（通信与信息系统专业论文）射频功放数字预失真技术的设计与实现.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 功率放大器是无线通信发射机的关键部件，由于功率放大器固有的非线性 特性会引起失真，造成接收机带外干扰和误码率的增高。因此，功率放大器的 设计好坏直接影响到整个射频系统的性能。为了解决这个问题，我们一般采用 功放线性化技术校正功放的非线性特性，提高功放效率、降低功耗、改善功放 线性度、降低邻道功率比。随着数字处理技术和数字处理器技术的发展，数字 预失真成为这些线性化技术当中性价比最好的一种。因此，数字预失真日益成 为射频通信以及信号处理领域的研究热点。本文提出一种有效的数字预失真方 案，并通过仿真和实际硬件平台设计实现，验证方案的可行性及有效性。 本文首先介绍了评价射频功放性能的关键参数，然后从非线性的产生和表 现等方面详细描述了功放的非线性特性，特别是功放的记忆非线性。作为研究 基础，本文进一步简介了一种间接学习的数字预失真方案和分析放大器的无记 忆模型和记忆模型。 基于间接学习结构的数字预失真基理，本文设计了一种基于v o l t e r r a 级数 的数字预失真训练跟踪算法，进一步设计了一个以f p g a 为核心的硬件平台， 采用所提出的预失真训练跟踪算法，实现了一种记忆非线性预失真方案。整体 系统的性能先通过m a t l a b 编程进行了仿真检验，并最终通过设计的实验平台 进行了验证。仿真及实验结果表明，所设计的系统能有效消约邻信道干扰，显 著改善功放的线性度，从而提高了功放的效率。相对已经投入实际运用的数字 预失真系统，本方案的优点在于所提出的跟踪算法简单有效，并且将数字预失 真完全实现在一块f p g a 里，同数字中频技术较好的融合，而不需要外挂d s p 芯片辅助处理，降低了系统复杂度，能有效降低系统成本。 关键词：数字预失真；记忆非线性；v o l t e r r a 级数；f p g a 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s ，t h er a d i of r e q u e n c y ( r f ) p o w e ra m p l i f i e r s ( p a ) m a y r e s u l t i nt h ei n c r e a s eo fi n t e rm o d u l a t i o n ( i m ) d i s t o r t i o na n da d j a c e n tc h a n n e l i n t e r f e r e n c ef o rs e v e r a lm o d u l a t i o na p p r o a c h e sd u et oi t si n h e r e n tn o n l i n e a r c h a r a c t e r i s t i c t h e r e f o r e ，t h ep e r f o r m a n c eo fp aw i l ls e v e r e l ya f f e c tt h eq u a l i t ya n d e f f i c i e n c y o ft h ew h o l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m at y p i c a l a p p r o a c hi s t ou s e l i n e a r i z a t i o nt e c h n i q u et op r o o f r e a dt h en o n - l i n e a rc h a r a c t e r i s t i c ，w h i c hw i l li n c r e a s e t h ee f f i c i e n c yo ft r a n s m i s s i o n , r e d u c et h ee n e r g yc o n s u m p t i o n , a n di m p r o v et h e a d j a c e n tc h a n n e lp o w e rr a d i o ( a c p r ) w i t ht h ed e v e l o p m e n to fd i g i t a lp r o c e s s i n g t e c h n o l o g ya n dd i g i t a lp r o c e s s o r ，d i g i t a lp r e d i s t o r t i o nb e c o m e so n eo ft h em o s t e f f e c t i v ea p p r o a c h e sa m o n ga l ll i n e a r i z a t i o nt e c h n i q u e s 1 1 1 eo b j e c t i v eo ft h i sw o r ki s t od e v e l o pa ne f f i c i e n td i 西t a lp r