[碩士論文精品]WCDMA直放站系統(tǒng)中數(shù)字預(yù)失真技術(shù)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).pdf

w c d m a 直放站系統(tǒng)中數(shù)字預(yù)失真技術(shù)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 摘要 在移動(dòng)通信系統(tǒng)中，為了保證一定范圍的信號(hào)覆蓋，通常使用功 率放人器來(lái)對(duì)信號(hào)放大。然而由于功放自身具有的非線性，會(huì)使得發(fā) 送信號(hào)的頻譜展寬，這就導(dǎo)致了信號(hào)的帶內(nèi)畸變和鄰道干擾。 由于w c d m a 系統(tǒng)以及未來(lái)的以o f d m 為核心技術(shù)的4 g 通信系 統(tǒng)都具有多載波，寬頻帶的特征，這就使得信號(hào)的峰均比( p a p r ) 非常之高，從而受到功放非線性影響所帶來(lái)的畸變和干擾也更加明 顯。為了減小這種干擾和畸變必須使用功放線性化技術(shù)。 隨著移動(dòng)通信事業(yè)的迅猛發(fā)展，不論是如今正在商用的3 g 市場(chǎng) 還是未來(lái)的4 g ( m ) 發(fā)展前景都對(duì)功放的線性度提出了越來(lái)越高的 要求。傳統(tǒng)的解決功放線性化方案是通過(guò)回退( b a c k o f f ) 信號(hào)功率 來(lái)抑制功放的互調(diào)分量，從而保證功放工作在線性區(qū)。很明顯這種方 案極大的降低了功放自身的效率，也就是說(shuō)了為了達(dá)到額定的輸出功 率勢(shì)必要選取高功率的功放管，從而要為之付出高額的硬件成本。因 此，不論從效率，成本以及環(huán)保方面來(lái)說(shuō)，它都不是最佳的功放線性 化技術(shù)解決方案。數(shù)字預(yù)失真技術(shù)以其高性能、低成本、低實(shí)現(xiàn)復(fù)雜 度的特點(diǎn)已成為當(dāng)前主流的功放線性化技術(shù)解決方案。 本文主要關(guān)注于對(duì)記憶多項(xiàng)式d p d 算法的數(shù)學(xué)原理、性能仿真的 討論和研究，以及最終的硬件實(shí)現(xiàn)方案的設(shè)計(jì)和測(cè)試。本文在第三章 詳細(xì)討論了記憶多項(xiàng)式d p d 算法在m a t l a b 平臺(tái)上的仿真方案，以及 對(duì)于w c d m a 不同載波信號(hào)的仿真結(jié)果，包括浮點(diǎn)仿真結(jié)果和定點(diǎn)仿 真結(jié)果，最后給出了仿真結(jié)論。最終的定點(diǎn)仿真結(jié)果也為該算法的硬 僻：實(shí)現(xiàn)提供了很好的設(shè)計(jì)依據(jù)。本文在第四章則詳細(xì)闡述了整個(gè)d p d 系統(tǒng)的硬件解決方案，從硬件平臺(tái)到算法的f p g a 設(shè)計(jì)都給出了詳細(xì) 的分析和說(shuō)明。我們最終在x i l i n x 的f p g a 上完成了算法實(shí)現(xiàn)，該實(shí)現(xiàn) 方案是一個(gè)軟硬件協(xié)同工作的嵌入式方案，d p d 濾波器的f p g a 實(shí)現(xiàn) 采用了查找表的方式，很大程度的節(jié)省了f p g a 的硬件資源；d p d 的 參數(shù)估計(jì)是在f p g a 上的嵌入式c p u 上實(shí)現(xiàn)的。本文在第五章主要給 出了基于該硬件解決方案的測(cè)試結(jié)果。最終測(cè)試結(jié)果表明該算法對(duì)功 放輸出信號(hào)的a c l r 指標(biāo)的改善能達(dá)至l j l 5 d b 左右( 正負(fù)2 d b 變化) ，同 提高到2 9 。 w c d m a 直放站功率放大器f p g a t h ed e s i na n di m p l e m e n t i o no f d i g i t a lp r e d i s t o r t i o nt e c h n o l o g y i nw c d m ar e p e a t e r s a b s t r a c t i nt h em o b i l ec o m m u n i c a t i o n s y s t e m ，w eu s u a l l y u s e p o w e r a m p l i f i e rt oe n l a r g et h ep o w o ft h et r a n s m i t e ds i g n a li no r d e rt oa s s u r et h e c o v e r a g e i ns o m e r a n g e b e c a u s ep o w e ra m p l i f i e r i s i n h e r e n t l y n o n l i n e a r , t h e n o n l i n e a r i t y c r e a t e s s p e c t r a lg r o w t h o u to ft h e s i g n a l b a n d w i d t h ，w h i c hr e s u l ti na d j a c e n tc h a n n e l si n t e r f e r e s i ta l s oc a u s e s d i s t o r t i o n sw i t h i nt h es i g n a lb a n d w i d t h f o rt h ec h a r a c t e r i s t i c so fw i d e b a n da n dm u l t i c a r r i e