（电磁场与微波技术专业论文）数字预失真算法的验证平台.pdf

摘要 摘要 为了满足急剧增加的数据业务需求，新一代的移动通信大多采用了q p s k ，q a m 等 频谱利用率较高的调制方式。然而，其变化的信号包络增加了线性功率放大器的设计 难度。为了提高功放的效率，出现了多种功放线性化方法。其中，数字预失真法是在 数字域中实现的，与模拟的方法相比更加灵活可靠，一致性也较高。另外，在完善的 软件无线电原理和飞速发展的数字芯片技术的支撑下，数字预失真法可以很方便的构 造通用的预失真器而不受输入信号速率和频率的限制。因此，在目前移动通信多种标 准模式并存的情况下，数字预失真法无疑是一种较好的选择。 一 本文主要搭建了一个用于验证数字预失真算法的硬件平台，并在平台上实现了功 率寻址和线性寻址两种基于查找表的预失真算法。首先，本文分析了功放的非线性特 性和常用的预失真算法；接着构造了一个基于f p g a 的硬件平台，给出了不同的算法在 其中的实现框图：采用a d s 软件对功率寻址和线性寻址方法进行了仿真验证后，在平 台上作了算法的硬件实现。最后，本文给出了这两种方法的硬件实测结果和仿真结果 的对比分析，两者颇为吻合，这表明，本平台可以很好的验证数字预失真算法的实现 效果，达到了预期的设计目标。 关键词：数字预失真验证平台f p g a 功放线性度算法 a b s t r a c t a b s t r a c t t os a t i s f yt h er a p i dg r o w t ho f d i g i t a ls e r v i c er e q u i r e m e n t ，t h eh i g he f f i c i e n tm o d u l a t i o n m e t h o d sa r ec o m m o n l yu s e di nt h en e wg e n e r a t i o no f m o b i l ec o m m u n i c a t i o n ，s u c ha sq p s k ， q a m a n de t e h o w e v e r , t h e i rn o n - c o n s t a me n v e l o p ec n ! a n c e st h ed i f f i c u l t yo fl i n e a r i z i n g p o w e r - a m p l i f i e rd e s i g n m a n yl i n e a l i z a t i o nm e t h o d sh a v eb e e nu s e dt or e s o l v e t h i sp r o b l e m d i g i t a lp r e d i s t o r t i o ni si m p l e m e n t e di nd i g i t a ld o m a i n i ti sm o l ef l e x i b l ea n d r e l i a b l et h a n a n a l o gm e t h o d s w i t l lt h es u p p o r to fs o f t w a r er a t i ot h e o r ya n dd i 百t a lc i r c u i tt e c h n o l o g y , d i g i t a lp r e d i s t o r t i o nc a l lb u i l dg e n e r a lp r e x i i s t o r t e rc o u v e r f i e n t l yi n d e p e n d e n to f t h es p e e da n d f r e q u e n c yo f i n p u ts i g n a l t h e r e f o r e , d i g i t a lp r e d i s t o r t i o ni sa b e t t e rc h o i c ei nm o d e r nm o b i l e c o m m u n i c a t i o nb e c a u s em a n yp r o t o c o l sa l eu s e da tt h es a m et i m e i nt h i st h e s i s ，ah a r d w a r ep l a t f o r mi sp r e s e n t e df o rv e i l f y i n gt h ed i g i t a lp r e d i s t o r l i o n a l g o r i t h m ，a n dt w oa l g o r i t h m sw i t hd i f f e r e n tl u ti n d e x i n gm e t h o d sa r ei m p l e m e n t e do ni t f i