基于預失真技術(shù)的短波功率放大器線性化系統(tǒng)

摘  要：本文提出了一種基于預失真技術(shù)的短波功率放大器線性化系統(tǒng)的設計方案，該方案采用查找表技術(shù)，且使用了一種獨特的放大特性測量方法，具有很強的實用性。
關(guān)鍵詞：預失真；功放線性化；查找表

引言
    隨著通信技術(shù)的發(fā)展，線性調(diào)制技術(shù)和寬帶通信技術(shù)正得到越來越廣泛的應用。在多通道短波通信發(fā)射設備中，多個包絡變化很大的單邊帶調(diào)制信號經(jīng)過疊加后，形成的寬帶信號通過非線性射頻功率放大器后會產(chǎn)生交調(diào)分量，因此，必須采用線性化技術(shù)以減少由此，產(chǎn)生的鄰道干擾。預失真技術(shù)是一種廣泛應用的線性化技術(shù)，其優(yōu)點是方法靈活，相對復雜度較低。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
    對于短波通信而言，由于大多采用的是多載波單邊帶調(diào)制技術(shù)，信號對幅度敏感，而對相位不敏感，因此本文的假設前提是信號本身對相位不敏感，在此基礎上提出以下方法。

    本文的預失真器是以查找表為基礎的，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。首先，根據(jù)功放特性測量的結(jié)果，按照某種算法建立預失真系數(shù)表。工作時，由輸入信號的幅度產(chǎn)生查找表的地址(因為功放特性一般為信號幅度值的函數(shù))，并由此產(chǎn)生預失真系數(shù)，輸入信號與該系數(shù)相乘，得到預失真信號。

圖1  預失真器的結(jié)構(gòu)                            

預失真技術(shù)的關(guān)鍵
查找表的建立

    設理想功放的放大率為K，對應于信號xn的功放的放大系數(shù)為gn，預失真器的系數(shù)為fn。yn=Kxn為理想放大器對應于xn的響應。通過測量的功放特性曲線表，可以查到當輸出幅度ym=yn時對應的輸入xm，從而得到以下關(guān)系：xmgm=Kxn=yn

    若xn預失真后的信號滿足xnfn=xm,則xnfngm=Kxn

    從而，系統(tǒng)滿足理想功放的特征。

    因此，預失真系數(shù)可由下式計算得到：fn=xm/xn。

    預失真系數(shù)表的創(chuàng)建過程為：根據(jù)輸入信號xn，計算其理想的響應yn，然后，通過功放特性表查找對應于響應yn的輸入信號xm，最后計算預失真系數(shù)fn=xm/xn。

功放特性的測量

    對功率放大器非線性特性進行測定時，其輸出信號為一個具有非線性失真的正弦信號，其中心頻率設為f0。當然，它不是一個單一頻率的信號。對功放輸出信號不能進行窄帶濾波，否則就測不到其非線性失真特性。其次，也不能采用模擬幅度檢波的辦法來測定其幅度，因為模擬檢波器的效果不夠理想。

    對功放輸出的信號只能通過A/D轉(zhuǎn)換，來測定功放失真特性參數(shù)，即其輸出信號最大值。

    對功放失真特性的測量，具有兩個特點：一是其中心頻率可以選定，大概在10MHz~15MHz之間；二是只需測得其最大值。最大值不能通過積累或濾波的方法得到，因為功放輸出的是失真的正弦信號，對它進行信號處理會引起失真。

    設采樣率足夠高，通過計算機模擬，得到ADC精度b=14和b=16時的兩組曲線(見圖2)，其它參數(shù)相同。

圖2  預失真系統(tǒng)仿真結(jié)果

    可見，測量精度對預失真處理效果十分明顯，b=16時噪聲電平較b=14時小6dB。
受器件限制，當ADC精度較高時，其采樣率不易做高。

    為敘述方便，設功放輸出為y(t)=cos(2筬0t)。

    測定y(t)的最大值時，由于采樣率的原因，最大可能的誤差為error=

    為充分利用ADC的精度，要求error＜1/2b-1，即1-cos(?f0 / fs)＜1/2b-1
當b=16，f0=11MHz時，其相位偏差小于0.0087弧度(即0.5°)，則fs＞4400MHz
這說明，如果對一個正弦信號的一個周期進行采樣，那么采樣率要高于4400MHz，才能保證采集到最大值。這顯然不現(xiàn)實。實際上可以較低的采樣速率對信號的多個周期進行連續(xù)采樣，以達到同樣的效果。

    設y(n)=cos(2筬0n/fs)，若fs為f0的整數(shù)倍M，則y(n)=cos(2筺/M)，
每個周期采集到的信號樣點都是相同的，能否采集到信號的最大值取決于開始采樣的時刻。因此，這種情況是達不到目的的。

    若fs不為f0的整數(shù)倍，設fs/f0=M+p/q，其中M為整數(shù)，p、q為互素的整數(shù)，且p < q，則有y(n)=cos(2筺/(M+p/q))=cos(2筿n/(qM+p))

    在這種情況下，0 < n < N，其中N=qM+p，在連續(xù)q個周期內(nèi)采樣，得到N個不同相位的樣點，這等價于以更高的采樣速率在一個周期內(nèi)采樣N個點。

