（通信与信息系统专业论文）wcdma数字直放站功放线性化技术的研究.pdf

摘要 摘要 现代移动通信系统中，为了保证一定的覆盖范围，通常用功率放大器对信号 进行放大，而功率放大器的非线性特性会造成信号的带内失真和频谱的扩展，且 现代通信系统信号具有高峰均比的特点，更容易引起功放性能的下降。因此，功 率放大器线性化技术成为无线通信系统的关键技术之一。 本文对w c d m a 数字直放站功率放大器的线性化技术进行了系统的研究。 首先介绍了功率放大器的非线性特性和线性化指标及功率放大器的无记忆和有 记忆数学模型。其次介绍了常用的峰均比降低技术，并利用m a t l a b 软件进行 了仿真验证。在综合考虑几种峰均比降低技术的效果与实现复杂度的基础上，采 用峰值抵消算法在f p g a 上进行了实现。再次介绍和仿真了基于间接学习和直接 学习结构的数字预失真技术，对欠采样的情况下的数字预失真算法进行了仿真， 提出了基于平均功率调整的c f r 和d p d 联合设计方法，采用记忆多项式的模型 在f p g a 上实现了数字预失真的前向链路。最后在硬件平台上对峰值抵消技术和 数字预失真算法，欠采样的数字预失真进行验证，结果表明峰值抵消算法不仅消 耗较少的硬件资源，而且削峰后的信号频谱不扩散；数字预失真的测试结果表明 功放输出的邻道功率抑制比改善大于2 0d b ，减小了信号的带内失真和对邻道信 号的干扰，有效的改善了功率放大器的非线性特性；欠采样的数字预失真测试结 果说明以欠采样的方式可以很好的补偿功放，降低了对反馈链路的采样率的要求。 关键字：功率放大器；数字预失真；峰均比降低 摘要 a b s t r a c t i no r d e rt og u a r a n t e ec o v e r a g e ，p o w e ra m p l i f i e ri su s e dt oe n l a r g et h es i g n a li n m o d e mm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s y s t e m s n o n l i n e a rc h a r a c t e r i s t i c so fp o w e r a m p l i f i e rc a r lc a u s es i g n a ld i s t o r t i o na n ds p e c t r u me x p a n s i o n , l e a d i n gt oad e c l i n ei n s y s t e mp e r f o r m a n c e s i g n a l sh i g hp a p ri nm o d e mc o m m u n i c a t i o ns y s t e m si sm o r e l i k e l yt o c a u s ead e c l i n ei np o w e ra m p l i f i e rp e r f o r m a n c e t h e r e f o r e ，t h ep o w e r a m p l i f i e rl i n e a r i z a t i o n t e c h n i q u e i s o n eo ft h e k e yt e c h n o l o g i e s o f w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s t h ed i s s e r t a t i o nf o c u s e so nl i n e a r i z a t i o nt e c h n i q u eo fp o w e ra m p l i f i e r f i r s t l y , n o n l i n e a rc h a r a c t e r i s t i c sa n dl i n e a r i z a t i o ni n d i c a t o r s ，m e m o r ya n dm e m o r y l e s sm o d e l o fp o w e ra m p l i f i e ra r cs h o w e d s e c o n d l y , t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ep a p rr e d u c t i o n t e c h n i q u e sc o m m o n l yu s e d ，a n ds i m u l a t et h e mu s i n gm a t l a bs o f t w a r e c o n s i d e r i n g t h ep e r f o r m a n c eo fp a p rr e d u c t i o nt e c h n i q u e sa n di m p l e m e n t a t i o nc o m p l e x i t y , p e a l 【 c a n c e l l