r s to fa l l ，w ea n a l y z et h en o n l i n e a r i t yo fp aa n dt h en o r m a l l yp r e d i s t o r t i o na l g o r i t h m s t h e nah a r d w a r ep l a f f o r mb a s e d0 1 1f p g ai sd e s i g n e da n dt h es t r u c t u r e so fd i f f e r e n t a l g o r i t h m s a r ep r e s e n t e d a l t e ra d ss i m u l a t i o n ，p o w e ri n d e x i n ga n dl i n e a ri n d e x i n g m e t h o d sa r ei m p l e m e n t e do nt h ep l a t f o r mb yh a r d w a r ep r o g r a m a tl a s t , t h et e s tr e s u l t sa l e c o n s i s t e n tw i t hs i m u l a t i o n t h i si n d i c a t e st h a tt h i sp l a t f o r mc a nd ow e l li nv e r i f y i n gd i g i t a l p r e d i s t o r t i o na l g o r i t h m k e yw o r d s ：d i g i t a lp r e d i s t o r t i o n ，e x p e r i m e n tp l a t f o r m ，f p g a ，p al i n e a r i t y , a l g o r i t h m 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己在论文中作了明确 的说明并表示了谢意。 研究生签名： 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：导师签名：日 期： 第一章绪论 1 1 课题背景 第一章绪论 从上世纪初马可尼首次实现从英国到加拿大的跨洋通信开始，无线通信经过了上 百年的发展，已经在人们的生活中占据了举足轻重的地位。从第一代的模拟通信系统 t a c s 到第二代的数字通信系统g s m ，无线通信经历了从模拟到数字的转交，系统的容 量和性能都有了很大的提高，但是提供的服务仍是以语音为主。在步入信息时代的当 今社会，人们越来越需要可靠且随时的进行各种形式的信息交流，而单纯的无线语音 服务已经不足以达成这样的目标，因此，新一代的无线通信需要承载更多的数据业务， 包括无线上网，移动多媒体，可视电话等等。这些业务在现有系统下是很难提供的。 随着数据业务的不断增加，频段资源日渐紧张。为了解决这个问题，下一代移动 通信大都采取了频谱利用率较高的线性调制和多载波调制方式，如q p s k ，q a m ，o f d m 等。然而这些调制方式的包络是起伏波动的，具有较大的峰均比，这就给功率放大器 的设计提出了更加严格的要求“1 。 对于如何用功放将高峰均比信号进行线性放大的问题，传统的做法是降低功放输 出信号的平均功率，从而使其完全工作在线性区，即功率回退法( b a c k - o f f ) 。这种方 法简单有效，但是它降低了功率管的效率，增加了直流功耗，给系统的散热和电池的 供电时间带来了新的问题。经过十几年的研究，业界已经出现了不少更好的解决方案， 主要分为以下两种：一种是从信号入手，采用削波( c f r ，c r e s tf a c t o rr e d u c t i o n ) 的 技术，设法降低信号的峰均比，从而提高功放的线性度：另外一种则是采用功放线性 化技术，运用适当的外围电路来校正功放的非线性特性，降低邻道频谱泄漏，提高线 性度。本文探讨的方法属于第二种。 1 2 功放线性化技术介绍 较常用的功放线性化技术有反馈法( f e e d b a c k ) ，前馈法( f e e d - f o r w a r d ) ，非线性 器件线性化技术( l i n e a ra m p l i f i c a t i o n w i t hn o n l i n e a rc o m p o n e n t ) ，预失真法 ( p r e d i s t o r t i o n ) 等”1 。下面就简要介绍一下这些技术。 东南大学硕士论文 1 2 1 反馈法h 儿蝴 反馈有正反馈和负反馈两种。由于正反馈用在放大器中有可能产生振荡，所以这 里所指的反馈一般指负反馈。原理图如下所示。 