[碩士論文精品]射頻功率放大器數字預失真算法的研究和實現(xiàn)

東南大學顧士學位論文摘要隨著各種包絡，1I恒定的調制方式的出現(xiàn)，對功放的線性度的要求越米越高。對于射頻功率放大器，通常采用回退的方法米達到線性的要求，然而，同退方法將大大降低功放的效率。因此線性化功放成為了一個有意義的課題。而在各種線性化技術中，數字預失真技術DIGITALPREDISTORTION是最近研究的熱。吲為它一一旦實現(xiàn)，不會受溫度和環(huán)境的影響，有較好的穩(wěn)定性。而且在數字域里而也更方碰得實現(xiàn)各種算法，具有更高的靈活性。論文的研究主要集中在數字預失真技術的軟硬件實現(xiàn)。采用閉環(huán)鏈路來提取功放模型和實現(xiàn)線性化算法。整個系統(tǒng)分成射頻和基帶兩塊，本課題的研究主要是基帶板的實現(xiàn)。在DPD的具體實現(xiàn)中，我們采用了LUT查找表的結構。首先發(fā)送鋸齒波的訓練序列經過射頻和功放端后，J扎豆饋AD采樣來得到失真的反饋信號。反饋信號通過同步年U相位校正處理后，利削MATLAB提取功放的模型。根據得到的模型，求出預失真的值反饋給FPGA更新LIJT表。這樣就完成了一次預失真優(yōu)化的過程。當然這個時候還可以在次發(fā)送訓練序列米進行多次迭代訓練以便獲得更好的改善。最終洲試結果表明，這套DPD實現(xiàn)方案可行有效。對于單碼道的CDMA2000信號，ACPR改善10DB以上。對于單碼道的WCDMA信號，盡管其峰均比利對CDMA2000信號要高很多，但是近端頻譜改善仍然達到7DB以上。對于64碼道的WCDMA信號，近端頻譜改善也在6DB以上。最后，測試了2載波64碼道的WCDMA信號，在頻偏22MHZ的交調分量改善了7DB以上，同時近帶頻譜的改善也達到765DB。關鍵字數字基帶預失真，F(xiàn)PGA實現(xiàn)，LUT表東南大學顧士學位論文ABSTRACTWITHTHEEMERGENCEOFVARIOUSNONCONSTANTENVELOPEMODULATIONMETHODS，HIGH1INEARRFPOWERAMPLIFIERSAREREQUIREDINMODEMCOMMUNICATIONSYSTEMSTHEBACKOFFMETHODISUSUALLYUSEDTOOBTAINLINEARAMPLIFICATIONHOWEVER,THEBACKOFFMETHODREDUCESTHEEFFICIENCYDRAMATICALLYHENCE，THERESEARCHOFPOWERAMPLIFIERLINEARIZATIONISOFGREATIMPORTANCEFORNEXTGENERATIONWIRELESSCOMMUNICATIONSYSTEMSINDITIERENTKINDSOFLINEARIZATIONTECHNOLOGIESTHEDIGITALPREDISTORTIONMETHODISOOEOFTHEMOSTATTRACTIVEWAYSDUETOITSSTABILITY,CONVENIENCEANDFLEXIBILITYTHISTHESISCONCENTRATESONTHESOFTWAREANDHARDWAREIMPLEMENTATIONOFTHEDIGITALPREDISTORTIONMETHODTHENONLINEARMODEIOFTHEPOWERAMPLIFIERISEXTRACTEDWITHTHECLOSEDLOOPMETHODTHE1INEARIZATIONALGORITHMISCARRIEDOUTBASEDONTHEEXTRACTEDPOWERAMPLIFIERMODELTBEWHOLESYSTEMINCLUDESANRFPARTANDABASEBANDPARTTHISTHESISFOCUSESONTHEDESIGNOFTHEBASEBANDBOARDTHELUTARCHITECTUREISUSEDINTHEDPDIMPLEMENTATIONATFIRST，ATRAININGSIGNALISSENTTOTHERFPARTANDTHEFEEDBACKADGETSTHEDISTORTEDSIGNALTHENAFTERSYNCHRONIZATIONANDPHASEADJUSTMENTNEWLUTVALUESAREUPDATEDINTHERAMACCORDINGTOTHEPREDISTIONALGORITHMW油MATLABTBUSANOPTIMIZATIONJTERATIONISDONE，MOREOPTIMIZATIONITERATIONSCANBECARRIEDOUTTOOBTAINBETIERIMPROVEMENTOFLHLEARITYTHEPERFORMANCEOFTHEDPDSYSTEMISEXCELLENTACCORDINGTOTHETESTEDRESULTSFORTHEPILOTCDMA2000SIGNALMORETHAN10DBACPRIMPROVEMENTISOBTAINEDALTHOC【GHTHEPAROFTHEWCDMASIGNALISMUCHHI曲ERTHANTHATOFTHECDMA2000SIGNAL，MORETHAN7DBAND6DBIMPROVEMENTNTHENEARBANDAREOBTAINEDFORTHE1DPCHANDTHE64DPCHWCDMASIGNALRESPECTIVELYWHENTHETWOCARRIER64DPCHWCDMASIGNALISAPPLIEDONTHISDPDSYSTEM，MORETHAN7DBAND6DBIMPROVEMENTAREOBTAINEDFORTHEINTERMODULATIONANDTHEINBANDSPECTRUMKEYWORDSDIGITALBASEBANDPREDISTORTION，F(xiàn)PGAIMPLEMENTATION，LUTILL東南大學碩士學位論文東南大學學位論文獨創(chuàng)性聲明本人聲明所早交的學位論文是我個人在導師指導下進行的研究工作及取得的研究成果。