（信号与信息处理专业论文）wcdma系统中功放的数字预畸变技术的研究.pdf

w c d m a 系统中功放的数字预畸变技术的研究 摘要 w c d i 哺t a 系统具有多载波，多电平等特点，对功率放大器的线性度 出了较高的要求，线性化技术可分负反馈，前馈和线性预畸变技术， ：文主要讨论其中的数字预畸变技术。 对于功率放大器线性度的改善，传统预失真算法存在低效率和弱 自适应性的缺点，尤其是在高峰均比的w c d m a 系统中。本文重点研究 一种新型的基于有记忆多项式的数字基带预失真算法，该算法有效的 改善了功放的非线性性，抵消了高阶互调失真，具有较强的适应性。 首先，讨论了功放非线性性对w c d v l a 系统信号传输的影响，定量的分 析了信号幅度，相位，功率谱密度，传输误比特率等指标的变化。其 次，完成了模拟预畸变和数字预畸变的比较，最后对数字预畸变系统 的实现进行了讨论，构建了整个数字预畸变系统框架，并通过浮点实 验和定点实验，验证了该算法的高效性和实用性。 关键词：数字预畸变功率放大器w c d m a 功率谱密度 t h ed e s i g na n dr e s e a r c ho fd i g i t a lp r e d i s t o r t i o nt e c h n o l o g yf o r p o w e r a m p l i f i e ri nw c d m as y s t e m a b s t r a c t t h ew c d m as y s t e m ，w i t ht h em u l t i - c a r r i e ra n dm u l t i l e v e l ， r e q u i r e sh i g hl i n e a r i t yo fp o w e ra m p l i f i e r t h el i n e a r i t yt e c h n o l o g i e sc a n b ec l a s s i f i e di n t ot h r e ec l a s s e s t h i sp a p e rd e a l sw i t ht h ed i g i t a lb a s e b a n d p r e d i s t o r t i o nt e c h n o l o g y l o we f f i c i e n c ya n dp o o ra d a p t i v ea b i l i t ya r et h em a i np r o b l e m so f t h et r a d i t i o n a lp r e d i s t o r t i o na l g o r i t h mi ni m p r o v i n gt h el i n e a r i t yo fp o w e r a m p l i f i e r , e s p e c i a l l yi nw c d m as y s t e mw h e r ep e a k t o 。a v e r a g ep o w e r r a t i oi s h i g h 。f i r s t l y ，w e d i s c u s s e dh o wt h en o n l i n e a r i t ya f f e c t st h e t r a n s m i s s i o no ft h ew c d m as i g n a l s ，i l l u s t r a t i n gt h ee f f e c t so ft h e n o n l i n e a r i t yt ot h es i g n a la m p l i t u d e ，t h es i g n a lp h a s e ，t h ep o w e rs p e c t r u m d e n s i t y a n dt h eb i t s e r r o r r a t i o s e c o n d l y ，c o m p a r e d t h er a d i o p r e d i s t o r t i o na n dd l pt e c h n o l o g y f i n a l l y , w ed i s c u s s e ds o m ek e yd e t a i l s i n i m p l e m e n t i n gt h e d l pm o d u l ea n dt h eh a r d w a r ef r a m e w o r k t h e r e s u l t so ff l o a t i n g p o i n tt e s ta n df i x i n g p o i n tt e s tb o t hv e r i f yt h ev a l i d i t y a n dp r a c t i c a b i l i t yo ft h i sa l g o r i t h m k e y w o r d s ：d i g i t a lp r e d i s t o r t i o np o w e ra m p l i f i e rw c d m ap s d 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本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中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电人学或其他教育机构的学位或证书而使刚过的材 料。