[硕士论文精品]射频功率放大器数字预失真算法的研究和实现

东南大学顾士学位论文摘要随着各种包络，1I恒定的调制方式的出现，对功放的线性度的要求越米越高。对于射频功率放大器，通常采用回退的方法米达到线性的要求，然而，同退方法将大大降低功放的效率。因此线性化功放成为了一个有意义的课题。而在各种线性化技术中，数字预失真技术DIGITALPREDISTORTION是最近研究的热。吲为它一一旦实现，不会受温度和环境的影响，有较好的稳定性。而且在数字域里而也更方碰得实现各种算法，具有更高的灵活性。论文的研究主要集中在数字预失真技术的软硬件实现。采用闭环链路来提取功放模型和实现线性化算法。整个系统分成射频和基带两块，本课题的研究主要是基带板的实现。在DPD的具体实现中，我们采用了LUT查找表的结构。首先发送锯齿波的训练序列经过射频和功放端后，J扎豆馈AD采样来得到失真的反馈信号。反馈信号通过同步年U相位校正处理后，利削MATLAB提取功放的模型。根据得到的模型，求出预失真的值反馈给FPGA更新LIJT表。这样就完成了一次预失真优化的过程。当然这个时候还可以在次发送训练序列米进行多次迭代训练以便获得更好的改善。最终洲试结果表明，这套DPD实现方案可行有效。对于单码道的CDMA2000信号，ACPR改善10DB以上。对于单码道的WCDMA信号，尽管其峰均比利对CDMA2000信号要高很多，但是近端频谱改善仍然达到7DB以上。对于64码道的WCDMA信号，近端频谱改善也在6DB以上。最后，测试了2载波64码道的WCDMA信号，在频偏22MHZ的交调分量改善了7DB以上，同时近带频谱的改善也达到765DB。关键字数字基带预失真，FPGA实现，LUT表东南大学顾士学位论文ABSTRACTWITHTHEEMERGENCEOFVARIOUSNONCONSTANTENVELOPEMODULATIONMETHODS，HIGH1INEARRFPOWERAMPLIFIERSAREREQUIREDINMODEMCOMMUNICATIONSYSTEMSTHEBACKOFFMETHODISUSUALLYUSEDTOOBTAINLINEARAMPLIFICATIONHOWEVER,THEBACKOFFMETHODREDUCESTHEEFFICIENCYDRAMATICALLYHENCE，THERESEARCHOFPOWERAMPLIFIERLINEARIZATIONISOFGREATIMPORTANCEFORNEXTGENERATIONWIRELESSCOMMUNICATIONSYSTEMSINDITIERENTKINDSOFLINEARIZATIONTECHNOLOGIESTHEDIGITALPREDISTORTIONMETHODISOOEOFTHEMOSTATTRACTIVEWAYSDUETOITSSTABILITY,CONVENIENCEANDFLEXIBILITYTHISTHESISCONCENTRATESONTHESOFTWAREANDHARDWAREIMPLEMENTATIONOFTHEDIGITALPREDISTORTIONMETHODTHENONLINEARMODEIOFTHEPOWERAMPLIFIERISEXTRACTEDWITHTHECLOSEDLOOPMETHODTHE1INEARIZATIONALGORITHMISCARRIEDOUTBASEDONTHEEXTRACTEDPOWERAMPLIFIERMODELTBEWHOLESYSTEMINCLUDESANRFPARTANDABASEBANDPARTTHISTHESISFOCUSESONTHEDESIGNOFTHEBASEBANDBOARDTHELUTARCHITECTUREISUSEDINTHEDPDIMPLEMENTATIONATFIRST，ATRAININGSIGNALISSENTTOTHERFPARTANDTHEFEEDBACKADGETSTHEDISTORTEDSIGNALTHENAFTERSYNCHRONIZATIONANDPHASEADJUSTMENTNEWLUTVALUESAREUPDATEDINTHERAMACCORDINGTOTHEPREDISTIONALGORITHMW油MATLABTBUSANOPTIMIZATIONJTERATIONISDONE，MOREOPTIMIZATIONITERATIONSCANBECARRIEDOUTTOOBTAINBETIERIMPROVEMENTOFLHLEARITYTHEPERFORMANCEOFTHEDPDSYSTEMISEXCELLENTACCORDINGTOTHETESTEDRESULTSFORTHEPILOTCDMA2000SIGNALMORETHAN10DBACPRIMPROVEMENTISOBTAINEDALTHOC【GHTHEPAROFTHEWCDMASIGNALISMUCHHI曲ERTHANTHATOFTHECDMA2000SIGNAL，MORETHAN7DBAND6DBIMPROVEMENTNTHENEARBANDAREOBTAINEDFORTHE1DPCHANDTHE64DPCHWCDMASIGNALRESPECTIVELYWHENTHETWOCARRIER64DPCHWCDMASIGNALISAPPLIEDONTHISDPDSYSTEM，MORETHAN7DBAND6DBIMPROVEMENTAREOBTAINEDFORTHEINTERMODULATIONANDTHEINBANDSPECTRUMKEYWORDSDIGITALBASEBANDPREDISTORTION，FPGAIMPLEMENTATION，LUTILL东南大学硕士学位论文东南大学学位论文独创性声明本人声明所早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已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。研究生签名翻凼缘ET期趣业，吵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。黼妙研究生签名丛亚超导师签名日期C26、7，歹东南大学硕士学位论文11课题背景N1第一章序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EL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，QA5I，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。一般来说，在GSM中功放效率J,E3ME右，而CD姒中，由于采_咐了非恒定包络的调制方式，增加了峰均比，所以功放效率只有1096左右。随着高峰均比0FDM技术的应用，功率放人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J二作产生巨大的影响。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HJ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一个在较低的水平上，也就是通常所说的同退较多的功率。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娟。如现在刚刚兴起的CFRCRESTFACTORREDUCTION削波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FEEDFORWARD、笛卡几负反馈法CARTESIANFEEDBACK、功率合成法LINE和各种预失真方法PREDISTORTION等。本文主要研究数字预失真技术在功率放大器中的应用。12历史回顾嫡1在第一代移动通信系统中，比如，NMTNORDICMOBILETELEPHONE或者ARPSADVANCEDMOBILEPHONESERVICE，射频信号采用的是FM调制。由于没有幅度不用来代表传输的信号，所以高效率的功放可以用在FM调制的系统中。即使这样，那个时候的手机功耗仍有85花在功放上。我们知道，移动通信的可利用频谱受到限制，所以信道的利用率直接和你的利润相关。为了更好的利用信道，第二代移动通信技术中采用了数字传输和时分复用技术。这样，多个用户被时分在多个信道上通话。例如G驯中，8个呼叫可以在一个频段上复用。幸运的是，GSM利用的调制技术仍保持了横包络调制。但是为了保证在分配的每个时隙中间功率的大小变化是平滑的，就已经对功放的线性度有了一定的要求。这也导致了功放的效率要比FM中的功放的效率有所降低。但是由于手机中的功放只有18的时候是工作的，再加上智能的待机模式。使得GSM手机的待机时间比第一代的手机有了明显的提升。为了进一步提高比特率，GSMEDGE中使用了8PSK来代替GMSK的调制方式。但是8PSK不是一种恒东南大学硕十学位论文包罗调制方式，所以随着无线通信系统向更高的信道容链挑战，对功放的线性度也进一步提出了更高的要求。然后这也使得功放的效率却不得不进一步下降。最后，第二代移动通信中采用的CDMA技术可以在一个无线信道中同时传送几十个服务。这些服务可以由他们各自互相正交的扩频码来分辨。第三代移动通信中，由于信号的带宽增加到了4MLTZ以上，时域中，信号包络的变化也更大。所以对功放来说，线性度的要求也更加高。而且往往现在带宽更加宽的多载波系统，射频信号的峰均比都丈人的提高，所以对于射频端的功放的要求也更加高了。在90年代，由于实际系统中对功放的线性度要求不是很高，所以对线性化的研究一般都集中在传统的功放模型提取上。也有少些的研究集中在前馈或者包络预失真上。到2000年左右，随着数字信号处理器和町编程逻辑器什速度和资源的提高，数字基带预失真技术越来越受到人们的关注。但是由于这对功放模型的提取和算法的稳定性有着较高的要求，因为在实际的数字系统中，受到速度和资源的限制，所以一般字长不可能取无限长，也不可能取到仿真中的精度，所以这里就产生了很多可供研究和提高的地方。