盡我所知，除了文中特別加以標注和致謝的地方外，論文中不包含其他人已經發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得東南大學或其它教育機構的學位或證書而使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均已在論文中作了明確的說明并表示了謝意。研究生簽名翻凼緣ET期趣業(yè)，吵東南大學學位論文使用授權聲明東南大學、中國科學技術信息研究所、國家圖書館有權保留本人所送交學位論文的復印件和電子文檔，可以采用影印、縮印或其他復制手段保存論文。本人電子文檔的內容和紙質論文的內容相一致。除在保密期內的保密論文外，允許論文被查閱和借閱，可以公布包括刊登論文的全部或部分內容。論文的公布包括刊登授權東南大學研究生院辦理。黼妙研究生簽名叢亞超導師簽名日期C26、7，歹東南大學碩士學位論文11課題背景N1第一章序論隨著移動通信技術的發(fā)展，人們對手機的要求已經從單一的通話發(fā)展到現(xiàn)在的多媒體通信和應用。同時，伴隨著不斷激增的數據業(yè)務量的卻是EL益稀缺的頻譜資源。為了能夠在保證高速的數據傳輸的同時提高頻譜利用率，最新的移動通信系統(tǒng)大多采用了高效率的數字多階調制方案，如QPSK，QA5I，OFDM等，使用這些方案往往可以提供超過系統(tǒng)占用帶寬的數據傳輸速率，相比第二代通信系統(tǒng)使用的調制方式，無論是數據傳輸速率還是頻譜利用率，都有了極大的提高。盡管新的調制方式可以有效地緩解頻譜和高速數據傳輸之間的矛盾，但是卻對通信系統(tǒng)中的射頻處理部分提出了新的難題。由于這些數字調制方式都屬于非恒包絡調制，往往效率越高的調制方式，信號的峰均比PAR，PEAKTOAVERAGERATIO也越大。一般來說，在GSM中功放效率J,E3ME右，而CD姒中，由于采_咐了非恒定包絡的調制方式，增加了峰均比，所以功放效率只有1096左右。隨著高峰均比0FDM技術的應用，功率放人器的利用率進一步降低。高PAR意味著信號的功率波動范圍很大，這會對射頻處理部分，特別是射頻部分中的功率放大器的正常J二作產生巨大的影響。功率放大器是射頻系統(tǒng)中重要組成部分，也是實現(xiàn)難度最大，價格最昂貴的部分。功率放大器具有非常明顯的非線性特性。當輸入信號功率較大時，功放就會進入飽和區(qū)甚至截止區(qū)，產生嚴重的非線性失真。為了保證功放工作在線性區(qū)中，往往需要控制功放輸入信號的功率大小。這對于恒定包絡調制方式的信號，如GSM中使HJ的GMSK調制方式，并不是困難的事情；但對于高PAR的信號來說情況就不一樣了。功放為了能夠容納信號的高PAR，保證即使是信號的峰值功率來臨的時刻功放仍然不會進入飽和區(qū)，就必須將功放的平均輸入功率控制一個在較低的水平上，也就是通常所說的同退較多的功率。這樣做會大大降低功放的效率，而且增加了功放的成本。直接導致手機等移動設備待機時間縮短。為了緩解信號高峰均比對功放的壓力，通信界已經提出了多種方案。一種思路是從源頭入手，即直接對基帶信號進行處理，想辦法降低信號的峰均比，達到緩解功放壓力的作娟。如現(xiàn)在剛剛興起的CFRCRESTFACTORREDUCTION削波技術就是這種思想的一個代表。另一種則是從功放入手，想辦法提高功放的線性度，增大功放線性工作的范圍，以便適應高PAR的輸入信號。線性化功放是在不影響調制方式的前提下提高功放利用率的有效方法之一。常用的線性化技術有前饋法FEEDFORWARD、笛卡幾負反饋法CARTESIANFEEDBACK、功率合成法LINE和各種預失真方法PREDISTORTION等。本文主要研究數字預失真技術在功率放大器中的應用。12歷史回顧嫡1在第一代移動通信系統(tǒng)中，比如，NMTNORDICMOBILETELEPHONE或者ARPSADVANCEDMOBILEPHONESERVICE，射頻信號采用的是FM調制。由于沒有幅度不用來代表傳輸的信號，所以高效率的功放可以用在FM調制的系統(tǒng)中。即使這樣，那個時候的手機功耗仍有85花在功放上。我們知道，移動通信的可利用頻譜受到限制，所以信道的利用率直接和你的利潤相關。為了更好的利用信道，第二代移動通信技術中采用了數字傳輸和時分復用技術。這樣，多個用戶被時分在多個信道上通話。例如G馴中，8個呼叫可以在一個頻段上復用。幸運的是，GSM利用的調制技術仍保持了橫包絡調制。但是為了保證在分配的每個時隙中間功率的大小變化是平滑的，就已經對功放的線性度有了一定的要求。這也導致了功放的效率要比FM中的功放的效率有所降低。但是由于手機中的功放只有18的時候是工作的，再加上智能的待機模式。使得GSM手機的待機時間比第一代的手機有了明顯的提升。為了進一步提高比特率，GSMEDGE中使用了8PSK來代替GMSK的調制方式。但是8PSK不是一種恒東南大學碩十學位論文包羅調制方式，所以隨著無線通信系統(tǒng)向更高的信道容鏈挑戰(zhàn)，對功放的線性度也進一步提出了更高的要求。然后這也使得功放的效率卻不得不進一步下降。最后，第二代移動通信中采用的CDMA技術可以在一個無線信道中同時傳送幾十個服務。