[硕士论文精品]线性功放的数字基带预失真器

摘譬线性功放的数字基带预失真器硕士生王晶琦指导教师朱晓维教授，蒋伟讲师摘要随着无线通信技术的飞速发展，移动用户数量急剧增长，通信频段变得越来越拥挤。为在有限的频谱范围内容纳更多的信道，普遍采用QPSK、QAM等高频谱利用率的调制方式。这些方式不可避免地使信号包络抖动产生非恒定包络调制信号，这对于系统的末级功放提出了很高的线性要求。当前流行的功放线性化技术中，数字预失真技术因其适应性强、动态范围广、频带宽等特点而备受瞩目。本文主要研究可以适用于射频功放线性化的数字基带预失真器，采用基于LUT的数字预失真技术，完成了整个预失真器的设计、仿真、硬件实现和性能测试。本文首先论证了基于LUT数字预失真技术的优点和算法可行性；然后利用ADS软件对整个预失真器进行硬件仿真，双音信号和WCDMA信号仿真结果良好；接着给出了该预失真器的具体硬件电路框架，对电路中的重要芯片进行了介绍；最后，对设计完成的预失真器进行了功能实测。测试中，选用了8W的砷化镓场效应功率放大器，观察预失真器对其线性化效果。测试内容包括预失真前后的功放输出信号信号频谱及ACPR值比较，其中，ACPR的测试使用了CDMA2000和自定义两种模式。测试过程中还使用两种不同峰均比的信号源分别进行激励，通过比较来分析信号峰均比对线性功放效率的影响。经过测试比较，结果表明该预失真器达到了预定的设计要求，功放输出信号的频谱形状有较大改善，ACPR值改善幅度最大达到8DB。【关键词】数字基带预失真LUT功率放大器线性化峰均比ADIGITALBASEBANDPREDISTORTERFORLINEARIZINGPOWERAMPLIFIERMSEECANDIDATEWANGJINGQSUPERVISORPROFZHUXIAOWEI，INSTRUCTORJIANGWEABSTRACTINORDERTOSATISFYTHEGROWINGBANDWIDTHREQUIREMENT，THELINEARMODULATIONMETHODSQPSKANDQAMETA1AREWIDELYUSEDINRECENTWIRELESSSYSTEMSUNFORTUNATELY,SUCHMODULATIONSRESULTINLARGENONCONSTANTENVELOPEHIGHPEAKTOAVERAGERATIO,WHICHMAKINGTHESYSTEMSENSITIVETONONLINEARITYOFTHEPOWERAMPLIFIERPAONEOFTHEKEYWAYSTORELAXTHELINEANTYREQUIREMENTSOFPAISTOUSETHEDIGITALPREDISTORTIONPDTECHNIQUECOMPAREDWITHSEVERALEXISTINGLINEARIZATIONMETHODS，SUCHASBACKOFFANDFEEDFORWARD，WHICHIMPROVETHEPALINEAFITYATTHECOSTOFTHEPOWEREFFICIENCY,THEDIGITALPDTECHNIQUEHASGAINEDMOREARENTIONSDUETOTHEIMPROVEMENTOFEFFICIENCYANDTHESIMPLICITYOFDIGITALIMPLEMENTATIONSINTHISPAPER,ADIGITALPREDISTORTIONUNITISPRESENTEDTOLINEARIZETHERFPOWERAMPLIFIERSPERFORMANCETHESIMULATIONOFWCDMAIXMODULATEDSIGNALBASEDONADSWASPERFORMEDTOINVESTIGATETHEEFFECTOFDIGITALPREDISTORTIONFINALLY,THEMEASUREMENTRESULTSSHOWTHEEXCELLENTPERFORMANCEOFTHISUNIT，SUCHASTHEACPRIMPROVEMENTIS8DBFORPSEUDONOISEEVIDENTLY,THISIMPROVEDTRANSMITTERCONTAINSWONDERFULPOSSIBILITIESANDMIGHTBEAGOODCANDIDATEFORWCDMAANDCDMA2000BASESTATIONSKEYWORDSLDIGITALPREDISTORTION，LUT，POWERAMPLIFIER，LINEARIZATION，CCDF东南大学学位论文独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。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了谢意。研究生签名土遣日期Z缸D以东南大学学位论文使用授权声明东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布包括刊登论文的全部或部分内容。论文的公布包括刊登授权东南大学研究生院办理。研究生签名主是盎导师签名日期姗S，1J了址孥第章绪论11课题背景第一章绪论弟一早珀下匕近年来，无线移动通信技术在世界范围内飞速发展，全球移动用户数急剧增长，已经超过了固定用户数。