一種數(shù)字預(yù)失真直放站的實(shí)現(xiàn)方法

陳昀,郝祿國(guó),王竹毅

(1.河北大學(xué)數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)學(xué)院,河北 保定 071002;2.廣東工業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院,廣東廣州 510006;3.河北大學(xué)電子信息工程學(xué)院,河北 保定 071002)

一種數(shù)字預(yù)失真直放站的實(shí)現(xiàn)方法

陳昀1,郝祿國(guó)2,王竹毅3

(1.河北大學(xué)數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)學(xué)院,河北 保定 071002;2.廣東工業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院,廣東廣州 510006;3.河北大學(xué)電子信息工程學(xué)院,河北 保定 071002)

受到功放非線(xiàn)性特點(diǎn)的限制,直放站的效率大大降低.為提高直放站的輸出效率,增加數(shù)字預(yù)失真功能提出了一種數(shù)字預(yù)失真直放站的設(shè)計(jì)方法,并給出了具體的實(shí)現(xiàn)方案.經(jīng)仿真驗(yàn)證,算法簡(jiǎn)單可靠,可以較大地提高數(shù)字直放站的效率.

數(shù)字直放站;功率放大器;數(shù)字預(yù)失真

隨著無(wú)線(xiàn)通信與移動(dòng)多媒體技術(shù)的發(fā)展,高功率、低成本的數(shù)字直放站的應(yīng)用越來(lái)越廣泛.在移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋中,數(shù)字直放站是關(guān)鍵設(shè)備之一.但是由于射頻功率放大器本質(zhì)上都是非線(xiàn)性的,這使得直放站的輸出效率受到很大的抑制.同時(shí),功率放大器都是有記憶效應(yīng)的,這種記憶效應(yīng)也嚴(yán)重影響了直放站的輸出功率,從而大大影響了網(wǎng)絡(luò)覆蓋效果與終端的接受性能.為提高直放站的輸出效率,增加數(shù)字預(yù)失真功能成為直放站研究的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)[1-6].

1 數(shù)字預(yù)失真的設(shè)計(jì)

對(duì)于預(yù)失真的系統(tǒng)組成有2種方式可以構(gòu)造.一種是首先確定功放的參數(shù),然后再找出相應(yīng)的反變換.然而,非線(xiàn)性系統(tǒng)的反變換是非常難于獲得的,所以另一種方法是用非直接的訓(xùn)練結(jié)構(gòu)來(lái)直接設(shè)計(jì)預(yù)失真器.這種方式的優(yōu)點(diǎn)是不需要知道功放的模型和參數(shù)的估計(jì),圖1中給出了這種非直接訓(xùn)練方式的結(jié)構(gòu)[1,6].

圖1 數(shù)字預(yù)失真的原理Fig.1 Principle diagram of digital predistortion

預(yù)失真模塊A的輸入和輸出分別為x(n)和d(n),功放的輸出經(jīng)耦合衰減后得到y(tǒng)(n)作為預(yù)失真模塊B的輸入,預(yù)失真模塊B的輸出為一個(gè)1×12維矢量y(n),與預(yù)失真模塊A輸出延時(shí)得到的d(n)共同作為自適應(yīng)算法的輸入,下邊對(duì)預(yù)失真原理進(jìn)行簡(jiǎn)單描述.

1.1 預(yù)失真模塊A

為使直放站獲得線(xiàn)性輸出,預(yù)失真模塊A首先采用記憶多項(xiàng)式對(duì)輸入信號(hào)x(n)進(jìn)行預(yù)處理.記憶多項(xiàng)式的深度p為3,階數(shù)k為5,記憶多項(xiàng)式可以用下述公式表述:

1.3 自適應(yīng)算法

自適應(yīng)算法使用最小二乘法計(jì)算最新的權(quán)系數(shù)w(n),并把最新權(quán)系數(shù)輸送給預(yù)失真模塊A,用來(lái)更新記憶多項(xiàng)式的權(quán)系數(shù)w(n),實(shí)現(xiàn)數(shù)字預(yù)失真功能.

2 數(shù)字預(yù)失真直放站的實(shí)現(xiàn)方案

數(shù)字預(yù)失真直放站的實(shí)現(xiàn)基于一個(gè)獨(dú)立FPGA(field-p rogrammable gate array)芯片,這種設(shè)計(jì)性能穩(wěn)定,硬件成本較低.圖2給出了數(shù)字預(yù)失真功能的實(shí)現(xiàn)方框圖.無(wú)線(xiàn)信號(hào)通過(guò)天線(xiàn)作為輸入口,經(jīng)過(guò)射頻濾波器抑制帶外部分雜散噪聲的干擾.通過(guò)模擬混頻器將射頻信號(hào)變模擬中頻信號(hào).經(jīng)ADC(analog to digital converler)模數(shù)轉(zhuǎn)換,形成數(shù)字中頻信號(hào).