e d i s t o r t i o nm e t h o d i nt h i st h e s i s ，t h ep a r a m e t e r sw h i c ha r ec o m m o n l yu s e dt oe v a l u a t ea nr fp o w e r a m p l i f i e ra r ei n t r o d u c e df s u yb e f o r eas t u d yo l xt h en o n l i n e a rc h a r a c t e r i s t i c so fp a n em e c h a n i s mt og e n e r a t et h en o n l i n e a rd i s t o r t i o na n dt h en o n l i n e a rp e r f o r m a n c eo f p aa r ei n v e s t i g a t e d t w op am o d e l s ，t h em e m o r y l e s sm o d e la n dm e m o r ym o d e l ，a r e c o n s i d e r e d , a n dt h ei n d i r e c tl e a r n i n gm e t h o di su s e di nt h er e s e a r c h af p g a - b a s e di n d i r e c tl e a r n i n gp as c h e m ei ss u g g e s t e d b a s e do nt h ev o l t e r r a p o l y n o m i a l ，at r a c k i n gm o d e lt oc o m b a t 诵t ht h em e m o r yn o n l i n e a rd i s t o r t i o ni nt h e p r o p o s e ds c h e m ei sp r e s e n t e d , a n dt h el m sa l g o r i t h mi su s e d t h ep r o p o s e ds c h e m e e x h i b i t st h ee f f i c i e n c yi nc o m p u t a t i o na n dt h es i m p l i c i t yi nh a r d w a r ei m p l e m e n t a t i o n 1 f 1 1 ee f f i c i e n c yi sv a l i d a t e db yu s i n gm a t l a b - b a s e ds i m u l a t i o n s 1 1 1 es c h e m ei s f i n a l l yr e a l i z e db yd e s i g n i n gar e l a t e dh a r d w a r es y s t e ma sw e l la st h ef p g a s o f t w a r e s y s t e m ，n l ee x p e r i m e n tr e s u l t so ft h es y s t e md e m o n s t r a t e st h ee f f e c t i v e n e s so ft h e p r o p o s e ds c h e m e 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 n ； v o l t e r r ap o l y n o m i a l ； m e m o r yn o n l i n e a rc h a r a c t c 湎_ s t i c s ； f p g a 独创性声明 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 武汉理工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。 签名。斗聃：到乙 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 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电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，。可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) 妥哪j ) 别签名九编鸣聃 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 课题背景 第1 章绪论 随着移动通信技术的飞速发展，除了现有的g s m 系统外，各种新型无线 通信系统不断涌现，比如w c d m a ，t d s c d m a ，l t e 等，对无线通信系统的 各个部分的性能提出了更高的要求。