而通信业务也由最初的单一通话业务推广到现在3G的多媒体等服务，除了多媒体业务，未来移动通信还要实现两个重要方面，即提供无所不在的服务和全球性的服务。为了能向高速和低速移动用户提供话音、数据、会议电视及多媒体等多种服务，3G系统必须拥有更大的容量，更好的通信质量和更高的频带利用率，这就对硬件电路系统提出了更高的要求，尤其是发射子系统的功放单元。通信容量和传输速率的不断增大，直接导致通信频段变得越来越拥挤。为在有限的频谱范围内容纳更多的通信信道，要求在技术上采用频谱利用率高的调制方式，例如QPSK、QAM。这些调制方式不可避免的会产生包络波动产生非恒定包络调制信号。对于末级放大器就有了更高的线性要求，以避免对L临近信道的干扰，保证调制的窄带的特性。而对于将来具有更大发展潜力的，适用于无线高速传输以及良好抗多径衰落特性的OFDM多载波系统而言，由于其本身具有较高的PAPRPEAKTOAVERAGEPOWERRATIO，就对宽带通信系统的线性度提出了更高的要求“1。如何提高系统的线性度是宽带系统期待解决的一个共同问题。为了解决线性度的问题，可以采用三种方法一种方法是选择合适的超线性半导体器件，设计出符合性能要求的宽带发信机。不过这种办法花费巨大，且技术难度很高；第二种方法是将整个发射通道进行功率回退使发射通道工作在线性区，这种方法大大降低了系统的工作效率；第三种方法是采用线性化技术，即采用适当的外围电路，对发信通道的非线性特性进行校正，从而在电路整体上呈现对输入信号的线性放大效果。这种方法避开了难度很大的器件制造技术，采用成本相对较低的器件，不仅形式多样，而且器件的选择也较灵活，因此，在目前看来是最适合的方法。在当今射频发射机的设计中，功率放大器特别是末级功放的线性度是影响整个系统线性度的关键问题。功放线性不佳的直接后果就是产生各种非线性失真，造成信号带内和邻道干扰。随着现代大容量数字通信技术的迅速发展，对系统的性能，特别是功放线性度的要求亦越来越高。在这种情况下，各种功放线性化技术便应运而生了。12功放线性化技术绍。当前流行的线性化技术有功率回退，反馈，前馈，预失真等技术，下面对这些技术进行简单介东有大学硕上学位企上121功率回退BACKOFF由于姒的射频信号为非恒定包络，因此不同于恒定包络信号，射频功放不能被推到压缩状态，而必须采用功率回退的方法使功放工作于线性状态。其原理为选用功率较大的管子作为小功率管使用，实际上是以牺牲功放效率来提高功放线性度。功率回退法简单且易实现，不需要增加任何附加设各，是改善放大器线性度行之有效的方法，缺点是功率放大器的效率大为降低。另外，当功率回退到一定程度，即当IM3三阶交调系数达到40DBC以下时，继续回退将不再改善放大器的线性度。因此，在线性度要求很高的场合，仅靠功率回退是不够的。122负反馈O帕GATIVEFEEDBACK“M1负反馈是将功率放大器输出的非线性失真信号反馈到输入端，与原输入信号共同作为功率放大器的输入信号，以减少功率放大器的非线性。图I1是负反馈法的原理图；图11负反馈原理图PA是功率放大器，B是反馈网络，在L端输入微波信号，2端输出含有三阶交调分量，该输出信号通过耦合器是一部分信号进入反馈网络B，通过反馈网络时使信号倒相，再经过耦合器输入功率放大器，最后，在功率放大器输出端口输出的基波信号虽比没有反馈网络时有所损失，但三阶交调分量得到了明显的抑制。123前馈FEEDFORWARD“1应该说，前馈技术起源于反馈，它与反馈的不同在于信号由输入耦合加于输出。在概念上，前馈完全同于反馈。如图12由主放大器，耦合器，衰减器1，合成器，延时线1，功分器组成环路1，其作用是抵消放大器的主载频信号；由耦合器L，延时线2，耦合器2。衰减器2，辅助放大器，合成器，衰减器1组成环路2，其作用是抵消放大器非线性产生的交调分量，改善功放的线性度。射频信号输入后，经功分器分成两路。一路进入主功率放大器，由于其非线性失真，输出端除了有需要放大的主频信号外，还有三阶交调干扰。从主功放的输出中耦合一部分信号经衰减器1调节幅度，并与另一路经过延时线1延时的输入信号在合成器中叠加，使主频信号完全抵消，只剩下反楣的三阶交调分量。三阶交调分量经辅助放大器放大后与经延时线2延时的主功率信号在耦合器2第一章耆论2中叠加，抵消主功放的三阶交调干扰，从而得到线性的放大信号。图12前馈线性化技术原理图124预失真PREDISTORTION预失真技术，顾名思义，就是在功率放大器前增加一个非线性电路，使信号通过放大器前已经失真。预失真技术的框图如图13所示，输入信号通过预失真器，经过预失真校正成为预失真信号后，进入功放，输出线性度更好的信号。理想情况下，预失真器将提供一个与功放相反的非线性特性幅度相等，相位相反，用于抵消放大器的非线性，使得最终的功放输出呈线性，如图14。图13预失真线性化电路框图丝匕一匕预失翼器增益功放本身增益功放最终输出图14预失真器基本原理预失真技术根据预失真对象信号可以分为射频预失真州、中频预失真和基带预失真“O“1。射频预失真的调整相应的在射频上完成。预失真器的2个复数增益调整器分别按工作函数的输出调整幅度和相位。