百科解釋
目錄·非線性失真定義·非線性失真解析·減小非線性失真·輸出電壓的最大幅度與非線性失真分析·OFDM系統(tǒng)非線性失真自適應(yīng)補(bǔ)償技術(shù) 非線性失真定義 非線性失真亦稱波形失真、非線性畸變,表現(xiàn)為音響系統(tǒng)輸出信號(hào)與輸入信號(hào)不成線性關(guān)系,由電子元器特性:曲線的非線性所引起,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,非線性失真不僅會(huì)破壞音質(zhì),還有可能由于過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,音箱過載時(shí),也同樣會(huì)聲音產(chǎn)生非線性失真。非線性失真存在于音響系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)中,無論采取何種技術(shù)措施,想要完全消除它是不可能的。非線性失真解析 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): 、俜糯笃骷墓ぷ鼽c(diǎn)進(jìn)入了特性曲線的非線性區(qū),使輸入信號(hào)和輸出信號(hào)不再保持線性關(guān)系,這樣產(chǎn)生的失真稱為非線性失真。 、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)生的失真成為線性失真。 非線性失真產(chǎn)生的主要原因來自兩個(gè)方面: 、倬w管等特性的非線性; 、陟o態(tài)工作等位置設(shè)置的不合適或輸入信號(hào)過大. 由于放大器件工作在非線性區(qū)而產(chǎn)生的非線性失真有4 種:飽和失真、截止失真、交越失真和不對(duì)稱失真。 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的直線部分,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的截止區(qū)產(chǎn)生的,稱為截止失真。 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)載線的中點(diǎn),并要求輸入信號(hào)幅度不要過大。 交越失真是乙類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。 這樣就把乙類推挽放大器變成了經(jīng)常使用的甲乙類推挽放大器。不對(duì)稱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,而使輸入信號(hào)的正、負(fù)半周不對(duì)稱,這種失真稱為不對(duì)稱失真。消除辦法是選用特性對(duì)稱的推挽管。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,就是說都選用鍺管,或者都選用硅管,以保證其輸入特性的對(duì)稱。 當(dāng)電路有非線性失真時(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,這就是非線性失真的特點(diǎn)。一個(gè)電路非線性失真的大小,常用非線性失真系數(shù)r 來衡量. 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)生了非線性失真。使正負(fù)半周不對(duì)稱。引入負(fù)反饋以后可減小放大器的非線性失真。 放大電路中,由于晶體管等器件的非線性,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)反饋是無能為力的。輸出電壓的最大幅度與非線性失真分析 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)的幅值稱為最大輸出幅度,常用峰值或峰~峰值來表示。 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)載線的中點(diǎn)附近。 二、放大電路中的非線性失真 晶體管工作在非線性區(qū)所引起的失真稱為非線性失真。產(chǎn)生非線性失真的原因來自兩個(gè)方面:一是晶體管特性的非線性;二是Q點(diǎn)設(shè)置不合適或輸入信號(hào)過大。 表明因Q點(diǎn)選擇的過高或過低而導(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 GS021OFDM系統(tǒng)非線性失真自適應(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,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)用非線性失真部分傳輸序列遞歸最小二乘法 無線通信業(yè)務(wù)的多媒體化是其未來發(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)傳輸來支撐,因此寬帶傳輸是無線通信發(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線移動(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).成為下一代無線通信的核心技術(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)的線性度要求很高,否則就會(huì)產(chǎn)生非線性失真,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,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)失真通過對(duì)HPA的AM/AM特性曲線求逆實(shí)現(xiàn),相位預(yù)失真則通過從原始信號(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)失真也無法完全消除功率放大器引入的非線性失真(圖2(c)、(d))。 在OBO=4.5dB時(shí),有,無預(yù)失真系統(tǒng)的誤比特率曲線如圖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值稱為最優(yōu)功率回退,其值通常用來評(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)合來補(bǔ)償OFDM系統(tǒng)非線性失真的方法。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性失真。
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