当然如前所述，也有人采用了数字和RF结合起来做预失真的，复杂度比价高，但是效果很好。我们J的研究主要集中搭建硬件平台实现数字基带预失真。13课题工作介绍和本文安排我们的研究主要采用数字基带预失真的方法。该方法最基本的工作为功放模型提取。当功放的模型提取出来之后，只要求其反函数。就是需要预失真的曲线了。由于功放模型通常为非线性的，所以不能用线性函数来描述。目前的做法通常有VOLTERRA级数法，多项式法，神经网络法等等。其实，VOLTERRA级数法是一种特殊的多项式法，但是由于其可以用线性系统巾转移函数的推导过程类似推导出来，而且多数用在描述带有弱记忆性的非线性系统中，所以一般把他归为一类。VOLTERRA级数早在上个世纪中期就被提出来了。然而，随着1999年ALBERTOCARINI教授提出了V向量的概念后，VOLTERRA级数法开始被广泛地应用到功放模型提取中，因为V向量结合VOLTERRA级数可以使得这个非线性系统的数学表达式成为线性表达式。也就是说，具有了线性系统中的时移不变得特性。所以数字信号处理中，很多经典的和现代的算法被应用到预失真系统中，实现自适应的数字预失真。这个研究上面已经有很多文章。都柏林大学的ANDINGZHU博士等人已经做了火量的研究。但是由于其计算复杂，硬件系统还没有见到，所以也是一个可以研究的分支。多项式法其实就是用数值分析中常用的多项式拟合的思想来拟合功放的曲线。从结构上说可以比VOLTERRA级数法简单很多，但是仍然要解多元多次方程，是硬件实现的首选方法。神经网络通常用来描述一个不能确定的数学表达式来描述的系统。所以也很自然的被用到了功放的模型提取中。随着增加节点数，神经网络复杂度增加，但是曲线的逼近程度也更好，往往好于上面两种方法，但是神经网络的训练过程比较长，收敛的问题也是需要重点考虑的。而且无论是计算量还是结构复杂度都不大可能用硬件实现。所以实用价值不大。虽然国际上也有一些研究，但是不是很多。涉及至0射频和数字电路的设计，或者可以说是数字信号处理在射频领域的应用。所以这是一个在某种程度上跨方向的研究，也属于目前国际上比较热门的研究软件无线电的范畴。本课题主要在前人工作的基础上，重新设计了硬件平台和软件算法，以求更加贴近实际应用和适用更宽的频带宽度和更多的功放。在理论分析和仿真的基础上，我们选取了合适的AD，DA，FPGA等关键器件并完成了8层基带PCB版的设计。系统时钟工作在60MHZ。首先用计算机对系统各个模块进行了仿真测试，然后把电路下载到FPGA，把程序加载到控制器进行调试。先用单音信号测试了硬件通路，确保其正常工作。然后再此基础上，加上了功放非线性模型和预失真的算法。软硬件通过测试，达到了预期的目标。全文共分为6章第一章绪论主要介绍选题的背景和涉及的主要技术和当前国内国际上的研究进度。同时对本文主要的工作也作了简单的介绍和概括。第二章首先从理论方面讨论非线性失真给通信系统带来的问题。接着着重讨论几种流行的功放模型和几种数字基带线性化的基本原理和优缺点。2东南大学硕士学位论文第三章主要介绍数字基带预失真系统的设计。包括方案的讨论以及系统整体仿真。第四章是本课题研究的主要部分。包括基带板芯片的选取，原理图和版图设计，DPD各功能模块的实现及仿真，控制器部分程序的设计。第五章给出了硬件平台的测试结果，并解释了得出这些结果的原因。第六章总结了课题目前为止的工作以及仍需改进的地方。3东南大学硕士学位论文第二章预失真相关理论介绍本章分为三节，主要介绍下面系统设计中主要涉及的理论基础。第一节简单介绍非线性系统中的一些基本概念和指标。以及非线性失真产生的原因以及危害。第二节主要介绍几种常见的线性化技术，着重介绍了我们系统中将要采用的预失真技术。第三节将围绕数字基带预失真技术中必须采用的功放模型提取来介绍几种常见的方法。21非线性系统嘲211非线性失真如果一个系统得输入和输出成线性比例，这样的系统被称为线性系统。输出和输入的比值成为系统得增益。系统增益和系统所加的信号幅度没有关系。同样，非线性系统的输出是输入的一个非线性的函数，这个时候，系统的增益将取决于输入信号的大小。非线性系统可以用多种方法来描述。其中一种就是多项式法，这也是本文主要采用的方法。一个系统的输出用一个三阶的多项式可以描述成YTHXXA2X2A3X3，21式中A。到A。是实系数。第一项描述了系统的线性分量，第二和第二项分别描述了平方项和立方项。如果把一个单音信号代入21中，在频域中，我们可以看到由于非线性分量产生了新的频谱分量。VOTKY,COSAT如巧2EOSO,TK3V,3COSTOT丢岛2毛K三岛3COS哆FK2呼EOS2QFLK3V,COS3哆F22可见由于放大器的非线性，输出信号中除输入信号频率外，还增加了新的直流分量，2。、3MJ等谐波分量。若输入为双音信号TOV,EOS鸭FEOSC02T，则VOTQV,COSCOLTCOSC02TK2V12COSOJTTCOSCA2T2毛K3COSQFCOSF巩F3十KY,2置巧詈屯口COSQF毛巧詈屯巧3COS哆HKY,2COSQ一哆Y如巧2C。