输入信号的包络作为工作函数的输入量，反馈通路用边带带通滤波器对需要抑制的频谱邻道频率取样，并借助DSP调整工作函数的输出参数使不需要的信号最小。中频预失真的调整是在中频上实现的，基带信号在中频上完成调制，经上变频输出已调射频信号，将已调中频信号的包络作为工作函数表的输入量和功放输出信号的参考标准。耦合器对功放输出取样，经带通滤波器得到需要抑制的边带信号邻道干扰，检波输出与未失真的参考标准比较得东南天堂颂E学位论Z到失真量。这种方法可以同时补偿上变频器引入的非线性。基带预失真的调整是在基带上实现的，它是利用复数增益调整器来调整输入信号的幅度和相位，其调整量由工作函数表中功放的AIL一心和埘一PM非线性控制。这个工作函数表的输入量是经过非线性控制。这个工作函数表的输入量是经过时延的输入信号，输出量是输出信号减去输入信号即失真量。自适应的过程就是借助DSP或FPGA不断调整工作函数表中的值使失真量最小。射频预失真与中频预失真一般采用模拟电路来实现，具有电路结构简单、成本低、易于高频、宽带应用等优点，但是频谱再生分量改善较少、高阶频谱分量抵消较困难。数字基带预失真的基本框架如图15所示。图中己调射频信号均以其基带复包络的形式表示，虚线框内的信号变换过程全部在数字域内由数字信号处理器软件完成。图15基带数字预失真技术框图125各种线性化技术比较功率回退简单易行，不需要增加任何设备，只需要把功率放大器的输入功率从IDB压缩点向后回退凡个分贝，工作在远小于IDB压缩点的电平上，使功率放大器脱离饱和区，所以功率回退法在目前仍然是种行之有效的办法。缺点也很明显，功率放大器的功率利用率大为降低。另外，当IM3达到一40DBC以下时，继续回退将不再改善放大器的线性度。因此，在线性度要求很高的场合，仅仅靠功率回退还不够，必须将功率回退法和其他线性化措施结合在一起使用。前馈技术既提供了较高校准精度的优点，又没有不稳定和带宽受限的缺点。当然，这些优点是用价格换来的，由于输出校准时，功率电平较大，校准信号需放大到较高的功率电平。这就需要额外的辅助放大器，而且要求这个辅助放大器本身的预失真特性应处在前馈系统的指标之上。但校准环中添加一个辅助功率放大器，因而总效率有所降低。前馈功放的抵消要求是很高的，需要获得幅度，相位和时延的匹配，如果出现功率变化，温度变化及器件老化等均会造成抵消失灵，为此，需在系统中考虑自适应抵消技术，使得抵消能够跟得上内外环境的变化。负反馈技术需要特别的处理时廷和所需的带宽，这种技术使得放大器带宽变窄，不适合宽频带放大。射频预失真技术具有电平效率高，成本低等优点。是目前较有发展前途的一种方法。不过，这种方法仍然需要使用射频非线性有源器件，控制和调整复杂，且频谱再生分量改善较少、高阶频谱分量抵消较困难。基带预失真技术不涉及难度大的射频信号处理，只是在低频部分对基带信号进行处理。采用基4第一章绪论带数字预失真，适应性较强，可使放大器得到宽的频带范围和宽的动态范围，特别是随着DSP数字信号处理技术的快速发展，发展基带预失真技术将具有相当重要的意义。13论文内容安排综上所述，基带数字预失真技术是一种极有发展前途的功放线性化技术，为了迎接即将到来的3G系统，对该技术进行深入研究是十分必要的。本课题所作的工作，就是对基于LUT的数字预失真技术进行了较为深入的研究，基于这种技术，构建了一个适用于通信系统发射单元功率放大器的数字基带预失真器，对该预失真器进行了ADS仿真，选用预失真芯片、FPGA、CPLD、MCU等可擦写器件对其进行硬件实现，并最终对其进行了系统性能测试。测试结果表明这一预失真器达到了预定设计目标，可明显优化功放输出信号的频谱形状，输出信号的ACPR值有极大的改善，改善幅度最大可达8DB，该预失真器具有极高的实用及实验价值。本文将按照系统设计基础知识、方案论证和仿真、硬件实现和验证测试的顺序，力求完整清晰地叙述本课题完成的工作。全文分为五章第一章绪论。介绍课题背景，简单介绍并比较了目前流行的几种功放线性化技术。第二章功放非线性分析。简要分析了功放的非线性，用频谱图形象地描述了特性，并从频谱角度解释了预失真技术的原理，介绍了一些功放非线性分析相关参数。第三章原理及算法。详细介绍了基于LUT的数字预失真技术，并对其自适应算法进行了说明。第四章系统仿真与硬件实现。对预失真器进行了ADS仿真，用仿真结果来指导具体硬件电路的实现。简单介绍了硬件实现的系统框图。对其中的预失真、MCU等部分进行了单独介绍，并简单描述了系统时钟。第五章系统实测结果。对预失真处理前后的功放输出信号进行测试，详细给出了信号CCDF，频谱、ACPR等相关指标的测试结果，并对测试结果进行了详细分析。5东两人学顺R学位记，第二章功率放大器的非线性分析21幂级数分析设有一非线性功率放大器，其输出电压VOT是输入电压VIT的函数V0，厂VLF21展开成幂级数形式VO岛ER也TF岛口R22当输入信号是单一频率的信号，VTCOSW,T，则VOR毛巧COSW,TK2V,2COS2WF岛3COS3HR丢如2畸巧吾毛哆C。SRL。K2V2COS2WTL。K3V3C。S3，23由3可以看出，由于放大器的非线性，输出信号中除了输入信号频率外，还出现了新的直流分量，2W,3W,等谐波分量。