[硕士论文精品]wcdma直放站中频率估计和数字预失真算法研究与实现

北京邮电人学硕十学位论文WCDMA直放站中频偏估计和数字预失真算法设计与实现WCDMA直放站中频偏估计和数字预失真算法设计与实现摘要本文从WCDMA系统的直放站出发，讨论了在该种类型直放站中比较关键的两个算法频偏估计算法和数字预失真算法。、论文首先详细论述了基于WCDMA导频信道的最大似然估计算法ML。从最后的仿真结果中可以看出，该方法具有较好的性能。即使是在码片信噪比为一20DB，实际频差为1660HZ的情况下，估计误差也仅为22HZ。并且由于该算法使用了FFT来构造似然函数，所以算法的复杂度并不大。论文接着全面分析了数字预失真算法。其中分别介绍了无记忆功放建模，与此功放模型相对应的无记忆预失真算法，然后是有记忆功放建模及有记忆预失真算法，最后详细讨论了有记忆预失真算法中的有记忆多项式预失真器。论文用四个实例证明了有记忆多项式预失真器不仅是一种针对有记忆功放模型通用的预失真技术，并且该方法可以有效对抗频谱再生。论文最后在硬件上实现了ML估计算法和有记忆多项式预失真算法。硬件平台为ADI公司的16位定点DSP一一BF561。论文给出了各算法的硬件设计方案、量化方案、定点方案，最后还将硬件性能曲线与之前的浮点性能曲线做了比较。通过比较可知因为两种算法的硬件设北京邮电人学硕学位论文WCDMA直放站中频偏估计和数字预失真算法设计与实现计都比较合理，所以几乎没有定点性能的损失。在ML估计算法中，即使是在信噪比为一18DB，实际频差为1660HZ的情况下，估计误差仅有16HZ，执行时间只需要11MS。多项式预失真算法的硬件性能曲线与浮点性能曲线大致相当，比未使用预失真技术以前改善了约15DB，并且由于采用了大矩阵分块计算方法，双核运算及DMA传送，所以整个算法的执行时间也仅有19987S。关键词WCDMA，最大似然法ML，有记忆功放建模，有记忆预失真算法，BF561N北京邮电人学硕十学位论文WCDMA直放站中频偏估计和数字预火真算法设计与实现DESIGNANDIMPLEMENTATIONOFFREQUENCYOFFSETESTI睑TIONANDDIGITALPREDISTORTIONALGORJTHMSOFI冱PEATERINWCDMAABSTRACTTHISDISSERTATIONDISCUSSESTHEDESIGNANDIMPLEMENTATIONOFFREQUENCYOFFSETESTIMATIONANDDIGITALPREDISTORTIONALGORITHMSOFWCDMAREPEATERFIRSTLY,THEPAPERREVIEWSTHEMOSTLIKELIHOODESTIMATIONALGORITHMMLWHICHISBASEDONTHECPICHINWCDMATHEMETHODHASVERYGOODPERFORMANCEWHICHCOULDBESEENFROMTHESIMULATIONFIGUREINTHEFIGURE，WECOULDSEETHATEVENWHENTHESNRIS一20DBANDTHEREALFREQUENCYOFFSETIS1660HZ，THEELLOROFESTIMATEDFREQUENCYOFFSETISONLYAPPROXIMATELY22HZINADDITION，THISMETHODUSESFFTTOSIMPLIFYTHEPROCESSING，SOTHEPROCESSOFESTIMATIONISCOMPARATIVELYSIMPLYSECONDLY,THISDISSERTATIONFULLYSUMMARIZESTHEMODELINGOFTHEMEMORYLESSPOWERAMPLIFIERS，PREDISTORTIONOFMEMORYLESSPOWERAMPLIFIER,THEMODELINGOFPOWERAMPLIFIERSWITHMEMORYEFFECTS，ANDPREDISTORTIONOFIII北京邮电人学硕士学位论文WCDMA直放站中频偏估计和数字预火真算法设计与实现POWERAMPLIFIERSWITHMEMORYEFFECTSTHENWEPARTICULARLYANALYZEMEMORYPOLYNOMIALPREDISTORTERDESIGNTHROUGHTHE4EXAMPLESWITHDIFFERENTPOWERAMPLIFIERMODELS，ITCOULDBEPROVEDTHATTHEPOLYNOMIALPREDISTORTERISSUITABLEFORQUITEALARGENUMBEROFPOWERAMPLIFIERSANDITHASSTRONGROBUSTNESS，ANDITALSOCOULDBEPROVEDTHATTHISMETHODCOULDNEARLYFULLYSUPPRESSTHESPECTRALREGROWTHFINALLY,THEDISSERTATIONANALYZESTHEHARDWAREIMPLEMENTATIONOFMLESTIMATIONANDMEMORYPOLYNOMIALPREDISTORTERALGORITHMSTHETWOALGORITHMSAREIMPLEMENTEDONBF561FROMADICORPORATIONTHEDISSERTATIONSHOWSTHEIRHARDWAREDESIGNSCHEME，ANDGIVESTHEFIXEDPOINTQUALIFICATIONSCHEMEATLAST，ITGIVESTHEPERFORMANCEFIGURETHESEFIGURESDEPICTTHATINMLALGORITHMEVENWHENTHESNRIS18DBANDTHEREALFREQUENCYOFFSETIS1660，THEERROROFESTIMATEDFREQUENCYOFFSETIS16HZANDITTAKESONLY11MSTOFULFILLTHEWHOLEMLALGORITHMINTHEMEMORYPOLYNOMIALPREDISTORTERALGORITHMTHEHARDWAREPERFORMANCEISVERYSIMILARTOTHEFLOATINGPOINTANDTHETIMETOCOMPLETETHEMEMORYPOLYNOMIALPREDISTORTERALGORITHMISONLY19987S，BECAUSEOFTHEUSEOFTWOCORESANDDMATECHNIQUEINBF561KEYWORDSWCDMA，MOSTLIKELIHOODALGORITHMML，MEMORYPOWERAMPLIFIER，MEMORYPOLYNOMIALPREDISTORTER，BF561IV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大学或其他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。申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。本人签名数望坚日期丝翌星主邕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大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工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，可以允许采用影印、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。非保密论文注释本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。本人签名导师签名日期坦珞当超日期宝。碴北京邮电人学硕学位论文WCDMA直放站中频偏估计和数字预火真算法设计与实现11移动通信技术概述第一章绪论帚一早瑁T匕移动通信是指通信双方至少有一方处于运动状态中进行信息传递的通信方式。移动通信不受时间和空间的限制，交流信息机动灵活，迅速可靠。移动通信的历史可以追溯到大约19世纪末。在1895年无线电发明后，莫尔斯电报就用于船舶的通信。在20世纪40年代中期到60年代，美国，加拿大，荷兰，德，法等国家陆续开设了公用汽车电话业务，此时的通话接续主要通过话务员人工完成，采用了大区制，可用频道很少，设备笨重，不方便，也不保密，用户只有几百个。从20世纪60年代中期到70年代中期，由于出现了自动交换的三级结构及频率合成技术，可用频道增加J有使用了大，中区制，使得频率利用率有较大的增加，保密性增加，用户增多。但由于这种系统的频率利用率仍然不高，使许多用户的装机申请得不到满足。从20世纪70年代中期到现在，美国贝尔实验室提出了蜂窝移动通信系统，它是信道频率复用系统。蜂窝系统可以依靠在同一业务区内多次重复使用可用信道组的办法来扩大系统的容量。这种结构的特点是减少基站的覆盖区，同时用大量的无线基站小区来覆盖原来一个基站所覆盖的区域。在蜂窝移动通信系统中，每个无线基站小区称为小区。不同的小区使用不同的信道组。12移动通信发展的历史移动通信技术已经走过了两代，目前正在向第三代全面市场化应用方向发展。北京邮电大学硕士学位论文WCDMA直放站中频偏估计和数字预火真算法设计与实现121第一代的模拟技术1978年，美国贝尔实验室研制成功移动电话系统AMPS，建成了蜂窝状移动通信网。1985年，英国也开发出全入网通信系统TACS，这些都属于模拟移动通信系统，也称为第一代移动通信系统，他们都采用模拟调制及FDMA技术。由于模拟移动通信系统采用了多波道共用技术和频率复用技术，频率资源的利用率提高，另外系统功能也得到了完善，具有越区切换及漫游的功能。在20世纪80年代到90年代初，模拟移动通信得到了蓬勃的发展。我国在20世纪80年代中期，引入了900MHZ频段的TACS制式。尽管模拟移动通信获得了发展，但它也有如下一些致命的弱点。1模拟移动通信制式混杂，不能实现国际漫游。2模拟移动通信不能提供综合业务数字网ISDN，更不用说多媒体业务了。3频率利用率不高，系统的容量受限制，无法适应大容量的要求。4安全保密性差，易被窃听。5模拟系统设备价格高，手机体积大，电池充电的有效时间短，给用户带来不便。