图1 1 负反馈原理图 p a 是功率放大器，f 3 是反馈因子，假设源和负载都是理想匹配电路，则整个链路 的闭环增益为： g a 眙竖：旦：幺堡：生 k + 1 + p + l + 声4 ( 1 1 ) g p a 为功放开环增益，通常+ g i ，故上式可近似为： 渤畦场 ( 1 2 ) 尸 f 1 、 这说明，反馈型放大器的增益仅取决于反馈网络，而反馈网络通常由线性度较好 的无源器件组成。这种方法是通过牺牲功放的增益来达到线性化的目的，改善度有限， 且存在稳定性的问题。 1 2 2 前馈法目 前馈法与反馈法概念相通，是将输入端耦合下来的信号进行处理后加到输出信号 上，原理图如1 2 所示。 此系统分为两个回路，l o o p l 为输入信号抵消回路，用延迟后的输入耦合信号抵 消掉功放的线性部分，得到放大器产生的非线性干扰部分；l o o p 2 为干扰信号抵消回 路，将非线性干扰部分经过辅助放大器放大后反相叠加到主放大器的输出信号上，从 而消除失真信号，达到系统线性输出的目的。 前馈法具有较宽的工作带宽，线性改善度也高，但是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，技术难度较大， 总效率低。 第一章绪论 图1 2 前馈法原理图 1 2 3 非线性器件线性化法伽 非线性器件线性化技术是将输入基带信号分成两路恒包络信号，然后分别用高效 率的功放放大后再合成。原理图如图1 3 所示。 高效率放大器 高效率放大器 图1 3l i n c 原理图 此方法对两路信号功率不平衡非常敏感，因此要求比较精确的信号分离器，同时 两路放大器的特性要求保持一致，否则就会对两路信号放大不同，造成最终信号失真。 1 - 2 4 预失真法嘲阻1 帕 预失真法是在射频功率放大器前加一个非线性电路，对信号作与功率放大器相反 的失真处理。此非线性电路与功率放大器迭加的效果是使最终的输出信号相对输入信 号呈线性。原理图如下。 东南大学硕士论文 e 卜 j l l 淼l i 自适应算法l 1 3 论文内容安排 本课题对d p d 的算法进行了深入的研究，同时以一片容量较大的f p g a 为主体搭建 了一个开放式的硬件平台，以求达到验证算法的目的。在研究过程中，首先查阅了d p d 的相关文献资料，总结了常用的算法，接着根据算法的通用结构设计了一个硬件平台， 然后对算法进行系统级的软件仿真和硬件程序实现，通过仿真和实测结果的对比验证 了平台的功能。 本文全方位的描述了整个课题的工作，共分为五章： 第一章为绪论，主要介绍了课题的背景，以及功放线性化技术的必要性和研究现 状，并对论文的构架作了整体的论述。 第二章首先介绍了功率放大器的非线性特性，分析了它产生的原因和造成的危害， 然后简单介绍了d p d 的原理和常用算法的结构。 第三章为系统硬件设计，主要描述了整个系统的硬件结构和多种算法在f p g a 中的 实现方法。 第四章为算法的软件仿真和程序设计，首先介绍了本课题使用的主要算法，并使 第一章绪论 用仿真软件a d s 2 0 0 5 a 对系统进行了整体仿真和软硬件结合仿真。接着描述了用硬件描 述语言编写的算法程序，给出了程序的时序仿真图。 第五章给出了算法硬件测试结果，并和仿真结果做了对比分析。 一5 一 第二章数字预失真原理 第二章数字预失真原理 本章分为两个部分，首先讨论了射频功率放大器非线性特性的产生原因，从数学 的角度给出了详细的分析：接着介绍了数字预失真的原理和结构，描述了目前的常用 算法。 2 1 功放非线性分析r 2 司f 1 1 】 系统按其特性可以分为线性和非线性系统。线性系统同时具有齐次性和叠加性， 它的特性可以用传递函数h u w ) = i h ( j w ) d p 来表征；当系统为非线性时，简单的传 递函数已经无法表征系统特性，此时系统的输入输出信号之间的关系由非线性函数 y ( f ) = i x ( o 来描述。 实际上，几乎所有的电子线路都是非线性的，当非线性的程度比较弱时，可以近 似看为线性系统；但是当系统的非线性程度较强时，就不能再做这样的近似，必须使 用其它的方法进行分析。功率放大器就是一个典型的非线性系统。 2 1 1 功率放大器的幅度特性 为了简化分析，首先将功率放大器看作一个无记忆的非线性系统，即输出电压是 输入电压的瞬时值函数： v o ( t ) = 九v j ( 明 ( 2 1 ) 将式2 1 进行幂级数展开可得： v o ( t ) = 毛v ，( ，) + 如订( f ) + 毛口( f ) + ( 2 2 ) 设输入为单音信号，即v t ( t ) = ac o s d o ，t ，则 v o ( t ) = k a a c o s c o ：+ k 2 a 2 c o s 2c o i t + k s a 3 c o s 6 0 f t + = l k 2 a 2 + ( k j a + 三七，彳3 ) c 。s q ，+ k z ac o s 2 c o j t + 丢k 3 a 3c o s 3 q t + 2 3 可以看到，由于放大器的非线性，输出信号中除了原有基波频率外，还出现了新 的直流分量和2 0 j , ，3 c a ，等高次谐波分量。基波分量增益x = k l + 也k 。