    若相鄰采樣點間的相位差小于0.5°，則360/N < 0.5，即N < 720。
在設計中，通常先確定M和連續(xù)采樣的周期數(shù)q，最后確定p。

    取采樣率fs=160/3MHz，由于f0一般在10MHz~15MHz之間，所以可取M=3~5。這里取M=5，q=144, 在此情況下p可取1，5，7，11，…143，這里取p=43，得到的f0為10.0655MHz。

    仿真發(fā)現(xiàn)，采樣點中數(shù)值≥cos(0.5?=0.9996的點有兩個，即239和594，從而可知結(jié)論是正確的。

    理論上，采集到最大值所需時間為N/fs=(qM+p)/(160/3)ms=14.3062ms。實際中，需要采樣的時間要遠大于這個值，這里取t=20×(N/fs)=286.124≈287ms。
注意，在287ms期間內(nèi)，可以得到一個正的最大值和一個負的最大值，應根據(jù)實際情況選其中之一或從兩者取其一折衷。

    以較低的采樣速率對信號進行多周期連續(xù)采樣，可得到以較高速率對單個周期采樣的效果。這種方法解決了ADC器件的選型問題。

圖3  系統(tǒng)設計原理圖

系統(tǒng)設計
    本文所設計的系統(tǒng)如圖3所示。

    時鐘分配：DSP時鐘由專用的10MHz晶振提供；其他時鐘由40MHz的晶振時鐘通過CPLD和FPGA提供：40MHz一路進入CPLD，經(jīng)過4分頻后輸出，作為AD73322的主時鐘，另一路進入FPGA，經(jīng)過內(nèi)部PLL倍頻和分頻，產(chǎn)生80MHz、160MHz、160/3MHz的時鐘，分別送入ISL5217、AD9777和AD9244。

各器件的主要參數(shù)配置

    AD73322：DMCLK=輸入時鐘=1，采樣速率為DMCLK/256=39.0625KHz，SCLK=DMCLK/8。

    ISL5217：載頻為10.0655MHz，載頻相位=0，采樣頻率為39.0625KHz，插值倍數(shù)=16，數(shù)據(jù)輸入方式為并口，數(shù)據(jù)輸出方式為real、Shaping Filter 系數(shù)設置等。

    AD9777：內(nèi)插倍數(shù)=2，調(diào)試方式為none，雙端口輸入模式，使能PLL。
FPGA的主要工作：控制模塊，2倍插值濾波器，查找表，A/D采樣最值的搜索。

系統(tǒng)任務
 
    前向通路：兩個任務，一是發(fā)送測試數(shù)據(jù)到功放并輸出；二是正常的數(shù)據(jù)通路。ADC以39.0625KHz的速率采樣數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)傳送到DSP處理。DSP經(jīng)過AGC、濾波和調(diào)制后，以39.0625KHz的速率傳送到上變頻器ISL5217，它將對輸入數(shù)據(jù)進行2048倍插值，達到80MHz，然后將其調(diào)制到10.0655MHz的載頻上，送往FPGA。FPGA將對其再進行2倍插值處理，然后進行預失真。最后，F(xiàn)PGA將預失真的數(shù)據(jù)送入DAC。DAC將對數(shù)據(jù)進行2倍插值處理，數(shù)據(jù)速率達到320MHz，然后經(jīng)DAC輸出到功放。

    反饋通路：負責功放特性的測量。RF_DA將以160/3MHz的速率進行采樣，采樣后的數(shù)據(jù)進入FPGA，F(xiàn)PGA將檢測這些采樣數(shù)據(jù)幅度最大值(正和負)，并將其送到DSP進行記錄。
　　
系統(tǒng)工作流程
器件配置

    在系統(tǒng)調(diào)試完成后，首先在CCS環(huán)境下將FPGA加載文件燒寫到Flash存儲器中(只燒寫一次)，在以后的工作中，開機后，由DSP程序?qū)PGA的加載文件從Flash存儲器讀出來，通過FPGA串行配置方式加載到FPGA上，這樣，其他芯片就有了時鐘，然后DSP再配置其他器件。

功放特性的測量

    DSP以39.0625KHz發(fā)數(shù)據(jù)，從0到最大值32767，每個數(shù)據(jù)發(fā)送時間持續(xù)287ms，產(chǎn)生幅度恒定的正弦波，然后從FPGA中讀取相應的包絡幅度最值。注意，在搜索最值前，應先使發(fā)送信號穩(wěn)定下來，以確保檢測到的信號的準確性。

查找表的建立
 
   考慮到采樣的誤差，檢測到的信號并不是平滑的曲線，如果直接利用監(jiān)測到的信號來建表，系統(tǒng)誤差是很大的。因此，要對采樣的信號進行平滑處理，其方法是多樣的，這里不作說明。由于采樣信號的范圍可能小于-32767~+32767，要做歸一化處理，最后是啟動正常的工作順序。
　　
結(jié)語
    預失真是實現(xiàn)功率放大器線性化的有效方法，其實現(xiàn)簡單易行，系統(tǒng)穩(wěn)定。本文提出的方法簡單有效，非常適用于一次開機后，使用時間比較短的應用，因為時間長，系統(tǒng)溫度會發(fā)生變化，功放的溫漂會造成功放特性的顯著變化，使系統(tǒng)性能極度惡化。
　　
參考文獻
1．趙洪新，陳憶元，洪偉.一種基帶預失真RF功率放大器線性化技術(shù)的模型仿真和實驗，通信學報，2005年5月，第五期，第21卷
2．Intersil com，AN1022， Operation and Performance of the ISL5239 Pre-distortion Linearizer，July 2002