[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)計與實現(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)計與實現(xiàn) 摘要 在移動通信系統(tǒng)中，為了保證一定范圍的信號覆蓋，通常使用功 率放人器來對信號放大。然而由于功放自身具有的非線性，會使得發(fā) 送信號的頻譜展寬，這就導(dǎo)致了信號的帶內(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 還是未來的4 g ( m ) 發(fā)展前景都對功放的線性度提出了越來越高的 要求。傳統(tǒng)的解決功放線性化方案是通過回退( b a c k o f f ) 信號功率 來抑制功放的互調(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，也就是說了為了達到額定的輸出功 率勢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)保方面來說，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、低實現(xiàn)復(fù)雜 度的特點已成為當前主流的功放線性化技術(shù)解決方案。 本文主要關(guān)注于對記憶多項式d p d 算法的數(shù)學(xué)原理、性能仿真的 討論和研究，以及最終的硬件實現(xiàn)方案的設(shè)計和測試。本文在第三章 詳細討論了記憶多項式d p d 算法在m a t l a b 平臺上的仿真方案，以及 對于w c d m a 不同載波信號的仿真結(jié)果，包括浮點仿真結(jié)果和定點仿 真結(jié)果，最后給出了仿真結(jié)論。最終的定點仿真結(jié)果也為該算法的硬 僻：實現(xiàn)提供了很好的設(shè)計依據(jù)。本文在第四章則詳細闡述了整個d p d 系統(tǒng)的硬件解決方案，從硬件平臺到算法的f p g a 設(shè)計都給出了詳細 的分析和說明。我們最終在x i l i n x 的f p g a 上完成了算法實現(xiàn)，該實現(xiàn) 方案是一個軟硬件協(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)估計是在f p g a 上的嵌入式c p u 上實現(xiàn)的。本文在第五章主要給 出了基于該硬件解決方案的測試結(jié)果。最終測試結(jié)果表明該算法對功 放輸出信號的a c l r 指標的改善能達至l j l 5 d b 左右( 正負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)計與實現(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 原理簡介1 0 1 直放站原理簡介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 功率放大器的對信號的畸變一1 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 嚴格無記憶模型1 6 2 3 2 擬無記憶模型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 浮點算法仿真方案2 3 3 3 1 浮點仿真的平臺框圖2 3 - 3 3 2 浮點仿真步驟- 一2 5 - 3 3 3 浮點仿真結(jié)果2 6 - 3 3 4 浮點仿真結(jié)論3 2 3 4d p d 定點算法仿真方案一3 3 3 4 1 定點仿真原理一3 3 - 3 4 2 定點仿真平臺說明一3 4 - 3 4 3d p d 定點算法的關(guān)鍵操作3 5 3 4 4d p d 定點算法的仿真步驟一3 6 3 4 5d p d 定點算法的仿真結(jié)果一3 7 - 3 4 6d p d 定點算法的仿真結(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 便什平臺關(guān)鍵芯片簡介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 部分詳細設(shè)計5 2 4 3 1d p d 系統(tǒng)的f p g a 的頂層設(shè)計5 2 4 3 2 時鐘模塊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5 9 4 4 1d p d 濾波器實現(xiàn)架構(gòu)5 9 4 4 2l u t 地址空間分配設(shè)計6 0 4 4 3 資源清單6 l - 4 5d p d 參數(shù)估計的f p g a 設(shè)計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)估計流程圖6 3 4 5 3 關(guān)鍵程序說明6 4 4 6f p g a 設(shè)計中的關(guān)鍵i p 核的介紹與說明6 5 4 6 1 硬核乘法器6 5 4 6 2c o r d i c 計算器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- 試一7 4 5 1 測試平臺框圖7 4 5 2 測試平臺儀器儀表清1 1 乞7 4 5 3 測試平臺實物照片7 5 5 3 1 測試平臺照片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 測試數(shù)據(jù)表格7 7 5 5 測試性能截圖7 8 5 5 1 信號源輸出的w c d m a 的3 載波信號的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的p s d 圖8 0 一 5 6 測試結(jié)論8 0 第六章論文總結(jié)與未來展望8 1 參考文獻一8 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 隨著移動事業(yè)的迅猛發(fā)展，特別是c d m a 和第三代移動通信技術(shù)的發(fā)展，使 得系統(tǒng)對功放線性度的要求越來越高。