与我一同：i ：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。 申请学位论文与资料若有不实之处， 本人签名：1 4 龟广i 本人承担一切相关责任。 同期：竺吖：呈：兰望 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电人学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校 攻读学位期间论文 i 作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部 或部分内容，可以允许采片j 影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位 论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论 北京邮电大学硕士毕业论文 w c d m a 系统中功放的数字预畸变技术的研究 1 1 课题研究背景 第一章绪论 近几年来，移动通信事业在我国发展非常迅速，移动通信网络已基本覆盖全 国，但还是存在一些需要加强的覆盖区域，如盲区、边缘地带和狭长地带。而第 三代无线通信系统更是要求高质量无缝覆盖世界各地，并改善盲区和边缘地区的 通信。直放站由于其投资小，性能稳定，建站速度快，对环境要求低，安装维护 简便，是一种很好的解决覆盖的方法。直放站演进的关键技术包括高线形度的功 率放大器技术，射频功放的线性度也直接影响到功放的最大平均输出功率、功放 的效率、带外特性、交互调的程度等，直至影响到整个系统的性能。尤其是在 当代移动通信中，由于系统传输的都是数字多电平信号，对射频功放的线性度提 出了更高的要求。从而近几年来提高射频功放的线性度技术愈来愈受到人们的关 注。 首先，对于w c d m a 信号而言，它具有多载波，宽频带和多电平的特点， 这对于我们通信系统中主要的非线性器件功率放大器( p a ) 而言必定会产生非线 性失真，从而造成信号带内失真和邻带信号干扰，因此必须将失真控制在一定的 范围之内。另外，从效率角度考虑，w c d m a 系统中功率放大器的效率也是一 个非常重要的指标，一般移动通信系统中的大功率放大器的效率仅为8 删， 如果不采用额外的处理，仅采用回退的方法，要达到w c d m a 系统所要求的线 性度，功放的效率仅为l 纠，还会造成终端自主时间过短，基站过热的影响， 因此不能只通过增大功放线性区来消除菲线性失真，线性化技术应运而成。不过， 这对于目前第三代移动通信主流标准w c d m a 系统，其射频信号是多电平的， 具有很高的功率峰均比( p a p r ) ，这对线性化技术提出了掰的挑战。 功放线性化技术主要有负反馈技术、前馈技术和线性预失真技术。预失真技 术是一种简单、实用的技术，主要分为模拟射频预失真和数字基带预失真( d p d ) 。 射频预失真具有提高功放效率、成本低等优点，但是需要使用射频非线性有源器 件，对它们的控制和调整是一个不易处理的过程。数字基带预失真技术不涉及高 难度的射频信号处理，只在基带对信号进行补偿处理，便于采用现代数字信号处 理技术，具有良好的发展前景。本文主要讨论了w c d m a 系统中的数字基带预 失真方法，给出了有记忆多项式自适应的预失真算法来改善a b 类功放( w c d m a 北京邮电大学硕士毕业论文 w c d m a 系统中功放的数字预畸变技术的研究 系统普遍采用的功放类型) 的非线性，并用实际数据进行验证。 1 2 论文主要工作 本文主要研究w c d m a 系统中的数字基带预失真方法，并结合实际的采集 数据对w c d m a 功放进行多项式建模，并给出有记忆多项式自适应的预失真算 法，建立预失真模型，并结合实际数据进行仿真分析。 论文的章节安排如下： 第一章绪论。主要介绍数字预畸变技术的研究背景和文章的框架结构。 第二章相关知识介绍。主要介绍文章所需涉及的一些相关的专业知识。 第三章系统方案。主要介绍数字预畸变模型系统方案的设计。 第四章系统仿真建模及性能分析。主要对系统方案进行建模并结合实际数 据进行仿真，进行性能分析，同时还引用模拟预畸变的仿真结果对 数字预畸变的性能进行比较，分析。 第五章总结和展望。对全文进行总结并对数字预畸变技术的发展前景进行 展望。 第六章参考文献。 第七章致谢。 2 北京邮电大学硕士毕业论文w c d m a 系统中功放的数字预畸变技术的研究 2 1 直放站 第二章相关知识介绍 2 1 1w c d b a 网络建设中直放站的应用 在w c d m a 网络建设过程中，尤其是运营的初期，受投资成本的限制，运 营商不可能一次性建设较多的基站。