a t i o na l g o r i t h mi ss e l e c t e da n dr e a l i z e di nt h ef p g a t h i r d l y , i n d i r e c ta n d d i r e c tl e a r n i n ga r c h i t e c t u r ed i g i t a lp r e d i s t o r t i o ni si n t r o d u c e d , u n d e r - s a m p l e dd i g i t a l p r e d i s t o r t i o ni ss i m u l a t e d ，t h ec f ra n dd p dm e t h o db a s e do na v e r a g ep o w e r a d j u s t m e n ti sp r o p o s e d , m e m o r yp o l y n o m i a lm o d e li sa d o p t e dt oi m p l e m e n t a t i o ni n t h ef p g a f i n a l l y , t h ep e a l 【c a n c e l l a t i o na l g o r i t h mi sv e r i f i e do nt h eh a r d w a r e p l a t f o r m ，t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ep e a l 【c a n c e l l a t i o na l g o r i t h mn o to n l yc o n s u m e sl e s s h a r d w a r er e s o u r c e s ，b u ta l s od o e s n ts p r e a dt h es i g n a l ss p e c t r u m ；d p dv e r i f i c a t i o n r e s u l t ss h o wt h a ta d j a c e n tc h a n n e lp o w e rr a t i oi si m p r o v e dg r e a t e rt h a n2 0 d b ，a n d d p dc a nc o m p e n s a t et h en o n l i n e a ra n dm e m o r ye f f e c t so f p o w e ra m p l i f i e r , s u p p r e s s t h es p e c t r a lr e g r o w t h ；t h et e s tr e s u l t so fu n d e r - s a m p l e dd i g i t a lp r e d i s t o r t i o ni n d i c a t e d t h a tp o w e ra m p l i f i e rc a nb ew e l lc o m p e n s a t e dw h i l er e d u c i n gt h es a m p l i n gr a t eo f f e e d b a c kl i n k k e yw o r d s ：p o w e ra m p l i f i e r ；d i g i t a lp r e d i s t o r t i o n ；c r e s tf a c t o rr e d u c t i o n i l 第l 章绪论 1 1 课题研究背景与意义 第1 章绪论 随着无线通信的高速发展，无线频谱资源也越来越紧缺，第三代移动通信系 统采用频谱利用率较高的调制方式( q u a d r a t u r ep h a s es h i f tk e y i n g ，q p s k ) 和传 输方式( c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ，c d m a ) 。这些技术通常会导致发射信号 的高峰均比( p e a k t o - a v e r a g ep o w e rr a t i o ，p a p r ) ，这样就对射频功率放大器 ( p o w e ra m p l i f i e r , p a ) 的线性度提出了很高的要求。功率放大器作为无线通信 系统中重要的组成部分，它的非线性不但会造成带外的频谱泄露，对相邻信道产 生干扰，而且对带内的有用信号也会造成幅度和相位的失真，进而造成接收端误 码率的提高，而且高峰均比的信号造成功放工作在功率回退状态，造成了功放效 率的降低。 要解决这些问题，目前主要采用的是峰均比降低技术( 也称为波峰因子衰减 技术) ( c r e s tf a c t o rr e d u c t i o n , c f r ) 和数字预失真技术( d i g i t a lp r e d i s t o r t i o n ，d p d ) 的联合设计方案。