作为无线通信系统的基本保障部分的射频 功放模块，由于其使用量大，应用范围广，大功率器件昂贵，功耗大等因素影 响，研究一种性能良好，效率较高的功率放大器成为基站放大设备厂商的一项 重要课题。 功率放大器是将直流输入功率转化为射频微波输出功率的一种电路。它应 用于几乎所有的无线发射系统，频率范围从几k h z 的音频信号到几百g h z 的 微波信号。其基本工作原理是将已调的频带信号放大到所需要的功率值，送到 天线中发射，保证在一定区域内的接收机可以接收到满意的信号电平。功率放 大器是射频系统中最重要的非线性器件，非线性会引起失真，造成带内误码率 的增高和带外干扰。因此，功率放大器的设计好坏以及采用的技术直接影响到 整个射频系统的性能。 在2 g 系统中，由于g s m 采用g m s k 调制，其信号衡包络，一般射频模 块使用大功率功放器件，采用回退算法，使发射模块仅工作在有限的线性区域， 可以回避功放非线性问题。然而随着频谱资源日渐紧张，第3 代移动通信技术 普遍采用了q p s k ( 正交相移键控) 线性调制方法来提高传输速率和频谱效率，在 3 g p p l t e 中又加入了q a m ，o f d m 等方案，这些调制方法同时对载波的相位 和幅度进行了调制，因此会产生具有较高峰均比的调制信号。在处理这类速率 较高的非恒包络信号时，若依然采用回退方法，将需要超大功率的放大器来达 到目的，效率和线性度无法兼顾。为了解决这个问题，我们一般采用功放线性 化技术，运用适当的外围电路来校正功放的非线性特件，既提高功放效率，节 约能源，又改善了功放线性度，降低了a c p r ( 邻道功率比) 。 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 国内外研究现状 线性化技术有多种，但适合宽带应用而性价比较高的是预失真技术。由于 功放器件的非线性主要来源于幅值幅值调制失真( a m 枷和幅值相位调制失 真( a m p 蛐。如图1 1 ，设放大器的增益曲线为a ，假如我们可以在信号进入功 放前经过一个预失真器( 拟合预失真曲线b ) ，使放大器随电平变化时其增益为 常数，对相位也可以采用同样的道理对信号相位预先扭曲，这就是预失真技术 的基本原理【1 1 。 g b 、 - k r 图1 1 预失真原理 在当前预失真器的设计主要还是模拟技术，如图1 2 所示，输入信号经功 分器后分为i 和i i 两条支路，1 支路为主信号通路，支路信号经一功分器后 分为和上下两支路。支路信号经过一段延时线后，与支路中经过i m 3 产生器产生的三阶分量进行合成。合成的信号再经过v 支路中的可调衰减器和 可调移向器后，形成最终的预失真分量。最后，该预失真分量与i 路中经过延 时的主信号合成，进入主功放【2 】。 延时 图1 - 2 模拟预失真实现框图 2 武汉理工大学硕士学位论文 i m 3 失真分量的产生是通过并联反向二极管实现，如图1 - 4 所示，采用了 1 8 0 0 的移向器来实现信号的处理和匹配功能。 1 8 0 0 电桥 图1 - 3 基于反向并联二极管的预失真器 根据肖特基二极管的电路模型，通过二极管对的电流为【3 】： 地) = l o e x p ( a a v ( t ) ) 一e x p ( - a d v ( t ) ) 】 ( 1 1 ) 将其用泰勒级数展开，便于分析，只取三次项以下的近似形式，则二极管 反向平行对的导纳妖，) 为： 乏= 嚣喵卜缸) 2 ， 移向器0 0 支路上的线性阻抗可以用来消除二极管对所产生的线性分量，串 联电容可以用来补偿二极管对的电抗分量，则输出端1 2 1 上的输出电压为： v 3 ( r ) ( 1 - 3 ) 所以可实现三阶分量的产生。在该结构中采用了1 8 0 0 电桥，可以保持对输 入和输出之间的阻抗特性的良好匹配。在二极管支路中还加入了一个可变电容 【4 】，可用来调节对称的三阶分量的相位差别。 1 3 本文研究重点 模拟射频预失真技术具有结构简单、成本低等优点。然而，这种技术涉及 到相当多的附加模拟硬件即需要使用较多非线性器件，其特性较难控制，降低 武汉理工大学硕士学位论文 了改善的精度。且由于老化和温度变化的影响，功放和其他器件的线性特性都 会发生改变，而此系统并不能作出自适应的调整，严重影响其性能。 幸运的是随着d s p 技术的发展和d s p 处理器件的不断进步，我们可以考 虑采用较复杂的数字处理技术，用新型数字处理技术代替传统模拟预失真的那 些难控制精度的模拟部分，并且可以利用自适应技术实时调整老化和温度变化 引起的漂移。所以本文的研究重点就是设计一种适用于宽带无线通信环境的数 字预失真方案，改善功放线性性能，并设计硬件平台，验证方案的可行性及有 效性。 4 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章预失真相关理论 2 1 放大器非线性描述 功率放大器的非线性是指当放大器输入信号的幅度逐步增加时，输出信号 将会达到饱和状态，输入输出呈现为非线性现象。