中頻信號(hào)經(jīng)過(guò)數(shù)字下變頻變成零中頻復(fù)基帶信號(hào)后,利用半帶濾波器濾除高頻鏡像,然后發(fā)送到數(shù)字信號(hào)處理模塊,作相應(yīng)的處理后發(fā)送給預(yù)失真模塊A.經(jīng)過(guò)預(yù)失真處理后送入上變頻和DAC等,最后發(fā)給功放進(jìn)行放大輸出.

圖2 數(shù)字預(yù)失真直放站的實(shí)現(xiàn)Fig.2 Implemen tation diagram of digital predistortion repeater

經(jīng)過(guò)功放后的信號(hào)先用耦合器耦合,然后經(jīng)過(guò)衰減器,形成反饋信號(hào),再經(jīng)過(guò)射頻濾波、模擬下變頻、模數(shù)轉(zhuǎn)換等模塊后,重新進(jìn)入FPGA,作為預(yù)失真技術(shù)實(shí)現(xiàn)的反饋信號(hào).數(shù)字預(yù)失真部分由3部分組成,經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換的信號(hào)首先經(jīng)過(guò)預(yù)失真模塊(B)處理,得到的結(jié)果與其對(duì)應(yīng)發(fā)送出去的并經(jīng)過(guò)匹配延時(shí)的信號(hào)預(yù)失真模塊(A)的輸出信號(hào)作差.把誤差送到LM S(least mean square)模塊得到新的預(yù)失真權(quán)系數(shù),用新系數(shù)更新預(yù)失真模塊(A)的權(quán)系數(shù).隨著誤差逐漸減小,數(shù)字預(yù)失真功能得到實(shí)現(xiàn).

3 仿真與實(shí)驗(yàn)效果

圖3為無(wú)數(shù)字預(yù)失真的時(shí)域輸入輸出信號(hào)及其功率譜仿真.

圖3 直接經(jīng)過(guò)功放的輸出信號(hào)的功率譜和時(shí)域輸入輸出Fig.3 Time domain signal and power spectrum of input signalafter DPD

在時(shí)域圖中,實(shí)線(xiàn)為時(shí)域輸入信號(hào),虛線(xiàn)部分為輸出信號(hào).可見(jiàn)輸入信號(hào)比較大時(shí),在直接經(jīng)過(guò)有記憶非線(xiàn)性功放后的輸出信號(hào)已經(jīng)嚴(yán)重的畸變.

圖4為增加數(shù)字預(yù)失真的時(shí)域輸入輸出信號(hào)及其功率譜仿真.同樣,時(shí)域圖中,實(shí)線(xiàn)為時(shí)域輸入信號(hào),虛線(xiàn)部分為輸出信號(hào).從圖可以看出在先經(jīng)過(guò)預(yù)失真后出來(lái)的功放輸出信號(hào)基本上能夠消除功放的記憶效應(yīng)和非線(xiàn)性特性,使得功放的效率可以大大的提高.

圖4 經(jīng)過(guò)預(yù)失真后功放的輸出信號(hào)的功率譜和時(shí)域輸入輸出Fig.4 Time domain signal and power spectrum of input signal without DPD

仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:本文提出的預(yù)失真設(shè)計(jì)方法可以很好地實(shí)現(xiàn)數(shù)字直放站的預(yù)失真功能,在提高數(shù)字直放站的功率效率的同時(shí),很好地抑制了帶外噪聲.因此,較大地提高數(shù)字直放站的輸出效率.

4 結(jié)束語(yǔ)

數(shù)字直放站作為無(wú)線(xiàn)通信的關(guān)鍵設(shè)備,其輸出效率至關(guān)重要.本文提出的數(shù)字預(yù)失真直放站的設(shè)計(jì)方法可以很好地提高數(shù)字直放站的輸出功率,改善直放站的輸出效率,從而更好地滿(mǎn)足無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋的要求.

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(責(zé)任編輯:孟素蘭)

One Method About Implementation of Repeater with Digital Predistortion

CHEN Yun1,HAO Lu-guo2,WANG Zhu-yi3
(1.College of Mathematics and Computer,Hebei University,Baoding 071002,China;
2.College of Info rmation Engineering,Guangdong University of Techno logy,Guangzhou 510006,China;
3.College of Electronic and Information Engineering,Hebei University,Baoding 071002,China)

Under the constraint f rom non-linear characteristics of power amplifier(PA),the efficiency of repeater is greatly decreased.To imp rove the efficiency of repeater,digital p redisto rtion as a key techno logy is developed.This paper p roposesone method to imp lement digital p redisto rtion,and gives its imp lementation so lution.The simulation results show themethod is reliable,and can imp rove greatly the efficiency of repeater.

digital repeater;power amplifier;digital p redisto rtion

TN 836

A

1000-1565(2010)06-0711-04

2009-09-20

河北省高等學(xué)校自然科學(xué)研究計(jì)劃項(xiàng)目(Z2010121)

陳昀(1977—),男,天津市人,河北大學(xué)在職碩士研究生,主要從事計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)方面的研究.