[硕士论文精品]td-scdma预失真技术的研究与应用

论文题目专业硕士生指导教师TDSCDMA预失真技术的研究与应用通信与信息系统陈海生曾召华摘要本文涉及一种TDSCDMA系统的数字预失真方法，尤其涉及无线通讯领域中的TDD系统使用的数字预失真DPD技术以改善射频功率放大器线性度及提高其输出功率。首先，本文基于预失真表的方式提出了一种数字预失真技术简化表达方法，该方法可用最少的预失真参数来有效补偿功放的非线性特性，并且易于通过数字器件等实现，避免了在预失真处理时需要不断搜索众多修正参数及复杂计算的缺点，能降低对DPD处理器件的处理能力要求，并减少器件功耗；仿真显示该方法和经典方法性能相当，使能后单载波、六载波TDSCDMA信号邻信道功率泄露比ACLR性能改善10DB、20DB左右，同时其带内失真也得到了一定的改善。其次，基于TDSCDMA信号本身的特点提出了一种TDSCDMA系统数字预失真DPD方法，该方法通过在TDSCDMA系统下行时隙的固定位置采样中频反馈数据，避免搜索拣选反馈数据所需要的大量计算，可以降低对DPD处理器件的处理能力要求，并减少器件功耗，同时仿真显示该方法能达到现有方法的性能，进一步说明了该方法在TDSCDMA系统中的可用性。最后，对一定频偏后的TDSCDMA单载波、六载波信号的DPD性能进行了仿真及结果分析，同时把实际测试的DPD性能和理论仿真的结果进行了对比分析，分析结果进一步说明了本文提出的算法在TDSCDMA系统中的可行性。关键词TDSCDMA；预失真；查找表中频反馈；简化；研究类型理论研究SUBJECTTDSCDMAPREDISTORTIONTECHNOLOGYRESEARCHANDAPPLICATIONSPECIALTYCOMMUNICATIONANDINFORMATIONSYSTEMNAMECHENHAISHENGSIGNATUREINSTRUCTORZENGZHAOHUAABSTRACTSIGNATURETHISARTICLEDEALSWITHATDSCDMASYSTEM，THENUMBEROFPREDISTORTIONMETHOD,INPARTICULAR,INTHEFIELDOFWIRELESSCOMMUNICATIONSTDDSYSTEMUSESDIGITALPREDISTORTIONDPDTECHNOLOGYTOIMPROVERFPOWERAMPLIFIERLINEARITYANDENHANCEITSOUTPUTPOWERFIRSTLY，BASEDONTHEPREDISTORTIONTABLEBYWAYOFADIGITALPREDISTORTIONTECHNOLOGYTOSIMPLIFYEXPRESSION，THEMETHODCALLBEUSEDFORATLEASTTHEPREDISTORTIONCOMPENSATIONPARAMETERSTOTHEEFFECTIVENONLINEARAMPLIFIERCHARACTERISTICS，ANDEASYTOREALIZETHROUGHDIGITALDEVICES，SUCHASTOAVOIDTHEPREDISTORTIONWHENTHENEEDTOCONSTANTLYDEALWITHTHEMANYAMENDMENTSTOTHESEARCHPARAMETERSANDTHECOMPLEXITYOFCALCULATINGTHEDISADVANTAGETHATCANREDUCEPROCESSORDPDPIECESDEALWITHCAPACITYREQUIREMENTSANDTOREDUCEDEVICEPOWERCONSUMPTION；SIMULATIONSHOWEDTHATTHEMETHODSANDPROPERTIESOFAVERYCLASSICALMETHODSOTHATITCANAFTERTHESINGLECARRIER,THESIXCARRIERTDSCDMASIGNALADJACENTCHANNELPOWERLEAKAGERATIOACLRPERFORMANCEIMPROVEMENTOF10DB，20DBANDATTHESAMETIMEHISBANDDISTORTIONHASALSOBEENIMPROVEDSECONDLY，BASEDONTHECHARACTERISTICSOFTHETDSCDMASIGNALITSELF,WHICHSAMPLESMID1JREQUENCYFEEDBACKDATATHROUGHFIXEDPOSITIONOFTHEDOWNLINKTIMESLOTINTDSCDMASYSTEM，ADIGITALPREDISTORTIONMETHODFORTDSCDMASYSTEMAREPROPOSEDTOAVOIDALARGENUMBEROFCALCULATIONSREQUIREDBYTHESELECTIONOFSEARCHINGTHEFEEDBACKDATA,THEMETHODCANREDUCESRESOLVINGCAPACITYREQUIREMENTSANDDEVICEPOWERCONSUMPTIONS，WHILESIMULATIONSHOWSTHATTHEMETHODCANACHIEVETHEPERFORMANCEOFEXISTINGMETHODS，FURTHERILLUSTRATESTHATITISAVAILABLEINTDSCDMASYSTEMFINALLY，AFTERACERTAINFREQUENCYOFFSETSINGLECARRIERTDSCDMA，SIXCARRIERSIGNALPERFORMANCEOFTHEDPDSIMULATIONANDANALYZINGTHERESULTSOFTESTS，WHILETHECOMPARATIVEANALYSISRESULTSOFTHEACTUALPERFORMANCEOFDPDSIMULATIONANDTHEORETICALRESULTSDESCRIBEDINTHISARTICLEFURTHERTHEPROPOSEDALGORITHMINTDSCDMASYSTEMISFEASIBLEKEYWORDSTDSCDMAPREDISTORTIONSEARCHFORMIFFEEDBACKSIMPLIFYTHESISBASICRESEARCH西要错技太学学位论文独创性说明本人郑重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其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。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做了明确的说明并表示了谢意。籼签中、”眺学位论文知识产权声明书歹本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。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电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。保密论文待解密后适用本声明。学位论文作者签名1芬弦荡指导教师签名、，巍罗牮刁卅年F石月7，日1绪论11选题背景和意义1绪论随着移动通信技术的发展，人们对手机的要求已经从单一的通话发展到现在的多媒体通信和应用。同时，伴随着不断激增的数据业务量的却是日益稀缺的频谱资源。为了能够在保证高速的数据传输的同时提高频谱利用率，最新的移动通信系统大多采用了高效率的数字多阶调制方案，如QPSK，QAM，OFDM等，使用这些方案往往可以提供超过系统占用带宽的数据传输速率，相比第二代通信系统使用的调制方式，无论是数据传输速率还是频谱利用率，都有了极大的提高。尽管新的调制方式可以有效地缓解频谱和高速数据传输之间的矛盾，但是却对通信系统中的射频处理部分提出了新的难题。由于这些数字调制方式都属于非恒包络调制，往往效率越高的调制方式，信号的峰均比PAR，PEAKTOAVERAGERATIO也越大。在CDMA中，由于采用了非恒定包络的调制方式，增加了峰均比，所以功放效率一般只有GSM中功放效率的13左右。随着高峰均比OFDM技术的应用11，功率放大器的利用率进一步降低。高PAR意味着信号的功率波动范围很大，这会对射频处理部分，特别是射频部分中的功率放大器的正常工作产生巨大的影响。功率放大器是射频系统中重要组成部分，也是实现难度最大，价格最昂贵的部分。功率放大器具有非常明显的非线性特性。当输入信号功率较大时，功放就会进入饱和区甚至截止区，产生严重的非线性失真。为了保证功放工作在线性区中，往往需要控制功放输入信号的功率大小。这对于恒定包络调制方式的信号，如GSM中使用的GMSK调制方式，并不是困难的事情；但对于高PAR的信号来说情况就不一样了。功放为了能够容纳信号的高PAR，保证即使是信号的峰值功率来临的时刻功放仍然不会进入饱和区，就必须将功放的平均输入功率控制在一个较低的水平上，也就是通常所说的回退较多的功率。这样做会大大降低功放的效率，而且增加了功放的成本。直接导致手机等移动设备待机时间缩短。为了缓解信号高峰均比对功放的压力，通信界已经提出了多种方案。一种思路是从源头入手，即直接对基带信号或中频信号进行处理，想办法降低信号的峰均比，达到缓解功放压力的作用。如现在刚刚兴起的CFRCRESTFACTORREDUCTION削峰技术就是这种思想的一个代表。另一种则是从功放入手，想办法提高功放的线性度，增大功放线性工作的范围，以便适应高PAR的输入信号。线性化功放是在不影响调制方式的前提下提高功放利用率的有效方法之一。常用的线性化技术有前馈法FREEDFORWARD、笛卡儿负反馈法CARTESINAFEEDBACK、功率合成法LINC和各种预失真方法PREDISTORTION等21。本文西安科技大学硕士学位论文主要研究数字中频预失真技术DPD在功率放大器中的应用。目前，数字预失真技术作为一项专有技术而被各个公司保密，具体工程实现的文献很少，大多数文献还仅仅停留在理论研究和仿真阶段。由于本课题要求的算法复杂度大，时间要求严格，用单片机和通用CPU无法完成任务，所以必须借助数字信号处理器DSP和现场可编程门阵YJJFPGA。近年来，DSP和FPGA的性能得到了极大的改善，相应的开发软件和开发工具也得到了发展和完善，价格却大幅度下降，从而为本课题的开展提供了技术基础。