因为相对目前其它的方案，联合设计的方案以较低的复杂度更 好的解决功放的线性化和低效率问题。联合设计方案中，波峰因子衰减技术通过 削峰来减小功率刚退，避免信号进入功放的饱和区，造成不必要的失真，而数字 预失真技术可以补偿功放的非线性和记忆性。因为c f r 可能造成误差矢量幅度 ( e r r o rv e c t o rm a g n i t u d e ，e v m ) 和邻道功率比( a d j a c e n tc h a n n e lp o w e rr a t i o ， a c p r ) 的恶化，所以需要恰当的压缩信号的p a p r 。而d p d 能够进一步的降低 信号的带外噪声，抑制带内干扰，大幅提高其a c p r 值，减小系统的e v m ，提 高功放的线性度。另外功率放大器的特性会随着时间，温度，信道状况，器件老 化情况等因素而改变，所以在预失真器的反馈回路上还必须加上自适应模块，来 适应这些变化。 w c d m a 数字直放站功放线性化技术的研究 1 2 国内外研究现状 1 2 ic f r 技术研究现状 w c d m a 系统为了抵抗频率选择性衰落，提高频谱利用率，在系统设计中 采用了正交扩频、扰码以及多载波通信等技术n 1 。由于存在多载波多用户信号的 叠加，使得出现大幅度信号的概率增加，并由此带来较大的p a p r 。由于多载波 系统的时域信号样本趋于高斯分布，为了发送极小概率分布的峰值信号，功率放 大器必须具有很大的动态范围，这往往是不切实际的或者是很不经济的。 关于高峰均比的问题，国内外的学者都做了大量的研究。目前的方法主要有： ( 1 ) 信号预畸变技术是对进入p a 之前的信号进行预畸变处理，使处理过的信号 不超过p a 的动态范围。其常用的方法有：限幅类技术和压缩扩展技术。此 类技术由于性能良好，且算法实现复杂度较低，因此在工程上的应用较多。 ( 2 ) 信号编码技术主要是利用不同编码产生不同的码组而选择p a p r 较小的码组 进行数据信息的传输，从而避免信号的p a p r 过高。其主要的方法有：分组 编码，格雷编码等。此类技术为线性过程，不会使信号产生畸变，但其计算 复杂度非常高，编解码都比较复杂，而且信息速率降低很快【2 】，所以更适合 在基带进行处理。 ( 3 ) 信号扰码技术是对经过星座图映射后的频域数据序列进行加扰处理，改变了 经过星座图映射后的复数符号，以达到降低较大峰值信号的出现概率【3 】，如 选择性映射( s e l e c t e dm a p p i n g ，s l m ) 【4 】，部分传输序列( p a r t i a lt r a n s m i t s e q u e n c e ，p t s ) 1 4 j 等。此类方法虽然不会给信号带来畸变，但是由于需要 f f t ( f a s tf o u r i e rt r a n s f o r m ) ，i f f t ( i n v e r s ef a s tf o u r i e rt r a n s f o r m ) 运算，导致 算法的复杂度太大。 1 2 2 预失真技术研究现状 w c d m a ( w i d e b a n dc o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 系统中，随着载波数 的增加，时域中信号包络动态范围变大，信号的p a p r 也随之大幅提高，所以对 2 第1 章绪论 射频端p a 的线性度要求也更加严格。国内外的学术界和工业界对预失真的研究 都非常的重视，因为其可以大幅的提高p a 的线性度和效率。预失真按照信号处 理形式可以分为模拟预失真和数字预失真。 模拟预失真方案相对d p d 方案来说，虽然其线性改善程度无法达到相同的水 平，但也有相当好的表现。而模拟预失真方案技术有难度低、体积小、成本低等 优点t 孔，因此也得到一定程度的应用。 随着f p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ) 、d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ) 等高速信号处理器件技术的发展，d p d 已经成为无线通信系统的关键技术。目 前主要的数字预失真方案有： ( 1 ) 查找表( l o o ku pt a b l e ，l u t ) 方案：u j t 方案即构造预失真查找表，根 据查找表对输入信号进行处理，基于u j t 的预失真技术对任意增益特性的 功放均有较好的线性补偿，并可以方便地用高速信号处理器件实现。l u t 实 现一般包括两个部分：一是l u t 的地址索引的产生，即输入信号通过什么关 系找到自己在u j t 中的修正值；另一个部分是l u t 的内容，即存储在存储 单元上关于预失真器可能输入信号修正值的集合1 。不同的索引方法会直接 影响表项的分布和利用率，从而最终影响硬件实现的复杂性和自适应算法的 收敛速度。 ( 2 ) 多项式方案：多项式的d p d 采用多项式的结构来构造数字预失真器，通过 采用相应的自适应算法来计算多项式的系数。