现在假设是双音信号输入，即VTCOSWLTCOSWZT，则KO毛COSWIRCOSMR也2COSWITCOSW22岛3COSWILCOSW2T3岛2岛罢岛巧3C。SWLR毛K三岛3C。SR如巧2C。SWLW2R屯2COSW。W2F三岛2C。S2WL，圭红2C。S2心R34毛VCOS2WLW2F吾岛口C。S2一W1，三岛2C。S2WLW2R三岛2C。S2W2W1，十14岛VCOS3WLFLKYCOS3W24咔FII躞A赋爵嚣譬图21双音信号非线性分析由4式可以看出，双音输入时输出端口的成分由直流，基频，二次和三次谐波2WI，2W2，3WL及3W2，两阶交调分量WT，三阶交调分量2WLW2，2MWL等分量组成。一般情况下，交调分量中的偶次分量由于离基波较远，可用滤波器滤除，其影响可以忽略不计。交调分6第二章曲串疲大器的非线性分析量中的奇次分量的危害较大，特别是其中的三阶交调分量，即频率为2WLW2，2W2一WF的分量。因为其幅度最大，离主信号最近，且落在通带内，无法用滤波器滤除，因此危害最大，是主要考虑的非线性产物。如图21所示22频谱分析3频谱图可以更为形象地表现功放非线性对信号的影响。如图22所示，单音信号通过理想功放增益为恒定值后，只在载波频率处有输出，没有任何失真。L图22单音信号通过理想功放而单音信号通过非线性功放后，产生了直流分量，二次、三次谐波分量，载波处的输出信号幅度也受到了影响，如图23所示。图23单音信号通过非理想功放将渡分缝图24描述了双音信号通过非线性功放前后的频谱变化。此时的输出，不仅含有直流，基波与谐波分量，还出现了很多交调分量。由图中可以看出，三阶和五阶交调分量与基波频率相近，较难滤除。TMD，和IMDS用来表示三阶与五阶交调分量大小与基波分量大小的差异，单位为DBC。7东南，望硕学位论盏旨参图24双音信号通过非理想功放调制信号通过非线性功放的频谱如图25所示，此处调制信号假设为带宽5MHZ的WCDMA信号。由图中可以看出，WCDTA信号通过功放后产生了严重失真，不仅对带内信号产生影响，带外还多出了5MHZ宽的邻道干扰，使得相应接收机的滤波、解调等操作难度大大增加。|IR盘OR掰4“一PLF蔷稍秘冉瞒舻扣轴图25调制信号通过非理想功放以上是反映功率放大器非线性的AMAIL变换分析。除此之外，AILPIL变换也是一种非线性现象，即由输入信号幅度变化而引起输出信号的相位变化。如果这种现象出现在相位调制系统中，将使信号发生严重的畸变。A5IAII和AMPM模型构成了分析功率放大器非线性特性的经典模型，但仅适用于无记忆系统，即非线性特性仅与当前输入信号的幅度有关。23预失真技术频谱分析采用预失真线性化技术时，为了抵消功放的非线性特性，功放前的预失真器也需要表现出相应的非线性特性，以双音信号为例，通过预失真线性化电路时的频谱变化如图26所示，为表示出相位变化，图中频谱都以矢量形式给出。输入频率为FT和FZ的双音信号，通过预失真器后产生所需的预失真分量，如图所示。预失真器产生了与功放失真相位相反的三阶分量2TIF2，2F2FO与五阶分量3FI2F2，3F22FI，这些预失真分量通过菲线性功放之后将得到一定的放大，用于抵渭功放自身产生的三阶、五阶交调分量。当交调分量与这些预失真分量幅度相等，相位相反时，交调分量将被完全抵消。8第一荦功睾放人糟的非线性卜析26预失真线性化电路频谱变化圈预失真器所产生的三阶、五阶预失真分量，与功放产生的三阶、五阶交调分量相比，相位相反，幅度并不相等。为了尽可能彻底的抵消交调分量，在计算预失真器输出的奇数阶分量的幅度时，必须考虑的因素除了功放的增益，还有预失真分量通过非线性功放后产生的新的交调分量。想要完全抵消所有奇数阶的交调分量是十分困难的，一般而言，尽可能多地抵消三阶交调分量，该分量的危害最大。24非线性分析的几个基本参数1IDB压缩点当输入功率有限时，放大器输出功率随着输入功率的增加而线性增长，当输入增大到一定程度后，输出功率增加速度变慢，不再呈线性增长。由下图27可知，IDB压缩点就是输出功率电平偏离线性变化功率值IDB处的交点，此时的输入功率为PI1DB，输出为POIDB，显然IDB压缩点反映了放大器的非线性失真程度。图27LDB压缩点2三阶交调阻断点通常交调功率随输入信号功率的立方而变化，即输入功率每增加IDB，交调失真功率就要增加3DB，如图28所示，随输入按31的速率上升。当交调输出功率电平与输入功率电平相等时，通信机就无法正常通信，该交叉点就被称为三阶交调阻断点，此时对应的输入功率用IP3DBM表示。9东南、学顽学位论上IP3PL图28三阶交调阻断点海I，3邻道功率比ACPRACPRADJACENTCHANNELPOWERRATIO是相邻信道平均功率或指定的频偏与发射信道平均功率之比。这个指标主要考察了发射机信号对相邻信道的干扰。利用AC豫可以快速、有效的观察出系统对带外信号发射的抑制能力。ACPR指标也在一定程度上反映了系统的线性度。ACPR与所采用的CDMA信号码道配置有关的，这是因为不同的信号码道配置，信号的峰均功率比往往不同。图29邻道功率比ACPR一般具有更高的峰均功率比的信号更加容易受到系统中非线性器件典型的如放大器的非线性影响，峰值被压缩，从而使ACPR的值变差。