在移動通信系統(tǒng)中，為了保證一定范圍的 信號覆蓋，我們通常使用功率放大器來對信號放大，進而通過射頻前端和天線系 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) ，將由于非線性的影響產(chǎn)生頻譜再生效應(yīng)，為了較 好的解決信號的頻譜再生和e v m ( 誤差矢量幅值) 問題，就必須對功放采用線性 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，使放大器工作點離飽和點遠一點，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，同時晶體管本身也“大材小用，其能力沒有充分地發(fā)揮出來，當需要大的功 率輸出時，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)保方面來說，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處理，只在低頻部弓 對基帶信號進行補償處理，使其失真特性與術(shù)級功放的( 非線性) 特性相反，目 對術(shù)級功放的非線性進行補償，達到術(shù)級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)字信號處理技術(shù)。采用數(shù)字預(yù)失真方法，適應(yīng)性較強，而且可e 通過增加采樣率及增大量化階數(shù)的辦法來抵消高階互調(diào)失真。因此，發(fā)展數(shù)字予 失真技術(shù)將具有相當重要的意義 1 2w c d m a 原理簡介 w c d m a 主要起源于歐洲和日本的早期第三代無線研究活動i 引，g s m 的巨歹 成功對第三代系統(tǒng)在歐洲的標準化產(chǎn)生重大影響。1 9 9 8 年1 2 月成立的3 g p p ( 多 三代伙伴項目) 極大地推動了w c d m a 技術(shù)的發(fā)展，加快了w c d m a 的標準t 進程，并最終使w c d m a 技術(shù)成為i t u 批準的國際通信標準。w c d m a 是直走 序列擴頻的碼分多址技術(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)，實現(xiàn)射頻和中頻信號轉(zhuǎn)換以及身， 頻信號的接收和發(fā)射。射頻i i i j ：通道部分主要包括自動增益控制( 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 信號以及第一 代的信號不同，w c d m a 信號為帶寬高達5 m h z 的寬帶信號且為多電平信弓，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數(shù)，另外包括無線幀 結(jié)構(gòu)、時隙結(jié)構(gòu)和符號速率等。傳輸信道經(jīng)過信道編碼和映射后，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應(yīng)起來。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 直放站原理簡介 直放站( r n 中繼器) 屬于同頻放大設(shè)備，是在無線通信傳輸過程中起到信號增 強的一種無線電發(fā)射中轉(zhuǎn)設(shè)備。直放站主要由接收機和發(fā)射機、天饋線系統(tǒng)、電 源等構(gòu)成。無論是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。衡量直放站好壞的指標主要有智能化程度( 如遠程監(jiān)控等) 、互調(diào)產(chǎn)物、噪聲系 數(shù)、整機的可靠性以及技術(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)的信號覆蓋，在郊區(qū)以及偏遠地區(qū)則= i 三要用于擴大覆蓋范 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、可實現(xiàn)多載波、數(shù)字化的3 g 基站延 伸系統(tǒng)，實現(xiàn)3 g 基站射頻信號大容量、大動態(tài)范圍的遠距離數(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)，實現(xiàn)遠程升級以及分布式建 網(wǎng)，能夠有效提高網(wǎng)絡(luò)性能并降低網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的運營成本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 上桶鋤信號 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 、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、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介及其建模。