[碩士論文精品]射頻功率放大器數(shù)字預(yù)失真算法的研究和實(shí)現(xiàn)

東南大學(xué)顧士學(xué)位論文摘要隨著各種包絡(luò)，1I恒定的調(diào)制方式的出現(xiàn)，對功放的線性度的要求越米越高。對于射頻功率放大器，通常采用回退的方法米達(dá)到線性的要求，然而，同退方法將大大降低功放的效率。因此線性化功放成為了一個(gè)有意義的課題。而在各種線性化技術(shù)中，數(shù)字預(yù)失真技術(shù)DIGITALPREDISTORTION是最近研究的熱。吲為它一一旦實(shí)現(xiàn)，不會受溫度和環(huán)境的影響，有較好的穩(wěn)定性。而且在數(shù)字域里而也更方碰得實(shí)現(xiàn)各種算法，具有更高的靈活性。論文的研究主要集中在數(shù)字預(yù)失真技術(shù)的軟硬件實(shí)現(xiàn)。采用閉環(huán)鏈路來提取功放模型和實(shí)現(xiàn)線性化算法。整個(gè)系統(tǒng)分成射頻和基帶兩塊，本課題的研究主要是基帶板的實(shí)現(xiàn)。在DPD的具體實(shí)現(xiàn)中，我們采用了LUT查找表的結(jié)構(gòu)。首先發(fā)送鋸齒波的訓(xùn)練序列經(jīng)過射頻和功放端后，J扎豆饋AD采樣來得到失真的反饋信號。反饋信號通過同步年U相位校正處理后，利削MATLAB提取功放的模型。根據(jù)得到的模型，求出預(yù)失真的值反饋給FPGA更新LIJT表。這樣就完成了一次預(yù)失真優(yōu)化的過程。當(dāng)然這個(gè)時(shí)候還可以在次發(fā)送訓(xùn)練序列米進(jìn)行多次迭代訓(xùn)練以便獲得更好的改善。最終洲試結(jié)果表明，這套DPD實(shí)現(xiàn)方案可行有效。對于單碼道的CDMA2000信號，ACPR改善10DB以上。對于單碼道的WCDMA信號，盡管其峰均比利對CDMA2000信號要高很多，但是近端頻譜改善仍然達(dá)到7DB以上。對于64碼道的WCDMA信號，近端頻譜改善也在6DB以上。最后，測試了2載波64碼道的WCDMA信號，在頻偏22MHZ的交調(diào)分量改善了7DB以上，同時(shí)近帶頻譜的改善也達(dá)到765DB。關(guān)鍵字?jǐn)?shù)字基帶預(yù)失真，F(xiàn)PGA實(shí)現(xiàn)，LUT表東南大學(xué)顧士學(xué)位論文ABSTRACTWITHTHEEMERGENCEOFVARIOUSNONCONSTANTENVELOPEMODULATIONMETHODS，HIGH1INEARRFPOWERAMPLIFIERSAREREQUIREDINMODEMCOMMUNICATIONSYSTEMSTHEBACKOFFMETHODISUSUALLYUSEDTOOBTAINLINEARAMPLIFICATIONHOWEVER,THEBACKOFFMETHODREDUCESTHEEFFICIENCYDRAMATICALLYHENCE，THERESEARCHOFPOWERAMPLIFIERLINEARIZATIONISOFGREATIMPORTANCEFORNEXTGENERATIONWIRELESSCOMMUNICATIONSYSTEMSINDITIERENTKINDSOFLINEARIZATIONTECHNOLOGIESTHEDIGITALPREDISTORTIONMETHODISOOEOFTHEMOSTATTRACTIVEWAYSDUETOITSSTABILITY,CONVENIENCEANDFLEXIBILITYTHISTHESISCONCENTRATESONTHESOFTWAREANDHARDWAREIMPLEMENTATIONOFTHEDIGITALPREDISTORTIONMETHODTHENONLINEARMODEIOFTHEPOWERAMPLIFIERISEXTRACTEDWITHTHECLOSEDLOOPMETHODTHE1INEARIZATIONALGORITHMISCARRIEDOUTBASEDONTHEEXTRACTEDPOWERAMPLIFIERMODELTBEWHOLESYSTEMINCLUDESANRFPARTANDABASEBANDPARTTHISTHESISFOCUSESONTHEDESIGNOFTHEBASEBANDBOARDTHELUTARCHITECTUREISUSEDINTHEDPDIMPLEMENTATIONATFIRST，ATRAININGSIGNALISSENTTOTHERFPARTANDTHEFEEDBACKADGETSTHEDISTORTEDSIGNALTHENAFTERSYNCHRONIZATIONANDPHASEADJUSTMENTNEWLUTVALUESAREUPDATEDINTHERAMACCORDINGTOTHEPREDISTIONALGORITHMW油MATLABTBUSANOPTIMIZATIONJTERATIONISDONE，MOREOPTIMIZATIONITERATIONSCANBECARRIEDOUTTOOBTAINBETIERIMPROVEMENTOFLHLEARITYTHEPERFORMANCEOFTHEDPDSYSTEMISEXCELLENTACCORDINGTOTHETESTEDRESULTSFORTHEPILOTCDMA2000SIGNALMORETHAN10DBACPRIMPROVEMENTISOBTAINEDALTHOC【GHTHEPAROFTHEWCDMASIGNALISMUCHHI曲ERTHANTHATOFTHECDMA2000SIGNAL，MORETHAN7DBAND6DBIMPROVEMENTNTHENEARBANDAREOBTAINEDFORTHE1DPCHANDTHE64DPCHWCDMASIGNALRESPECTIVELYWHENTHETWOCARRIER64DPCHWCDMASIGNALISAPPLIEDONTHISDPDSYSTEM，MORETHAN7DBAND6DBIMPROVEMENTAREOBTAINEDFORTHEINTERMODULATIONANDTHEINBANDSPECTRUMKEYWORDSDIGITALBASEBANDPREDISTORTION，F(xiàn)PGAIMPLEMENTATION，LUTILL東南大學(xué)碩士學(xué)位論文東南大學(xué)學(xué)位論文獨(dú)創(chuàng)性聲明本人聲明所早交的學(xué)位論文是我個(gè)人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究成果。盡我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得東南大學(xué)或其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說明并表示了謝意。研究生簽名翻凼緣ET期趣業(yè)，吵東南大學(xué)學(xué)位論文使用授權(quán)聲明東南大學(xué)、中國科學(xué)技術(shù)信息研究所、國家圖書館有權(quán)保留本人所送交學(xué)位論文的復(fù)印件和電子文檔，可以采用影印、縮印或其他復(fù)制手段保存論文。本人電子文檔的內(nèi)容和紙質(zhì)論文的內(nèi)容相一致。除在保密期內(nèi)的保密論文外，允許論文被查閱和借閱，可以公布包括刊登論文的全部或部分內(nèi)容。