10第三章基于LUT的数字预失真技禾第三章基于LUT的数字预失真技术31数字预失真技术数字预失真的基本原理如图31所示，预失真函数F和G都是输入信号VI的幅度函数。实现预失真函数F的电路被称为预失真器。在数字预失真技术中，预失真器由数字电路组成。显然，当GIVPI虾IVIIK时K为恒定常数，预失真器和功放串联可以得到预期的线性增益。POUTPOUT2POUTL图31数字预失真基本原理PINLPIN3PIN2PIN圉32预失真器工作原理示意图如图32所示，曲线1为放大器特性曲线，可以看出在输入功率接近饱和区时，输入输出功率不再呈线性化。曲线2为我们假定的线性化曲线。假设输入信号为PINL，如图，若要使整个传输通道特性保持线性，即输入输出特性曲线为曲线2。则应当事先根据曲线2和PINL的值得到POUTL，再将POUTL的值代入功放特性曲线1得到PIN2，这样当功放输入功率为PINL末南丈幸硕上学位论正时，我们可以将其修正为PIN2输入功放，使得功放的输出功率为POUTL，功放响应可以呈现出严格的线性关系。由G1VPI卵IVIIK可知，在输入功率为PINL的点上，预失真函数F|PINLL应该等于IPIN2PINLI。由图32也可以看出，预失真器也是有一定的工作范围的，如输入信号为PIN3，则根据曲线2可得到POUT2，但POU2已经超过了功放的最大输出功率，无论怎么增大PIN，都不可能得到POUT2输出。因此，预失真器有一定的工作范围限制，只可能修正在功放最大输出功率以内的信号。32基于LUT的数字预失真技术“州“”各种基带数字预失真技术中，目前较为流行的方法是基于查找表LUT法，它具有结构简单处理速度快，实时性好等优点。321基本结构基于LUT的数字预失真方法是将预失真特性预先存储在一个LUT中，利用基带输入信号幅度作为LUT指针，根据每一个输入信号的幅度，从LUT中提取出相应的合适表值，用于控制输入信号的幅度和相位，对输入信号进行预失真。图33查找表数字预失真基本模型目前基于查找表的数字预失真结构大同小异，如图33，输入端的信号经过AD变换后得到数字域中的等价复信号VI，通过复数乘法器，根据VI的幅值大小查找LUT，与表中抽取的相应复系数相乘，季导到预失真后的信号VP。VP经过DA变换后，通过线性调制器正交调制器调制到载频上并进行功率放大，功放的输出信号记为VA。VAT送往天线输出，其中的一小部分输出功率通过耦合器送往线性解调器，解调器经过AD变换后得到的反馈信号记为VF，此信号用于提供给误差比较模块和自适应算法模块作为参考信号。反馈信号VF和经过一定延时的输入信号VI同时进入误差比较自适应模块，由自适应算法对其进行自适应运算。来修正和更新LUT中的系数值。12第三于基LUT的数字顶失真技术322地址产生器图33中的复数乘法器和LLRR模块在图34中被细化。图中，地址产生器的作用是检测输入信号VI，根据其幅度或功率的大小产生相应的LUT地址，每一个LUT地址都对应一个LUT存储单元，存放着不同的LUT复系数。VUPDATE图34复数乘法器与LUT如图所示，设预失真器输入为VI，预失真器输出为VP也就是功放的输入，功放的输出为VA。则功放模型可以表示VAVPGFYPI；预失真模型表示为VPVIF“VII。预失真表中的内容就是F1VII的值，每一个1VIL值对应着不同的LUT表地址，该地址存放着相应的FIVI值。若地址产生器检测到输入信号幅度为IVII，则生成相应的LUT地址，根据该地址从LUT中找到F“VII值。323几点说明1基于查找表的基带预失真技术，没有考虑功放的记忆特性，是针对AMAM，AMPM无记忆非线性模型的，模型的非线性特性仅与输入信号的幅度有关，而记忆特性所反映出来的其他影响因素，如工作频率，温度等都被忽略。因此，该技术更适用于窄带的，记忆特性比较弱的非线性系统2在反馈链路中产生的延时，也是需要考虑的因素之一。通过比较输入信号和反馈信号的幅度大小，可以计算出相应的延时。只比较信号幅度，可以忽略反馈链路的相位同步问题。当延时不是DSP采样周期的整数倍时，就需要内插。当进行输入信号和反馈信号比较时，用的是调制信号而不是训练信号，因为使用训练信号时，功放会达到功率压缩点，这会降低比较时的精确度。总的来说，LUR越大，计算越精确，当然，也就需要更多的存储单元和更长的计算时间。3预失真函数的采样点不必均匀地线性分布在整个输入信号的幅度区域内。输入信号功率越大的地方，功放的失真越大，在这样的区域，采样点可以相应密集，而在功放失真较小地区域，可以适当减少采样点，使LUT得到充分的利用。东高大学颁L羊F芷论33用于更新LUT的自适应算法如前文所述，基于查找表的数字预失真结构基本是固定的，这种预失真方法的关键不同之处在于其自适应模块的采用何种自适应算法。自适应算法需要考虑的是如何根据输入的VI信号，和反馈回来的部分VA信号，来更新LUT表中的值，假设放大器的理想放大倍数为K，则自适应算法的目标就是实现KG1VPL宰F1VIL即F|VIIKG1VPLV3132H三”芒M蒜畸G目礼瑚HV母FU。图35自适应算法的实现图35描述了一种自适应算法。