r si nt h e w c d m a s y s t e m a n do f d m w h i c hm a k e s i g n a l h a s h i g h p e a k t o - a v e r a g ep o w e rr a t i o s ( p a p r ) t h e ya t ee s p e c i a l l yv u l n e r a b l et ot h e n o n l i n e a rd i s t o r t i o n s b r i n g f r o mp a i n o r d e rt od e c r e a s et h e d i s t o r t i o n s ，w em u s th a v et h ep al i n e a r i z a t i o nt e c h n o l o g yi nu s e w i t ht h e r a p i dd e v e l o p m e n t o ft h em o b i l ec o m m u n i c a t i o n b u s i n e s s ，b o t h3 gc o m m e r c em a r k e ta n df u t u r e4 gp r o s p e c t sa l lp r o p o s e h i 曲p r i n c i p l e s t ot h ep al i n e a r i z a t i o n t e c h n o l o g y t r a d i t o n a l p a l i n e a r i z a t i o nt e c h n o l o g ys o l u t i o ni st ob a c k o f ft h es i g n a lp o wf r o mt h e p as a t u r a t i o np o i n t ，w h i c ha s s u r et h ep at ow o r ki ni t sl i n e a rr e g i o n i ti s o b v i o u st h a t a l t h o u g h t h eb a c k o f fs o l u t i o ni s s i m p l e a n d h i g h l i n e a r i t y , t h ep ae f f i c i e n c yw o u l db ec u td o w nt ov e r yl o w t h a ti st o s a y ，i no r d e rt or e a c ht h er a t e do u t p u tp o w e r ，w om u s tp r o v i d et h eh i g h e r e f f i c i e n c ya m p l i f i e r t u b ew h i c hw i l la d d t h eh a r d w a r ec o s t c o n s e q u e n t l y ，i t i sn o ta n o p t i m a ls o l u t i o nf o rt h ep al i n e a r i z a t i o n t e c h n o l o g y d i g i t a lp r e d i s t o r t i o n ( d p d ) t e c h n o l o g yc h a r a c t e r i z e df o ri t s h i g hp e r f o r m a n c e ，l o wc o s t ，e n v i r o n m e n t a lh a sb e c o m et h ec o n t e m p o r a r y m a i n s t r e a mp al i n e a r i z a t i o nt e c h n o l o g ys o l u t i o n i n t h i s p a p e r , w em a i n l y f o c u so nd p dm a t hf o u n d a t i o n ， p e r f o r m a n c es i m u l a t i o n ，t h ed e s i g na n dt e s to fh a r d w a r es o l u t i o n i nt h e c h a p t e r3 , w em a i n l yd i s c u s st h ed p ds i m u l a t i o ns o l u t i o na n dr e s u l t f o r t h ew c d m a s i g n a lw i t hd i f f e r e n tc a r r i e rn u m b e ro nt h em 衄，a b 5 m i c r o p r o c e s s o rt e c h n o l o g y d p df i l t e ri si m p l e m e n t e do nt h ef p g aw i t h t h el u tm e t h o dw h i c hc a ns a v ea sm u c hf p g ar e s o u r c e sa sp o s s i b l e d p dc o e f f i c i e n te s t i m a t ei si m p l e m e n t e do nt h em i c r o p r o c e s s o re m b e di n t h ef p g a t h ef i n a lt e s tr e s u l t sp r e s e n t e di nt h ec h a p t e r5s h o w1 5d bo f i m p r o v e m e n t i n a d j a c e n t c h