（通信与信息系统专业论文）cdma2000基站中功放线性化技术的设计与实现.pdf

西北工业人学硕士学位论文 摘要 摘要 随着通信技术的飞速发展，特别是第三代码分多址( c ) k 4 ) 通信系统的开发应 用，越来越多的通信产品，如手机、个人数字助理( p d a ) 以及蓝牙产品，向高集成， 小体积，低成本和多功能的方向发展，这就要求通信产品中的功率放大器具有较 高的效率。另一方面，随着手机用户的激增以及其它数字通信产品的普及，通信 信道变得越来越拥挤，要求通信技术能够充分利用频谱带宽资源，先进的编码和 调制技术能够有效地提高频谱带宽的利用率，但这些技术对功率放大器的非线性 都很敏感，会引起较大的非线性失真，这就要求功率放大器具有良好的线性特性。 本文结合实际工程讨论了常用的功放线性化技术，重点研究了数字预失真技术 在c d m a 2 0 0 0 基站系统中的应用。首先，了放大器的非线性特性，对目前功放线性 化技术以及基本概念进行了归纳和总结，其中，详细分析了非线性失真产生的机 理以及如何抑制的方法；接着详细介绍了数字预失真方法并着重研究了极坐标预 失真技术，然后用p m c - s i e r r a 公司提供的p m c 数字预失真套片完成其功能；最后 给出了基于p m c 数字预失真系统的软件设计和实现，实测结果表明p m c 数字预失 真系统对信号相邻信道功率比( a c p r ) 大约有l o d b 的改善，已成功应用于c d m a 2 0 0 0 基站系统中。 【关键词】基站非线性失真功放线性化预失真相邻信道功率比 西北工业人学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h e d e v e l o p m e n t o fc o m m u n i c a t i o n t e c h n i q u e s ，e s p e c i a l l y w i t ht h e p h e n o m e n a lg r o w t ho fc d m ac o m m t m i c a t i o ns y s t e m ，n l o r ea n dm o r ec o m m u n i c a t i o n p r o d u c t s s u c ha sh a n d s e t ，p e r s o n a l d i g i t a la s s i s t a n t s ( p d a s ) a n do t h e rb l u et o o t h p r o d u c t sa r ew i d e l yu s e d t h et r e n dp r e s e n t st h er e q u i r e m e n tf o rc o m p a c ta n dp o w e r e f f i c i e n tr a d i os y s t e m o nt h eo t h e rh a n d ，w i t ht h ed r a s t i c a l l y i n c r e a s i n g u s e r so f c o n u n u n i c a t i o n s y s t e m ，t h ec o m m u n i c a t i o n sc h a n n e l s a r e b e c o m i n gi n c r e a s i n g l y c r o w d e d ，w h i c hp o s e sas t r i n g e n tn e e df o ri m p r o v e dr a d i of r e q u e n tb a n d w i d t h e f f i c i e n c y t h i s i nt u r np r e s e n tar e q u i r e m e n tf o r s o p h i s t i c a t e dd i g i t a lm o d u l a t i o n s c h e m e si nm o d e mr a d i os y s t e m ，r e s u l t i n gi ns t r i c t e rl i n e a r i t yr e q u i r e m e n to nt h e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m t h ew o r kp r e s e