该算法的主要目的是在每个LUT单元对应的功率点找到预失真器和功放串联的开环增益H。回忆一下，预失真器和功放的链路增益是G1VPJ邪JVIIK，是一个恒定值。所以，如果设GLIN等于K，整个系统的开环增益应该等于I。如果计算得到的开环增益不等于L，就必须调整预失真函数。整个过程如图36所示。预失真函数由LUT中的一系列系数决定，设为LN。为了使开环增益趋向1，预失真函数的每个系数都被除以了开环增益值IHK幸VIVIF“VIL幸GVPKFIVII蝎1VPI33其中，1H为开环增益的倒数是一组向量值，LUT表中存储的向量值是更新前的预失真函数FIVII。LUTQQE蚌1心图36自适应算法的实现14第三章基于LLRR的敬Y颅失真技术根据输入信号的幅度，将IH向量与LUT表的对应项相乘，LJLJHJ34其中LJ表示LUT表向量值的第J项，HJ表示开环增益向量值的第J项，所得的值更新原来该位置的值LJ，LJ。这样就实现了FIVII_K丰FIVIIG1VPI虾1VILKGIVPI35达到了自适应算法预期的目标。15东南大学硕上学，立论玉第四章系统仿真与硬件实现41ADS系统简介“”“81对于研究人员来说，涉及一个系统的主要难度在于将许多子系统结合起来。如果这些子系统都已经被建成软件模型，并有相对应的硬件结构，这将大大降低研究设计人员用于评估系统性能、排除系统故障的时间，提高工作效率。EDAELECTRONICDESIGNAUTOMATION软件正是提供了这种条件的设计平台。ADSADVANCEDDESIGNSYSTEM是AGILENT公司推出的新一代EDA软件设计平台，给用户提供了从综合、系统仿真到完整的通信系统设计的解决方案，使用户能够方便有效的进行硬件系统的研究开发工作。ADS提供了一系列很有特点的功能特性使其他的EDAI具不能提供的它可对DSP电路、射频电路、光电子通信与微波器件的设计进行仿真、优化与验证；它可提供通信系统中数字基带部分与射频部分之间的联合仿真，可提高系统仿真的准确度，节约开发时间；它可方便的将DSP系统框图向下综合到V凹L器件；ADS可方便的与AGILENT测量仪器相连接，使仪器更具灵活性；它提供了大量的仿真库与行为模型，给设计人员以强有力的支持。另外它对硬件要求不高，可方便的应用于PC机和UNIX系统等多种操作平台。42预失真器仿真框图用ADS仿真环境对预失真器进行仿真，可利用ADS自带的数字预失真DEMO“DIGITALPREDISTORTION_V5P0”，其整体框图如图41。1信号源图41中所标示的A处为WCDMA信号源，输出基带调制信号。B处为产生RAMPFL练信号的RAMP信号产生器，用于生成并更新LUT表值。在这里，我们选用了功率线性递增的单音RAMP信号频率等于载频作为训练信号。训练开始时，信号的功率设为0，在功放最大可校正输入功率时达到峰值。使用如上单音信号，极大地简化了自适应算法的实现。但是也有一些局限性。例如用RAMP信号对LUT进行更新时，调制信号必须中断。此外，由于训练信号为单音信号，预失真表的值是在单个频率点构建的，预失真器只在单一频率点校正功放，并不覆盖整个调制信号的带宽。因此，只有当功放的通带相当平坦时，使用单音训练信号才能得到极准确的预失真函数。16第网章系统仿真与碗生实现图41ADS仿真框图要想得到较为精确的预失真函数，仅仅用RAMP信号训练一次是不够的，必须多次训练，不断更新LUT系数。一般来说，经过两到三次训练，功放的ACPR值就可以得到显著的改善。2地址产生器如图中C处所示，地址产生器根据输入信号的幅度来产生LUT表的地址，以便于预失真或更新LUT17东南、学硕学位论文表时查找相应的地址。该地址产生器提供三种寻址机制1INEAR，POWER，LOGPOWER。LINEAR模式根据输入信号幅度的大小，线性寻址。POWER模式寻址与输入信号的功率值成线性关系，因此，在幅度大的地方寻址密度要大。LOGPOWER模式寻址与输入信号的功率的对数值成线性关系，它在大功率处寻址的密度更大。功率值越大，特别是接近饱和区时，功放的失真幅度越大，因此，这种情况下应该选择LOGPOWER模式，有更高的寻址密度，使预失真函数更精确。而当功放处于线性区，失真较小时，就可以考虑线性寻址方式，在不影响预失真效果的前提下，这种寻址方式的寻址密度最小，最节约LUT存储空间。实际应用中具体使用哪种寻址方式，需要综合的考虑。3功放模型此次仿真中，选取了一个基于A彤埘，ALPM模型的功放模型，不考虑记忆效应。设输入信号电压为VI，输出信号为VO令GAU10一LOU，GPU03U，UIVII2则输出信号的算式为当IVII305时，LVOT|3849，输出相位仍为JGPU。图42描述了该功放的幅度特性。VIN图42功放模型特性4延时估计图41中D处用于估计反馈链路的延时。假设不需要延时模块，预失真也能实现，那就是说输入信号VI与反馈信号VF只存在幅度倍数K的差别和时延F的差别，写成数学形式VFTKVITR41同时此时VFTKVIT4241一42得VITVITZ043要满足条件43，只有一种可能性，就是输入信号VI是周期信号，并且周期是RN，N为整数。