122第二代的窄带数字蜂窝移动通信技术20世纪80年代以来，移动通信开始向数字化，综合化，智能化，宽带化和个人化方向发展。90年代，世界上出现了三种采用时分多址TDMA技术的数字移动通信系统欧洲的GSM系统，美国的DAMPS系统，日本的JDC系统，此外还有一种美国QUALCOMM公司开发的采用码分多址CDMA技术的IS95ACDMA系统，从而进入了第二代移动通信时期。另外，又由于第二代移动通信还使用了高效的数字调制解调技术、语音编码技术。所以提高了频谱利用率，增加了通话的保密性，并且增加了业务种类。除了提供语音服务外，还可提供寻呼、来电显示服务以及传输数据、图像信息等功能。2北京邮_电人学硕士学位论文WCDMA直放站中频偏估计和数字预欠真算法设计与实现123第三代移动通信随着信息技术的迅猛发展，特别是通信技术与计算机技术的相互融合，人们对移动通信提出了更高的要求，主要有以下几点1要求移动通信也能提供综合化的信息业务。2要求移动通信与INTERNET网结合起来，实现无线宽带化，使用户随时地接入INTERNET，如手机上网。3解决系统容量飞速膨胀与频率资源有限的矛盾。4要求移动通信必须实现全球无缝覆盖和全球漫游。为了实现任何人吼OEVER在任何时候WHENEVER任何地点WHEREVER与任何人WHOEVER进行任何形式的信息交换WHATEVER，也就是所谓的5W个人通信，国际电信联盟删于1985年提出了第三代移动通信系统，既以CDMA为基础，以宽带化通信为特征的这样一种技术。第三代移动通信系统不但要满足多速率、多环境和多业务的要求，而且还应能将现存的移动通信系统集成为统一的可替代系统。基于上述原则，第三代移动通信系统应具备下列性能频谱利用率高；提供全球无缝覆盖和漫游；多种业务，不仅提供窄带业务，也提供第一代和第二代所不能提供的数据速率为2MBS的多媒体业务；多种移动通信的融合，包括蜂窝区、无绳、卫星移动通信系统等，使新系统对各个无线接口的包容性最大，以便简化多模移动终端的开发；多种运行环境，包括陆地、航空和海域；服务质量相当于固定网的水平，安全保密性能，收费合理；频率、无线资源管理、系统配置、业务提供、网络结构灵活，可同智能网IN相结合；系统起始配置可以小而简单，随后可平滑升级，支持IMT2000以前系统的演变和过渡；移动终端轻便、便携、成本低。所以它的实施涉及网络技术、信号处理、电波传播和天线技术等诸多方面，对技术方案的选择要具有先进性、可实现性和适中的性能价格比，还应具有一定的预见性，以适应未来的技术。其中在技术方面它主要涉及多址技术、无线异步转移模式ATM、软件无线电、智能天线、移动性管理和智能网1多址技术主要是解决多用户共享系统无线资源的问题。频率、时间、正交码是三种易于使用的资源，对应于三种基本的多址方式，即频分多址FDMA、时分多3北京邮电大学硕士学位论文WCDMA直放站中频偏估计和数字预火真算法设计与实现址TDMA和码分多址CDMAL。2异步转移模式ATML是新一代传送话音、数据、图像等业务的网络工程技术，其基本原理是把话音、数据、图像信息分解成53个字节的“信元“CELL，通过网络均匀地传送到任何接收设备上。ATM具有流量控制、阻塞控制、虚拟控制、虚连接、恒定速率CVR和可变速率VBR、灵活的带宽分配等诸多优点。3软件无线电技术的提出是为了解决多种通信标准和频谱拥挤问题，目标是达到多种通信段、多种信道调制和多种数据格式的“互操作性“。4终端和个人的移动性是第三代移动通信系统追求的目标。5智能天线是基于自适应天线阵列技术，利用天线阵列的波束合成、指向，跟踪信号变化，提高信号接收的载干比，从而增加系统的容量。13第三代移动通信标准目前，世界各国提出了多种第三代移动通信标准的方案，比较成熟的方案有TDSCDMA、WCDMA、CDMA2000等。已经商用的有WCDMA技术和CDMA2000技术，TDSCDMA正在进行商用化的研发，相信不久的将来能看到中国自己的第三代移动通信标准得到大规模商用。131CDMA2000CDMA2000也称为CDMAMULTICARVER，由美国高通北美公司为主导提出，摩托罗拉、LUCENT和后来加入的韩国三星都有参与，韩国现在成为该标准的主导者。CDMA2000是从CDMAONE演进而来的第三代移动通信技术，CDMA2000标准是一个体系结构，它包含一系列子标准包括CDMA2000LX、CDMA2003X和CDMA2000IXEV等。CDMA2000LX前反向同时采用导频辅助相关解调；扩频码选择采用相同M序列，通过不同的相位偏置区分不同的小区和用户；射频带宽从125MHZ到20MHZ可调；具有快速前向和反向功率控制功能；核心网络给予ANSI4L网络的演进，并保持与ANSI41网络的兼容性支持软切换和更软切换；设计了两类码复用业务信4北京邮电人学硕学位论文WCDMA直放站中频偏估计和数字预火真算法设计与实现道，基本信道用于传送语音、信令和低速数据，是一个可变速率信道，补充信道用以传送高速率数据，在分组数据传送上应用了ALOHA技术，改善传输性能；在同步方式上CDMA2000与IS95相同，基站间同步采用GPS方式。CDMA20001XEVDO和CDMA20001XEVDV同属CDMA20001XEV技术。