数字自适应预失真方法，由于可操作性强，实现成本低，并且结合了数字技术、自适应技术和预失真技术的优点，已经成为功率放大器线性化技术的主要选择。无论是国内还是国外，都投入了巨大的人力物力资源进行该方向的研发。在当前无线通信系统中，射频功率放大器高度线性化要求势在必得。近年来，无线通信系统的发展都在致力于获得更高的带宽利用率。这些现代通信系统，如WCDMAWIDEBANDCODEDIVISIONMULTIPLEACCESS、CDMA2000、TDSCDMA、IS95等，由于它们的信号调制方式而具有高频谱利用率的特点。但是，这些系统对影响整个系统性能的非线性失真更加敏感。因此，对基站发射机和手持设备的线性化，都提出了更高的要求。微波功率放大器在无线通信系统中有着重要的应用，通常用在发射机的末级。一个射频发射机的最后RF放大阶段通常会消耗较多的功率。为了获取最高的效率，通常选择B或C类放大器【3J。但是，这些放大器存在着两种非线性失真AMAM、AMPM，因此只适合于恒包络信号，如MSK最小频移键控、CPM连续相位调制等等。不幸的是，这些产生恒包络信号的调制方式，其谱利用效率小于线性调制，如QPSK或QAM，他们使信号的相位和包络都有变化，从而产生带外辐射。对有限的可用频谱的持续不断的压力，迫使发展出有效利用频谱的线性化调制，如16QAM和QPSK。他们的包络上下波动，在非线性功放中产生交调。在移动通信中，对带外辐射的限制非常严格，从而强烈要求功放的线性化。为了获得更高的谱利用效率，必须采用更有效的调制技术，比如MARYQAM等。但是，线性调制技术的性能与传输系统的线性化密切相关。为了使效率及输出功率最大化，功率放大器通常工作在接近饱和点的区域，而此时的非线性失真更为严重。当一个包络有起伏的线性调制信号，通过一个B或C类放大器时，便产生了失真，导致信号谱扩展到邻近信道，对其它用户产生干扰。在这种情况下，既要考虑获得高的功放效率，又要使带外辐射尽可能低。为了满足这一要求，通常采用一种带有线性化电路的非线性功放发射机结构。移动通信中线性调制的出现，使功率放大器的线性化日益成为一个重要的研究热点。在CDMA系统中，指标要求最苛刻的部件之一便是微波功率放大器。而对功率放21绪论大器考虑的核心问题，则是线性化特性。为了获得较大的功率输出，功率放大器通常工作在饱和状态附近，此时其非线性效应较为严重，使CDMA信号质量下降，误码率增加。1997年制定的CDMA技术标准，就严格要求频谱再生必须符合IS95。所以，在数字通信系统中，功率放大器被认为是非线性失真的主要原因。数字预失真技术具有电源效率高，功放成本低，散热量小，系统实现难度低等优越性。同时随着数字技术的高速发展，使得数字预失真系统的实现成本越来越低，而性能却不断得到提高。由于数字预失真系统自身所具备的各种优势，正逐渐成为未来无线通信系统中射频大功率放大器的主要线性化技术。根据现有研究，已经开发出的数字预失真器件，如PMC公司的PM78巧和ITERSLI公司的SLL5239等器件，在窄带CDMA系统中已经得到商业应用。12国内外研究现状及发展趋势自20世纪80年代中期预失真技术出现以来，预失真技术【4】作为一种可以有效补偿功率放大器非线性的线性化技术，得到了研究者和系统设计者的重视，特别是频谱资源日益紧张的今天，预失真技术己经成为通信系统的一个重要组成部分。线性化技术自诞生以来，已用于卫星通信、蜂窝移动通信等各个领域。随着各种形式的通信业务的增长，对高线性功率放大器的需求也日益迫切。因此，国内外对高功率放大器的线性化的研究已成为一个热点，并有相应产品问世。美国POWERWAVE技术公司、AMPLIDYNE公司、MPT公司、STEALTH微波公司、线性器件技术公司、加拿大AMPLI集团、韩国电子学与通信研究所、日本三菱公司信息技术研发中心等多家单位，均有不同波段不同功率的产品问世。早在上个世纪二十年代，贝尔实验室工作人员就发明了前馈和负反馈技术，并应用于放大器的设计，但其主要着眼点是器件本身，所以工作的频率和线性度都较低。直到上世纪七八十年代，射频功率放大器的线性化技术在无线通信技术的推动下得到飞速发展，出现了一些新的功放线性化技术，研究人员也将线性化从器件的设计扩展到系统设计。目前，不论是学术界还是工业界，都十分关注射频功放的线性化技术研究。IEEE近年关于该领域的论文，以每年约百分之十几的速度增长。由于该技术的实用性，每年都有几十甚至上百个相关专利出现。但是，国内对该技术的研究还没有引起足够的重视，只有少数单位开展这方面的研究工作，所发表的论文也大都为介绍性的，相关的发明专利则更少。围绕着功率放大器的线性化课题，人们已经提出了各种各样的算法，主要分为这样几类前馈法FEEDFORWARD、负反馈法FEEDBACK、功率回退法BACKOFF、非线性器件法LINC、预失真法PREDISTORTION等。其中，功率回退法是一种简单、可3西安科技大学硕士学位论文靠的线性化措施，但是却限制了放大器的实际输出功率；反馈法并不适用于宽带信掣5】；前馈法相比于反馈法，克服了延迟带来的影响，更适宜于宽带信号，但随着器件特性的变化其性能将变坏；非线性器件法是将输入信号变成恒包络信号再由放大器放大，它操作复杂且对器件特性的漂移很敏感，所以不适于要求具有自适应特性的应用；预失真法是目前用得最多的一种方法，它的基本原理很简单，就是将放大器的输入信号做一个与放大器的传输特性相反的预畸变，使得它与放大器所带来的失真相抵消。