這些服務可以由他們各自互相正交的擴頻碼來分辨。第三代移動通信中，由于信號的帶寬增加到了4MLTZ以上，時域中，信號包絡的變化也更大。所以對功放來說，線性度的要求也更加高。而且往往現(xiàn)在帶寬更加寬的多載波系統(tǒng)，射頻信號的峰均比都丈人的提高，所以對于射頻端的功放的要求也更加高了。在90年代，由于實際系統(tǒng)中對功放的線性度要求不是很高，所以對線性化的研究一般都集中在傳統(tǒng)的功放模型提取上。也有少些的研究集中在前饋或者包絡預失真上。到2000年左右，隨著數字信號處理器和町編程邏輯器什速度和資源的提高，數字基帶預失真技術越來越受到人們的關注。但是由于這對功放模型的提取和算法的穩(wěn)定性有著較高的要求，因為在實際的數字系統(tǒng)中，受到速度和資源的限制，所以一般字長不可能取無限長，也不可能取到仿真中的精度，所以這里就產生了很多可供研究和提高的地方。當然如前所述，也有人采用了數字和RF結合起來做預失真的，復雜度比價高，但是效果很好。我們J的研究主要集中搭建硬件平臺實現(xiàn)數字基帶預失真。13課題工作介紹和本文安排我們的研究主要采用數字基帶預失真的方法。該方法最基本的工作為功放模型提取。當功放的模型提取出來之后，只要求其反函數。就是需要預失真的曲線了。由于功放模型通常為非線性的，所以不能用線性函數來描述。目前的做法通常有VOLTERRA級數法，多項式法，神經網絡法等等。其實，VOLTERRA級數法是一種特殊的多項式法，但是由于其可以用線性系統(tǒng)巾轉移函數的推導過程類似推導出來，而且多數用在描述帶有弱記憶性的非線性系統(tǒng)中，所以一般把他歸為一類。VOLTERRA級數早在上個世紀中期就被提出來了。然而，隨著1999年ALBERTOCARINI教授提出了V向量的概念后，VOLTERRA級數法開始被廣泛地應用到功放模型提取中，因為V向量結合VOLTERRA級數可以使得這個非線性系統(tǒng)的數學表達式成為線性表達式。也就是說，具有了線性系統(tǒng)中的時移不變得特性。所以數字信號處理中，很多經典的和現(xiàn)代的算法被應用到預失真系統(tǒng)中，實現(xiàn)自適應的數字預失真。這個研究上面已經有很多文章。都柏林大學的ANDINGZHU博士等人已經做了火量的研究。但是由于其計算復雜，硬件系統(tǒng)還沒有見到，所以也是一個可以研究的分支。多項式法其實就是用數值分析中常用的多項式擬合的思想來擬合功放的曲線。從結構上說可以比VOLTERRA級數法簡單很多，但是仍然要解多元多次方程，是硬件實現(xiàn)的首選方法。神經網絡通常用來描述一個不能確定的數學表達式來描述的系統(tǒng)。所以也很自然的被用到了功放的模型提取中。隨著增加節(jié)點數，神經網絡復雜度增加，但是曲線的逼近程度也更好，往往好于上面兩種方法，但是神經網絡的訓練過程比較長，收斂的問題也是需要重點考慮的。而且無論是計算量還是結構復雜度都不大可能用硬件實現(xiàn)。所以實用價值不大。雖然國際上也有一些研究，但是不是很多。涉及至0射頻和數字電路的設計，或者可以說是數字信號處理在射頻領域的應用。所以這是一個在某種程度上跨方向的研究，也屬于目前國際上比較熱門的研究軟件無線電的范疇。本課題主要在前人工作的基礎上，重新設計了硬件平臺和軟件算法，以求更加貼近實際應用和適用更寬的頻帶寬度和更多的功放。在理論分析和仿真的基礎上，我們選取了合適的AD，DA，F(xiàn)PGA等關鍵器件并完成了8層基帶PCB版的設計。系統(tǒng)時鐘工作在60MHZ。首先用計算機對系統(tǒng)各個模塊進行了仿真測試，然后把電路下載到FPGA，把程序加載到控制器進行調試。先用單音信號測試了硬件通路，確保其正常工作。然后再此基礎上，加上了功放非線性模型和預失真的算法。軟硬件通過測試，達到了預期的目標。全文共分為6章第一章緒論主要介紹選題的背景和涉及的主要技術和當前國內國際上的研究進度。同時對本文主要的工作也作了簡單的介紹和概括。第二章首先從理論方面討論非線性失真給通信系統(tǒng)帶來的問題。接著著重討論幾種流行的功放模型和幾種數字基帶線性化的基本原理和優(yōu)缺點。2東南大學碩士學位論文第三章主要介紹數字基帶預失真系統(tǒng)的設計。包括方案的討論以及系統(tǒng)整體仿真。第四章是本課題研究的主要部分。包括基帶板芯片的選取，原理圖和版圖設計，DPD各功能模塊的實現(xiàn)及仿真，控制器部分程序的設計。第五章給出了硬件平臺的測試結果，并解釋了得出這些結果的原因。第六章總結了課題目前為止的工作以及仍需改進的地方。3東南大學碩士學位論文第二章預失真相關理論介紹本章分為三節(jié)，主要介紹下面系統(tǒng)設計中主要涉及的理論基礎。第一節(jié)簡單介紹非線性系統(tǒng)中的一些基本概念和指標。以及非線性失真產生的原因以及危害。第二節(jié)主要介紹幾種常見的線性化技術，著重介紹了我們系統(tǒng)中將要采用的預失真技術。第三節(jié)將圍繞數字基帶預失真技術中必須采用的功放模型提取來介紹幾種常見的方法。21非線性系統(tǒng)嘲211非線性失真如果一個系統(tǒng)得輸入和輸出成線性比例，這樣的系統(tǒng)被稱為線性系統(tǒng)。輸出和輸入的比值成為系統(tǒng)得增益。系統(tǒng)增益和系統(tǒng)所加的信號幅度沒有關系。同樣，非線性系統(tǒng)的輸出是輸入的一個非線性的函數，這個時候，系統(tǒng)的增益將取決于輸入信號的大小。非線性系統(tǒng)可以用多種方法來描述。其中一種就是多項式法，這也是本文主要采用的方法。