非線(xiàn)性失真

目錄
·非線(xiàn)性失真定義
·非線(xiàn)性失真解析
·減小非線(xiàn)性失真
·輸出電壓的最大幅度與非線(xiàn)性失真分析
·OFDM系統(tǒng)非線(xiàn)性失真自適應(yīng)補(bǔ)償技術(shù)





非線(xiàn)性失真定義
　　非線(xiàn)性失真亦稱(chēng)波形失真、非線(xiàn)性畸變，表現(xiàn)為音響系統(tǒng)輸出信號(hào)與輸入信號(hào)不成線(xiàn)性關(guān)系，由電子元器特性：曲線(xiàn)的非線(xiàn)性所引起，使輸出信號(hào)中產(chǎn)生新的諧波成分，改變了原信號(hào)頻譜，包括諧波失真、瞬態(tài)互調(diào)失真、 互調(diào)失真等，非線(xiàn)性失真不僅會(huì)破壞音質(zhì)，還有可能由于過(guò)量的高頻諧波和直流分量燒毀音箱高音揚(yáng)聲器和低音揚(yáng)聲器。
　　失真對(duì)音質(zhì)的影響極大。當(dāng)音響設(shè)備存在非線(xiàn)性失真時(shí)，會(huì)造成聲音渾濁，發(fā)毛、發(fā)沙、發(fā)破、發(fā)炸或者發(fā)硬，真實(shí)感變差。音響系統(tǒng)的非線(xiàn)性失真包括削波失真、諧波失真、互調(diào)失真以及瞬態(tài)失真等，音箱過(guò)載時(shí)，也同樣會(huì)聲音產(chǎn)生非線(xiàn)性失真。非線(xiàn)性失真存在于音響系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)中，無(wú)論采取何種技術(shù)措施，想要完全消除它是不可能的。
非線(xiàn)性失真解析
　　一個(gè)理想的放大器，其輸出信號(hào)應(yīng)當(dāng)如實(shí)的反映輸入信號(hào)，即他們盡管在幅度上不同，時(shí)間上也可能有延遲，但波形應(yīng)當(dāng)是相同的。但是，在實(shí)際放大器中，由于種種原因，輸入信號(hào)不可能與輸入信號(hào)的波形完全相同，這種現(xiàn)象叫做失真。放大器產(chǎn)生失真的原因主要有2個(gè)：
　　①放大器件的工作點(diǎn)進(jìn)入了特性曲線(xiàn)的非線(xiàn)性區(qū)，使輸入信號(hào)和輸出信號(hào)不再保持線(xiàn)性關(guān)系，這樣產(chǎn)生的失真稱(chēng)為非線(xiàn)性失真。
　�、诜糯笃鞯念l率特性不好，對(duì)輸入信號(hào)中不同頻率成分的增益不同或延時(shí)不同，這樣產(chǎn)生的失真成為線(xiàn)性失真。
　　非線(xiàn)性失真產(chǎn)生的主要原因來(lái)自?xún)蓚�(gè)方面：
　�、倬�體管等特性的非線(xiàn)性；
　�、陟o態(tài)工作等位置設(shè)置的不合適或輸入信號(hào)過(guò)大. 由于放大器件工作在非線(xiàn)性區(qū)而產(chǎn)生的非線(xiàn)性失真有4 種：飽和失真、截止失真、交越失真和不對(duì)稱(chēng)失真。
　　在共發(fā)射極放大電路中，設(shè)輸入信號(hào)V i 為正弦波，并且工作點(diǎn)選擇在輸入特性曲線(xiàn)的直線(xiàn)部分，這樣它的輸入電流ib 也將是正弦波。
