[硕士论文精品]宽带高效功率放大器数字辅助技术

摘要摘要功率放大器是移动通信基站的重要组成部分。电信运营商的运营费用中大约30的比例用于电费支出，其中5060是基站用电，而功率放大器是基站中耗能最多的器件。功放效率低下意味着要在能源消耗上付出更多的成本，同时因为大部分电能被转化为热能，造成设备的维护成本增加和使用寿命降低。从环境保护角度来看，据估计2009年全球信息通信产业共排放了约75亿吨二氧化碳，移动通信在其中占有相当份额。我国的3G网络正处于建设阶段，为了打造绿色3G网络，新型节能基站必不可少，这也是我国建设节约型社会、实现节能减排的强烈要求。提高功率放大器的效率则是实现节能基站的关键。功率放大器是非线性器件，会对输入信号产生交调失真。为保证通信质量，如果采用简单的功率回退，使功率放大器一直工作在线性区间，那么功放的效率会很低。如采用TDSCDMATIMEDIVISIONSYNCHRONOUSCODEDIVISIONMULTIPLEACCESS9载波信号，峰均比约为12DB，如果直接将输入信号功率回退，功率放大器的效率会低于10。当前，兼顾功率放大器的高效率和高线性度的有效方法是采用高效率功放技术结合中频数字辅助。如采用峰均比降低技术、数字预失真技术结合多合体高效率放大技术。论文侧重于研究数字辅助技术。峰均比降低技术可以在功率放大器保持相同线性工作区间的情况下提高功放的输出功率，进而提高功放的效率。为使功放输出保持线性，回退功率等于信号的峰均比加上饱和功率与线性工作区间的功率差。输入信号的峰均比越低，回退越少，功放的效率也就越高。数字预失真技术可以扩展放大器的线性工作区间。当输出功率增加至非线性区间时，放大器的输出信号与理想线性性能曲线发生偏离，从而导致信号质量下降和邻带干扰。数字预失真可将失真输出信号与非失真输入信号进行比较，然后在对输入进行预先失真，其失真特性与功放相反，从而有效消除失真。扩展线性区间的功率放大器可以输出更高的功率，因此效率也更高。论文描述了当前高效率功放数字辅助的CFR和DPD的研究现状，分析了这些摘要方法的优缺点，并通过仿真验证分析的正确性。然后设计并实现了结合脉冲对消峰均比降低技术，记忆多项式数字预失真技术的高效率功放数字辅助部分。最后，我们外接DOHERTY放大器，使用6载波TDSCDMA信号测试了数字辅助的效果。在相同线性度要求下，如果采用直接回退的方式，功率放大器的效率为60，如果采用上述数字辅助系统，功放的效率提高到377。以上结果验证了宽带高效率功率放大器数字辅助的工程可行性和有效性，对高效率功率放大器在基站中的应用和进一步研究具有一定的借鉴意义。关键词功率放大器，峰均比降低，数字预失真，多合体IIABSTRACTABSTRACTPOWERAMPLIFIERISANIMPORTANTPARTINCOMMUNICATIONSYSTEMSABOUT30OFOPERATIONCHARGEOFTELECOMOPERATORSISSPENTONELECTRICITY，5060OFWHICHISCONSUMEDBYBASESTATIONANDWITHINBASESTATION，POWERAMPLIFIERCONSUMEDTHEMOSTLOWETLICIENCIENTPOWERAMPLIFIERMEANSMORECOSTONENERGYCONSUMPTIONMEANWHILEMOSTOFELECTRICPOWERISTRANSFORMEDINTOHEATENERGY,SOTHISINCREASESEQUIPMENTMAINTANCECOSTANDDECREASESEQUIPMENTSLONGEVITYFROMTHEVIEWPOINTOFENVIRONMENTALPROTECTION，ITISESTIMATEDTHATIN2009CARBONDIOXIDEEMISSIONISABOUT75TONAROUNDTHEWORLDINCHINA，3GNETWORKISDEVELOPINGSOADVANCEDENERGYSAVINGBASESTATIONISNECESSARYFORGREEN3GNETWORKCONSTRUCTIONTHISISALSOTHEREQUIREMENTSFORBUILDINGACONSERVATIONORIENTEDSOCIETYANDFULFILLINGENERGYSAVINGASWELLASEMISSIONREDUCTIONINCREASINGTHEEFFICIENCYOFPOWERAMPLIFIERISTHEKEYTOIMPLEMENTENERGYSAVINGBASESTATIONPOWERAMPLIFIERISNONLINEARCOMPONENTTHEEFFICIENCYISLOWIFWEADOPTSIMPLEPOWERBACKOFFTOMAKEPOWERAMPLIFIERWORKINLINEARAERANINECAREERTDSCDMASIGNALWITHPAPRATAPPROXIMATELY12DB，POWERAMPLIFIEREFFICIENCYWILLLOWERTHAN10ASTHERESULTOFSIGNALPOWERAFTERBACKOFFTO12DBATPRESENT，DIGITALSIGNALPROCESSINGISTHEMETHODCONSERVINGBOTHHIGHEFFICIENCYOFPOWERAMPLIFIERANDLINEARITYTHISPAPERPUTSEMPHASISONTHERESEARCHANDIMPLEMENTATIONOFKEYTECHNOLOGIESINHIGHEFFICIENCYPOWERAMPLIFIERPAPRCOULDIMPROVEPOWERAMPLIFIEROUTPUTPOWERWHILETHEPAISWORKINGINTHESAMELINEARDISTRICTTOMAINTAINTHELINEARITYOFPOWERAMPLIFEROUTPUT，BACKOFFPOWEREQUALSTHEDIFFERENCEBETWEENTHEPOWEROFLINEARITYWORKINGZONEANDTHESUMOFPAPRANDSATURATIONPOWERTHELOWERTHEOUTPUTPAPRIS，THELESSTHEBACKOFFPOWERIS，SOTHEMOREEFFICIENCTTHEPOWERAMPLIFIERWILLBEDPDCOULDEXPANDPAWORKINGLINEARITYZONEMENPAOUTPUTPOWERISINCREASINGTONONLINEARZONE，PAOUTPUTSIGNALWILLDEVIATEFROMIDEALLINEARCURVEWHICHLEADSTOSIGNALQUALITYDECREASINGANDADJACENTCHANNELINTERFERENCEDPDCOULDCOMPARETHEDISTORTEDSIGNALANDREFERENCESIGNAL，THENPREDISTORTTHEINPUTDATASWITHOPPOSITEDISTORTIONPERFORMANCETOPOWERAMPLIFIERANDELIMINATETHEULTIMATEDISTORTIONPAWIMEXPANDEDLITEARZONEISABLETOOUTPUTHIGHERPOWERLEVELTHUSHASHIGHERE伍CIENCYFIRST，THISPAPERWILLINTRODUCEEQUIVALENTBASEBANDMODELOFPOWERAMPLIFIERDISTORTION,INCLUDINGAMPLIFIERAMAMDISTORTIONANDAMPMDISTORTION，ANDTHEAFFECTSTOPOWERAMPLIFIERDISTORTIONCAUSEDBYMEMORYEFFECTIONLATER,WILLPRESENTTHEARCHITECTUREOFHIGHEFFICIENTPOWERAMPLIFIER,ANDDESCRIBETHEPOSITIONASWELLASRUCTIONFURTHERMORE，THISPAPERPRESENTSTHERESEARCHONTWOKEYTECHNIQUESINHIGHIIIABSTRACTEFFICIENCYPOWERAMPLIFIER,THEYARECFRANDDPDANDIMPLEMENTBASEBANDSIGNALPROCESSINGACCORDINGTOPULSECANCELLATIONCFRTECHNIQUEANDMEMORYPOLYNOMIALDPDFINALLY,WETESTBASEBANDSIGNALPROCESSINGBYEXTERIORCONNECTINGDOHERTYUSINGSIXCARRIERTDSCDMACOMPOSITESIGNALUNDERTHESAMELINEARITYREQUIREMENT，WEPROMOTEPOWERAMPLIFIEREFFICIENCYFROM6TO377。THEABOVERESULTSVALIDATETHEENGINEERINGFEASIBILITYOFDIGITALASSISTANCEFUNCTIONOFBROADBANDHI曲EFFICIENCYPOWERAMPLIFIERITHASSOMEREFERENCEMEANINGSTOTHELARGESCALEAPPLICATIONOFPOWERAMPLIFIERINMOBILECOMMUNICATIONSITALSOHASSOMEECONOMICALVALUEKEYWORDSPOWERAMPLIFIER,CFR，DPD，DOHERTYIV图目录图21图22图23图24图25图26图27图28图29图210图211图212图213图214图215图216图217图218图219图220图221图222图223图224图225图226图31图32图33图34图35图36图41图42图目录放大器交调的频域表现6放大器的AMAM失真7放大器的AMPM失真7有记忆效应放大器的AMAM失真8有记忆效应放大器的AMPM失真9高效功放系统结构9高效功放系统信息流10放大器失真特性分区11峰均比降低对放大器效率影响12预失真对放大器效率影响12基带限幅法框图14峰值加窗法算法框图15峰值加窗处理后信号的CCDF曲线15噪声成型法算法框图17噪声成型处理后信号