该技术的空中接口标准是对现有CDMA2000LX的一个扩展，以支持至少2MBS的高速数据和125MHZ宽信道的更高话音容量。相对于CDMA20001X而言CDMA20001XEV技术具有峰值速率高、容量大、可支持的用户多等特点。132WCDMAWCDMA最初主要由爱立信、诺基亚公司为代表的欧洲通信厂商提出。这些公司都在第二代移动通信技术和市场上占尽了先机，并期望能够在第三代依然保持世界领先的地位。WCDMA的主要技术指标是支持高速数据传输慢速移动时384KBS，室内走动时2MBS，异步BS，支持可变速传输，帧长10MS，码片速率384MBS。其主要特点如下站同步方式支持异步和同步的基站运行方式，组网方便、灵活调制方式上行为BPSK，下行为QPSK；解调方式导频辅助的相关解调；接入方式DSCDMA方式；三种编码方式在话音信道采用卷积码RL3，K9进行内部编码和VETERBI解码，在数据信道采用REEDSOLOMON编码，在控制信道采用卷积码1BL2，K9进行内部编码和VETERBI解码；适应多种速率的传输，可灵活地提供多种业务，并根据不同的业务质量和业务速率分配不同的资源，同时对多速率、多媒体的业务可通过改变扩频比对于低速率的32KBS、64KBS、128KBS的业务和多码并行传送对于高于128KBS的业务的方式来实现；上、下行快速、高效的功率控制大大减少了系统的多址干扰，提高了系统容量，同时也降低了传输的功率；核心网络基于GSMGPRS网络的演进，并保持与GSMGPRS网络的兼容性；BTS之间无需同步因BS可收发异步的PN码，即BS可跟踪对方发出的PN码，同时MS也可用额外的PN码进行捕获与跟踪，因此可获得同步，来支持越区切换及宏分集，而在BTS之间无需进行同步；支持软切换和更软切换，切换方式包括三种，即扇区间软切换、小区间软切换和载频问硬切换。5北京邮电人学硕十学位论文WCDMA直放站中频偏估计和数字预火真算法设计与实现为了满足上下行数据业务不对称的需求3GPP在R5协议中提出了高速下行分组接入HSDPA技术，它是一种新的调制解调算法，它可以在不改变已经建设的WCDMA网络结构的情况下，把下行数据业务速率提高到10MBPS。该技术是WCDMA网络建设后期提高下行容量和数据业务速率的一种重要技术。为了达到提高下行分组数据速率和减少时延的目的，HSDPA主要采用了自适应的编码和调制AMC，螂TIVEMODULATIONMDCODIN砂、快速混合自动重传HARQ，HYBFIDARQ和快速调度等技术。133TDSCDMATDSCDMA技术规范是第一份由我国自己提出的被ITU全套采纳的无线通信标准。TDSCDMA以GSMMAP为核心网的基础，实现了与第二代移动通信网的平滑过渡。TDSCDMA信号带宽为123MHZ，码片速率为128MCHIPS；采用智能天线技术，提高了频谱效率；采用同步CDMA技术，降低上行用户间的干扰和保持时隙宽度；接收机和发射机采用软件无线电技术；采用联合检测技术，降低多址干扰；多时隙，具有上下行不对称信道分配能力，适应数据业务；采用接力切换，降低掉话率，提高切换的效率；语音编码AMR与GSM兼容；核心网络基于GSMGPRS网络的演进，并保持与它们的兼容性；基站间采用GPS或者网络同步方式，降低基站间干扰。14直放站直放站中继器属于同频放大设备，是指在无线通信传输过程中起到信号增强的一种无线电发射中转设备。直放站的基本功能就是一个射频信号功率增强器。直放站在下行链路中，由施主天线现有的覆盖区域中拾取信号，通过带通滤波器对带通外的信号进行极好的隔离，将滤波的信号经功放放大后再次发射到待覆盖区域。在上行链接路径中，覆盖区域内的移动台手机的信号以同样的工作方式由上行放大链路处理后发射到相应基站，从而达到基地站与手机的信号传递。使用直放站作为实现“小容量、大覆盖目标的必要手段之一，主要是由于使6北京邮电人学硕士学位论文WCDMA直放站中频偏估计和数字预火真算法设计与实现用直放站一是在不增加基站数量的前提下保证网络覆盖，二是其造价远远低于有同样效果的微蜂窝系统。直放站是解决通信网络延伸覆盖能力的一种优选方案。它与基站相比有结构简单、投资较少和安装方便等优点，可广泛用于难于覆盖的盲区和弱区，如商场、宾馆、机场、码头、车站、体育馆、娱乐厅、地铁、隧道、高速公路、海岛等各种场所，提高通信质量，解决掉话等问题。与基站相比，直放站的优点主要体现在如下几个方面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10KM覆盖半径；一个全向直放站可以有4KM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80。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50，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多种覆盖形式。如“一一字型排开，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。