一個系統(tǒng)的輸出用一個三階的多項式可以描述成YTHXXA2X2A3X3，21式中A。到A。是實系數。第一項描述了系統(tǒng)的線性分量，第二和第二項分別描述了平方項和立方項。如果把一個單音信號代入21中，在頻域中，我們可以看到由于非線性分量產生了新的頻譜分量。VOTKY,COSAT如巧2EOSO,TK3V,3COSTOT丟島2毛K三島3COS哆FK2呼EOS2QFLK3V,COS3哆F22可見由于放大器的非線性，輸出信號中除輸入信號頻率外，還增加了新的直流分量，2。、3MJ等諧波分量。若輸入為雙音信號TOV,EOS鴨FEOSC02T，則VOTQV,COSCOLTCOSC02TK2V12COSOJTTCOSCA2T2毛K3COSQFCOSF鞏F3十KY,2置巧詈屯口COSQF毛巧詈屯巧3COS哆HKY,2COSQ一哆Y如巧2C。S魄吐VLK2VJ2EOS2C01T12巧2COS2吃23言島口COS2Q一吐V3KYJ3COS2CA2一Q弘言島口COS2COQ弘三島口COS2傷Q弦島3COS3QF丟島哆COS3吐F可以看到，雙音信號的輸出中，比單音又多了互調分量。1。2，2。12，2CA2L等。一般情況下，僅有2。1一口2，22一口1分量落在通帶內，是主要考慮的三階交調非線性失真。圖21”1表示了單音信號經過非線性系統(tǒng)后時域和頻域中的失真情況。4東南大學碩士學位論文TIME圖21單音信號經過非線性系統(tǒng)后的失真212功率放大器介紹“1功放可以分為A、B、AB，C、D、E、F等多種，按照晶體管的等效電路分，A、B、AB和C類屬于一類，它們的特點是輸入均為正弦波，晶體管都等效于一個受控電流源；O、E、F屬于另一類，它們的特點是輸入為矩形波，晶體管等效成一個受輸入信號控制的開關。按照功放的線性度來看A、B、AB類都屬于線性功放，而C、D、E、F則屬于非線性功放。常用的功放中，A類功放提供了最佳的線性度，但是效率最低，理論上最高只有500；B類功放線性度較差，效率卻能達到785；AB類功放是介于A類和B類功放之間的產物，能在提供優(yōu)于B類功放的線性度的同時，仍保持較高的效率；而C類功放相比上述幾種功放，線性度較低，但效率卻有較大的增加。實際應用中，高功率功放大多采用在效率和線性度問獲得較好平衡的AB類功放；小功率應用場合下，線性度優(yōu)異的A類功放使用較多。衡量功放的主要指標有輸出功率OUTPUTPOWER，增益GAIN，增益平坦度GAINFLATNESS，效率R1和功率附加效率PAE，工作頻率FREQUENCY，帶寬BANDWIDT”，噪聲系數NOISEFIGURE，LDB增益壓縮點1DBPOWERCOMPRESSIONPOINT，三階交調截斷點THIRDORDERINTERCEPTPOINT，鄰近信道功率比ACPR，誤差矢量幅度ERRORVECTORMAGNITUDE等。其中幾個我們感興趣的主要指標介紹如下。1、輸出功率OUTPUTPOWER和增益GAIN輸出功率表示功放輸出信號的強度。一般功放的輸出功率根據用途不同差別很大，從移動終端的0306W到基站的IOWIOOW不等。一般而言輸出功率越大，功放的設計與實現(xiàn)的難度就越大。增益定義為放大器輸出功率與輸入功率的比值，它決定了功放對于輸入信號的放大能力。一般功放管的增益范圍有從LODB到20DB不等，當功放需要的輸出增益超過這個范圍時就需要把幾個功放管連接起來，組合成多級放大網絡。增益定義如下鼢10L091024其中圪。是輸出功率，己是輸入功率2、效率EFFICIENCY，N和功率附加效率POWERADDEDEFFICIENCY，PAE功放工作的實質是將電源的直流功率轉化為交流信號功率輸出。實際工作中，只有一部分直流功率能被轉化成為有用的信號功率并為負載所獲得，其他的功率被放大器本身以及電路中的寄生元5東南大學碩1學位論文件所消耗。效率N就是用來衡量功放把電源功率轉化為輸出功率能力的指標。效率定義為消耗在負載上的功率和直流電源的功率的比值。功率附加效率PAE定義為輸出信號功率減去輸入信號功率后和直流電源功率的比值，表示了功放的純放大效率。P刁2吉25DPA占等吲1一上GAIN昂“726最負載功率，昂直流電源功率3、鄰近信道功率比ADJACENTCHANNELPOWERRATIOACPRACPR是衡餐功放線性度的重要指標，它代表了由于功放非線性化引起的輸出頻譜再生對相鄰頻帶的干擾。ACPR定義為帶內信號功率和相鄰信道功率的比值DACPR衛(wèi)27P只帶內功率，只鄰帶功率4、IDB增益壓縮點1DBPOWERCOMPRESSIONPOINTLDB增益壓縮點定義為功放實際輸出功率低丁理想輸出曲線IDB處的_丁作點。功放作為一個有源器件，其輸出信號無法隨著輸入信號的增加而無限增加，而會趨近與一個飽和值。IDB增益壓縮點常用來當做功放開始進入失真區(qū)的標志。上面幾個指標，分別代表了對于功放設計的三個要求。設計一個符合要求的功率放大器，就是要在保持一定的輸出功率和增益的前提F，盡可能地提高效率，同時不降低功放的線性度。效率決定了功放能量上的利用率，從而直接決定了功放的功耗而功耗則會對功放的供電，散熱，體積，成本等多方面產生重要影響。線性度決定了功放在頻譜資源上的利_LJ率，良好的線性度可以降低頻譜再生，減少對臨近頻段的干擾，這樣就可以在有限的頻譜內放入更多的信道，這點在頻譜資源不斷稀缺的今天意義尤其重大。同時線性度也和功放的效率息息相關。效率和線性度是功放設計中的一對最主要的矛盾，往往不可兼得，功放設計就是要在這兩者之間找到一個平衡點。22線性化常見方法璐1功率放大器線性化技術的目的是使放大器在保持輸出功率和效率達到最高的同時仍具有良好的線性特性。