而基站数量不足将造成信号覆盖不尽如人 意，又会严重影响网络质量，进一步影响用户的发展。为适应企业运营初期投资 大、用户相对较少的状况，运营商必须采用低容量、大覆盖的无线格局。由于直 放站具有利用较低投资成本迅速扩大覆盖区域的特点，因此采用直放站配合基站 建设，可使资金达到最大利用，使网络运行能迅速打开市场，更快地走向盈利。 由此可见，在w c d m a 网络建设初期采用基站和直放站混合布放的方式是最佳 的解决方案。 在w c d m a 网络的优化过程中，直放站同样有着广阔的应用天地。某些边 远地区，例如大城市的卫星城、偏远的居民区、农村的乡镇，或者由于某些自然 及人为障碍物( 如高山、大型建筑物、隧道和地下商场等) 的影响而形成的信号 盲区、阴影区，要求一定的覆盖范围但对容量要求不高，利用直放站来解决这些 地方的网络覆盖是最经济合理的手段。 直放站价格低廉，安装灵活方便，因此用直放站扩展网络，不但可以减少设 备的投资，运行费用也可大大降低。直放站和基站之需建设传输链路或租用线。 室外型的机箱设计可保证设备具备恶劣环境下的野外工作能力，无需建立机房、 空调、大型电源等，可节省大笔运营费用。 2 1 2 直放站与基站的优劣 直放站与基站相比较，其优点主要体现在如下同个方面： ( 1 ) 同等覆盖面积时，使用直放站投资较低。在平原地区室外一个全向基 站可以有1 0 k i n 覆盖半径；一个全向直放站可以有4 k m 覆盖半径；就覆盖面积而 言，六个直放站约相当于一个基站。六个直放站的设备价约为一个基站的8 0 。 但考虑到机房租用和装修、交直流电源、空调、传输系统和电路租金等费用，六 个直放站的费用只相当于于一个基站的5 0 ，甚至更低。 ( 2 ) 覆盖更为灵活。一个基站基本上是圆形覆盖，多个直放站可以组织成 3 北京邮电大学硕士毕业论文 w c d m a 系统中功放的数字预畸变技术的研究 多种覆盖形式。如“一”字型排开，可以覆盖十几至几十公里的路段。也可以组织 成“l ，型、n ”型和“m ”型覆盖，特别适合于山区组网。 ( 3 ) 在组网初期，由于用户较少，投资效益较差，可以用一部分直放站代 替基站。用户发展起来后现更换为基站，替换下来的直放站再进一步放置在更边 缘的地区，这样一步步地滚动发展。 ( 4 ) 由于不需要土建和传输电路的施工，建网迅速。 但直放站与基站相比也有明显的不中，主要表现在： ( 1 ) 不能增加系统容量。 ( 2 ) 引入直放站后，会给基站增加约3 d b 以上的噪音，使原基站工作环境 恶化，覆盖半径减少。所以一个基站的一个扇区只能带两个以下的直放站工作。 ( 3 ) 直放站只能频分不能码分，一个直放站往往将多个基站或多个扇区的 信号加以放大。引入过多的直放站后，导致基站短码相位混乱导频污染严重，优 化工作困难，同时加大了不必要的软切换。 ( 4 ) 直放站的网管功能和设备检测功能远不如基站，当直放站出现问题后 不易察觉。 ( 5 ) 由于受隔离度的要求限制，直放站的某些安装条件要比基站苛刻的多， 使直放站的性能往往不能得到充分发挥。 ( 6 ) 如果直放让自激或直放站附近有干扰源，将对原网造成严重影响。由 于直放站的工作天线较高，会将干扰的破坏作用大面积扩大。c d m a 是一个同 频系统，周边的基站均有可能受到堵塞而瘫痪。 其实，直放站的基本功能就是一个射频信号功率增强器，其中前向放大器放 大基站到移动台的下行信号，反向放大器放大移动台至基站的上行信号。所以功 率放大器是直放站演进的关键技术。下面我们就简要介绍下功放的相关知识。 2 2 功率放大器 功放是现代通信系统的重要组成部分，它是一种典型的非线性器件。线性度 和效率是功放的两个关键性指标，两者之间往往是矛盾的。高线性度的功放，往 往效率不高，例如a 类功放，高效率的功放往往线性度不够，例如b 类功放， 为了兼顾线性度和功放，移动通信系统中常采用a b 类功放。但c d m a 基站信 号是由多路信号叠加而成的，因此峰均比p a p r 较高，即使采用a b 类功放也很 难保证线性度。为了容纳峰值信号，功放的工作点往往要回退( b a c ko f t ) ，因此 导致实际系统的功放效率不高，大量的功率转化为热能消耗，并且需要额外的散 热设备保证系统正常工作【5 】 9 】。为了同时获得高线性度和高效率，采用预畸变 4 北京邮电大学硕士毕业论文w c d m a 系统中功放的数字预畸变技术的研究 技术是一种非常好的方法。 2 2 1无记忆功放模型 功放实质上是输入输出信号的非线性变换系统。当输入的r f 信号是窄带信 号时，功放的输出响应与信号频率没有关系，称为无记忆p a 。功放的输出响应 包括a m a m 响应和a m p m 响应。下图给出了a b 类功放的无记忆响应。 o 署 善 善 墨 占 i n p u ta m p l i t u d e ( a ) 肿a m 响应 言 争 已 客 呈 宝 可 i 盂 i n p u ta m p l i t t i d e ( b ) a m - p m 响应 图2 - 1a b 类功放的输出响应 一般的，无记忆功放可以建模为幂级数，其带通信号模型为 r 夕( f ) = 犯( z ) 扣1 ( 2 1 ) 其中，魂是实系数，乞( f ) 是功放输入的带通信号， 号。