根据预失真器在发射机中所处的位置，预失真技术可以分为射频预失真技术、中频预失真技术和基带预失真技术。根据预失真器处理信号的形式，又可以分为模拟预失真技术和数字预失真技术【6】。其中，数字预失真技术一般有两种实现方式，基于查找表方式和基于非线性射频功放的参数模型。射频功放的参数模型有级数模型、多项式模型等等。上个世纪八十年代，提出了利用查找表和曲线拟合的预失真方法。紧接着又出现了映射预失真。1990年，提出了用两张一维预失真表实现预失真。同年提出了复增益查找表的方法。可以认为，基于查找表的方法是目前预失真技术的一个重要分支。另一方面，随着无线通信技术的发展，对发射机系统的功率效益、线性化程度以及频谱效率等性能要求的提高，线性化技术发展到现在，逐渐表现出各种技术相互融合的趋势。预失真技术中也加入负反馈的思想；预失真技术与前馈技术的结合；最近还出现了预失真技术与LINC技术的结合；随着数字信号处理技术的进步，尤其是高速度DSP技术的飞速发展，线性化技术中逐渐加入了自适应的思想，使得功率放大器线性化系统的稳健性有了更大的提高。目前除了查表法和多项式法外，神经网络法也被用来实现预失真技术。神经网络有很多良好的特性，如快速计算和较好的近似能力，这些特性可以有效提高预失真器的性能。所以今后的预失真技术可能会通过采用新的高效算法来提高预失真器的初始化速度，减小由于系统中加入预失真器而引入的误差。而且，以前的信号预失真处理主要是通过DSP运算来进行的，预失真器所能处理的最高信号速率将受制于处理器的运算速度。因此，为了提高处理器的速度，只能依赖好的算法来减少需要进行的计算量，所以自适应算法是预失真器今后的一个重要研究方面。预失真技术的一个发展方向是小型化【_刀，主要是指预失真器硬件实现时尺寸的减小和复杂度的降低。虽然现在预失真技术主要应用在移动通信系统的基站中，但是今后随着集成电路技术的发展，数字预失真技术不仅继续应用在移动通信系统的基站中，而且也会嵌入到移动电话中，这样有利于进一步提高信号的频带利用率，并且当功率放大器高效工作时，信号发射时需要的功率消耗会相对减少，对于电池容量一定的移动电话，则通话时间相对可以延长。我们可以相信，随着电路技术和DSP技术的不断发展，预失真线性化技术由于电41绪论路实现相对简单和适应性强而必将得到广泛的应用。13研究内容及创新研究内容通常射频功率放大器在输入功率较大时其输出信号具有明显的非线性特性，而且随着输入信号带宽越宽其记忆效应也越发明显，这对提高功率放大器效率及输出功率都是不利的。目前业界通常采用数字预失真DPD技术来在中频环节解决射频功率放大器的非线性及记忆效应问题，本文从简化DPD算法复杂度、适合工程实时要求以及TDSCDMA信号本身特点方面入手，提出了TDSCDMA系统中DPD技术的简化算法和创新算法。主要工作和成果有创新1基于查找表的方式提出了一种数字预失真技术简化表达方法，该方法可用最少的预失真参数来有效补偿功放的非线性特性，并且易于通过数字器件等实现，避免了在预失真处理时需要不断搜索众多修正参数及复杂计算的缺点，能降低对DPD处理器件的处理能力要求，并减少器件功耗；仿真显示该方法和经典方法性能相当，使能后单载波、六载波TDSCDMA信号邻信道功率泄露比ACLR性能改善10DB、20DB左右，同时其带内失真也得到了一定的改善。创新2基于TDSCDMA信号本身的特点提出了一种TDSCDMA系统数字预失真DPD方法，该方法通过在TDSCDMA系统下行时隙的固定位置采样中频反馈数据，避免搜索拣选反馈数据所需要的大量计算，可以降低对DPD处理器件的处理能力要求，并减少器件功耗，同时仿真显示该方法能达到现有方法的性能，进一步说明了该方法在TDSCDMA系统中的可用性。14论文结构第二章介绍了TDSCDMA系统数字预失真DPD技术理论基础；第三章详细阐述了一种TDSCDMA系统DPD简化方法，包括对经典DPD技术的分析、DPD简化算法综述和简化算法详细设计过程等；第四章基于TDSCDMA信号本身的特点提出了一种DPD新方法，介绍了新方法提出背景、具体实施流程和适用范围等；第五章主要对上述提到的TDSCDMA系统DPD简化算法和创新算法的性能做了较为详细的仿真及结果分析，在此基础上对一定频偏后的TDSCDMA单载波、六载波信号的DPD性能进行了仿真及结果分析，最后对实际测试的DPD性能和理论仿真的结果进行了对比分析；第六章对论文工作做出总结。5西安科技大学硕士学位论文2TDSCDMA数字预失真DPD技术理论基础21TDSCDMA系统简介TDSCDMA是一种TDD模式技术，它的设计参照了TDD在不成对的频带上的时域模式，是多时隙的TDMA与直扩CDMA、同步CDMA技术合成的新技术】，在TDD模式下，可以方便的实现上、下行链路间的灵活切换。合适的TDSCDMA时域操作模式可自行解决所有对称业务以及任何混合业务的上、下行链路资源分配的问题。同时采用了先进的智能天线SMARTANTENNA，联合检澳LJJOINTDETECTION、软件无线电SOFTWAREDEFINEDRADIO、接力切换BATONHANDOVER等技术，这使得系统在性能上有了较大程度的提高，在硬件制造方面则降低了成本。