数字预失真关键技术
宁波大学信息科学与工程学院
刘太君
教授
博士
博导
IEEE高级会员
电子邮箱:
taijun@https://www.doczj.com/doc/a516560115.html,
电话：158********
2009年3月27日至29日
授课大纲
第一章 数字预失真技术基础
第一节 引言 第二节 射频功放非线性特性 第 节 衡量非线性的技术参数（IMD3, IP3, ACPR, EVM） 第三节 第四节 第 节 功放非线性特性提取实验系统 第五节 功放非线性特性的行为模型 第六节 记忆效应鉴别和强度估算 第七节 功放的种类及性能评估
第二章 数字预失真技术理论
第一节 引言 第 节 线性化技术概述 第二节 线性化技术 述 第二节 第 节 数字预失真基本原理 第三节 数字预失真线性化系统 第四节 数字预失真器及其参数辨识 第五节 数字预失真器参数辨识算法 第六节 峰均值比及削峰技术简介 第七节 数字预失真器的ADS仿真
第三章 第 章 数字预失真电路设计及实现
第一节 第 节 引言 第二节 基于FPGA电路的预失真电路设计 第三节 预失真器参数的实时提取及实现 第四节 基于ASIC电路的数字预失真器设计及实现
1. 2 2. 3. 4. Intersil数字预失真线性化解决方案介绍 PMC Sierra数字预失真线性化解决方案介绍 PMC-Sierra TI数字预失真线性化解决方案介绍 Optichron数字预失真线性化解决方案介绍
第五节 非线性建模及预失真性能快速评估软件介绍 第六节 结束语
第 章 数字预失真技术基础 第一章
第一节 引言 第 节 射频功放非线性特性 第二节 第三节 衡量非线性的技术参数（IMD3, 3, IP3, 3, ACPR, C , EVM） 第四节 功放非线性特性提取实验系统 第五节 功放非线性特性的行为模型 第六节 记忆效应鉴别和强度估算 第七节 功放的种类及性能评估
引言
? 现代通信系统急需一些高效率的调制方式；然而这些调制方式在 功放工作在接近饱和区时却产生了严重的交调干扰(IMD)。
4G Cellular & WiMAX 3G – Digital
Wideband
20MHz BW @ 2.1GHz 10-40MHz BW @ 2.5, 3.5 & 5GHz 5MHz BW @ 2.1GHz 1.25MHz BW @ 1.9GHz 200kHz BW @ 800MHz <=200kHz BW @ 8-900MHz AMPS/ D-AMPS D AMPS TDMA/ GSM EDGE/ CDMA WCDMA Super 3G & 4G
WiMAX .16a/d/e
Cellular 2G Digital Cellular 1G 30kHz BW Analog @ 800MH 800MHz Cellular 1980
CDMA 2000
1985
1990
1995
2000
2005
2010
2015
?
可是 当功放工作在接近饱和区域时功放却有很高的效率 可是，当功放工作在接近饱和区域时功放却有很高的效率 6
引言
许多应用要求高的数据传输(3G, IEEE 802 11) 802.11) 频谱利用效率的重要性增加 具有高峰值因子的扩频接入和数字调制技术产生 ( CDMA, nQAM, OFDM) 要求功放线性化 功率放大器线性度要求：高回退的A类功放 高功耗 低效率 7
引言
低效率
?基站运行成本增加 ?手持设备电池使用寿命变短 ?限制通信范围 ?高硬件成本
低回退功放的运用 ? 非线性产生
频谱和效率的折中迫切要求线性化功放
8
引言
增益, 输出功率和效率相对于输入功率图 9
引言
幅度干扰
频谱再生
功放非线性问题介绍:
?
?
频谱再生（带外干扰）引起ACPR恶化 ? 功放指标达不到 要求 信号失真(带内干扰) ? 差EVM
10
引言
利用单载波功放的基站架构(SCPA) 利用多载波功放的基站架构(MCPA)
多载波功放与单载波功放的比较
? ? ? ? ?