a n n e lp o w e rf o rw c d n 認(rèn)s i g n a l sw i t h d i f f e r e n tc a r r i e rn u m b e r s p o w e ra m p l i f i e re f f i c i e n c yi sa l s oi m p r o v e d f r o m8 u pt oam a x i m u mo f 2 9 k e yw o r d s ：w c d m l d p dp aa c l rp a p rf p g a 6 目錄 w c d m a 直放站系統(tǒng)中數(shù)字預(yù)失真技術(shù)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)3 目錄7 第一章緒論9 1 1 課題的研究背景一9 1 2w c d m a 原理簡(jiǎn)介1 0 1 直放站原理簡(jiǎn)介1 1 1 4 本文的主要內(nèi)容和安排1 2 第二章功率放大器簡(jiǎn)介及建模1 3 2 1 功率放人器的特征曲線1 3 2 2 功率放大器的對(duì)信號(hào)的畸變一1 4 - 2 2 1a m - a m 畸變- 1 4 2 2 2a m p m 畸變1 5 2 3 功率放大器的建模1 6 2 3 1 嚴(yán)格無(wú)記憶模型1 6 2 3 2 擬無(wú)記憶模型1 7 2 3 3 有記憶模駕望。1 8 - 2 4 本章小結(jié)- 1 8 一 第三章記憶多項(xiàng)式d p d 算法的性能仿真1 9 3 1 數(shù)學(xué)原理1 9 3 2 仿真信源的構(gòu)建2 1 3 3 浮點(diǎn)算法仿真方案2 3 3 3 1 浮點(diǎn)仿真的平臺(tái)框圖2 3 - 3 3 2 浮點(diǎn)仿真步驟- 一2 5 - 3 3 3 浮點(diǎn)仿真結(jié)果2 6 - 3 3 4 浮點(diǎn)仿真結(jié)論3 2 3 4d p d 定點(diǎn)算法仿真方案一3 3 3 4 1 定點(diǎn)仿真原理一3 3 - 3 4 2 定點(diǎn)仿真平臺(tái)說(shuō)明一3 4 - 3 4 3d p d 定點(diǎn)算法的關(guān)鍵操作3 5 3 4 4d p d 定點(diǎn)算法的仿真步驟一3 6 3 4 5d p d 定點(diǎn)算法的仿真結(jié)果一3 7 - 3 4 6d p d 定點(diǎn)算法的仿真結(jié)論一4 3 3 5 本章小結(jié)一4 3 第四章d p d 系統(tǒng)的硬件解決方案- 4 4 4 1 便什平臺(tái)關(guān)鍵芯片簡(jiǎn)介4 4 - 4 1 1f p g a 芯片- 4 4 4 1 2 主鏈路a d 芯片4 7 - 4 1 3 反饋鏈路的a d 芯片4 8 - 4 1 4 土鏈路的d a 芯片一4 9 4 2d p d 系統(tǒng)的整體架構(gòu)一5 0 一 4 3d p d 系統(tǒng)的f p g a 部分詳細(xì)設(shè)計(jì)5 2 4 3 1d p d 系統(tǒng)的f p g a 的頂層設(shè)計(jì)5 2 4 3 2 時(shí)鐘模塊5 3 4 3 3a d 6 6 5 5 接口模塊5 3 4 3 4 插值濾波模塊5 4 4 3 5a d s 0 1 4 1 接口模塊5 5 4 3 6a d 9 7 7 9 接口模塊5 6 4 3 7 捕獲r a m 模塊5 7 4 4d p d 濾波器的f p g a 設(shè)計(jì)5 9 4 4 1d p d 濾波器實(shí)現(xiàn)架構(gòu)5 9 4 4 2l u t 地址空間分配設(shè)計(jì)6 0 4 4 3 資源清單6 l - 4 5d p d 參數(shù)估計(jì)的f p g a 設(shè)計(jì)6 2 4 5 1m l c r o b ia z e 的配置6 2 4 5 2d p d 參數(shù)估計(jì)流程圖6 3 4 5 3 關(guān)鍵程序說(shuō)明6 4 4 6f p g a 設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵i p 核的介紹與說(shuō)明6 5 4 6 1 硬核乘法器6 5 4 6 2c o r d i c 計(jì)算器6 7 4 6 3f i r 濾波器6 8 4 6 4d d s 頻率綜合器7 0 4 6 5 復(fù)數(shù)乘法器7 2 第五章d p i ) 硬件系統(tǒng)的性z 月匕l(fā) a 測(cè)- 試一7 4 5 1 測(cè)試平臺(tái)框圖7 4 5 2 測(cè)試平臺(tái)儀器儀表清1 1 乞7 4 5 3 測(cè)試平臺(tái)實(shí)物照片7 5 5 3 1 測(cè)試平臺(tái)照片7 5 5 3 2 數(shù)字中頻極照片7 5 5 3 3 上卜混頻模塊實(shí)物照片( 左為卜混頻，右為上混頻) 7 6 5 3 4d o h e r t y 功放照片7 6 5 4 測(cè)試數(shù)據(jù)表格7 7 5 5 測(cè)試性能截圖7 8 5 5 1 信號(hào)源輸出的w c d m a 的3 載波信號(hào)的p s d 圖7 8 5 5 2 f i 加d p d 模塊的助放輸出信號(hào)的p s di 矧一7 9 5 5 3 加入d p d 模塊后的功放輸出信號(hào)的p s d 圖8 0 一 5 6 測(cè)試結(jié)論8 0 第六章論文總結(jié)與未來(lái)展望8 1 參考文獻(xiàn)一8 2 一 致謝8 3 攻讀學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文一8 4 8 第一章緒論 1 1 課題的研究背景 隨著移動(dòng)事業(yè)的迅猛發(fā)展，特別是c d m a 和第三代移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展，使 得系統(tǒng)對(duì)功放線性度的要求越來(lái)越高。