的CCDF曲线17数字预失真原理18数字预失真结构18基于查找表的数字预失真19二维查找表数字预失真20一维查找表数字预失真20非均匀查找的数字预失真21各种索引函数曲线22基于放大器模型的数字预失真22WIENER模型24HAMMERSTEIN模型25WIENERHAMMERSTEIN模型25PCCFR原理27PCCFR处理流程28多载波滤波器频谱图29对消脉冲时域图形29PCCFR的假峰排除30脉冲对消法处理后信号的CCDF曲线31记忆多项式模型34直接学习模型35VII图目录图43图44图45图46图51图52图53图54图55图56图57图58图59图510图511图512图513图514图515图516图517图61图62图63图64图65图66图67图68图69间接学习模型35预失真对放大器AMAM改善37预失真对放大器AMPM改善38预失真对邻近信道泄漏改善38数字辅助板硬件结构43数字辅助板子模块划分44数字中频板传输信号频率设计45时钟管理子模块接口47信号发生子模块产生的TD信号48信号发生子模块产生的TD信号49DUC子模块结构49指示信号时序50DUC子模块接口52CFR子模块内部结构52CFR单元内部结构53CFR子模块接口54DPD子模块结构55数字预失真子模块接口57数据捕获子模块接口59参数计算和更新子模块流程61参数计算及更新子模块接口62高效率功率放大器测试平台65高效率功放数字辅助板66DUC输出信号的CCDF曲线66经过CFR处理后信号的CCDF曲线67DUC输出信号的EVI。68经过CFR处理后信号的EVM68没有DPD时放大器输出的邻道干扰69加入DPD时放大器输出的邻道干扰69功率回退后放大器输出的邻道干扰70VI表目录表21表22表23表24表25表31表32表41表42表43表44表51表52表53表54表55表56表57表58表59表510表511表512表61表目录仿真条件15峰值加窗法仿真结果16仿真条件16噪声成型法法仿真结果17查找表与放大器模型预失真的比较23仿真条件31脉冲对消法仿真结果31各种收敛算法比较36仿真条件37信噪比对数字预失真性能的影响39频偏对数字预失真性能的影响39性能指标需求41数字中频板频率设计46时钟管理子模块接口说明47信号发生子模块接口48DUC滤波器参数设置50DUC子模块接口说明51CFR子模块接口说明54LUT深度和位宽对预失真的影响56数字预失真子模块接口说明57数据捕获子模块接口说明58参数计算及更新子模块接口说明62参数计算及更新子模块接口说明63两种不同方法下功率放大器的工作状态70IX缩略词表英文缩写3GPPBERPAPRDPDPADUCDDCI心RRCACLRCDMACFRCREVMFIRFPGANSPAPRPCPWRFLUTTDSCDMACCDF缩略词表英文全称3RDGENERATIONPARTNERSHIPPROJECTBITERRORRATEPEAKTOAVERAGEPOWERRATIODIGITALPREDISTORTIONPOWERAMPLIFIERDIGITALUPCONVERTERDIGITALDOWNCONVERTERRADIOFREQUENCYROOTRAISEDCOSINEADJACENTCHANNELLEAKAGERATIOCODEDIVISIONMULTIPLEACCESSCRESTFACTORREDUCTIONCLIPPINGRATIOERRORVECTORMAGNITUDEFINITEIMPULSERESPONSEFIELDPROGRAMMABLEGATEARRAYSNOISESHAPINGPEAKTOAVERAGEPOWERRATIOPEAKCANCELLATIONPEAKWINDOWINGRADIOFREQUENCYLOOKUPTABLETIMEDIVISIONSYNCHRONOUSCODEDIVISIONMULTIPLEACCESSCOMPLEMENTARYCUMULATIVEDISTRIBU一TIONFUNCTIONX中文释义第三代移动通信伙伴项目误比特率峰值功率与平均功率比数字预失真功率放大器数字上变频数字下变频射频根升余弦邻道泄露功率比码分多址峰值因子削减限幅率误差矢量幅度有限脉冲响应现场可编程门阵列噪声成型峰值平均功率比峰值对消峰值加窗射频查找表时分同步码分多址接入互补累积分布函数主要数学符号表符号类别变量矢量矩阵矢量转置，矩阵转置单位矩阵复数共轭共轭转置虚数单位变量取模主要数学符号表示例字体和说明以小写斜体口小写粗斜体A大写粗斜体口7，AR0丁厶MM阶单位阵A04H月，斜体小写字符独创性声明本人声明所呈交的学位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。据我所知，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，也不包含为获得电子科技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谢意。