論文的公布包括刊登授權(quán)東南大學(xué)研究生院辦理。黼妙研究生簽名叢亞超導(dǎo)師簽名日期C26、7，歹東南大學(xué)碩士學(xué)位論文11課題背景N1第一章序論隨著移動通信技術(shù)的發(fā)展，人們對手機(jī)的要求已經(jīng)從單一的通話發(fā)展到現(xiàn)在的多媒體通信和應(yīng)用。同時(shí)，伴隨著不斷激增的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)量的卻是EL益稀缺的頻譜資源。為了能夠在保證高速的數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐瑫r(shí)提高頻譜利用率，最新的移動通信系統(tǒng)大多采用了高效率的數(shù)字多階調(diào)制方案，如QPSK，QA5I，OFDM等，使用這些方案往往可以提供超過系統(tǒng)占用帶寬的數(shù)據(jù)傳輸速率，相比第二代通信系統(tǒng)使用的調(diào)制方式，無論是數(shù)據(jù)傳輸速率還是頻譜利用率，都有了極大的提高。盡管新的調(diào)制方式可以有效地緩解頻譜和高速數(shù)據(jù)傳輸之間的矛盾，但是卻對通信系統(tǒng)中的射頻處理部分提出了新的難題。由于這些數(shù)字調(diào)制方式都屬于非恒包絡(luò)調(diào)制，往往效率越高的調(diào)制方式，信號的峰均比PAR，PEAKTOAVERAGERATIO也越大。一般來說，在GSM中功放效率J,E3ME右，而CD姒中，由于采_咐了非恒定包絡(luò)的調(diào)制方式，增加了峰均比，所以功放效率只有1096左右。隨著高峰均比0FDM技術(shù)的應(yīng)用，功率放人器的利用率進(jìn)一步降低。高PAR意味著信號的功率波動范圍很大，這會對射頻處理部分，特別是射頻部分中的功率放大器的正常J二作產(chǎn)生巨大的影響。功率放大器是射頻系統(tǒng)中重要組成部分，也是實(shí)現(xiàn)難度最大，價(jià)格最昂貴的部分。功率放大器具有非常明顯的非線性特性。當(dāng)輸入信號功率較大時(shí)，功放就會進(jìn)入飽和區(qū)甚至截止區(qū)，產(chǎn)生嚴(yán)重的非線性失真。為了保證功放工作在線性區(qū)中，往往需要控制功放輸入信號的功率大小。這對于恒定包絡(luò)調(diào)制方式的信號，如GSM中使HJ的GMSK調(diào)制方式，并不是困難的事情；但對于高PAR的信號來說情況就不一樣了。功放為了能夠容納信號的高PAR，保證即使是信號的峰值功率來臨的時(shí)刻功放仍然不會進(jìn)入飽和區(qū)，就必須將功放的平均輸入功率控制一個(gè)在較低的水平上，也就是通常所說的同退較多的功率。這樣做會大大降低功放的效率，而且增加了功放的成本。直接導(dǎo)致手機(jī)等移動設(shè)備待機(jī)時(shí)間縮短。為了緩解信號高峰均比對功放的壓力，通信界已經(jīng)提出了多種方案。一種思路是從源頭入手，即直接對基帶信號進(jìn)行處理，想辦法降低信號的峰均比，達(dá)到緩解功放壓力的作娟。如現(xiàn)在剛剛興起的CFRCRESTFACTORREDUCTION削波技術(shù)就是這種思想的一個(gè)代表。另一種則是從功放入手，想辦法提高功放的線性度，增大功放線性工作的范圍，以便適應(yīng)高PAR的輸入信號。線性化功放是在不影響調(diào)制方式的前提下提高功放利用率的有效方法之一。常用的線性化技術(shù)有前饋法FEEDFORWARD、笛卡幾負(fù)反饋法CARTESIANFEEDBACK、功率合成法LINE和各種預(yù)失真方法PREDISTORTION等。本文主要研究數(shù)字預(yù)失真技術(shù)在功率放大器中的應(yīng)用。12歷史回顧嫡1在第一代移動通信系統(tǒng)中，比如，NMTNORDICMOBILETELEPHONE或者ARPSADVANCEDMOBILEPHONESERVICE，射頻信號采用的是FM調(diào)制。由于沒有幅度不用來代表傳輸?shù)男盘?，所以高效率的功放可以用在FM調(diào)制的系統(tǒng)中。即使這樣，那個(gè)時(shí)候的手機(jī)功耗仍有85花在功放上。我們知道，移動通信的可利用頻譜受到限制，所以信道的利用率直接和你的利潤相關(guān)。為了更好的利用信道，第二代移動通信技術(shù)中采用了數(shù)字傳輸和時(shí)分復(fù)用技術(shù)。這樣，多個(gè)用戶被時(shí)分在多個(gè)信道上通話。例如G馴中，8個(gè)呼叫可以在一個(gè)頻段上復(fù)用。幸運(yùn)的是，GSM利用的調(diào)制技術(shù)仍保持了橫包絡(luò)調(diào)制。但是為了保證在分配的每個(gè)時(shí)隙中間功率的大小變化是平滑的，就已經(jīng)對功放的線性度有了一定的要求。這也導(dǎo)致了功放的效率要比FM中的功放的效率有所降低。但是由于手機(jī)中的功放只有18的時(shí)候是工作的，再加上智能的待機(jī)模式。使得GSM手機(jī)的待機(jī)時(shí)間比第一代的手機(jī)有了明顯的提升。為了進(jìn)一步提高比特率，GSMEDGE中使用了8PSK來代替GMSK的調(diào)制方式。但是8PSK不是一種恒東南大學(xué)碩十學(xué)位論文包羅調(diào)制方式，所以隨著無線通信系統(tǒng)向更高的信道容鏈挑戰(zhàn)，對功放的線性度也進(jìn)一步提出了更高的要求。然后這也使得功放的效率卻不得不進(jìn)一步下降。最后，第二代移動通信中采用的CDMA技術(shù)可以在一個(gè)無線信道中同時(shí)傳送幾十個(gè)服務(wù)。這些服務(wù)可以由他們各自互相正交的擴(kuò)頻碼來分辨。第三代移動通信中，由于信號的帶寬增加到了4MLTZ以上，時(shí)域中，信號包絡(luò)的變化也更大。所以對功放來說，線性度的要求也更加高。而且往往現(xiàn)在帶寬更加寬的多載波系統(tǒng)，射頻信號的峰均比都丈人的提高，所以對于射頻端的功放的要求也更加高了。在90年代，由于實(shí)際系統(tǒng)中對功放的線性度要求不是很高，所以對線性化的研究一般都集中在傳統(tǒng)的功放模型提取上。也有少些的研究集中在前饋或者包絡(luò)預(yù)失真上。到2000年左右，隨著數(shù)字信號處理器和町編程邏輯器什速度和資源的提高，數(shù)字基帶預(yù)失真技術(shù)越來越受到人們的關(guān)注。但是由于這對功放模型的提取和算法的穩(wěn)定性有著較高的要求，因?yàn)樵趯?shí)際的數(shù)字系統(tǒng)中，受到速度和資源的限制，所以一般字長不可能取無限長，也不可能取到仿真中的精度，所以這里就產(chǎn)生了很多可供研究和提高的地方。當(dāng)然如前所述，也有人采用了數(shù)字和RF結(jié)合起來做預(yù)失真的，復(fù)雜度比價(jià)高，但是效果很好。我們J的研究主要集中搭建硬件平臺實(shí)現(xiàn)數(shù)字基帶預(yù)失真。13課題工作介紹和本文安排我們的研究主要采用數(shù)字基帶預(yù)失真的方法。該方法最基本的工作為功放模型提取。當(dāng)功放的模型提取出來之后，只要求其反函數(shù)。就是需要預(yù)失真的曲線了。由于功放模型通常為非線性的，所以不能用線性函數(shù)來描述。