与其相对应的基带信号模型为 f y ( f ) = z ( r ) l z ( f ) r k = l k z m d 歹( f ) 是功放输出的带通信 ( 2 2 ) f ，k 、 瓯= 2 以+ 1l 七一ll 反 其中， l 2 。在基带等价模型中，只含有奇数阶信号，偶数阶 信号的系数为0 。 2 2 2有记忆功放模型 w c d m a 系统属于宽带信号系统，功放的输出响应与输入信号的频率有关， 此时功放可以看作是有记忆非线性变换系统，它的行为更加复杂。有记忆功放的 a m a m 和a m p m 响应如下图所示。 5 北京邮电大学硕士毕业论文 w c d m a 系统中功放的数字预畸变技术的研究 ( a ) a m a m 响应( b ) a m - p m 响应 图2 - 2 有记忆功放的输出响应 对于有记忆功放，常常建模为前置、后置线性滤波器和延时抽头线( t d l ) t l z 线性单元的级联 8 】，如下图所示。 叫苏h 黧h 焘p 图2 - 3 有记忆功放的模型结构 该模型可以采用如下的公式表示。 “( 疗) = 口，z ( n - 1 ) 1 = 0 kl - i y ( 栉) = “( 刀一1 ) l u ( n 一叫卜1 t = l1 - - - 0 k o d d 一i j ，( 刀) = c r y ( n - 1 ) ( 2 3 ) 其中，l a 表示输入滤波器的阶数，l c 表示输出滤波器的阶数， k l 】分别表 示非线性滤波器的多项式阶数和记忆长度。根据 8 】对w c d m a 信号的测试结果， 可以取l a = 4 ，l e = 6 ， k l 】= 【5 ，4 】。 2 3 预畸变技术 在大功率收发信机领域，射频功放的线性度一致是人们重视的指标之一。射 频功放的线性度直接影响到功放的最大平均输出功率、功放的效率、带外特性、 交- 0 _ 调的程度等，直至影响到整个系统的性能。尤其是在当代移动通信中，例 如2 g 、3 g 及b 3 g ( 4 g ) ，由于系统传输的都是数字多电平信号，对射频功放的 6 北京邮电大学硕士毕业论文 w c d m a 系统中功放的数字预畸变技术的研究 线性度提出了更高的要求。从而近几年来提高射频功放的线性度技术愈来愈受到 人们的关注。 概括起来提高射频功放的线性度技术主要分为如下几类： 1 负反馈技术 负反馈技术用来提高射频功放的线性度包括了射频端负反馈、中频负反馈技 术等。射频端负反馈是在预功放和末级功放采用负反馈技术，中频负反馈是在中 频调制到末级功放中采用负反馈技术。由于负反馈技术能够抑制放大器的非线性 失真，可以提高射频功放的线性度。但是由于负反馈环的稳定性较差，尤其是宽 带放大，对于大功率射频功放的线性改善程度不够理想。此项技术在射频功放中 很少采用。 2 前馈技术 前馈式射频功放中包括了一主一附两个功率放大器，附功率放大器输出的是 与主功率放大器所产生杂散信号的相同信号，在馈与天线之前将主、附两个功率 放大器的输出进行反相耦合，达到消除主功率放大器所产生杂散信号的目的，从 而改善射频功放的线性度。但是主要由于需要双功率放大器，成本上加大，目前 采用较少。 3 线性预畸变技术 线性预畸变功率放大器是在末级功放前将输入信号进行预处理，使输入信号 产生畸变，其畸变特性与末级功放的( 非线性) 特性相反，即对末级功放的非线 性进行补偿，达到末级功放输出线性的目的。线性预畸变功率放大器比前两种优 越性较多，目前国内外采用较多。 线性预畸变功率放大器又可分为两类：数字预畸变( d l p ) 和模拟预畸变功率 放大器。 数字线性预畸变( d l p ) 功率放大器是在基带数字信号上产生预畸变，提高末 级功放输出的线性度。而模拟预畸变功率放大器又可分为中频( 模拟信号) 预畸 变和射频( 模拟信号) 预畸变。中频预畸变是与中频调制相结合，将中频已调信 号进行线性预畸变。射频( 模拟信号) 线性预畸变( r l p ) 是在末级功放前进行预 畸变。 线性预畸变技术是一种非常有效的补偿功放非线性效应的手段，按照 线性化的技术特点，可以分为前馈结构、反馈结构和预畸变结构，预畸变 既可以在基带实现，也可以在射频实现。现代通信系统中常采用数字线性 预畸变技术，它的结构如下图所示。 7 北京邮电大学硕上毕业论文w c d m a 系统中功放的数字预畸变技术的研究 图2 - 4 线性预畸变单元的结构 有图可知，d l p 单元包括预畸变训练和预畸变处理两个子模块，它们 的结构是完全相同的。由于功放的非线性是慢时变的，因此可以在功放输 入端送入信号z ( 刀) ，利用功放的输出信号y ( 万) 作为参考，合成功放的输入估 计信号三( 疗) ，从而得到误差信号p ( 甩) ，采用类似于l m s 算法的递推公式， 调整三个级联滤波器的抽头系数，直至收敛。预畸变器的训练称为间接学 习过程。然后将滤波器的系数拷贝到预畸变器中，这样就完成了对非线性 功放的补偿。具体算法参见 5 】。 、 勺 、。 