这种非线性我们通常用功率 放大器的输入输出信号功率的特性曲线或随输入信号功率变化的增益曲线来描 述，当然也可以用输入输出电压和电流来表示，这种描述使用的基波分量，其 缺陷在于随着通信系统的线性化，基波考察功率放大器的非线性变得困难，另 一种描述功率放大器非线性的方式是生成的新频谱分量，这种失真分量的分析 能够提供系统分析的更多信息。对于功率放大器非线性特性有时可以用几个特 性参数来表示出来，它们包括：三阶截断点输出功率( t o i o 埘) ，l d b 增益压缩点 输出功率( d b c l o u t ) ，饱和点输出功率( 匕) 【5 】。图2 1 表示出了这三个特性参数。 入琦率( d 陆) 图2 - 1 功率放大器非线性特性参数 2 1 1 饱和输出功率 饱和输出功率( 匕) 是功率放大器的最大输出功率，达到饱和时输出功率的 点为饱和输出功率点，在这个功率电平上，放大器线性度很差，但效率比较高。 5 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 2l d b 增益压缩点 l d b 增益压缩点是放大器线性增益和实际的非线性增益之差为l d b 的点， 用d b c l o u t 表示。换句话说，它是放大器增益有l d b 压缩的输出功率点。饱和 点和l d b 压缩点之间的距离缩小，非线性区域也降低，放大器线性属性改善。 2 1 3 三阶截断点( i p 3 ) 三阶截断点( d 3 ) 是三阶互调分量的线性功率延长线与基波频率线性功率 延长线的交叉点。截断点又分为输入截断点( i p ) 和输出截断点( o i p ) 。三阶 截断点( 口3 ) 是用于特性放大器线性度的特性参数。三阶截断点距离l d b 压缩 点越远时，说明三阶互调分量的影响就越小。i p 3 通常采用双音输入信号来计 算。 2 2 宽带功放非线性特性 在现代无线通信的收发系统中，传输信号产生的失真和畸变主要是由功率 放大器的非线性特性引起的，造成这种非线性的原因有很多，但这些非线性大 致可以分为两种t 无记忆的和记忆非线性。 2 2 1 无记忆非线性 所谓无记忆，即是指输出值只和当前输入值有关。即使是非线性的系统， 非线性也只和瞬时输入信号有关 o ) = 么( ，) 奉( f ) ( 2 1 ) 彳p ) 是功放的瞬时增益，( f ) 是功放的瞬时输入信号，( ，) 是功放的瞬 时输出。么o ) 对于理想功放，输出信号是瞬时输入信号的单变量线性函数，输 出对输入来说只是固定倍数的放大或衰减，理论上这样的系统是一个只含线性 电阻元件的电路网络 6 】： ( f ) = a 曩舄( ，)( 2 2 ) a 在这里是一个常数。 但实际情况下，我们通常是得不到这样的理想功放的，功率放大器都有一 6 武汉理工大学硕士学位论文 定的线性区域，随着输入功率的增大，功放逐渐饱和，在窄带应用中，功放的 非线性通常用am am 和a v p m 转化来描述。a m a m 转化是指放大器输入信 号幅度变化引起的输出信号的幅度变化，而a l , w p m 转化是指放大器输入信号 幅度变化引起的输出信号的相位差的变化。通常，用扫描放大器输入单音正弦 信号功率的方法来测量, u v j m v t 和黼m 转化 7 】。 瓯面f 匮翌器，7 d 贮型璺垦翌三! z 旦蚓 。恍 厂 0：1 0ii2 o4口6d日 。溉p i n = 3 0 诋0 0 0 m 俳m 3 16 l 1i -l d h a s e fv i o a c i f n 饱k 1 7 3 斟 - 、 、 ； f 。 i 。 i 。 矗e 一0 脚l2口 r 1 1 图2 - 2 脚m 如图2 1 和2 2 所示为m p f 9 0 4 5 功放管的a m a m 和a m p m 特性曲线， 可见a m a m 和a m p m 转化只与输入信号的幅度有关，而独立于输入信号的 包络频率。上述特性均由准无记忆放大器得来，下面我们以输入多音信号为例 分析这种无记忆非线性对输出信号的影响。 多音信号频谱的分析非常复杂，因此在刻画和模拟功放非线性特征时，常 利用双音输入信号分析法。非线性放大器的输入选用等幅( 以) ，角频率分别为 锡和皱的双音带通信号，表示如下： 品= 以c o s 唧+ 以c o s 呸f = 如c o s ( 竽) 一( 半) ( 2 3 ) = 以c o s c o = t c o s r 其中，q l 时，( 五，吃i p * e9 f p ) = 0 ，则式( 3 - 5 ) 代表线性系统模型，其中 ( ) 是系统的 响应函数。因此，v o l t e r r a 级数模型可以看做线性系统脉冲响应函数模型在非线 性系统中的推广，称为非线性系统的广义脉冲响应函数模型 2 1 】。 图3 3 辨识原理图 基于v o l t e r r a 模型的非线性系统自适应辨识问题就是利用对未知系统的输 入输出信号的观测值，在某种辨识准则下，使用在线递推方法辨识出系统的 v o l t e r r a 核。基于v o l t e r r a 模型的非线性系统自适应辨识的原理如图3 3 所示 2 2 】。 其表现形式类似于我们所熟知的自适应滤波器，其实自适应滤波器的一条重要 应用便是系统辨识，只不过这里辨识的是一个非线性系统。 