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        基于嵌入式Linux數(shù)字基帶預(yù)失真控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

        2014-02-05 02:09:03楊德偉宋雪松
        實(shí)驗(yàn)室研究與探索 2014年2期
        關(guān)鍵詞:鍵值基帶協(xié)方差

        楊德偉, 宋雪松, 王 華, 王 正

        (北京理工大學(xué) 通信技術(shù)研究所,北京 100081)

        0 引 言

        在無線通信系統(tǒng)中,為得到大的信號(hào)功率,以滿足發(fā)射要求,需要通過高功率放大器對(duì)射頻信號(hào)進(jìn)行放大。為提高射頻功放的效率,功放往往工作在非線性狀態(tài),會(huì)導(dǎo)致非線形失真。功率放大器的非線性失真嚴(yán)重影響了通信的質(zhì)量[1]。當(dāng)今移動(dòng)通信系統(tǒng)中,為了增加傳輸速率和信道容量,采用了復(fù)雜的具有高頻譜利用率的數(shù)字調(diào)制方式。采用這些數(shù)字調(diào)制方式,信號(hào)包絡(luò)的變化產(chǎn)生了記憶效應(yīng),這種記憶效應(yīng)引入了更大的帶外擴(kuò)散,增加鄰道干擾,同時(shí)也產(chǎn)生了帶內(nèi)失真,因此,誤比特率更加嚴(yán)重。在設(shè)計(jì)射頻功放時(shí),除了滿足功放輸出功率的要求外,效率和線性度是必須考慮的兩個(gè)因素,但功放的效率和線性度是相互對(duì)立的。改善射頻功率放大器線性度的線性化技術(shù)的預(yù)失真技術(shù)具有穩(wěn)定、高效、寬帶寬與自適應(yīng)等優(yōu)勢(shì)[2]。數(shù)字基帶預(yù)失真在基帶進(jìn)行信號(hào)處理,自適應(yīng)技術(shù)能夠容易地應(yīng)用到預(yù)失真結(jié)構(gòu)中。為了實(shí)現(xiàn)數(shù)字基帶信號(hào)預(yù)失真處理,需要對(duì)預(yù)失真系統(tǒng)中相關(guān)硬件進(jìn)行控制。目前,針對(duì)數(shù)字基帶預(yù)失真系統(tǒng)的控制及算法多采用單片機(jī)、FPGA、DSP[3-4]。然而基于單片機(jī)的控制系統(tǒng)由于單片機(jī)本身的局限性,運(yùn)行速度低,移植性比較差,無法進(jìn)行多任務(wù)操作?;贔PGA的控制系統(tǒng)可操作性差,每改變一次控制參數(shù),需要對(duì)FPGA重新寫入一遍程序,不方便控制?;贒SP的控制系統(tǒng)雖然能夠?qū)崿F(xiàn)算法,但是對(duì)預(yù)失真系統(tǒng)的控制同樣不方便。而基于嵌入式Linux[5-6]的控制不但能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)失真算法,而且能夠方便地對(duì)預(yù)失真系統(tǒng)進(jìn)行控制,從而彌補(bǔ)了幾者之間的缺陷。

        1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

        圖1 間接學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)框圖

        數(shù)字基帶預(yù)失真系統(tǒng)由數(shù)字基帶處理部分和射頻處理部分組成,其硬件實(shí)現(xiàn)如圖2所示。調(diào)制信號(hào)首先映射為I/Q兩路,然后經(jīng)過根升余弦濾波器成形濾波后,進(jìn)入預(yù)失真器得到預(yù)失真器輸出信號(hào);經(jīng)過預(yù)失真器處理后的信號(hào),通過D/A變換、低通濾波、模擬正交調(diào)制和上變頻變成射頻信號(hào),然后進(jìn)入高功率放大器,功放輸出信號(hào)中一部分信號(hào)通過天線發(fā)送,另一部分經(jīng)過定向耦合器反饋給預(yù)失真系統(tǒng),反饋信號(hào)經(jīng)過下變頻和正交解調(diào)得到基帶模擬信號(hào),利用高速A/D變換器變成數(shù)字基帶信號(hào),通過定時(shí)同步算法對(duì)齊反饋數(shù)據(jù)與發(fā)送數(shù)據(jù),再利用自適應(yīng)算法調(diào)整預(yù)失真器系數(shù),從而實(shí)現(xiàn)預(yù)失真的目的。數(shù)字基帶預(yù)失真控制系統(tǒng)通過同步算法和自適應(yīng)算法完成對(duì)預(yù)失真器系數(shù)的調(diào)整,通過對(duì)DA/AD、調(diào)制模塊參數(shù)的調(diào)整,來實(shí)現(xiàn)對(duì)傳輸信號(hào)的控制。

        圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

        2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

        數(shù)字基帶預(yù)失真控制系統(tǒng)硬件由ARM[8]、鍵盤模塊和顯示模塊共同組成,如圖3所示。

        圖3 系統(tǒng)框架圖

        鍵盤模塊由HD7279A控制芯片和4*4矩陣鍵盤組成[9]。HD7279A是一種專門管理鍵盤和LED顯示器的專用智能控制芯片,它具有自動(dòng)消除按鍵抖動(dòng)并識(shí)別按鍵代碼的功能,從而可以提高CPU工作的效率,同時(shí)具有較高的可靠性。HD7279A和ARM之間采用串行接口,當(dāng)HD7279A檢測(cè)到有效按鍵時(shí),其KEY腳產(chǎn)生一個(gè)中斷發(fā)送到ARM,當(dāng)HD7279A接收到讀取鍵值指令時(shí),輸出當(dāng)前按鍵的鍵值代碼到ARM。

        采用LCM12832ZK作為顯示模塊,LCM12832ZK是一種具有8位/4位并行、2線/3線串行多種接口方式,內(nèi)帶簡(jiǎn)體中文字庫的圖形點(diǎn)陣液晶顯示模塊[10]。它具有顯示信息豐富,體積小、功耗低、使用方便等特點(diǎn),該模塊在系統(tǒng)中的功能主要是根據(jù)具體的按鍵顯示相關(guān)的操作指令。

        ARM作為整個(gè)控制系統(tǒng)的核心,必須能夠具有較強(qiáng)的運(yùn)算能力和豐富的接口便于對(duì)外設(shè)的控制,基于以上考慮,系統(tǒng)設(shè)計(jì)選用S3C6410。S3C6410不僅能滿足任務(wù)需求,而且成本低、功耗低,其操作系統(tǒng)的開源代碼,便于軟件實(shí)現(xiàn)。ARM在本文中主要有兩個(gè)功能,一方面負(fù)責(zé)讀取鍵值代碼,并將相應(yīng)的操作指令傳輸?shù)筋A(yù)失真系統(tǒng)和顯示模塊上,另一方面負(fù)責(zé)與FPGA通信,完成數(shù)據(jù)的讀取、處理和發(fā)送工作。

        3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

        程序開發(fā)編譯環(huán)境包括Fedora9.0,交叉編譯工具采用的是arm-linux-gcc-4.5.1。嵌入式Linux采用的是Linux2.6.38。

        3.1 預(yù)失真算法

        在數(shù)字基帶預(yù)失真系統(tǒng)中,其算法包括同步算法和自適應(yīng)算法。由于放大器環(huán)路反饋信號(hào)存在著延時(shí),因此必須對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)齊,即進(jìn)行同步算法。對(duì)采集的數(shù)據(jù)完成同步算法處理之后,再進(jìn)行自適應(yīng)算法,之后將得到的系數(shù)復(fù)制到預(yù)失真模塊,即完成了整個(gè)預(yù)失真的過程。

        通常,數(shù)據(jù)對(duì)齊的步驟分為兩步[11],即整數(shù)部分延時(shí)的數(shù)據(jù)對(duì)齊及小數(shù)部分延時(shí)的數(shù)據(jù)對(duì)齊,采用兩步處理的目的是為了提高估計(jì)的準(zhǔn)確度和最大限度地減少資源占用。本文整數(shù)部分的數(shù)據(jù)對(duì)齊采用基于協(xié)方差法的算法,小數(shù)部分的數(shù)據(jù)對(duì)齊采用基于Lagrange內(nèi)插的協(xié)方差法的算法[12]。

        自適應(yīng)算法中多采用最小均方誤差(Least Mean Square,LMS)算法[13]、最小二乘(Least Square,LS)算法[14]、遞歸最小二乘(Recursive Least Square,RLS)算法[14]三種經(jīng)典自適應(yīng)算法。本文采用RLS算法,它的更新目的是使輸出信號(hào)與期望信號(hào)在最小二乘意義上最匹配,具有快速收斂的特點(diǎn),因而被廣泛應(yīng)用于實(shí)時(shí)系統(tǒng)辨識(shí)和快速的信道均衡等領(lǐng)域。

        3.1.1基于協(xié)方差法的算法

        協(xié)方差法公式如下所示:

        Rxz(m)=

        -L+1≤m≤L-1

        (1)

        圖4 協(xié)方差法求整數(shù)倍延時(shí)的曲線

        3.1.2基于Lagrange內(nèi)插的協(xié)方差法的算法

        Lagrange內(nèi)插實(shí)際上是使用了內(nèi)插濾波器,這種插值濾波器使用了拉格朗日(Lagrange)多項(xiàng)式內(nèi)插。由于這種插值濾波器使用了Farrow結(jié)構(gòu),是一種高效的結(jié)構(gòu),非常適合高速實(shí)現(xiàn)。對(duì)于已知的I個(gè)采樣點(diǎn),Lagrange內(nèi)插公式[15]可以表示為:

        (2)

        其中,Ci為每個(gè)采樣值的權(quán)重,由不同的采樣時(shí)刻決定,且滿足:

        (3)

        (4)