S魄吐VLK2VJ2EOS2C01T12巧2COS2吃23言岛口COS2Q一吐V3KYJ3COS2CA2一Q弘言岛口COS2COQ弘三岛口COS2伤Q弦岛3COS3QF丢岛哆COS3吐F可以看到，双音信号的输出中，比单音又多了互调分量。1。2，2。12，2CA2L等。一般情况下，仅有2。1一口2，22一口1分量落在通带内，是主要考虑的三阶交调非线性失真。图21”1表示了单音信号经过非线性系统后时域和频域中的失真情况。4东南大学硕士学位论文TIME图21单音信号经过非线性系统后的失真212功率放大器介绍“1功放可以分为A、B、AB，C、D、E、F等多种，按照晶体管的等效电路分，A、B、AB和C类属于一类，它们的特点是输入均为正弦波，晶体管都等效于一个受控电流源；O、E、F属于另一类，它们的特点是输入为矩形波，晶体管等效成一个受输入信号控制的开关。按照功放的线性度来看A、B、AB类都属于线性功放，而C、D、E、F则属于非线性功放。常用的功放中，A类功放提供了最佳的线性度，但是效率最低，理论上最高只有500；B类功放线性度较差，效率却能达到785；AB类功放是介于A类和B类功放之间的产物，能在提供优于B类功放的线性度的同时，仍保持较高的效率；而C类功放相比上述几种功放，线性度较低，但效率却有较大的增加。实际应用中，高功率功放大多采用在效率和线性度问获得较好平衡的AB类功放；小功率应用场合下，线性度优异的A类功放使用较多。衡量功放的主要指标有输出功率OUTPUTPOWER，增益GAIN，增益平坦度GAINFLATNESS，效率R1和功率附加效率PAE，工作频率FREQUENCY，带宽BANDWIDT”，噪声系数NOISEFIGURE，LDB增益压缩点1DBPOWERCOMPRESSIONPOINT，三阶交调截断点THIRDORDERINTERCEPTPOINT，邻近信道功率比ACPR，误差矢量幅度ERRORVECTORMAGNITUDE等。其中几个我们感兴趣的主要指标介绍如下。1、输出功率OUTPUTPOWER和增益GAIN输出功率表示功放输出信号的强度。一般功放的输出功率根据用途不同差别很大，从移动终端的0306W到基站的IOWIOOW不等。一般而言输出功率越大，功放的设计与实现的难度就越大。增益定义为放大器输出功率与输入功率的比值，它决定了功放对于输入信号的放大能力。一般功放管的增益范围有从LODB到20DB不等，当功放需要的输出增益超过这个范围时就需要把几个功放管连接起来，组合成多级放大网络。增益定义如下鼢10L091024其中圪。是输出功率，己是输入功率2、效率EFFICIENCY，N和功率附加效率POWERADDEDEFFICIENCY，PAE功放工作的实质是将电源的直流功率转化为交流信号功率输出。实际工作中，只有一部分直流功率能被转化成为有用的信号功率并为负载所获得，其他的功率被放大器本身以及电路中的寄生元5东南大学硕1学位论文件所消耗。效率N就是用来衡量功放把电源功率转化为输出功率能力的指标。效率定义为消耗在负载上的功率和直流电源的功率的比值。功率附加效率PAE定义为输出信号功率减去输入信号功率后和直流电源功率的比值，表示了功放的纯放大效率。P刁2吉25DPA占等吲1一上GAIN昂“726最负载功率，昂直流电源功率3、邻近信道功率比ADJACENTCHANNELPOWERRATIOACPRACPR是衡餐功放线性度的重要指标，它代表了由于功放非线性化引起的输出频谱再生对相邻频带的干扰。ACPR定义为带内信号功率和相邻信道功率的比值DACPR卫27P只带内功率，只邻带功率4、IDB增益压缩点1DBPOWERCOMPRESSIONPOINTLDB增益压缩点定义为功放实际输出功率低丁理想输出曲线IDB处的_丁作点。功放作为一个有源器件，其输出信号无法随着输入信号的增加而无限增加，而会趋近与一个饱和值。IDB增益压缩点常用来当做功放开始进入失真区的标志。上面几个指标，分别代表了对于功放设计的三个要求。设计一个符合要求的功率放大器，就是要在保持一定的输出功率和增益的前提F，尽可能地提高效率，同时不降低功放的线性度。效率决定了功放能量上的利用率，从而直接决定了功放的功耗而功耗则会对功放的供电，散热，体积，成本等多方面产生重要影响。线性度决定了功放在频谱资源上的利_LJ率，良好的线性度可以降低频谱再生，减少对临近频段的干扰，这样就可以在有限的频谱内放入更多的信道，这点在频谱资源不断稀缺的今天意义尤其重大。同时线性度也和功放的效率息息相关。效率和线性度是功放设计中的一对最主要的矛盾，往往不可兼得，功放设计就是要在这两者之间找到一个平衡点。22线性化常见方法璐1功率放大器线性化技术的目的是使放大器在保持输出功率和效率达到最高的同时仍具有良好的线性特性。常用的线性化技术有前馈法FEEDFORWARD、笛卡儿负反馈法CARTESIANFEEDBACK、功率合成法LINC和各种预失真方法PREDISTORTION等。本节主要介绍目前常见的几种线性化的手段。221前馈法前馈法是将反馈信号加在输出端的特殊反馈方法。其原理是先获得功放输出信号的三阶交调失真分量，然后使用此分餐的反相信号抵消功放输出中的失真干扰，达到改善功放线性化的目的。