当然直放站与基站相比也有明显的不足，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3DB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，7北京邮电大学硕十学位论文WCDMA直放站中频偏估计和数字预火真算法设计与实现使直放站的性能往往不能得到充分发挥。6如果直放站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。CDMA是一个同频系统，周边的基站均有可能受到堵塞而瘫痪。总体来说直放站不能增加系统容量，却可以弥补CDMA系统基站的覆盖不足，由于价格低、安装方便，在GSM、CDMA系统中采用直放站是网络优化的一种非常好的解决方案。141WCDMA系统直放站WCDMA直放站可以扩大WCDMA基站的覆盖范围，大大节省WCDMA网络建设的投资一个WCDMA直放站的投资约为二个WCDMA基站的十分之一。特别是在高层楼宇、地下如地铁、以及盲区等特殊环境下，WCDMA直放站将充分发挥它的优势。由于各种地理环境和用户的要求不同，所需的WCDMA直放站的类型也不同。在3GPPTS25143，25106，25113中对WCDMA直放站的相关技术要求和测试方法进行了规定。另外，中国通信标准化协会CCSA的技术工作委员会TC5的第一工作组已经完成了2GHZWCDMA数字蜂窝移动通信网直放站及航速要求和测试方法。具体来说，衡量一个WCDMA系统直放站的好坏主要有以下的标准标称最大输出功率、自动电平控制、增益、带内波动、频率误差及频率步进值、传输时延、输入输出电压驻波比、噪声系数、带外增益、杂散调制准确度、输入互调、邻道抑制比。现代移动通信网络中，通常采用线性功放技术。但JRB3G系统与2G系统不同，其信号是宽带信号WCDMA载波间隔为5MHZ，CDMA20001X载波间隔为125MHZ，TDSCDMA载波间隔为16MHZ，如果4个连续载波，其宽带大于20MHZ，因此导致大功率功放POWERAMPLIFIER呈现有记忆非线性特性。为了抵消PA非线性造成的不利影响，需要采用线性预失真技术，包括数字线性预失真技术和模拟预失真技术。北京邮电人学硕士学位论文WCDMA直放站中频偏估计和数字预失真算法设计与实现15论文所作的工作正因为直放站在WCDMA系统中组网方便，应用灵活，所以得到了广泛的关注，是目前研究的一个热点。在直放站中，频率估计算法和预失真技术是非常关键的。因为WCDMA系统的射频频率I心为2GHZ，而系统采用的本地晶振的稳定度一般为10石LO，则收发之间的最大频率偏差可达至U士200“2KHZ。如果不在接收端加以校正，会导致接收信噪比降低，从而严重影响到接收性能。因此接收时必须首先进行自动频偏校正。又因为WCDMA是一个宽带、高峰均比的系统，从而导致大功率功放呈现有记忆非线性特点。为了抵消PA非线性造成的不利影响，必须使用预失真技术。本文正是基于这两个问题，提出了算法，进行了仿真，并给出了硬件设计方案，最后还将硬件性能曲线与浮点仿真曲线做了对比，从而证明了硬件设计方案的合理性。论文共分为五章。第二章首先介绍了WCDMA帧结构，然后又着重介绍了与频率估计算法相关的信道，主要包括主同步信道PSCH，辅同步信道SSCH，导频信道CPICH，并介绍了通过三步搜索法获得导频信道的方法。最后给出了一种经典的频率估计算法一ML估计算法，并做了浮点性能仿真。第三章讨论了无记忆功放建模，无记忆预失真算法，有记忆功放建模，有记忆预失真算法。根据WCDMA系统中实际使用到的功放的有记忆非线性的特点，又详细讨论了有记忆预失真算法中的有记忆多项式预失真算法，通过4个不同的功放实例，验证了有记忆多项式预失真算法的通用性。第四章详细陈述了第二章中提到的频率估计算法和第三章中有记忆多项式预失真器的硬件实现方法，并分别作了硬件性能仿真，证明了方案的有效性。第五章总结全篇并指出了本论文还需要改进的地方。9北京邮电人学硕十学位论文WCDMA直放站中频偏估计和数字预火真算法设计与实现第二章WCDMA系统中频率偏差估计WCDMA系统的射频频率RF为2GHZ，而系统采用的本地晶振的稳定度一般为10石10，则收发之间的最大频率偏差可达至U2002KHZ。如果不在接收端加以校正，会导致接收信噪比降低，从而严重影响到接收性能。因此接收时必须首先进行自动频差校正AUTOMATICFREQUENCYCORRECTION，AFC，使收发之间的频率偏差减小到合适范围内。目前比较常用的频率估计方法是最大似然算法ML。该方法将在本章22节中介绍。由于本章介绍的频率估计算法是基于CPICH信道的，而CPICH信道又需要通过小区搜索【7】得到，所以本章将首先介绍一下解CPICH算法涉及到的WCDMA系统中的基本信道，并简要介绍一下通过小区搜索【J7】获得CPICH信道的基本流程。21WCDMA系统中CPICH信道的提取211WCDMA信道结构在WCDMA系统的无线接口中，从无线接口的整体协议结构的不同层次上，承载用户各种业务的信道被分为逻辑信道、传输信道和物理信道三类。1逻辑信道信息可以开始于协议堆栈的高层，以逻辑信道的形式从RLC层传输到MAC层。