用记忆长度为n 的m 阶v o l t e r r a 级数模型表征非线性系统，考虑v o l t e r r a 级数的对称性，定义n 时刻系统的核向量为： 日( ，z ) = ( 扛( 0 ) ，啊( 1 ) ，7 i l ( 一1 ) ，吃( 0 ，0 ) ，吃( o ，1 ) ，( 一l ，n - 1 ) 丁 ( 3 6 ) 其中曩o = 1 ，m ) 是系统的第m 阶v o l t e r r a 核。同样可以定义1 1 时刻系统 的输入向量： 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 x ( n ) = x ( 聆) ，x ( n 一1 ) ，x ( 刀一+ 1 ) ，x 2 ( 刀) ，x ( n ) x ( n 1 ) ，x ( ，z 一+ 1 ) 】r ( 3 - 7 ) 图3 - 4 单位延迟抽头的多项式模式 这样n 时刻系统的输出y ( n ) = h r ( ，1 ) x ( d ，模型如图3 4 所示 2 3 1 。 由于记忆长度为n 的m 阶v o l t e r r a 级数模型的辨识算法计算量极大，基本 不具有可实现性，好在文献【2 4 】给我们提供了一种简化了的却又有效的v o l t e r r a 级数记忆模型： rd y ( 聆) = a k q x ( n - q ) ( 3 - 8 ) k = iq = 0 其中，k 表示非线性阶数，q 表示的是功放的记忆时间长度。由于在功放 中，仅仅只有奇数阶的互调分量才可能落在有效带宽内，所以为了尽量降低计 算复杂度且不损失过多的性能，k 只等于奇数 2 5 2 6 。 3 2 数字预失真关键模块设计 j d 图3 5 无线传输系统发射机模型框图 一般的无线传输系统如图3 - 5 所示，信号源产生的数字信号首先经过星座 1 5 武汉理工大学硕士学位论文 映射，产生的复信号流通过升余弦滤波器整形，若没有预失真器( p d ) 时，升余 弦滤波器的输出采样信号经d a 转换，正交调制，上载频，直接经过功率放大 后发射出去。但通常的高功率放大器会引起非线性失真，因此有必要采用p d 技 术以改善这种失真，为了降低计算量，将数字预失真放在数字基带或者数字中 频来完成，用于补偿p a 的非线性失真。p d 根据放大器输出信号的耦合信号经 正交解调，去载频，a d 变换后与预失真器输入采样信号比较，进行失真器的 自适应更新，使得p a 的输出信号为升余弦滤波器输出信号的线性放大 2 7 。 对于数字预失真系统，本文采用间接学习结构的预失真系统结构 2 8 】 2 9 】， 如图3 - 6 所示， “帕 图3 6 间接学习结构的预失真系统结构图 此预失真器主要由两部分组成，预失真器和预失真训练器。所谓间接学习，就 是由预失真训练器去跟踪p a 模型，然后将学习的结果拷贝给预失真器。设p a 的传递函数为g ，预失真器的传递函数为f ，x ( 玎) 为系统n 时刻的输入信号，y ( 功 为n 时刻的输出信号。则： y ( 甩) = g f x ( 疗) ( 3 - 9 ) 而如果希望是一个线性系统，那么g f 应该等于一个单位矩e ，则如果 f = g 一，则： g f = g g 一= 五( 3 1 0 ) 等于常数，得到线性系统。预失真训练器就是为了得到g 。预失真训练 器通过对放大器进行后失真，即根据图中的三( ，2 ) ，工( 功和e ( n ) 辨识出g ，参 考信号为放大器输入信号z ( 刀) 的延时。这是因为放大器存在记忆特性，即存在 延时，加上y ( 刀) 需要时射频信号需要进行变频去载波到基带并采样，都会带来 一定延时，如果参考信号直接采用放大器的输入，则要求后失真器具有超前特 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 性，这意味着它是一个非因果系统 3 0 】。设总延时为，若将z ( n - a t 3 作为参 考信号，只要取a t a t ，即可以保证后失真器为一个因果系统。当预失真训练 器完成p a 模型跟踪以后，便可以将预失真训练器跟踪到的系数复制到预失真 器。 整个d p d 系统的关键模块就是预失真器和预失真训练器，而预失真器和预 失真训练器中又有很多小的模块设计，如矩阵运算模块，复数乘法模块，延时 模块等。 3 2 1 预失真训练器 三( 帕 图3 石有限长v o l t e r r a 级数滤波器结构图 预失真训练器的主要功能就是跟踪功放模型，本文采用3 1 2 节提到的基于 v o l t e r r a 级数的记忆模型。 52 三( 功= y 一g ) 七 七土l q = 0 k - o d d = q o y ( n ) + c h l y ( n 一1 ) + a q 2 y ( n - 2 ) ( 3 - 11 ) + a 3 0 y ( n ) 3 + a 3 l y ( n - 1 ) 3 + a 3 2 y ( n - 2 ) 3 + a 5 0 j ，( 刀) 5 + a 5 l y ( n 一1 ) 5 + a s 2 y ( n 一2 ) 5 其中，k 表示非线性阶数，q 表示的是功放的记忆时间长度。由于在功放 1 7 武汉理工大学硕士学位论文 中，仅仅只有奇数阶的互调分量才可能落在有效带宽内，所以为了尽量降低计 算复杂度且不损失过多的性能，k 只等于奇数。