目前的做法通常有VOLTERRA級數(shù)法，多項(xiàng)式法，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等等。其實(shí)，VOLTERRA級數(shù)法是一種特殊的多項(xiàng)式法，但是由于其可以用線性系統(tǒng)巾轉(zhuǎn)移函數(shù)的推導(dǎo)過程類似推導(dǎo)出來，而且多數(shù)用在描述帶有弱記憶性的非線性系統(tǒng)中，所以一般把他歸為一類。VOLTERRA級數(shù)早在上個(gè)世紀(jì)中期就被提出來了。然而，隨著1999年ALBERTOCARINI教授提出了V向量的概念后，VOLTERRA級數(shù)法開始被廣泛地應(yīng)用到功放模型提取中，因?yàn)閂向量結(jié)合VOLTERRA級數(shù)可以使得這個(gè)非線性系統(tǒng)的數(shù)學(xué)表達(dá)式成為線性表達(dá)式。也就是說，具有了線性系統(tǒng)中的時(shí)移不變得特性。所以數(shù)字信號處理中，很多經(jīng)典的和現(xiàn)代的算法被應(yīng)用到預(yù)失真系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)的數(shù)字預(yù)失真。這個(gè)研究上面已經(jīng)有很多文章。都柏林大學(xué)的ANDINGZHU博士等人已經(jīng)做了火量的研究。但是由于其計(jì)算復(fù)雜，硬件系統(tǒng)還沒有見到，所以也是一個(gè)可以研究的分支。多項(xiàng)式法其實(shí)就是用數(shù)值分析中常用的多項(xiàng)式擬合的思想來擬合功放的曲線。從結(jié)構(gòu)上說可以比VOLTERRA級數(shù)法簡單很多，但是仍然要解多元多次方程，是硬件實(shí)現(xiàn)的首選方法。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通常用來描述一個(gè)不能確定的數(shù)學(xué)表達(dá)式來描述的系統(tǒng)。所以也很自然的被用到了功放的模型提取中。隨著增加節(jié)點(diǎn)數(shù)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜度增加，但是曲線的逼近程度也更好，往往好于上面兩種方法，但是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練過程比較長，收斂的問題也是需要重點(diǎn)考慮的。而且無論是計(jì)算量還是結(jié)構(gòu)復(fù)雜度都不大可能用硬件實(shí)現(xiàn)。所以實(shí)用價(jià)值不大。雖然國際上也有一些研究，但是不是很多。涉及至0射頻和數(shù)字電路的設(shè)計(jì)，或者可以說是數(shù)字信號處理在射頻領(lǐng)域的應(yīng)用。所以這是一個(gè)在某種程度上跨方向的研究，也屬于目前國際上比較熱門的研究軟件無線電的范疇。本課題主要在前人工作的基礎(chǔ)上，重新設(shè)計(jì)了硬件平臺和軟件算法，以求更加貼近實(shí)際應(yīng)用和適用更寬的頻帶寬度和更多的功放。在理論分析和仿真的基礎(chǔ)上，我們選取了合適的AD，DA，F(xiàn)PGA等關(guān)鍵器件并完成了8層基帶PCB版的設(shè)計(jì)。系統(tǒng)時(shí)鐘工作在60MHZ。首先用計(jì)算機(jī)對系統(tǒng)各個(gè)模塊進(jìn)行了仿真測試，然后把電路下載到FPGA，把程序加載到控制器進(jìn)行調(diào)試。先用單音信號測試了硬件通路，確保其正常工作。然后再此基礎(chǔ)上，加上了功放非線性模型和預(yù)失真的算法。軟硬件通過測試，達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。全文共分為6章第一章緒論主要介紹選題的背景和涉及的主要技術(shù)和當(dāng)前國內(nèi)國際上的研究進(jìn)度。同時(shí)對本文主要的工作也作了簡單的介紹和概括。第二章首先從理論方面討論非線性失真給通信系統(tǒng)帶來的問題。接著著重討論幾種流行的功放模型和幾種數(shù)字基帶線性化的基本原理和優(yōu)缺點(diǎn)。2東南大學(xué)碩士學(xué)位論文第三章主要介紹數(shù)字基帶預(yù)失真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。包括方案的討論以及系統(tǒng)整體仿真。第四章是本課題研究的主要部分。包括基帶板芯片的選取，原理圖和版圖設(shè)計(jì)，DPD各功能模塊的實(shí)現(xiàn)及仿真，控制器部分程序的設(shè)計(jì)。第五章給出了硬件平臺的測試結(jié)果，并解釋了得出這些結(jié)果的原因。第六章總結(jié)了課題目前為止的工作以及仍需改進(jìn)的地方。3東南大學(xué)碩士學(xué)位論文第二章預(yù)失真相關(guān)理論介紹本章分為三節(jié)，主要介紹下面系統(tǒng)設(shè)計(jì)中主要涉及的理論基礎(chǔ)。第一節(jié)簡單介紹非線性系統(tǒng)中的一些基本概念和指標(biāo)。以及非線性失真產(chǎn)生的原因以及危害。第二節(jié)主要介紹幾種常見的線性化技術(shù)，著重介紹了我們系統(tǒng)中將要采用的預(yù)失真技術(shù)。第三節(jié)將圍繞數(shù)字基帶預(yù)失真技術(shù)中必須采用的功放模型提取來介紹幾種常見的方法。21非線性系統(tǒng)嘲211非線性失真如果一個(gè)系統(tǒng)得輸入和輸出成線性比例，這樣的系統(tǒng)被稱為線性系統(tǒng)。輸出和輸入的比值成為系統(tǒng)得增益。系統(tǒng)增益和系統(tǒng)所加的信號幅度沒有關(guān)系。同樣，非線性系統(tǒng)的輸出是輸入的一個(gè)非線性的函數(shù)，這個(gè)時(shí)候，系統(tǒng)的增益將取決于輸入信號的大小。非線性系統(tǒng)可以用多種方法來描述。其中一種就是多項(xiàng)式法，這也是本文主要采用的方法。一個(gè)系統(tǒng)的輸出用一個(gè)三階的多項(xiàng)式可以描述成YTHXXA2X2A3X3，21式中A。到A。是實(shí)系數(shù)。第一項(xiàng)描述了系統(tǒng)的線性分量，第二和第二項(xiàng)分別描述了平方項(xiàng)和立方項(xiàng)。如果把一個(gè)單音信號代入21中，在頻域中，我們可以看到由于非線性分量產(chǎn)生了新的頻譜分量。VOTKY,COSAT如巧2EOSO,TK3V,3COSTOT丟島2毛K三島3COS哆FK2呼EOS2QFLK3V,COS3哆F22可見由于放大器的非線性，輸出信號中除輸入信號頻率外，還增加了新的直流分量，2。、3MJ等諧波分量。若輸入為雙音信號TOV,EOS鴨FEOSC02T，則VOTQV,COSCOLTCOSC02TK2V12COSOJTTCOSCA2T2毛K3COSQFCOSF鞏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言島口COS2Q一吐V3KYJ3COS2CA2一Q弘言島口COS2COQ弘三島口COS2傷Q弦島3COS3QF丟島哆COS3吐F可以看到，雙音信號的輸出中，比單音又多了互調(diào)分量。