常用的線性化技術有前饋法FEEDFORWARD、笛卡兒負反饋法CARTESIANFEEDBACK、功率合成法LINC和各種預失真方法PREDISTORTION等。本節(jié)主要介紹目前常見的幾種線性化的手段。221前饋法前饋法是將反饋信號加在輸出端的特殊反饋方法。其原理是先獲得功放輸出信號的三階交調失真分量，然后使用此分餐的反相信號抵消功放輸出中的失真干擾，達到改善功放線性化的目的。前饋技術的優(yōu)點是線性改善度高，工作帶寬較寬，而且算法穩(wěn)定；缺點是系統(tǒng)復雜度較大，成本較高。采用前饋法線性化的系統(tǒng)如圖22所示。6東南大學碩士學位論文GAM2AO圖22前饋法222笛卡兒負反饋法笛卡兒負反饋法使用了標準的負反饋結構。基本思想是將功放輸出的非線性失真信號反饋到輸入端，與原輸入信號共同作為功放的輸入信號，以減少功放的非線性。負反饋法的優(yōu)點是結構簡單，同時互調干擾的抑制效果較好，缺點是帶寬較窄。采J【J笛卡兒負反饋法的系統(tǒng)如圖23N示圖23笛卡兒負反饋法223功率合成法功率合成法就是想辦法把輸入的基帶信號分為兩個恒定包絡的信號，每個分量都使用一個效率較高、功率較小的功放進行放大處理，然后將放大后的分量重新合成為一股信號。功率合成法要求兩個功放的工作狀態(tài)保持一致，否則就會對兩路信號放大不同的倍數，造成最終合成信號的失真，因此頻率合成法對于功放元器件的漂移非常敏感；同時，基帶信號的合理劃分也較難處理。采用功率合成法線性化的系統(tǒng)如圖24所示7東南大學碩士學位論文圖24功率合成法224預失真法預失真法就是在功放之前增加一個非線性電路用以補償功放的非線性。根據非線性電路與調制器之間位置前后的不同，預失真方法又可以分為射頻預失真RFPREDISTORTION，見圖25和基帶預失真BASEBANDPREDISTORTION，見圖26兩火類。其中RF預失真器位丁調制器之后，緊貼功放輸入端，對于信號的預失真處理在射頻頻段內進行。其優(yōu)點非線性改善效果明顯，性能穩(wěn)定；缺點是在射頻上處理，難度較大?；鶐ьA失真器則位于調制器之前，對丁信號的預失真處理在基帶頻段內進行，由于頻率較低，基帶預失真往往在數字域中進行，岡此也叫做數字基帶預失真BASEBANDDIGITALPREDISTORTION，DPD。相對于RF預失真，DPD系統(tǒng)設備復雜度較高，但是卻是在較為容易控制的數字域中進行所有的處理，可以實現(xiàn)自適應的預失真。圖27是自適應預失真的框圖。BASEBANDDATABASEBANDDATALO圖25射頻預失真LO圖26基帶預失真8東南大學碩士學位論文X圖27自適應預失真當然，最近也有很多人開始不局限于一種方法，出于各取所長的目的，他們在系統(tǒng)中使用多種方法，結合各個方法的優(yōu)點。取得了不錯的效果。比如，佐治亞理工的STEVENSONKENNY教授在他2005年發(fā)表的論文中間，同時用到了射頻包絡預失真和數字基帶預失真，而且取得了比單一方法都好的效果。DPD技術最大的特點就是把原先屬于射頻模擬領域處理的功放線性化技術，轉移到了數字域中進行處理。當然這種轉變需要付出一定的設備復雜度、信噪比和成本作為代價。就目前看情況來，DPD技術的優(yōu)點和缺點都相當突出。首先算法處理在基帶數字域中進行處理，大大降低了系統(tǒng)實現(xiàn)難度。模擬域射頻頻段內的信號處理，對于二藝和經驗的要求非常高，同時射頻器件對于環(huán)境的改變較為敏感，因此在射頻模擬域內進行精確的線性化處理，需要考慮的因素很多，實現(xiàn)難度要較大。而數字信號處理技術最大的優(yōu)點就是穩(wěn)定可靠。DPD技術將原本難以實現(xiàn)的射頻模擬域內的信號處理，轉移到了簡單、可靠、靈活的數字域中進行處理，大大降低了實現(xiàn)的難度，增加了系統(tǒng)的可靠性和可控性。其次系統(tǒng)結構與基帶輸入信號的調制方式無關，適應性強。DPD技術的關鍵是獲得功放本身的增益壓縮特性，而與送入功放的已調信號的特性關系不大。這就意味著套成熟的DPD系統(tǒng)，一經結構確定，便可以通過調節(jié)很少的幾個關鍵參數或者換一套其他的軟件算法來適應不同調制方式的輸入信號，而毋需其他硬件上的改動；而一般的射頻模擬域內的線性化處理，需要針對不同的調制信號特性進行特別的硬件處理。DPD在這方面的超強的普適能力是普通模擬線性化技術無法比擬的。第三依托于高速發(fā)展的數字技術，發(fā)展空間廣闊。DPI技術是隨著數字信號處理技術的突飛猛進而發(fā)展起來的。理論上來說，一套成熟的DPD系統(tǒng)，在不改變總體方案框架結構的情況下，僅僅通過更換使用更高性能的AD、DA轉換器、FPGA或者DSP處理器，就可以獲得更好的性能體現(xiàn)。這也是普通模擬線性化技術無法做到的。而現(xiàn)代數字技術的日新月異，也為這種性能的提升保證了充分的空問。最后符合現(xiàn)代通信發(fā)展趨勢，更容易和數字技術結合?，F(xiàn)代通信技術發(fā)展的一大趨勢，就是把越來越多的部分放到數字域中進行處理，也就是人們通常所說的把更多的內容放到DA轉換器之前進行處理。DPD作為數字技術，和目前流行的數字中頻DIGITALIF，CFRCREASTFACTORREDUCTION等技術天生就有很強的結合能力。將這些原先需要在模擬域中進行的復雜處理放到一塊統(tǒng)一的由FPGA和DSP構成的數字基帶板中，可以大大地提高系統(tǒng)的集成度，降低設備復雜度。9東南大學碩士學位論文同樣，DPD技術也有許多缺點首先系統(tǒng)帶寬有限。