前馈技术的优点是线性改善度高，工作带宽较宽，而且算法稳定；缺点是系统复杂度较大，成本较高。采用前馈法线性化的系统如图22所示。6东南大学硕士学位论文GAM2AO图22前馈法222笛卡儿负反馈法笛卡儿负反馈法使用了标准的负反馈结构。基本思想是将功放输出的非线性失真信号反馈到输入端，与原输入信号共同作为功放的输入信号，以减少功放的非线性。负反馈法的优点是结构简单，同时互调干扰的抑制效果较好，缺点是带宽较窄。采J【J笛卡儿负反馈法的系统如图23N示图23笛卡儿负反馈法223功率合成法功率合成法就是想办法把输入的基带信号分为两个恒定包络的信号，每个分量都使用一个效率较高、功率较小的功放进行放大处理，然后将放大后的分量重新合成为一股信号。功率合成法要求两个功放的工作状态保持一致，否则就会对两路信号放大不同的倍数，造成最终合成信号的失真，因此频率合成法对于功放元器件的漂移非常敏感；同时，基带信号的合理划分也较难处理。采用功率合成法线性化的系统如图24所示7东南大学硕士学位论文图24功率合成法224预失真法预失真法就是在功放之前增加一个非线性电路用以补偿功放的非线性。根据非线性电路与调制器之间位置前后的不同，预失真方法又可以分为射频预失真RFPREDISTORTION，见图25和基带预失真BASEBANDPREDISTORTION，见图26两火类。其中RF预失真器位丁调制器之后，紧贴功放输入端，对于信号的预失真处理在射频频段内进行。其优点非线性改善效果明显，性能稳定；缺点是在射频上处理，难度较大。基带预失真器则位于调制器之前，对丁信号的预失真处理在基带频段内进行，由于频率较低，基带预失真往往在数字域中进行，冈此也叫做数字基带预失真BASEBANDDIGITALPREDISTORTION，DPD。相对于RF预失真，DPD系统设备复杂度较高，但是却是在较为容易控制的数字域中进行所有的处理，可以实现自适应的预失真。图27是自适应预失真的框图。BASEBANDDATABASEBANDDATALO图25射频预失真LO图26基带预失真8东南大学硕士学位论文X图27自适应预失真当然，最近也有很多人开始不局限于一种方法，出于各取所长的目的，他们在系统中使用多种方法，结合各个方法的优点。取得了不错的效果。比如，佐治亚理工的STEVENSONKENNY教授在他2005年发表的论文中间，同时用到了射频包络预失真和数字基带预失真，而且取得了比单一方法都好的效果。DPD技术最大的特点就是把原先属于射频模拟领域处理的功放线性化技术，转移到了数字域中进行处理。当然这种转变需要付出一定的设备复杂度、信噪比和成本作为代价。就目前看情况来，DPD技术的优点和缺点都相当突出。首先算法处理在基带数字域中进行处理，大大降低了系统实现难度。模拟域射频频段内的信号处理，对于二艺和经验的要求非常高，同时射频器件对于环境的改变较为敏感，因此在射频模拟域内进行精确的线性化处理，需要考虑的因素很多，实现难度要较大。而数字信号处理技术最大的优点就是稳定可靠。DPD技术将原本难以实现的射频模拟域内的信号处理，转移到了简单、可靠、灵活的数字域中进行处理，大大降低了实现的难度，增加了系统的可靠性和可控性。其次系统结构与基带输入信号的调制方式无关，适应性强。DPD技术的关键是获得功放本身的增益压缩特性，而与送入功放的已调信号的特性关系不大。这就意味着套成熟的DPD系统，一经结构确定，便可以通过调节很少的几个关键参数或者换一套其他的软件算法来适应不同调制方式的输入信号，而毋需其他硬件上的改动；而一般的射频模拟域内的线性化处理，需要针对不同的调制信号特性进行特别的硬件处理。DPD在这方面的超强的普适能力是普通模拟线性化技术无法比拟的。第三依托于高速发展的数字技术，发展空间广阔。DPI技术是随着数字信号处理技术的突飞猛进而发展起来的。理论上来说，一套成熟的DPD系统，在不改变总体方案框架结构的情况下，仅仅通过更换使用更高性能的AD、DA转换器、FPGA或者DSP处理器，就可以获得更好的性能体现。这也是普通模拟线性化技术无法做到的。而现代数字技术的日新月异，也为这种性能的提升保证了充分的空问。最后符合现代通信发展趋势，更容易和数字技术结合。现代通信技术发展的一大趋势，就是把越来越多的部分放到数字域中进行处理，也就是人们通常所说的把更多的内容放到DA转换器之前进行处理。DPD作为数字技术，和目前流行的数字中频DIGITALIF，CFRCREASTFACTORREDUCTION等技术天生就有很强的结合能力。将这些原先需要在模拟域中进行的复杂处理放到一块统一的由FPGA和DSP构成的数字基带板中，可以大大地提高系统的集成度，降低设备复杂度。9东南大学硕士学位论文同样，DPD技术也有许多缺点首先系统带宽有限。根据采样定理，为了有效地采集到信号，AD转换器的采样频率至少需要有被采信号带宽的一倍。实际应用中，为了采得较准确的信号，往往需要“过采样”，即使用被采信号带宽10倍以上的采样频率，才获得较好的效果。现代通信系统中的基带信号带宽有越来越宽的趋势。