211TDSCDMA的物理层介绍TDD模式是基于在无线信道时域里的周期地重复TDMA帧结构实现的。这个帧结构被再分为几个时隙。TDSCDMA系统的每个射频信道带宽为16MHZ，系统码片速率为128MCHIPS。每个TDD无线帧长1ORES，TDSCDMA将每个无线帧分为两个5MS的子帧，如图21所示【引。每个子帧由7个主时隙和3个特殊时隙一下行导频时隙DWPTS，保护时隙GP和上行导频时隙UPPTS构成。RADIOFRAME10MS三三二三三二二二二SUBFRAMESMSSUBFMME一2ISUBFRAME2IL，TIMESLOT0郾。5MSTS0TSLTS2TS3TS4TS5TS6怒GU娜SWITCHINGPOINT75US125US75幛图21TDSCDMA物理层的帧结构其中主时隙的结构参见图22T81。每个突发有前后两个数据部分352CHIPS和居中的62TDSCDMA数字预失真DPD技术理论基础训练序列MIDAMBLE144CHIPS，在每个突发最后有16CHIPS长的GP。数据区中的数据比特先经过调制，变为数据符号SYMB01，然后再采用OVSF码对数据SYMBOL进行扩频。这样，每个主时隙可以由OVSF码SFI、2、4、6、8、16分为116个码道CODECHANNEL。MIDAMBLE序列用来联合检测中进行信道估计，MIDAMBLE序列不进行扩频及加扰。同步调整和发送功率控JJTPC信令在训练序列后发送，如图22所示，它们采用与数据部分相同的扩频码进行扩频。SSSYMBOISTPCSYMBOLS；864CHIPS图22TDSCDMA系统主时隙结构图212TDSCDMA系统关键技术TDSCDMA系统的先进性主要表现在系统的总体设计上，最大限度的利用了先进的通信技术。TDSCDMA系统是一个同步的CDMA系统，用软件和帧结构设计来实现严格的上行同步；基于软件无线电技术，所有基带数字信号处理均用软件实现；联合使用了智能天线和联合检测技术，使这两项技术的优势得到了发挥并尽量避免了它们的局限性；使用接力切换技术等。这些关键技术的引入使TDSCDMA系统的性能和系统容量有了很大的提高，对系统设计的关键指标的实现起到了决定性的作用。下面对TDSCDMA的关键技术做一个简单的介绍网时分双工时分双工模式是TDSCDMA与FDD系统的根本区别。工作在TDD模式下的TDSCDMA系统在同一载波上进行上、下行链路传输，而不需要像FDD系统所必需的上、下行对称频谱。除了充分利用频率资源，极大地提高了频谱利用率以外，TDD模式的优势还在于系统可以根据不同的业务类型来灵活调整上、下行转换点，从而提供最佳的业务容量和频谱利用率。智能天线智能天线系统由一组天线阵及相连的收发机和先进的数字信号处理算法构成。在发送端，智能天线根据接收到达的信号在天线阵上产生的相位差，提取出终端的位置信息，有效地产生多波束赋形，每个波束指向一个特定终端并自动地跟踪终端移动，从而有效地减少了同信道干扰，提高了下行容量。空间波束赋形的结果使得在保持小区覆盖不变的情况下，极大地降低总的射频发射功率，一方面改善了空间选择分集，可大大提高接收灵敏度，减少不同位置同信道用户的干扰，有效合并多径分量，抵消多7西安科技大学硕士学位论文径衰落，提高上行容量。联合检测联合检测是TDSCDMA系统使用的又一项重要技术，通过对已知的训练序歹UMIDAMBLE进行信道估计，对多码道信号联合处理。联合检测技术把同一时隙中多个用户的信号及其多径信号一起处理，精确地检测出各个用户的信号，能够很好地解决多用户干扰问题。联合检测技术的基本思想是利用和多址干扰相关的先验信息，结合信道估计的结果，同时把所有用户的信号检测出来。从理论上来说，联合检测可以完全抵消多址干扰和码间干扰的影响，克服“远近效应，大大提高系统的抗干扰能力。上行同步上行同步是指在上行链路各终端发出的信号在基站解调器处完全同步，它通过软件及物理层设计来实现，这样可以使正交扩频码的各个码道在解扩时完全正交，相互间不会产生多址干扰，克服了异步CDMA多址技术由于每个移动终端发射的码道信号到达基站的时间不同，造成码道非正交所带来的干扰问题，提高了TDSCDMA系统的容量和频谱利用率，还可以简化硬件电路，降低成本。动态信道分配TDSCDMA所采用的动态信道分配技术可以实现在时域、空域和码域对无线资源的灵活配置。采用动态信道分配技术使得TDSCDMA系统能够较好地避免干扰，使信道重用距离最小化从而高效率地利用有限的无线资源，提高系统容量。此外，通过使用时域的动态信道分配，可以灵活分配时隙资源，动态地调整上、下行时隙的个数，从而灵活地支持对称和非对称的业务。213TDSCDMA系统的特点与FDD无线双工方式相比较TDSCDMA有如下特点【剐FDD系统的上下行通道要占有相同的带宽，而且上下行之间需要有几十兆赫兹的频率间隔作为保护【LOL。目IJ频谱资源极度紧张，在3GHZ以下，找到符合要求的对称频段非常困难。而TDSCDMA不需要成对的频率，可以使用各种频率资源，从而更能有效利用现有的频谱资源。第三代移动通信业务中，数据业务将占主要地位，而数据业务中，不对称的护型的数据业务又最重要。