签名垄塑垫日期矽勿年岁月I罗日论文使用授权本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文的规定，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，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将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、汇编学位论文。保密的学位论文在解密后应遵守此规定签名考鱼鱼导师签名日期幻D第一章绪论11课题背景第一章绪论无线通信在过去的十几年中出现了突飞猛进的发展势头，移动通信用户大幅度增加。2015年，全球移动电话用户将可望从目前的30亿猛增至50亿。随着用户的增加，如何解决移动电话基站的能源问题，已成为维持全球移动电话业持续增长的当务之急。功率放大器是基站中耗能最多的器件，目前基站中的功率放大器效率普遍不高。更高效率的功放、更低能源消耗的新一代基站产品能帮助运营商在激烈的市场竞争下降低运营成本，占据竞争优势，还有助于实现“绿色电信“，起到节能减排，保护环境的作用。A运营成本“从全球范围看，电信运营商的运营费用中有大约30的比例用于电费支出上，而电费支出中，有5060是基站用电。“诺基亚西门子大中华区总裁张志强如是表示。据相关研究机构的调查显示，整个通信行业年耗电量已经超过200亿千瓦时，其中移动通信网络耗电量占据绝大部分。以GSM基站为例，在444典型配置情况下，传统宏基站功耗在1600W左右，加上辅助和配套功耗，典型功耗将会在3000W左右。如果能同时降低基站和配套功耗，将站点功耗控制在450W以下，能耗将降低85以上，每年每站点至少能为运营商节电超过22万千瓦时。中国移动是全球最大的移动通信营运商，2006年，中国移动一年的电费达到了100亿人民币。如果中移动全部使用功率效率为40的基站，只此一家公司，每年节约的电费将达到40亿人民币以上。B环境效应据估计，2009年全球信息通信产业共排放了约75亿吨二氧化碳，移动通信在其中占有相当份额。今年三大电信运营商都展开了轰轰烈烈的3G建设。在3G电子科技大学硕士学位论文网络建设之初，三大运营商都非常重视节能减排工作，并将其应用到网络建设的方方面面。为了打造绿色3G网络，新型节能基站必不可少。以我国运营商为例，据不完全统计，我国电信业重组以前，仅中国电信、中国网通、中国移动和中国联通4家运营商，每年的耗电量就达200多亿千瓦时。按一千克煤提供三千瓦时电能来计算，4家运营商一年将消耗近700万吨煤。工业锅炉每燃烧一吨标准煤，就产生二氧化碳2620千克，二氧化硫85千克，氮氧化物74千克。综上所述，不论是从节约能耗成本、保持运营商的竞争优势还是从践行节能减排、承担社会责任角度来看，更高效率的功放、更低能源消耗的新一代基站产品都必不可少。这也将成为未来3年5年世界各国移动通信设备制造商竞争的核心要素。12功放效率现状与趋势功率放大器是非线性器件，会对输入信号产生交调失真。放大器的失真对输入信号的包络敏感。随着移动通信技术的发展，为了追求更高的数据速率和频谱效率，普遍采用高阶调制和多载波配置，这导致了信号包络的变化。虽然输入的信号频谱较为纯净，但是功放输出端产生了大量的非线性产物。交调失真不仅会干扰带内信号，降低系统误码率性能，同时也会干扰相邻信道。随着输入信号带宽的增加，放大器还会体现出记忆效应。即放大器当前时刻的输出不仅与当前时刻的输入有关，还与之前时刻的输入有关。这进一步加剧了放大器对信号的失真。非恒包络调制具有较大的PAPRPEAKTOAVERAGEPOWERRATIOS，为保证信号的线性，需要回退输入功率，这使得功率放大器长时间工作在低效率状态，回退越多，功率放大器的效率越低，这正是当前基站效率低下的原因。如何实现高效率，线性度又好的功率放大器是业界研究的热点。传统的独立模拟功放技术正逐步淘汰，数字辅助高效率功率放大技术构成了新一代基站的最重要特征。当前，峰均比降低技术、数字预失真技术结合DOHERTY放大器技术被认为是实现高效率、高线性度功率放大器的有效方法。1峰均比降低技术可以在功率放大器保持相同线性工作区间的情况下提高2第一章绪论功放的输出功率，进而提高功放的效率。为使功放输出保持线性，回退功率等于信号的峰均比加上饱和功率与线性工作区间的功率差。输入信号的峰均比越低，回退越少，功放的效率也就越高。2数字预失真技术可以扩展放大器的线性工作区间。当输出功率增加至非线性区间时，放大器的输出信号与理想线性性能曲线发生偏离。数字预失真对输入进行预先失真，其失真特性与功放相反，从而有效消除失真。扩展线性区间的功率放大器可以输出更高的功率，因此效率也更高。3DOHERTY由两个功率放大器组成，称之为主功放和辅助功放。信号较小时只有主功放打开，信号增大至主功放饱和后，辅助功放打开，两路放大器输出的和为放大后的输出信号。DOHERTY放大器相对传统的一路放大器避免了小信号时工作于低效率状态，进而提高放大器的效率。论文侧重于研究数字辅助技术，包括峰均比降低技术和数字预失真技术。13内容及结构安排数字辅助关键技术包括峰均比降低技术和数字预失真技术。峰均比降低的程度直接关系到功率放大器的效率，数字预失真技术关系到功率放大器的线性度，影响通信的质量。