在移動(dòng)通信系統(tǒng)中，為了保證一定范圍的 信號(hào)覆蓋，我們通常使用功率放大器來(lái)對(duì)信號(hào)放大，進(jìn)而通過(guò)射頻前端和天線系 統(tǒng)發(fā)射出去。而在c d m a 或w c d m a 以及t d s c d m a 的基站中，如果采用一般 的高功放( 通常工作于a b 類(lèi)) ，將由于非線性的影響產(chǎn)生頻譜再生效應(yīng)，為了較 好的解決信號(hào)的頻譜再生和e v m ( 誤差矢量幅值) 問(wèn)題，就必須對(duì)功放采用線性 化技術(shù)。不僅如此，功放在基站放大器中的成本比例約占5 0 ，如何有效、低成 本地解決功放的線性化問(wèn)題就顯得非常重要1 3 l 。 傳統(tǒng)解決功放的非線性的方法多數(shù)是采用功率回退( b a c k o f f ) 的方法來(lái)抑 制功放的互調(diào)分量也就是保證功放工作在線性范圍，從而不影響信號(hào)的覆蓋以及 通信。所謂回退就是降低輸入功率，使放大器工作點(diǎn)離飽和點(diǎn)遠(yuǎn)一點(diǎn)，工作在如 圖1 所示一曲線o a 段范圍內(nèi)這一段的p o u t p i n 曲線線性度，由此看出，回退就 是用降低輸出功率的方法米減少非線性失真。這種方法簡(jiǎn)單，能使放人器得到較 高的線性度，但是由于晶體管放大器直流工作狀態(tài)不變，放大器的功率相應(yīng)降低 了，同時(shí)晶體管本身也“大材小用，其能力沒(méi)有充分地發(fā)揮出來(lái)，當(dāng)需要大的功 率輸出時(shí)，就需要使用能輸出更大功率的晶體管，這不僅要付出更高的硬件成本 同時(shí)也降低了環(huán)保性能。因此，不論從效率，成本以及環(huán)保方面來(lái)說(shuō)，回退都不 是最佳的功放線性化技術(shù)解決方案。 圖1 - 1 晶體管放大曲線 要想既要得到較大的輸出功率又要保證有較高的線性度，在微波晶體管功率 放大器中，除了選擇性能良好的晶體管，合理地選擇晶體管的二 作狀態(tài)外，還必 須采用有效的線性化措施。目前引起關(guān)注的功放線性化方法主要有預(yù)失真技術(shù)暑 前反饋技術(shù)，預(yù)失真技術(shù)又分為模擬預(yù)失真技術(shù)和數(shù)字基帶預(yù)失真技術(shù)。 數(shù)字基帶預(yù)失真( d p d ) 技術(shù)不涉及難度大的射頻信號(hào)處理，只在低頻部弓 對(duì)基帶信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償處理，使其失真特性與術(shù)級(jí)功放的( 非線性) 特性相反，目 對(duì)術(shù)級(jí)功放的非線性進(jìn)行補(bǔ)償，達(dá)到術(shù)級(jí)功放輸出線性的目的。因此這種方法t 于采用現(xiàn)代的數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)。采用數(shù)字預(yù)失真方法，適應(yīng)性較強(qiáng)，而且可e 通過(guò)增加采樣率及增大量化階數(shù)的辦法來(lái)抵消高階互調(diào)失真。因此，發(fā)展數(shù)字予 失真技術(shù)將具有相當(dāng)重要的意義 1 2w c d m a 原理簡(jiǎn)介 w c d m a 主要起源于歐洲和日本的早期第三代無(wú)線研究活動(dòng)i 引，g s m 的巨歹 成功對(duì)第三代系統(tǒng)在歐洲的標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)生重大影響。1 9 9 8 年1 2 月成立的3 g p p ( 多 三代伙伴項(xiàng)目) 極大地推動(dòng)了w c d m a 技術(shù)的發(fā)展，加快了w c d m a 的標(biāo)準(zhǔn)t 進(jìn)程，并最終使w c d m a 技術(shù)成為i t u 批準(zhǔn)的國(guó)際通信標(biāo)準(zhǔn)。w c d m a 是直走 序列擴(kuò)頻的碼分多址技術(shù)，其主要的系統(tǒng)參數(shù)如表1 - 1 所示i9 1 。 表1 - 1w c d m a 系統(tǒng)的基本參數(shù) 信道帶寬5 m h z 幀k 1 0 m s 碼”速率 3 8 4 m c p s 中心頻率2 0 0 k h z 的整數(shù)倍 頻黹分配i ：行1 8 5 0 1 9 1 0 m h z ，下行2 1 1 0 2 1 7 0 m h z 雙下方l =f d d 、t d d 擴(kuò)頻調(diào)制方i =l ：行：雙f 吉道q p s k ；下行：i 衡q p s k 數(shù)掂淵制方j(luò) = 弋i ：行：b p s k ；下行：q p s k f 古道編碼交織、卷秘碼和t u r b o 碼 擴(kuò)頻了4 - 2 5 6 最人發(fā)射功；爺變化范用，o 設(shè)備2 6 d b ，桀站1 2 d b 數(shù)據(jù)速；午 禮7 i ：速王1 i 境下提供1 4 4 k b p s ，步行叫：境下3 8 4 k b p s ，空內(nèi)叫、境下2 m b p s w c d m a 系統(tǒng)射頻硎j 分足傳統(tǒng)的模擬結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)射頻和中頻信號(hào)轉(zhuǎn)換以及身， 頻信號(hào)的接收和發(fā)射。射頻i i i j ：通道部分主要包括自動(dòng)增益控制( r f a g c ) ，是 收濾波器( r x 濾波器) 和下變頻器。