[硕士论文精品]数字预失真算法的验证平台

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QPSK，QAM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FPGA的硬件平台，给出了不同的算法在其中的实现框图采用ADS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FPGA功放线性度算法ABSTRACTABSTRACTTOSATISFYTHERAPIDGROWTHOFDIGITALSERVICEREQUIREMENT，THEHIGHEFFICIENTMODULATIONMETHODSARECOMMONLYUSEDINTHENEWGENERATIONOFMOBILECOMMUNICATION，SUCHASQPSK，QAMANDETEHOWEVER,THEIRNONCONSTAMENVELOPECNANCESTHEDIFFICULTYOFLINEARIZINGPOWERAMPLIFIERDESIGNMANYLINEALIZATIONMETHODSHAVEBEENUSEDTORESOLVETHISPROBLEMDIGITALPREDISTORTIONISIMPLEMENTEDINDIGITALDOMAINITISMOLEFLEXIBLEANDRELIABLETHANANALOGMETHODSWITLLTHESUPPORTOFSOFTWARERATIOTHEORYANDDI百TALCIRCUITTECHNOLOGY,DIGITALPREDISTORTIONCALLBUILDGENERALPREXIISTORTERCOUVERFIENTLYINDEPENDENTOFTHESPEEDANDFREQUENCYOFINPUTSIGNALTHEREFORE,DIGITALPREDISTORTIONISABETTERCHOICEINMODERNMOBILECOMMUNICATIONBECAUSEMANYPROTOCOLSALEUSEDATTHESAMETIMEINTHISTHESIS，AHARDWAREPLATFORMISPRESENTEDFORVEILFYINGTHEDIGITALPREDISTORLIONALGORITHM，ANDTWOALGORITHMSWITHDIFFERENTLUTINDEXINGMETHODSAREIMPLEMENTEDONITFIRSTOFALL，WEANALYZETHENONLINEARITYOFPAANDTHENORMALLYPREDISTORTIONALGORITHMSTHENAHARDWAREPLAFFORMBASED011FPGAISDESIGNEDANDTHESTRUCTURESOFDIFFERENTALGORITHMSAREPRESENTEDALTERADSSIMULATION，POWERINDEXINGANDLINEARINDEXINGMETHODSAREIMPLEMENTEDONTHEPLATFORMBYHARDWAREPROGRAMATLAST,THETESTRESULTSALECONSISTENTWITHSIMULATIONTHISINDICATESTHATTHISPLATFORMCANDOWELLINVERIFYINGDIGITALPREDISTORTIONALGORITHMKEYWORDSDIGITALPREDISTORTION，EXPERIMENTPLATFORM，FPGA，PALINEARITY,ALGORITHM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11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TACS到第二代的数字通信系统GSM，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QPSK，QAM，OFDM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BACKOFF。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CFR，CRESTFACTORREDUCTION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。12功放线性化技术介绍较常用的功放线性化技术有反馈法FEEDBACK，前馈法FEEDFORWARD，非线性器件线性化技术LINEARAMPLIFICATIONWITHNONLINEARCOMPONENT，预失真法PREDISTORTION等”1。下面就简要介绍一下这些技术。东南大学硕士论文121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11负反馈原理图PA是功率放大器，F3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GA眙竖旦幺堡生K1PL声411GPA为功放开环增益，通常GI，故上式可近似为渤畦场12尸F1、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。122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12所示。此系统分为两个回路，LOOPL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；LOOP2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12前馈法原理图123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13所示。高效率放大器高效率放大器图13LINC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。