充分的利用频带,没有防护频带. 低结合功率损耗. 高的传输量. 多载波功放对线性的要求更高 低的传输量情况下多载波功放的成本更高 11
引言: 频谱利用率和效率
频谱利用率 ? 运用高效的方式来利用有限的频带 ? 在同一个频带内进行多用户和多通道传输 ?3 G 系统的频谱利用率 (1(1 3 bit bits/Hz) /H ) ?4 G系统的频谱利用率 ( 5-10 bits/Hz) 效率 ?延长电池供电的移动终端的使用时间 ? 基站的功率消耗低 ?高可靠性和长无故障时间 ?降低成本 ?适合集成 12
第 章 数字预失真技术基础 第一章
第一节 引言 第 节 射频功放非线性特性 第二节 第三节 衡量非线性的技术参数（IMD3, 3, IP3, 3, ACPR, C , EVM） 第四节 功放非线性特性提取实验系统 第五节 功放非线性特性的行为模型 第六节 记忆效应鉴别和强度估算 第七节 功放的种类及性能评估
功率放大器的非线性特性
AM-AM 特性 AM-PM特性
14
2载波WCDMA信号的AM/AM 和AM/PM特性
15
静态非线性的去耦合
16
静态非线性特性
功放的静态非线性很大程度上依赖于施加到其上的信号， 功放的静态非线性很大程度 依赖于施加到其 的信号， 几乎不存在对于同一个功放施加不同信号会产生完全相同 的功放特性的情况
RFin MHPA
21010 MRF 21045 MRF 21085
RFout
3G 高功率放大器可以通过如下的方法表示 : 1. 传统的基于连续波测量的矢量网络分析仪 2. 基于多音的非线性特性描述方法 3. 基于实际调制信号的非线性特性描述方法
17
不同信号对静态非线性的影响
1 功放多音测试信号是由载频为2140MHz 1. 2140MH 的8个单音信号 组成，单音间隔为500KHz，合计3.5MHz带宽。 2. 调整单音的相位使其与WCDMA信号具有相同的峰均 值比（PAPR）。 ） 3 WCDMA信号是根据WCDMA 3GPP测试模式1合成的， 3. 合成的 具有64 DPCH信道，信号带宽为3.84MHz， 峰均值比 （PAPR） 为10.2dB。
18
不同信号对静态非线性的影响 （AM/AM 特性）
52 51
Gain (dB)
50 49 48 47 46 -25 -20 CW WCDMA 8T 8-Tones -15 -10 -5 0 5
Pin (dBm)
19
不同信号对静态非线性的影响 （AM/PM 特性）
-55
Phase (d P degree)
-60 60 -65 -70 -75 -80 -25 25 -20 20 CW WCDMA 8 Tones 8-Tones -15 15 -10 10 -5 5 0 5
Pin (dBm)
20
154 2011年第01期，第44卷 通 信 技 术 Vol.44，No.01,2011 总第229期 Communications Technology No.229,Totally 一种数字预失真器的实现方法 王飞俊， 金明录， 孙 鹏 （大连理工大学 电子信息与电气工程学部，辽宁 大连 116024） 【摘 要】针对功率放大器引起的非线性失真问题，提出一种基于极坐标查找表的数字基带预失真系统，使用Altera DSP Builder Quartus II等工具软件完成该系统的设计、综合与适配。仿真及实验结果表明，该系统能较好的补偿功率放大器的非线性失真，且具有占用现场可编程门阵列（FPGA）硬件资源少，系统复杂度低的特点。 【关键词】极坐标查找表；数字预失真；现场可编程门阵列；硬件实现 【中图分类号】TN919.72 【文献标识码】B【文章编号】1002-0802(2011)01-0154-03 An Implementation of Digital Predistorter WANG Fei-jun， JIN Ming-lu， SUN Peng (Faculty of Electronic Information and Electrical Engineering, Dalian University of Technology, Dalian Liaoning 116024, China) 【Abstract】For the distortion caused by power amplifier, a polar look-up table-based digital baseband predistortion system is proposed, and its design, synthesis and fit are realized by tools such as Altera DSP Builder and Quartus II. The simulation results indicate that the proposed system could effectively compensate nonlinearity of the power amplifier at little accupation of FPGA hardware resource and low complexity. 【Key words】polar look-up table; digital predistortion; FPGA; hardware implementation 0 引言 现代数字通信系统中普遍存在由功率放大器引起的非 线性失真问题。为了解决放大器的非线性问题，常用的线性 化技术有功率回退法、负反馈技术、前馈线性化、包络消除 与恢复、非线性器件线性化和预失真技术等[1-3]。预失真技术 具有性能好、实现灵活和成本低等优点，是其中最具发展潜 力的一种线性化技术。