基于数字预失真技术的MCPA系统设计与实现

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0 引言

在现代通信系统中，为了充分利用已有的硬件资源，增加载波数量，最有效的方法就是采用多载波技术。多载波功率放大器（MCPA）运行时，在整个运行频带内可以灵活分配多个载波，适用于各种调制方法。不仅可以提高功放的效率，还可以大大降低基站的制作成本、减小基站体积[1]。

1 MCPA系统硬件设计

1.1 硬件系统概述

本多载波功率放大器（MCPA）硬件组成如图1所示。其基带部分采用ARM＋FPGA的架构，运用数字预失真（DPD）技术与Doherty功放相结合设计。其中，ARM主要实现整板数字芯片的配置、FPGA程序加载和DPD的运行监控；FPGA主要实现对数字信号进行上下变频（DDC/DUC），以及与ADC/DAC接口处理等功能。

为了在满足输出功率的同时，保证射频指标（IMD）满足要求，本MCPA系统采用了数字预失真技术加Doherty功放的设计。

1.2 数字预失真技术

预失真技术的实质，就是预先对功放输入信号的幅度和相位进行预定的反失真，以抵消功放的非线性失真。因此在DPD单元中包含有预失真训练和预失真滤波处理两个子模块：预失真训练模块构造出预失真器所需的非线性滤波器系数；预失真滤波处理模块完成输入数据的非线性滤波。在理想情况下，由DPD和PA所组成系统的输入输出关系是线性的。本MCPA系统采用基于博通公司OP6180专用DPD芯片配合单边带（SSB）的设计。其中OP6180芯片的预失真处理跟信号调制方式无关，可与Doherty高效率功放联合使用，支持实中频（real IF）、单边带（SSB）、零中频（ZIF）等架构。采用单边带（SSB）的设计方案，使得在混频器输出端的本振泄露和不必要镜像都会得到30dB以上的抑制，降低了后端带通滤波器（BPF）设计要求。

1.3 Doherty功放技术

在本MCPA系统中，采用Doherty技术与DPD进行配合。Doherty功放由两个功放组成：一个主功放，一个辅助功放。其主功放工作在B类或者AB类，辅助功放工作在C类。两个功放不是轮流工作，而是主功放一直工作，辅助功放到设定的峰值才工作。由于有源负载牵引的作用，主功放输出电流变大，使得整个功放效率比普通AB类功放提高10%以上。与其他功放效率提升技术相比，Doherty技术具有以下优点：可在较大的功率回退区域内保持较高的效率；电路复杂度低，易与DPD、前馈等线性化技术相结合；辅助功放工作在C类，可以根据输入功率的大小自动实现工作和关闭状态的切换，不需要额外的控制电路[2]。

2 MCPA监控系统软件设计

2.1 软件系统概述

本MCPA系统采用uC/OS-II操作系统。系统监控软件的各个功能模块，均以任务的形式运行于uC/OS-II操作系统中，依据设定好的优先级由操作系统依次调度执行[3]。

软件中各个功能模块的执行流程如图2所示：在系统启动后，首先对主控CPU和uC/OS-II操作系统的初始化。随后，在Task1任务中对系统各个外设器件进行初始化配置。配置完成后，由uC/OS-II操作系统创建系统运行所需的其他任务，并开启任务调度。

图2 监控软件总流程

2.2 系统运行模式设计

依据MCPA系统监控的具体运行需求，其运行模式可划分为：功放监控模式和功放调测模式这两大类。

功放监控模式包括：检测功能模块、监控告警模块和DPD监控模块。其中，检测功能模块负责检测系统当前运行状态，并根据运行状态对功放进行温度补偿和功率闭环调控。监控告警模块负责依据系统的运行状态，针对不同的告警项，做出相对应的操作处理。DPD监控模块的主要职责是在系统启动后对DPD模块进行训练。并在训练结束后，持续对DPD模块的运行进行监控调整，处理各种告警，维持DPD模块运行的稳定，其运行流程如图3所示。

图3 DPD监控模块功能流程图

功放调测模式主要用于在设备生产和测试阶段，调试和设定系统的各项运行参数值。功放调测模式中调测功能包含有：（1）对系统各项运行参数的调测设定；（2）对DPD芯片的运行进行调测；（3）调测过程中对系统运行状态实时检测上报；（4）提供升级系统所需配置文件及镜像文件的接口。

3 系统运行及测试效果

本MCPA系统，已在800MHz信道机项目上进行了应用验证。在硬件上，由于采用DPD+Doherty设计架构，并在输入与输出的匹配网络中，采用微带线设计，提高Q值，减少损耗。匹配中补偿线带有预留，提高输入输出匹配可调性与可实现性。从表1中相关测试数据可以看出，在满足-60dBc的互调指标下，本MCPA系统效率高达30%，显著优于传统的AB类功率放大器。

表1 功放测试数据

在软件上，系统采用uC/OS-II操作系统，软件程序精简，编译后总大小可控制在150KB以内。启动速度快，包括DPD模块初始化学习过程在内，整个启动过程可在45秒内完成。开发及测试期间，系统运行效果理想，性能稳定，各项功能、性能指标及环境测试均符合要求。

4 结语

本设计实现了一种基于数字预失真技术的多载波功率放大器（MCPA）系统。在硬件上，采用DPD+Doherty技术，在改善功放多载波互调失真，实现线性的功率输出的同时，提高了功放效率。在软件上，与常见的Linux操作系统相比，本系统所采用的uC/OS操作系统具有启动时间快、内核精简、性能稳定、移植方便等优点。通过实际应用验证，该多载波功率放大器（MCPA）系统工作稳定可靠，可在整个运行频带内分配多个载波信号，并适用于各种调制方法，达到了系统设计的要求。