n t e di nt h et h e s i sc o m b i n e dw i t haa c t u a lp r o j e c tt od i s c u s st h e c o m l t l o l l l yu s e dt e c h n i q u e so fr fp o w e ra m p l i f i c a t i o nl i n e a r i z a t i o n ，m a i n l yd i s c u s s e d t h e d i g i t a l p r e d i s t o r t i o nt e c h n i q u ew i t l l a p p l i c a t i o n t oc d m a 2 0 0 0b a s es t a t i o n s y s t e m a tf i r s t ，a n a l y s en o n l i n e a rc h a r a c t e r i s t i co fp o w e ra m p l i f i c a t i o n , g e n e r a l i z et h e l i n e a r i z a t i o nt e c h n i q u e sa n dt h eb a s ec o n c e p t sa tp r e s e n t ，a n a l y s et h em e c h a n i s mo f n o n l i n e a rd i s t o r t i o na n dh o wt od e c r e a s ei ti nd e t a i l ；s e c o n d ，d i s c u s st h ed i g i t a l p r e d i s t o r t i o nt e c h n i q u ea n d s e l f a d a p t a t i o n a la l g o r i t h m ，a n d u s ep m cd i g i t a l p r e d i s t o r t i o nc h i pt oa c c o m p l i s ht h ef u n c t i o nw h i c hs u p p l i e db yp m c - s i e r r a c o m p a n y ；f i n a l l yt h i sp a p e rp r e s e n t st h es o t 3 c w a r cd e s i g na n dr e a l i z a t i o nb a s e d o l lp m c d i g i t a lp r e d i s t o r t i o ns y s t e m t h et e s tr e s u l tp r e s e n t st h a tt h i ss y s t e mc a r li m p r o v et h e a c p rm o r et h a n1 0 d b ，w i t ha p p l i c a t i o nt oc d m a 2 0 0 0b a s e s t a t i o ns y s t e m s u c c e s s f u l l y k e yw o r d s ：b a s es t a t i o n ，p o w e ra m p l i f i c a t i o n l i n e a r i z a t i o n ，p r e d i s t o r t i o n a c p r 两北工业人学硕士学位论文 第章绪论 1 1 移动通信的发展 第一章绪论 随着社会的发展，人们期望能随时随地，不受时空限制地进行信息交流与通 信，而只有移动通信才能满足这种需求。在近1 0 年中，移动通信技术已成为当今 发展最迅速，应用最广泛，最引人注目的通信技术。 从2 0 世纪8 0 年代起，移动通信技术获得了很大的发展，从传统的单基站大 功率系统到蜂窝移动系统、卫星移动系统；从本地覆盖到区域、全国覆盖，并实 现了国内、国际漫游；从提供语音业务到提供包括数据的综合业务：从模拟移动 通信系统到数字移动通信系统等。第一代无线模拟通信系统的产生是无线通信行 业的一个里程碑，而第二代( 2 g ) 数字系统的到来，则更进一步提高了通信容量、 音质，并且提供了一些低速率的数字服务。目前在2 g 系统中，主要有基于t d m a 技术的g s m 通信系统和基于c d m a 技术的i s 9 5 通信系统。 