多项式方案的d p d 是目前应 用比较多的且性能较好的解决功放非线性特性的方法。多项式的方案目前研 究的重点主要在于寻找较低复杂度的准确的多项式结构，能够快速收敛的、 低复杂度的自适应算法。目前应用较多的主要有w i e n e r 、h a m m e r s t e i n 、w i e n e r - h a m m e r s t e i n 、记忆多项式等模型。而自适应算法主要有l m s ，r l s ，q r - r l s 等算法。相对于l u t 的方案，多项式的方案具有更快的收敛速度和 更好的性能，但是其付出的代价是在多项式阶数较高时，复杂度会迅速增加， 因此在应用多项式方案时需要选择合适的阶数。 3 w c d m a 数字直放站功放线性化技术的研究 1 3 本文的工作与结构 本文主要是围绕多载波w c d m a 系统的功放线性化技术来展开的总共分 为六章，各章的内容安排如下： 第l 章是文章的概述，主要论述了本文的研究背景与意义，及国内外目前的 研究现状，最后简要的介绍了本文的工作和结构。 第2 章介绍了功率放大器的基本理论，及其技术指标，最后介绍了出了几种 无记忆和有记忆功率放大器数学模型。 第3 章介绍了几种常用的降峰均比技术，对其进行了仿真和比较，最后对峰 值抵消技术的f p g a 实现进行了详细的介绍。 第4 章首先介绍了数字预失真的基本理论，及间接学习和直接学习两种不同 的学习结构，并对这两种结构进行了仿真对比；其次介绍朱氏通用采样定理，并 对欠采样的数字预失真进行了仿真：最后介绍了记忆多项式的数字预失真的 f p g a 实现技术。 第5 章首先介绍了系统的硬件实现，从整体框图设计到各芯片选型，都给予 了较详细的叙述。接着，利用该硬件平台对降峰均比技术和数字预失真进行测试 验证。 第6 章，总结全文的工作，并指出进一步工作的设想。 4 第2 章功率放大器非线性特性及其模型 第2 章功率放大器非线性特性及其模型 2 1 功率放大器的非线性特性 功率放大器从本质上说都是非线性的，也就是说输出信号中会包括非线性引 起的失真分量，主要表现为带内失真和带外失真。信号带内失真主要是信号的幅 度和相位失真，降低了系统性能，造成信号的误码率上升 7 1 ；带外失真则会造成 输出信号的带外扩展和对邻道信号的干扰，因此需要对功放的非线性进行相关的 处理。 2 1 1 幅度失真 为了简化分析，功率放大器采用无记忆非线性的多项式模型，即输入电压的 瞬时值函数，放大器传输特性可以表示为： v o ( t ) = 研m ( f ) 】( 2 - 1 ) 其中v o ( t ) 表示放大器的输出电压，v ( ，) 表示放大器的输入电压。如果式( 2 1 ) o c j 各阶导数存在，则其幂级数展开式嘲，如下所示： v o ( t ) = e k j v t ( t ) ( 2 2 ) 双音信号v ，( ，) = y c o s ( 嵋，) + 矿c o s ( f ) 进入功放之后，频谱的扩展情况如图2 一l 所示( 图中只考虑了式( 2 - 2 ) d o 前三项的情况) ： 图2 1 双音信号的频谱 5 、 ，c d m a 数字直放站功放线性化技术的研究 从图中可以看出，功率放大器产生很多的频率分量，其中毛谚产生的谐波2 w l 、 2 w 2 印z 阶互调分量( s e c o n d - o r d e ri n t e r m o d u l a t i o n ，i m 2 ) w 2 一嵋和嵋+ 心都相 对远离基频分量，毛霄产生的三阶互调( t h i r d o r d e ri n t e r m o d u l a t i o n , i m 3 ) 分量 2 w l w 2 和2 w 2 一m 在基频附近，而其产生的谐波3 、3 w 2 和互调分量2 m + w 2 、 2 w 2 + m 都相对远离基频分量。因此在所有的分量中最有可能对功率放大器产生 影响的便是i m 3 分量。 为了简化计算，只考虑式( 2 2 ) 的前五项进行基频和三次互调2 一， 2 w 2 一m 的幅度值的计算，即为： 吃o ) = 气( f ) + 屯谚+ 毛霄+ 缸口+ 也霄 ( 2 3 ) 基频和i m 3 分量2 w l w 2 ，2 w 2 一w l 的幅度值分别如下所示： 。= ( 墨y + i 9 ，+ 2 4 5 。v 5 ) ( 2 呦 - = ( 墨y + i ，4 。5 ) ( 2 呦 ，= 弓妒+ 警杪) ( 2 - 5 ) 从公式( 2 4 ) 中可以看出基频中不但有毛h 产生分量，还有来自其高次项毛霄和鸟谚 的分量。i m 3 也同理有来自高次项匆霄频率分量2 一嵋和2 嵋一心。因为功率放 大器一般是带通系统，可以将式( 2 3 ) 的多项式模型简化为式( 2 6 ) ，去除了其偶次 阶，保留其奇次项： v o ( f ) = 毛v ( f ) + 毛谚+ 屯谚 ( 2 6 ) 双音信号m ( f ) = v c o s ( w ：) + v c o s ( w ) 可做如下的变型： 讹) = 2 v c o s ( 孚) c o s ( 竿) ( 2 - 7 ) 令= 兰 兰，w c = 兰 兰，则有： e ( ，) = 2 vc o s ( w m t ) c o s ( w d )( 2 - 8 ) 那么多项式中的以次阶可以表示为： 6 第2 章功率放大器非线性特性及其模型 由于有【9 】： = 2 “v ”c o s “( w t ) c o s ”( w ，) ( 2 - 9 ) c o s 协2 1 - - 鬲q c o s n a + n c o s ( n - 2 抄+ 淼c 。