1。2，2。12，2CA2L等。一般情況下，僅有2。1一口2，22一口1分量落在通帶內(nèi)，是主要考慮的三階交調(diào)非線性失真。圖21”1表示了單音信號經(jīng)過非線性系統(tǒng)后時(shí)域和頻域中的失真情況。4東南大學(xué)碩士學(xué)位論文TIME圖21單音信號經(jīng)過非線性系統(tǒng)后的失真212功率放大器介紹“1功放可以分為A、B、AB，C、D、E、F等多種，按照晶體管的等效電路分，A、B、AB和C類屬于一類，它們的特點(diǎn)是輸入均為正弦波，晶體管都等效于一個(gè)受控電流源；O、E、F屬于另一類，它們的特點(diǎn)是輸入為矩形波，晶體管等效成一個(gè)受輸入信號控制的開關(guān)。按照功放的線性度來看A、B、AB類都屬于線性功放，而C、D、E、F則屬于非線性功放。常用的功放中，A類功放提供了最佳的線性度，但是效率最低，理論上最高只有500；B類功放線性度較差，效率卻能達(dá)到785；AB類功放是介于A類和B類功放之間的產(chǎn)物，能在提供優(yōu)于B類功放的線性度的同時(shí)，仍保持較高的效率；而C類功放相比上述幾種功放，線性度較低，但效率卻有較大的增加。實(shí)際應(yīng)用中，高功率功放大多采用在效率和線性度問獲得較好平衡的AB類功放；小功率應(yīng)用場合下，線性度優(yōu)異的A類功放使用較多。衡量功放的主要指標(biāo)有輸出功率OUTPUTPOWER，增益GAIN，增益平坦度GAINFLATNESS，效率R1和功率附加效率PAE，工作頻率FREQUENCY，帶寬BANDWIDT”，噪聲系數(shù)NOISEFIGURE，LDB增益壓縮點(diǎn)1DBPOWERCOMPRESSIONPOINT，三階交調(diào)截?cái)帱c(diǎn)THIRDORDERINTERCEPTPOINT，鄰近信道功率比ACPR，誤差矢量幅度ERRORVECTORMAGNITUDE等。其中幾個(gè)我們感興趣的主要指標(biāo)介紹如下。1、輸出功率OUTPUTPOWER和增益GAIN輸出功率表示功放輸出信號的強(qiáng)度。一般功放的輸出功率根據(jù)用途不同差別很大，從移動終端的0306W到基站的IOWIOOW不等。一般而言輸出功率越大，功放的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的難度就越大。增益定義為放大器輸出功率與輸入功率的比值，它決定了功放對于輸入信號的放大能力。一般功放管的增益范圍有從LODB到20DB不等，當(dāng)功放需要的輸出增益超過這個(gè)范圍時(shí)就需要把幾個(gè)功放管連接起來，組合成多級放大網(wǎng)絡(luò)。增益定義如下鼢10L091024其中圪。是輸出功率，己是輸入功率2、效率EFFICIENCY，N和功率附加效率POWERADDEDEFFICIENCY，PAE功放工作的實(shí)質(zhì)是將電源的直流功率轉(zhuǎn)化為交流信號功率輸出。實(shí)際工作中，只有一部分直流功率能被轉(zhuǎn)化成為有用的信號功率并為負(fù)載所獲得，其他的功率被放大器本身以及電路中的寄生元5東南大學(xué)碩1學(xué)位論文件所消耗。效率N就是用來衡量功放把電源功率轉(zhuǎn)化為輸出功率能力的指標(biāo)。效率定義為消耗在負(fù)載上的功率和直流電源的功率的比值。功率附加效率PAE定義為輸出信號功率減去輸入信號功率后和直流電源功率的比值，表示了功放的純放大效率。P刁2吉25DPA占等吲1一上GAIN昂“726最負(fù)載功率，昂直流電源功率3、鄰近信道功率比ADJACENTCHANNELPOWERRATIOACPRACPR是衡餐功放線性度的重要指標(biāo)，它代表了由于功放非線性化引起的輸出頻譜再生對相鄰頻帶的干擾。ACPR定義為帶內(nèi)信號功率和相鄰信道功率的比值DACPR衛(wèi)27P只帶內(nèi)功率，只鄰帶功率4、IDB增益壓縮點(diǎn)1DBPOWERCOMPRESSIONPOINTLDB增益壓縮點(diǎn)定義為功放實(shí)際輸出功率低丁理想輸出曲線IDB處的_丁作點(diǎn)。功放作為一個(gè)有源器件，其輸出信號無法隨著輸入信號的增加而無限增加，而會趨近與一個(gè)飽和值。IDB增益壓縮點(diǎn)常用來當(dāng)做功放開始進(jìn)入失真區(qū)的標(biāo)志。上面幾個(gè)指標(biāo)，分別代表了對于功放設(shè)計(jì)的三個(gè)要求。設(shè)計(jì)一個(gè)符合要求的功率放大器，就是要在保持一定的輸出功率和增益的前提F，盡可能地提高效率，同時(shí)不降低功放的線性度。效率決定了功放能量上的利用率，從而直接決定了功放的功耗而功耗則會對功放的供電，散熱，體積，成本等多方面產(chǎn)生重要影響。線性度決定了功放在頻譜資源上的利_LJ率，良好的線性度可以降低頻譜再生，減少對臨近頻段的干擾，這樣就可以在有限的頻譜內(nèi)放入更多的信道，這點(diǎn)在頻譜資源不斷稀缺的今天意義尤其重大。同時(shí)線性度也和功放的效率息息相關(guān)。效率和線性度是功放設(shè)計(jì)中的一對最主要的矛盾，往往不可兼得，功放設(shè)計(jì)就是要在這兩者之間找到一個(gè)平衡點(diǎn)。22線性化常見方法璐1功率放大器線性化技術(shù)的目的是使放大器在保持輸出功率和效率達(dá)到最高的同時(shí)仍具有良好的線性特性。常用的線性化技術(shù)有前饋法FEEDFORWARD、笛卡兒負(fù)反饋法CARTESIANFEEDBACK、功率合成法LINC和各種預(yù)失真方法PREDISTORTION等。本節(jié)主要介紹目前常見的幾種線性化的手段。221前饋法前饋法是將反饋信號加在輸出端的特殊反饋方法。其原理是先獲得功放輸出信號的三階交調(diào)失真分量，然后使用此分餐的反相信號抵消功放輸出中的失真干擾，達(dá)到改善功放線性化的目的。前饋技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是線性改善度高，工作帶寬較寬，而且算法穩(wěn)定；缺點(diǎn)是系統(tǒng)復(fù)雜度較大，成本較高。采用前饋法線性化的系統(tǒng)如圖22所示。6東南大學(xué)碩士學(xué)位論文GAM2AO圖22前饋法222笛卡兒負(fù)反饋法笛卡兒負(fù)反饋法使用了標(biāo)準(zhǔn)的負(fù)反饋結(jié)構(gòu)?；舅枷胧菍⒐Ψ泡敵龅姆蔷€性失真信號反饋到輸入端，與原輸入信號共同作為功放的輸入信號，以減少功放的非線性。負(fù)反饋法的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，同時(shí)互調(diào)干擾的抑制效果較好，缺點(diǎn)是帶寬較窄。采J【J笛卡兒負(fù)反饋法的系統(tǒng)如圖23N示圖23笛卡兒負(fù)反饋法223功率合成法功率合成法就是想辦法把輸入的基帶信號分為兩個(gè)恒定包絡(luò)的信號，每個(gè)分量都使用一個(gè)效率較高、功率較小的功放進(jìn)行放大處理，然后將放大后的分量重新合成為一股信號。