前两代移动通信系统主要以语音业务为主，而第三代( 3 g ) 标准有3 个，分别是 欧洲的w c d m a ，北美的c d m a 2 0 0 0 和中国提出的t d s c d m a 。w c d m a 的标 准由3 g p p 组织所主导，其成员主要来自欧洲国家。目前w c a m a 有r e l e a s e 9 9 ， r e l e a s e 4 和r e l e a s e 5 三个版本。其中r 9 9 最为成熟稳定。目前在全球已经安装和 试开通的w c d m a 网络都是基于这个版本的。 c d m a 2 0 0 0 是迄今为止实现了产品化并且商用的3 g 标准。c d m a 2 0 0 0 的标 准由3 g p p 2 组织所主导，其成员主要来自北美。c d m a 2 0 0 0 系统的标准演进又分 为如下几个阶段：c d m a 2 0 0 0 - l x ( 单载波) ，c d m a 2 0 0 0 - l x e v - d o ( 单载波增强 型高速数据) ，c d m a 2 0 0 0 1 xe v - d v ( 单载波增强型- 高速数据和语音) 和 c d m a 2 0 0 0 3 x ( 三载波) 。其中c d m a 2 0 0 0 1 x 系统技术已成熟，北美，韩国运营 商已通过该系统提供商业服务，中国的联通也已经在做商用实验。c d m a 2 0 0 0 能 实现对c d m a ( i s 9 5 ) 系统的完全兼容，技术延续性好，可靠性较高。目前也使 c d m a 2 0 0 0 成为第二代向第三代移动通信过渡壤平滑的选择。目前中国在 c d m a 2 0 0 0 方面的研究与国外基本同步。继推出全套i s 9 5 商用系统后，中兴通 讯公司( z t e ) 于2 0 0 0 年底成功打通c d m a 2 0 0 0 一l x 的语音电话，并于2 0 0 1 年3 月 两北t 业人学硕士学位论文 第一章绪论 成功实现了1 5 3 k 双向高速分组数据业务，通过双向视频流，w e b 浏览，f t p 等多 种应用验证了其性能。目前c d m a 2 0 0 0 1 xe v - d o 研究也正在进行。 t d - s c d m a 作为中国提出的第三代移动通信标准，自1 9 9 8 年正式向i t u 提 交以来，已完成了标准的专家组评估，i t u 认可并发布，与3 g p p 体系的融合，新 技术特性的引入等一系列的国际标准化工作。随着设备开发，现场试验的大规模 开展，t d s c d m a 标准也必将得到进一步的验证和加强。 1 2c d m a 2 0 0 0 基站系统b t s 侧构架 c d m a 2 0 0 0 基站系统b s s ( b a s es t a t i o ns y s t e m ) 包括基站收发信机b t s ( b a s e s t a t i o nt r a n s c e i v e rs u b s y s t e m ) 和基站控制器b s c ( b a s es t a t i o nc o n t r o l l e r ) 。 基站收发信机( b t s ) 属于基站子系统b s s 的无线部分，它完成与c d m a 专利 技术相关的大部分功能，实现与其所覆盖区域内移动台m s 之间通过c d m a 2 0 0 0 空 中接口的无线传输以及对无线信道的控制，并完成与b s c 间的通信。b t s 的主要 的功能有基带的调制与解调、r f 信号发射和解调、无线资源的分配、呼叫处理、 功率控制与软切换等，是在b s c 控制下服务于某一小区的无线收发信设备，可看 成是功能和结构极为复杂的调制解调器。 c d m a 基站软件是c d m a 基站的控制主体，在功能上主要包括呼叫处理、移 动性管理、资源管理、网络通信和操作维护等。为了实现这些功能软件上分为支 撑软件子系统、信道软件子系统、业务开发子系统、操作维护子系统。c d m a b s s 软件作为b s s 系统的主要控制者，与b s s 系统硬件密切协作，完成b s s 系统所要 求的功能。 z x c l 0 - b s s 墓菇系统较络基予蘸霞实辩操终系绫v x w o r k s ，霹囊舔攥痒系统 进行封装，支持s d l 谣言，以进程实例为嫩小可执行单元，幽支撑软件子系统统 一餐理。茭豫涯鼗据熬霹靠蛙亵致牲，魏已编写专臻豹数搬霹，管理辑骞豹系 统资源，所肖的数据由数据库统存取。