妒2 归，亿聊 ( o q = 扫( g ) x ( - n g 暑o 嘛咯幻g ) 甲彦一蠢：刀空一! ( 2 4 8 ) 式( 2 - 4 8 ) 中，顶功和z ( ，z ) 分别表示非线性系统的输入和输出，线性核扛( g ) 和三阶核h a m ，q 2 ，q 3 ) 确定了非线性系统的特性。如果记忆深度q ：o ，则上式可 以表示为： z ( 玎) = 铂( g ) x ( 聆) + 红( g ，q ，q ) x ( n ) lx ( n ) 1 2 ( 2 - 4 9 ) 那么此时系统就变为无记忆非线性系统。如果假设除q l = q 2 = 吼= q 外，v o l t e r r a 核吃( 吼，q 2 ，q 3 ) = 0 ，那么式( 2 - 4 8 ) 可以表示为： z ( 刀) ：兰 ( g ) x 加一g ) + 兰吃( g ，g ，g ) x 加一g ) i x ( 刀一g ) i ：( 2 - 5 0 ) 上式便是三阶的记忆多项式。若不失一般性，上式仍然可以表示为： kq z ( 刀) = a 幻x ( n - q ) lx ( n - q ) 扣1 ( 2 5 1 ) k = l q - - 0 i 。o d d 其中口幻= 嘎( g ，g ，g ) ，k 表示最高阶数，q 表示最大的记忆深度。 2 4 小结 本章首先分析了功率放大器的幅度失真和相位失真，接着介绍了l d b 压缩 1 8 口 口一 口晓删 第2 章功率放大器非线性特性及其模型 点，三阶截断点，e v m 和a c p r 等线性化指标，最后对无记忆的幂级数和s a l e h 模型，及v o l t e r r a 级数的有记忆功放数学模型做了介绍。 1 9 w c d m a 数字直放站功放线性化技术的研究 第3 章峰均比降低技术的研究及f p g a 实现 3 1 峰均比的基本概念 多载波信号是所有子载波信号的累积加权的结果，因此它的包络呈现出动态 变化很大的特性。这种变化可以用一段时间内峰值功率与平均功率之比( p a p i l p e a k t o - a v e r a g ep o w e rr a t i o ) 来表示。越高的峰值功率出现的概率越低，因此对 峰均比的一种有意义的描述是它的统计特性【1 射。 fp 7 ：一 八 1 ， 扒 v 认 州j厂 、 v 一一1 0朝 枷瑚枷3 椭柏o 图3 - 1 多载波信号的时域波形 峰均比定义为信号的概率峰值与均值的比值u 9 1 。可以表示为2 0 1 ： p a p r = 1 0 木l o g ( m a x ( 烈功取烈f ) ) ) ( 3 - 1 ) 公式( 3 1 ) q ap ( t ) 表示输入信号m ) 的功率，m a x ( p ( t ) ) 表示信号f ) 的峰值功率， 耳础) ) 表示信号颤f ) 的平均功率。 从p a p r 的定义可以看出其是对信号功率的概率统计，常以分贝( d b ：d e c i b e l ) 作为单位进行表示。实际常采用概率为1 0 。4 点处的d b 值来衡量某个系统的p a p r ， 即超过均值的d b 值【2 1 1 。在实际系统中，为了表征峰均比和概率值之问的关系， 常采用互补累积分布函数( c o m p l e m e n t a r yc u m u l a t i v ed i s t r i b u t i o nf u n c t i o n ， c c d f ) ，即计算峰均比超过某一门限值的概率： p ( p a p r 聊= 1 一只p a p r z ) = 1 - p ( p 4 p r z ) = l 一( 1 一e - 2 ) ( 3 4 ) 3 2 降低峰均比的方法 为了抵抗频率选择性衰落，提高频谱利用率，w c d m a 通信系统采用了正 交扩频、扰码以及多载波通信等技术，造成了w c d m a 信号有较高的p a p r 。高 峰均比的信号对后级的功率放大器的性能有很大的影响。因为输入信号的峰均比 越大，功率放大器输出信号的瞬时幅度值波动也就越大，而大多数功率类放大器 件都是非线性的，其动态范围有限，所以当具有较大峰值的信号通过功放时便会 产生非线性失真，导致整个系统性能下降。因此有必要对输入信号进行削峰处理， 减小其峰均比，使功率放大器更好的工作在线性区域，避免进入饱和区，减小了 信号峰值畸变，减小信号频谱带外扩展和对邻道的干扰。 为了降低信号的峰均比，国内外学者进行了大量的研究，目前的方案主要包 括：信号预畸变技术，编码类技术和扰码技术。编码和扰码技术则因较高的复杂 度在工程上较少应用，而信号预畸变技术以其较低的硬件实现复杂度，及较好的 性能在工程中的应用比较多。