本章主要分析了功放的非線性特征對 w c d m a 寬帶信號所產(chǎn)生的畸變，主要包括a m 畸變和p m 畸變，最終 體現(xiàn)在對信號功率譜密度、信號幅度和相位( 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。 第三章記憶多項式d p d 算法的性能仿真。本章主要介紹了記憶多項式d p d 算 法的數(shù)學(xué)原理，并且詳細闡述的算法的浮點仿真和定點仿真方案，并且 給出了仿真結(jié)果和結(jié)論。從仿真結(jié)果可以看出，記憶多項式d p d 算法可 以完全滿足寬帶w c d m a 系統(tǒng)的線性化需求。同時定點仿真方案定出的 算法的定點結(jié)構(gòu)也為算法的硬件實現(xiàn)提供了很好的設(shè)計依據(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)，硬件平臺的關(guān)鍵芯片，以及f p g a 沒訃 部分。重點闡述了d p d 系統(tǒng)的f p g a 設(shè)計部分，其中包括所有子模塊的 詳細設(shè)計，d p d 濾波器和d p d 參數(shù)估計這兩個關(guān)鍵子模塊分別給出了 詳細的分析。最后刈f p g a 設(shè)計中用到的i p 核資源也給出了l t 細說明。 第血章d p d 硬件系統(tǒng)的性能測試。本章主要介寶f d p d 應(yīng)用系統(tǒng)的最終測試情 況，首先詳細介紹了測試平臺( 附上了實物照片) ，最終給f l i 了測試的數(shù) 據(jù)，截圖，以及結(jié)論。 第六章結(jié)論和展耀。本章豐要對全文工作進j j ：總結(jié)和分析，對。螳不足進行剖 析，并塒d p d 未來的發(fā)展趨勢進 j ：分析。 第二章功率放大器簡介及建模 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 然而實際的功率放大器是非線性的，尤其是到了接近飽和點后，輸入輸出關(guān)系即 演變?yōu)榉蔷€性函數(shù) 圖2 2 為實際功率放大器的輸入輸出特性曲線 v o u l v m 圖2 - 2實際功率放大器的輸入輸出特性曲線 2 2 功率放大器的對信號的畸變 功率放大器實質(zhì)上是輸入輸出信號的非線性變換系統(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，可以直接通過測量功放的輸入 數(shù)據(jù)i ( n ) 和輸出數(shù)據(jù)o ( n ) 直接得到。下面給出幾個相關(guān)的定義。對于一個任意的復(fù) 信號，a m a m 定義為輸出信號復(fù)包絡(luò)的幅度相對于輸入信號復(fù)包絡(luò)的變化特性， 同樣a m p m 定義為相移( 輸出信號復(fù)包絡(luò)相角減去輸入信號復(fù)包絡(luò)相角) 隨輸入 信號包絡(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時所帶來的非線性對不同的輸入的功率會有著不同的增 益，所以必然會給信號帶來a m a m 畸變。這種畸變主要反映在兩個指標上，一 個是信號星座圖，一個是信號的功率譜密度。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，圖2 4 所示為a m a m 畸變后的1 6 q a m 信號 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 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：冪級數(shù)模型、v o l t e r r a 級數(shù)模型和諧波平衡法模型 等。 功率放大器實質(zhì)上是輸入輸出信號的非線性變換系統(tǒng)，分為無記憶功放和有 記憶功放兩大類【1 ，引。其中無記憶功放又分為嚴格無記憶與擬無記憶功放。當輸入 的r f 信號是窄帶信號時，功放的輸出響應(yīng)與信號頻率沒有關(guān)系，稱為無記憶功放； 當功放的輸出響應(yīng)與輸入信號的頻率有關(guān)，此時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)制頻率引起的信號幅 度和相位的失真。當輸入信號的帶寬較寬( 例如w c d m a 信號，其單載波帶寬為 5 m h z ) ，功放記憶特性的時問跨度將變得和輸入信號包絡(luò)時延相當，所以記憶特 性將不能再被認為是短時的，不能忽略。 一般的，無記憶功放可以建模為冪級數(shù)，其帶通信號模型1 1 】為 多o ) = 占t ( 三( f ) ) ( 2 1 ) 其中，墳足實系數(shù)，三( f ) 是功放輸入的帶通信號，夕( f ) 是功放輸出的帶通信 號。與其相對應(yīng)的基帶信號模型i 1 】為 y o ) = 仇z o ) ) r ( 2 2 ) 糾以斟 沼3 ， 在基帶等價模型中，只含有奇數(shù)階信q - ，偶數(shù)階信號的系數(shù)為0 。因為偶數(shù)階 的信號頻率距離載波頻率較遠，所以刈基帶信號y ( t ) 的影響可以忽略不計。 嚴格無記憶功放的a m a m 相j 夠曲線如圖2 7 所示f 1 1 2 3 2 擬無記 型 h lp n ta m p l i l ，h d e 圖2 7a b 類無記憶功放的a m a m 響應(yīng) 如果反是復(fù)系數(shù)，則稱之為擬無記憶模型，在這種情況下，功放彳i 僅會引入 幅度畸變，還會引入相位畸變，圖2 - 8 為a b 類擬無記憶功放的a m p m 響心【。 