从系统的角度来看，系统的运行就是进 程阅豹消息传递以及遴程豹状态逐移。 b t s 侧肖b d s ( 基带框) 和r f s ( 射频椴) 两个机椴组成，分别由以下模块构成： b d s 框有c c m ( 通信控制单板) ，d s m ( 数据服务单板) ，c h m 0 ( c s m 5 0 0 0 信道 处潍单板) ，c h m l ( e s m 5 5 0 0 信道处瑾零板) ，砒m 和g c m ( 时钟荦板) ；r f s 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 框有：r m m ( 射频管理单板) ，t r x ( 信号收发信机单板) ，d p a ( 功率放大器) 和 r f e ( 射频前端) 。 本文所研究的功放线性化技术的硬件实现是位于t r x 单板的d i f ( 数字中频) 模块上，t r x 是a l li p 统一平台基站收发信机b t s 的t r x 子系统的核心模块， 而d i f 单板是t r x 模块的主控单板，从r m m 分发下来的前向基带数据信号经 d i f 单板进行上变频、讵交调制、d a 变换形成模拟中频信号，发送到t x 模块； 从r x 模块接收下来的反向模拟的中频信号经过d i f 单板进行a d 变换、正交解 调、下变频、滤波等处理，得到数字基带信号送至r m m 处理。 1 3 功放线性化技术问题的提出 第一代移动通信是模拟制式的，无线传输中的信号调制方式基本是恒定包络 的，包括第二代移动通信主要技术中之一的g s m ，采用的g m s k 的调制方式，也是具 有恒定包络的调制信号。恒定包络调制技术的一个优点在于这类信号对放大器线 性度的要求不是那么苛刻，它在发射机上最终的射频信号对功率放大器的要求不 必须有很高线性度，因此功率放大器能够工作在它效率较高的临近饱和区。使射 频功率放大器能够以较高的效率来工作。然而，恒定包络调制技术有一个很大缺 陷，就是其频带资源的利用效率低，对于这一点，由于早期的移动通信系统中数 据传输速率不是很高，通信专家对移动通信的需求和发展没有预料到会像现在如 此大众平民化，于是在当时背景情况下，加上一些其他条件所限，在早期无线移 动通信中提出和采用恒定包络的调制技术，也是十分符合当时的客观条件。然而 随着社会的不断进步，人们对相互之间联系的要求越来越高，期望能够随时随地、 及时可靠和不受时空限制地进行信息交流，并且人们对通信方式和传输速率提出 更高的要求，数字移动通信得到迅猛的发展，特别是目前的第三代移动通信技术 的完善成熟和不久即将投入的商用，以及不久以后人们对无线移动通信更宽带的 的需求，第四代移动通信技术的发展等等。这些新问题的出现，使得恒定包络调 制技术频带资源利用率低下这一缺陷在频率资源同益紧张的今天显得越发突出。 为更好的利用频谱资源，我们可以选择较之恒定包络有更高效率的调制技术，例 如相位和幅度都变化的q a m 调制技术，但由于非恒定包络调制技术对放大器线性度 要求比较高，这些调制技术和非线性功放在通信系统中的共同应用，会以两种方 式导致无线通信系统的性能的恶化，第一种就是由于功率放大器对信号产生的畸 变，使功放输出端产生很大的交调干扰，如对于二阶失真会产生二次谐波和双音 拍频，对于三阶失真会产生三次谐波和多音拍频。这些新的频率分量如落在通带 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 内，将会对发射的信号造成直接于扰，如果落在通带外将会干扰其他频道的信号， 严重影响了通信质量。第二种就是由于信号畸变导致使得接收端信号的检测、识 别带来很大的困难，甚至根本无法识别。为避免这一矛盾的出现，就要在频谱利 用率和放大器功效二者之间折衷取舍。要么降低放大器对信号的畸变，也即让放 大器工作在线性度很高的状态，这时候放大器线性工作的功效就特别的低，要么 就采用频谱利用率低的恒定包络技术，使得放大器可以在非线性状态下，以较高 的功效工作。线性功放在基站中的成本比例约占i 3 ，如何有效、低成本地解决功 放的线性化问题就显得非常重要。 所有射频系统的基本要求就是对邻近的其他射频用户产生最小的干扰，尤其 是今天无线通信技术的高速发展，使得频带资源越嫌紧张，因此必须要求射频信 号严格的在所分配的带内传输，对带外辐射必须足够小。对以前的恒定包络调制 单载波信号来说，可以采用性能较高的高阶滤波器去滤除高次谐波分量来消除带 外失真，但对于非恒定包络调制信号和多载波信号仅仅用滤波器就只能滤除高次 谐波，对于带内的互调交调失真就无法处理，因此，必须要让射频放大器线性化