MAC层在逻辑信道上提供数据传输业务，直接承载用户业务，逻辑信道类型集合根据MAC层提供的数据传输业务类型进行定义。根据承载的是控制平面业务还是用户平面业务，逻辑信道通常可以分成两类控制信道和业务信道。控制信道用来传输控制平面信息；业务信道用来传输用户平面信息。2传输信道LO北京邮电大学硕士学位论文WCDMA直放站中频偏估计和数字预火真算法设计与实现传输信道是无线接口层二和物理层的接口，是物理层对MAC层提供的服务；根据传输的是针对一个用户的专用信息还是针对所有用户的公共信息而分为专用信道和公共信道两大类，它们之间的主要区别在于公共信道资源可由小区内的所有用户或一组用户共同分配使用，而专用信道资源仅仅是为单个用户预留的，并采用特定频率的特定编码加以识别。3物理信道物理信道是各种信息在无线接口传输时的最终体现形式，每一种使用特定的载波频率、码扩频码和扰码以及载波相对相位0或RD2的信道都可以理解为一类特，定的信道。按传输方向可分为上行物理信道与下行物理信道。频偏估计主要是在本地晶振稳定度不高的终端或是移动端进行的，所以主要讨论与此相关的下行链路物理信道。WCDMA的下行链路物理信道有一个下行链路专用物理信道、一个共享和五个共用控制信道下行链路专用信道DPCH、基本和辅助公共导频信道CPICH、基本和辅助公共控制物理信道CCPCH、同步信道SCH、物理下行链路共享信道DSCH、捕获指示信道AICH、寻呼指示信道PICH。WCDMA系统基站发送的时序如下图所示。PSCH、SSCH与CPICH信道为其它信道的参考基准，PSCH与SSCH信道为周期性不连续发送，占用每个时隙开始的110时间，等于256码片的时间长度，即6667US。所有基站的PSCH信道都相同，发送速率为15KHZ。北京邮电人学硕士学位论文WCDMA直放站中频偏估计和数字预欠真算法设计与实现10MS10M8图21WCDMA下行时序而与解CPICH信道直接相关的主要有主同步信道，辅同步信道，CPICH信道，下面分别着重介绍一下。基本和辅助公共导频信道CPICH是一个下行链路物理信道，并且由小区的特殊1级扰码进行加扰。它的扩频增益固定为256，相当于空中接口中的30KBITS传输速率，承载一个预先定义好的比特符号序列。见表21，有基本CPICH和辅助CPICH两种类型的公共导频信道。袁21基本和辅助CPICH基本总是使用同样的信道编码；CPICH用基本扰码来加扰；每个小区只有一个；在整个小区广播；基本CPICH是SCH、基本CCPCH、AICH、PICH的相位参考，同时它也是其他所有下行链路物理信道的默认相位参考。12北京邮电人学硕士学位论文WCDMA直放站中频偏估计和数字预失真算法设计与实现辅助每个小区只有0、L或几个辅助CPICH；CPICH可能只在小区的一部分传送；辅助CPICH可以作为辅助CCPCH和下行链路DPCH的参考，在这种情况下，移动台会由高层的信号告知。CPICH的一个很重要的功能是终端在切换时或者小区重新选择时要进行测量，终端的测量是基于对CPICH的接收。因此，对CPICH的传输功率的操作能够指示终端去向某个小区或者离开某特定小区。例如，如果某特定小区的CPICH传输功率减小，邻近小区的CPICH接收功率增强，这将使其切换到邻近小区。这对在RF网络中进行负载均衡是非常有用的。在一个特定小区中可有多个CPICH。主CPICH在整个小区区域内传送。次CPICH能够在整个小区区域内传输或者能被窄带波束天线的传输限制在小区的特殊区域里，如交通拥挤的地区。对于主CPICH的信道化码固定为CCH，256，0，SF256的任意信道化码用于SCPICH。同步信道SCH由基站传送，在小区搜索过程中用于UE。SCH包含两个子信道主SCH和辅助SCH。主SCH包含一个长度为256码元的调制码，在每个时隙中传送一次。PSC在这个系统中的每一个小区中都是相同的。这个特殊的码字由如下的一组16比特码片序列产生令A1，1，L，1，1，L，一L，一L，1，一1，L，一1，L，一1，一1，1则主SCH包含一个复数序列为1JXA，A，A，一A，一A，A，一A，一A，8，A，8，一A，A，一A，A，8主SCH信道结构如图22所示。从图中可以看出，WCDMA的PSCH信道提供了很好的时隙同步信号，可以很方便用本地的PSC码序列和接收到的PSCH路信号进行同步；辅助SCH包含重复的传送一个长度为15的256码元长的调制码的序列，称为辅助同步码SSC，每个SSC都是在一组16个不同的长度为256的码中选出来的。这16个码字分配到长度为15的64个不同序列中。即一个序列是一系列特定次序的长为15的码字，有64个这样的序列。这个序列在辅助SCH中指出了哪个码组是这个小区的下行链路扰码组。辅SCH信道结构如图23所示北京邮电人学硕士学位论文WCDMA直放站中频偏估计和数字预失真算法设计与实现PSCH头一个时隙一个无线帧SSCH头一个时隙一个无线帧卜一2S价酣一|一15个时隙，256015个码片，共LOMS二码片速率是384MCPS,一帧共38400个码片图22WCDMA的PSCH信道结构卜一2S6佣片一K一15个时隙，2560115个码片，共IOMS一码片速率是384MCPS,一帧共38400个码片图23SSCH信道结构主同步码PSC，辅同步码SSC是并行传输的，可以图24表示如下，其中PSC用CP表示SSC用CS表示。