如CDLIA20001X采用了125MHZ的载波带宽，CD姒20003X利用三个125姗Z载波的合并形成375ELZ的载波带宽。而WCDMA具有5MLLZ的载波带宽。对于未来的多载波系统，带宽可能更宽。为了能够准确采集到基带信号，DPD系统对丁二AD和9A转换器的性能提出了很高的要求。其次实时自适应算法实现复杂。DPD技术的难点是实时自适应算法，这是当前DPD系统还不能完全实心化的关键。完全的实时自适应算法需要消耗人龄的运算资源和存储，而且对于器件处理运算速度有很高的要求，目前能够达到需要的器件往往价格较高，因此在实际应用中还很难做到。目前实际应用中可行的方案往往采用了简化的一些处理手段。第三设备复杂度增加。DPD技术将复杂的射频模拟域处理转移到了数字域中，降低了线性化处理的难度，但这却需要通过增加一块数字处理部分来实现。虽然现代FPGA、DSP的价格不断F降，但是相对于原先的模拟线性化技术来说还是增加了不少成本。最后会引入噪声，降低了信号的信噪比。DPD技术的另一个问题是会抬高整个频带内的噪声电平。这是目前所有DPD系统的通病。一般认为这是由于AD、DA转换器的舍入误差造成的。上抬的噪声电平会对相邻信道的性噪比产生消极的影响，对丁ICD姒系统，这会直接减少系统的容量。由上述可见，DPD系统的优势与缺点都很明显，但是经过仔细分析可以看出，DPD儿乎所有的缺点都是由二数字技术的本身的不完善造成的。无论是系统带宽的限制，信噤比的降低，还是对于目前的商用级数字处理元器件而言太过复杂的自适戍算法，这些问题都能够随着数字技术的B速发展而一一解决。我们看到几年前还属于天价的高端数字器件，在今天可能已经能用很低的价格购入；几年前还遥不可及的性能指标在今天也已经成为了业界的标准配置。相对于数字技术，模拟元器件的发展速度相对而育就平缓许多了。因此尽管目前业界中的实际功放还大多采_HJ传统的模拟线性化技术，但从未来的发展来看，DPD技术有着更加广阔的发展前景。23功放模型提取由于功放模型通常为非线性的，所以不能用线性函数来描述。目前的做法通常有YOLTERRA级数法，多项式法，神经网络法等等。其实，YOLTERRA级数法是一种特殊的多项式法，但是由于其可以用线性系统中转移函数的推导过程类似推导出来，而且多数用在描述带有弱记忆性的非线性系统中，所以一般把他归为一类。VOLTERRA级数早在上个世纪中期就被提出来了。然而，随着1999年ALBERTOCARINI教授提出了V向量的概念后，VOLTERRA级数法开始被广泛地应用到功放模型提取中，因为V向量结合VOLTERRA级数可以使得这个非线性系统的数学表达式成为线性表达式。也就是说，具有了线性系统中的时移不变得特性。所以数字信号处理中，很多经典的和现代的算法被应用到预失真系统中，实现自适应的数字预失真。这个研究上面已经有很多文章。都柏林大学的ANDINGZHU博士等人已经做了大量的研究。但是由于其计算复杂，硬件系统还没有见到，所以也是一个可以研究的分支。多项式法其实就是用数值分析中常用的多项式拟合的思想来拟合功放的曲线。从结构上说可以比YOLTERRA级数法简单很多，但是仍然要解多元多次方程，是硬件实现的首选方法。神经网络通常用来描述一个不能确定的数学表达式来描述的系统。所以也很自然的被用到了功放的模型提取中。随着增加节点数，神经网络复杂度增加，但是曲线的逼近程度也更好，往往好于上面两种方法，但是神经网络的训练过程比较长，收敛的问题也是需要重点考虑的。而且无论是计算量还是结构复杂度都不大可能用硬件实现。所以实用价值不大。虽然国际上也有一些研究，但是不是很多。231多项式法假设功放的输入和输出可以表示为10东南大学硕士学位论文，QX呸X2A3X3A4X428为了确定该多项式，我们需要确定A到岛的值。最简单的方法就是已知R1个X和N个对应得Y这样就得到一个N元的一次方程组。虽然有可能这个方程组没有解，但是利用工程矩阵中的晟小二乘解的思想，我们可以得到一个最近似的解。如何知道这N个X和Y的值我们可以加训练序列。但是有一个问题就是要同步。由于环路延时，要确定好X，Y的位置关系非常重要。最简单的同步算法就是相关法。232VOLTERRA级数法和V向量代数随着1999年V向量代数的概念的提出，VOLTERRA级数法受到了越来越多的关注。因为V向量代数使得VOLTERRA级数具备了时移特性。这样就可以把非线性系统看成个线性系统。从而大大简化运算。在离散时问域，一个三阶的VOLTERRA级数可用下式表示，NNNY珂】OXM一明唾2砸栉一KXN刀2005029NNN唾。珈一KXN1XNM】EMKOI0MO其中H1到H3表示线性部分，2次部分和3次部分的转移函数。要确定该模型，就是要确定这些转移函数。这里如果我们引入V向量的概念。假设矗【X咒，XN一1，XN一1】1碗弛一襻P搿专妒砖必一越十1Z滞XNI2S一魑2一缸7I由T1T一她十L融一蚴瓠、。I毋E一越十1妇一1烦氍一黝这样我们可以将29式写成七嵋五一LQ1吃D一W鼍力一玎“磅一XQ窆窆11东南大学硕十学位论文很明显这是一个线性系统的表达式。只不过其中的X，W向量是上面给出的V向鼍，不是我们传统的向量。