预失真常用的实现方法主要有基于多 项式和基于查找表这两种。基于多项式的预失真方法具有复 杂度高、实现困难和精度不理想等问题[4]，因此当前预失真 器的硬件实现普遍采用基于查找表的方法。但是现有的设计 方法中一类需要使用处理器，处理器的速度会成为整个系统 的瓶颈[5]；另一类需要进行复数乘法运算，而一次复数乘法 相当于四次实数乘法和两次加/减法，使系统的复杂度大大增 加。因此，这里以Altera公司生产的Cyclone II系列FPGA 芯片为核心，综合使用DSP Builder和Quartus II等工具软件， 兼顾硬件实现的面积和速度，设计并实现了基于极坐标查找 表的数字基带预失真器。该设计方案不需要引入处理器，各 运算模块由基本电路构成，以满足系统高速的要求；同时， 不引入复数运算，所有的计算都在整数域内完成，以满足系 统低复杂度的要求。 1 数字预失真器的设计方案 数字基带预失真的基本思想，是让基带信号先通过非线 性的预失真系统，该系统的非线性特性与功率放大器的非线 性互补，从而使系统整体呈现出线性的特性[6]，预失真的系 [7] 图1 预失真系统框 假设预失真器的传输特性函数为(||) m F V，功率放大器 的传输特性函数为(||) d G V，通过调整预失真器的传输函数， 使之满足： (||)(||) m d F V G V K ?=。（1） 即实现了基带信号的无失真传输，式（1）中K表示功收稿日期：2010-07-20。 基金项目：国家自然科学基金项目——部分修正RLS算法及多项式预失 真技术研究（批准号：60871046）。 作者简介：王飞俊（1986-），男，硕士研究生，主要研究方向为自适应 预失真算法及其FPGA实现；金明录（1958-），男，博士研 究生导师，教授，主要研究方向为信号与信息系统基础理论 与技术；孙 鹏（1976-），工程师，博士研究生，主要研究 方向为非线性自适应滤波。
1 安捷伦数字预失真(DPD)算法研发工具和验证方案 -不依赖于特定厂商芯片组的方案 技术背景： 在无线通信系统全面进入3G 并开始迈向 4G 的过程中，使用数字预失真技术（Digital Pre-distortion ，以下简称DPD ）对发射机的功放进行线性化是一门关键技术。功率放大器是通信系统中影响系统性能和覆盖范围的关键部件，非线性是功放的固有特性。非线性会引起频谱增长 (spectral re-growth)，从而造成邻道干扰，使带外杂散达不到协议标准规定的要求。非线性也会造成带内失真，带来系统误码率增大的问题。 为了降低非线性，功放可以工作在较低的输入工作条件下(或称为回退)，即功放工作曲线的线性部分。但是，对于新的传输体制，诸如宽带码分复用(WCDMA)以及正交频分复用(OFDM ，3GPP LTE)等，具有非常高的峰值功率和平均功率比(PAPR)，也就是说信号包络的起伏非常大。这意味着功放要从其饱和区回退很多才能满足对信号峰值的线 性放大，而峰值信号并不经常出现，从而导致功 放的效率非常低，通常会低于10%。90% 的功放直 流功率被丢掉了，或被转换为了热量。 稳定性和持续运行能力都会下降。 为了保证功放的线性性和效率，可以使用多种方法对功放进行线性化处理，如反馈，前馈及数字预失真等方法。 在所有这些线性化技术中，数字预失真是性价比最高的一种技术。同反馈法和前馈法相比，数字预失真技术具有诸多优势：优异的线性化能力，保证总体效率以及充分利用数字信号处理器/变换器的优势。数字预失真在基带上加入预失真器，将输入信号扩展为非线性信号，而这种非线性特性正好和功放的压缩特性互补 (见图1)。 理论上讲，预失真器和功放级联后成为线性系统，原有的输入信号被恒增益地放大。加入预失真器之后，功放可以工作到近饱和点而同时仍然保持良好的线性，从而大大提升了功放的效率。从图1中可以看出，DPD(数字预失真器)可以看作是功放响应的”反”响应， 数字预失真算法需要对功放的特性进行高效和精确地建模以保证成功地开发数字预失真器算法。 针对2G 和3G 移动通信标准，市场上已有一些较成熟芯片组技术。工程师可以可以选择既有芯片组、对算法进行优化、验证来完成自己的DPD 设计。但随着LTE 、LTE-Advance 、微波宽带接入（如ODU 等）、802.11ac 以及专用通信系统的不断涌现，要求DPD 方案具有更高的带宽、及在新通信制式或客户化信号上完成功放建模和算法实现的能力。另外有一些用户仅作算法研究而不希望进行费用高昂、设计复杂的电路实现；或者需要开发自有的DPD 方案以降低BOM 成本。这些新需求都需要研发工程师拥有不同的研发和验证工具。 DPD 方案概述： 一个好的研发和验证工具必须具备的性能包括：（1）性能指标如频率、调制带宽等满足系统要求（2）信号制式要具有灵活性，既可以满足标准制式系统（如2G/3G ）要求，还要可以满足客户定制化系统的要求（3）精确性（4）功放初始建模不依赖于某个特定厂商的芯片组或硬件实施方案（5）可以将开发好的数字预失真方案和其它的基带设计如CFR 或均衡等集成在一起（6）易于使用。 安捷伦的数字预失真研发和验证工具包括 SystemVue W1716 DPD 预失真工具及超宽带矢量信号分析仪和矢量信号源。这套系统的主要特点包括： （1） 性能高：调制带宽<=140MHz 时，频率高达50GHz ；调制带宽<=800MHz 时，频率高达26.5GHz 多载波LTE-A DPD 算法的验证