功率合成法要求兩個(gè)功放的工作狀態(tài)保持一致，否則就會對兩路信號放大不同的倍數(shù)，造成最終合成信號的失真，因此頻率合成法對于功放元器件的漂移非常敏感；同時(shí)，基帶信號的合理劃分也較難處理。采用功率合成法線性化的系統(tǒng)如圖24所示7東南大學(xué)碩士學(xué)位論文圖24功率合成法224預(yù)失真法預(yù)失真法就是在功放之前增加一個(gè)非線性電路用以補(bǔ)償功放的非線性。根據(jù)非線性電路與調(diào)制器之間位置前后的不同，預(yù)失真方法又可以分為射頻預(yù)失真RFPREDISTORTION，見圖25和基帶預(yù)失真BASEBANDPREDISTORTION，見圖26兩火類。其中RF預(yù)失真器位丁調(diào)制器之后，緊貼功放輸入端，對于信號的預(yù)失真處理在射頻頻段內(nèi)進(jìn)行。其優(yōu)點(diǎn)非線性改善效果明顯，性能穩(wěn)定；缺點(diǎn)是在射頻上處理，難度較大?；鶐ьA(yù)失真器則位于調(diào)制器之前，對丁信號的預(yù)失真處理在基帶頻段內(nèi)進(jìn)行，由于頻率較低，基帶預(yù)失真往往在數(shù)字域中進(jìn)行，岡此也叫做數(shù)字基帶預(yù)失真BASEBANDDIGITALPREDISTORTION，DPD。相對于RF預(yù)失真，DPD系統(tǒng)設(shè)備復(fù)雜度較高，但是卻是在較為容易控制的數(shù)字域中進(jìn)行所有的處理，可以實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)的預(yù)失真。圖27是自適應(yīng)預(yù)失真的框圖。BASEBANDDATABASEBANDDATALO圖25射頻預(yù)失真LO圖26基帶預(yù)失真8東南大學(xué)碩士學(xué)位論文X圖27自適應(yīng)預(yù)失真當(dāng)然，最近也有很多人開始不局限于一種方法，出于各取所長的目的，他們在系統(tǒng)中使用多種方法，結(jié)合各個(gè)方法的優(yōu)點(diǎn)。取得了不錯(cuò)的效果。比如，佐治亞理工的STEVENSONKENNY教授在他2005年發(fā)表的論文中間，同時(shí)用到了射頻包絡(luò)預(yù)失真和數(shù)字基帶預(yù)失真，而且取得了比單一方法都好的效果。DPD技術(shù)最大的特點(diǎn)就是把原先屬于射頻模擬領(lǐng)域處理的功放線性化技術(shù)，轉(zhuǎn)移到了數(shù)字域中進(jìn)行處理。當(dāng)然這種轉(zhuǎn)變需要付出一定的設(shè)備復(fù)雜度、信噪比和成本作為代價(jià)。就目前看情況來，DPD技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)都相當(dāng)突出。首先算法處理在基帶數(shù)字域中進(jìn)行處理，大大降低了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)難度。模擬域射頻頻段內(nèi)的信號處理，對于二藝和經(jīng)驗(yàn)的要求非常高，同時(shí)射頻器件對于環(huán)境的改變較為敏感，因此在射頻模擬域內(nèi)進(jìn)行精確的線性化處理，需要考慮的因素很多，實(shí)現(xiàn)難度要較大。而數(shù)字信號處理技術(shù)最大的優(yōu)點(diǎn)就是穩(wěn)定可靠。DPD技術(shù)將原本難以實(shí)現(xiàn)的射頻模擬域內(nèi)的信號處理，轉(zhuǎn)移到了簡單、可靠、靈活的數(shù)字域中進(jìn)行處理，大大降低了實(shí)現(xiàn)的難度，增加了系統(tǒng)的可靠性和可控性。其次系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與基帶輸入信號的調(diào)制方式無關(guān)，適應(yīng)性強(qiáng)。DPD技術(shù)的關(guān)鍵是獲得功放本身的增益壓縮特性，而與送入功放的已調(diào)信號的特性關(guān)系不大。這就意味著套成熟的DPD系統(tǒng)，一經(jīng)結(jié)構(gòu)確定，便可以通過調(diào)節(jié)很少的幾個(gè)關(guān)鍵參數(shù)或者換一套其他的軟件算法來適應(yīng)不同調(diào)制方式的輸入信號，而毋需其他硬件上的改動；而一般的射頻模擬域內(nèi)的線性化處理，需要針對不同的調(diào)制信號特性進(jìn)行特別的硬件處理。DPD在這方面的超強(qiáng)的普適能力是普通模擬線性化技術(shù)無法比擬的。第三依托于高速發(fā)展的數(shù)字技術(shù)，發(fā)展空間廣闊。DPI技術(shù)是隨著數(shù)字信號處理技術(shù)的突飛猛進(jìn)而發(fā)展起來的。理論上來說，一套成熟的DPD系統(tǒng)，在不改變總體方案框架結(jié)構(gòu)的情況下，僅僅通過更換使用更高性能的AD、DA轉(zhuǎn)換器、FPGA或者DSP處理器，就可以獲得更好的性能體現(xiàn)。這也是普通模擬線性化技術(shù)無法做到的。而現(xiàn)代數(shù)字技術(shù)的日新月異，也為這種性能的提升保證了充分的空問。最后符合現(xiàn)代通信發(fā)展趨勢，更容易和數(shù)字技術(shù)結(jié)合?，F(xiàn)代通信技術(shù)發(fā)展的一大趨勢，就是把越來越多的部分放到數(shù)字域中進(jìn)行處理，也就是人們通常所說的把更多的內(nèi)容放到DA轉(zhuǎn)換器之前進(jìn)行處理。DPD作為數(shù)字技術(shù)，和目前流行的數(shù)字中頻DIGITALIF，CFRCREASTFACTORREDUCTION等技術(shù)天生就有很強(qiáng)的結(jié)合能力。將這些原先需要在模擬域中進(jìn)行的復(fù)雜處理放到一塊統(tǒng)一的由FPGA和DSP構(gòu)成的數(shù)字基帶板中，可以大大地提高系統(tǒng)的集成度，降低設(shè)備復(fù)雜度。9東南大學(xué)碩士學(xué)位論文同樣，DPD技術(shù)也有許多缺點(diǎn)首先系統(tǒng)帶寬有限。根據(jù)采樣定理，為了有效地采集到信號，AD轉(zhuǎn)換器的采樣頻率至少需要有被采信號帶寬的一倍。實(shí)際應(yīng)用中，為了采得較準(zhǔn)確的信號，往往需要“過采樣”，即使用被采信號帶寬10倍以上的采樣頻率，才獲得較好的效果?，F(xiàn)代通信系統(tǒng)中的基帶信號帶寬有越來越寬的趨勢。如CDLIA20001X采用了125MHZ的載波帶寬，CD姒20003X利用三個(gè)125姍Z載波的合并形成375ELZ的載波帶寬。而WCDMA具有5MLLZ的載波帶寬。對于未來的多載波系統(tǒng)，帶寬可能更寬。為了能夠準(zhǔn)確采集到基帶信號，DPD系統(tǒng)對丁二AD和9A轉(zhuǎn)換器的性能提出了很高的要求。其次實(shí)時(shí)自適應(yīng)算法實(shí)現(xiàn)復(fù)雜。DPD技術(shù)的難點(diǎn)是實(shí)時(shí)自適應(yīng)算法，這是當(dāng)前DPD系統(tǒng)還不能完全實(shí)心化的關(guān)鍵。