根據采樣定理，為了有效地采集到信號，AD轉換器的采樣頻率至少需要有被采信號帶寬的一倍。實際應用中，為了采得較準確的信號，往往需要“過采樣”，即使用被采信號帶寬10倍以上的采樣頻率，才獲得較好的效果。現(xiàn)代通信系統(tǒng)中的基帶信號帶寬有越來越寬的趨勢。如CDLIA20001X采用了125MHZ的載波帶寬，CD姒20003X利用三個125姍Z載波的合并形成375ELZ的載波帶寬。而WCDMA具有5MLLZ的載波帶寬。對于未來的多載波系統(tǒng)，帶寬可能更寬。為了能夠準確采集到基帶信號，DPD系統(tǒng)對丁二AD和9A轉換器的性能提出了很高的要求。其次實時自適應算法實現(xiàn)復雜。DPD技術的難點是實時自適應算法，這是當前DPD系統(tǒng)還不能完全實心化的關鍵。完全的實時自適應算法需要消耗人齡的運算資源和存儲，而且對于器件處理運算速度有很高的要求，目前能夠達到需要的器件往往價格較高，因此在實際應用中還很難做到。目前實際應用中可行的方案往往采用了簡化的一些處理手段。第三設備復雜度增加。DPD技術將復雜的射頻模擬域處理轉移到了數字域中，降低了線性化處理的難度，但這卻需要通過增加一塊數字處理部分來實現(xiàn)。雖然現(xiàn)代FPGA、DSP的價格不斷F降，但是相對于原先的模擬線性化技術來說還是增加了不少成本。最后會引入噪聲，降低了信號的信噪比。DPD技術的另一個問題是會抬高整個頻帶內的噪聲電平。這是目前所有DPD系統(tǒng)的通病。一般認為這是由于AD、DA轉換器的舍入誤差造成的。上抬的噪聲電平會對相鄰信道的性噪比產生消極的影響，對丁ICD姒系統(tǒng)，這會直接減少系統(tǒng)的容量。由上述可見，DPD系統(tǒng)的優(yōu)勢與缺點都很明顯，但是經過仔細分析可以看出，DPD兒乎所有的缺點都是由二數字技術的本身的不完善造成的。無論是系統(tǒng)帶寬的限制，信噤比的降低，還是對于目前的商用級數字處理元器件而言太過復雜的自適戍算法，這些問題都能夠隨著數字技術的B速發(fā)展而一一解決。我們看到幾年前還屬于天價的高端數字器件，在今天可能已經能用很低的價格購入；幾年前還遙不可及的性能指標在今天也已經成為了業(yè)界的標準配置。相對于數字技術，模擬元器件的發(fā)展速度相對而育就平緩許多了。因此盡管目前業(yè)界中的實際功放還大多采_HJ傳統(tǒng)的模擬線性化技術，但從未來的發(fā)展來看，DPD技術有著更加廣闊的發(fā)展前景。23功放模型提取由于功放模型通常為非線性的，所以不能用線性函數來描述。目前的做法通常有YOLTERRA級數法，多項式法，神經網絡法等等。其實，YOLTERRA級數法是一種特殊的多項式法，但是由于其可以用線性系統(tǒng)中轉移函數的推導過程類似推導出來，而且多數用在描述帶有弱記憶性的非線性系統(tǒng)中，所以一般把他歸為一類。VOLTERRA級數早在上個世紀中期就被提出來了。然而，隨著1999年ALBERTOCARINI教授提出了V向量的概念后，VOLTERRA級數法開始被廣泛地應用到功放模型提取中，因為V向量結合VOLTERRA級數可以使得這個非線性系統(tǒng)的數學表達式成為線性表達式。也就是說，具有了線性系統(tǒng)中的時移不變得特性。所以數字信號處理中，很多經典的和現(xiàn)代的算法被應用到預失真系統(tǒng)中，實現(xiàn)自適應的數字預失真。這個研究上面已經有很多文章。都柏林大學的ANDINGZHU博士等人已經做了大量的研究。但是由于其計算復雜，硬件系統(tǒng)還沒有見到，所以也是一個可以研究的分支。多項式法其實就是用數值分析中常用的多項式擬合的思想來擬合功放的曲線。從結構上說可以比YOLTERRA級數法簡單很多，但是仍然要解多元多次方程，是硬件實現(xiàn)的首選方法。神經網絡通常用來描述一個不能確定的數學表達式來描述的系統(tǒng)。所以也很自然的被用到了功放的模型提取中。隨著增加節(jié)點數，神經網絡復雜度增加，但是曲線的逼近程度也更好，往往好于上面兩種方法，但是神經網絡的訓練過程比較長，收斂的問題也是需要重點考慮的。而且無論是計算量還是結構復雜度都不大可能用硬件實現(xiàn)。所以實用價值不大。雖然國際上也有一些研究，但是不是很多。231多項式法假設功放的輸入和輸出可以表示為10東南大學碩士學位論文，QX呸X2A3X3A4X428為了確定該多項式，我們需要確定A到島的值。最簡單的方法就是已知R1個X和N個對應得Y這樣就得到一個N元的一次方程組。雖然有可能這個方程組沒有解，但是利用工程矩陣中的晟小二乘解的思想，我們可以得到一個最近似的解。如何知道這N個X和Y的值我們可以加訓練序列。但是有一個問題就是要同步。由于環(huán)路延時，要確定好X，Y的位置關系非常重要。最簡單的同步算法就是相關法。232VOLTERRA級數法和V向量代數隨著1999年V向量代數的概念的提出，VOLTERRA級數法受到了越來越多的關注。因為V向量代數使得VOLTERRA級數具備了時移特性。這樣就可以把非線性系統(tǒng)看成個線性系統(tǒng)。從而大大簡化運算。在離散時問域，一個三階的VOLTERRA級數可用下式表示，NNNY珂】OXM一明唾2砸櫛一KXN刀2005029NNN唾。珈一KXN1XNM】EMKOI0MO其中H1到H3表示線性部分，2次部分和3次部分的轉移函數。要確定該模型，就是要確定這些轉移函數。這里如果我們引入V向量的概念。假設?！綳咒，XN一1，XN一1】1碗弛一襻P搿專妒磚必一越十1Z滯XNI2S一魑2一缸7I由T1T一她十L融一蚴瓠、。