a 2 ，其中k l 东南大学硕士论文 为线性增益，3 4 k j 女i a 2 为非线性特性产生的附加增益，当， o 时，k 毛，称为增 益扩张：当k ， 0 时，k k 1 ，称为增益压缩。对于功放来说，k ， 0 。当输入信号较 小时，a 的高次分量可以忽略不计，系统特性近似为线性，当输入信号较大时，a 的高 次分量将急剧增加，此时系统频谱特性如下图所示。 v o 囝2 1 单音信号失真频谱 输入信号由小变大时，由于功放的增益压缩特性，它的增益逐渐变小，当实际增 益比线性增益低l d b 时，定义此时的输出功率为功放的l d b 压缩点，用p 。表示。这是 衡量功放特性的一个关键指标，将在后面与其它指标一起做详细分析。 当输入为双音信号时，即v ，( f ) = a ( c o s a l t + c o s ( ) 2 r ) ，则 v o ( t ) = 毛a ( c o s r g t + c o s 2 t ) + 如4 2 ( e o s a v + c o s o ) f f ) 2 + 七3 彳3 ( e o s t g t + c o s r o d ) + = k 2 a 2 + ( 墨爿+ 三岛) c 。s q f + ( 向爿+ 罟岛一3 ) c 。s 吐，2 f + 如a 2c o s ( q 一吐) f + k 2 a 2 c o s ( q + ) f + 丢女：4c o s 2 q f + l k 2 d z c o s 2 他，+ 言岛爿3 c 。s ( 2 叻一吐) f + 3 q a 3 c o s ( 2 吐一q ) f + 1 q a s c o s ( 2 a f t + q ) ，+ - 3 4 k c o s ( 2 哆+ q ) f + 丢毛一3c 。s 3 q ，+ 丢忌，c o s 3 吐f + ( 2 4 ) 可以看到，输出信号除了直流，基频和输入信号高次谐波分量外还多了q 吐， 2 q 国2 ，2 吐q 等高阶互调分量。其中的三阶互调分量2 q 一哆，2 t o u q 和五阶互 调分量3 一2 吐，3 一2 q 与基频非常接近，是需要重点考虑的非线性失真。其频谱 图如图2 2 所示。 第二章数字预失真原理 v o ：1 - w 22 w 2 - w i 图2 2 双音信号失真频谱 图中，i u l ) 3 和i m d 5 分别为三阶互调和五阶互调分量与载波功率之比。这是功放线 性度的一个重要指标。 从式( 2 4 ) 可以看出，三阶互调失真的功率随着输入功率呈现立方变化的特性， 即输入功率每增加l d b ，互调失真功率增加3 d b 。而功放的线性输出功率与输入功率是 按l ：1 的比例变化的，当互调输出功率与线性输出功率相等时，功放已经无法正常放 大，此时的功率称作三阶互调阻断点，即i p 3 。i p 3 越大，线性范围越宽。 当输入信号为带通信号时，通带内所有频率的谐波和互调分量都会造成非线性失 真，其频谱如下图所示。 僻限八 a 西m n c i m a a c ! 图2 3 带通信号失真频谱 上图中a c p r 为邻道功率比( a d j a c e n tc h a n n e lp o w e rr a t i o ) ，代表的是功放的 非线性度导致的基频信号功率扩散到相邻信道内的程度。 2 1 2 功率放大器的相位特性 功放的输入信号一般是同时具有幅度和相位特性的矢量信号，功放的非线性对两 者都会产生一定的影响。前- - d , 节主要分析的是功放的非线性特性对幅度的影响，即 a m a m 特性。功放的非线性对相位的影响用a m p m 特性来描述，如图2 4 所示。 一9 东南大学硕士论文 q ) ( r a d ) 图2 4a m 一翻变换特性 a l i p m 特性产生的原因非常复杂，一般情况下，它对三阶互调产生的频率分量的影 响是最大的，结合a m 一删失真后，会造成功放上下边带三阶互调分量不对称的现象。 2 1 3 非线性指标分析 前面的分析中引入了衡量功放特性的几个重要指标参数， 分析。 1 功放增益( g a i n ) 和l d b 压缩点p ，。 功放的增益定义为输出功率与输入功率的比值： 鼢圳g 等 本节将对此做出详细的 ( 2 5 ) 由式( 2 3 ) 可以得到，功放的基频增益为： g = 2 0 l 。甙屯+ 4 3 _ k 3 鹏4 2 ) ( 2 6 ) 其中线性增益g o = 2 0 1 0 9 k l 。由于功放的k ，( o ，呈现增益压缩的特性，其输入输出功率 曲线如图2 5 所示。 图2 5 功放输入输出特性 第二章数字预失真原理 从1 d b 压缩点的定义可以看出，此处的增益为： g i = g o l d b ( 2 7 ) 当输出功率接近p 。时，功放的放大特性已经不再是线性的了，随着输入功率迸一 步加大，非线性特性更加明显。因此，l d b 压缩点通常作为功放进入非线性区的标志。 2 三阶互调阻断点i p 3 和三阶互调失真i l d 3 三阶互调阻断点的定义为三阶互调分量2 d a n 一吐的输出功率与线性输出功率外推 的交点，如图2 6 所示。