口 山 n o r m a l i z e df r e q u e n c y 图2 - 5d l p 对于三载波w c d m a 信号p s d 的改善 线性预畸变具有非常好的系统性能。上图给出了线性预畸变技术对于 三载波w c d m a 信号功率谱( p s d ) 的改善情况。 图中，( a ) 表示未经过预畸变的信号，( b ) 表示采用无记忆预畸变的信号， ( c ) 表示采用有记忆预畸变的信号，( d ) 表示原始的输入信号，有图可知，对 于宽带w c d m a 信号，采用无记忆预畸变没有大的改善，而采用有记忆预 畸变技术有非常显著的性能改善，即( c ) ( d ) 几乎是一致的。 下图给出了无噪声条件下预畸变器输出的信号z o ( 甩) 、误差信号 北京邮电大学硕士毕业论文w c d m a 系统中功放的数字预畸变技术的研究 ( n o i s e l e s sc a s e ) 和有噪声情况下误差信号( n o i s yc a s e ) 的p s d 。有图可知， 噪声对于预畸变器的影响可以在容忍范围内。 2 4 本章小结 吖 【：z o o ) r 一 ；h f “o、 厂、a - a 八 v ； y y毋! ! 瓣霉 a 如 序 i ，。一k i ； v _ 、， l ， 1 ； ：。 a 0 黛y 廿。弩域、； y k 一 礴蠡c 彬州一0 ： l加j- 0 6 n 由200 20 4 0 6 0 8i n o r m a l i z e df t , e q u e a c y 图2 - 6 噪声对于d l p 的性能影响 本章主要介绍了我们研究数字预畸变技术中可能遇到的一些相关知 识，主要包括直放站，功率放大器和预畸变的相关技术，下面我们对具体 的系统结构进行说明和仿真。 9 一号一9pn甚乏基nj艺墨-9萎d 北京邮电大学硕十毕业论文w c d m a 系统中功放的数字预畸变技术的研究 3 1d l p 方案 第三章系统方案 数字线性预畸变( d l p ) 功放方案方框图如图3 一l 所示。方案主要包括发 射支路、参考支路及数字处理部分。 发射支路主要包括：上变频、功放和发射天线等。 参考支路主要包括：高频偶合、下变频、中放等。 数字处理部分主要包括：中频一基带接收和发送( a d 、d a 、数字调制 解调器、 i ik l 一一一一- _ 一 图3 - 1 数字线性预畸变方案方框图 3 1 1 数字中频单元( d i f ) 数字中频单元i f ) 包括数字上变频( d u c ) 和数字下变频( d d c ) 两种模块。一 般的，当输出信号带宽大于输入信号带宽1 0 以上时输出，定义为宽带系统。 w c d m a 直放站单载频的中频带宽为+ 6 m h z ，四载频的中频带宽为+ 3 0 m h z ，因 此是典型的宽带信号。 数字下变频( d d o d d c 的基本功能是对宽带i f 信号进行解调，然后进行信号样值抽取 ( d e c i m a t i o n ) ，最终得到单路窄带基带信号。它的基本模块包括级联积分梳 状滤波器( c i c ) 、成形滤波器( s h a p ef i l t e r ) 、半带滤波器以及自动增益控制 ( a g c ) 等。d d c 的原理如下图所示。 l o 北京邮电大学硕士毕业论文w c d m a 系统中功放的数字预畸变技术的研究 来自 图3 - 2d d c 原理结构 图中，经过带通滤波器的信号首先进行高速a d 变换，接着与n c o 产 生的正交载波相乘，得到解调后的高采样率信号。由于基带信号带宽小于 中频信号，因此不必要如此高的采样率，可以通过抽取( d e c i m a t i o n ) 的方法 降低采样率。抽取滤波器常用c i c 滤波器，由此基带信号送入2 阶c i c 滤 波器与5 阶c i c 滤波器，然后再送入r r c 成形滤波器，最后送入半带滤波 器，经过自动增益调整后得到i q 两路的基带信号。 c i c 2 的滤波器传递函数为： ( z ) = 两1 鼯f 1 0 9 2 卜陪 2 【等+ 删 2 ， ：= 轰2 却w 一删 ( 3 3 ) 其中，蚝c ：，k ：都是无符号整数，m c ，c ：表示抽取速率，取值为1 4 0 9 6 ， k ：表示插值速率，取值为1 - 5 1 2 。：表示比例因子，d k ：表示输出信 号幅度。 c i c 5 的滤波器传递函数为： 一万1 1 - ：z - u 唧 一 5 8 4 ， ；_ - f l 。g ：( m ，d k ：) 1 - 5 ( 3 5 ) o k ，= 等5 o l a c ： ( 3 6 ) 其中，m ，；表示抽取速率，取值为2 3 2 ，& ，。表示比例因子，弘，。表示 兰一 z 一- 一 一】害 北京邮电大学硕士毕业论文w c d m a 系统中功放的数字预畸变技术的研究 输出信号幅度。 r r c 升余弦滚降成形滤波器的时域响应为9 】： h ( t ) = ( 3 7 ) 其中，滚降因子口= 0 2 2 。 对于w c d m a 信号，上述三级滤波器级联的频域响应如下图所示。 