圖2 - 8a b 類擬無記憶功放的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 用于預(yù)失真 級數(shù)的對角 時變( 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 ) 本文主要對記憶多項式模幫的d p d 算法進i j ：了較為洋細的分析。從第三章的 仿真結(jié)果可以看出，有記憶多項式的預(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j 功放模型的d p d 算法的研究展丌。 第三章記憶多項式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)造一個模擬功放的反特性的濾波器以 補償功放的非線性【。由圖3 - 1 可知整個d p d 的模塊由預(yù)失真濾波處理和系數(shù)訓(xùn) 練兩個子模塊構(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 對于功放模型我們采用上章介紹的記憶多項式模型，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 寫成矩陣的形式即f l l z = = u a 圖3 2 為k - 5 ，q = 2 對應(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，方程個數(shù)即采樣點的 個數(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 個用戶業(yè)務(wù)信道以及一些控 制信道，且每個信道所占的功率如表3 - 1 所示。 表3 1 測試模式l 中的信道組成 類型信道數(shù)量所占功率再分級數(shù)設(shè)定信道化碼時延偏置 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2 5 1 4 1見2 5 1 4 1見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)生過程中主要涉及到的物理層過程主要有串并變換，擴頻，加擾，信 道合并，脈沖成型，脈沖成型的輸出是基帶信號，通過載波調(diào)制可以得到多載波 信號的信源，下面對這些物理層過程給出了詳細的說明 1 圖3 3 給出下行物理信道的擴頻和加擾過型2 4 1 。由于s c h 信道不需要加 擴和加擾的過程，因此圖3 3 的結(jié)構(gòu)并不適用于s c h 信道。每個信道的數(shù)據(jù)串并 變換為i 路和q 路后，分別進行加擴( 同一個擴頻碼) 。然后i 路和q 路信號相加， 與擾碼相乘得到信號s 。其中，不同的物理信道使用不同的信道化碼，而同一個 小區(qū)使用同一個擾碼。 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頻和加擾 s 2 將圖3 3 中s 點的信號乘以其功率因子，并將所有的擴頻和力i i 擾后的信道 相加。然后，將此和信號和同步信道相加得到信號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t 的實部和虛部分別通過一個脈沖成型濾波器，如圖3 5 所示【1 4 l 。在本設(shè)計中，此濾波器即為1 2 8 階的根號一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 需要說明的是，為了便于仿真過程中解擾以及測試星座圖指標，在生成信號 源的時候，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，只需對巾載波信源做載 波淵制即可 3 3 浮點算法仿真方案 3 3 1 浮點仿真的平臺框圖 為了評估記憶多項式模型d p d 浮點算法性能，我們在m a t l a b 的環(huán)境下建 立了算法的浮點仿真平臺，圖3 - 6 為算法的浮點仿真平臺框圖 圖3 - 6d p d 算法的浮點仿真平臺框圖 如圖3 - 6 所示，其中x ( 刀) 為w c d m a 浮點信號源，單載波信號帶寬為5 m h z ， 兩載波信號帶寬為1 0 m h z ，3 載波信號帶寬為1 5 m h z 。z ( n ) 為d p d 的輸出信號， y ( n ) 為功放輸出經(jīng)過幅度和延時對齊后的信號。 相關(guān)說明 1 w c d m a 信源 根據(jù)3 2 節(jié)描述，建立的6 4 碼道測試信號源( 包括單載波，兩載波，三載波) ， 數(shù)據(jù)格式為浮點形式。 2 功放放模型 根據(jù)w c d m a 實際數(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 有記憶多項式d p d 模型。 4 測試指標 功率譜密度( p s d ) 、星座圖指標。p s d 是算法性能評估的最重要指標，但并 不是唯一指標。因此還利用星座圖的誤差向量度量( e v m ) 值來對此算法的性能 進行評價。仿真如下進行： ( 1 ) 首先從p s d 指標入手，對算法進行評估，確定相關(guān)參數(shù) ( 2 ) 從星座圖的e v m 指標考慮，對第一步結(jié)果進行檢驗，如果滿足要求， 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 浮點仿真步驟 在浮點仿真中，采用式( 3 1 ) 所示的d p d 濾波器以及式( 3 2 ) 式(