　　如果由于電路元件參數(shù)選擇不當(dāng)，使靜態(tài)工作點(diǎn)( Q 點(diǎn)) 電流ICQ比較高，則對(duì)輸入電流的負(fù)半周，基極總電流iB 和集電極總電流iC 都減小，使集電極電壓V C 升高，形成輸出電壓的正半周,這個(gè)輸出電壓仍然是正弦波，沒(méi)有失真。但是在輸入電流的正半周中，當(dāng)iB 由iBQ = 30μA 增加到40μA 時(shí)，iCQ隨之由ICQ 增大到iCmax ，這樣形成的輸出電壓的負(fù)半周的底部被削，不再是正弦波，產(chǎn)生了失真。 這種由于放大器件工作到特性曲線(xiàn)的飽和區(qū)產(chǎn)生的失真，成為飽和失真。
　　相反地,如果靜態(tài)工作點(diǎn)電流ICQ 選擇的比較低，在輸入電流正半周時(shí)，輸出電壓無(wú)失真。但是，在輸入電流的負(fù)半周，晶體管將工作到截止區(qū)，從而使輸出電壓的正半周的頂部被削，產(chǎn)生了失真。這種失真是由于放大器工作到特性曲線(xiàn)的截止區(qū)產(chǎn)生的，稱(chēng)為截止失真。
　　如果所使用的放大器件是PNP 型的，則飽和失真時(shí)將出現(xiàn)削頂，而截止失真將出現(xiàn)削底。若輸入信號(hào)幅度過(guò)大，有可能同時(shí)出現(xiàn)飽和失真和截止失真。不難看出，為避免產(chǎn)生這2種失真，靜態(tài)工作點(diǎn)Q 應(yīng)位于交流負(fù)載線(xiàn)的中點(diǎn),并要求輸入信號(hào)幅度不要過(guò)大。
　　交越失真是乙類(lèi)推挽放大器所特有的失真。在推挽放大器中，由2 只晶體管分別在輸入信號(hào)的正、負(fù)半周導(dǎo)通，對(duì)正、負(fù)半周信號(hào)進(jìn)行放大。而乙類(lèi)放大器的特點(diǎn)是不給晶體管建立靜態(tài)偏置，使其導(dǎo)通的時(shí)間恰好為信號(hào)的半個(gè)周期。但是，由于晶體管的輸入特性曲線(xiàn)在V B E較小時(shí)是彎曲的，晶體管基本上不導(dǎo)通，即存在死區(qū)電壓V r。當(dāng)輸入信號(hào)電壓小于死區(qū)電壓時(shí)， 2 只晶體管基本上都不導(dǎo)通。這樣，當(dāng)輸入信號(hào)為正弦波時(shí)，輸出信號(hào)將不再是正弦波，即產(chǎn)生了失真. 這種失真是由于2 只晶體管在交替工作時(shí)“交接”不好而產(chǎn)生的,稱(chēng)為交越失真. 消除交越失真的辦法是給晶體管建立起始靜態(tài)偏置，使它的基極電壓始終不小于死區(qū)電壓。為了不使電路的效率明顯降低,起始靜態(tài)偏置電流不應(yīng)太大。 這樣就把乙類(lèi)推挽放大器變成了經(jīng)常使用的甲乙類(lèi)推挽放大器。不對(duì)稱(chēng)失真也是推挽放大器所特有的失真，它是由于推挽管特性不對(duì)稱(chēng)，而使輸入信號(hào)的正、負(fù)半周不對(duì)稱(chēng)，這種失真稱(chēng)為不對(duì)稱(chēng)失真。消除辦法是選用特性對(duì)稱(chēng)的推挽管。尤其是在O TL 與OCL 電路中，互補(bǔ)管應(yīng)選用同一種材料的，就是說(shuō)都選用鍺管，或者都選用硅管，以保證其輸入特性的對(duì)稱(chēng)。
　　當(dāng)電路有非線(xiàn)性失真時(shí)，輸入正弦信號(hào)，輸出將變成非正弦信號(hào)。而該非正弦信號(hào)是由基波和一系列諧波組成的，這就是非線(xiàn)性失真的特點(diǎn)。一個(gè)電路非線(xiàn)性失真的大小，常用非線(xiàn)性失真系數(shù)r 來(lái)衡量. r 的定義為：輸出信號(hào)中諧波電壓幅度與基波電壓幅度的百分比。 顯然r 的值越小，電路的性能也就越好。