但是这已经大大简化了运算，而且在求系数矩阵W的时候，可以引入自适应滤波中的许多算法来自适应刷新系数。24数字预失真设计考虑由前面的讨论可以看出，我们实际系统中采用的基带数字预失真技术，关键阀题在于功放模型提取。而功放模型的提取对于训练序列的设计又有着密切的关系。下面主要讨论训练序列的设计考虑。对于训练序列，我们主要考虑一下几个因素首先，频率越接近实际信号越好；第二，反馈信号得到的点数越多越好；第三，方便同步和计算。对于频率和点数，其实是一对矛盾。因为我们的系统时钟频率是固定的60MHZ，如果训练序列的频率F和反馈信号所能得剑的点数N有如一F的关系栉60IF210点数13可以通过插值来得到更多的点，但是为了保证精度，又不能采用很少的点。另外，我们知道，顶失真其实是抵消一些高阶分量来达剑提高线性度的目的，所以当我们采样反馈序列的时候，必须保证采样率高于信号的3阶分餐的2倍以上，这样才能正确地采样到3阶分量的失真。对于这一点，我们可以参看图28L”】，采样率对于系统得影响。图28采样率对于信号的影响其中，红色的线代表预失真之前的，粉红色代表原信号，绿色是2倍采样率，蓝色是4倍。我们看到，2倍的话只能改善非常近带的信号，而4倍采样，就能改善到很远带，对于这个问题，在第五章实际测试中，有更直观和详细的讨论。而且由于我们发送的是正负序列，对于幅度来说，正负信号是对称的，所以其实要浪费一半的点。经过实际测试和不断改进，我们最终采用的训练波形如下图所示。12东南人学硕士学位论文图29训练序列采用这样的训练序列主要有以下几点考虑。首先我们看到下降沿比上升沿采用的点数要少很多，因为我们实际测试反现，如果F降沿也采埘和上升沿一样的点数，其实下降沿采的点和上升沿是一模一样的，但是如果下降沿不采点，由于信号突变，会产生吉布斯效应，也就是产生一个明显的下冲，所以最终我们采用了这样的训练序列。13东南大学硕士学位论文第三章系统设计在确定了采用DPD之后，就要开始考虑设计系统了。本章第一节讨论系统方案。第二节将接着第一节给出具体的设计。31方案设计本文采用的DPD的整体框图如图31所示。图31DPD系统框图图中主要包括了实现预失真算法的DPD模块，用做将基带输入信号信号和功放输出端反馈信号模数转换JJ的ADCANALOGDIGITALCONVERTER模块，用做将经DPD系统处理过后的预失真信号数模转换埘的DACDIGITALANALOGCONVERTER模块，用做I、Q调制的调制器MODULATOR模块，用做解调反馈信号的DEMODULATOR模块，供测试朋的功放PA模块。DPD系统的工作原理类似于反馈校准系统理想的基带模拟信号包含I、Q两路正交信号经过基带ADC转化为数字基带信号后送入预失真DPD模块。DPD模块根据存储的预失真函数对于所有的输入信号进行预失真处理后输出，形成预失真信号。经过DAC后送入I，Q正交调制器中，调制到载波频率，而后输入测试用的PA中。功放输出的失真信号记为PR。耦合器耦合出一小部分的功率，经过衰减器控制功率大小后送入解调器解调出I、Q两路的基带反馈信号。这两路反馈信号经由反馈回路上的ADC转换为数字反馈信号送入DPD系统。DPD系统中的预失真函数更新子模块通过比较输入信号和反馈信号，求出新的预失真函数，达到自适应的效果。设功放的复数增益特性是G0I，预失真器的复数增益特性是F1圪，则有GII，IIG1F1I31DPD系统的目的就是通过求出合适的预失真函数F，使得F和G的乘积变成一个常数，从而使得输入信号圪和功放的输出信号PR唧呈现线性关系，以达到改善功放线性的目的。图32IN是DPD线性化方案的原理示意图，图中的两条曲线分别是理想的功放输出曲线和实际的功放输出曲线。当功放输入信号为圪时，由于增益压缩失真的影响，实际的输出功率在A点，与理14东南大学硕士学位论文想的输出功率B点相差甚远。为了能够达到需要的输出功率，需要将输入信号放火到P0，此时功放的输出位于C点，刚好和理想中的输出功率一样。由于DPD主要起了适当放大输入信号的作用，因此DPD的修正效果受功放特性的限制。如图所示，当输入功率为PR唧时，对应的理想输出功率已经达到了功放实际输出的饱和值，也就是说比圪。输入功率更大的输入信号对应的理想输出功率，是任何情况下功放都无法输出的了。这也是DPD系统能够修正的输入信号功率的最大值。图32数字基带预失真系统线性化原理示意图32DPD关键模块设计整个DPD系统的主要功能模块有，复数增益LUTCOMPLEXGAINLUT模块，地址产生模块ADDRESSGENERATOR，复数乘法器模块，自适应LUT更新模块ADAPTATIONALGORITHM，和训练相关的训练RAMTRAININGRAM，延时器DELAY，双路选择器MULTIPLEXER等。系统中还有一些外围的电路，此节中为了突出功能的划分省略不提，我们将在后面的具体实现中再作介绍。下面介绍一下各个主要部分的功能及原理。1、复数增益LUT表。复数增益LUT是DPD系统的核心部分之一，其中存放了计算好的复数增益预失真函数的离散形式。