目录 第一章绪论 (1) 1.1 课题的研究背景与意义 (1) 1.2 国内外研究现状与发展前景 (2) 1.3 本文的主要工作 (4) 第二章功率放大器特性及数字预失真算法分析 (6) 2.1 功率放大器的非线性失真 (6) 2.1.1 谐波失真 (6) 2.1.2 互调失真 (6) 2.1.3 功率放大器非线性指标 (7) 2.2 功率放大器模型 (7) 2.2.1 无记忆模型 (7) 2.2.2 有记忆模型 (9) 2.3 数字预失真实现方法 (12) 2.3.1 查找表法 (13) 2.3.2 多项式法 (14) 2.3.3 神经网络法 (14) 第三章数字预失真算法设计与实现 (16) 3.1 总体方案选择 (16) 3.2 CORDIC算法设计 (17) 3.3 查找表设计 (19) 3.4 自适应系数更新 (22) 3.4.1 LMS算法 (22) 3.4.2 功放理想增益选择 (24) III
3.5 环路时延估计与补偿 (26) 3.5.1 整数时延估计与补偿 (26) 3.5.2 小数时延估计与补偿 (30) 3.6 预失真系统仿真 (32) 3.6.1 功放模型与输入信号 (32) 3.6.2 仿真结果 (34) 3.7 系统变频方案设计 (38) 3.8 FPGA实现结果 (41) 第四章数字预失真硬件平台设计 (43) 4.1 系统平台结构 (43) 4.2 关键模块设计 (44) 4.2.1 FPGA选型 (44) 4.2.2 ADC模块 (45) 4.2.3 DAC模块 (46) 4.2.4 时钟管理 (47) 4.2.5 单片机 (48) 第五章系统测试结果与分析 (49) 5.1测试环境搭建 (49) 5.2 Doherty功率放大器 (49) 5.3 调试过程与实验结果 (52) 5.3.1 确定固定环路时延与反馈信号增益 (52) 5.3.2 DPD功能调试 (56) 第六章结论与展望 (59) 致谢 (60) 参考文献 (61) 攻读硕士学位期间取得的成果 (64) IV
削峰与数字预失真原理及其 运用
目录 目录 (3) 第一章：数字预失真原理及其运用 (5) 1 功放线性化技术的引入 (5) 2 射频功放非线性失真的表征 (6) 2.1 射频功放中的三类失真 (6) 2.2 多项式系统模型 (7) 2.3 AM-AM & AM-PM模型 (8) 2.4 ACPR与EVM (11) 2.5 PA的记忆效应简介 (11) 2.5.1 记忆效应的定义 (11) 2.5.2 电学记忆效应 (13) 2.5.3 热学记忆效应 (13) 3 功放的线性化技术 (14) 3.1 功率回退 (14) 3.2前馈线性功放 (14) 3.3预失真线性功放 (14) 4 数字预失真（DPD）原理 (16) 4.1 数字预失真原理 (16) 4.2 数字预失真的实现 (17) 4.2.1 PA的模型 (18) 4.2.2 数字预失真的实现架构 (19) 4.2.3 DPD模型参数的自适应过程 (20) 4.2.4 基于LUT的数字预失真实现 (21) 5 DPD的运用 (22) 5.1 DPD在无线系统中的位置 (22) 5.2 DPD提高系统的指标 (23) 第二章：削峰原理及其运用 (24) 6 削峰技术引入的目的 (25) 6.1 峰均比定义及测量 (25) 6.2 CCDF的数学表示 (26) 7 削峰的主要指标 (27) 7.1 削峰后的PAR (27) 7.2 误差矢量幅度EVM (28) 7.3 峰值码域误差(PCDE) (29) 7.4 邻道泄漏功率比(ACPR) (29) 8 常用的削峰方法 (29) 8.1 单载波削峰方法 (29) 8.1.1 基带I/Q独立和幅度削峰算法 (30) 8.1.2 基带预补偿削峰算法 (30) 8.1.3 IF硬削峰算法 (30) 8.1.4 匹配滤波器DIF基本削峰算法 (31) 8.1.5 匹配滤波IF脉冲抵消算法 (31)
通过数字预失真改善功率放大器地效率 上网时间：2007年11月22日 关键字:功率放大器数字预失真DSP FPGA 无线应用中地功率放大器有望通过提供优良地线性和效率,来处理现代通信系统中所采用地复杂波形.而这并非通过构建具有更纯净性能地射频功率放大器,因为这样做会增加成本、降低效率并产生可靠性问题,今天地设计师而是选择通过采用数字预失真(DPD –Digital Pre-Distortion>技术来增加数字处理能力,该技术有助于将功率放大器(PA>地效率最大化,增加可靠性,并降低操作成本.b5E2RGbCAP 与模拟方式相比,数字技术在成本、功耗和可靠性方面提供了诸多优势.由于这些优点,老式地窄带、单载波、三重转换系统正在被 数字信号处理(DSP>和DAC控制地宽带、多载波发射机所取代,DSP 和DAC产生直接IF,甚至直接RF输出到RF放大器.p1EanqFDPw 无线系统正向用户提供一系列地服务和益处.不幸地是,先进无 线技术地优势往往不惜牺牲增加功耗和操作成本.现代蜂窝和无线技术,特别是数字射频通信网络,比以往任何时候发送和接收更多地数据、更多地视频以及更多地音频.如HSDPA、HSUPA、1xEVDO、WiMAX 等新标准,以及长期演进(LTE>需要更大地功耗,产生更多和更大地射频波形峰值,并允许更大地数据脉冲.因此,现代无线设备所生产地射频信号具有空前地峰值平均值比(PAR>,并在一个已经拥挤地射频频 谱内存在失真地可能性.DXDiTa9E3d