射頻的下行通道部分主要包括二次上變頻， 寬帶線陀功放和射頻發(fā)射濾波器。中頻部分t 嬰包括上行的去混迭濾波器、下粵 頻器、a d c 和f 行的中頻半滯濾波器，上變頻器和d a c 。與g s m 信號(hào)以及第一 代的信號(hào)不同，w c d m a 信號(hào)為帶寬高達(dá)5 m h z 的寬帶信號(hào)且為多電平信弓，窖 1 0 求射頻功放具 w c d m a 層上映射到不同的物理信道，這就要求物理層支持可變速率的信息傳輸。 物理信道主要是以物理承載特性加以區(qū)分，由于業(yè)務(wù)和控制類(lèi)型都很復(fù)雜， 所以物理信道也比較復(fù)雜。w c d m a 中基本物理資源是碼字?jǐn)?shù)，另外包括無(wú)線幀 結(jié)構(gòu)、時(shí)隙結(jié)構(gòu)和符號(hào)速率等。傳輸信道經(jīng)過(guò)信道編碼和映射后，與物理信道提 供的數(shù)據(jù)速率相一致，這樣傳輸信道和物理信道可以對(duì)應(yīng)起來(lái)。物理信道主要包 括：同步信道、公共導(dǎo)頻信道、物理下行共享信道以及物理公共分組信道等。 1 3 直放站原理簡(jiǎn)介 直放站( r n 中繼器) 屬于同頻放大設(shè)備，是在無(wú)線通信傳輸過(guò)程中起到信號(hào)增 強(qiáng)的一種無(wú)線電發(fā)射中轉(zhuǎn)設(shè)備。直放站主要由接收機(jī)和發(fā)射機(jī)、天饋線系統(tǒng)、電 源等構(gòu)成。無(wú)論是g s m 直放站、c d m a 直放站還是w c d m a 直放站，其原理是 基本相同的，也都可以分為射頻、光纖直放站以及寬帶、窄帶、移頻直放站等幾 類(lèi)。衡量直放站好壞的指標(biāo)主要有智能化程度( 如遠(yuǎn)程監(jiān)控等) 、互調(diào)產(chǎn)物、噪聲系 數(shù)、整機(jī)的可靠性以及技術(shù)服務(wù)等。直放站在密集城區(qū)應(yīng)用于解決小范圍區(qū)域的 盲區(qū)覆蓋以及建筑物內(nèi)的信號(hào)覆蓋，在郊區(qū)以及偏遠(yuǎn)地區(qū)則= i 三要用于擴(kuò)大覆蓋范 罔，增加基站的覆蓋距離。 數(shù)字直放站是提供一種帶有數(shù)字預(yù)失真、可實(shí)現(xiàn)多載波、數(shù)字化的3 g 基站延 伸系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)3 g 基站射頻信號(hào)大容量、大動(dòng)態(tài)范圍的遠(yuǎn)距離數(shù)字傳輸，并提供靈 活多樣的快速組網(wǎng)方式，支持多頻段和丌放式架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程升級(jí)以及分布式建 網(wǎng)，能夠有效提高網(wǎng)絡(luò)性能并降低網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的運(yùn)營(yíng)成本1 1 5 l 。圖1 2 為數(shù)字直放站 系統(tǒng)的原理框圖。 施主天線 下行射朔信號(hào) 上桶鋤信號(hào) 圖1 - 2 數(shù)字直放站系統(tǒng)的原理框圖 轉(zhuǎn) 侈 i 殷紇信號(hào) 、數(shù)字中頻兩部分組成。其中射頻部分包括：低噪盧 模擬射頻發(fā)射機(jī)、多載波功率放大器；而數(shù)字中頻包 括：a d 轉(zhuǎn)換器、d a 轉(zhuǎn)換器、數(shù)字上下變頻、數(shù)字濾波與分集接收、數(shù)字 預(yù)失真( d p d ) 、峰均比抑$ 1 j ( c f r ) 模塊。 本文主要討論數(shù)字預(yù)失真( d p d ) 部分的解決方案 1 4 本文的主要內(nèi)容和安排 論文的章節(jié)安排如下： 第一章緒論。本章主要介紹數(shù)字預(yù)失真技術(shù)的背景、w c d m a 的原理、直放站 的基本原理和文章結(jié)構(gòu)。 第二章功率放大器簡(jiǎn)介及其建模。本章主要分析了功放的非線性特征對(duì) w c d m a 寬帶信號(hào)所產(chǎn)生的畸變，主要包括a m 畸變和p m 畸變，最終 體現(xiàn)在對(duì)信號(hào)功率譜密度、信號(hào)幅度和相位( 星座圖) 的影響。然后介 紹了目前常用的功放建模方式，針對(duì)w c d m a 寬帶系統(tǒng)必須選用有記憶 功放模型。最終選用記憶多項(xiàng)式模型作為d p d 應(yīng)用系統(tǒng)的寬帶功放建 模。 第三章記憶多項(xiàng)式d p d 算法的性能仿真。本章主要介紹了記憶多項(xiàng)式d p d 算 法的數(shù)學(xué)原理，并且詳細(xì)闡述的算法的浮點(diǎn)仿真和定點(diǎn)仿真方案，并且 給出了仿真結(jié)果和結(jié)論。從仿真結(jié)果可以看出，記憶多項(xiàng)式d p d 算法可 以完全滿(mǎn)足寬帶w c d m a 系統(tǒng)的線性化需求。同時(shí)定點(diǎn)仿真方案定出的 算法的定點(diǎn)結(jié)構(gòu)也為算法的硬件實(shí)現(xiàn)提供了很好的設(shè)計(jì)依據(jù)。 第四章d p d 系統(tǒng)的硬件解決方案。本章豐要介紹了整個(gè)d p d 應(yīng)用系統(tǒng)的硬件 解決方案，包括整體硬件架構(gòu)，硬件平臺(tái)的關(guān)鍵芯片，以及f p g a 沒(méi)訃 部分。重點(diǎn)闡述了d p d 系統(tǒng)的f p g a 設(shè)計(jì)部分，其中包括所有子模塊的 詳細(xì)設(shè)計(jì)，d p d 濾波器和d p d 參數(shù)估計(jì)這兩個(gè)關(guān)鍵子模塊分別給出了 詳細(xì)的分析。