商用时期。在我国，3G 网络运营牌照于2009 年年初被颁发，自此，我国作为全球最大的移动通信市场，开始 3G 网络的建设和运营，3G 时代正式到来。根据工信部的统计，截止到 2012 年底，我国 3G 用户已经达到 23280.3 万户 1，3G 移动通信正在越来越广泛的影响着人们的日常生活。第三代移动通信系统 2是国际电信联盟（International Telecommunication Union，ITU）在 1985 年率先提出并负责组织研究的，采用宽带码分多址数字技术的新一代通信系统，当时称为未来公共陆地移动通信系统，简称 FPLMTS（Futuristic Public La
22、nd Mobile Telecommunication System） ，1996 年正式更名为 IMT-2000（International Mobile Telecommunication 2000） 。与第一代和第二代移动通信系统相比，第三代移动通信系统的特点 3可以概括为：1) 全球普及和全球无缝漫游。第二代移动通信系统一般为区域或国家标准，而第三代移动通信系统是一个在全球范围内覆盖和使用的系统，全球使用共同的频段和标准。2) 具有支持多媒体业务的能力，特别是支持 Internet 业务。ITU 规定的第三代移动通信无线传输技术的最低要求必须满足以下三种：A. 快速移动环境，最高速率达 144kbit/s；B. 室外到室内或步行环境，最高速率达到 384kbit/s；C. 室内环境，最高速率达到 2Mbit/s。3) 便于过渡和演进：由于第三代移动通信引入时，第二代网络已经具有相当规模，所以第三代的网络一定要能在第二代网络的基础上逐渐灵活演进而成，并应与固定网兼容，尽可能利用现有网络资源；4) 高频谱效率，高服务质量，低成本，高保密性。第三代移动通信的三种主流技术标准为：欧洲和日本的 WCDMA、美国的