实现中，哪些峰均比降低技术能够在降低信号的峰均比时引入的失真较小，哪些预失真技术能够使得信号的邻近信道干扰得到较大的改善，及这些方法如何实现都是论文关心的问题。第一章说明当前基站用功率放大器的效率现状及其发展趋势，指出高效率放大器对降低运营成本和保护环境的意义；第二章介绍功率放大器的失真特性及高效率功率放大器结构，指出数字辅助的作用；第三章描述了设计中采用的脉冲对消峰均比降低技术及其仿真性能；第四章描述了设计中采用的记忆多项式数字预失真技术及其仿真性能；第五章根据脉冲对消峰均比降低技术和记忆多项式数字预失真技术给出了高效率功率放大器数字辅助的系统设计及部分模块的详细设计；3电子科技大学硕士学位论文第六章将设计的数字辅助板与射频版、DOHERTY功放一起组成高效率功率放大器系统，并采用TDSCDMA6载波信号做了性能测试；最后一章对全文进行总结，指出继续进行的相关研究工作和未来可能的研究方向。4第二章数字辅助的高效率功率放大器21引言第二章数字辅助的高效率功率放大器功率放大器是非线性器件，会对输入信号产生交调失真。交调失真会导致信号畸变，降低误码率性能，还会引起频谱扩散，影响到相邻频带。随着输入信号带宽的增大，放大器还会体现出记忆效应，加剧传输信号的失真。为保证通信的质量，如果没有数字辅助，仅采用回退输入信号功率的方法，会使放大器一直工作于低效率状态。为了提高功率放大器的效率，同时兼顾放大器的线性，需要采用数字辅助的方式。22功率放大器的失真特性221功率放大器的交调失真功率放大器是非线性器件，当输入信号为多载波信号或则有用信号与干扰信号的组合时，功率放大器会使输入信号相互调制，从而产生新的频谱分量。如果这些新的频谱分量远离有用信号，可以采取滤波的方法直接将干扰信号滤除，如果这些新的频谱分量落在有用信号带内，那么将对信号产生干扰，无法直接滤除。放大器的交调失真通常采用幂级数的方法来表示Y5ALXA2X。口3，21其中，Y表示放大器的输出信号，X表示放大器的输入信号，Q，A，A3，为放大器各次交调分量的增益系数。从频域上看，放大器的交调失真是在有用信号的附近产生了新的频谱分量。假设输入信号为一个双音信号工4COSOLT4COSC02T22放大器的输出可以表述为电子科技大学硕士学位论文Y2Q，C。SQF4C。S哆F哆44C。S哆F223A34L3十COSC01TCOSCOLT,42COSO2T。观察上式，可以发现放大器的输出中会产生新的频谱分量，这些分量的频率为岛Q镌哆，其中毛，吃为整数。如果蜀红为偶数，该频谱分量远离有用信号，这一类交调信号不会对信号产生干扰，可以不关心。如果颤K2为奇数，该频谱分量与有用信号非常接近。对于多载波宽带信号，这些干扰会直接落在信号带内，对有用信号造成干扰。又。LJ交调频率频率从时域上看，放大器的交调失真使得放大器的输出并非是放大器输入的线性函数。为使推导方便，假设输入信号为XACOS60T24放大器的输出可以表述为Y口LACOS_OTA2ACOSCOT2A3ACOSCOT325化简得到Y2三Z彳2Q。彳石3吩。么3COSO。T互1Z。A2COS2国纠26即A3COS3COT观察上式，可以发现输出信号在经过滤波后得到频率为COT的有用信号的增益与奇数阶的交调系数有关。表现为输出信号的增益随着输入信号的幅度增大而减小，称为放大器的AMAM失真。同时放大器输出信号的相位也会因为交调而失真，称为放大器的AMPM失真。6第二章数字辅助的高效率功率放大器0706O5蜊罂04P司1一丑03簿02010一R7。OO1O2030405060708输入信号幅度图22放大器的AMAM失真、F|100102030405060708输入信号幅度图23放大器的AMPM失真222功率放大器的记忆效应记忆效应是指放大器当前时刻的输出不仅与放大器当前时刻的输入有关，还750MB加筋如球水辽罂申妲习簿电子科技大学硕士学位论文与放大器之前时刻的输入有关。当输入信号为宽带信号时，功率放大器的记忆效应体现得尤其明显。引入记忆效应的放大器输入输出关系可以表述为足DY刀X刀一QLXN洲。127KLQ0其中，Y，1表示当前时刻放大器的输出，XNG表示放大器前G时刻的输入，A妇表示放大器对于G时刻记忆项的K阶交调系数。K称为放大器的最高失真交调阶次，Q称为放大器的记忆深度。包含记忆项时，放大器AMAM失真和AMPM失真不再是一条曲线。同一输入可能会对应多个输出，这与其前一时或多个时刻的输入有关。反应在放大器的AMAM失真和AMPM失真上，使得失真对应关系变成一片区域而非之前的曲线。070605赵粤04卵妲百03簿02O10L一一，。7厂77OO102O304050607O8输入信号幅度图2_4有记忆效应放大器的AMAM失真第二章数字辅助的高效率功率放大器蜮水遥罂P妲丑簿IK吧强。_蠢一1。它1、F020304O5O60708输入信号幅度有记忆效应放大器的AM。PM失真23数字辅助高效率功放总体结构高效率功率放大器平台由三部分组成数字部分、模拟中射频部分、功率放大器部分。