一種基于數(shù)字預失真平臺的推進算法研究-基礎電子

精品文檔-下載后可編輯一種基于數(shù)字預失真平臺的推進算法研究-基礎電子引言

在巨大的市場壓力之下，高功率無線電設計似乎顯得比以往任何時候都更具成本效益。其中，重要組成部分便是發(fā)射機效率。簡單看一下功率放大器（PA）的傳遞函數(shù)，就會發(fā)現(xiàn)線性度與電源效率之間存在根本的對立關系。在飽和狀態(tài)下工作時，PA晶體管的電源效率，但線性度不佳。非線性會使頻譜擴展到信號帶寬以外，從而干擾相鄰通道，降低鄰道泄漏比（ACLR）性能。在信號帶寬內，放大器非線性也會導致失真增加，從而降低接收機的誤差矢量幅度（EVM）性能，使誤碼率（BER）增大。

為了滿足空中接口的線性度和頻譜要求，降低功率放大器的輸入信號電平，使其在傳遞曲線的線性部分工作，但這會導致電源效率不佳。這種方法雖然簡單，但會增加系統(tǒng)成本；為了實現(xiàn)所需的功率輸出，必須使用更大、更昂貴的PA。在典型的3G移動基站收發(fā)臺（BTS）中，發(fā)射效率低于10%，這意味著90%以上的直流功率轉化成了熱量而沒有得到利用。

1數(shù)字預失真技術

對于這個兩難問題，更具成本效益的解決方案是采用設計巧妙的DSP。利用數(shù)字預失真（DPD）這種技術，可以通過使發(fā)射信號預失真來滿足頻譜要求，同時讓工作在高效率飽和區(qū)的PA晶體管有效線性化。DPD需要一個觀測接收機，通過其中的高帶寬ADC，對PA輸出的耦合版本進行下變頻處理。發(fā)射波形的數(shù)字版本與接收波形相比較，由自適應算法計算或更新一系列參數(shù)，以便預加載下一個發(fā)射波形。當自適應算法收斂時，即使PA工作在傳遞函數(shù)的高度非線性部分，發(fā)射機輸出也實現(xiàn)了線性化。DPD可將發(fā)射機效率從10%以下提高到35%以上，具體取決于所用的算法和功率放大器拓撲結構。

包含DPD等復雜閉環(huán)算法的無線電系統(tǒng)設計不能孤立地進行。針對信號鏈的模擬行為和PA的電氣與熱記憶效應進行建模也不是一件容易的事。失真機制的數(shù)量會隨著非線性階數(shù)的提高而迅速增加，這意味著PA的輸入驅動電平可能會顯著改變失真行為。一款完整的閉環(huán)估算平臺對于優(yōu)化給定PA的DPD算法可謂無價之寶。

ADI公司已開發(fā)出3G/4G兼容發(fā)射無線電平臺，支持無線基礎設施設備的設計人員利用功率放大器和數(shù)字預失真技術估算閉環(huán)性能結果。這款混合信號數(shù)字預失真平臺（MSDPD）如圖1所示，它將高性能線性和混合信號器件組合成先進的發(fā)射機和DPD觀測接收機。

圖1：混合信號數(shù)字預失真（MSDPD）開發(fā)板

2DPD平臺的FPGA優(yōu)勢

當今許多DPD用戶使用的解決方案要么基于固定功能ASIC，要么基于FPGA。FPGA具有可編程能力，因此用戶能夠靈活地優(yōu)化解決方案，并能夠適應數(shù)據(jù)轉換器和功率晶體管技術的未來發(fā)展。固定功能ASIC則不允許設計人員輕易改變算法或支持不同版本的標準。可編程器件的好處是可以加速產品上市，靈活且經濟有效地適應新標準和發(fā)展中的標準，而不必像ASIC那樣需要重新設計。

隨著FPGA技術的進步，現(xiàn)在使用一個FPGA器件就能實現(xiàn)整個無線電調制解調器，并支持多種標準和多天線，因此可以省去許多信號處理和連接IC，電路板空間得以縮小，BOM成本得以降低。此外，這種集成度讓業(yè)界離軟件無線電（SDR）又近了一步，有助于設備制造商快速響應網絡提供商的需求。

MSDPD開發(fā)平臺是市場上僅有的一款為無線基礎設施設備的設計人員提供FPGA功能的解決方案。MSDPD板能夠與多種FPGA開發(fā)套件無縫連接：通過HSMC接口使用AlteraStratixIV，以及通過FMC接口使用XilinxVirtex6。直接與FPGA接口為設計人員提供了一個即時便捷框架，可以快速估算第三方DPD算法，或者通過簡單的FPGA重新編程，在一個閉環(huán)環(huán)境中設計并優(yōu)化自己的算法。

3DPD平臺的架構

MSDPD板的發(fā)射鏈和觀測接收路徑均提供同類的性能。無線電采用寬帶設計，可在裝配時進行配置，以支持800MHz至2.7GHz的RF頻段。目前支持125MHz的發(fā)射帶寬。根據(jù)所用的DPD方法，校正后的發(fā)射帶寬在20MHz至40MHz之間。

MSDPD板的輸入包括FPGA的基帶數(shù)字數(shù)據(jù)、參考時鐘、觀測到的RF輸出和功率。其輸出包括所需RF載波中心頻率的RF預放大輸出和發(fā)射機輸出的IF采樣版本。該板設計為可與外部PA和RF耦合網絡一起工作。MSDPD上使用的發(fā)射機和觀測接收機信號鏈如圖2所示，

