一种数字预失真直放站的实现方法

陈昀,郝禄国,王竹毅

(1.河北大学数学与计算机学院,河北 保定 071002;2.广东工业大学信息工程学院,广东广州 510006;3.河北大学电子信息工程学院,河北 保定 071002)

一种数字预失真直放站的实现方法

陈昀1,郝禄国2,王竹毅3

(1.河北大学数学与计算机学院,河北 保定 071002;2.广东工业大学信息工程学院,广东广州 510006;3.河北大学电子信息工程学院,河北 保定 071002)

受到功放非线性特点的限制,直放站的效率大大降低.为提高直放站的输出效率,增加数字预失真功能提出了一种数字预失真直放站的设计方法,并给出了具体的实现方案.经仿真验证,算法简单可靠,可以较大地提高数字直放站的效率.

数字直放站;功率放大器;数字预失真

随着无线通信与移动多媒体技术的发展,高功率、低成本的数字直放站的应用越来越广泛.在移动通信网络覆盖中,数字直放站是关键设备之一.但是由于射频功率放大器本质上都是非线性的,这使得直放站的输出效率受到很大的抑制.同时,功率放大器都是有记忆效应的,这种记忆效应也严重影响了直放站的输出功率,从而大大影响了网络覆盖效果与终端的接受性能.为提高直放站的输出效率,增加数字预失真功能成为直放站研究的一个关键技术[1-6].

1 数字预失真的设计

对于预失真的系统组成有2种方式可以构造.一种是首先确定功放的参数,然后再找出相应的反变换.然而,非线性系统的反变换是非常难于获得的,所以另一种方法是用非直接的训练结构来直接设计预失真器.这种方式的优点是不需要知道功放的模型和参数的估计,图1中给出了这种非直接训练方式的结构[1,6].

图1 数字预失真的原理Fig.1 Principle diagram of digital predistortion

预失真模块A的输入和输出分别为x(n)和d(n),功放的输出经耦合衰减后得到y(n)作为预失真模块B的输入,预失真模块B的输出为一个1×12维矢量y(n),与预失真模块A输出延时得到的d(n)共同作为自适应算法的输入,下边对预失真原理进行简单描述.

1.1 预失真模块A

为使直放站获得线性输出,预失真模块A首先采用记忆多项式对输入信号x(n)进行预处理.记忆多项式的深度p为3,阶数k为5,记忆多项式可以用下述公式表述:

1.3 自适应算法

自适应算法使用最小二乘法计算最新的权系数w(n),并把最新权系数输送给预失真模块A,用来更新记忆多项式的权系数w(n),实现数字预失真功能.

2 数字预失真直放站的实现方案

数字预失真直放站的实现基于一个独立FPGA(field-p rogrammable gate array)芯片,这种设计性能稳定,硬件成本较低.图2给出了数字预失真功能的实现方框图.无线信号通过天线作为输入口,经过射频滤波器抑制带外部分杂散噪声的干扰.通过模拟混频器将射频信号变模拟中频信号.经ADC(analog to digital converler)模数转换,形成数字中频信号.

中频信号经过数字下变频变成零中频复基带信号后,利用半带滤波器滤除高频镜像,然后发送到数字信号处理模块,作相应的处理后发送给预失真模块A.经过预失真处理后送入上变频和DAC等,最后发给功放进行放大输出.

图2 数字预失真直放站的实现Fig.2 Implemen tation diagram of digital predistortion repeater

经过功放后的信号先用耦合器耦合,然后经过衰减器,形成反馈信号,再经过射频滤波、模拟下变频、模数转换等模块后,重新进入FPGA,作为预失真技术实现的反馈信号.数字预失真部分由3部分组成,经过模数转换的信号首先经过预失真模块(B)处理,得到的结果与其对应发送出去的并经过匹配延时的信号预失真模块(A)的输出信号作差.把误差送到LM S(least mean square)模块得到新的预失真权系数,用新系数更新预失真模块(A)的权系数.随着误差逐渐减小,数字预失真功能得到实现.

3 仿真与实验效果

图3为无数字预失真的时域输入输出信号及其功率谱仿真.

图3 直接经过功放的输出信号的功率谱和时域输入输出Fig.3 Time domain signal and power spectrum of input signalafter DPD

在时域图中,实线为时域输入信号,虚线部分为输出信号.可见输入信号比较大时,在直接经过有记忆非线性功放后的输出信号已经严重的畸变.

图4为增加数字预失真的时域输入输出信号及其功率谱仿真.同样,时域图中,实线为时域输入信号,虚线部分为输出信号.从图可以看出在先经过预失真后出来的功放输出信号基本上能够消除功放的记忆效应和非线性特性,使得功放的效率可以大大的提高.

图4 经过预失真后功放的输出信号的功率谱和时域输入输出Fig.4 Time domain signal and power spectrum of input signal without DPD

仿真与实验结果表明:本文提出的预失真设计方法可以很好地实现数字直放站的预失真功能,在提高数字直放站的功率效率的同时,很好地抑制了带外噪声.因此,较大地提高数字直放站的输出效率.

4 结束语

数字直放站作为无线通信的关键设备,其输出效率至关重要.本文提出的数字预失真直放站的设计方法可以很好地提高数字直放站的输出功率,改善直放站的输出效率,从而更好地满足无线通信网络覆盖的要求.

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[6]郝禄国,余嘉池.有记忆功放的数字基带预失真实现方案[J].广东通信技术,2009,29(7):17-20.

(责任编辑:孟素兰)

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

河北省高等学校自然科学研究计划项目(Z2010121)

陈昀(1977—),男,天津市人,河北大学在职硕士研究生,主要从事计算机应用技术方面的研究.