由于采用空前地高功耗与现代PAR,功率放大器正在被推向之前从未有过地极限,并导致瞬变现象以及低效成本.更大地放大器可以 消耗更多地功耗,从而使得短期资本支出以及长期经营费用急速膨胀.更大、更昂贵地电池需要同样地后备能力.此外,更大地功耗和生产 加剧了散热和电气条件,这可能产生可靠性问题.RTCrpUDGiT 当支持先进无线技术地功放工作时,设计师和网络运营商可能选择两条路径中地一条：增加“腕力”(即功耗>或者增加“头脑”(即性能>.其中,前者有效增加了对上述成本和可靠性地关注,而后者是 在功放效率最大化与严格控制频谱之前推动数字失真波形地新策略.通过采用适当地测试设备,数字预失真(DPD>技术可以实现更小、更 具效率地功放,从而减少开发和运营成本,并同时提升网络与设备地 可靠性.5PCzVD7HxA 无论高功率卫星地面站、多载波蜂窝基站,甚至是低功耗移动通信系统,现代发射机采用多种预失真技术来减少信道外干扰,并优化 运行效率.其中最流行和最有效降低失真地方法之一就是自适应DPD.jLBHrnAILg 这种方法对发射机地输出进行采样来计算误差向量并生成校正 系数,然后将其用来预校正输入信号.为了减少模拟电路失真,链路中地信号尽可能采用数字格式保存.xHAQX74J0X 图1表示了如何提取放大器输出信号地一部分,然后进行下变频以及数字化.将该数字信号提供给DSP电路,该电路实现了目前信号 中地非线性分析并产生非线性校正系数.这些非线性系数用于调整传
无线通信中射频功率放大器的数字预失真技术研究现代移动通信技术的高速发展使得无线通信的传输信道和频谱资源日益紧张。目前通信系统正向着宽带化、多频化和低能耗的趋势发展。 无线通信系统是工业节能降耗的重点,而微波集成器件的能耗占基站主设备能耗的60%以上。射频功率放大器(RF Power Amplifier,RF PA)作为无线通信中必不可少的核心器件,其性能的优劣将直接影响整个系统的通信质量。 而目前通信系统中常用的复杂信号具有非恒包络高峰均功率比 (Peak-to-Average Power Ratio, PAPR)特征,这就要求功放具有足够高的线性度。凭借其编程灵活、成本适中、性能卓越等优势,数字预失真(Digital Predistortion, DPD)成为无线通信发射机中重要的线性化方法。 针对国内外的现有研究情况,本文对宽带及双频DPD建模技术、功放如何在非恒包络高峰均比信号激励下实现高效率高线性度的技术、以及宽带功放预失真系统反馈回路降低采样率技术等进行了深入的研究。实现了波峰因数降低(Crest Factor Reduction,CFR)技术与宽带及双频预失真系统的有效结合、优化了宽带预失真系统中基于带限Volterra级数的模型算法、提出了基于压缩感知(Compressed Sensing,CS)的宽带DPD反馈回路低采样率实现方案。 本文的主要工作和创新点如下:1、在研究CFR和DPD技术内在关系的基础上,根据两者之间的互逆特性,引入一个对削峰与预失真信号的补偿模块(Compensation Module, CM),提出了 CFR-DPD-CM联合结构。该结构在保证线性化性能的前提下,充分提高了信号传输质量。 仿真及测试结果表明,当应用PAPR值为10.12dB的20MHz WCDMA1001信号激励F类功放进行验证时,信号PAPR值降低3.27dB的同时EVM值比无预失真情况
17 数字预失真基本原理 马 进 （西安电子科技大学 通信工程学院，陕西 西安 710071） 摘 要 对高功率放大器的失真特性进行了数学分析，介绍了数字预失真的基本原理，总结了常用的几种预失真线性化方法，着重详细介绍了查找表数学模型的建模方法。 关键词 功率放大器；线性化；预失真 中图分类号 TN722.7+ 5 The Principle of Digital Pre-distortion Ma Jin (School of Telecommunications Engineering, Xidian University, Xi ′ an 710071, China) Abstract This paper makes a mathematical analysis of the HPA's distortion characteristic and introduces the principle of digital pre-distortion. It also summarizes some common techniques for linearizing pre-distortion with emphasis on the LUT mathematical model's modeling method. Keywords PA; linearization; pre-distortion; LUT 1 数字预失真的实测图表 数字预失真的目的是改善功放的线性度，而对功放线性度评估是用ACPR 这个指标进行评估的，因此数字预失真目的就是改善功放的ACPR 指标。预失真效果见表1所示。 2 功放的非线性特性分析 功放的各种失真特性[1]如下： （1）AM-AM 失真特性：就是放大器的增益压缩现象，即AM-AM 失真，可以采用非线性的多项式来表征放大器的这种特性，其数值由输入信号的幅度（AM ）决定。 在射频增益一定的条件下，在数字域中，可以根据输入基带信号的幅度（功率）通过一个多项式可计算出此种非线性失真分量。常用的多项式表达式如下： 表1 预失真效果 载波 1 2 3 4 备注频率/MHz 870.03 871.26 872.49 873.72 750kHz,Low 47.80 750kHz,Up 45.56 1.98MHz,Low 50.65 预失真前 ACPR/dB 1.98MHz,Up 48.38 9CH 750kHz,Low 60.55 750kHz,Up 63.23 1.98MHz,Low 66.70 预失真后 ACPR/dB 1.98MHz,Up 67.17 9CH 收稿日期：2005-12-21 作者简介：马 进（1979—），男，硕士研究生。研究方向：网络安全、对数字预失真。 ...554433221x a x a x a x a x a y ++++=. （2）AM-PM 失真特性：其数值与AM-AM 失真相似，也是由输入信号的幅度决定。 电子科技 2006年第9期（总第204期）
数字预失真关键技术
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刘太君