I毋E一越十1婦一1煩氍一黝這樣我們可以將29式寫成七嵋五一LQ1吃D一W鼉力一玎“磅一XQ窆窆11東南大學碩十學位論文很明顯這是一個線性系統(tǒng)的表達式。只不過其中的X，W向量是上面給出的V向鼉，不是我們傳統(tǒng)的向量。但是這已經大大簡化了運算，而且在求系數矩陣W的時候，可以引入自適應濾波中的許多算法來自適應刷新系數。24數字預失真設計考慮由前面的討論可以看出，我們實際系統(tǒng)中采用的基帶數字預失真技術，關鍵閥題在于功放模型提取。而功放模型的提取對于訓練序列的設計又有著密切的關系。下面主要討論訓練序列的設計考慮。對于訓練序列，我們主要考慮一下幾個因素首先，頻率越接近實際信號越好；第二，反饋信號得到的點數越多越好；第三，方便同步和計算。對于頻率和點數，其實是一對矛盾。因為我們的系統(tǒng)時鐘頻率是固定的60MHZ，如果訓練序列的頻率F和反饋信號所能得劍的點數N有如一F的關系櫛60IF210點數13可以通過插值來得到更多的點，但是為了保證精度，又不能采用很少的點。另外，我們知道，頂失真其實是抵消一些高階分量來達劍提高線性度的目的，所以當我們采樣反饋序列的時候，必須保證采樣率高于信號的3階分餐的2倍以上，這樣才能正確地采樣到3階分量的失真。對于這一點，我們可以參看圖28L”】，采樣率對于系統(tǒng)得影響。圖28采樣率對于信號的影響其中，紅色的線代表預失真之前的，粉紅色代表原信號，綠色是2倍采樣率，藍色是4倍。我們看到，2倍的話只能改善非常近帶的信號，而4倍采樣，就能改善到很遠帶，對于這個問題，在第五章實際測試中，有更直觀和詳細的討論。而且由于我們發(fā)送的是正負序列，對于幅度來說，正負信號是對稱的，所以其實要浪費一半的點。經過實際測試和不斷改進，我們最終采用的訓練波形如下圖所示。12東南人學碩士學位論文圖29訓練序列采用這樣的訓練序列主要有以下幾點考慮。首先我們看到下降沿比上升沿采用的點數要少很多，因為我們實際測試反現(xiàn)，如果F降沿也采塒和上升沿一樣的點數，其實下降沿采的點和上升沿是一模一樣的，但是如果下降沿不采點，由于信號突變，會產生吉布斯效應，也就是產生一個明顯的下沖，所以最終我們采用了這樣的訓練序列。13東南大學碩士學位論文第三章系統(tǒng)設計在確定了采用DPD之后，就要開始考慮設計系統(tǒng)了。本章第一節(jié)討論系統(tǒng)方案。第二節(jié)將接著第一節(jié)給出具體的設計。31方案設計本文采用的DPD的整體框圖如圖31所示。圖31DPD系統(tǒng)框圖圖中主要包括了實現(xiàn)預失真算法的DPD模塊，用做將基帶輸入信號信號和功放輸出端反饋信號模數轉換JJ的ADCANALOGDIGITALCONVERTER模塊，用做將經DPD系統(tǒng)處理過后的預失真信號數模轉換塒的DACDIGITALANALOGCONVERTER模塊，用做I、Q調制的調制器MODULATOR模塊，用做解調反饋信號的DEMODULATOR模塊，供測試朋的功放PA模塊。DPD系統(tǒng)的工作原理類似于反饋校準系統(tǒng)理想的基帶模擬信號包含I、Q兩路正交信號經過基帶ADC轉化為數字基帶信號后送入預失真DPD模塊。DPD模塊根據存儲的預失真函數對于所有的輸入信號進行預失真處理后輸出，形成預失真信號。經過DAC后送入I，Q正交調制器中，調制到載波頻率，而后輸入測試用的PA中。功放輸出的失真信號記為PR。耦合器耦合出一小部分的功率，經過衰減器控制功率大小后送入解調器解調出I、Q兩路的基帶反饋信號。這兩路反饋信號經由反饋回路上的ADC轉換為數字反饋信號送入DPD系統(tǒng)。DPD系統(tǒng)中的預失真函數更新子模塊通過比較輸入信號和反饋信號，求出新的預失真函數，達到自適應的效果。設功放的復數增益特性是G0I，預失真器的復數增益特性是F1圪，則有GII，IIG1F1I31DPD系統(tǒng)的目的就是通過求出合適的預失真函數F，使得F和G的乘積變成一個常數，從而使得輸入信號圪和功放的輸出信號PR唧呈現(xiàn)線性關系，以達到改善功放線性的目的。圖32IN是DPD線性化方案的原理示意圖，圖中的兩條曲線分別是理想的功放輸出曲線和實際的功放輸出曲線。當功放輸入信號為圪時，由于增益壓縮失真的影響，實際的輸出功率在A點，與理14東南大學碩士學位論文想的輸出功率B點相差甚遠。為了能夠達到需要的輸出功率，需要將輸入信號放火到P0，此時功放的輸出位于C點，剛好和理想中的輸出功率一樣。由于DPD主要起了適當放大輸入信號的作用，因此DPD的修正效果受功放特性的限制。如圖所示，當輸入功率為PR唧時，對應的理想輸出功率已經達到了功放實際輸出的飽和值，也就是說比圪。輸入功率更大的輸入信號對應的理想輸出功率，是任何情況下功放都無法輸出的了。這也是DPD系統(tǒng)能夠修正的輸入信號功率的最大值。圖32數字基帶預失真系統(tǒng)線性化原理示意圖32DPD關鍵模塊設計整個DPD系統(tǒng)的主要功能模塊有，復數增益LUTCOMPLEXGAINLUT模塊，地址產生模塊ADDRESSGENERATOR，復數乘法器模塊，自適應LUT更新模塊ADAPTATIONALGORITHM，和訓練相關的訓練RAMTRAININGRAM，延時器DELAY，雙路選擇器MULTIPLEXER等。系統(tǒng)中還有一些外圍的電路，此節(jié)中為了突出功能的劃分省略不提，我們將在后面的具體實現(xiàn)中再作介紹。下面介紹一下各個主要部分的功能及原理。1、復數增益LUT表。復數增益LUT是DPD系統(tǒng)的核心部分之一，其中存放了計算好的復數增益預失真函數的離散形式。