此措施不仅降低4 0 的复杂度， 而且其带来的性能损失只有3 - 5 d b 的带外衰减增加 3 1 1 。由于在射频功放中， 平常的检测都只检测到3 阶互调，因为3 阶互调对非线性影响是最大的，为了 提高对抗非线性的能力，将阶数k 定为5 ，将记忆深度q 定为2 。 有限长v o l t e r r a 级数滤波器如图3 - 6 所示，其中q o ，a t l ，a t 3 为自适应滤 波器系数，均可以在线更改。3 阶和5 阶乘法需要做至少5 次复数乘法，为了 降低乘法次数，采用如图3 - 6 所示的结构，只需要3 次复数乘法，降低了运算 量。 常用的自适应滤波检测算法主要有递推最小二乘法( r l s ) 和最陡下降法 ( l m s ) 【3 2 3 3 。r l s 是维纳滤波器的自适应实现。对于平稳信号，r l s 滤波 器与维纳滤波器具有相同的收敛值。r l s 应用迭代梯度搜索法求解最优滤波器 系数。r l s 算法具有较快的收敛速度和对特征值分布不敏感的特性。l m s 是梯 度搜索法的一种，其原理是通过在误差性能曲线的不断搜索找到使误差最小的 滤波器系数。l m s 算法的主要优点是计算简单，但是若信号的功率谱动态范围 很宽或者说该信号的特征值分布很广，l m s 的收敛速度就会很慢且不均匀。在 数字预失真设计中，由于需要跟踪的功放模型特征值并不会变化很快，所以为 了尽量降低运算复杂度，此处选用l m s 作为跟踪算法。 设： 1 = 【口1 0 ，q l ，a t 3 ，a 3 l ，a 3 2 ，吩3 ，a 5 l ，a 5 2 ，a 5 3 】 ( 3 - 1 2 ) l m s 自适应算法可以定义为： m + 1 ) 卅( 卅 _ 端l ( 3 1 3 ) 其中，p 【力) 是自适应滤波器输出与期望信号之间的误差信号，表示为： p ( 刀) = z ( n ) - r v ( n ) 2 】，( 刀) ( 3 1 4 ) 其中 h ) r = 【y ( 聆) ，y ( n 一1 ) ，y ( n 一2 ) ，y ( 功3 ，y ( n 一1 ) 3 ，y ( n 一2 ) 3 ，y ( ”) 5 ，y ( n 1 ) 5 ，y ( n 一2 ) 5 】 ( 3 1 5 ) 平方误差的瞬时梯度还可以表示为 1 5 武汉理工大学硕士学位论文 勰= 上a w ( n ) 砌m 2 一= 一l 工h - 一彤玎- ，玎- l a 形( n ) l j = _ 2 】，( 功l ( n ) - w c n ) ry ( 一) = - 2 y ( n ) e ( n ) 将式( 3 - 8 ) 代入式( 3 5 ) ，得到l m 8 的自适应方程为： w ( 玎+ 1 ) = w ( 聆) 一【】，( 刀) p ( ，z ) 】 3 2 2 预失真器 ( 3 1 6 ) ( 3 - 1 7 ) 预失真器主要就是一个有限长v o l t e r r a 级数滤波器，采用同预失真训练器 中有限长v o l t e r r a 级数滤波器相同的结构，当预失真训练器成功跟踪到功放模 型的时候也就是p ( 功满足一定要求时，就可以将预失真训练器中的滤波器系数 q o ，o a l ，q 3 ，a 3 l ，o 3 2 ，a 3 3 ，a 5 l ，a 5 2 ，a s 3 拷贝给预失真器。 3 2 3 延时器 延时器模块将送入预失真训练器的z ( 刀) 信号预先延时一段时间后再送入， 延时的大小是人为估计的整个系统的环路延时，以保证后失真器为一个因果系 统。 3 3 数字预失真算法仿真 为了验证方案的可行性，本文搭建了如图3 - 6 所示的m a t l a b 算法仿真链 路，采用阶数为5 ，记忆深度2 的v o l t e r r a 级数模型，跟踪算法为l m s ，输入 的数据为1 6 q a m 。图3 7 所示的是预失真前后放大器输出信号的星座图。 预失真前，放大器输出信号的星座由于非线性失真的影响被压缩和旋转， 记忆失真又使同一位置的星座点分散。预失真后，放大器输出信号的星座和原 1 6 q a m 信号几乎完全一致，图3 8 给出了不使用d p d 和使用d p d 的p a 输出 频谱图，可以看到在不使用d p d 时，p a 输出有明显的频谱弥散，使用d p d 以 后，a c p r 相比未使用时改善了2 0 d b 左右。说明本算法的预失真器已基本消除 了p a 非线性和记忆特性对带内失真的影响，可极大程度地降低误码率。 1 9 武汉理工大学硕士学位论文 - 预失真前 b 预失真后 图3 7 放大器输出信号的星座图 - 预失真前p a 输出频谱 ： i i ： ， i，： 一nb i i 如；_ l 瞄拢础越幽舜雌矗幽迅j j l 溜 b 预失真后p a 输出频谱 图3 8 放大器输出频谱图 武汉理工大学硕士学位论文 第4 章数字预失真验证平台设计 4 1 芯片选型与原理框图设计 本章将详细介绍验证平台的关键芯片选型与原理图设计，由于文章的设计 实现目标只限于数字预失真算法验证，并不过多考虑工程应用以及成本控制， 所以在芯片选型上都会留有一定余量。 4 1 1 数字处理芯片 数字处理芯片是整个数字预失真系统的主要组成部分，对预失真算法的实 现，实现成本以及系统兼容性具有决定地位。