目前信号预畸变的方法主要有直接限幅，峰值加窗， 及噪声成型和峰值抵消等算法，因为本文采用的是峰值抵消算法，所以下面便对 前三种算法做简单介绍，对峰值抵消算法作详细的介绍。 3 2 1 直接限幅技术 直接限幅技术是降低峰均比方法中最简单，也是工程应用比较多的方案。直 接限幅技术是指在功率放大器之前，对具有较大峰值功率的信号进行处理，使其 工作在功率放火器的线性放大区，避免较大峰均比的出现造成功放输出信号的失 真，及频谱的恶化。直接限幅的方法主要有笛卡尔削波和极性削波，笛卡尔削波 方式相比极性削波方式更为简单、直观，可以大幅度降低信号的峰值功率。但笛 2 l w c d m a 数字直放站功放线性化技术的研究 卡尔削波方式可能引起信号相位的大幅度变动，就意味着将会产生较高的e v m ( e r r o r v e c t o rm a g n i t u d e ) ，所以对于e v m 要求比较高的系统采用极性削波方式 是一种比较好的选择。这里我们只介绍极性削波。 极性削波( p c ：p o l a rc l i p p i n g ) 算法保留原始信号的相位信息，对信号模值 进行限幅的一种直接限幅算法。原始输入信号可以表示为 = ，奎e j o = ( l + j f 瓯) = ( r c o s o + y ，s i l l d ( 3 5 ) 其中r 表示输入信号的幅度，矽表示输入信号相位信息。l 表示输入i 路信号， 级表示输入q 路信号。极性削波算法在进行削波时首先提取输入信号的相位信 息，然后对信号的幅度值进行限幅。极性削波算法的输出信号，如下所示： ：j 南叫帅 ( 3 - 6 ) = i i 刖一坍 ( 【，i x mi 其中表示极性削波的限幅门限，表示极性削波算法的输出信号。 3 2 2 加峰值窗技术 直接限幅过程相当于原始信号与某一矩形窗函数相卷积的过程，所以限幅后 信号带外频谱特性主要由矩形窗函数的频谱来决定，这将导致带外辐射功率值增 加。为了减轻直接限幅后带来的带外干扰问题，文献 2 2 - 2 4 都分别介绍了加峰值窗 限幅的方法，即采用其它频谱特性优于矩形窗的窗函数进行限幅，例如g a u s s i a n 窗，c o s i n e 窗，k a i s e r 窗，h a m m i n g 窗等等。选择窗函数的原则是：其频谱特 性比较好，具有尽可能窄的带宽，不能在时域内有过长拖尾，避免对时域采样信 号造成太大的影响。由于加峰值窗的方法需要在采样以后的较高速率下对信号进 行处理，因此实现相对比较困难【2 5 1 。另外，加峰值窗法需要根据连续信号的各 极值点来构造窗函数，而在实际中找准这些极值点也是比较困难的，更重要的一 点，加峰值窗的方法也是一种非线性变换过程，在降低峰均比的同时，也同样会 引起带外辐射和误码率的提升。同直接限幅方式相比，此算法带外特性更好，但 误码率也更高。这主要是由于所选用的窗函数在时域上所影响的信号比直接限幅 方法更多，因此其误码率也更高。 第3 章峰均比降低技术的研究及f p g a 实现 3 2 3 噪声成型技术 噪声成型技术 2 6 1 ( n o i s es h a p i n g ，n s ) 是在传统的极性限幅的方法上，将 极性限幅后产生的限幅噪声信号经过一个噪声成型滤波器，以确保由限幅措施引 起的噪声落在信号频带之内。经噪声成形的限幅噪声信号随后从通过匹配延迟后 的原始信号中消去，从而降低p a p r 。与峰值加窗的算法相比，噪声成型技术 ( n s c f r ) 方案能提供更佳的性能。图3 2 噪声成型技术框图。 图3 - 2 噪声成型技术实现框图 由于噪声成型技术可以找出高的峰值点信号，并让它与经过滤波后的限幅噪 声相抵消，故该技术不但能较好的降低峰均比，同时也具有比较好的邻道泄漏比 ( a d j a c e n tc h a n n e ll e a k a g er a t i o ，a c l r ) 。在f p g a 的实现过程中，由于其噪 声成型滤波器需要很陡峭的过渡带，因此滤波器的阶数会比较高，这样对实时运 算是一个考验。文献刚指出该算法能良好降低峰均比的同时还能满足3 g p pt s 2 5 1 4 1 规定的e v m 指标的要求。 3 2 4 峰值抵消技术 峰值抵消( p e a kc a n c e l l a t i o n ，p c ) 技术的基本原理是采用与原始输入信号频 谱特性相匹配的脉冲信号，与原始输入峰值信号抵消，从而达到降低峰均比的目 的1 2 埘，如图3 3 所示，峰值抵消算法利用频谱特性与输入信号相同的高阶滤波 器的冲激响应信号在时域与原始的峰值信号进行相减，使峰值信号低于门限，以 达到削峰的目的。与噪声成型滤波器不同的是，噪声成型算法是在频域利用边沿 陡峭的滤波器对噪声信号进行滤波处理，而峰值抵消算法则是在时域对峰值信号 进行相减处理，并不是硬件实现滤波器，所以其实现的复杂度很低，但却与噪声 w c d m a 数字直放站功放线性化技术的研究 成型算法有相同的性能，可以避免频谱的扩散和对邻道的干扰。 图3 - 3p c c f r 基本原理 p c c f r 技术的削峰过程原理框图，如图3 4 所示。从图中可以看出，p c c f r 技术需要对输入信号进行求模和峰值检测，而削峰因子模块则利用输入的模值和 相位，门限值计算出削峰因子，并与原始削峰脉冲进行相乘，得到削峰脉冲。