18第旧牵系统仿真礁仕，娄现因此，我们必须对时延R进行估计，在对输入信号进行值为F的延时，是输入信号与反馈信号同步，达到VFTRKVITR44下面假设对输入信号的延时补偿是“，则预失真目标为VFTFKVIT“45对输入信号和反馈信号求互相关，由于信号都是平稳随机过程，则RVFVLTF，TRV。F，EVFRVI】46而当达到预失真效果时，VFFKVI口47综合46，47可得RVMTR，TKEVIRVIC】KRVLVLF，48其中RVLVLP，表示VIT在时刻R的子相关函数，当F时，RVLVLF，的值最大。因此可以通过调节补偿时延的值，并求输入信号与反馈信号的互相关函数值，当函数值最大时，F，完成同步。43仿真结果1双音信号测试输入频率75JHZ和125MHZ的双音信号，分别测量预失真之前与之后，功放输入、输出信号的频谱，如图43，44所示。图43为功放输入信号的频谱，红色的左图显示没有经过预失真处理的情况，蓝色右图显示经过预失真处理的输入频谱。比较两图，可以明显看出“预失真”的效果。预失真器准确的描述了功放的特性，产生了与放大器失真特性相对应的失真效果，生成了三阶交调分量25MHZ和175姗Z，用以抵消放大器的非线性失真。图44为功放输出信号的频谱图。红色的左图描述没有经过预失真处理的输出信号，功放输出信号有明显的三阶交调失真；蓝色右图描述经过预失真处理的情况，三阶失真已经基本被抵消。纵向比较图43与图44，没有经过预失真处理时，由于功放的非线性失真，输出信号中包含了明显的三阶交调分量。经过预失真处理后，预失真器产生了对应的三阶交调预失真分量，使得功放的输出不再包含IM3，线性度有了极大的提高。一BOFOFODFGTAIPRED随ORBONMODULATOROUTPUT翥一蠢墓魏05101520FREQUENCYMHZ20406080100120140_160一A舱RDIG旧IPRE曲ST。R乜ONMODULATOROUTPUT图43功放输入信号频谱19FREQUENCYMHZ一曲口一J曾50正一PJI；O山东南大学硕L学位论上一8EFOREDIGTTALPREDLSFONORLPAOUTPUT言号霎一AERDGITAJPRE0就。巾0NPAOUTPUTFREQUENCYMHZFREQUENCYMHZ图44功放输出信号频谱2WCDMA信号测试将信号源换成WCDMA信号源，再次对预失真器进行测试，得到频谱图如图45所示。图中，红色和蓝色曲线分别代表预失真之前和之后的信号频谱。左图为功放的输入信号，可以看出，预失真器产生了一定的杂散失真。右图为功放的输出信号，功放自身产生的杂散被预失真器抵消，ACPADJACENTCHANNELPOWER降低近20DB，最终的功放输出呈现出良好的线性度，信号基本没有失真。_一BEFOREDIGJTALPREDLSTOMON_一AFTERETGLPRE81STORTLGNFREQUENCYIMHZFREQUENCYMHZ图45WCDMA信号预失真前后频谱对比44系统硬件实现441系统框架通过上述仿真，初步验证了基于LUT的预失真技术的有效性。为了进一步验证这一技术在实际电路中的效果，我们构建了一个可应用于射频功放的数字基带预失真器，其系统框图如46所示。一EPJ尘，O山I甘P每；O“第四章系统仿真J硬件实现。，。CLOCKDISTRIB。UTION，。8CDMA2KIWCDMA八ANALOG；SOURCECIRCUITI一图46系统框图整个系统主要由以下几部分组成1FPGAFIELDPROGRAMMABLEGATEARRAY现场可编程门阵列FPGA的主要作用是负责外部通信。基带信号的输入，相关参数的输入与输出，告警信号的输出等都通过FPGA完成。FPGA也对输入的基带I嘴号进行处理。它将串行数据转换为并行，以便于后级处理，并还起到均衡滤波的作用，调节IQ信号幅度与相位上的不平衡。通过编程，FPGA也可以自己产生一个高斯白噪声信号，在实测时代替CDMA2000数字源，向系统输出信号“”。FPGA受MC【I控制，其内部指令与数据都由MCU通过数据线传输。工作时钟信号由CLK提供。2MC【MICROPROCESSORCONTROLUNIT单片机MCU是主要的控制单元，对FPGA、PD、CLK进行指令和数据的读写操作。设定CLK的输出时钟频率；读写FPGA内部存储器，产生告警信号并传送给FPGA；控制PD内部寄存器，填写和更改PD内部的查找表内容及一系列相关控制字。3CPLDCOMPLEXPROGRAMM曲LELOGICDEVICE做为MCU的辅助芯片，与PD、CLK连接，将MCU发出的数据，进行地址对应相关处理之后，传送到PD、CLK。完成端口映射的工作，以弥补MCU端口不足。4CLKCLOCK时钟单元为FPGA、PD、DAC、CPLD提供统一工作时钟的频率合成芯片。其指令控制字与地址都是串行输入，在接收的MCU的数据时，需CPLD对其进行相关处理。CLK芯片不含内部晶振，其参考时钟由FPGA供给。5DACDIGITALTOANALOGCONVERTER数模转换器将高速数字信号转换为模拟信号，传输给后级模拟电路。实测时，用于将模拟信号传输给测试2L乐南学顾上学血论上仪器。6PDPREDISTORTER预失真芯片预失真器核心部分，用于实现LUT表与复数乘法器。