減小非線(xiàn)性失真
　　當(dāng)放大器輸入一個(gè)正弦信號(hào)時(shí)，由于放大器本身的非線(xiàn)性以及靜態(tài)工作點(diǎn)選擇不適當(dāng)就會(huì)使輸出變?yōu)橐粋�(gè)非正弦信號(hào)，產(chǎn)生了非線(xiàn)性失真。使正負(fù)半周不對(duì)稱(chēng)。引入負(fù)反饋以后可減小放大器的非線(xiàn)性失真。
　　放大電路中，由于晶體管等器件的非線(xiàn)性，當(dāng)輸入信號(hào)幅度較大時(shí)，放大電路的輸出波形將產(chǎn)生失真。輸入信號(hào)Ui為正弦波，輸出信號(hào)Uo變成了上大下小的失真波形。
　　引人負(fù)反饋后，輸出波形有所改善，如圖中Uof所示。以電壓串聯(lián)負(fù)反饋為例，由于反饋網(wǎng)絡(luò)是線(xiàn)性網(wǎng)絡(luò)，所以，反饋電壓波形與輸出電壓波形一樣，也是上大下小。該波形與原輸入波形（正弦波）迭加，結(jié)果使凈輸入電壓波形產(chǎn)生了"預(yù)失真"即Ube變成了上小下大�！邦A(yù)失真”正好抵消了部分因晶體管特性引起的非線(xiàn)性失真，從而使輸出波形比較接近正弦波并得到改善。
　　需要指出的是，由于負(fù)反饋的引入，在減小非線(xiàn)性失真的同時(shí)，降低了輸出幅度，而且對(duì)輸入信號(hào)的固有失真，負(fù)反饋是無(wú)能為力的。
輸出電壓的最大幅度與非線(xiàn)性失真分析
　　放大電路輸出信號(hào)電壓的幅度受到飽和區(qū)和截止區(qū)的限制。在給定電路參數(shù)的條件下，輸出電壓不產(chǎn)生明顯失真時(shí)的幅值稱(chēng)為最大輸出幅度，常用峰值或峰～峰值來(lái)表示。
　　受飽和區(qū)的限制，輸出電壓的最大幅度只能達(dá)到（UCEQ -UCES），受截止區(qū)的限制，最大輸出電壓幅度只能達(dá)到IC。因此，實(shí)際能達(dá)到的輸出電壓的最大幅度只能為（UCEQ - UCES）與IC 中較小值的二倍（峰-峰值）。
　　靜態(tài)工作點(diǎn)的設(shè)置對(duì)最大輸出幅度有很大的影響。，要想獲得較大的輸出幅度，應(yīng)把Q點(diǎn)設(shè)置在交流負(fù)載線(xiàn)的中點(diǎn)附近。
　　二、放大電路中的非線(xiàn)性失真
　　晶體管工作在非線(xiàn)性區(qū)所引起的失真稱(chēng)為非線(xiàn)性失真。產(chǎn)生非線(xiàn)性失真的原因來(lái)自?xún)蓚�(gè)方面：一是晶體管特性的非線(xiàn)性；二是Q點(diǎn)設(shè)置不合適或輸入信號(hào)過(guò)大。
　　表明因Q點(diǎn)選擇的過(guò)高或過(guò)低而導(dǎo)致在輸入信號(hào)部分時(shí)間內(nèi)，晶體管進(jìn)入飽和區(qū)或截止區(qū)而產(chǎn)生的失真，分別稱(chēng)為飽和失真和截止失真。
　　為了避免瞬時(shí)工作點(diǎn)進(jìn)入截止區(qū)而引起截止失真，則應(yīng)使：
　　IC≥ICm +ICEO GS0218
　　為了避免瞬時(shí)工作點(diǎn)進(jìn)入飽和區(qū)而引起飽和失真，則應(yīng)使：