教授
博士
博导
IEEE高级会员
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电话：158********
2009年3月27日至29日
授课大纲
第一章 数字预失真技术基础
第一节 引言 第二节 射频功放非线性特性 第 节 衡量非线性的技术参数（IMD3, IP3, ACPR, EVM） 第三节 第四节 第 节 功放非线性特性提取实验系统 第五节 功放非线性特性的行为模型 第六节 记忆效应鉴别和强度估算 第七节 功放的种类及性能评估
第二章 数字预失真技术理论
第一节 引言 第 节 线性化技术概述 第二节 线性化技术 述 第二节 第 节 数字预失真基本原理 第三节 数字预失真线性化系统 第四节 数字预失真器及其参数辨识 第五节 数字预失真器参数辨识算法 第六节 峰均值比及削峰技术简介 第七节 数字预失真器的ADS仿真
第三章 第 章 数字预失真电路设计及实现
第一节 第 节 引言 第二节 基于FPGA电路的预失真电路设计 第三节 预失真器参数的实时提取及实现 第四节 基于ASIC电路的数字预失真器设计及实现
1. 2 2. 3. 4. Intersil数字预失真线性化解决方案介绍 PMC Sierra数字预失真线性化解决方案介绍 PMC-Sierra TI数字预失真线性化解决方案介绍 Optichron数字预失真线性化解决方案介绍
第五节 非线性建模及预失真性能快速评估软件介绍 第六节 结束语
文章编号:100526122(2009)0320047204 线性功放中数字预失真方法的实验研究3 幸 波 蒋 伟 王晶琦 朱晓维 (东南大学信息科学与工程学院毫米波国家重点实验室,南京210096) 摘 要: 对数字预失真线性功放中两种主要的数字预失真方法:多项式拟合法和查找表构建预失真器法进行研究;首先针对两种方法所对应的不同预失真器结构,就预失真精度、算法复杂性、所需存储空间和自适应能力等进行分析对比;然后采用cd ma2000调制信号源对两种方法预失真效果作ADS仿真分析和实验测试,验证了两种方法的可行性,并对两种方法预失真能力作进一步讨论;最后总结了两种预失真方法在功放线性化应用的优缺点和适用范围。 关键词: 自适应,数字预失真,多项式,查找表 Experi m ent al I nvesti gati on on D i git al Predistorti on Technology for L i n ear Power Ampli fi er X I NG Bo,J IANG W e i,W ANG J i a ng2q i,ZHU X i a o2we i (S tate Key L ab.of M illi m eterW aves,College of Infor m ation Science and Technology, Southeast U niversity,N anjing210096,China) Abstract: T wo kinds of typ ical DP D(D igital Pre2D ist orti on)methods are p resented in the paper,which are Polyno2 m ial Esti m ati on and LUT(l ook up table).The merit and shortcom ing of the t w o DP D methods are su mmarized with detailed analysis of the structures of p redist orter,e mphasizing on p recisi on of DP D,comp lexity of arith metic,me mory s pace and self2 adap tive capacity.Signal s ource cd ma2000is app lied f or ADS si m ulati on and experi m ent measurement of the t w o DP D meth2 ods,whose p redist orti on ability are analyzed deep ly.The characteristics and app licability of the t w o methods are su mmarized in the end of the paper. Key words: Self2adap tive,DP D,Polynom ial,LUT 引 言 随着无线通信技术迅猛发展,以及新的非恒包络调制技术的广泛采用,射频功率放大器的线性化技术的研究越来越受到关注,已经成为下一代无线通信系统的关键技术之一。实现功率放大器的线性化的技术有很多,如功率回退法、前馈法[1]、反馈法、模拟预失真法、数字预失真法等,其中数字预失真法依托于DSP技术的飞速发展以及软件无线电技术的逐渐成熟,具有灵活性高、一致性好、适用性强、方便实现自适应处理等诸多优点,有着极大的发展潜力和良好的应用前景。 目前流行的数字预失真方法主要有两种,一种是多项式拟合构建预失真器[223]的方法,另一种是基于查找表构建预失真器[425]的方法。两种数字预失真方法的思想都是通过构建与功率放大器相反特性的预失真器,将预失真器与功率放大器级联达到线性度改善的效果。 衡量数字预失真方法的指标主要包括预失真方法的预失真精度,构建预失真器所需要的存储空间,基于预失真器的预失真算法的复杂度和收敛性以及预失真器的自适应能力。本文针对当前数字预失真技术的研究状况,结合以上几项主要指标,对多项式拟合预失真器和查找表构建预失真器两种方法进行实验研究。通过全面的研究分析,总结了两种方法各自的优缺点及适用范围;最后,将这两种预失真方 第25卷第3期2009年6月 微 波 学 报 JOURNAL OF M I CROWAVES Vol.25No.3 Jun.2009 3收稿日期:2008206218 基金项目:国家863项目(2007AA01Z2B4),国家自然科学基金委创新群体基金(60621002)