124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JLL淼LI自适应算法L13论文内容安排本课题对DPD的算法进行了深入的研究，同时以一片容量较大的FPGA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DPD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DPD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FPGA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ADS2005A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。21功放非线性分析R2司F11】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HUWIHJWDP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YFIXO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。211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VOT九VJ明21将式21进行幂级数展开可得VOT毛V，如订F毛口F22设输入为单音信号，即VTTACOSDO，T，则VOTKAACOSCOK2A2COS2COITKSA3COS60FTLK2A2KJA三七，彳3C。SQ，KZACOS2COJT丢K3A3COS3QT23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20J,，3CA，等高次谐波分量。基波分量增益XKL也K。A2，其中KL东南大学硕士论文为线性增益，34KJ女IA2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，KK1，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。VO囝21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LDB时，定义此时的输出功率为功放的LDB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，FACOSALTCOS2R，则VOT毛ACOSRGTCOS2T如42EOSAVCOSOFF2七3彳3EOSTGTCOSRODK2A2墨爿三岛C。SQF向爿罟岛一3C。S吐，2F如A2COSQ一吐FK2A2COSQF丢女4COS2QFLK2DZCOS2他，言岛爿3C。S2叻一吐F3QA3COS2吐一QF1QASCOS2AFTQ，34KCOS2哆QF丢毛一3C。S3Q，丢忌，COS3吐F24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，2Q国2，2吐Q等高阶互调分量。其中的三阶互调分量2Q一哆，2TOUQ和五阶互调分量3一2吐，3一2Q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22所示。第二章数字预失真原理VO1W22W2WI图22双音信号失真频谱图中，IUL3和IMD5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24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LDB，互调失真功率增加3DB。而功放的线性输出功率与输入功率是按L1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IP3。IP3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MNCIMAAC图23带通信号失真频谱上图中ACPR为邻道功率比ADJACENTCHANNELPOWERRATIO，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。212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AMAM特性。功放的非线性对相位的影响用AMPM特性来描述，如图24所示。一9东南大学硕士论文QRAD图24AM一翻变换特性ALIPM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AM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。213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GAIN和LDB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25由式23可以得到，功放的基频增益为G20L。甙屯43_K3鹏4226其中线性增益GO20109KL。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25所示。图25功放输入输出特性第二章数字预失真原理从1DB压缩点的定义可以看出，此处的增益为GIGOLDB27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，LDB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IP3和三阶互调失真ILD3三阶互调阻断点的定义为三阶互调分量2DAN一吐的输出功率与线性输出功率外推的交点，如图26所示。IP3仅与功放本身的特性有关，不受输入频率等因素的影响。POUTDBM图26三阶互调阻断点线性功率输出咒，匕GAINDBM三阶互调功率输出P2091一3只础聊联系IP3的定义，可以得出；Z829P2AZ一哆3一21P3DBM210当输入功率较低时，艮。P佃1，从IP3可以很容易得到IMD3由脚P2AH一吐一只。2只。