        對(duì)插值后的輸入和輸出數(shù)據(jù)按照整數(shù)倍延時(shí)估計(jì)的方法,求得協(xié)方差曲線,在得到最大值所在的位置以后,除以內(nèi)插倍數(shù)P后得到的值即為小數(shù)部分延時(shí)。需要說明的是,該算法的適應(yīng)性比較強(qiáng),對(duì)放大器環(huán)路中固定相偏和頻偏抖動(dòng)均不敏感,因此即使放大器非線性特性及記憶性很明顯,估計(jì)的結(jié)果依然穩(wěn)定而且準(zhǔn)確。

        3.1.3遞歸最小二乘算法

        把待最小化的代價(jià)函數(shù)表示為J(n),其中n是可測(cè)數(shù)據(jù)的可變長(zhǎng)度。另外,習(xí)慣上還在J(n)的定義中引入遺忘因子0<λ<1,其使用是為了保證“遺忘”掉久遠(yuǎn)的過去數(shù)據(jù),以便當(dāng)濾波器工作在非平穩(wěn)環(huán)境中時(shí),能跟蹤觀測(cè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)變化:

        (5)

        其中:e(n)是圖1間接學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)中所表示的誤差;a是由akq組成的K(Q+1)行1列的列向量;u是由y對(duì)應(yīng)a構(gòu)造多項(xiàng)式組成的列向量:

        (6)

        為了后續(xù)的計(jì)算,給出輸入向量的自相關(guān)矩陣:

        (7)

        并設(shè)其逆矩陣R-1(n)為P(n),RLS算法的主要步驟如下:

        (1) 初始化:a(0)=0,P(0)=δ-1I,其中δ是一個(gè)很小的值;

        (2) 更新增益向量k(n):

        (8)

        (3) 更新預(yù)失真器系數(shù):

        (9)

        (4) 更新逆矩陣:

        (10)

        (5)n=n+1,轉(zhuǎn)到步驟(2)。

        3.2 預(yù)失真算法軟件

        本文將ARM應(yīng)用于數(shù)字基帶預(yù)失真系統(tǒng),利用ARM實(shí)現(xiàn)了預(yù)失真算法[16]。其工作流程如圖5所示。系統(tǒng)上電后,預(yù)失真算法軟件經(jīng)過初始化后,從FPGA的RAM中讀取數(shù)據(jù),經(jīng)過預(yù)失真算法程序,進(jìn)行同步算法和自適應(yīng)算法,得到一組參數(shù),然后將這組參數(shù)發(fā)送到預(yù)失真器,之后再次讀取數(shù)據(jù),判斷是否需要更新預(yù)失真器中的系數(shù),如果需要更新,就進(jìn)行預(yù)失真算法處理;如果不需要更新,就繼續(xù)讀取數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷。

        3.3 鍵盤顯示控制軟件

        為了使系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)人機(jī)交互及控制界面,設(shè)計(jì)了AD控制模塊、DA控制模塊、上變頻控制模塊以及下變頻控制模塊。當(dāng)系統(tǒng)上電后,S3C6410通過GPIO端口對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行初始化設(shè)置,等所有初始化工作都完成以后S3C6410進(jìn)入中斷等待狀態(tài),等待按鍵中斷的到來。當(dāng)S3C6410檢測(cè)到按鍵中斷時(shí),向HD7279A發(fā)送讀取鍵值指令讀取鍵值,根據(jù)不同的鍵值,將對(duì)應(yīng)操作顯示到液晶上,并發(fā)送相應(yīng)的控制指令到AD/DA模塊或者上下變頻模塊,完成操作后回到中斷等待狀態(tài),等待中斷發(fā)生。其工作流程如圖6所示。

        圖5 預(yù)失真算法程序流程圖圖6 鍵盤顯示控制程序流程圖

        4 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果

        經(jīng)過測(cè)試,本設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)字基帶預(yù)失真系統(tǒng)的算法以及對(duì)該系統(tǒng)的控制。通過鍵盤顯示控制程序,實(shí)現(xiàn)了對(duì)AD/DA模塊、上下變頻模塊的控制;通過預(yù)失真算法程序,實(shí)現(xiàn)了預(yù)失真同步算法和自適應(yīng)算法。在圖7中顯示了有無預(yù)失真算法時(shí),信號(hào)的AM/AM對(duì)比圖。從圖中可以看出預(yù)失真效果明顯,功放輸出信號(hào)為線性信號(hào)。

        圖7 數(shù)字基帶預(yù)失真AM/AM特性圖

        5 結(jié) 語

        Linux是當(dāng)前最受歡迎的操作系統(tǒng)之一,它具有內(nèi)核小、效率高、源碼開放的優(yōu)點(diǎn),所以也被廣泛應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)中。本文將嵌入式Linux引入預(yù)失真系統(tǒng)中,實(shí)現(xiàn)了對(duì)傳輸信號(hào)的控制,為用戶提供了簡(jiǎn)潔的可操作平臺(tái),嵌入式Linux具有良好的移植性、可重用性和擴(kuò)展性,便于預(yù)失真控制系統(tǒng)的優(yōu)化和調(diào)整,同時(shí)也減少了后續(xù)開發(fā)工作,對(duì)于其它設(shè)備驅(qū)動(dòng)的開發(fā)具有一定的參考價(jià)值。

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