完全的實(shí)時(shí)自適應(yīng)算法需要消耗人齡的運(yùn)算資源和存儲，而且對于器件處理運(yùn)算速度有很高的要求，目前能夠達(dá)到需要的器件往往價(jià)格較高，因此在實(shí)際應(yīng)用中還很難做到。目前實(shí)際應(yīng)用中可行的方案往往采用了簡化的一些處理手段。第三設(shè)備復(fù)雜度增加。DPD技術(shù)將復(fù)雜的射頻模擬域處理轉(zhuǎn)移到了數(shù)字域中，降低了線性化處理的難度，但這卻需要通過增加一塊數(shù)字處理部分來實(shí)現(xiàn)。雖然現(xiàn)代FPGA、DSP的價(jià)格不斷F降，但是相對于原先的模擬線性化技術(shù)來說還是增加了不少成本。最后會引入噪聲，降低了信號的信噪比。DPD技術(shù)的另一個(gè)問題是會抬高整個(gè)頻帶內(nèi)的噪聲電平。這是目前所有DPD系統(tǒng)的通病。一般認(rèn)為這是由于AD、DA轉(zhuǎn)換器的舍入誤差造成的。上抬的噪聲電平會對相鄰信道的性噪比產(chǎn)生消極的影響，對丁ICD姒系統(tǒng)，這會直接減少系統(tǒng)的容量。由上述可見，DPD系統(tǒng)的優(yōu)勢與缺點(diǎn)都很明顯，但是經(jīng)過仔細(xì)分析可以看出，DPD兒乎所有的缺點(diǎn)都是由二數(shù)字技術(shù)的本身的不完善造成的。無論是系統(tǒng)帶寬的限制，信噤比的降低，還是對于目前的商用級數(shù)字處理元器件而言太過復(fù)雜的自適戍算法，這些問題都能夠隨著數(shù)字技術(shù)的B速發(fā)展而一一解決。我們看到幾年前還屬于天價(jià)的高端數(shù)字器件，在今天可能已經(jīng)能用很低的價(jià)格購入；幾年前還遙不可及的性能指標(biāo)在今天也已經(jīng)成為了業(yè)界的標(biāo)準(zhǔn)配置。相對于數(shù)字技術(shù)，模擬元器件的發(fā)展速度相對而育就平緩許多了。因此盡管目前業(yè)界中的實(shí)際功放還大多采_HJ傳統(tǒng)的模擬線性化技術(shù)，但從未來的發(fā)展來看，DPD技術(shù)有著更加廣闊的發(fā)展前景。23功放模型提取由于功放模型通常為非線性的，所以不能用線性函數(shù)來描述。目前的做法通常有YOLTERRA級數(shù)法，多項(xiàng)式法，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等等。其實(shí)，YOLTERRA級數(shù)法是一種特殊的多項(xiàng)式法，但是由于其可以用線性系統(tǒng)中轉(zhuǎn)移函數(shù)的推導(dǎo)過程類似推導(dǎo)出來，而且多數(shù)用在描述帶有弱記憶性的非線性系統(tǒng)中，所以一般把他歸為一類。VOLTERRA級數(shù)早在上個(gè)世紀(jì)中期就被提出來了。然而，隨著1999年ALBERTOCARINI教授提出了V向量的概念后，VOLTERRA級數(shù)法開始被廣泛地應(yīng)用到功放模型提取中，因?yàn)閂向量結(jié)合VOLTERRA級數(shù)可以使得這個(gè)非線性系統(tǒng)的數(shù)學(xué)表達(dá)式成為線性表達(dá)式。也就是說，具有了線性系統(tǒng)中的時(shí)移不變得特性。所以數(shù)字信號處理中，很多經(jīng)典的和現(xiàn)代的算法被應(yīng)用到預(yù)失真系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)的數(shù)字預(yù)失真。這個(gè)研究上面已經(jīng)有很多文章。都柏林大學(xué)的ANDINGZHU博士等人已經(jīng)做了大量的研究。但是由于其計(jì)算復(fù)雜，硬件系統(tǒng)還沒有見到，所以也是一個(gè)可以研究的分支。多項(xiàng)式法其實(shí)就是用數(shù)值分析中常用的多項(xiàng)式擬合的思想來擬合功放的曲線。從結(jié)構(gòu)上說可以比YOLTERRA級數(shù)法簡單很多，但是仍然要解多元多次方程，是硬件實(shí)現(xiàn)的首選方法。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通常用來描述一個(gè)不能確定的數(shù)學(xué)表達(dá)式來描述的系統(tǒng)。所以也很自然的被用到了功放的模型提取中。隨著增加節(jié)點(diǎn)數(shù)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜度增加，但是曲線的逼近程度也更好，往往好于上面兩種方法，但是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練過程比較長，收斂的問題也是需要重點(diǎn)考慮的。而且無論是計(jì)算量還是結(jié)構(gòu)復(fù)雜度都不大可能用硬件實(shí)現(xiàn)。所以實(shí)用價(jià)值不大。雖然國際上也有一些研究，但是不是很多。231多項(xiàng)式法假設(shè)功放的輸入和輸出可以表示為10東南大學(xué)碩士學(xué)位論文，QX呸X2A3X3A4X428為了確定該多項(xiàng)式，我們需要確定A到島的值。最簡單的方法就是已知R1個(gè)X和N個(gè)對應(yīng)得Y這樣就得到一個(gè)N元的一次方程組。雖然有可能這個(gè)方程組沒有解，但是利用工程矩陣中的晟小二乘解的思想，我們可以得到一個(gè)最近似的解。如何知道這N個(gè)X和Y的值我們可以加訓(xùn)練序列。但是有一個(gè)問題就是要同步。由于環(huán)路延時(shí)，要確定好X，Y的位置關(guān)系非常重要。最簡單的同步算法就是相關(guān)法。232VOLTERRA級數(shù)法和V向量代數(shù)隨著1999年V向量代數(shù)的概念的提出，VOLTERRA級數(shù)法受到了越來越多的關(guān)注。因?yàn)閂向量代數(shù)使得VOLTERRA級數(shù)具備了時(shí)移特性。這樣就可以把非線性系統(tǒng)看成個(gè)線性系統(tǒng)。從而大大簡化運(yùn)算。在離散時(shí)問域，一個(gè)三階的VOLTERRA級數(shù)可用下式表示，NNNY珂】OXM一明唾2砸櫛一KXN刀2005029NNN唾。珈一KXN1XNM】EMKOI0MO其中H1到H3表示線性部分，2次部分和3次部分的轉(zhuǎn)移函數(shù)。要確定該模型，就是要確定這些轉(zhuǎn)移函數(shù)。這里如果我們引入V向量的概念。假設(shè)?！綳咒，XN一1，XN一1】1碗弛一襻P搿專妒磚必一越十1Z滯XNI2S一魑2一缸7I由T1T一她十L融一蚴瓠、。I毋E一越十1婦一1煩氍一黝這樣我們可以將29式寫成七嵋五一LQ1吃D一W鼉力一玎“磅一XQ窆窆11東南大學(xué)碩十學(xué)位論文很明顯這是一個(gè)線性系統(tǒng)的表達(dá)式。只不過其中的X，W向量是上面給出的V向鼉，不是我們傳統(tǒng)的向量。但是這已經(jīng)大大簡化了運(yùn)算，而且在求系數(shù)矩陣W的時(shí)候，可以引入自適應(yīng)濾波中的許多算法來自適應(yīng)刷新系數(shù)。24數(shù)字預(yù)失真設(shè)計(jì)考慮由前面的討論可以看出，我們實(shí)際系統(tǒng)中采用的基帶數(shù)字預(yù)失真技術(shù)，關(guān)鍵閥題在于功放模型提取。