　　UCE≥Uom+ UCES GS021
OFDM系統(tǒng)非線(xiàn)性失真自適應(yīng)補(bǔ)償技術(shù)
　　摘要：提出了一種將部分傳輸序列與遞歸最小二乘法相結(jié)合的0FDM非線(xiàn)性失真自適應(yīng)補(bǔ)償技術(shù)。利用部分傳輸序列降低OFDM信號(hào)的峰均比；使用遞歸最小二乘法擬合高功率放大器的幅度／幅度和幅度，相位特性曲線(xiàn)，對(duì)0FDM信號(hào)進(jìn)行預(yù)失真處理，以補(bǔ)償系統(tǒng)的非線(xiàn)性失真。仿真結(jié)果袁明，所提出的方法收斂速度快，能對(duì)高功率放大器引入的非線(xiàn)性失真進(jìn)行有效的補(bǔ)償。
　　關(guān)鍵詞：正交頻分復(fù)用非線(xiàn)性失真部分傳輸序列遞歸最小二乘法
　　無(wú)線(xiàn)通信業(yè)務(wù)的多媒體化是其未來(lái)發(fā)展的方向之一，而多媒體業(yè)務(wù)要求有高速的數(shù)據(jù)傳輸來(lái)支撐，因此寬帶傳輸是無(wú)線(xiàn)通信發(fā)展的必然趨勢(shì)。正交頻分復(fù)用OFDM(0rthogonM Frequency Division Multiplexing)技術(shù)可以有效地對(duì)抗信號(hào)波形間干擾，具有優(yōu)異的抗噪聲性能和抗多徑衰落的能力，頻譜利用率高，適合于存在多徑傳播和多普勒頻移的無(wú)線(xiàn)移動(dòng)信道中高速傳輸數(shù)據(jù)。目前，OFDM技術(shù)憑借其固有的對(duì)抗時(shí)延擴(kuò)展的能力和較高的頻譜利用率迅速成為研究的焦點(diǎn)．成為下一代無(wú)線(xiàn)通信的核心技術(shù)。
　　眾所周知，OFDM信號(hào)具有很高的峰均功率比，對(duì)高功率放大器HPA(High Power Amplifier)的線(xiàn)性度要求很高，否則就會(huì)產(chǎn)生非線(xiàn)性失真，造成頻譜擴(kuò)展以及帶內(nèi)信號(hào)畸變，使系統(tǒng)的性能惡化，因此必須對(duì)系統(tǒng)的非線(xiàn)性失真進(jìn)行抑制。
　　本文提出了一種將部分傳輸序列PTS(Partial Transmlt Sequences)與遞歸最小二乘法RLS(Recursive Least Squares)相結(jié)合的失真補(bǔ)償技術(shù)，可以有效地減小高功率放大器的非線(xiàn)性失真。
　　1 傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
　　OFDM的基本思想是將高速率的數(shù)據(jù)流變換成多路數(shù)據(jù)子流，然后用相互正交的子載波對(duì)數(shù)據(jù)子流分別進(jìn)行調(diào)制。本文討論的發(fā)射系統(tǒng)框圖如圖l所示。由于重點(diǎn)分析OFDM信號(hào)的基帶自適應(yīng)補(bǔ)償技術(shù)，為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，系統(tǒng)省略了加入保護(hù)間隔和上變頻部分。
　　2 自適應(yīng)補(bǔ)償技術(shù)
　　2．1 部分傳輸序列
　　部分傳輸序列（PTS）先將每個(gè)OFDM符號(hào)分為V個(gè)子塊，給每個(gè)子塊乘上一個(gè)相位因子，再對(duì)X′(k)進(jìn)行IFFT運(yùn)算，得到x′(n)。相位因子bi的選取應(yīng)使x′(n)的峰均功率比最低。