先进数字预失真理论及应用 功率放大器(Power Amplifier,PA)是无线通信系统中主要的非线性器件。数字预失真(Digital PreDistortion,DPD)以其成本低、编程灵活等优点成为目前射频前端的主流线性化技术。未来DPD的发展趋势主要集中在宽带应用场景下的低复杂度结构及算法研究。 模数转换器(Analog-to-Digital Converter,ADC)是DPD系统反馈回路中功耗较大、成本较高的器件之一。本文围绕降低ADC量化精度的要求与ADC的采样速率展开研究,前者能降低系统功耗与成本,以应对基站"小型化",后者则能在降低功耗的同时降低反馈信号带宽,来应对"大带宽"的趋势。除此之外,本文还会解决DPD系统中存在的诸多关键问题。 传统的DPD系统依赖于带宽不低于原始信号5倍且量化精度足够高的反馈信号,使得DPD在面向宽带应用的时候受到很大限制。本文考虑降低ADC的量化精度降低到极端情况下的1比特,并对此时的DPD算法进行理论推导,证明单比特DPD系统的可行性。同时本文对单比特DPD系统中存在的问题逐一提出了解决方案,包括基于单比特采样数据的频域时间对齐算法,迭代步长的估计,系统复杂度的分析,并通过实验测试验证单比特DPD系统的线性化性能。 此外本文在此基础上提出一种改进的单比特DPD系统,即前向建模辅助的单比特DPD参数提取方法,也被证明能够有效对宽带功放进行线性化。在宽带场景下一方面DPD系统反馈带宽受限,另一方面传统模型精度的提升也很困难。为此本文阐述一种采用频谱外推思想的方法,在迭代的过程中不断地用降低采样速率的反馈数据来恢复出真实的功放输出,从而能够进一步得到精确的DPD参数。 本文也对频谱外推算法的数值稳定性进行理论分析,并提出一种提高算法数
clc; close all; %% D?o?2úéú simout=load('qpsk_8000.mat'); simout=simout.simout; fs=2*10^8;%2é?ù?ê200Mhz st=0:length(simout)-1; s_qpsk=(simout.').*exp(j*2*pi*20000000*st/fs);%è?êμ2??aQPSKμ÷?? %% ??2¨?÷?μêyéè?? N=50;%??2¨?÷?×êy Wn1=[0.75,0.85];%1?afsμ?ò?°? Wn2=[0.15,0.25]; A=fir1(N,Wn1,'bandpass'); B=fir1(N,Wn2,'bandpass'); %% 1|?ê·?′ó fc=6*10^7;%??2¨60MHZ t=1:length(s_qpsk); s_carri=s_qpsk.*exp(j*2*pi*fc*(t-1)/fs);%é?±??μ s_carri_b=filter(A,1,s_carri);%′?í¨??2¨ h = spectrum.welch; hpsd_carri_b=psd(h,s_carri_b,'fs',fs); figure(1); plot(hpsd_carri_b);%1|?ê·?′ó?°μ?1|?ê?×?ü?è a=[1.0513+0.0904j,-0.068-0.0023j,0.0289+0.0054j,0.0542-0.29j,0.2234+0.2 317j,-0.0621-0.0932j,-0.9657-0.7028j,-0.2451-0.3735j,0.1229+0.1508j]; %a=[2.3,4.2,1.3,-1.2,-3.2,9.1,0.5,2.67,1.7]; HPA_s=volterra(a,s_carri_b); % h=spectrum.welch; hpsd=psd(h,HPA_s,'fs',fs); figure(2); plot(hpsd); %% ?¤ê§??+1|·?-----?à??ê?·¨ b=[1.0513+0.0904j,-0.068-0.0023j,0.0289+0.0054j,0.0542-0.29j,0.2234+0.2 317j,-0.0621-0.0932j,-0.9657-0.7028j,-0.2451-0.3735j,0.1229+0.1508j]; %b=[2.3,4.2,1.3,-1.2,-3.2,9.1,0.5,2.67,1.7]; w=zeros(1,length(b)); w=[0.01+0.01j,0.01+0.01j,0.01+0.01j,0.01+0.01j,0.01+0.01j,0.01+0.01j,0. 01+0.01j,0.01+0.01j,0.01+0.01j]; %w=[0.00679765478699548-0.000259498756269653i,0.00837971394159005-0.000 111941227697152i,0.0114287412467534+0.000135048972435035i,0.00999572083 062263-3.11814652641192e-07i,0.00999748855999973-1.58555811669834e-07i, 0.0100016305410513+1.47719343296075e-07i,0.00999993931875462-4.06509747 496053e-09i,0.00999995731939103-2.60788444989852e-09i,0.010000015583326 5+1.43812621935027e-09i]; s_qpsk=[0,0,s_qpsk]; u=0.05;%LMS??