一俨32PA,0113】DBC2113邻道功率比ACPRACPR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。DACPR10109詈21210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CDMA2000单信道带宽为123MHZ，WCDMA带宽为384BTHZ，TDSCDMA带宽为16ACDZ。对于这些信号来说，功放的ACPR就是个非常重要的指标。东南大学硕士论文214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AMAM，AMPM变换，它们的直角坐标模型用SALEH函数描述如下M卜南汜Q俨茄上式中，口，0T0,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VOLTERRA级数模型来描述KF214V。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，0N重卷积得到一一F2L已Q，F。VMFF1V。，一ODDL215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。22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27所示。第二章数字预失真原理图27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DGIVX时，功放的输出信号圪KK，系统呈现为线性放大。对于DPD来说，图27中的，KI是在数字域中实现的，工作原理如图28所示。图28DPD工作原理图上图中，P。为功放输入功率，PO。为相应的功放输出功率，PONN为所需的线性输出功率。从功放曲线上可以看出，为了得到PA。，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PO。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DPD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，DPD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23数字预失真常用方法N216120世纪80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LUT，LOOKUPTABLE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，LUT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“71是分别把功放和预失真器的ALAM与AMPM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DPD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NINTESIL公司的ISL5239“”，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DSP或FPGA等开放式的数字电路，通过编程来实现不同的预失真算法，XILINX和ALTERA这两大FPGA供应商都基于它们的FPGA芯片提出了相应的DPD方案。第三章DPD验证平台硬件设计第三章DPD验证平台硬件设计31DPD验证平台系统结构为了便于多种DPD算法的验证，本课题搭建了一个硬件平台，系统框图如图31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FPGA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14位数模转换DAC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，FPGA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ADC芯片转换成数字信号送入FPGA。图中的信号发生器E8267D用于将信号上变频图3。1DPD验证平台框图FPGAFIELDPROGRAMMABLEGATEARRAY为可编程门阵列，只要容量足够，23小节中讲到的DPD算法大都可以通过硬件描述语言在其中编程实现。可在FPGA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MAPPINGPREDISTORTION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32映射预失真算法结构2复增益预失真法复增益预失真法COMPLEXGAINPREDISTORTION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33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34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32平台版图设计图34多项式预失真法结构本课题中的ADCDAC与FPGA并没有放在一个PCB板上，而是分成三块，中间用2NUN针的接插件连在一起，下面将分别介绍一下它们的结构。321FPGA电路设计FP；A承载了DPD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35FPGA原理图东南大学硕士论文图36FPGA版图本课题中的FPGA选用的是ALTERA公司的EP2C20F256C8。”，内含约24万比特存储空问，近两万个逻辑元，26个18位乘法器，内部时钟最高可达260MHZ，可以满足31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LVDS的标准。LVDSLOWVOLTAGEDIFFERENTIALSIGNALING是一种低摆幅的差分信号技术，它的通用电流是35MA，压差350MY，终端匹配100Q。