最后刈f p g a 設(shè)計(jì)中用到的i p 核資源也給出了l t 細(xì)說(shuō)明。 第血章d p d 硬件系統(tǒng)的性能測(cè)試。本章主要介寶f d p d 應(yīng)用系統(tǒng)的最終測(cè)試情 況，首先詳細(xì)介紹了測(cè)試平臺(tái)( 附上了實(shí)物照片) ，最終給f l i 了測(cè)試的數(shù) 據(jù)，截圖，以及結(jié)論。 第六章結(jié)論和展耀。本章豐要對(duì)全文工作進(jìn)j j ：總結(jié)和分析，對(duì)。螳不足進(jìn)行剖 析，并塒d p d 未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn) j ：分析。 第二章功率放大器簡(jiǎn)介及建模 2 1 功率放大器的特征曲線 所謂理想功率放大器，即輸入輸出關(guān)系為線性函數(shù) 圖2 - 1 為理想功率放大器的輸入輸出特性曲線 v o u r 圖2 - 1 理想功率放大器的輸入輸出特性曲線 然而實(shí)際的功率放大器是非線性的，尤其是到了接近飽和點(diǎn)后，輸入輸出關(guān)系即 演變?yōu)榉蔷€性函數(shù) 圖2 2 為實(shí)際功率放大器的輸入輸出特性曲線 v o u l v m 圖2 - 2實(shí)際功率放大器的輸入輸出特性曲線 2 2 功率放大器的對(duì)信號(hào)的畸變 功率放大器實(shí)質(zhì)上是輸入輸出信號(hào)的非線性變換系統(tǒng)。功放的輸出響應(yīng)包括 a m a m 響應(yīng)、a m p m 響應(yīng)。 a m a m 和a m p m 特性是功放最基本的特性，可以直接通過(guò)測(cè)量功放的輸入 數(shù)據(jù)i ( n ) 和輸出數(shù)據(jù)o ( n ) 直接得到。下面給出幾個(gè)相關(guān)的定義。對(duì)于一個(gè)任意的復(fù) 信號(hào)，a m a m 定義為輸出信號(hào)復(fù)包絡(luò)的幅度相對(duì)于輸入信號(hào)復(fù)包絡(luò)的變化特性， 同樣a m p m 定義為相移( 輸出信號(hào)復(fù)包絡(luò)相角減去輸入信號(hào)復(fù)包絡(luò)相角) 隨輸入 信號(hào)包絡(luò)幅度變化的特性。 2 2 1a m a m 畸變 由于功放接近飽和點(diǎn)時(shí)所帶來(lái)的非線性對(duì)不同的輸入的功率會(huì)有著不同的增 益，所以必然會(huì)給信號(hào)帶來(lái)a m a m 畸變。這種畸變主要反映在兩個(gè)指標(biāo)上，一 個(gè)是信號(hào)星座圖，一個(gè)是信號(hào)的功率譜密度。以1 6 q a m 調(diào)制為例，圖2 3 所示為 a m a m 畸變后的1 6 q a m 星座點(diǎn)，圖2 4 所示為a m a m 畸變后的1 6 q a m 信號(hào) 的功率譜密度圖( p s d 曲線) 。 。 x _ ，r 一 “ - l 圖2 3a m a m 畸變后的16 q a m 星座點(diǎn)圖2 - 4a m - a m 畸變后的頻譜圖 2 2 2a m p m 畸變 圖2 5 和圖2 - 6 為幅度和相 圖2 - 5a m a m 與a m p m 聯(lián)合畸變后的1 6 q a m 星座點(diǎn) f 蹄q 珊竹塒i k “ 怛 圖2 - 6a m a m 與a m p m 聯(lián)合畸變后的16 q a m 信號(hào)的頻譜圖 1 5 1日皂n并亂爹。量j證 2 3 功率放大器的建模 常用的功放的行為模型有：冪級(jí)數(shù)模型、v o l t e r r a 級(jí)數(shù)模型和諧波平衡法模型 等。 功率放大器實(shí)質(zhì)上是輸入輸出信號(hào)的非線性變換系統(tǒng)，分為無(wú)記憶功放和有 記憶功放兩大類(lèi)【1 ，引。其中無(wú)記憶功放又分為嚴(yán)格無(wú)記憶與擬無(wú)記憶功放。當(dāng)輸入 的r f 信號(hào)是窄帶信號(hào)時(shí)，功放的輸出響應(yīng)與信號(hào)頻率沒(méi)有關(guān)系，稱(chēng)為無(wú)記憶功放； 當(dāng)功放的輸出響應(yīng)與輸入信號(hào)的頻率有關(guān)，此時(shí)功放可以看作是有記憶非線性變 換系統(tǒng)。 記憶特性是寬帶功放的又一重要特性，一般定義為由調(diào)制頻率引起的信號(hào)幅 度和相位的失真。當(dāng)輸入信號(hào)的帶寬較寬( 例如w c d m a 信號(hào)，其單載波帶寬為 5 m h z ) ，功放記憶特性的時(shí)問(wèn)跨度將變得和輸入信號(hào)包絡(luò)時(shí)延相當(dāng)，所以記憶特 性將不能再被認(rèn)為是短時(shí)的，不能忽略。 一般的，無(wú)記憶功放可以建模為冪級(jí)數(shù)，其帶通信號(hào)模型1 1 】為 多o ) = 占t ( 三( f ) ) ( 2 1 ) 其中，墳足實(shí)系數(shù)，三( f ) 是功放輸入的帶通信號(hào)，夕( f ) 是功放輸出的帶通信 號(hào)。與其相對(duì)應(yīng)的基帶信號(hào)模型i 1 】為 y o ) = 仇z o ) ) r ( 2 2 ) 糾以斟 沼3 ， 在基帶等價(jià)模型中，只含有奇數(shù)階信q - ，偶數(shù)階信號(hào)的系數(shù)為0 。因?yàn)榕紨?shù)階 的信號(hào)頻率距離載波頻率較遠(yuǎn)，所以刈基帶信號(hào)y ( t ) 的影響可以忽略不計(jì)。 