　　2．2 自適應(yīng)補(bǔ)償
　　因此，幅度預(yù)失真通過(guò)對(duì)HPA的AM／AM特性曲線(xiàn)求逆實(shí)現(xiàn)，相位預(yù)失真則通過(guò)從原始信號(hào)的相位中減去HPA的AM／PM響應(yīng)實(shí)現(xiàn)。
　　3 仿真結(jié)果分析
　　考慮子載波數(shù)N=256的OFDM系統(tǒng)，子載波采用16QAM調(diào)制，PTS分塊數(shù)V=4，相鄰分割方式，采用4倍過(guò)采樣產(chǎn)生OFDM時(shí)域信號(hào)，δ=0．004，λ=l，ωA(O)=0，ωP(0)=0。在通信系統(tǒng)中，預(yù)失真性能通常與多徑衰落無(wú)關(guān)，因此假設(shè)信道為理想的加性高斯白噪聲信道，不存在符號(hào)間干擾，收發(fā)端時(shí)鐘精確同步。
　　其中，Pmax表示放大器的最大輸出功率，Po表示放大器輸出信號(hào)的平均功率。圖2給出了不同的輸出功率回退條件下，無(wú)預(yù)失真和有預(yù)失真時(shí)接收端的信號(hào)星座圖。從中可以看出，預(yù)失真可以有效地補(bǔ)償功率放大器引起的非線(xiàn)性失真(圖2(a)、(b))。同時(shí)也可看到，隨著輸出功率回退的減小，高功率放大器進(jìn)入了限幅區(qū)，這時(shí)，即使預(yù)失真也無(wú)法完全消除功率放大器引入的非線(xiàn)性失真(圖2(c)、(d))。
　　在OBO=4．5dB時(shí)，有，無(wú)預(yù)失真系統(tǒng)的誤比特率曲線(xiàn)如圖3所示。要使高功率放大器最有效地工作，需要在放大器最大輸出功率與OFDM信號(hào)最小非線(xiàn)性失真之間進(jìn)行折中，為此，定義系統(tǒng)的總退化TD(TotalDegTadation)為：
　　其中，Eb/No（HPA）表示在特定的誤碼率條件下，使用非線(xiàn)性功率放大器時(shí)所需的攝低Eb/No；Eb/No(AWGN)表示在相同的誤碼率條件下，不使用菲線(xiàn)性功率放大器對(duì)所需的最低Eb/No。系統(tǒng)總退化隨輸出功率回退的改變而改變，存在一個(gè)最小值，對(duì)應(yīng)的OBO值稱(chēng)為最優(yōu)功率回退，其值通常用來(lái)評(píng)估失真補(bǔ)償算法性能的好壞。
　　本文提出了一種將部分傳輸序列與預(yù)失真相結(jié)合來(lái)補(bǔ)償OFDM系統(tǒng)非線(xiàn)性失真的方法。首先利用部分傳輸序列對(duì)OFDM信號(hào)的峰均功率比進(jìn)行控制，降低大峰值功率出現(xiàn)的概率，然后利用RLS算法對(duì)HPA的AM/AM和AM/PM特性進(jìn)行擬合。仿真結(jié)果表明，在誤比特率為10-3時(shí)，無(wú)預(yù)失真系統(tǒng)的最優(yōu)回退為10．3dB，總退化為11．8dB，經(jīng)過(guò)前置PTS自適應(yīng)預(yù)失真后，最優(yōu)回退為4．3dB，總退化為5．2dB。最優(yōu)回退減小了6dB．總退化減小了6．6dB．驗(yàn)證了該方法能有效地補(bǔ)償高功率放大器引入的非線(xiàn)性失真。

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