复数增益LUT根据输入信号的幅度进行寻址，其原理基于如下一个假设，即功放的特性可近似认为只和输入信号的功率大小有关，而与信号的相位无关，即认为同样幅度的输入信号，都会产生相同的失真，因此可以用输入信号的幅度来检索LUT表的地址。这个假设大大简化了LUT表的结构。若按照常规的输入信号由其幅度和相位共同决定的思路，对于由I、Q两路构成的复数基带数字信号，必须构建一个二维的LUT表才能检索使用复数增益LUT则只需计算基带信号的幅度作为检索的地址，一维的LUT表就足够了。当然，由于复数增益LUT中需要存储的预失真函数为复数形式，因此每个地址项中需要能存放一对I、Q数据，因此复数增益LUT可以用两块共用地址线的RAM构成。LUT的项数，也就是叫T的地址位数，也是需要仔细考虑的一个问题。从实际的角度来看，不可能对于所有的输入幅度都提供对应的地址，而只能采用类似于离散量化的办法，把输入信号的幅度东南大学硕十学位论文分段映射到一个个离散的地址上。这样在一定幅度范围内的输入信号只对应到一个预失真项。当然，这样的量化难免带来误差，LUT的项数和DPD系统的精度构成了一对矛盾LUT项数越多，DPD系统的精度也越高，但同时也会占用更多的存储器空间，更新一遍LLRR也需要更多的时间。冈此LUT的项数不能无限增加。从一些论文资料上可以得知，有时候128项甚至64项的LUT已经可以获得较好的性能，但是从确保精度的角度考虑，我们的系统中采用了725项的LUT表。2、地址产生模块地址产生模块是和LUT表结合使用的，作用是计算输入信号的幅度，供LUT检索地址用。设输入R”的基带数字信号为圪L，绋，则产生的幅度为4。层繇。其中对于开平方的计算，需要加以特别的处理。3、复数乘杰器模块复数乘法器是进行预失真处理的另一个主要模块。其功能是将输入信号和对应的LUT表中存储的预失真函数进行复数矢量乘法计算，输出预失真信号。设基带输入信号为圪L歹绒，对应的预失真函数为屹W丘“，Q，得到的预失真信号为，则有圪凹，邸J蝉JQ。DQ。，寺J卑Q毒TIL旧J年QL吖、QMLL【，RQIQLJQLQL口IL。Q。32所以最后的预失真信号是，耐乇LW一统骁W；Q耐。眈口厶。瓯。这样使用四个乘法器和两个加减器就可以实现复数乘法的功能。4、LUT更新模块LUT更新模块是实现DPD功能的关键模块。我们的LUT更新模块使用了一种基于求解系统复数增益的简化线性收敛方法。设DPD和功放级联系统的复数开环增益为H，根据定义可以得出T，日等FIFGI133YM其中是从功放输出端耦合回来的反馈信号如前文所述，若H等于常数，整个系统就是一个线性系统，不会造成非线性失真。一般情况下，通信系统的发射链路中本身就有一定的线性增益，特别是功放器件，可以提供高达几十DB的增益。通信系统的增益大小根据每个系统的不同有特殊的规定，而DPD预失真的加入不能改变此增益，理想状态下，DPD系统对F原有的通信系统应该是透明的。设系统链路的理想线性增益是，则预失真算法的目的就是选取适当的预失真函数F使得系统开环增益满足1R厂H笋FIE1G1I瓯34为了扩大DPD系统的动态范围，尽量不影响原有系统的增益特性；同时也为了增加计算的精度，我们在计算H的时候，预先进行归一化处理，即将反馈信号除去这个线性增益，所以最终的开环增益计算变成了16东南大学硕士学位论文日型业塑垡吐L3。，T一IXH，GIMGLPH这个复数开环增益是剔除了系统线性增益的纯功放增益。当输入基带信号较小，功放处于线性工作区时，H的值应该为LJO；随着信号的输入功率越来越大，功放的非线性失真逐渐明显，增益曲线开始压缩，H的值开始慢慢减小直到饱和。所以H的取值范围是绝对值小于或等于L的复数。经过上述处理后的H仅仅反映了功放的失真增益特性，因此更适合计算用于次功放线性化的预失真函数值。我们选取的LUT中的预失真函数F，应该使得计算出来的H尽龟向LJO的方向靠拢。因此最简单的实现办法就是采用类似于多次迭代的方法，直接将旧的顶失真函数除以新求出来的开环增益H以得到新的预失真函数值。设上是第J次求出来的归一化后的复数开环增益的倒数，对它进行一HI1定的收敛控制馆的是不让每次预失真函数变化过大以免不收蜘后得到玄然后将上一次的眦中的预失真函数知乘以专便得到了新的预失真函数O它们的关系式如下2每CSE，这样通过多次迭代的方法，可以使预失真函数逐渐逼近理想的功放失真函数的反函数，从而达到线性度改善的效果。5、训练R删训练RAM中存放着用于产生训练序列的数据，它和LUT更新模块一起工作。我们的DPD算法核心在于开环增益H的获得，而H是通过比较输入信号和反馈信号得到的。传统的全实时自适应算法中，需要输入的基带信号和对应的反馈信号直接进行比较处理，在比较之前都需要进行数据同步处理。这一步一般通过将输入的基带信号和一定时间内的反馈信号都存储在存储器中，然后对它们进行基于信号相关性的同步计算来实现。同步算法往往采用卷积相乘实现，需要占用大量的运算资源。同时，同步算法与基带信号的制式及相关性有关，适用于一种基带信号的同步算法一般无法直接应用到另一种信号上。这就使DPD系统与输入信号调制方式无关的优势打了折扣。其次，同步运算需要存储的数据量由系统的延时决定，对于DPD这