442预失真芯片ISL5239。”预失真所用芯片选用INTERSIL公司的ISL5239，这是一款专门针对功放线性化开发的芯片。它支持所有现在和下一代的蜂窝标准，可对多载波信号进行非线性处理，输出采样率可达125MSPS，可消除20MHZ信号的五阶交调失真。其内部框架如图47所示，主要由含有商找表的预失真单元、输入输出格式转换单元、输入捕获存储器、反馈捕获存储器和外部处理器接口等部分构成。这些部分可以由寄1字器来灵活配置。该芯片的核心是一维查找表LUD，片内有2个声找表，一个用丁在线奋我，男一个用丁备份，通过处理器接口可以随时切换。芯片带有输入和反馈捕获存昭器，16BIT的外部处理器接口可以对片内所有的寄存器和存储空间进行操作。借助DSP可以对商找表进行自适应更新运算，也方便对芯片备部分的配置进行更改以适应不同体制的设计。芯片内郭的记忆设应和温度效应补偿接口，可以对外部射频PA进行动态补偿。内麓UQ均衡器用于对外部模拟调制电路对IQ的幅度和相位不均衡失真进行补偿。ISL5239能自动检测输入信号的大小，根据用户选择的寻址方式，计算出地址值，从相应的查找表存储单元中，取出LUT值，通过芯片自带的复数乘法器与信号相乘，完成信号的预失真处理。除此之外，该芯片还可以对输入数字信号进行2倍、4倍或8倍的内插，压缩信号带宽，为处理信号的三阶、五阶失真做准备；也能在一定程度上对信号进行补偿和校正，消除不同通道产生的时延和外部模拟调制电路产生的幅度相位偏差；并能对功放的热记忆效应进行补偿。与ADS仿真DEMO一样，5239也有三种寻址方式线性幅度、线性功率、对数功率。其中，“线性功率”方式将大多数的LUT存储单元分配给了高功率区域，所有的单元都限制在一个30DB的范围内，低于这30DB范围的输入信号被统一分配指向LUT的第一个存储单元。这一寻址方式比较适合那些非线性特性在30DB范围内的功放。“线性幅度”与之类似，但阀值取在了60DB，而“对数幅度”是120DB。雷47ISL5239内部框架22QARMM第叫鼋系统仿真勺硬件苌现443单片机1图48ISL5239内部功能块该系统中的单片机选用TI公司的MSP430系列，这一系列的单片机具有功耗低，寻址方式丰富，处理速度高等优点。本系统中所用单片机选择了MSP430系列中的FLASH型。这一类型的单片机有十分方便的开发调试环境，其片内有JTAG调试接口，还有可电擦写的FLASH存储器，开发调试时可以先下载程序到FLASH内，再在器件内通过软件控制程序的运行，由JTAG接口读取片内信息，以供设计者调试DEBUG。这种方式只需要一台PC机和一个JTAG调试器，十分方便高效。单片机设计和设计，使用的都是IAR公司的集成开发环境IAREMBEDDEDWORKBENCH嵌入式工作台。调试时，可以在软件环境内设置断点，随时中断并单步执行，实时观察存储器的存储情况。图49为调试时该软件的用户界面。单片机是这个预失真器的控制单元，时钟、FPGA和预失真芯片的初始化以及初始化之后的指令、数据传输，都由单片机控制完成。最终实测时，由单片机控制信号是是否跳过BYPASS预失真芯片，以观察预失真前后的性能差别。东南八车坝学位蛇，444系统时钟图49IAREMBEDDEDWORKBENCH用户界面在整个预失真器中，不止一个芯片需要独立的时钟信号，某些芯片甚至需要多种时钟信号，整个系统的时钟信号较为复杂。如图410，原始时钟由6M和40M的晶振提供，其中6M的时钟单独供给单片机，40M的时钟分别供给FPGA和CPLD。FPGA对其进行分频后，输出参考时钟CLKREF给DDSDIRECTDIGITALSYNTHESIZER”。DDS由参考时钟产生PD和FPGA的工作时钟CLK。值得注意的是。PD还需要输出一个PDCLKOUT信号给FPGA，用作输入I，Q信号的时钟信号。PD_CLKOUTCLK，HLT，其中1NL是PD芯片中由设计者选定的内插系数，INTI，2，4，8。图410系统时钟信号示意囤为了自E够消除信号的三阶、五阶失真，PD必须对信号进行IM倍内插，以压缩带宽，但这样势必导致信号采样率也INT倍增长。因此，FPGA接收数据的速率，IFPD输入数据的速率，与PD输出数据的速率并不相等，是后者的LFINT。第五章系统实测结果第五章系统实测结果51系统测试方案根据前面几章所述的基本原理、仿真设计结果及硬件实现方案，成功研制了应用于射频功放线性化的数字基带预失真器，其实物图如图61所示。由于使用FPGA、DSP等可擦写可编程器件实现其基本算法，该预失真器具有极强的适用性，适用于不同制式的通信系统发射单元，也可以作为验证基于不同算法的数字预失真技术效果的实验平台，有极高的实验指导意义和实用价值。图51数字基带预失真器实物图为了验证该预失真器的实际预失真效果，对其进行了一系列的测试。实测用仪器1功率计AGILENTE4418BEPMSERIESPOWERMETER，功率范围70DBM44DBM；频率范围9KHZ一110GHZ。2矢量信号发生器AGILENTFA438CESGVECTORSIGNALGENERATOR，可在研发、生产测试环境中评估25G、3G和宽带系统特性，提供通用的模