嚴(yán)格無(wú)記憶功放的a m a m 相j 夠曲線如圖2 7 所示f 1 1 2 3 2 擬無(wú)記 型 h lp n ta m p l i l ，h d e 圖2 7a b 類(lèi)無(wú)記憶功放的a m a m 響應(yīng) 如果反是復(fù)系數(shù)，則稱(chēng)之為擬無(wú)記憶模型，在這種情況下，功放彳i 僅會(huì)引入 幅度畸變，還會(huì)引入相位畸變，圖2 - 8 為a b 類(lèi)擬無(wú)記憶功放的a m p m 響心【。 圖2 - 8a b 類(lèi)擬無(wú)記憶功放的a m p m 響應(yīng) 一-瓠。一=)_if石-_【二。gn薹1，1【一阻 x v ( 咒) = 甌z q ) 協(xié)) r 七= 1 o d d 線性非時(shí)變系統(tǒng)的傳輸函數(shù)為【1 j 工l y ( ，z ) = c , v ( n 一，) = 0 數(shù)作為一個(gè) 用于預(yù)失真 級(jí)數(shù)的對(duì)角 時(shí)變( l t i ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) g 足l t i 系統(tǒng)的單位沖擊響應(yīng)，仇為非線性系統(tǒng)的多項(xiàng)式的奇數(shù)階系數(shù)。 將( 2 _ 4 ) 代入( 2 5 ) 得【1 l 一1k y ( 以) = c ，吃z 一f ) | z ( 玎一t ) l 川 i - 0 - 1 o d d ( 2 6 ) 本文主要對(duì)記憶多項(xiàng)式模幫的d p d 算法進(jìn)i j ：了較為洋細(xì)的分析。從第三章的 仿真結(jié)果可以看出，有記憶多項(xiàng)式的預(yù)失真結(jié)構(gòu)是高效的，性能足優(yōu)肆的。 2 4 本章小結(jié) w c d m a 系統(tǒng)屬于寬7 l f i j r l t - 一。 i - 幾系統(tǒng)，功放的輸響應(yīng)與輸入信號(hào)的頻率有關(guān)， 此| | j 力放w 以行作足仃i d 憶 f 線性變換系統(tǒng)，只能采川有記憶的功放模揖! 。本文 主要是嘲繞塍，：記憶多項(xiàng)j 功放模型的d p d 算法的研究展丌。 第三章記憶多項(xiàng)式d p d 算法的性能仿真 3 1 數(shù)學(xué)原理 數(shù)字預(yù)失真技術(shù)究其本質(zhì)就是在基帶構(gòu)造一個(gè)模擬功放的反特性的濾波器以 補(bǔ)償功放的非線性【。由圖3 - 1 可知整個(gè)d p d 的模塊由預(yù)失真濾波處理和系數(shù)訓(xùn) 練兩個(gè)子模塊構(gòu)成，它們的結(jié)構(gòu)是完全相同的，用最小二乘法不斷調(diào)整預(yù)失真濾 波器的抽頭系數(shù)，直至收斂。 圖3 - 1d p d 系統(tǒng)框圖 對(duì)于功放模型我們采用上章介紹的記憶多項(xiàng)式模型，所以基于該模型的數(shù)字 預(yù)失真器的數(shù)學(xué)表達(dá)式如等式3 - 1 所示1 1 l ： kd f k o ) 】= 口幻x o g ) k o q ) i 卜1 ( 3 - 1 ) k = lq - 0 ( 3 1 ) 式巾，x ( n ) 和z o ) 分別為預(yù)畸變器的輸入和輸出；k 非線性階數(shù)，q 為最大延遲；口蛔為預(yù)失真器的濾波器系數(shù)。 由于我們最終要將預(yù)失真器逼近到功放特性的反函數(shù)，即要使得 z = f ( y ) ( 3 - 2 ) 代入等式( 3 - 1 ) 有 z ( 以) ：k 0a k q y ( n q ) l y o 一目) rz ( 以) = n q ) l y o 一目) r k = lq = 0 我們定義1 1 l ( 3 3 ) = y ( n - q ) l y ( n q ) l 一1 代入等式( 3 3 ) 有i l i k口 z o ) = 4 幻 k = lq = o 寫(xiě)成矩陣的形式即f l l z = = u a 圖3 2 為k - 5 ，q = 2 對(duì)應(yīng)的u 矩陣形式 刪。刪1 刪嗣0 00 00 刪。洲1 壙刪。刪1 刪翩0 0 刪。劃1 坩蚶洲1 艫刪。刪1 劃。圳1 計(jì)劃。劃1 刪嗣塒。刪1 劃。劃1 刪尉刪。劃1 劃尉劃。刪1 i； ；!； ； ： ： 圖3 - 2 k = 5 ，q = 2 對(duì)應(yīng)的v 矩陣形式 ( 3 4 ) ( 3 5 ) ( 3 6 ) 系數(shù)a 的矩陣形式為【1 】 a = a 加口l o 口2 0 a k - 1 q - 1 ) t 輸m 信號(hào)z 的矩陣形式為【1 】 z = ( z ( o ) z ( 1 ) z ( 2 ) z ( l 一1 ) ) t 系數(shù)訓(xùn)練就是要求解等式( 3 6 ) 所表示的線性方程組，方程個(gè)數(shù)即采樣點(diǎn)的 個(gè)數(shù)l ，未知數(shù)的總數(shù)即系數(shù)的總數(shù)為k ( q + 1 ) 。故可求其最小二乘解。將等式( 3 6 ) 兩邊乘上u t ，即可得【1 j w = 瑚 ( 3 7 ) 一h ：山 、j ；u t z y ：u t 【， 最后用喬萊斯基分解求解方程組( 3 - 7 ) 即可得到系數(shù)口幻。 3 2 仿真信源的構(gòu)建 根據(jù)3 g p p 有關(guān)w c d m a 物理層方面的協(xié)議，并且按照協(xié)議【1 1 億1 3 i 的t e s t m o d e l l 完成仿真信源的構(gòu)建。t e s tm o d e l l 規(guī)定了6 4 個(gè)用戶(hù)業(yè)務(wù)信道以及一些控 制信道，且每個(gè)信道所占的功率如表3 - 1 所示。 