基于DSP和GC5322 的數(shù)字預(yù)失真系統(tǒng)設(shè)計

隨著多載波調(diào)制技術(shù)的發(fā)展，調(diào)制電平也隨之增加。功放的各種線性和非線性失真對無線數(shù)據(jù)傳輸性能的影響越來越大。尤其是功放發(fā)射峰均比較大時，發(fā)射功率變化較大，有時甚至?xí)斐晒Ψ诺淖员Ｗo(hù)，導(dǎo)致停止發(fā)射或者燒毀功放。功放的實際工作曲線不是呈線性變化，而是呈非線性變化，而且不同的功放曲線變化不一致，就是同一個功放在不同工作環(huán)境下其曲線也不一致。這樣，使得無法使用一種通用的算法公式校正功放的工作曲線。為此，提出功放預(yù)失真技術(shù)，校正功放的非線性工作曲線，使得實際發(fā)射功率穩(wěn)定。
數(shù)字預(yù)失真技術(shù)目前已經(jīng)在軟件實現(xiàn)上得到了初步的發(fā)展。目前一般的預(yù)失真技術(shù)采用軟件架構(gòu)，使用數(shù)字信號處理器采集功放功率值，并分析其變化曲線，形成數(shù)據(jù)表格，并存儲。在以后的發(fā)射之前根據(jù)存儲的表格數(shù)據(jù)對發(fā)射功率進(jìn)行預(yù)校正。該方法在實際工作中由于電磁環(huán)境變化、溫度變化、功放元器件老化、晶體頻率飄移等影響，使得預(yù)校正數(shù)據(jù)和真實校正數(shù)據(jù)存在較大的偏差，從而影響校正效果，甚至向反方向校正情況。軟件校正形成校正數(shù)據(jù)需要較長的時間，一般為幾十秒以上，使得實時校正難以實現(xiàn)。這樣使得軟件數(shù)字預(yù)失真技術(shù)的實用性降低，適用場合減少。
本文提出一種基于硬件的數(shù)字預(yù)失真校正系統(tǒng)的設(shè)計方法。采用TI公司的數(shù)字信號處理器DSP芯片C6727B和專用的數(shù)字預(yù)失真芯片GC5322實現(xiàn)預(yù)失真系統(tǒng)。文中重點介紹DSP和GC5322的軟硬件連接。硬件數(shù)字預(yù)失真系統(tǒng)由專用器件實現(xiàn)預(yù)失真處理，解決預(yù)失真的實時性問題；此外，進(jìn)行預(yù)失真系統(tǒng)設(shè)計時，只需要實現(xiàn)對硬件芯片的配置，而無須編寫復(fù)雜的算法，簡化實現(xiàn)難度。
預(yù)失真技術(shù)和GC5322
數(shù)字預(yù)失真（DPD，Digital Pre-Distortion）的工作原理就是預(yù)先產(chǎn)生非線性失真分量，去抵消功放中產(chǎn)生的非線性產(chǎn)物。一般的中頻預(yù)失真和射頻預(yù)失真，都是以發(fā)射系統(tǒng)最終輸出信號的三階交調(diào)功率比來衡量其性能指標(biāo)。和模擬預(yù)失真以及前饋架構(gòu)相比，數(shù)字預(yù)失真在提高效率、多載波應(yīng)用、修正效果以及自適應(yīng)方面具有很大的優(yōu)勢。對于零中頻架構(gòu)的無線信號收發(fā)系統(tǒng)，數(shù)字預(yù)失真在修正零中頻架構(gòu)中的本振泄漏和鏡像抑制方面, 具有非常好的效果。功放預(yù)失真示意圖如圖1所示。

圖1 預(yù)失真示意圖
數(shù)字預(yù)失真系統(tǒng)的構(gòu)成框圖如圖2所示?；鶐л斎胄盘柡痛鎯υ跀?shù)據(jù)查找表的預(yù)失真數(shù)據(jù)經(jīng)過復(fù)增益調(diào)整模塊處理，處理后的數(shù)據(jù)從DAC發(fā)送出去，完成預(yù)失真處理。同時，ADC開始采樣發(fā)射數(shù)據(jù)，得到當(dāng)前發(fā)射信號的功率值，經(jīng)過濾波器去抖動和噪聲后，送入自適應(yīng)算法模塊，自適應(yīng)算法模塊綜合基帶輸入信號和實際發(fā)射出去的信號，得到新的預(yù)失真數(shù)據(jù)，并存儲到數(shù)據(jù)查找表中，從而完成實時的功放工作曲線校正。

