功放的数字基带预失真技术研究

1、第32卷第6期2009年12月电子器件Chinese J ournal Of Elect ron DevicesVol. 32No. 6Dec. 2009 收稿日期:2009208225修改日期:2009209227项目来源:国家自然科学基金项目资助(KYZ050206007作者简介:王佳涛(19842 , 男, 山东淄博人, 在读研究生,wangjiatao105163. com ;郭裕顺, 男, 浙江杭州人, 杭州电子科技大学教授, 研究方向模糊逻辑的电路与器件建模。R esearch of Amplif ier s Digital B aseband Predistortion 3W A

2、 N G J i at ao , GUO Yushun3School of Elect ronic &I nf ormation , Hangz hou Dianz i Universit y , H angz hou 310018, Abstract :When in RF Communications System , Power amplifiers are essential component s in communica 2tion systems and are inherently nonlinear. The nonlinearity creates spect ra

3、l growt h beyond t he signal bandwidt h , which interferes wit h adjacent channels . It also causes distortions wit hin t he signal band 2widt h , which increases t he bit error rate at t he receiver. This paper propo ses an adaptive p redistorter , which is compo sed of a look 2up table t hat can c

4、ompensate for t he distortion by an HA P. as a result , t he distortion can be eliminated greatly. The efficiency of amplifier is improved effectively and t he performance of system is increased.K ey w ords :digital baseband 2predistortion ; adaptive ; L U T ; FP GA EEACC :1210;1220王佳涛, 郭裕顺3杭州电子科技大学

5、电子信息学院, 杭州310018摘要:在射频通信中, 大功率放大器是无线通信系统中的必要组成部分, 它的非线性失真除了会造成信号带外的频谱扩展, 引起临道干扰外, 还会造成带内信号失真, 提高误码率。因此, 如何克服功放的非线性就成了通信领域的一个重要课题和研究热点。本文采用基于查找表的自适应算法, 设计了自适应数字基带预失真器并进行了仿真和综合。结果表明自适应数字基带预失真方法可有效地提高功放线性度, 从而提高系统性能。关键词:数字基带预失真; 查找表; 自适应; FP GA 中图分类号:TN722文献标识码:A文章编号:100529490(2009 0621074203在无线通信系统中,

6、为达到发射要求, 信号需具有较高的功率, 因此需要通过高功率放大器对射频信号进行放大, 以得到高的信号功率, 为提高射频功放的功率, 功放往往工作在非线性状态, 会出现非线形失真122。功率放大器具有幅度/幅度和幅度/相位失真特性, 这种非线性产生的失真严重地影响了通信的质量, 当今移动通信系统中, 为了增加传输速率和信道容量, 采用了复杂的具有高频谱利用率的数字调制格式。采用这些数字调制格式, 信号包络的变化产生了记忆效应, 这种记忆效应引入了更大的带外扩散, 增加邻道干扰, 同时也产生了带内失真。因此, 误比特率更加严重。在设计射频功放时, 除了满足功放输出功率的要求外, 效率和线性度是必

7、须考虑的两个因素, 但功放的效率和线性度是相互对立的。改善射频功率放大器线性度的线性化技术中预失真技术具有稳定、高效、宽带宽与自适应等优势。数字预失真技术采用了DSP 技术, 提供了更好的互调失真压缩, 性能更优3。数字基带预失真在基带进行信号处理, 不依赖于系统的工作频率自适应技术能够容易地应用到数字预失真结构中。 1数字基带预失真技术近年来随着数字信号处理器(DSP 技术飞速发展, 体积小、高速、低功耗的DSP 不断涌现, 数字基带自适应预失真技术发展得到了有力的硬件环境的支持, 数字基带预失真技术应用范围越来越广。它也是通过在放大器前构造功放非线性失真的逆特性来达到线性化的目的, 并通过

8、系统输出与期望响应的差值来自适应更新逆模型的参数来补偿放大器的非线性漂移, 锁定不同功放的传递特性4。在预失真调整阶段, 无线信号经星座点映射, 再经脉冲整形滤波、过采样等处理后, 产生预失真器的输入信号:同相正交的数据组I n 、Q n , 经过预失真校正后, 预失真器输出数据为I n 、Q n , 该调整过的数据经历D/A 转换、调制、放大后送到天线进行传输; 在自适应阶段, 取功率放大器的输出信号经过解调, 然后进行采样, 再将其与输入信号相比较, 的自适应算法, , 下一次数据的“完整的工作过程 图1预失真原理图预失真的输入为复基带输入:V i =I n +j Q n =A n ejn

9、 (1输出为:V d =I n +j Q n =A n ej n(2放大器的输入信号:V d =An cos (t +n (3用f ( 、g ( 来表示功放的AM/AM 、AM/PM 特性, 可以得到:V o =G (V d =f (An cos (t +n +g (A n (4 取功放输出信号, 进行正交解调后准备自适应调整, 可以得到, 正交解调后的信号为:V o = I n +j Q n =f (A n cos (n +g (A n +j f (A n sin (n +g (A n =f (A n e j (n+g (A n (5由此可见, 正交解调后的输出, 恰好是功率放大器输出的基带