言号峰均比降低数字预失真岭DAC模拟上变频171LJKY操作与维护预失真训练ADC模拟下变频数字辅助射频功放图26高效功放系统结构1数字部分产生所需制式的信号，将信号经成型上采后经过峰均比降低和数字预失真处理，送入模拟中射频部分，并且接收模拟中射频部分的反馈信号，用于数字预失真训练；9筋加巧M5O巧加珊15叭匦O电子科技大学硕士学位论文2模拟中射频部分将数字中频送来的信号经过滤波，调制和小信号放大后送入功率放大器，同时将放大器耦合回来的信号经过解调和滤波，送入数字部分；3放大器部分将模拟射频板送来的信号进行功率放大并发射，同时耦合一部分发射信号反馈到模拟射频板。24数字辅助流程及作用A数字辅助流程图27高效功放系统信息流数字板主要完成数字上变频、CFR、DPD、DAC、正交调试、滤波、小信号放大、反馈通路的模拟下变频、滤波、放大、ADC等功能。内部信息流1接收传输信号，将各载波信号进行数字上变频，合路成多载波信号；2将多载波信号进行CFR处理；3CFR处理后的信号进行内插滤波；10第二章数字辅助的高效率功率放大器4送入DPD进行数字预失真操作；5DPD后的信号经过数字上变频到低中频信号送入DAC可能需要；6DAC将信号转化为低中频模拟信号送入射频板；7ADC采集反馈信号；8反馈信号进行下变频、滤波处理；9采集反馈的数字信号和发射的数字信号，训练预失真模块。B数字辅助的作用高效率功率放大器数字辅助关键技术包括峰均比降低技术和数字预失真技术。基带信号的峰均比越低，输入信号就可以回退更少，进而获得更高的效率。如果采用了DOHERTY、ET等高效率功放技术，信号的线性度会受到影响，需要预失真处理，使得放大器的线性达到指标要求。如前一节所述，功率放大器是非线性器件，其输出增益会随着输入信号功率的增加而降低。可以将放大器的输入输出关系划分为三个区域线性放大区、非线性放大区和饱和区。褂督丑簿落非线性区饱和区己输入功率图28放大器失真特性分区对于高阶调制信号，信号的幅度携带信息，为保证通信质量，我们需要输入信号在最大幅度时也能无失真地放大。因此在放大器静态工作点保持不变的情况下需要对输入信号进行功率回退。电子科技大学硕士学位论文如图29，为使功放输出保持线性，回退功率等于信号的峰均比加上饱和功率与线性工作区间的功率差。名圪一PHPAPR28峰均比降低技术可以降低输入信号PAPR，在功率放大器保持相同线性工作区间的情况下回退更少，提高功放的输出功率，进而提高功放的效率。肄督JJ簿输入功率图29峰均比降低对放大器效率影响如图2一LO数字预失真技术可以扩展放大器的线性工作区间。扩展后放大器的线性区间最大输入功率兄较气大，因此在信号具有相同PAPR的情况下回退更少，提高功放的输出功率，进而提高功放的效率。料罄吾了簿输入功率图210预失真对放大器效率影响12第二章数字辅助的高效率功率放大器25数字辅助发展现状251峰均比降低技术关于“峰均比降低”近年来科研工作者做了大量的研究，提出了很多方法，如限幅法【L】【61、部分传输序列法【7】【91、选择映射法【LO】。【12】、编码法【13】14】、压缩扩展法【15】【191、附加峰值降低子载波法【20】【211、星座图扩展法22】【23】等等。其中部分方法需要改变接收机的结构，部分方法计算复杂度较高，为易于实现，只比较目前应用较为广泛的限幅类方法。传统限幅法的基本原理是预定限幅门限瓦，对信号包络超过门限的部分直接削掉。钝，乃，躲矧P9，其中，IZFI表示信号的幅度，厶F表示信号的相位。即在输入信号幅度小于限幅门限时，信号直接传输，输入信号幅度大于限幅门限时，就将幅度限制在门限互内，信号相位保持不变。直接限幅法虽然能够有效降低信号的PAPR，但会带来严重的带外频谱扩散。现在使用的限幅类峰均比降低技术均是在该技术上的改进。2511基带限幅法基带限幅指在成型滤波器前对信号进行限幅处理，优点是可以保证ACLR性能，但是在成型滤波后又会引起PAPR的再生。基带限幅的原理框图如下所示电子科技大学硕士学位论文QCOSONIFSINON图211基带限幅法框图基带限幅法预测信号在成型滤波后的信号幅度，如果信号的幅度过大就在成型滤波前处理。该方法在滤波后会引起峰均比再生，降低了它的削峰性能。并且在多载波的时候如何对各个载波限幅以达到合路后信号的峰均比最小的计算方法较为复杂，因此在多载波信号时，我们暂时不考虑基带限幅。2512峰值加窗法峰值加窗法PEAKWINDOWINGCRESTFACTORREDUCTION是直接限幅法的改进。直接限幅法可以表示为【24】YNX，Z木CN210其中CN1，X行I40TDSCDMA9载波基带数据，数据包含TS0数据、DWPTS、TS4的数据；41电子科技大学硕士学位论文2支持DPD输入功率查询；支持DPD输入功率查询配置，包括功率统计的起始点、统计长度等，起始点的范围为10MS范围内任意可配、统计长度为10MS内任意可配；查询结果为DBFS；功率检测误差小于02DB；3支持DPD输出功率查询；支持DPD输出功率查询配置，包括功率统计的起始点、统计长度等，起始点的范围为10MS范围内任意可配、统计长度为10MS内任意可配查询结果为DBFS；功率检测误差小于02DB；4支持各个载波的DUC的滤波器系数配置；根据不同的通信制式进行DUC中的滤波器系数配置；5支持各个载波的NCO的频点配置；根据不同制式进行NCO频点的配置；在20MHZ配置NCO频点