基于Saleh模型的功率放大器数字预失真仿真

资 源 简 介

该程序完整展示了利用Saleh模型进行功率放大器（PA）预失真处理的全过程，旨在解决射频通信中功率放大器工作在非线性区时导致的信号畸变问题。项目通过MATLAB实现了Saleh模型的数学建模，精确模拟了高功率放大器常见的幅度到幅度（AM-AM）和幅度到相位（AM-PM）的非线性失真特性。其核心逻辑是构建一个与功率放大器特性互补的数字预失真器（Predistorter），在信号进入放大器之前对其进行逆向补偿，从而使整个级联系统的总传递函数近似为线性。

详 情 说 明

基于Saleh模型的功率放大器数字预失真仿真项目

项目介绍

本项目是一个基于MATLAB开发的功率放大器（PA）数字预失真（DPD）仿真平台。项目采用通信领域经典且具有代表性的Saleh模型来模拟高功率放大器的非线性特性。通过构建一个能够逆转放大器非线性影响的预失真模块，本项目实现了对信号在经过放大器之前的提前补偿，从而有效抑制频谱展宽、降低误差向量幅度（EVM），并恢复调制信号的星座图质量。该仿真完整覆盖了从信号源产生、脉冲成型、非线性建模到预失真补偿及结果评估的全流程。

功能特性

• 标准调制支持：采用16-QAM调制体制，确保仿真具备实际通信系统的代表性。
• 脉冲成型与过采样：内置根升余弦（RRC）滤波器进行脉冲成型，支持8倍过采样，能够清晰观察非线性导致的频谱再生（Spectral Regrowth）现象。
• Saleh模型建模：精确实现了Saleh模型的数学表达式，包含AM-AM（幅度到幅度）和AM-PM（幅度到相位）两种非线性畸变。
• 高精度逆映射DPD：利用数值反演方法构建查找表（LUT），针对放大器饱和点以下的区域进行精确的幅度补偿和相位反转补偿。
• 全方位指标对比：提供无预失真和有预失真两种场景的直接对比，包括AM-AM/AM-PM曲线、功率谱密度（PSD）、星座图分布以及具体的EVM数值。

系统要求

• 软件环境：MATLAB R2020b 或更高版本。
• 所需工具箱：Signal Processing Toolbox（信号处理工具箱）、Communications Toolbox（通信工具箱）。

运行说明

1. 启动MATLAB并进入项目所在文件夹。
2. 直接运行仿真脚本，程序将自动执行所有仿真步骤。
3. 仿真完成后，控制台将输出两种系统的EVM百分比对比。
4. 程序会弹出可视化窗口，展示四维度的性能对比图。

实现逻辑与功能细节

#### 1. 信号合成与处理 流程首先生成随机比特流并进行16-QAM单位功率能量归一化映射。随后，信号通过根升余弦（RRC）滤波器进行上采样和脉冲成型，以模拟基带信号的物理波形。最后，对信号幅度进行归一化，使其处于Saleh模型的有效工作区间内。

#### 2. Saleh功率放大器建模 程序通过函数句柄定义了Saleh模型的数学公式：

• AM-AM响应：使用公式 $f(r) = frac{alpha_a r}{1 + beta_a r^2}$ 描述输出幅度与输入幅度的关系。
• AM-PM响应：使用公式 $phi(r) = frac{alpha_p r^2}{1 + beta_p r^2}$ 描述附加相位偏移。

预设参数采用业界经验值（如 $beta_a = 1.1517$ 等），能真实反映PA在趋近饱和时的压缩特性。

#### 3. 预失真器（DPD）设计逻辑 预失真器的核心是实现PA特性的“逆”。

• 幅度补偿：程序首先计算PA的饱和点（近似于 $1/sqrt{beta_a}$），在此范围内建立输入与输出幅度的映射关系。通过 interp1 线性插值法构建查找表，当输入信号通过时，根据其当前幅度查表获取一个“预扩张”的幅度，以此抵消PA后续的“增益压缩”。
• 相位补偿：程序预测信号在经过预失真幅度补偿后进入PA将产生的相位偏移量，并提前在原始信号相位中减去该预测值。

#### 4. 关键算法与性能评估

• apply_dpd 函数：这是预失真的执行核心，它对输入复信号进行极坐标分解，分别对模值进行插值补偿，对相位进行反向偏置，最后重组为复信号。
• EVM 计算：信号通过PA后，程序执行匹配滤波（RRC下采样）并进行时延对齐与幅度增益归一化，通过计算接收符号与理想符号之间的均方误差根来衡量失真程度。
• 可视化分析：

- AM-AM/AM-PM曲线：直观展示DPD如何将弯曲的PA响应拉直。 - 功率谱密度：展示DPD在抑制带外泄漏（邻道干扰）方面的作用。 - 星座图：可视化展示非线性引起的散点弥散以及预失真后的聚拢效果。

总结

本程序的逻辑严密，通过数学插值与相位合成技术，在Saleh模型的基础上构建了高效的数字预失真系统，为研究射频非线性补偿提供了可靠的仿真基准。