在本设计中，主要算法为v o l t e r r a 级数滤波器和l m s 。数字处理可以使用d s p 芯片，但随着大规模可编程逻辑 阵列( f p g a ) 的发展，f p g a 也成为了一种新的选择。选择d s p 还是f p g a 必须综合整体方案以及应用领域来考虑。 数字预失真系统的主要作用是提高射频功放线性度，改善其使用效率，通 常属于数字中频系统。所谓中频，顾名思义，是指一种中间频率的信号形式。 中频是相对于基带信号和射频信号来讲的，中频可以有一级或多级，它是基带 和射频之间过渡的桥梁。如图4 1 所示，中频部分用数字方式来实现就称之为 数字中频。数字中频技术通常包括上下变频( d u c d d c ) 、波峰因子衰减( c f r ) 和数字预失真( d p d ) 。d u c d d c 实现了从“复”基带( b a s e b a n d ) 信号到“实 带通( p a s s b a n d ) 信号的转换。目前许多无线通信系统，如w c d m a 、w i m a x ， 其中频信号通常由多个独立的基带信号相加而成。合成的中频信号有较大的峰 均比( p e a k - t o - a v e r a g er a t i o ) ，并符合高斯分布。而通常功放( p a ) 的线性区 是有限的，较大p a r 的中频信号对应的p a 的工作范围将被缩小，从而引起p a 效率的降低。因此在p a 之前减小中频信号的p a r 是非常重要的。波峰因子衰 减( c f r ) 正是用来完成这一功能的，它将有利于保证p a 输出的线性度，降低 带外辐射，提高p a 效率。实现d d c d u c ，c f r 等模块和运算主要有c i c f i r 滤波、n c o 、插值抽取、混频等等【3 4 】，这些基本上属于算法简单、但计算速 度较高的处理，非常适合于f p g a 的实现 3 5 】【3 6 】。所以部分厂商一般都把这些 2 1 武汉理工大学硕士学位论文 运算都做在f p g a 上面，对于d p d 当然也希望能用同种芯片，如果f p g a 资源 够的话甚至希望能够同d d c d u c ，c f r 放在一快芯片上完成，所以本文选用 f p g a 作为数字处理芯片。 目l t 十 图4 1 数字中频系统 为了尽量降低成本，本文选用x i l i n x 的低成本x c 3 s 1 8 0 0 a 芯片。 x c 3 s 1 8 0 0 a 是x i l i n x 公司的s p a r t a n - 3 a d s p 低成本系列f p g a 。虽然是低成本 系列，但同样拥有1 6 6 4 0 个s l i c e s ，高达8 4 个d s p 4 9 乘法器，以及大量的块 r a m 和分布式r a m 。其中d s p 4 8 乘法器都可以稳定运行到2 5 0 m 。其计算能 力完全可以满足数字预失真算法的运算需求。 4 1 2 a d 图4 - 2 l t m 9 0 0 1 内部结构图 由于希望在中频实现数字预失真，要求采样率不低于1 2 5 m ，本文选用l t c 高速a d c 产品l t m 9 0 0 1 ，l t m 9 0 0 1 是一款集成系统级封装器件，包括个高 速1 6 位a d 转换器、匹配网络、抗混叠滤波器和一个具固定增益的低噪声、 差分放大嚣。它专为对具有一个高达3 0 0 m h z 中频( i f ) 范围的宽动态范围信号进 嚣 武汉理工大学硕士学位论文 行数字化处理而设计。放大器可提供a c 或d c 耦合输入驱动。可以实现一个 具有不同带宽的低通或带通滤波器网络，l t m 9 0 0 1 的内部结构框图如图4 2 所 示1 3 7 。 彤d n 皇 4 1 3d a 暑i g 图4 _ 3a d 9 7 7 9 内部结构图 d a 是将数字中频信号转换为模拟信号送给调制器调制。本文选用的是a d i 公司出品的a d 9 7 7 9 1 3 8 1 ，a d 9 7 7 9 是一种16 b i t 双通道d a c ，它在以7 0 m h z 输出频率工作时比同类产品的噪声低4 d b ，互调失真( m m ) 低1 5 d b ，无杂散 动态范围( s f d r ) 高2 0d b ，并且当5 0 0m s p s 采样速率时，功耗为6 0 0 r o w ： 当1 g s p s 采样速率时，功耗为1 w 。该器件( 图4 3 ) 包含片内数字内插滤波 器这些特性简化了数字接1 ：3 ，并且允许去掉f p g a 或a s i c 中一些数字信号处 理功能。片内滤波的另一个好处是简化了模拟重构滤波器，从而能够轻松地满 足减少印制电路板( p c b ) 面积和总系统成本的要求，同时提高了可制造性。 作为双通道d a c ，a d 9 7 7 9 能够保证增益和失调的匹配，从而使其适用于 采用一个模拟正交调制器的直接转换或镜像抑制体系结构。集成了增益和失调 校准的d a c 能使通信设备设计工程师优化上述体系结构中的边带抑制和本地 振荡器( l o ) 馈通。多d a c 同步方案降低了多转换器系统对时钟的要求，使 罴 i l i 署 罴 一 s ：队 纠 武汉理工大学硕士学位论文 得对相位一致性的控制变得容易。