14北京邮电人学硕学位论文WCDMA直放站中频偏估计和数字预火真算法设计与实现第1个SCH第2个SCH2560码片1个10MSSCH无线帧图24同步信道的结构212CPICH信道的获得我们先来看一下WCDMA物理信道的调制过程如图25所示。其它物理下行信道CPICH图25WCDMA下行物理信道叠加框图图中的Q为各信道的功率因子。Q为各信道的扩频码。墨为天线上分配的扰码。下面我们对这张图进行分析A图中显示了PSCH、SSCH和CPICH三种物理信道，这三个信道将用于同步。15北京邮电大学硕十学位论文WCDMA直放站中频偏估计和数字预火真算法设计与实现B每个信道都会乘上相应的功率因子，这就决定了每个信道占整体信号的功率比重，功率因子越大，这个信道越强。C从信道叠加的角度来看，CPICH与其它信道是同等地位的，即经过的处理步骤是相同的，但是PSCH与SSCH则不需要经过扩频和加扰。D尽管CPICH信道的地位与其它信道相似，但是有一点需要注意的是，CPICH的扩频码CN是全L码，这为算法的实现提供不少方便。WCDMA下行解导频整体框图如下所示利用时隙利用帧头利用帧头解出PSCH位置SSCH位置CPICH位置CPICH接收信号进行进行进行导导频信主同辅同频搜索道步搜步搜扰码扰码组号号索索图26WCDMA下行解导频整体框图由图中可以看出，解导频的过程可以归纳为先用PSC找出时隙头，再用SSC找出帧头，最后利用SSC与扰码的对应关系表就能找出解出导频，这正好是一个小区搜索【7】的过程，解出导频之后即可进行频率校正。22ML估测法221系统模型接收端系统模型51如图27所示，其中ST是发送信号，CT是信道衰落系数，NT是热噪声和其他干扰，可视为高斯变量，引入接收信号RT并使之经过接收滤波器H，F，滤波器输出采用L乃采样率采样，T为采样输出信号，式扭柑用来表示由于率偏差所带来的基带接收信号相位旋转。16北京邮电大学硕士学位论文WCDMA直放站中频偏估计和数字预火真算法设计与实现传输信号可以被表示为SAMPLINGATKTJ图27系统模型I阵PR嚎JFAFPTF乃式21其中Q是扩频序列的第I个码片，PF是码片波形，此处SF仅代表一个物理信道，可以使用导频信道，其他信道可以在建模中不予考虑，全部算入高斯噪声CKC露乃中。XKCKAKD2NLKRCONK式22其中QC尼Z为信道系数，在AWGN信道下C1，AK为扩频序列的第K个码片，Z为实际频率偏差，乃为扩频序列的码片周期，P服从【一万，万】上的均匀分布，12XF,K1“FO，、NKNKT。弦服从O，OR2的高斯分布222最优解扩广仉柑中的指数部分会在气中引入相位旋转，由于这个相位旋转，所以必须准确选取解扩长度。解扩长度N不能过大，不然会引入相位跳转，导致估计算法失效，但是，解扩长度的增加会带来扩频增益的增加，提高系统抗噪声性能。假设解扩因子为N，可以得到解扩后的序列为，一I乃，I式23乃2己，武【ZJ其中口。表示A的复共轭，对BPSK和QPSK来说1，并且信道系数在N个17北京邮电火学硕十学位论文WCDMA直放站中频偏估计和数字预失真算法设计与实现码片的解扩长度中可以认为不变将式22代入式23可以得到咒铀2咧纠一27，式24，一L一I吣2罐掰2ISIN2万Z幔2NSIN2万ZZ假设碥】1并且使用公式艺，F_苦，L忙OLN，1式25跟二巧1怒器小篆，其中一是他的方差可以定义，慧锱、蛔，对任意一个Z可以算得每一个N解扩长度所对应得厂忉，选取其中最优，忉所对应得N值，就是所求的最优解扩长度。由导频信道特性可得如下仿真图，图中设定了1000、2000HZ两个频率偏差横坐标为不同的解扩点数，纵坐标为，奶。18北京邮电人学硕十学位论文WCDMA直放站中频偏估计平数字预火真算法设计与实现图28最优解扩点的选择图由上图可以看出，不同的解扩长度对最后性能有着比较大的影响，又考虑到工程上使用的晶振稳定度为2106，故WCDMA系统的极限频率偏差为2000HZ，所以考虑选用600点左右的解扩长度。223ML估计式24又能被改写为咒CIEJ唧LP彳Z巧，一L一I其中4IC加L，。FF,2ZFFFA乃乏，彳Z一2以亿，坷。L010于是我们可以定义似然函数人彳I幺C叁PY1F,Z，P，C其中C磊，C，T一。，YYO，YL，YL一。式27式28上述似然函数又可以写作M限咖七OXP一7I驸LI刊2卜吾叶户黔P州以肋式2919北京邮电人学硕士学位论文WCDMA直放站中频偏估计和数字预失真算法设计与实现冥中K是一个根据不L司1段设频率偏差Z的崮定值MIC髫叱旧CDOEXP愕1酣LI剧2H掣O“锄10PJ，式210其中厶一阶BESSEL函数令一乃I，很容易就可以从式210看出，Y；，一，以一在Z频率点的DFT变换为LDFTY,石皇LI一E一一石LI一矿，Z蹦乃式211我们定义乙为衲A州地“掣吲H删甜2蛔2，224利用二项插值简化计算件似然函数，所以我们可以设定K个假设频率偏差。推荐K为2的幂次方，这样可以使用FFT快速运算。然而，对有限个K个假设值，频率估计的精度受限于FFT的最小可分辨频率。