FDD中只能通过调整码道的分配来适应非对称业务，资源浪费严重。而TDD中可以根据业务的具体要求，灵活的分配时隙和码道，特别适用于上下行不对称，具有不同数据传输速率的业务。而且TDD理论上能做到满码道工作，在同等带宽条件下，容量要大于FDD系统。TDD上下行工作于同一频率，对称的电波传播特性更便于使用诸如智能天线等新技术，可以大大增加系统容量、降低发射功率、更好的克服无线传播中遇到的多径衰落问题。在系统组网方面，由于3GPP在制定第三代标准时已充分考虑了己有的第二代网络的投资，因此TDSCDMA系统尽量与3GPP制定的第三代标准在高层取得一致，能更82TDSCDMA数字预失真DPD技术理论基础好地实现第二代网络向第三代网络的演进与过渡。TDSCDMA技术有明显优势。根据此标准所开发的设备可以达到提供高频谱利用率、灵活和低成本的目标，具有很强的竞争能力。22射频高功放非线性分析对于射频功率放大器来说，“线性”的含意主要体现为以下两点其一是输出信号中仅包含有与输入信号频率相同的成分；其二是放大器的增益是一个恒定的常数，与输入信号的大小无关。因为构成放大器的各种有源器件的特性都是非线性的，所以实际的功率放大器总是表现出某种程度的非线性，在放大过程中总会产生各种各样的失真。本节将对功率放大器的非线性现象及其产生的原因进行分析。221谐波失真与其它非线性电路一样，功率放大器会产生谐波失真【LL】。谐波失真是指放大器输出信号中含有与基波频率成整数倍的新频率成分。设功率放大器的输入为单一频率信VF杉COSMT21则输出信号V口F可以表示为输入信号MR的函数VOT厂_F22将上式展开成幂级数的形式VOTCHV_FCOSMFTA2VT2COS2W,TA3V,3COS3MJT三吼K2QK三吗K3C。SQ，I1呸K2COS2QT1吩K3C。S3QR23，由此可见，尽管输入是单一频率的信号，但由于放大器非线性的作用，输出信号中除了基波频率分量外，还出现了直流分量和2Q、3雹等谐波频率分量。从23式可以看出，奇阶谐波频率分量由奇次项产生，直流分量和偶阶谐波频率分量由偶次项产生。由于谐波频率通常远离基波频率，可以容易地用滤波器滤除，所以谐波失真对通信系统的影响不大。222互调失真当多个不同频率的信号经过功率放大器时，由于非线性的作用，输出信号的频谱中，除了谐波分量外，还包含多种组合频率MQIN2TFF2啊卿，N2909NT21，2，3，9西安科技大学硕士学位论文Q吼基波基波IM【13LIML3UIMD5LIMD5UILI里图23双晋输入时放大器输出信号的频谱由于这些组合频率成分是由输入信号的相互调制相乘引起的，所以将它们称为互调失真IMDT111。如果输入信号为等幅双音信号VFC。S万。FC。SNR2T24将22式展开成幂级数，可得放大器的输出信号为吃FQCOS巧，COS吗F呸呼COSQFCOS嘎F2吩咋COSQFCOS吼，3呸呼QK三吗矽COS研RQK三吗哆COSR岘哆COS吗一码，哆哆COS巧呸FI1呸YF2COS2巧FI1呸YF2C0S2呒F三吗矽COS2研一码F三Q哆COS2砚一QF三吩矽COS2巧砚RI3吩_3COS研2A72R去呸哆COS3研F言吗哆COS3吼，25对于互调失真，可以得到如下两个结论N次项可以产生N阶或小于N阶的失真频率；奇次项产生输出信号的奇阶谐波频率分量和奇阶互调频率分量，偶次项产生直流分量、偶阶谐波频率分量和偶阶互调频率分量。等幅双音输入时，放大器的输出信号频谱如图23所示，图中字母U、L分别代表上边带UPPERSIDEBANDS和下边带LOWERSIDEBANDS。偶阶互调失真的频率一般远大于或远小于基波频率，可以用滤波器将它们滤除。而当输入信号的两个频率Q、吼比较靠近时，三阶互调失真频率2Q一吼、2M2一Q与基波信号频率非常接近，很难采用滤波的方法将它们从信道中滤除，因此在通信系统中需要重点考虑。同样，五阶互调失真频率3Q一2砚、3吼一2Q也比较靠近基波信号频率，只102TDSCDMA数字预失真DPD技术理论基础是其功率比三阶互调失真要小得多。在通信系统中，放大器或接收机中存在的互调失真会影响通信质量。虽然一般情况下，互调失真信号要比基频信号弱，但在移动通信系统中，不同信道的信号功率相差可达百倍，某个信道产生的互调信号与其它信道内的有用信号相比可能会很强，从而对其它信道内的信号造成严重干扰。因此，互调失真的大小是衡量功率放大器线性度的主要指标之一。23DPD技术简介231DPD工作原理预失真系统可以通过各种各样的形式实现，但基本原理都是一样的。都是先让输入信号通过一非线性器件即预失真器其特征函数为，再送入非线性功率放大器其特征函数为F进行放大输出。调节预失真器参数使得预失真器非线性特性和功放非线性特性相反，从而使得两个非线性系统的级连表现为一线性系统。其数学描述为FFLK其中K为常数增益预失真器在系统中所处位置示意如图24所示INPUT多O掌UT譬一Y，V图24预失真器在系统中所处位置示慈图预失真的概念很容易理解，让我们来考虑如图25AU2】所示的情况。设为放大器输入信号的幅度，乙，为相应的输出信号的幅度，但理想的线性功放的输出信号幅度应为PD。如果要使输出信号幅度为卅，正确输入信号的幅度应为一，因而预失真器的作用就是把原来的输入信号幅度RIN调整为耐，这样就能够得到线性放大。