表3 1 測(cè)試模式l 中的信道組成 類(lèi)型信道數(shù)量所占功率再分級(jí)數(shù)設(shè)定信道化碼時(shí)延偏置 t t ( 1 0 0 ) ( d b ) 編吁 ( 2 5 6 t c h i p ) p c c p c h + s c h11 0 1 0l 0 p c p i c h11 01 0oo p l c h11 61 81 61 2 0 擎o c p c h 包括p c h ， l1 6 1 8 3o ( s f = 2 5 6 ) d p c h6 4總共7 6 8見(jiàn)2 5 1 4 1見(jiàn)2 5 1 4 1見(jiàn)2 5 1 4 1 ( s f = 1 2 8 ) 協(xié)議表6 2協(xié)議表6 2協(xié)議表6 2 信源產(chǎn)生過(guò)程中主要涉及到的物理層過(guò)程主要有串并變換，擴(kuò)頻，加擾，信 道合并，脈沖成型，脈沖成型的輸出是基帶信號(hào)，通過(guò)載波調(diào)制可以得到多載波 信號(hào)的信源，下面對(duì)這些物理層過(guò)程給出了詳細(xì)的說(shuō)明 1 圖3 3 給出下行物理信道的擴(kuò)頻和加擾過(guò)型2 4 1 。由于s c h 信道不需要加 擴(kuò)和加擾的過(guò)程，因此圖3 3 的結(jié)構(gòu)并不適用于s c h 信道。每個(gè)信道的數(shù)據(jù)串并 變換為i 路和q 路后，分別進(jìn)行加擴(kuò)( 同一個(gè)擴(kuò)頻碼) 。然后i 路和q 路信號(hào)相加， 與擾碼相乘得到信號(hào)s 。其中，不同的物理信道使用不同的信道化碼，而同一個(gè) 小區(qū)使用同一個(gè)擾碼。 除了s c h 外，其 他信道i ：所爾載的 比特流數(shù)據(jù) 圖3 - 3除了s c i t 外的下行物理信道的擴(kuò)頻和加擾 s 2 將圖3 3 中s 點(diǎn)的信號(hào)乘以其功率因子，并將所有的擴(kuò)頻和力i i 擾后的信道 相加。然后，將此和信號(hào)和同步信道相加得到信號(hào)t ，如圖3 4 所示1 1 引。其中， ，且 g s 圖3 4下行所有物理信道的疊加 3 將圖3 4 中信號(hào)t 的實(shí)部和虛部分別通過(guò)一個(gè)脈沖成型濾波器，如圖3 5 所示【1 4 l 。在本設(shè)計(jì)中，此濾波器即為1 2 8 階的根號(hào)一f y t 余弦( r r c ) 濾波器，其 滾降岡子為0 2 2 。圖3 5 最終的輸出可以作為w c d m a 仿真的單載波信源。 圖4 3 中 1 1 i 圖3 - 5下行物理信道的調(diào)制 需要說(shuō)明的是，為了便于仿真過(guò)程中解擾以及測(cè)試星座圖指標(biāo)，在生成信號(hào) 源的時(shí)候，采用了固定的o 幾擾碼。 為了得到系統(tǒng)仿真需要的兩載波信源和二載波信源，只需對(duì)巾載波信源做載 波淵制即可 3 3 浮點(diǎn)算法仿真方案 3 3 1 浮點(diǎn)仿真的平臺(tái)框圖 為了評(píng)估記憶多項(xiàng)式模型d p d 浮點(diǎn)算法性能，我們?cè)趍 a t l a b 的環(huán)境下建 立了算法的浮點(diǎn)仿真平臺(tái)，圖3 - 6 為算法的浮點(diǎn)仿真平臺(tái)框圖 圖3 - 6d p d 算法的浮點(diǎn)仿真平臺(tái)框圖 如圖3 - 6 所示，其中x ( 刀) 為w c d m a 浮點(diǎn)信號(hào)源，單載波信號(hào)帶寬為5 m h z ， 兩載波信號(hào)帶寬為1 0 m h z ，3 載波信號(hào)帶寬為1 5 m h z 。z ( n ) 為d p d 的輸出信號(hào)， y ( n ) 為功放輸出經(jīng)過(guò)幅度和延時(shí)對(duì)齊后的信號(hào)。 相關(guān)說(shuō)明 1 w c d m a 信源 根據(jù)3 2 節(jié)描述，建立的6 4 碼道測(cè)試信號(hào)源( 包括單載波，兩載波，三載波) ， 數(shù)據(jù)格式為浮點(diǎn)形式。 2 功放放模型 根據(jù)w c d m a 實(shí)際數(shù)據(jù)的維納擬合功放，其模型如式( 3 8 ) 所列。 少( 甩) = u l ( n ) a o ) + u 2 ( n ) 口( 3 ) ( 3 - 8 ) 其中： u l ( n ) = x ( 廳) + 0 5 x ( n - 2 ) u 2 ( n ) = u l ( n ) lu l ( n ) 1 2 a 0 ) = 1 0 1 0 8 + j 0 0 8 5 8 - 2 3 ( 3 9 ) ( 3 1 0 ) ( 3 1 1 ) 圖3 - 7 維納功放擬合 同信 維納 3 d p d 算法 有記憶多項(xiàng)式d p d 模型。 4 測(cè)試指標(biāo) 功率譜密度( p s d ) 、星座圖指標(biāo)。p s d 是算法性能評(píng)估的最重要指標(biāo)，但并 不是唯一指標(biāo)。因此還利用星座圖的誤差向量度量( e v m ) 值來(lái)對(duì)此算法的性能 進(jìn)行評(píng)價(jià)。仿真如下進(jìn)行： ( 1 ) 首先從p s d 指標(biāo)入手，對(duì)算法進(jìn)行評(píng)估，確定相關(guān)參數(shù) ( 2 ) 從星座圖的e v m 指標(biāo)考慮，對(duì)第一步結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)，如果滿(mǎn)足要求， 仿真完畢；否則，返回第一步重新確定。 3 g p pt s9 2 4 協(xié)議要求w c d m a 設(shè)備的e v m 值必須小于1 7 5 3 3 2 浮點(diǎn)仿真步驟 在浮點(diǎn)仿真中，采用式( 3 1 ) 所示的d p d 濾波器以及式( 3 2 ) 式(