10、等效。在正交调制和解调为理想的情况下, 可以省去调制解调的环节, 对预失真器系统的仿真可以在基带进行5。2数字基带预失真设计数字基带预失真器包括直2极坐标转化、查找表、自适应、控制器四个模块, 直2极坐标转化模块负责信号的直角坐标和极坐标的转化; 查找表模块负责对转化后的信号进行“预失真”; 自适应模块保证预失真功能可以应用于各种不同的功放, 并且在功放长时间使用后, 随着温度变化、器件老化而引起的性能改变, 能够被预失真器捕捉到并重新锁定, 从而使得性能保持稳定6, 控制器则负责各个模块的协同工作。本设计的一个特点, 就是没有引入处理器, 运算单元都是由基本的电路模块一级一级搭起来的, 这样

11、做的好处, 一是可以保证处理的速度, 因为如果引入处理器, 7, 处理器的速度就, 这8:输入为I 、Q , 均为12位线宽。规定最高位为符号位,0为正,1为负。接下来3位表示整数部分, 可知范围大小为07。低8位为小数部分。这样的定义可以使得输入信号精确到2-8, 即256。输出信号格式的定义与输入信号相同。I =12b0001_0000_0000, Q =12b0001_1001_0000。这一对I 、Q 信号表示:I 的符号位是最高位0,为正数, 其整数部分, 也就是接下来的3位, 为001, 相当于1, 小数部分是最低8位, 为0。则I 的二进制值为:+(001. 00000000 2

12、。对应的十进制值为:1。同理可知, Q 的二进制值为:+(001. 10010000 2。对应的十进制值为:1+2-1+2-4=1. 5625。本设计共有5个查找表, 直2极坐标转化模块共有三个较小的查找表。另外还有两个较大的查找表, 查找表模块的作用, 就是进行与功放相反的失真, 与功放的失真相抵消, 实现系统整体的线性化。该模块的输入有两组信号, 分别为原始信号的幅度A , 相位, 以及自适应模块针对同一组原始信号的自适应调整值, 幅度A new 、相位new 。输出为经过“预失真”调整过的幅度A 和相位。自适应模块的输入一共有三对:直2极坐标转化模块的输出A 、, 这既是原始值, 也是理

13、想值; 功放模拟模块的输出A out 、out , 这是实际值; 查找表的5701第6期王佳涛, 郭裕顺:功放的数字基带预失真技术研究 输出A 、, 这是迭代的基准值, 是迭代步长, 具体值的大小在代码综合前是可以改变的, 此处=1, 对应到信号格式后, 具体输入是9b1_0000_0000。输出为经过自适应调整后的A new 、new 。本文的预失真算法都是在FP GA (现场可编程门阵列 芯片中编程实现的, 可以根据验证需要灵活地改变源信号的带宽和峰均比, 采用Verilog HDL 语言, 利用FP GA 强大的运算能力简化了整个系统, 从而减少误差。提高了系统性能 。图2数字基带预失真

14、设计图3我们采用, 对应的FP GA 型号为:公司St ratix III 系列中的EP3SL340F1760C4L 。仿真综合结果如下表:表1综合结果表Term NameSummaryTiming Models Max Frequency Logic utilization Combinational AL U Ts Memory AL U Ts Dedicated logic registers Total registers Total pins Total virtual pins Total block memory bits DSP block 18-bit elements To

15、tal PLL s Total DLL s Preliminary154. 75M Hz 1%1758/270400(<1% 32/135200(<1% 3244/270400(1%342660/1,120(5% 089672/16662528(<1% 8/576(2%0/12(0% 0/4(0% 图3预失真后数据结果通过数字基带预失真之前的数据与数字基带预失真之后的数据对比, 其功率频谱图可以方便的比较出预失真后的性能明显提高。其对比如下图所示 :图4有无预失真效果比较图4结束语在无线通信系统中, 随着性能要求的不断提高,射频功率放大器的非线性化越来越严重, 从而引起幅度和

16、相位的严重失真, , FP 2, 。本文根据提FP GA 基础上, 构建了一种自适应数字基带预失真系统, 并给出了仿真结果, 仿真结果表明构建的数字基带预失真系统具有好的预失真效果。参考文献:1Kenington P. High 2Linearity RF Amplifier Design M .Nor 2wood ,MA :ArtechHouse ,2000.2Lee Seung 2Yup , Y ong Sub , Hong Seung 2Ho. An Adaptivepre 2distortion RF Power Amplifier wit h A Spectrum Monitor F

17、or 2multicarrier WCDMA Applications J.IEEE Transactions on Microwavet heory and Techniques (S001829480 ,20053赵洪新, 陈忆元, 洪伟. 一种基带预失真RF 功率放大器线性化技术的模型仿真与实验J.通信学报,2000,3傅小真, 苏凯雄. 一种预失真型线性化功率放大器及其特性.现代电子技术,20054Xianbin Wang , Tjhung T T ,Ng C S. Reduction of peak 2to 2av 2erage powerratio of OFDM system using a companding tech 2nique. Broadcasting ,IEEETransactions on 19995陈贵