延 时的原始输入信号与削峰脉冲相减便可以得到削峰后的信号。各个模块的功能在 后面章节中详细的叙述。 原 3 2 4 1 模值和峰值检测 图3 4 p c c f r 原理框图 信 利用计算出的信号模值，进行峰值检测。峰值检测算法主要有极大值方法和 在超过门限的信号中检测最大值方法。在本文中采用后一种，因为采用极大值的 第3 章峰均比降低技术的研究及f p g a 实现 原型滤波器可以提前计算好并储存在存储器里，而频率搬移和加法运算则可 以由外部处理器或者f p g a 内部电路进行计算。 3 244 峰值消除 削峰因子与原始削峰脉冲相乘便可以得到削峰脉冲信号。削峰脉冲与延时的 原始信号相减便可以得到削峰后的信号。 灭f ) = x ( t ) - a 办( d = x ( ，) 一z ( f ) ( 3 1 1 ) 式中工( f ) 表示延时的输入信号，口表示削峰因子， ( d 表示归一化处理的原始 削峰脉冲，z ( f ) 表示削峰脉冲。 从峰值检测原则里面可以看到，一次削峰只有部分的峰值被消除，可能有部 分的峰值仍然存在，因此需要多次的迭代才能达到降低峰均比的目的。由于削峰 信号的频谱与原始信号相同，所以削峰后的信号并不会有频谱扩散。 3 3 降低峰均比典型算法的仿真分析 前面介绍了几种常用的降峰均比的方法，下面对噪声成型及其改进的算法， 峰值抵消算法进行仿真对比。 3 3 1 噪声成型技术仿真 51 0 图3 - 6 噪声成型技术的c c d f 曲线 2 7 憎 时 舻 ” 舻 蛊霹_dv乱办l塞uoo w c d m a 数字直放站功放线性化技术的研究 图3 - 6 是噪声成型算法前后信号的峰均比情况。其中横坐标代表信号峰均比 的d b 值，纵坐标代表其发生的概率情况，即c c d f 值。仿真信号是符合3 g p pt s 2 5 1 4 1 的测试模式l 的6 4 d p c h ( d e d i c a t e dp h y s i c a lc h a n n e l ) 的w c d m a4 载 波下行信号，1 6 3 8 4 组符号输入。仿真时采用两次迭代的噪声成型算法，两次限 幅门限都设定在1 0 d b 。 通过仿真图3 - 6 ，我们可以得出表3 1 的数据。我们可以看到，在概率为l 酽 时，噪声成型算法，降低峰均比的作用同样很小。当概率为l o 。3 时，第一次限幅 降低峰均比为2 1 d b ，而第二次限幅则降低了2 s d b ；当概率为1 0 。4 时，第一次 限幅降低峰均比为3 d b ，而第二次限幅的降低的峰均比为3 7 d b 。 表3 1 噪声成型技术不同信号的p a p r 的概率分布 一 1 0 - 21 0 - 31 0 4 p a p r ( d b 户 原始信号 1 0 21 2 9 1 3 9 第一次削峰信号 9 91 0 81 0 9 第二次削峰信号 9 71 0 1 1 0 2 由于噪声成型技术中的滤波器对限幅噪声进行了整型，所起其功率谱基本没 有带外的泄露，从图3 7 也可以看出两次削峰后的信号频谱基本与原始信号的频 谱重合。 图3 7 噪声成型技术得到的功率谱 第3 章峰均比降低技术的研究及f p g a 实现 3 3 2 改进的噪声成型技术仿真 鉴于噪声成型技术中的滤波器为了避免频谱的带外泄露，所以需要很陡峭的 边沿，导致了在f p g a 实现时需要消耗大量的硬件资源，且噪声成型技术需要多 次的迭代才可以达到比较理想的效果，这样造成需要更多的硬件资源，阻碍了其 实际的工程应用。文献【1 1 对噪声成型技术进行了改进，其原理框图如下所示： 图3 - 8 改进的噪声成型算法 该改进算法第一级限幅仍然采用噪声成型技术，但是在第二次限幅时采用简 单的极性削波技术对噪声成型滤波器输出信号中的峰值信号进行限幅。此算法避 免了噪声成型技术多次迭代，从而减少了资源的消耗。 此算法的仿真仍然采用与噪声成型技术相同的仿真条件。两次的门限都是设 置为9 5 d b 。 图3 9 改进的噪声成型技术c c d f 曲线 w c d m a 数字直放站功放线性化技术的研究 通过图3 - 9 ，我们可以得出表3 2 的数据。我们可以看到，在概率为1 0 2 时， 噪声成型算法，降低峰均比的作用同样很小。当概率为1 0 。3 时，第一次限幅降低 峰均比为2 4 d b ，而第二次限幅则降低了3 d b ；当概率为1 0 。4 时，第一次限幅降 低峰均比为3 3 d b ，而第二次限幅的降低的峰均比为4 r i b 。 表3 2 改进的噪声成型技术不同信号的p a p r 的概率分布 一 1 0 21 0 31 0 4 p a p r ( d b ) 原始信号 1 0 21 2 91 3 9 第一次削峰信号 9 8 1 0 51 0 6 第二次削峰信号 9 89 9 9 9 从图3 1 0 中可以看到第一削峰后的信号和原始信号的功率谱基本重合，而 第二次的极性削波后，信号的频谱却造成了恶化，这是由于极性削波的算法是直 接的截断高峰值的信号。对于具体的工程应用，可以选择的适当门限使得相应的 频谱满足相应标准的要求。 