相位预失真也可以通过类似的方法得到。从图中可以看出，如果理想的输出幅度超过了放大器的饱和点，幅度耐就不能够完全纠正它的非线性。只要不大于放大器的饱和电平，我们都可以通过预失真器校正。超过了饱和电平，即使增加输入信号的幅度也不会带来输出功率的增加。图25BT12】说明了放大器工作点的改善及预失真能线性化的上限图中的黑色矩形框表示输入功率范围，第一个表示没有进行线性化的输入功率范围，它的峰值功率不能进西安科技大学硕士学位论文入非线性区太远，即传输信号时失真不能过大。有了预失真器后，放大器就可以工作在较高的点上，这是由于饱和电平以下的失真都可以被纠正。饱和线与线性响应的交叉点所对应的输入功率电平就是所能纠正的最大输入功率，任何高于这个功率的信号都不能被完全的纠正。由此可知，在给定失真电平的条件下，经过预失真就可以使用线性度较低的放大器，并获得较大的效率。一PD图25A预失真概念模型预RINRINPD图25B放大器工作点的改善基于上述原理所拟合的功放和DPD模块特性曲线如图26所示V图26DPD和功放特性曲线232DPD实现方法DPD核心问题是如何得到和自动调整工作函数的参数。自80年代中期以来，出现了多种方法，如查表法LUT、神经网络法和多项式法等。1神经网络法1995年首次提出将神经网络算法用于数字基带预失真，应用多层感知来近似放大器AMAM响应的反函数。由于要求太多的参量使计算量太大，随后做了改进。借助功放122TDSCDMA数字预失真DPD技术理论基础的近似非线性特性，将复函数变为两个实函数，从而减少了计算量。当放大器的失真特性未知时，利用神经网络算法，直接从放大器的输出数据，估计要求的预失真函数，其原理如图27所利131。图27神经网络原理图图27中，神经网络L的输入数据为放大器输出样本，其训练数据来自放大器的输入幅度；当神经网络1收敛时，其响应是放大器AMAM失真函数的反函数。神经网络2的输入数据为放大器的输入幅度，训练数据是放大器的输出与输入之间的相位差；当神经网络2收敛时，其响应为放大器的AMPM失真函数。2多项式法多项式法的主要思想是利用多项式方程来拟合理想复增益曲线【141。是把功放和预失真器的AMAM与AMPM特性，用系数为复数的幂级数表示。由于放大器的失真主要由奇数项产生，因此主要考虑奇数次的系数多项式。这种方法节省了用于查找表的RAM存储片。多项式方法的基本思想是通过调节多项式系数拟合PA逆的复增益曲线，因此，无记忆多项式方法对于特性曲线较为光滑的PA来讲，具有较好地预失真效果，但对于特性曲线不平滑的PA，其预失真效果差。分段拟合的方法肩皂较好解决PA这一问题。有记忆多项式方法能较好解决记忆性问题，但计算复杂度也随之升高。3查找表法查找表预失真技术是目前最为流行的一种预失真线性化技术【151，其基本步骤是将放大器的输入信号功率或幅度等作为查找表的索引指针，把功率放大器的复增益预调整值作为指针对应内容存储在查找表中，工作时根据输入信号的幅度等信息查找其对应预调整值，并将其输出给相应模块，达到线性化的目的。查表法是一种简单而有效的技术，其基本原理是，将适当的预失真值存储在表格中，13西安科技大学硕士学位论文以输入信号的大小作为地址，借助DSP，使用迭代算法自动更新LUT中的内容。如图28所示，射频输入信号RF依次经过包络检测器、低通滤波器和AD，产生出来的数字信号，作为两个查找表FL和F2的索引来查找内容。该内容即I、Q两路信号，用于控制预失真。输入信号与输出信号用于求出梯度，再借助DSP，自动更新查找表中的内容。24本章小结图28查找表法原理图RF输入本章介绍了TDSCDMA系统DPD技术研究的理论基础，首先对TDSCDMA系统做了个简介，包括物理层、关键技术以及系统的特点等，然后对射频高功放的非线性特性进行了分析，包括谐波失真、互调失真以及AMAM与AMPM特性等，最后着重对改善高功放非线性特性的DPD技术作了一些介绍，包括其工作原理和常用的一些实现方法。143TDSCDMA系统DPD简化算法设计3TDSCDMA系统DPD简化算法设计已发放牌照的TDSCDMA等3G移动通信系统以及未来的移动通信系统都是一种宽带通信技术，此时系统对时间分辨率要求更高，功放对系统输入信号的记忆效应会越发变得明显，会使带内失真加剧和带外交调分量增多，这对提高功率放大器的效率及输出功率都是不利的。DPD技术从一定程度上可以充分利用功放的非线性放大区间特性，对增加功放效率有重大作用。然而对功放特征不同的表达方式，将造成补偿功放非线性特性的数字预失真处理方法复杂程度不一样。因此在性能保证的前提下，简化数字预失真技术的算法尤为必要。31经典DPD技术分析在经典的数字预失真技术表达方法中，经常采用WIENER模型法、HAMMERSTEIN模型法、VOLTERRA级数模型法来建模或补偿记忆系统的非线性特性16】【17】。在以上方法中，VOLTERRA级数模型法最为准确，但其系数的提取较为复杂，没有太大的实用价值。WIENER模型法和HAMMERSTEIN模型法的参数最少而且最容易通过数字器件来实现，因此一般系统均采用这2种方法。HAMMERSTEIN模型法和WIENER模型法的结构相似，只是两个子模块的先后位置不同如图31、图32所示。