i p 3 仅与功放本身的特性有关，不受输入频率等因素的影响。 p o u t ( d b m ) 图2 6 三阶互调阻断点 线性功率输出：咒，= 匕+ g a i n( d b m ) 三阶互调功率输出：p ( 2 0 9 1 一) = 3 只 ( 础聊) 联系i p 3 的定义，可以得出； ( z 8 ) ( 2 9 ) p ( 2 a z 一哆) = 3 一2 1 p 3 ( d b m ) ( 2 1 0 ) 当输入功率较低时，艮。= p 佃1 ) ，从i p 3 可以很容易得到i m d 3 ： 由脚= p ( 2 a h 一吐) 一只。= 2 ( 只。一俨3 ) * 2 p ( a , 0 1 1 3 】 ( d b c ) ( 2 1 1 ) 3 邻道功率比( a c p r ) a c p r 的定义为相邻信道功率与原带通信号功率的比值。通常用来衡量宽带信号的 杂散特性。 d a c p r = 1 0 1 0 9 詈 ( 2 1 2 ) 10 上式中，p 。为原带通信号功率，p ，为相邻信道功率。 下一代移动通信传输的均为具有较大带宽的带通信号，如c d m a 2 0 0 0 单信道带宽 为1 2 3 m h z ，w c d m a 带宽为3 8 4 b t h z ，t d s c d m a 带宽为1 6 a c d z 。对于这些信号来 说，功放的a c p r 就是个非常重要的指标。 东南大学硕士论文 2 1 4 功放的非线性模型 为了便于分析，功放的非线性特性通常使用一些数学模型来描述。 1 无记忆系统模型 无记忆系统的失真特性可以概括为a m a m ，a m p m 变换，它们的直角坐标模型 用s a l e h 函数描述如下： m 卜南汜 q ( 俨茄 上式中，口，0 t 0 , 历，岛为常数，r 为输入信号的包络。 2 有记忆系统模型 无记忆系统的特性是系统的输出仅与当前输入有关，但是在好多情况下，系统的 输出还受以前输入信号的影响，这种特性称为记忆效应，相应的系统称之为有记忆系 统，通常用v o l t e r r a 级数模型来描述： = k ( f ) ( 2 1 4 ) v 。( f ) 是系统的第n 阶响应，由输入信号v 。( f ) 与系统第n 阶非线性脉冲响应吃( q ，0 ) n 重卷积得到： 一一 ( f ) 2l 已( q ，f 。) v m ( f f 1 ) v 。( ，一o ) d d l ( 2 1 5 ) 记忆效应主要是由功率管的温度变化造成的，在实际系统中体现出来的特性为输 出信号频谱上下边带不对称。 2 2 数字预失真原理介绍嘲 预失真的基本原理是实现一个与功放特性曲线相反的非线性电路，使得输入信号 经过预失真器和功放后呈现线性放大的效果，其特性曲线如图2 7 所示。 第二章数字预失真原理 图2 7 预失真特性曲线 图中，f 为预失真函数，g 为功放的增益函数，两者都是输入信号幅度形i 的函数， 当f ( 阮d + g ( i v - x 时，功放的输出信号圪- - k k ，系统呈现为线性放大。 对于d p d 来说，图2 7 中的，( k i ) 是在数字域中实现的，工作原理如图2 8 所示。 图2 8d p d 工作原理图 上图中，p 。为功放输入功率，p o - 。为相应的功放输出功率，p o - n n 为所需的线性输出 功率。从功放曲线上可以看出，为了得到p a 。，功放的输入功率应该为p 。，预失真 要做的就是通过算法使输入功率p 。逐渐逼近p ，埘。从图中可以看出，预失真是有一定 的应用范围的，当输入功率达到p ，。，时，对应的线性输出功率已经达到了功放的饱和 点p o - 。由于功放的输出已经无法再提高，如果增加输入功率，那么无论用何种预失 真算法都不能使功放达到线性输出，所以，将此点定义为d p d 可线性化的最大输入功 率。 不同功放的非线性特性不尽相同，即使是同一个功放，在不同环境下的特性也会 有变化，为了使预失真函数能够比较准确的补偿功放的非线性失真，d p d 系统一般需要 一个反馈环路，用从功放输出端耦合下来的信号对预失真函数进行自适应调整。 东南大学硕士论文 2 3 数字预失真常用方法n 2 1 6 1 2 0 世纪8 0 年代以来，出现了查表法，多项式法，神经网络法等多种数字预失真方 法“。 查表法的原理是将预失真特性存放在一张数据查找表( l u t ，l o o k u pt a b l e ) 里， 根据输入信号来读取表中数值然后作相应的处理，得出需要输出的预失真信号，l u t 中的数值通过自适应的快速收敛算法不断更新，从而能够很好的体现出与功放的非线 性特性相反的预失真特性。 多项式法“7 1 是分别把功放和预失真器的a l a m 与a m p m 特性用系数为复数的多 项式幂级数表示，两者级联后可得到用多项式表示的组合放大器的特性。此时算法转 化为寻优问题，通过修正预失真特性多项式的非线性系数馒组合放大器输出的带外功 率最小，达到改善功放非线性特性的目的。