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FPGA采用了SRAM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。CYCLONEIIFPGA配置的方法有ASACTIVESERIAL，主动串行配置方式，PSPASSIVESEIRAL，被动串行配置方式，NAGJOINTTESTACTIONGROUP配置方式。AS方式中，CYCLONEII是通过片外串行配置器件来配置的。上电时，CYCLONEII控制串行接E1读取配置数据。PS方式中，CYCLONEII可以通过ALTERA配置器件，下载电缆，智能主机INTELLIGENTHOST，如MAXII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FPGA时，这种方式更加有效。JTAG方式18第三章DPD验证平台硬件设计中，ALTERA公司的FPGA设计软件QUARTUSII生成SOF配置文件，通过下载电缆将数据写入FPGA。结合课题的需求，平台预留了JTAG与AS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JTAG方式，它不但可以随时进行重新配置，还可以很方便的读取FPGA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AS方式配置。两种配置方式示意图如下图37AS配置方式322ADCDC电路设计图38JTAG配置方式ADC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ADI公司的AD9224123，这是一片12BIT，40MSPS的ADC。当输入信号带宽10MHZ，采样速率为40MHZ时，芯片信噪比为684DB，杂散动态范围可以达到79DB。DAC将数字信号转换成模拟1Q信号，上变频后送入功放。本平台选用的是INTERSIL19一东南大学硕士论文公司的ISL59291241，双通道14BIT输入，最高速率达到130MSPS。信号带宽为10MHZ时，芯片杂散动态范围可达75DBCNYQUIST区间内。版图如下图所示。图36ADCDAC版图第四章DPD算法仿真与程序设计第四章DPD算法仿真与程序设计41IPD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DPI方法。根据31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DPD方案结构如下图所示，其中，虚框内为算法更新过程，通过PC机来完成。图41IPI方案结构411功率寻址和线性寻址，VLFLUT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2Q2，根据LUT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LUT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A2Q2计算地址。这种方法对应的L1JT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LUT表中的系数，具体方法参见文献16，在此不再赘述。412DPD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LA唧，设功放线性增益为K，则圪F工F4I圪，G【F】42调整可调衰减器，使得FVOTK43当VT，时，VATKR44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KF的算法为了描述方便，省略自变量T。设查找表初始值P1，则圪。K45VF0口K挈4I6查找表第N次更新后的值为N刚巧”R巧47_”半P8，若预失真算法有效，则VF。不断逼近V，第N1次更新后旷1竿罕9，比较式48和式49可得出相应的迭代算法芳410由此可画出DPD算法结构图如下第四毒DPD算法仿真与程序设计413延时同步图42自适应算法原理图DPD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KF，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KH，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NI冗F杉，L一力VAN411HE0上式中，N为输入序列的长度。当F0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V1FVANF哆M412H0当巧巧甩一F时，互相关函数最大，此时的F为环路延时。42DPD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EDAELECTRONICDESIGNAUTOMATION，电气设计自动化软件对前一小节描述的DPD算法进行了系统级的仿真。东南丈学硕士论文ADSADVANCEDDESIGNSYSTEM是AGILENT公司的一款功能强大的EDA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PTOLEMY仿真。ADS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。ADS还提供了与AGILCNT测试仪器互联的接口，增加了仪器的灵活性。421系统仿真原理图N铂渊参考ADS中LINEARIZATIONDESIGNGUIDE，搭建基于LUT的DPD系统框图如下图43基于LUT的DPD系统框图422系统软件仿真结果在软件仿真中调用了ADS给出的基于AMAM，AM一州模型构造的功放模块，如图44所示。第四章DPD算法仿真与程序设计RFAMPEQUATIONBASEDDINL2焉譬嚣一R，一_PTI”甚O二嚣，嚣黼崔。嚣嚣。0ZJ二崔冀一U_H，“名RO。