图3 - 1 0 改进的噪声成型技术的功率谱 3 3 3 峰值抵消算法仿真 峰值抵消算法的仿真仍然采用与噪声成型技术相同的仿真条件。两次的门限 第3 章峰均比降低技术的研究及f p g a 实现 分别设置为1 0 d b ，9 5 d b 。仿真的c c d f 曲线如图3 1l 所示： 图3 - 1 1 峰值抵消技术的c c d f 曲线 通过图3 1 l ，我们可以得出表3 3 的数据。我们可以看到，在概率为1 酽 时，峰值抵消算法降低峰均比的作用同样很小。当概率为l o 。3 时，第一次限幅降 低峰均比为2 6 d b ，而第二次限幅则降低了3 d b ：当概率为l o 叫时，第一次限幅 降低峰均比为3 4 d b ，而第二次限幅的降低的峰均比为4 d b 。可以看出信号经过 峰值抵消算法后，达到了削峰的目的。 表3 3 峰值抵消技术不同信号的p a p r 的概率分布 一 1 0 2 1 0 - 31 0 - 4 p a p r ( d b ) 原始信号 1 0 21 2 91 3 9 第一次削峰信号9 91 0 3 1 0 5 第二次削峰信号 9 99 99 9 由于峰值抵消技术中的削峰脉冲信号与原始信号良好的匹配效果，频谱不会 恶化，从图3 - 1 2 也可以看出两次削峰后的信号频谱与原始信号频谱基本重合。 w c d m a 数字直放站功放线性化技术的研究 言 鲁 一 掣 豫 蜜 务 蠡 图3 1 2 峰值抵消技术的功率谱 3 4p c c f r 算法的f p g a 实现 关于峰值抵消算法的具体原理在上面的章节已经有所介绍。本节主要介绍在 f p g a 实现时，其中涉及到一些实现技术，比如坐标旋转数字计算机( c o o r d i n a t e r o t a t i o nd i g i t a lc o m p u t e r ，c o r d i c ) 算法，复用，复数乘法器等等。算法的f p g a 实现的原理框图如图3 1 3 所示： 3 4 1c o r d i c 技术 图3 1 3 p c c f r 实现框图 从图3 1 4 可以看出为了避免使用大量的乘法器资源，在计算信号的幅值和 第3 章峰均比降低技术的研究及f p g a 实现 相位时使用c o r d i c 技术来实现，使用两块r o m 实现三角函数的查找表功能， 通过查找表来计算出对应的s i n 和c o s 的数值。由于查找表的实现相对比较简单， 本文只对c o r d i c 技术进行详细的介绍。 t j 一 c o r d i c 口 一 l i j t 卜呻 幅度 s l n c o s 图3 - 1 4 峰值检测模块的买现框图 在数字信号处理领域中常常会遇到矢量旋转、三角函数运算、指数函数运算 等基本数学函数的计算问题，为了解决这些计算问题j v o l d e r 于1 9 5 9 年提出了 c o r d i c 算澍3 0 1 。其基本思想是：若要求平面矢量进行口角度的旋转，则将此角 度值口分解，用一组预先规定好的基本角度的线性组合去逼近。该方法的巧妙之 处在于基本角度的选取恰好使每次矢量以基本角度值旋转后，新矢量坐标值的计 算只需要进行简单的移位和加法操作就能完成，因此利用c o r d i c 方法可以避 免开方和除法计算。 c o r d i c 有两种计算模式：旋转模式和求模模式。旋转模式是以固定的角度 对信号矢量进行旋转，而求模模式则是将信号旋转到x 的正半轴，求出信号的 模值和相位。两种模式的原理图如下所示： 7 图3 1 5 旋转模式和求模模式 设坐标为仅力的旋转到o ：y ) ，两向量间的夹角为口，则有： j z = ( x + y t a n o ) c 。s 9 ( 3 - 1 2 ) 【y = ( y x t a n o ) c o s o c o r d i c 技术的核心是采用一系列特殊的基本角度包去逼近9 ，其中2 满足： w c d m a 数字直放站功放线性化技术的研究 t 觚2 = 妨，即把任意角度秒表示成一系列微小角度只叠加的结果o = 0 l ，2 ，) 这样就有：口= 屏2 ，其中岛 1 ，一i ，代表第i 次旋转的方向( 向上、向下或 j - - o 不旋转) 。于是式( 3 1 2 ) 所示的旋转就可通过。f 面的过程来实现： s 包- i ；嚣 p 聊 在式( 3 - 1 3 ) 中，c o s 2 = 、i + 三p 1 i _ 2 ( 2 - 一) 2 为校模因子，随着旋转次数的增加，h 瑚c 。s 2 收敛于一个常数k = 0 6 0 7 3 。暂时不考虑常数增益k ，则式( 3 - 1 3 ) 可以写成： y m ) 仁卧y ，2 一层 仔 在硬件实现时主要利用c o r d i c 的求模模式，目的是把坐标( x ，y ) 旋转为 ( x ，0 ) 。f l 拭( 3 1 4 ) 可知，该迭代运算可以仅由加法、减法和移位来实现。而岛的 确定：若而= 0 ，则岛= 0 ；否则岛= s g n ( y , ) 。 最后需要对输出的幅值信号进行增益的补偿，增益kn - j 以等效为 一3 11 ：0 6 0 7 ，有3 1 1 ：2 5 6 + 6 4 8 1 ，那么增益k 也可以通过移位和加减法运算便