这种方法可以节省很大的存储空间，但是 却增加了计算的复杂度。 神经网络法“”运用多层感知来近似功放响应的反函数，作为预失真器的响应函数， 可以得到近似线性的预失真和功放的级联特性。在功放的失真特性未知时，利用神经 网络算法可以直接从功放的输出结果估计出预失真函数。这种方法可以有效的提高系 统的线性度，但是它要求的计算参数较多，算法收敛速度较慢。 目前采用的d p d 解决方案主要分为两种：一种是通过专用集成电路来实现，女n i n t e s i l 公司的i s l 5 2 3 9 “”，它是基于复增益查表法的原理，将滤波器，复数乘法器和查找表等 结构固化在芯片内部，通过外部接口读写寄存器进行控制。另一种是借助d s p 或f p g a 等 开放式的数字电路，通过编程来实现不同的预失真算法，x i l i n x 和a l t e r a 这两大f p g a 供 应商都基于它们的f p g a 芯片提出了相应的d p d 方案。 第三章d p d 验证平台硬件设计 第三章d p d 验证平台硬件设计 3 1d p d 验证平台系统结构 为了便于多种d p d 算法的验证，本课题搭建了一个硬件平台，系统框图如图3 1 所示。数字基带源信号和预失真算法是在现场可编程门阵列( f p g a ) 芯片里面编程实 现的，处理完毕后的数字信号通过一片双通道1 4 位数模转换( d a c ) 芯片转换成模拟 信号，上变频后送入功放；要达到预失真器自适应的效果，f p g a 芯片还需要一路能反 映功放非线性特性的反馈信号，为此，功放的输出信号有一部分耦合出来，下变频后 通过模数转换( a d c ) 芯片转换成数字信号送入f p g a 。( 图中的信号发生器e 8 2 6 7 d 用于将信号上变频) 图3 。1d p d 验证平台框图 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 ) 为可编程门阵列，只要容量足够，2 3 小 节中讲到的d p d 算法大都可以通过硬件描述语言在其中编程实现。可在f p g a 内部实现 的算法结构描述如下： 1 映射预失真法 映射预失真法( m a p p i n gp r e - d i s t o r t i o n ) 是查表法的一种，采用两维查找表存储输 入信号与反馈失真信号的矢量误差，用输入信号的实部和虚部作为地址，输出信号为 输入信号与表中数值相加”“。 东南大学硕士论文 图3 2 映射预失真算法结构 2 复增益预失真法 复增益预失真法( c o m p l e xg a i np r e d i s t o r t i o n ) 也是查表法的一种，查找表中存储 的是实现预失真函数所需的复数增益系数，地址通过专门的模块计算得到，输出信号 为输入信号与表中数值相乘“。 图3 3 复增益预失真算法结构 3 多项式预失真法 多项式预失真法的算法结构如图3 4 所示，乘法器的系数通过预失真算法进行调 整，使得输出信号能够较好的补偿功放非线性失真。 第三章啪验证平台硬件设计 3 2 平台版图设计 图3 4 多项式预失真法结构 本课题中的a d c d a c 与f p g a 并没有放在一个p c b 板上，而是分成三块，中间 用2 n u n 针的接插件连在一起，下面将分别介绍一下它们的结构。 3 2 1f p g a 电路设计 f p ( ；a 承载了d p d 的算法和实验用的数字基带信号源，是整个系统最核心的部分。 模块电路图如下图所示。 图3 5f p g a 原理图 东南大学硕士论文 图3 6f p g a 版图 本课题中的f p g a 选用的是a l t e r a 公司的e p 2 c 2 0 f 2 5 6 c 8 。”，内含约2 4 万比特存 储空问，近两万个逻辑元，2 6 个1 8 位乘法器，内部时钟最高可达2 6 0 m h z ，可以满足 3 1 中描述的算法的要求。为了提高板问信号传输的抗干扰能力，输入输出接口采用了 l v d s 的标准。 l v d s ( l o w v o l t a g ed i f f e r e n t i a ls i g n a l i n g ) 是一种低摆幅的差分信号技术，它的通 用电流是3 5 m a ，压差3 5 0 m y ，终端匹配1 0 0 q 。这种低摆幅和低电流驱动实现了信号 传输的低噪声和低功耗，有助于高速信号的传输。 由于f p g a 采用了s r a m 的工艺，在掉电后会失掉原有配置数据，所以必须在每 次上电后重新将配置数据写入。c y c l o n ei if p g a 配置的方法有a s ( a c t i v es e r i a l ，主 动串行) 配置方式，p s ( p a s s i v es e i r a l ，被动串行) 配置方式，n a g ( j o i n t t e s t a c t i o n g r o u p ) 配置方式。a s 方式中，c y c l o n ei i 是通过片外串行配置器件来配置的。