c 1 卸u - 一 一1 5 x i 0 41 , 0 x i o - 5 0 0 0o k l , r 图3 - 3w c d m ad u c 输出信号的频谱 数字上变频( d u c ) d u c 的基本功能是对基带信号进行插值( i n t e r p o l a t i n g ) ，然后进行调制， 最终得到数字中频信号。它的基本模块包括( c i c ：c ) 、成形滤波器( s h a p e f i l t e r ) 等。d u c 的原理如下图所示。 1 2 北京邮电大学硕士毕业论文w c d m a 系统中功放的数字预畸变技术的研究 图3 - 4d u c 原理结构 图中，经过i q 两路基带信号首先进行r r c 滤波，接着通过插值滤波 器c i c 2 和c i c 5 ，然后与n c o 送来的正交载波信号相乘，进行调制，最后 经过自动增益调整后，送入d a c ，得到中频调制信号。 c i c 5 的滤波器传递函数为： ，1 一，一，v i - ( z ) 2 l 寺i ( 3 8 ) 其中，k ，是插值因子，取值范围1 3 2 。 c i c 2 的滤波器传递函数为： 日c z ，= 1 - z - z c 耽) 2 其中，k ：是插值因子，取值范围1 - 3 2 。 r r c 成形滤波器的时域响应与公式( 7 ) 相同，不再赘述。 3 1 本章小结 本章主要介绍了数字预畸变技术应用的系统方案，提出了整个系统模 型，下文将进一步对系统模型进行建模仿真，并结合实际数据对仿真结果 进行性能分析。 a 北京邮电大学硕士毕业论文w c d m a 系统中功放的数字预畸变技术的研究 4 1 功放建模 第四章系统仿真建模及性能分析 前文中讨论的功放是非线性有记忆的功放，在已知功放输入和输出的情况 下，我们用非线性有记忆的多项式来建立功放的模型，通过已知的输入和输出来 训练多项式的抽头系数，得到训练系数以后，我们可以通过比较实际输出的和训 练拟合后输出功率谱的密度图来判断拟合系数的精度，以此来确定多项式模 型是否为等效的功放模型。 我们期望直接得到晰e 1 1 e r 模型的系数，因为维纳模型是功放的基带模型， 且其预畸变器有着完备的正交系，可以减小各个分量的相关性，使预畸变的效果 达到最优。但从前面公式可以看到，对于w i 盯模型系数的拟和没有直接有效 的算法，这是一个难题。为此我们提出下面的方法来间接的得到w i e n e r 模型的 系数。 1 、首先得到功放的通带模型即有记忆的多项式模型，其对应得如下。 ( 4 1 ) 其中y ( 刀) 代表输出数据，j ( 行) 代表输入数据，m ，为多项式的记忆长度，p o 为多项式的阶数，a 为多项式的系数。 这个模型根据实际的输入输出信号，可以通过迭代算法训练出较为精确 的参数。 2 、有记忆多项式模型系数的采用迭代的最小二乘法训练如下： 首先，设定多项式的记忆长度肌，和阶数p d ，建立基本的多项式模型。然 后根据迭代最小二乘法，逐步收敛出多项式的系数，也即是其抽头系数， 接着用同样的输出经过已经固定系数的多项式，得到拟合的输出，通过比 较拟合输出和实际输出的功率谱密度特性来判断拟合效果，如果不满意可 以通过改变多项式的记忆长度m ，和阶数岛，或通过加大训练序列的长度进 1 4 丹 +村 口+m一万 p 一 办 x p 纠舢 耐 = 一 y 北京邮电大学硕士毕业论文w c d m a 系统中功放的数字预畸变技术的研究 一步进行拟合。 3 、然后利用文献 9 p 1 9 页提供的类似公式将通带模型功放等价到 基带功放模型，这样就得到了和云海公司实际功放吻合的w i e n e r 模型的系 数。 经计算，多项式模型取【p o ，m l 】_ 5 ，4 】，这是算法复杂度和功放性能逼 近二者之间一个合适的平衡点。与其等价的w i e n e r 模型的【k ，l 】= 【5 ，2 】。图 4 1 给出实际输入数据经过拟和出的多项式功放、w i e n e r 功放的输出和实际 功放功放输出的p s d 图。 图4 1 给出了实际信源输入、实际输出、多项式功放和w i e n e r 功放的p s d 性能比较。实际信源和实际输出直接得到p s d ，对于后两个，则先用实际信源进 入功放得到输出，再画出输出数据的p s d 。 功放模型p s o 图比较 图4 - 1 功放模型的p s d 性能比较 ( a ) 实际输入；( b ) 实际输出；( c ) 多项式功放输出；( d ) 维纳功放输出 经过比较我们可以看出，经过训练得到的维纳功放有着良好的性能，近似接 近实际功放的频率特性，并且性能优于多项式功放，完全可以根据w i e n e r 模型 来研究d l p 算法。 4 2 线性化技术概述 近年来，无线通信频段变得越来越拥挤，为了在有限的频谱范围内容纳更多 北京邮电大学硕十毕业论文 w c d m a 系统中功放的数字预畸变技术的研究 的通信信道，要求采用频谱利用率高的传输技术。但是由于放大器存在非线性( 其 输入输出特性与输入信号的包络幅度有关) ，信号的包络波动将产生交调失真和 频谱扩展。为了解决这个问题，一般的方法是采用大功率放大器进行功率回退， 使放大器工作在线性放大区。在这种情况下，电源利用效率一般仅为1 5 ， 而且大功率器件只能输出很小的有效功率，其本身潜力不能充分发挥，造成整机 成本的提高。