圖2：MSDPD發(fā)射與觀測路徑框圖

4ZIF/CIF發(fā)射機

MSDPD板利用16位1.2GSPS雙通道DAC對來自數(shù)字處理器的基帶I和Q數(shù)據(jù)進行采樣，然后調制到所需的RF輸出頻率并放大，產生+19dBm的峰值輸出功率，這樣就能傳送到外部PA進行發(fā)射。MSDPD板支持零中頻（ZIF）和復中頻（CIF）兩種發(fā)射架構。

DAC選用1.2GSPS16位雙通道DACAD9122，它具有同類的性能，可滿足MC-GSM1類要求。高輸入LVDS數(shù)據(jù)速率支持代MSDPD平臺的200MHz輸入帶寬。AD9122的片內32位NCO（數(shù)字控制振蕩器）支持以小于1Hz的步長靈活地產生IF頻率，有助于設計人員滿足信道柵要求。如果沒有NCO，則需要使用RFPLL中的分頻器，這種方法可能會降低雜散性能。片內還集成了數(shù)字增益、相位和失調補償功能，幫助減少LO饋通及模擬正交調制器引入的無用邊帶，從而將RF濾波要求降至。

雙通道DAC后接一個五階低通濾波器，用以消除無用的DAC鏡像或時鐘相關雜散。濾波器截止頻率按照高要求設計，以便在整個發(fā)射帶寬內保持平坦的頻率響應和低群延遲變化。濾波之后，ADL5375正交調制器將模擬IF上變頻為終RF，選擇ADL5375的原因是它具有寬頻帶和極低的噪底（-159dBm/Hz）。ADL5375支持禁用功能，在TDD突發(fā)脈沖的Rx部分，可以禁用輸出。

發(fā)射路徑的本振（LO）利用ADF4150PLL和外部VCO在片上產生，以提供出色的相位噪聲性能。復中頻發(fā)射架構還有一個好處，因為觀測接收機采用高中頻采樣架構，所以發(fā)射和觀測接收路徑可以共用LO。

正交調制器之后是RF放大鏈。由于PA的增益會隨著頻率和溫度變化而改變，因此需要某種模擬增益控制來均衡發(fā)射機。為使SNR降幅并實現(xiàn)OIP3（輸出三階交調點）性能，建議大部增益范圍調整在各放大級之間進行。ADL554115dB固定增益模塊后接一個PIN二極管衰減器，用于模擬增益控制。固定增益模塊的線性度和噪聲性能通常優(yōu)于VGA（可變增益放大器）。預驅動器寬帶放大器ADL5320是MSDPD板RF放大鏈的一個器件，提供13dB的額外增益和42dBm的OIP3，2.1GHz時的噪聲系數(shù)（NF）為4.5dB。級聯(lián)RF放大鏈提供22dB的增益，增益下的OP1dB為24dBm，OIP3為41dBm。

整個DPD帶寬內的通帶平坦度和群延遲變化也是發(fā)射機的重要特性參數(shù)。數(shù)字算法會嘗試均衡上變頻器的頻率響應。這將直接影響發(fā)射機的動態(tài)范圍，其降幅為整個通帶內的紋波或衰減量。MSDPD板發(fā)射路徑的濾波器設計經過優(yōu)化，整個帶寬內的通帶平坦度小于1dB，群延遲變化小于0.5ns。

5中頻采樣觀測接收機

MSDPD板內置一個完整的實中頻采樣觀測接收機，旨在對PA的耦合輸出進行數(shù)字化處理，并將其提供給DSP元件。此接收機的作用是觀測發(fā)射路徑的特性，因此其線性度和噪聲性能應優(yōu)于受監(jiān)控的對象，這樣才不會影響整體性能。觀測路徑導致的PA耦合輸出失真增加無法與PA失真區(qū)分開來，勢必影響DPD算法的有效性。為了獲得的DPD性能，濾波器在目標頻段內應具有相對平坦的頻率響應和低群延遲變化。

觀測接收機包括一個雙平衡無源混頻器AD5365/7，它工作在900-2500MHz的RF頻段。這個高度線性的混頻器具有36dBm的輸入IP3，并且集成RF和LO巴倫及SPDT開關，支持在兩個LO源中進行選擇。混頻器將RF信號下變頻為184MHz的典型IF信號，但該IF頻率可根據(jù)應用要求而改變?；祛l器之后是數(shù)字控制可變增益放大器（DGA）AD8375，它提供24dB的增益范圍，確保ADC的完整動態(tài)范圍得以維持。接下來是一個抗混疊濾波器，用以消除諧波和寬帶噪聲，然后由12位250MSPSADCAD9230對信號進行數(shù)字化處理。四載波WCDMA回送結果顯示，ADC輸出端的實測性能為60dBSNRFS和77dBc無雜散動態(tài)范圍（SFDR）。

6閉環(huán)性能

利用MSDPD板進行閉環(huán)發(fā)射機估算的典型設置如圖3所示。有了FPGA開發(fā)套件和MSDPD板之后，只需要電源連接、一臺帶USB接口的計算機和一個PA級就能構成完整的估算系統(tǒng)并運行。

圖3：帶FPGA開發(fā)平臺的MSDPD設置

圖4顯示使用MSDPD板進行線性化之前和之后的典型閉環(huán)DPD性能，測試信號為2.14GHz的20MHz帶寬LTE信號。結果令人振奮，預示著可以利用更低廉的PA來實現(xiàn)更高的電源效率和線性度。頻譜性能一般可提高至少25dB，具體取決于DPD算法。

圖4：MSDPD閉環(huán)性能

7結語

ADI公司的MSDPD板是一款完備的工具，可供無線公司研究DPD技術在其系統(tǒng)中