，调整步进200KHZ；6支持CFR的对消脉冲系数配置；MCU根据不同的通信制式和载波分布进行对消脉冲系数的计算；MCU将计算结果写入FPGA中的CFR中；7支持时钟频率和本振频点的配置根据通信制式以及输出信号频率，进行时钟和频率点的配置；8支持DPD后的数字上变频的NCO配置；9支持DPD前和DPD后以及反馈的数据捕获；数据捕获的起始点、统计长度可配置，起始点的范围为10MS范围内任意可配、统计长度为1MS内任意可配；捕获的数据格式为I、Q分开的文本格式；10支持射频输出功率检测和查询；输出射频功率检测，支持各个载波功率以及总功率的检测和查询；42第五章数字辅助高效率功放设计与实现检测误差小于05DB；53数字辅助板总体设计531子模块划分数字中频板需要完成信号的产生、DUC处理、CFR处理、DPD处理、反馈信号接收、DPD训练等功能。这里将各个子模块的功能进行进一步的划分。OM回匝卜应堕乎图5I数字辅助板硬件结构由图51可以看出，数字中频板的硬件可以为以下几部分1定点DSP完成所需制式基带信号的输出；2浮点DSP完成预失真的参数计算和写表操作；第一路输出第二路输出反馈信号10M参考3FPGA完成DUC、CFR、DPD、上变频、数据采集等功能；4DAC子系统数字信号到模拟信号的转换；5ADC子系统对反馈信号进行采样；6OM子系统系统参数的配置；7时钟管理子系统提供各模块所需时钟。43廿FPGA阡电子科技大学硕士学位论文以太网接口串行接口图52数字辅助板子模块划分根据上图，将基带信号处理板的软件子模块可以划分为以下几个部分1信源子模块完成所需制式基带信号的输出；2DUC子模块将个载波数据上采调制到相应载波上去；3CFR子模块对合路的多载波信号进行峰均比降低处理；4上采样子模块对CFR之后的数据再次上次，匹配DPD的速率；5DPD子模块对输入数据进行预失真操作；6数字混频子模块将DPD之后的零中频信号进行混频，调制到6144MHZ的中心频率；EQUATIONSECTIONNEXT7DAC接口子模块提供与DAC的接口；8ADC接口子模块提供与ADC的接口；第五章数字辅助高效率功放设计与实现9DDC子模块将采集的数据由6144MHZ的中频变回到零中频10数据捕获子模块捕获DPD之后的数据和反馈数据；11预失真参数计算和更新子模块计算预失真的参数，更新预失真模块；12操作与维护子模块配置系统各部分的参数。532传输信号频率设计这里的频率设计是指数字中频部分与射频部分的接口频率，我们关心的问题是中频输出信号采样率；信号中心频率；DAC的内插倍数和输出信号中心频率；反馈信号的中心频率；ADC的采样率和采样后信号的中心频率。一FLF0一F限FS一LFFLF2LF霉J哼一2LF,R零一SS一俘晒2L一甲ABC图53数字中频板传输信号频率设计假设发射信号的带宽为B，经过放大器后的反馈信号引入了信号的三阶和五阶交调，反馈信号的带宽为5B。如图53中A图所示，反馈信号的中心频率在一厶和L甲。采用带通采样，希望将信号的三阶和五阶交调都保留下来。如图53中B图所示，现在只看频点处于一厶的信号经过采样的一次谐波和二次谐波，中心频率在石一厶和2L一厶，为了使用尽量小的采样率，并使得信号不混叠，最好让厶处于一次和二次镜像的中心。于是可以得到石一厶2石一厶2厶51化简可以得到45电子科技大学硕士学位论文Z43厶52当然也必须满足NYQUIST采样定理。同样，可以由图53中看出，为了使信号不混叠，反馈信号的中心频必须满足2厶3X5B53化简可以得到厶152B54可以看出，如果要求平台可以扩展到能纠正20MHZ信号的五阶交调，需要厶最小为150MHZ，反馈信号采样率石最小为200MHZ。同时采样率最好是测试信号TDSCDMA信号基带速率的整数倍，因此，数字板的频率设计如表52示表52数字中频板频率设计参数频率MHZDAC采样率12288输出信号中心频率6144DAC上采倍数4DAC输出中频18432反馈信号中频18432ADC采样率24576ADC采样后中频614454子模块详细设计541时钟管理子模块5411功能描述信号需要经过多次上采，FPGA内各子模块需要不同频率的使能信号。该时钟管理子模块是FPGA内部的时钟管理模块，产生系统所需7路不同频率的使能信号。第五章数字辅助高效率功放设计与实现5412接口描述CLK128MEN一一CLK256MENRESET一一LCLK768MEN一一时钟管理CLK1536MEN一一一子模块CLK3072MEN一一LCLKFPGACLK6144MEN一一一CLK12288MEN一一L图54时钟管理子模块接口表53时钟管理子模块接口说明接口输入输出描述RSTI复位信号CLKFPGAIFPGA时钟24576MHZCLK_128M_ENO1|28MHZ使能信号CLK256MENO256MHZ使能信号CLK一768MENO768MHZ使能信号CLK一1536MENO1536MHZ使能信号CLK一30。72MEN03072MHZ使能信号CLK一6144MENO6144MHZ使能信号CLK一12288MENO12288MHZ使能信号542信号发生子模块5421功能描述信号发生子模块产生需要测试的信号，在这里选择的测试信号为TDSCDMA6载波信号可扩展至9载波。