另外一个办法是采用线性化技术，即采用适当的外围电路，对放大 器的非线性特性进行线性化纠正，从而在电路整体上呈现对输入信号的线性放大 效果。近年来，随着国外第三代移动通信系统( 3 g ) 的逐渐商用，有一些线性 化方案发展较为迅速，并已经成功地进入了实用化阶段。 在线性化技术中，线性预畸变功率放大器是在末级功放前将输入信号进行预 处理，使输入信号产生畸变，其畸变特性与末级功放的( 非线性) 特性相反，即 对末级功放的非线性进行补偿，达到末级功放输出线性的目的。线性预畸变功率 放大器比功率回退性能优越，目前国内外采用较多。 线性预畸变功率放大器又可分为两类：数字预畸变( d l p ) 和模拟预畸变( r l p ) 功率放大器。 射频( 模拟信号) 线性预畸变( r l p ) 是在末级功放前进行预畸变。整体上来 讲，r l p 具有电源效率高，成本低等优点，是一种较有发展前途的技术。但是这 种方法需要使用射频非线性有源器件，它们的调整和控制一个不易处理的过程。 数字线性预畸变( d l p ) 功率放大器是在基带数字信号上产生预畸变，提高末 级功放输出的线性度。d l p 不涉及难度大的射频信号处理，只在低频部分对基 带信号进行补偿处理，因此这种方法便于采用现代的数字信号处理技术。采用基 带信号预失真方法，适应性较强，而且可以通过增加采样率及增大量化阶数的办 法来抵消高阶互调失真。因此，发展基带预失真技术将具有相当重要的意义。 4 3仿真环境 本文重点研究d l p 技术的应用，所以主要是基于d l p 算法的仿真，而d l p 仿真在m a t l a b7 1 环境下完成。m a t l a b 将高性能的数值计算和可视化集成在一 起，并提供了大量的内置函数，且仿真结果精准可靠，在通信系统、信号处理领 域中得到了广泛应用。此外，借助于其定点仿真工具包，加快了d l p 定点仿真的 进展速度，对于r l p 仿真，在这里我们主要是引用r l p 项目组成员的仿真结果， 用于对性能进行比较，其仿真是在m u l t i s i m7 0 环境下完成的。 4 4r l p 性能分析 1 6 北京邮电大学硕士毕业论文w c d m a 系统中功放的数字预畸变技术的研究 4 4 1r l p 原理与实现 如前所述，放大器的非线性包括幅度和相位两部分。并且幅度和相位的非线 性产生的交叉调制失真正交，因此模拟预失真电路应同时具备与放大器相反的幅 度和相位特性。这样在叠加的时候才能消除非线性成分。 补偿原理如下图所示： x 图4 - 2 双音补偿原理 z 图4 - 3 预失真补偿原理图 模拟射频预畸变补偿是一种全电子补偿，电路的实现如前所述通常都是利用 二极管的伏安特性，硬件结构简单，成本较低。下面给出二极管的伏安特性一 般要求其非线性传输特性和被补偿的调制器的失真特性尽可能相似。一般都会选 择肖特基势垒二极管，关键是获得幅度特性相同，相位相反的失真补偿信号。 旦 l = l c e “一1 ) ( 4 - 2 ) 肖特基二极管的幅度特性如图4 _ 4 ： 1 7 j 匕京邮电大学硕上毕业论文w c d m a 系统中功放的数字预畸变技术的研究 1 0 b 善6 蓦 雷4 2 o 0 51 0 i 52 , 02 5 1 l ! 压肿 图4 - 4 肖特基二极管幅度特性图 这样，我们就找到了满足图4 2 中要求的器件。需要注意的是，在选择补偿 管子时不仅要根据需要补偿的幅度来选择，还要考虑管子的频率特性( 工作在射 频下) 。二极管的种类繁多，所以我们总能找到带宽足够且幅度特性的拐点是我 们需要补偿的幅度值的管子。这样，挑选管子就成了一个关键的环节。 整个电路的设计包括两个方面：电路形式的设计、管子的挑选以及一些具体 环境参数的设定。当然，在一定范围内，预失真电路形式是相当固定的，我们要 做的只是对管子的反复挑选。经过几种电路形式的比较( 注：这里没有考虑对管 子个数和电源的限制) ，以整个系统i m 3 最小作为目标选取了下面的电路作为预 失真电路。根据不同指标，电路中各个元件的参数值都可以调整。 4 4 2 双音测试 双音测试中，两个音频分别取1 6 g h z 和2 g h z ，这个频率范围含有w c d m a 信号的所有频率。( 曾经采用一系列单频信号源来模拟，但交调太多，不利于手 工分析) 。在测试中，由于所有器件均采用理想器件，且对管参数完全对称，这 应当是r l p 方案最好的测试结果，实际中的性能要低于本测试。 无预畸变前的频谱分析： 北京邮电大学硕士毕业论文w c d m a 系统中功放的数字预畸变技术的研究 图4 - 5 交调测试电路 对节点4 作傅立叶分析，得到的频谱分布如下： 图4 - 6 拗口预失真的频谱图 上面图中从左到右的9 个频点的坐标以及幅度的d b 值依次为： 表4 - 1 未加预失真的频谱表 序号 123456789 f ( m h z ) 4 0 08 0 01 2 0 01 6 0 02 0 0 02 4 0 02 8 0 03 2 0 03 6 0 0 a ( d b ) 1 1 04 9 51 3 72 2 71 5 32 9 41 5 11 0 55 5 4 其中三阶交调为2 1 6 0 0 2 0 0 0 = 1 2 0 0 m 和2 * 2 0 0 1 6 0 0 = 2 4 0 0 m 。