G岛。IR磊引无记簇裴线性卜崎I几图3IHAMMERSTEIN法结构图图32WIENER法结构图前者输入信号先经过一个无记忆非线性模块，再进入一个线性时不变滤波器，后者内部结构与前者恰恰相反。通常HAMMERSTEIN模型里面的无记忆非线性模块用具有任意阶数P的复系数多项式来表示WKA，XKA2X2尼XP后31其中，AI，A2，。，AP都是复系数，这样就同时描述了记忆系统的AMAM和AMPM非线性。线性模块则用任意的系统函数日厂来描述。15西安科技大学硕士学位论文由于WIENER模型法数字预失真技术能很好的补偿HAMMERSTEIN模型功放，所以以下选用这两个模块级联系统进行经典预失真技术的说明，其实这两种描述记忆非线性系统的经典方法在系统中经常配合使用，如能在级联的系统输出端信号无失真放大，这时还应该满足G厂XX32后水后万后万尼是单位冲击响应，式33也可用频域表示成厂木吼删13334DPD目标就是求出多项式的复系数Q，哆，和线性系统的系统函数H厂，继而通过对G和七求反来得出厂和尼，最终确定WIENER模型预失真器的各个参数。基于上面描述，经典的数字预失真方法其实质可以用如下多项式来表示少七艺吆XKQLX七一GIPP21Q2135其中Q表示功放的记忆深度，Q为0表示功放无记忆，一般情况下Q51而P表示非线性阶数。由上式不难发现功放模型的关键是求解系数6W。令】，陟QYQ1YQRBBOOBL。B2。B30BK。B01611B21B3L玩IBOQBIQBEOB3QRXKXQ一。XOJ其中XJX歹XIX，11XIXI足ZX歹LX|LXIXJFL足因此式35可表示为YZB按照最小二乘准则，可以得到16363738393103TDSCDMA系统DPD简化算法设计BXX1XY311由式311可求解B。但显然311中牵涉复杂的矩阵求逆等运算，根本不适合工程实时计算的要求。32TDSCDMA系统DPD技术的一种简化算法321TDSCDMA系统DPD技术简化算法综述如上所述，为了降低计算复杂度，需要对公式35进行变换，得到旦Y后FABSXKGX后一G俨0312对于某一Q值有FABSKQIXKQL，P20313由于每个时延下的多项式的最高阶数可能不一样，同时时延也可能不连续；为了增加运算速度，每个PDC时延对应预失真处理单元单独处理，每个PDC代表一个时延单位下的数据特征。另外可以设想DPD模块预先存储了一些预失真参数表，并对其相应输入数据做预失真处理【18】【191，由于所有输入数据的随机性，也就是说数据在一小段时间内其均值功率可能不变或变化不大，但其瞬时功率随时都在变，故特别设计用N张大表来区分均值功率，用M张小表来区分一定均值功率下的瞬时功率，其中各小表拼接而成能应对所有输入数据，并且每张小表内容为一预失真复参数。便于分析，假定最大记忆深度为3，则公式313可进一步表达为FXBO岛XB2冉荟钆XEDGEMPDGEST13其中EDGESTEDGEST1代表输入数据范围即每个子预失真参数表的作用范围。基于处理上的方便和公式计算简单化，把所有X的取值范围都统一变换到11之间X材X望童竺型堕I声望窒鱼型竺I声XX一11315X“X口XX。1117316西安科技大学硕士学位论文口EDGEST1EDGESTEDGEST1EDGEST22317所以有X2；玩材XX一11318GX根据WEIERSTRASS理论，可用多项式篇来近似函数FX；其中L；F，。俐吼X。刀O12T20319其近似误差为PPX，PX一GXNOLPZX，P砌出厂X砌X一PEXX】Z出为使最小，取E厂XOJ2AX则有FXCOOXCLYLXX一11假定髋W2X瑚L嚣11，此时，L哪GE多项式的前两项为川，X；183203213223233243TDSCDMA系统DPD简化算法设计删压吣居岛F。ZPXGP出QF。X善PXGP出325此时，公式323进一步可写成厂X2XQXAXB326对应可以求出口2B327最后令X一1，求出当前输入数据对应的厂X口一16B一口值，并存入相应预失真表【181目前设计保存每个折线起始位置点的厂X值存入预失真参数表。另外，由于功放再生的特点，其模型参数会随着自身的条件和周围环境的变化而变化，因此需要自适应调整DPD的参数，即自适应计算A及B；所以设计一种简化的积分计算方法一定程度上可以提高DPD的自适应时间。易知，将某一,GOX,I、Q复数据X对应的值X饿6锁存下来，等数据X到来时，读取对应的厂X值，然后进行X幸厂X操作，最后把最大记忆深度内各时延单元输入数据对应的X厂X值进行累加即可得到经典预失真法结果少。经典预失真法对每一个输入数据Z以的预失真参数都要存储，而简化算法只需存储当前输入对应的6一A值，显然，复杂程度大大简化了；如果计算量和存储空间允许的情况下，可以将八X拟合为二次或以上曲线，可以提高拟合精度；极限情况下，保存10唇占西安科技大学硕士学位论文公式35中的系数的结果将为最小的拟合损失，但需要的存储空间最大20】。另外，将DPD或功放模型曲线分段进行拟合，一定程度上可以降低拟合的复杂度，分段越细，拟合越准确。但增加段数，带来存储空间的增加和运算量的增加，需要折中考虑。322TDSCDMA系统DPD技术简化算法具体实施流程如前所述，本文提出的