而功放模型的提取對于訓(xùn)練序列的設(shè)計(jì)又有著密切的關(guān)系。下面主要討論訓(xùn)練序列的設(shè)計(jì)考慮。對于訓(xùn)練序列，我們主要考慮一下幾個(gè)因素首先，頻率越接近實(shí)際信號越好；第二，反饋信號得到的點(diǎn)數(shù)越多越好；第三，方便同步和計(jì)算。對于頻率和點(diǎn)數(shù)，其實(shí)是一對矛盾。因?yàn)槲覀兊南到y(tǒng)時(shí)鐘頻率是固定的60MHZ，如果訓(xùn)練序列的頻率F和反饋信號所能得劍的點(diǎn)數(shù)N有如一F的關(guān)系櫛60IF210點(diǎn)數(shù)13可以通過插值來得到更多的點(diǎn)，但是為了保證精度，又不能采用很少的點(diǎn)。另外，我們知道，頂失真其實(shí)是抵消一些高階分量來達(dá)劍提高線性度的目的，所以當(dāng)我們采樣反饋序列的時(shí)候，必須保證采樣率高于信號的3階分餐的2倍以上，這樣才能正確地采樣到3階分量的失真。對于這一點(diǎn)，我們可以參看圖28L”】，采樣率對于系統(tǒng)得影響。圖28采樣率對于信號的影響其中，紅色的線代表預(yù)失真之前的，粉紅色代表原信號，綠色是2倍采樣率，藍(lán)色是4倍。我們看到，2倍的話只能改善非常近帶的信號，而4倍采樣，就能改善到很遠(yuǎn)帶，對于這個(gè)問題，在第五章實(shí)際測試中，有更直觀和詳細(xì)的討論。而且由于我們發(fā)送的是正負(fù)序列，對于幅度來說，正負(fù)信號是對稱的，所以其實(shí)要浪費(fèi)一半的點(diǎn)。經(jīng)過實(shí)際測試和不斷改進(jìn)，我們最終采用的訓(xùn)練波形如下圖所示。12東南人學(xué)碩士學(xué)位論文圖29訓(xùn)練序列采用這樣的訓(xùn)練序列主要有以下幾點(diǎn)考慮。首先我們看到下降沿比上升沿采用的點(diǎn)數(shù)要少很多，因?yàn)槲覀儗?shí)際測試反現(xiàn)，如果F降沿也采塒和上升沿一樣的點(diǎn)數(shù)，其實(shí)下降沿采的點(diǎn)和上升沿是一模一樣的，但是如果下降沿不采點(diǎn)，由于信號突變，會產(chǎn)生吉布斯效應(yīng)，也就是產(chǎn)生一個(gè)明顯的下沖，所以最終我們采用了這樣的訓(xùn)練序列。13東南大學(xué)碩士學(xué)位論文第三章系統(tǒng)設(shè)計(jì)在確定了采用DPD之后，就要開始考慮設(shè)計(jì)系統(tǒng)了。本章第一節(jié)討論系統(tǒng)方案。第二節(jié)將接著第一節(jié)給出具體的設(shè)計(jì)。31方案設(shè)計(jì)本文采用的DPD的整體框圖如圖31所示。圖31DPD系統(tǒng)框圖圖中主要包括了實(shí)現(xiàn)預(yù)失真算法的DPD模塊，用做將基帶輸入信號信號和功放輸出端反饋信號模數(shù)轉(zhuǎn)換JJ的ADCANALOGDIGITALCONVERTER模塊，用做將經(jīng)DPD系統(tǒng)處理過后的預(yù)失真信號數(shù)模轉(zhuǎn)換塒的DACDIGITALANALOGCONVERTER模塊，用做I、Q調(diào)制的調(diào)制器MODULATOR模塊，用做解調(diào)反饋信號的DEMODULATOR模塊，供測試朋的功放PA模塊。DPD系統(tǒng)的工作原理類似于反饋校準(zhǔn)系統(tǒng)理想的基帶模擬信號包含I、Q兩路正交信號經(jīng)過基帶ADC轉(zhuǎn)化為數(shù)字基帶信號后送入預(yù)失真DPD模塊。DPD模塊根據(jù)存儲的預(yù)失真函數(shù)對于所有的輸入信號進(jìn)行預(yù)失真處理后輸出，形成預(yù)失真信號。經(jīng)過DAC后送入I，Q正交調(diào)制器中，調(diào)制到載波頻率，而后輸入測試用的PA中。功放輸出的失真信號記為PR。耦合器耦合出一小部分的功率，經(jīng)過衰減器控制功率大小后送入解調(diào)器解調(diào)出I、Q兩路的基帶反饋信號。這兩路反饋信號經(jīng)由反饋回路上的ADC轉(zhuǎn)換為數(shù)字反饋信號送入DPD系統(tǒng)。DPD系統(tǒng)中的預(yù)失真函數(shù)更新子模塊通過比較輸入信號和反饋信號，求出新的預(yù)失真函數(shù)，達(dá)到自適應(yīng)的效果。設(shè)功放的復(fù)數(shù)增益特性是G0I，預(yù)失真器的復(fù)數(shù)增益特性是F1圪，則有GII，IIG1F1I31DPD系統(tǒng)的目的就是通過求出合適的預(yù)失真函數(shù)F，使得F和G的乘積變成一個(gè)常數(shù)，從而使得輸入信號圪和功放的輸出信號PR唧呈現(xiàn)線性關(guān)系，以達(dá)到改善功放線性的目的。圖32IN是DPD線性化方案的原理示意圖，圖中的兩條曲線分別是理想的功放輸出曲線和實(shí)際的功放輸出曲線。當(dāng)功放輸入信號為圪時(shí)，由于增益壓縮失真的影響，實(shí)際的輸出功率在A點(diǎn)，與理14東南大學(xué)碩士學(xué)位論文想的輸出功率B點(diǎn)相差甚遠(yuǎn)。為了能夠達(dá)到需要的輸出功率，需要將輸入信號放火到P0，此時(shí)功放的輸出位于C點(diǎn)，剛好和理想中的輸出功率一樣。由于DPD主要起了適當(dāng)放大輸入信號的作用，因此DPD的修正效果受功放特性的限制。如圖所示，當(dāng)輸入功率為PR唧時(shí)，對應(yīng)的理想輸出功率已經(jīng)達(dá)到了功放實(shí)際輸出的飽和值，也就是說比圪。輸入功率更大的輸入信號對應(yīng)的理想輸出功率，是任何情況下功放都無法輸出的了。這也是DPD系統(tǒng)能夠修正的輸入信號功率的最大值。圖32數(shù)字基帶預(yù)失真系統(tǒng)線性化原理示意圖32DPD關(guān)鍵模塊設(shè)計(jì)整個(gè)DPD系統(tǒng)的主要功能模塊有，復(fù)數(shù)增益LUTCOMPLEXGAINLUT模塊，地址產(chǎn)生模塊ADDRESSGENERATOR，復(fù)數(shù)乘法器模塊，自適應(yīng)LUT更新模塊ADAPTATIONALGORITHM，和訓(xùn)練相關(guān)的訓(xùn)練RAMTRAININGRAM，延時(shí)器DELAY，雙路選擇器MULTIPLEXER等。系統(tǒng)中還有一些外圍的電路，此節(jié)中為了突出功能的劃分省略不提，我們將在后面的具體實(shí)現(xiàn)中再作介紹。下面介紹一下各個(gè)主要部分的功能及原理。1、復(fù)數(shù)增益LUT表。復(fù)數(shù)增益LUT是DPD系統(tǒng)的核心部分之一，其中存放了計(jì)算好的復(fù)數(shù)增益預(yù)失真函數(shù)的離散形式。復(fù)數(shù)增益LUT根據(jù)輸入信號的幅度進(jìn)行尋址，其原理基于如下一個(gè)假設(shè)，即功放的特性可近似認(rèn)為只和輸入信號的功率大小有關(guān)，而與信號的相位無關(guān)，即認(rèn)為同樣幅度的輸入信號，都會產(chǎn)生相同的失真，因此可以用輸入信號的幅度來檢索LUT表的地址。