这两点的增益 分别为1 3 7 d b 和2 4 d b 。 1 9 北京邮电大学硕士毕业论文w c d m a 系统中功放的数字预畸变技术的研究 图4 - 7 预失真测试电路 对节点7 作傅立叶分析，得到的频谱分布如下： 图4 - 8 加预失真后的频谱图 上面图中从左到右的8 个频点的坐标以及幅度的d b 值依次为： 表4 - 2 加预失真后的频谱表 序号 12345678 f ( m h z ) 4 0 08 0 01 2 0 01 6 0 02 0 0 02 4 0 02 8 0 03 2 0 0 a ( d b ) 1 1 23 5 33 71 4 71 4 72 8 22 8 18 7 其中三阶交调为2 1 6 0 0 2 0 0 0 = 1 2 0 0 m 和2 * 2 0 0 1 6 0 0 = 2 4 0 0 m 。这两点的增益 2 0 北京邮电大学硕士毕业论文w c d m a 系统中功放的数字预畸变技术的研究 分别为3 7 d b 和2 8 2 d b 。 相比之下，3 阶交调下降了1 0 d b 和0 1 4 d b 。对于2 4 0 0 m 这个频点改善较少 的原因是由于我们选取的肖特基二极管1 b h 6 2 带宽限制造成的。不过对于 2 4 0 0 m 这个频点来说，2 9 的d d 的增益也不算高。从这个例子，可以看到选取 管子时对于带宽参数考虑的重要性。 温度特性通过分析按钮由下的t e m p e r a t u r es w e e pa n a l y s i s 选项来进行；管 子老化可以通过分析按钮由，下的w o r s tc a s e a n a l y s i s 选项来进行，最坏情况分 析相当于在容差范围内多次运行制定的分析，给出元件参数变化对电路性能的最 坏影响；统计容差分析是m o n t ec a r l o a n a l y s i s ( 蒙特卡罗分析) 完成的，可以对 电子产品“性能样机工业样机批量产品”整个过程的模拟。 4 4 3 结论 下面根据仿真和实际经验给出射频模拟预失真系统的优缺点。 【优点】： l 、改善功放线性度约1 0 d b 。 2 、电源效率高，成本比较低。 3 、电路结构简单，易于高频和宽带应用。 4 、能够处理多载波信号，目前多载波线性功放正在发展中。 缺点】： 根据测试结果和国内学者采用数字预失真的测试结果比较来看，其不足之 处大致有以下几点。 1 、频谱分量改善较少，仅线性度改善1 0 d b 。( 数字预失真结果一般至少改 善2 0 d b ) 。 2 、高阶频谱抵消困难，这是由于带宽所限。 3 、射频非线性器件的调整比较麻烦。在仿真中，曾经使用过1 0 余种管子。 4 、对应于本设计方案，高对称的管子的匹配在实际中有一些困难。 2 l 北京邮电大学硕上毕业论文 w c d m a 系统中功放的数字预畸变技术的研究 4 5d l p 性能分析 本部分主要测试数字基带预畸变方案，考虑到实际d s p 器件的有限字长效 应，测试分为浮点仿真和定点仿真两部分。在4 4 1 和4 4 2 讨论浮点仿真的实现 和结果，在4 4 3 和4 4 4 节讨论系统的定点仿真以及仿真结果。在d l p 算法实 现时，对输入数据进行了滤波，从4 4 2 的方针结果中可以明显看出该前端滤波 器可以提高整体系统的性能。所以预畸变之前的滤波器也是4 4 1 、4 4 2 讨论的 一个重点。 4 5 1d l p 浮点仿真原理 现代通信系统中常采用数字线性预畸变技术，其本质是在p a 前面串联一 个函数模块，该模块能补偿p a 的压缩特性。在理想的情况下，d ip 单元和p a 组成的系统的输入输出关系是线性的。由图4 - 9 可知，d l p 单元包括预畸变训 练和预畸变处理两个子模块，它们的结构是完全相同的。在功放输入端送 入信号z ( 以) ，利用功放的输出信号j ，( 刀) 作为参考，合成功放的输入估计信号 三( 甩) ，从而得到误差信号p ( 以) ，采用最小二乘法，调整训练预畸变的抽头系 数，直至收敛。预畸变器的训练称为间接学习过程，由于功放的非线性是 慢时变的，因此可以在收敛后将得到的系数拷贝到预畸变器中，就完成了 对非线性功放的补偿。 图4 - 9d l p 系统框图 如前所述，求得抽头的系数是算法的最终目标。由于功放是有记忆的，无 记忆的预畸变改善效果有限，所以本文采用了有记忆的多项式预畸变模型。 预畸变的工作模式分为训练模式和跟踪模式。在训练阶段构造出预畸变器，对 于图1 1 ： ( 4 3 ) 其中，y ( 开) 和z ( 力) 分别为预畸变器的输入和输出；q 为最大延迟；为预 一 i g 一万 yg 一 玎 y 幻 口 口础 石捌 = 以z 北京邮电大学硕士毕业论文w c d m a 系统中功放的数字预畸变技术的研究 畸变器的系数。定义 则 ，幻( 行) = y o q ) l y ( 刀一硝一1 利用最d x - - 乘法可得上式 z = 鼬 ( 4 - 4 ) ( 4 5 ) ( 4 6 ) 由于非线性多项式，如j ，y y l j ，1 2 是高度相关的，这会影响：的准确性。而 使用正交多项式可以减小这一正交性，我们把式( 4 -