信号发生子模块按照TDSCDMA协议的帧结构将存储的各载波数据发送至DUC。47电子科技大学硕士学位论文图55信号发生子模块产生的TD信号时隙配置为上行3个时隙，下行3个时隙。5422接口描述表54信号发生子模块接口接口输入输出描述RSTI复位信号ELKFPGAIFPGA时钟24576MHZCLK一128MENI128MHZ使能信号TIMESLOTSYNI时隙同步信号EL_DATA310O第1个载波的I，Q信号C2_DATA31O】O第2个载波的I，Q信号C3一DATA31OO第3个载波的I，Q信号C4_DATA310O第4个载波的I，Q信号C5_DATA310O第5个载波的I，Q信号E6_DATA310】O第6个载波的I，Q信号C7_DATA310】O第7个载波的I，Q信号C8_DATA310】O第8个载波的I，Q信号C9_DATA31O】O第9个载波的I，Q信号DOWNFIFOO下行数据有效指示TIMESLOTFIFOO时隙同步信号48第五章数字辅助高效率功放设计与实现543DUC子模块图56信号发生子模块产生的TD信号5431功能描述DUC子模块将各子载波信号经过上采滤波，调制到相应的频率上，然后合路输出。设计DUC上采倍数为48倍，输出信号采样率为6144MHZ，滤波器分5级实现。图57DUC子模块结构49电子科技大学硕士学位论文表55DUC滤波器参数设置滤波器类型参数上采倍数2倍滤波器阶次94阶第一级滤波器IU窗函数凯泽窗滚降系数0133DB带宽064MHZ上采倍数3倍通带06MHZ第二级滤波器F乇阻带176MHZ滤波器阶次46阶上采倍数2倍第三级滤波器HALFBAND通带08MHZ滤波器阶次28阶上采倍数2倍第四级滤波器HALGOAND通带08MHZ滤波器阶次14阶上采倍数2倍第五级滤波器HALFBAND通带72MHZ滤波器阶次22阶5432接口描述TIMESLOTTIMES。T_C。NILLILLIDOWNCON厂一FI图58指示信号时序第五章数字辅助高效率功放设计与实现表56DUC子模块接口说明接口输入输出描述CLDATA31O】I第1个载波的I，Q信号C2_DATA31OI第2个载波的I，Q信号C3_DATA310I第3个载波的I，Q信号C4_DATA310I第4个载波的I，Q信号C5一DATA310】I第5个载波的I，Q信号C6_DATA310】I第6个载波的I，Q信号C7_DATA310I第7个载波的I，Q信号E8_DATA310I第8个载波的I，Q信号C9_DATA31O】I第9个载波的I，Q信号CLKFPGAI时钟信号，24576MHZCLK128MENI使能信号，128MHZCLK一256MENI使能信号，256MHZCLL768MELLI使能信号，768MHZCLK一1536MENI使能信号，1536MHZCLK_3072MENI使能信号，3072MHZCLK6144MELLI使能信号，6144MHZCLK一12288MENI使能信号，12288MHZDOWNFIFOI下行数据有效指示FIMESLOTFIFOI时隙同步信号DUC_OUT_I150O合路后的输出信号I路分量DUCOUT_Q150O合路后的输出信号Q路分量DOWNDUCO下行数据有效指示TIMESLOTDUCO时隙同步信号51电子科技大学硕士学位论文CIOATALJL。DUCLCIK128MENJ一一C2_DATA31OCLK256MENDUC2一一C3一DATA31OCLK768MENJ一一时钟DUC3C4一DATA31OCLK1536MELLJ一一管理DUC4CLK3072MEN子模块C5_DATA31O】。DUC5CLK6144MEN唐号C6一DATA31O。J一一发生DUC6CLK12288MEN模块C7_DATA31O】。R10FPRADUC7。”I1U“厂丁FC8一DATA310】。LDUC8C9_DATA31O】。DUC9CFR544峰均比降低子模块图DUC子模块接口5441功能描述模块的功能是对信号进行峰均比降低处理，这里选用的峰均比降低方法是。一的基本原理是采用一个与原信号频谱特性完全一致的脉冲与信号的峰值对消，达到降低信号的，同时对信号的邻道干扰几乎不产生影响。峰值检测策略决定了我们在做峰值对消时需要多次的迭代，如图510示。输入输出图子模块内部结构其中，门限计算子模块接收外部设置参数，根据值计算出相应的限幅门限，提供给各个消峰模块使用。设计中采用的迭代次数为3次，每次迭代选择同样的门限。第五章数字辅助高效率功放设计与实现输入CFR襻1门限图511CFR单元内部结构PCCFR的实现要经过如下步骤输出1将一个与信号频谱特性完全相同的对消脉冲存储在FPGA内；2根据配置的CR值计算门限；3根据计算的门限检测峰值；4去除假峰；5计算对消脉冲的比例因子6将比例因子与对消脉冲相乘，然后与原信号对消；电子科技大学硕士学位论文5442接口描述L，ULUUL_JL1UDUC_OUT_Q150CFIUT_I150】DUCDOWNDUCCFR_OUT_Q150】TIMESLOTDUCOL喇刃DOWNCFRCLKFPGAKCLKMANENABLEIC岬44叩NTIMESLOTCFRLRSTL域图512