·¨μ?2?êy DPD_s0=zeros(1,length(HPA_s)+2); DPD_s1=zeros(1,length(HPA_s)+2); DPD_s=zeros(1,length(HPA_s)+2); LVB1=zeros(1,N+1); LVB2=zeros(1,N+1); HPA_s_p=zeros(1,length(HPA_s)+2); e=zeros(1,length(HPA_s)); y=zeros(1,length(HPA_s)+2); lamda=0.99;%QRD-RLS??·¨μ?2?êy y_q=zeros(1,length(HPA_s)+2);
自适应数字预失真的FPGA 实现 苏惠明 (西安外事学院计算机中心 陕西西安 710077) 摘 要:数字预失真技术在软件仿真方面已取得长足进步,但在硬件实现上还存在着很大的不足。利用设计的实验平台,在窄带通信系统中不考虑记忆效应的情况下,提出了一种基于查询表的能够有效抑制器件噪声的自适应数字预失真方案。经FP GA 实现该方案后,可以明显降低噪声和交调干扰,实验结果较为理想。 关键词:数字预失真;FP GA ;记忆效应;滤波器 中图分类号:TN91 文献标识码:B 文章编号:10042373X (2008)132156203 R ealization of Adaptive Digital Predistortion by FPG A SU Huiming (Computer Center ,Xi ′an International University ,Xi ′an ,710077,China ) Abstract :Digital predistortion technology in the simulation software has made great progress ,but in hardware realization there is a great shortage.Based on the narrow communication systems and disregarding memory effects ,the paper describes an adaptive digital predistortion method which can restrain the noise effect caused by applications.Realized by FP GA ,it can obvi 2ously reduce noise and cross 2interference ,and achieve perfect experimental result. K eywords :digital predistortion ;FP GA ;memory effects ;filter 收稿日期:2007212215 数字预失真技术目前已在软件仿真的基础上提出了大量的方案,但毕竟从软件仿真到硬件实现是有很长一段距离的:一方面硬件环境很难完全在仿真中体现,诸如量化噪声、器件噪声等;另一方面硬件约束,如资源限制,处理速度等也是软件仿真中很难考虑完全的。记忆效应和器件噪声是实际电路中无法消除的两个负面因素,本文介绍了消除器件噪声影响进行的一些工作。1 实验平台 图1是实验平台框图,绿色虚框部分在FP GA (Al 2tera :EP1S25F672C7)内实现,其中,成型滤波器:64倍上采样的数字升余弦滚降滤波器;R/P 和P/R :直角坐标转极坐标和极坐标转直角坐标转换,采用“CORDIC 算法”[1];ADC 和DAC :14位数/模、模/数转换器。介 于耦合回路中时延比较固定,采用固定长度延时器补偿,延时器的最大精度为基带时钟周期:1/56μs ;对于下变频器晶振与基带板晶振之间存在的频偏,通过载波同步环路[2]消除。 HPA 属于AB 类的SSPA ,其特点是相位失真几 乎可以忽略,幅幅传输特性可用Rapp 模型[3] 进行 描述: F AM/AM (u )= K 3u 1+( K 3u Q sat )2S 1/2S (1) 式中,K 为放大倍数,u 为输入信号幅度,S 为光滑因子,Q sat 为饱和输出幅度,图2为K =1时,不同(S ,Q sat )对应的工作曲线:自上而下的蓝线对应的系数分别是(8,0.5),(6,0.5),(4,0.5),(2,0.5),(4,0.4)。 对于Q sat 相等的SSPA ,S 越大则1dB 压缩点越高,线性工作区域越长,性能越好。理论上,经过数字预失真处理后所能达到的最佳效果是将SSPA 的线性工作区域保证在u ∈[0,Q sat )(实际上工作点无法达到Q sat ),图中绿线为对应于Q sat =0.5的SSPA 理论线性工作曲线。在Q sat 相等的情况下,不同S 的SSPA 经过预失真后所能保证的线性工作区域是相同的。换言之,通过数字预失真技术可以降低对H PA 的设计要求。 为充分避免记忆效应的影响,实验平台信源波特率为7/8Mb/s [4]。由于物理器件本身的特性,反馈信号中的随机分量是不可消除的,图3是在FP GA 内(图1中A ,B 点处)获得的对应曲线,单位是ADC 和DAC 的量化间隔。图中,整个工作范围是一条具有一定宽度的 “带” (与图6的仿真结果吻合),如果该随机分量得不到适当的抑制,经预失真后会被以某种形式放大输出,造成性能恶化。 电子技术苏惠明:自适应数字预失真的FP GA 实现