芝一一二盅H黜“”嚣嚣鬟嚣J二J吕公篇揣鲁等吉JM图44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1010吒甜03甜413414其中阿F，则功放输出信号为圪R以屹R刚町昨L堡415弘B，叩町吲派“15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AMAM，A卅PM特性曲AM一榭特性图45功放特性曲线BAMPM符性它J。TT东南大学硕士论文CDMA2000信号仿真结果如下所示。图46功率寻址仿真结果图47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。423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ADS提供的与AGILENT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【14】。第四章DIAL算法仿真与程序设计图4。8软硬件结合仿真环境PC通过网线将数字基带信号输入信号发生器EA438C进行数模转换，然后上变频并送入功放，频谱分析仪FA445采集功放输出信号送入PC作为DPD所需的反馈信号，用于更新查找表。测试用的功放为一款GAAS功率放大器，其中心频率为19GHZ。LDB压缩点在42DBM用网络分析仪扫描的AMAM及AMPM曲线如图49所示1AMAM特性图49功放特性曲线测试结果如图410，411所示。2AMPM特性图410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411预失真后功放输出信号频谱可以看到，功率寻址方式的ACPR改善了约8DB，而线性寻址方式改善了10DB，优于功率寻址，这是因为功率寻址的是非等问隔寻址，信号功率较大时寻址密集，较小时比较稀疏，当输入信号很小时，功放的AMPM特性相对明显【16】，此时，等间隔的线性寻址方式将得到较好的效果。43DPD算法的FPGA实现由于本平台采用的是ALTERA公司的FPGA芯片，所以本文的程序开发选用了此公司的综合开发工具QUARTUSII。QUARTUS11集成了ALTERA的FPGA开发流程中涉及的所有工具和第三方软件接口，它不但支持多时钟定时分析、LOGICLOCKTM基于块的设计，还内嵌有SIGNALTAPII逻辑分析器、功率估计器等高级工具，给FPGA的在系统调试提供了很大的便利。QL】A巾】S11提供了很多经过优化测试的宏模块，只需要设置相应的参数就可以获得所需要的功能。灵活应用这些模块可以大大缩短设计时间，也提高了设计性能。从前面的仿真可以看出，整个DPD系统包含了很多部分，为了降低程序设计的难度，本文采用了自顶而下的方法，将算法按照功能划分为几个模块分开设计，仿真通过后再整合到一起。1控制单元本文实现的DPD算法中的查找表是非实时更新的，所以程序的状态包括正常工作和算法更新等，状态的切换采用状态机来控制。状态图如下；第四章DPD算法仿真与程序设计。贬0J_娜醚塞鸯SO复位状态SL初始化状态S2更新状态S3，工作状态图412控制单元状态机T”TIB口；L12”二埘。ITER3、41M1M_H11“MST口T5ZNLV3LPS160PNOPM椭PMS640P“E印P弭L蛳9叫。JIMA一L诤N门几几几几N几几NNN门N几几NI几厂口PLHT_一谚HITD，、J一蜥AT广1睁DTD”JLL硅广1鬈，ULTDT_NLII移日ZTSLOUT旦X业ITOX11I10IIL图413状态机仿真图2地址计算模块。”本课题采用了功率寻址和线性寻址两种算法，这两者的查找表地址计算都包括在此模块内。如图414，415所示。图415功率计算原理图和仿真波形图东南大学硕士论文图416幅度计算原理图和仿真波形图要使查找表得到最大程度的利用，最好是计算出的地址能够覆盖整张表，这样，全部的数据都能够被检索到因此，查找表的地址并没有直接使用信号的功率或幄度，而是做了一定的处理，称之为“归一化”，即，将信号功率或幅度的最大值映射到最大地址与表的长度有关，本例中取1024。归一化是通过将信号功率或幅度与归一化系数相乘来完成的，此系数与输入信号大小有关，在系统调试中需要根据实际情况进行调整。3查找表模块查找表中存储的是预失真所需的复增益系数，为复数形式，实部和虚部均为17位，调用了QUARTUSII内部的两个2PORTRAM实现。图417查找表原理图和仿真波形图第五章DPD算法硬件测试析。第五章DPD算法硬件测试本章测试了算法在DPD硬件平台上的效果，并与第四章的仿真结果进行了对比分DPD验证平台硬件实物如图51所示。51测试环境介绍测试框图如图52所示。图51验证平台实物图一一验证平台测试使用的仪器包括图52系统测试框图东南大学硕士论文1矢量信号发生器AGILENTE8267DPSGVECTORSIGNALGENERATOR，用作上变频器，将数字基带信号上调到射频。2频谱分析仪AGILENTE4445APSASERIESSPECTRUMANALYZER，测试信号频谱。3网络分析仪AGILENT8753ESSPARAMETERNETWORKANALYZER，扫描功放特性，用于预失真参考。测试方案如下验证平台内部FPGA产生数字基带信号，经过预失真处理并转换成模拟基带信号送入矢量信号发生器E8267D。E8267D将基带信号放大后上调至功放工作频率，输出给功率放大器，功放的输出信号经过衰减器后送入频谱分析仪FA445A进行数据采集和频谱分析。观察FPGA的工作状态，通常要用到逻辑分析仪，但是由于本系统中承载算法的FPGA封装为BGA形式，测试引脚较难引出，不方便使用传统的逻辑分析仪。因此，测试时使用了QUARTUSII设计软件内部集成的嵌入式逻辑分析仪SIGNALTAPII，它能够捕获和显示可编程单芯片系统SOPC设计中实时信号的状态，便于在设计过程中以系统级的速度观察硬件和软件的交互作用。它支持多达1024个通道，采样深度高达128KB，每个分析仪均有10级触发输入输出，从而增加了采样的精度。SIGNALTAPII为设计者提供了业界领先的SOPC设计的实时可视性，能够大大减少验证过程中所花费的时间【29】。实际的测试环境如图53所示。图53系统测试环境第五章DPI算法硬件测试52测试结果及分析为了与仿真作比较，实测中选用了与软硬件结合仿真相同的功放，特性曲线如图48所示。