復數增益LUT根據輸入信號的幅度進行尋址，其原理基于如下一個假設，即功放的特性可近似認為只和輸入信號的功率大小有關，而與信號的相位無關，即認為同樣幅度的輸入信號，都會產生相同的失真，因此可以用輸入信號的幅度來檢索LUT表的地址。這個假設大大簡化了LUT表的結構。若按照常規(guī)的輸入信號由其幅度和相位共同決定的思路，對于由I、Q兩路構成的復數基帶數字信號，必須構建一個二維的LUT表才能檢索使用復數增益LUT則只需計算基帶信號的幅度作為檢索的地址，一維的LUT表就足夠了。當然，由于復數增益LUT中需要存儲的預失真函數為復數形式，因此每個地址項中需要能存放一對I、Q數據，因此復數增益LUT可以用兩塊共用地址線的RAM構成。LUT的項數，也就是叫T的地址位數，也是需要仔細考慮的一個問題。從實際的角度來看，不可能對于所有的輸入幅度都提供對應的地址，而只能采用類似于離散量化的辦法，把輸入信號的幅度東南大學碩十學位論文分段映射到一個個離散的地址上。這樣在一定幅度范圍內的輸入信號只對應到一個預失真項。當然，這樣的量化難免帶來誤差，LUT的項數和DPD系統(tǒng)的精度構成了一對矛盾LUT項數越多，DPD系統(tǒng)的精度也越高，但同時也會占用更多的存儲器空間，更新一遍LLRR也需要更多的時間。岡此LUT的項數不能無限增加。從一些論文資料上可以得知，有時候128項甚至64項的LUT已經可以獲得較好的性能，但是從確保精度的角度考慮，我們的系統(tǒng)中采用了725項的LUT表。2、地址產生模塊地址產生模塊是和LUT表結合使用的，作用是計算輸入信號的幅度，供LUT檢索地址用。設輸入R”的基帶數字信號為圪L，紼，則產生的幅度為4。層繇。其中對于開平方的計算，需要加以特別的處理。3、復數乘杰器模塊復數乘法器是進行預失真處理的另一個主要模塊。其功能是將輸入信號和對應的LUT表中存儲的預失真函數進行復數矢量乘法計算，輸出預失真信號。設基帶輸入信號為圪L歹絨，對應的預失真函數為屹W丘“，Q，得到的預失真信號為，則有圪凹，邸J蟬JQ。DQ。，寺J卑Q毒TIL舊J年QL吖、QMLL【，RQIQLJQLQL口IL。Q。32所以最后的預失真信號是，耐乇LW一統(tǒng)驍W；Q耐。眈口厶。甌。這樣使用四個乘法器和兩個加減器就可以實現(xiàn)復數乘法的功能。4、LUT更新模塊LUT更新模塊是實現(xiàn)DPD功能的關鍵模塊。我們的LUT更新模塊使用了一種基于求解系統(tǒng)復數增益的簡化線性收斂方法。設DPD和功放級聯(lián)系統(tǒng)的復數開環(huán)增益為H，根據定義可以得出T，日等FIFGI133YM其中是從功放輸出端耦合回來的反饋信號如前文所述，若H等于常數，整個系統(tǒng)就是一個線性系統(tǒng)，不會造成非線性失真。一般情況下，通信系統(tǒng)的發(fā)射鏈路中本身就有一定的線性增益，特別是功放器件，可以提供高達幾十DB的增益。通信系統(tǒng)的增益大小根據每個系統(tǒng)的不同有特殊的規(guī)定，而DPD預失真的加入不能改變此增益，理想狀態(tài)下，DPD系統(tǒng)對F原有的通信系統(tǒng)應該是透明的。設系統(tǒng)鏈路的理想線性增益是，則預失真算法的目的就是選取適當的預失真函數F使得系統(tǒng)開環(huán)增益滿足1R廠H筍FIE1G1I甌34為了擴大DPD系統(tǒng)的動態(tài)范圍，盡量不影響原有系統(tǒng)的增益特性；同時也為了增加計算的精度，我們在計算H的時候，預先進行歸一化處理，即將反饋信號除去這個線性增益，所以最終的開環(huán)增益計算變成了16東南大學碩士學位論文日型業(yè)塑垡吐L3。，T一IXH，GIMGLPH這個復數開環(huán)增益是剔除了系統(tǒng)線性增益的純功放增益。當輸入基帶信號較小，功放處于線性工作區(qū)時，H的值應該為LJO；隨著信號的輸入功率越來越大，功放的非線性失真逐漸明顯，增益曲線開始壓縮，H的值開始慢慢減小直到飽和。所以H的取值范圍是絕對值小于或等于L的復數。經過上述處理后的H僅僅反映了功放的失真增益特性，因此更適合計算用于次功放線性化的預失真函數值。我們選取的LUT中的預失真函數F，應該使得計算出來的H盡龜向LJO的方向靠攏。因此最簡單的實現(xiàn)辦法就是采用類似于多次迭代的方法，直接將舊的頂失真函數除以新求出來的開環(huán)增益H以得到新的預失真函數值。設上是第J次求出來的歸一化后的復數開環(huán)增益的倒數，對它進行一HI1定的收斂控制館的是不讓每次預失真函數變化過大以免不收蜘后得到玄然后將上一次的眥中的預失真函數知乘以專便得到了新的預失真函數O它們的關系式如下2每CSE，這樣通過多次迭代的方法，可以使預失真函數逐漸逼近理想的功放失真函數的反函數，從而達到線性度改善的效果。5、訓練R刪訓練RAM中存放著用于產生訓練序列的數據，它和LUT更新模塊一起工作。我們的DPD算法核心在于開環(huán)增益H的獲得，而H是通過比較輸入信號和反饋信號得到的。傳統(tǒng)的全實時自適應算法中，需要輸入的基帶信號和對應的反饋信號直接進行比較處理，在比較之前都需要進行數據同步處理。這一步一般通過將輸入的基帶信號和一定時間內的反饋信號都存儲在存儲器中，然后對它們進行基于信號相關性的同步計算來實現(xiàn)。同步算法往往采用卷積相乘實現(xiàn)，需要占用大量的運算資源。同時，同步算法與基帶信號的制式及相關性有關，適用于一種基帶信號的同步算法一般無法直接應用到另一種信號上。這就使DPD系統(tǒng)與輸入信號調制方式無關的優(yōu)勢打了折扣。其次，同步運算需要存儲的數據量由系統(tǒng)的延時決定，對于DPD這