上电时， c y c l o n ei i 控制串行接e 1 读取配置数据。p s 方式中，c y c l o n ei i 可以通过a l t e r a 配置器 件，下载电缆，智能主机( i n t e l l i g e n th o s t ，如m a xi i 器件或微处理器等) 来配置，整 个过程是由外部器件来控制的，在配置多片f p g a 时，这种方式更加有效。j t a g 方式 1 8 第三章d p d 验证平台硬件设计 中，a l t e r a 公司的f p g a 设计软件q u a r t u si i 生成s o f 配置文件，通过下载电缆将数据 写入f p g a 。结合课题的需求，平台预留了j t a g 与a s 两种配置方式所需的接口，通 过焊接相应位置的电阻来实现方式的转换。在程序的调试过程中，采用j t a g 方式， 它不但可以随时进行重新配置，还可以很方便的读取f p g a 内部数据。调试结束后， 将程序下载到片外串行配置器件中，采用a s 方式配置。两种配置方式示意图如下： 图3 7a s 配置方式 3 2 2a d c d c 电路设计 图3 8j t a g 配置方式 a d c 将模拟基带信号转换成数字信号，决定了系统所能达到的最优信噪比。本平 台选用的是a d i 公司的a d 9 2 2 4 1 2 3 ，这是一片1 2 b i t ，4 0 m s p s 的a d c 。当输入信号带 宽1 0 m h z ，采样速率为4 0 m h z 时，芯片信噪比为6 8 4 d b ，杂散动态范围可以达到7 9 d b 。 d a c 将数字信号转换成模拟1 q 信号，上变频后送入功放。本平台选用的是i n t e r s i l 1 9 一 东南大学硕士论文 公司的i s l 5 9 2 9 1 2 4 1 ，双通道1 4 - b i t 输入，最高速率达到1 3 0 m s p s 。信号带宽为1 0 m h z 时，芯片杂散动态范围可达7 5 d b c ( n y q u i s t 区间内) 。 版图如下图所示。 图3 6a d c d a c 版图 第四章d p d 算法仿真与程序设计 第四章d p d 算法仿真与程序设计 4 1i ) p d 方案描述 在现有的预失真算法中，查表法实现起来相对简单，而且算法上也比较灵活，是 最常用的d p i ) 方法。根据3 1 小节的分析，映射预失真法是同时根据信号的幅度和相 位来寻址，需要两维的查找表，占用的存储空间较大，自适应算法的收敛速度也比较 慢，因此，本课题将着重研究复增益预失真法。 整个d p d 方案结构如下图所示，其中，虚框内为算法更新过程，通过p c 机来完成。 图4 1i ) p i ) 方案结构 4 1 1 功率寻址和线性寻址 ( ，) v l ( f ) l u t 的寻址方式是非常重要的，它对系统的效率有着非常大的影响“”。本文主要对 功率寻址方式和线性寻址方式进行了仿真和硬件实现。 1 功率寻址 根据输入信号的功率计算地址。 设输入信号k = + 尬，信号功率为只= 2 + q 2 ，根据l u t 表的大小截取适当长 度的只作为地址。采用这种方法寻址的l u t 表系数在输入信号功率大的地方密度较大。 2 幅度寻址 根据输入信号幅度a = 2 + q 2 计算地址。这种方法对应的l 1 j t 表系数在输入信 号范围内均匀分布。 东南大学硕士论文 由于功放的非线性特性在输入范围内并不均衡，所以最好的方法莫过于按照非线 性特性的分布来分配l u t 表中的系数，具体方法参见文献 1 6 ，在此不再赘述。 4 1 2d p d 自适应算法但町 查找表的寻址过程可以看作为一个非线性的函数，自变量一般选取输入信号的幅 度，查找表的输出l = a 唧，设功放线性增益为k ，则： 圪( f ) = 工+ ( f ) ( 4 i ) 圪( ，) = g 【( f ) 】 ( 4 2 ) 调整可调衰减器，使得 ( f ) = v o ( t ) k ( 4 3 ) 当v ( t ) ：( ，) 时， v a t ) = k + ( r ) ( 4 4 ) 这就使预失真所要达到的目的a 下面我们就以一个输入电平为例着重介绍一下( f ) 逼 近k ( f ) 的算法( 为了描述方便，省略自变量t ) 。 设查找表初始值p = 1 ，则 圪。= k ( 4 5 ) v f 0 口k = 挈 ( 4 i6 ) 查找表第n 次更新后的值为n 刚 巧”= r 巧 ( 4 7 ) _ ”= 半p 8 ， 若预失真算法有效，则v f 。不断逼近v ，第n + 1 次更新后 旷1 = 竿* 罕 9 ， 比较式( 4 8 ) 和式( 4 9 ) 可得出相应的迭代算法： 芳 ( 4 1 0 ) 由此可画出d p d 算法结构图如下： 第四毒d p d 算法仿真与程序设计 4 1 3 延时同步 图4 2 自适应算法原理图 d p d 算法更新比较的是同一时刻的巧和巧，但是反馈环路需要时问，所以必须在 输入端加一定的延时，使得两者到达算法更薪模块的时圊一致。 