521CDKA2000信号泓试及分析CDMA2000基带信号源的频谱和邻道干扰ACPR如下图54CDMA2000源信号频谱和ACPR输入功放的信号频谱和ACPR如图56所示；图55功放输入信号频谱和ACPR未经预失真的功放输出信号频谱和ACPR如下东南丈学硕士论文图56未预失真功放输出信号频谱和ACPR采用功率寻址方式，测得预失真后的功放输出信号频谱和ACPR如下图57功率寻址的功放预失真效果采用线性寻址方式，测得预失真后的功放输出信号频谱和ACPR如下图58线性寻址的功放预失真效果比较图58和59看到，线性寻址方式比功率寻址方式提高了将J丘LDB，与软硬件结合仿真结果图410是吻合的。通过SIGNALTAPII看到，信号寻到的最大地址可以达至111015，接近查找表的最大值1024，这说明我们的查找表得到了充分的利用，如图59所示。第五章DPD算去硬件测试图59信号对应的LUT地址波形本文还测试了相同的算法对WCDMA信号的优化效果。WCDMA基带信号如下图所示图514WCDMA源信号频谱和ACPR上变频后输入功放信号为图515WCDMA的功放输入信号频谱和ACPR东南大学硕士论文未预失真功放输出信号为图516未预失真功放输出信号频谱和ACPR采用线性寻址方式的预失真后功放输出信号如下图所示图517预失真后功放输出信号频谱和ACPR可以看出，预失真对WCDMA信号也有一定程度的改善，由于WCDMA与CDMA2000信号相比具有更高的峰均比和更宽的频带，要提高WCDMA信号的改善效果，就需要对算法做出一定的调整。结束语结束语本课题的主要内容是设计一个可用于数字预失真算法验证的通用硬件平台，算法用硬件描述语言在平台上的FPGA中实现。此平台充分利用了FPGA的可编程性，能够方便的评估不同结构的预失真算法实际效果，具有很高的实验价值。课题的设计过程分为如下几步1通过查询大量的DPD相关文献资料，总结了算法的常用结构。2构造通用的硬件平台。3以基于查找表的预失真法作为切入点，使用EDA软件进行了仿真，并给出了相应的FPGA实现程序。4将程序下载到硬件平台上调试通过后，将算法的实测结果和仿真结果作了对比分析。算法的实测结果和EDA仿真结果的对比表明，此硬件平台可以很好的验证算法的硬件实现效果，达到了初步的设计目标。37致谢致谢在论文即将完成之际，我要衷心的感谢我的导师朱晓维教授，在整个课题的进行过程中，他始终对我严格要求。从课题的选择，调研到具体设计研究和论文写作，朱老师直都给予我悉心的指导和鼓励。他渊博的学识，严谨的治学态度，勇于创新的进取精神都给我留下了深刻的印象，激励我不断进步。感谢我的课题指导教师蒋伟老师，是他主持了整个课题的流程，时刻督促研究进度。他教会了我从整体入手的思考方式。在调试过程中，他丰富的理论知识和实践经验给了我很大的帮助，使我受益匪浅。感谢赵洪新，昌靖，姚雄生，彭明勇，徐俊峰，逢型栋，张力，龚焕振在FPGA程序设计和电路调试过程中给予的帮助。感谢同课题组的王晶琦，幸波，倪琰，王彦，他们在两年中给了我很多的启发和支持，本课题的顺利完成与他们的帮助是分不开的。感谢同实验室的王荣，张厦千，常得江，晋璐，仲伟业，许广成，诸力群以及所有关心和帮助过我的老师和同学们，他们陪伴我度过了愉快的研究生生活。感谢我的父母，是他们的教诲和无微不至的关怀促使我不断向前。最后，衷心地感谢诸位专家学者在百忙中抽出时间审阅本文，出席论文答辩会。39参考文献参考文献1ODROMA,M，MGEBRISHVILI，N，GOACHER,ATHEORETICALANALYSISOFINTERMODULATIONDISTORTIONINOFDMSIGNALSINTHEPRESENCEOFNONLINEARRFHI曲POWERAMPLIFIERS1EEE59THVEHICULARTECHNOLOGYCONFERENCE，V013，MAY2004129512992REINHOLDLUDWIG，PAVELBRETHCKO射频电路设计一理论与应用北京电子工业出版社，20043ALIENKATZSSPALINEARIZATIONMICROWAVEJOURNAL，APRIL199922444BOGYA,RI，MAGANA,MELINEARRADIOFREQUENCYPOWERAMPLIFIERDESIGNUSINGNONLINEARFEEDBACKLINEARIZATIONTECHNIQUES1EEE60THVEHICULARTECHNOLOGYCONFERENCE，V013，MAY2004225922635李铭祥微波功放的线性化技术缁泼缀V0118，NO1，200283876朱晓维，李成进，邹乐数字自适应前馈功放线性化研究缨蔽学撼2003年1期，VOL。19，NO。190847ALFONSOJZOZAYAEDUARDBERTRANONTHEPERFORMANCEOFCARTESIANFEEDBACKANDFEEDFORWARDLINEARIZATIONSTRUCTURESOPERATINGAT28GHZIEEETRANSACTIONSONBROADCASTING,V0150，NO9，DECEMBER20043823898JAMESKCAVERSAMPLIFIERLINEARIZATIONUSINGADIGITALPREDISTORTERWITHFASTADAPTATIONANDLOWMEMORYREQUIREMENTS1EEETRANSACTIONSONVEHICULARTECHNOLOGY，V0139，NO4，NOVEMBER19903743829ANDREWSWRIGHT,WILLEMGDURTLEREXPERIMENTALPERFORMANCEOFANADAPTIVEDIGITALLINEARIZEDPOWERAMPLIFIERIEEETRANSACTIONSONVEHICULARTECHNOLOGY，V0141，NO4，NOVEMBER199239540010HENRIGIRARDKAMILOEHERANEWBASEBANDLINEARIZERFORMOREE锚CIENTUTILIZATIONEARTHSTATIONAMPLIFIERSUSEDFORQPSKTRANSMISSIONIEEEDOURNALONSELECTEDAREASINCOMMUNICATIONS，V01SAC1，NO1，JANUARY1983465611CHONGPENG，W