圖2 數(shù)字預(yù)失真系統(tǒng)構(gòu)成
從圖2中可以看出，預(yù)失真工作需要實時ADC采樣，并實時處理數(shù)據(jù)。工作量較大，由于一般的處理系統(tǒng)不能實時處理，只能在發(fā)射真實信號前，預(yù)先發(fā)射測試數(shù)據(jù)，生成數(shù)據(jù)查找表，以后則以此表格數(shù)據(jù)修正功放工作曲線。顯然，這種方法很難實現(xiàn)實時處理，為了解決實時修正問題，TI公司推出GC5322預(yù)失真處理芯片。
GC5322的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。信號發(fā)射模塊主要包括自動增益控制（AGC，Adaptive Gain Control）、導(dǎo)頻插入（Pilot Insertion）、功率尺（Power Meter）、峰均比壓縮（CFR，Crest Factor Reduction）、小數(shù)內(nèi)插重采樣（FFR，F(xiàn)ractional Farrow Re-sampler）以及限幅器（Circular Limiter）等模塊。發(fā)射模塊可以實現(xiàn)2個寬帶信號，例如2個10MHz帶寬的OFDMA信道；或者實現(xiàn)4個中帶信號，例如4個5MHz帶寬的WCDMA載波；或者實現(xiàn)12個窄帶信號，例如12個CDMA2000/TDSCDMA載波。

圖3 GC5322的內(nèi)部結(jié)構(gòu)
預(yù)失真模塊是GC5322的最重要功能。該模塊的主要單元包括ADC/DAC接口、實數(shù)復(fù)數(shù)變換、帶反饋環(huán)的均衡器和校準(zhǔn)器、預(yù)失真處理模塊、發(fā)射均衡器和混頻器等。
ADC轉(zhuǎn)換器采集功放輸出信號，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號并變換后成為反饋信號進(jìn)入反饋環(huán)節(jié)；反饋信號經(jīng)過一系列的下變頻處理，包括增益調(diào)整、頻率和相位歸一化處理等。其中還使用一個8階的反饋均衡器實現(xiàn)射頻到中頻的失真校正。
系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)以數(shù)字信號處理器DSP芯片C6727B為核心單元，實現(xiàn)對整個過程的控制。C6727B是TI公司在C671x基礎(chǔ)上發(fā)展的浮點型DSP，其最高工作頻率達(dá)到350MHz。單個指令周期可以執(zhí)行6個浮點數(shù)據(jù)運算，最高達(dá)到2100MFLOPS；片內(nèi)具有256KB的RAM；片內(nèi)外設(shè)有EMIF、UHPI、音頻接口、dMAX、定時器以及IIC、SPI等接口。完全滿足對GC5322控制的要求。整個系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)
圖4中，PLL模塊提供一個統(tǒng)一的時鐘信號到各個單元，尤其是GC5322、ADC、DAC以及功放和濾波放大電路需要統(tǒng)一的時鐘，否則系統(tǒng)預(yù)失真效果變差。C6727B和GC5322的連接是系統(tǒng)的重點，其硬件連接如圖5所示。

圖5 C6727B和GC5322的連接
圖5中使用C6727B的EMIF接口連接到GC5322的數(shù)據(jù)和地址總線，同時EMIF接口的總線還連接到系統(tǒng)中的SDRAM和FLASH存儲芯片。SDRAM是為了存儲DSP程序運行產(chǎn)生的中間變量；FLASH存儲程序，上電開始過程中由DSP讀取。此外，F(xiàn)LASH還可以存儲掉電不丟失的數(shù)據(jù)，例如預(yù)失真校正數(shù)據(jù)。由于C6727B的EMIF接口只有兩個片選信號，其中CS0是專門用于SDRAM的選通信號，CS1統(tǒng)一給所有的異步外設(shè)，包括FLASH和GC5322。為此，使用譯碼電路完成多個異步外設(shè)的選擇，使用CPLD或者FPGA完成。GC5322的中斷信號必須連接到DSP，由于C6727B沒有專用的中斷信號，為此使用C6727B的音頻串口的AXR0[7]作為通用IO引腳，并配置成中斷信號。
系統(tǒng)軟件設(shè)計
系統(tǒng)軟件設(shè)計主要包括GC5322的初始化、DSP的初始化、EMIF接口設(shè)置、中斷使能、ADC/DAC設(shè)置等。系統(tǒng)初始化后，DSP判斷當(dāng)前是否有數(shù)據(jù)需要發(fā)送，數(shù)據(jù)的讀寫通過判斷是否有掛起的中斷，該中斷由GC5322產(chǎn)生，一旦GC5322收到基帶數(shù)據(jù)，將發(fā)出該中斷。無數(shù)據(jù)讀寫情況下，DSP將定期檢測GC5322的測試信號，以便確定GC5322在正常工作。也可以根據(jù)需要，將GC5322設(shè)置到低功耗狀態(tài)。
如果GC5322開始工作，則啟動ADC開始采樣，并控制時序?qū)DC采樣后數(shù)據(jù)傳輸?shù)紾C5322，GC5322根據(jù)設(shè)置進(jìn)行預(yù)失真處理，從而校正DAC的輸出幅度，完成預(yù)失真處理。
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