通过一个易于使用的串行外设接口( s p i ) 完 成器件配置。 4 1 4 时钟 对于高速数字电路尤其是带有高速a d c ，d a c 的数字处理系统来说，一 个精密的时钟源是必不可少的。而且该时钟信号的抖动应该很小。a d c 的位数 n ，最大输入信号频率，一和时钟抖动的均方值仃之间的关系如下式： 1 k = i = 币玎( 6 - 1 ) j 眦2 万仃2 十1 从上式可以看出，如果a d c 的位数n 一定，时钟抖动越大，a d c 所能转 换的信号频率就越低。所以要实现高速，大动态范围的a d c ，就必须有抖动小 的时钟信号。 有许多方法来产生时钟。当时钟频率小于2 0 m h z 时，对于大多数应用场 合，直接用晶体产生的频率信号就已经足够好了。而对于时钟频率大于2 0 m h z 的情况，不同的时钟产生方式的时钟抖动是不同的。在各类时钟源中，恒温晶 振具有最小的抖动，所以本文选用恒温晶振作为时钟源。 由于板上有多个数字器件且需要不同频率的时钟，一块可靠而且可调节的 时钟芯片是非常必要的，l m k 3 0 0 1 是集成v c o 的精确时钟调节器，其时钟抖 动性能低至0 2 p s r m s ，具有可编程p l l 分频器和延迟块以及高达3 l v d s 和 5 l v p e c l 的时钟输出。l m k 3 0 0 1 可将晶体振荡器的时钟源经过调整以及分频 倍频成最多8 路不同频率的时钟信号供给f p g a 、a d c 、d a c 以满足它们不同 的需求，并且8 路时钟均可以独立调整其相位偏差 3 9 】。 4 1 5m c u 由于调试过程中，需要通过p c 对预失真系统的运行状态监控并需要修改 一些配置，而最简单的p c 通信方式就是r s 2 3 2 串口通信。a d 9 7 7 9 ，l m k 3 0 0 1 和l t m 9 0 0 1 的内部寄存器也还需要通过s p i 总线进行配置。所以另选用了块 新华龙的c 8 0 5 1 f 0 2 0m c u 作为整版的控制器。 c 8 0 5 1 f 0 2 0m c u 是一款8 0 5 1 核的m c u ，具有硬核s p i 和u a r t 接口。 完全满足需求。另外，c 8 0 5 1 f 0 2 0m c u 还拥有多通道a d c 和d a c ，可以完全 武汉理工大学硕士学位论文 应付未来需要的系统监控任务。 4 1 6 硬件原理框图设计 图4 5 为本系统的硬件平台设计框图，核心器件就是x c 3 s 1 8 0 0 af p g a ， 作为实现数字预失真算法的数字处理器。耦合器耦合p a 的输出信号并送入解 调模块解调出i q 两路中频信号，l t m 9 0 0 1 分别对从i q 信号采样送入f p g a ， 而f p g a 将数据总线送入的源信号经过预失真处理后送给a d 9 7 7 9 转换为模拟 信号，在送给调制模块调到载波频率并输给p a 。c 8 0 5 1 f 0 2 0 监控芯片，负责与 p c 间的r s 2 3 2 串口通信和a d c ，d a c ，f p g a ，时钟的配置与实时监控。恒 温晶振产生6 1 4 4 m 振荡信号送给l m k 3 0 0 1 ，经过l m k 3 0 0 1 的分频和倍频后 分别送给f p g a ，a d c 和d a c 使用。 4 2 算法实现 图4 5 预失真系统硬件框图 在第5 1 节叙述了算法验证平台的设计，在本章将详细叙述数字预失真算 法在该验证平台上的实现。 由于本设计的算法实现都在f p g a 上，所以算法实现过程也就是f p g a 程 武汉理工大学硕士学位论文 序的开发过程。d p d 系统中的f p g a 内部程序的编写采用的是v e r i l o gh d l 语 言，v e r i l o gh d l 是一种硬件描述语言，可用于从算法级、门级到开关级的多种 抽象设计层次的数字系统建模以及开发。v e r i l o gh d l 语言最初于1 9 8 3 年由 g a t e w a yd e s i g na u t o m a t i o n 公司开发，由于它从c 编程语言中继承了多种操作 符和结构，非常简单实用，因此逐渐被众多设计者所接受。到1 9 9 5 年v e r i l o gh d l 语言于成为i e e e 标准。目前v c r i l o gh d l 已经超过了v h d l 语言，成为了世 界上应用最广泛的硬件描述语言。一个完整的f p g a 系统实现流程一般应该包 括如下几个步骤【4 0 】： ( 1 ) 设计输入( d e s i g ne n t r y ) 设计输入就是将设计者所设计的电路以开发软件要求的某种形式表达出 来，并输入到相应的软件中去。设计输入的工具我们选用的是u l t r a e d i t 编辑器。 ( 2 ) 前仿真( s i m u l a t i o n ) 由于f p g a 开发的特殊性，即使现今的布局布线工具不断更新，p c 及工作 站的运行速度不断提升，但完成的设计输入要变成正真的硬件电路映射，还是 需要兀长的时间。所以为了提高开发速