這個(gè)假設(shè)大大簡化了LUT表的結(jié)構(gòu)。若按照常規(guī)的輸入信號由其幅度和相位共同決定的思路，對于由I、Q兩路構(gòu)成的復(fù)數(shù)基帶數(shù)字信號，必須構(gòu)建一個(gè)二維的LUT表才能檢索使用復(fù)數(shù)增益LUT則只需計(jì)算基帶信號的幅度作為檢索的地址，一維的LUT表就足夠了。當(dāng)然，由于復(fù)數(shù)增益LUT中需要存儲的預(yù)失真函數(shù)為復(fù)數(shù)形式，因此每個(gè)地址項(xiàng)中需要能存放一對I、Q數(shù)據(jù)，因此復(fù)數(shù)增益LUT可以用兩塊共用地址線的RAM構(gòu)成。LUT的項(xiàng)數(shù)，也就是叫T的地址位數(shù)，也是需要仔細(xì)考慮的一個(gè)問題。從實(shí)際的角度來看，不可能對于所有的輸入幅度都提供對應(yīng)的地址，而只能采用類似于離散量化的辦法，把輸入信號的幅度東南大學(xué)碩十學(xué)位論文分段映射到一個(gè)個(gè)離散的地址上。這樣在一定幅度范圍內(nèi)的輸入信號只對應(yīng)到一個(gè)預(yù)失真項(xiàng)。當(dāng)然，這樣的量化難免帶來誤差，LUT的項(xiàng)數(shù)和DPD系統(tǒng)的精度構(gòu)成了一對矛盾LUT項(xiàng)數(shù)越多，DPD系統(tǒng)的精度也越高，但同時(shí)也會占用更多的存儲器空間，更新一遍LLRR也需要更多的時(shí)間。岡此LUT的項(xiàng)數(shù)不能無限增加。從一些論文資料上可以得知，有時(shí)候128項(xiàng)甚至64項(xiàng)的LUT已經(jīng)可以獲得較好的性能，但是從確保精度的角度考慮，我們的系統(tǒng)中采用了725項(xiàng)的LUT表。2、地址產(chǎn)生模塊地址產(chǎn)生模塊是和LUT表結(jié)合使用的，作用是計(jì)算輸入信號的幅度，供LUT檢索地址用。設(shè)輸入R”的基帶數(shù)字信號為圪L，紼，則產(chǎn)生的幅度為4。層繇。其中對于開平方的計(jì)算，需要加以特別的處理。3、復(fù)數(shù)乘杰器模塊復(fù)數(shù)乘法器是進(jìn)行預(yù)失真處理的另一個(gè)主要模塊。其功能是將輸入信號和對應(yīng)的LUT表中存儲的預(yù)失真函數(shù)進(jìn)行復(fù)數(shù)矢量乘法計(jì)算，輸出預(yù)失真信號。設(shè)基帶輸入信號為圪L歹絨，對應(yīng)的預(yù)失真函數(shù)為屹W丘“，Q，得到的預(yù)失真信號為，則有圪凹，邸J蟬JQ。DQ。，寺J卑Q毒TIL舊J年QL吖、QMLL【，RQIQLJQLQL口IL。Q。32所以最后的預(yù)失真信號是，耐乇LW一統(tǒng)驍W；Q耐。眈口厶。甌。這樣使用四個(gè)乘法器和兩個(gè)加減器就可以實(shí)現(xiàn)復(fù)數(shù)乘法的功能。4、LUT更新模塊LUT更新模塊是實(shí)現(xiàn)DPD功能的關(guān)鍵模塊。我們的LUT更新模塊使用了一種基于求解系統(tǒng)復(fù)數(shù)增益的簡化線性收斂方法。設(shè)DPD和功放級聯(lián)系統(tǒng)的復(fù)數(shù)開環(huán)增益為H，根據(jù)定義可以得出T，日等FIFGI133YM其中是從功放輸出端耦合回來的反饋信號如前文所述，若H等于常數(shù)，整個(gè)系統(tǒng)就是一個(gè)線性系統(tǒng)，不會造成非線性失真。一般情況下，通信系統(tǒng)的發(fā)射鏈路中本身就有一定的線性增益，特別是功放器件，可以提供高達(dá)幾十DB的增益。通信系統(tǒng)的增益大小根據(jù)每個(gè)系統(tǒng)的不同有特殊的規(guī)定，而DPD預(yù)失真的加入不能改變此增益，理想狀態(tài)下，DPD系統(tǒng)對F原有的通信系統(tǒng)應(yīng)該是透明的。設(shè)系統(tǒng)鏈路的理想線性增益是，則預(yù)失真算法的目的就是選取適當(dāng)?shù)念A(yù)失真函數(shù)F使得系統(tǒng)開環(huán)增益滿足1R廠H筍FIE1G1I甌34為了擴(kuò)大DPD系統(tǒng)的動態(tài)范圍，盡量不影響原有系統(tǒng)的增益特性；同時(shí)也為了增加計(jì)算的精度，我們在計(jì)算H的時(shí)候，預(yù)先進(jìn)行歸一化處理，即將反饋信號除去這個(gè)線性增益，所以最終的開環(huán)增益計(jì)算變成了16東南大學(xué)碩士學(xué)位論文日型業(yè)塑垡吐L3。，T一IXH，GIMGLPH這個(gè)復(fù)數(shù)開環(huán)增益是剔除了系統(tǒng)線性增益的純功放增益。當(dāng)輸入基帶信號較小，功放處于線性工作區(qū)時(shí)，H的值應(yīng)該為LJO；隨著信號的輸入功率越來越大，功放的非線性失真逐漸明顯，增益曲線開始壓縮，H的值開始慢慢減小直到飽和。所以H的取值范圍是絕對值小于或等于L的復(fù)數(shù)。經(jīng)過上述處理后的H僅僅反映了功放的失真增益特性，因此更適合計(jì)算用于次功放線性化的預(yù)失真函數(shù)值。我們選取的LUT中的預(yù)失真函數(shù)F，應(yīng)該使得計(jì)算出來的H盡龜向LJO的方向靠攏。因此最簡單的實(shí)現(xiàn)辦法就是采用類似于多次迭代的方法，直接將舊的頂失真函數(shù)除以新求出來的開環(huán)增益H以得到新的預(yù)失真函數(shù)值。設(shè)上是第J次求出來的歸一化后的復(fù)數(shù)開環(huán)增益的倒數(shù)，對它進(jìn)行一HI1定的收斂控制館的是不讓每次預(yù)失真函數(shù)變化過大以免不收蜘后得到玄然后將上一次的眥中的預(yù)失真函數(shù)知乘以專便得到了新的預(yù)失真函數(shù)O它們的關(guān)系式如下2每CSE，這樣通過多次迭代的方法，可以使預(yù)失真函數(shù)逐漸逼近理想的功放失真函數(shù)的反函數(shù)，從而達(dá)到線性度改善的效果。5、訓(xùn)練R刪訓(xùn)練RAM中存放著用于產(chǎn)生訓(xùn)練序列的數(shù)據(jù)，它和LUT更新模塊一起工作。我們的DPD算法核心在于開環(huán)增益H的獲得，而H是通過比較輸入信號和反饋信號得到的。傳統(tǒng)的全實(shí)時(shí)自適應(yīng)算法中，需要輸入的基帶信號和對應(yīng)的反饋信號直接進(jìn)行比較處理，在比較之前都需要進(jìn)行數(shù)據(jù)同步處理。這一步一般通過將輸入的基帶信號和一定時(shí)間內(nèi)的反饋信號都存儲在存儲器中，然后對它們進(jìn)行基于信號相關(guān)性的同步計(jì)算來實(shí)現(xiàn)。同步算法往往采用卷積相乘實(shí)現(xiàn)，需要占用大量的運(yùn)算資源。同時(shí)，同步算法與基帶信號的制式及相關(guān)性有關(guān)，適用于一種基帶信號的同步算法一般無法直接應(yīng)用到另一種信號上。這就使DPD系統(tǒng)與輸入信號調(diào)制方式無關(guān)的優(yōu)勢打了折扣。其次，同步運(yùn)算需要存儲的數(shù)據(jù)量由系統(tǒng)的延時(shí)決定，對于DPD這