对解扩后的信号来说，此时的码元周期为乃，所以最小可分辨频率厂【。乃K实际频率偏差为Z陀焉芬二蛔3，对K个统计量Z，毛一乙一，II戈212可以表达为20北京邮电人学硕士学位论文WCDMA直放站中频偏估计和数字预失真算法设计与实现一厶L2厂YJ丁LDIAGAAR却“其中4I彳厶I，L彳石I，P正一。I2，Y是Y的K点的FFT，如果A有如下性质AZA，VI式215则我们可以得到简化次优的算法ZIGI式216只需将得到的Z进行二次插值便能得到极好的估测效果。Z的最大值对应点为乃，乃，乃小乃一。，力，乃和力LT乃。的二次拟合曲线为ZV,F2V2F2V3式217经计算可以得到估测值为Z力善老麓AT蛔8，23ML估测法仿真231浮点仿真性能曲线下图给出了在浮点仿真条件下最大似然法估计频差的性能曲线，仿真中用到的信噪比是对应于导频信道的码片信噪比，信号通过的是AWGN信道，并由222节内容，故采用512点的解扩，又考虑到算法实现复杂度，经前期仿真比较，最后采用了128点的FFT运算。图210中横坐标代表不同的码片信噪比，分别设定了如下信噪比18，16，14，12，一10DB，纵坐标代表频率估计值在不同信噪比下的标准差，实际频率偏差分别设置为60，660，1060，1600HZ，图中每条曲线的各信噪比处都用了10000点的仿真量。2L北京邮电大学硕学位论文WCDMA直放站中频偏估计和数字预失真算法设计与实现128点输出，512点解扩图29浮点仿真性能曲线由上图可以明显看出ML估算法性能比较优越。具体观测，可以得到以下结论随着信噪比的增加，估计频率标准差下降，估计效果越好；在信噪比一定的情况下，实际频差越大，估计频率标准差越大，估计效果越差；但是即使是在20DB的信噪比，实际频差为1660HZ的情况下，估计误差也不过才22HZ，基本达到了系统的要求。由于最大似然法中最后用到了二次插值，由插值的知识可以知道，这样做以后，就导致单纯的提高FFT点数，即减小最小频率分辨率，不能持续获得明显的性能上的增益。在实际中还必须考虑到实现的复杂度，所以选用仿真中的条件128点FFT就足够了。北京邮电火学硕学位论文WCDMA直放站中频偏估计和数字预火真算法设计与实现第三章功放建模和预失真器设计31无记忆功放建模在通带中，一个严格的无记忆功率放大器可以被描述为一个非线性函数，这个函数反映了一个实的输入经功放后获得一个实的输出。这个无记忆的非线性性可以大致用一个幂级数表示如下F夕F反三F式31七I其中磊是实系数，尹是通带功放输入，夕F是通带功放输出，可以把式31转化为基带形式文献8，P69，9，其中J，F壹良ZFR式32悼H阱式33ZF是基带功放的输入，YF是基带功放的输出。观察式32N“知它仅仅存在奇序列项。这是因为在式31中产生的偶序列项远远偏离载波频率。因此，这些偶序列项对基带输出YF没有影响，并且玩是实数，因为反也是实数。因此，功放如果是严格无记忆的，它仅仅会在输入中引入幅度畸变，这就是所谓的功放AMAM转换。如果式32中的瓯是复数的话，式32可以用来表示一大类的功放，这一类的功放经常被称为类无记忆功放。在通带，一个有记忆的功放能够大致用VOLTERRA序北京邮电人学硕学位论文WCDMA直放站中频偏估计和数字预火真算法设计与实现列表示如下川肛纯N三F波式34其中纯IT,，吒】R，甓是实的第K阶VOLT钮TA，呶4。吐DFK这儿有一个重要的问题，当功放在通带是短时记忆时，即拥有记忆的时间与输入信号变化的时间相比短很多的时候，在文献9中已经证明式3。4的基带等效式和32具有同样的形式，除了当坟时复数的时候。在这种情形下，功放除了幅度的畸变外还在输入信号中引入了相位畸变，从而导致功放的AMIPM转换产生变化。然而，在这种情况下基带表达式仍然是无记忆的。总的来说，无论是严格无记忆或是类无记忆功放能够用他们的AMAM和AMPM转换表示。一种AB类功放的例子如图31所示。名J暑A暑E弓言岛名I罢曼毫屯星AMPM。，疋，|；，一一INPUTAMPLITUDEINPUTAMPLITUDE的B图31一种AB类功放的AMAM和AMPM响应32无记忆功放的预失真算法在传统文献中，数字预失真的实现主要关注无记忆功放。321无记忆功放的数据预失真算法早期的数字预失真技术主要可以归为对每一个输入数据直接进行预失真的这种北京邮电人学硕七学位论文WCDMA直放站中频偏估计和数字预失真算法设计与实现预失真技术。依据发送端的冲击响应滤波器的位置，可以将数据滤波器分为两类。第一类，文献1011中所示，在功放之后用了一个射频RF基带滤波器来实现冲击响应滤波器。在图32中给出了这种方法的结构图，因为功放是无记忆的并且在预失真器和功放之问没有滤波器，所以这儿使用一个无记忆的数据预失真器就足够了。这种预失真器能够简单地用查找表LUTS来实现，它能将输入星座点映射到星座中想要的位置。由于输入数据量很小，所以这种类型的预失真器可以很快的转换数据，并且只需要很少的存储空间。然而，带锐截至的RF基带滤波器是非常难于实现的，因此这种预失真器不好。图32预失真器在功放之后的数据预失真系统结构框图第二种，文献【121314】中所示，将冲击响应滤波器放在基带实现，紧跟在数据预失真器之后，如图33所示。在这种结构中，一个无记忆的数