延时模块包括两个部分，首先估算延时时间，其次进行延时操作。计算延时最常 用的方法是采用相关函数。由于预失真的目的是使以( f ) 逼近k ( f ) ，两者互相关函数的 性质用( f ) 的自相关函数近似也不会造成太大的误差。我们的处理都是在数字域中的， 将t 离散化后的输入信号为k ( h ) ，此信号在整个系统处理时间中可以近似看为平稳随 机信号，所以它的自相关函数只与时间间隔有关： n - i 冗( f ) = 杉( ，l 一力+ v a n ) ( 4 1 1 ) h e 0 上式中，n 为输入序列的长度。当f = 0 时，自相关函数最大。巧( 功为k ( 彪) 的延时序 列，用它取代r ( 吣可得两者互相关函数： v - 1 ( f ) = v a n f ) + 哆( m ) ( 4 1 2 ) h # 0 当巧= 巧( 甩一f ) 时，互相关函数最大，此时的f 为环路延时。 4 2d p d 算法仿真 为了初步验证算法效果，同时便于同硬件测试结果作对比，本节采用e d a ( e l e c t r o n i cd e s i g na u t o m a t i o n ，电气设计自动化) 软件对前一小节描述的d p d 算法进 行了系统级的仿真。 东南丈学硕士论文 a d s ( a d v a n c e dd e s i g ns y s t e m ) 是a g i l e n t 公司的一款功能强大的e d a 软件，提 供了多种仿真方法，包括模拟及射频设计常用的直流仿真，交流仿真，s 参数仿真，谐 波平衡仿真，电路包络仿真和数字及数字模拟混合设计常用的p t o l e m y 仿真。a d s 中 集成了多种系统方案测试模板和大量的行为模型，可供设计人员参考调用。a d s 还提 供了与a g i l c n t 测试仪器互联的接口，增加了仪器的灵活性。 4 2 1 系统仿真原理图n 铂渊 参考a d s 中l i n e a r i z a t i o nd e s i g ng u i d e ，搭建基于l u t 的d p d 系统框图如下： 图4 3 基于l u t 的d p d 系统框图 4 2 2 系统软件仿真结果 在软件仿真中调用了a d s 给出的基于a m - a m ，a m 一州模型构造的功放模块，如图4 4 所示。 第四章d p d 算法仿真与程序设计 r fa m p e q u a t i o n b a s e d d i n l = 2 焉= 譬：= 嚣一 r ， 一_ _ p - t i - ? ”甚：o 二：嚣：，= 嚣黼崔：。嚣嚣= 。 - 。0 ：= ：z j 二：= 崔冀 一u _ h ， “名r ：o ：。：芝一 一 = 二+ = 盅h ：黜= “” = 嚣嚣? ：= 鬟：= 嚣= ：j 二j 吕 ：? = ：公：篇= = 揣鲁等吉j m = ：# 图4 4 功放模型 设功放输入信号为k ，此模型中功放的幅度特性为 相位特性为 瓯( 甜) = 1 0 - 1 0 + 吒( 甜) = - 0 - 3 甜 ( 4 1 3 ) ( 4 1 4 ) 其中= 阿f ，则功放输出信号为 圪：r 以屹r 刚町昨l 堡 ( 4 1 5 ) 弘b ，叩町吲派 “1 5 上式中，男为功放达到输出饱和点时对应的输入电压。功放的a m a m ，a 卅p m 特性曲 ( a ) m 一榭特性 图4 5 功放特性曲线 ( b ) a m - p m 符性 它j。*tt 东南大学硕士论文 c d m a 2 0 0 0 信号仿真结果如下所示。 图4 6 功率寻址仿真结果 图4 7 线性寻址仿真结果 上两图中，左图为功放的输入信号，右图为输出信号，可以看出，经过预失真后， 信号的邻道干扰有了很大程度的改善。 4 2 3 软硬件结合仿真结果嘲 由于实际功放的非线性特性非常复杂，用简单的模型很难准确描述，为了得到更 精确的仿真结果，本文采用a d s 提供的与a g i l e n t 测试仪器间的互联接口，搭建了软硬 件结合的测试环境进行进一步的仿真，其结构图如下图所示【1 4 】。 第四章d i a l ) 算法仿真与程序设计 图4 。8 软硬件结合仿真环境 p c 通过网线将数字基带信号输入信号发生器e a 4 3 8 c 进行数模转换，然后上变频 并送入功放，频谱分析仪f a 4 4 5 采集功放输出信号送入p c 作为d p d 所需的反馈信号， 用于更新查找表。测试用的功放为一款g a a s 功率放大器，其中心频率为1 9 g h z 。l d b 压缩点在4 2 d b m 用网络分析仪扫描的a m a m 及a m p m 曲线如图4 9 所示 ( 1 ) a m a m 特性 图4 9 功放特性曲线 测试结果如图4 1 0 ，4 1 1 所示。 ( 2 ) a m p m 特性 图4 1 0 预失真前功放输出信号频谱 东南大学硕士论文 ( 1 ) 功率寻址方式( 2 ) 线性寻址方式 图4 1 1 预失真后功放输出信号频谱 可以看到，功率寻址方式的a c p r 改善了约8 d b ，而线性寻址