陳澤鋒等

摘 要： 數(shù)字預失真技術具有低功耗、低成本、結構緊湊、穩(wěn)定、高效、自適應等優(yōu)點，是改善功率放大器線性度最有效的方法之一；但在實際應用中，由于鏈路上存在正交調(diào)制誤差，使得數(shù)字預失真改善的效果不能達到預期的效果，甚至使結果惡化。針對這個問題，提出一種正交調(diào)制校正的設計與實現(xiàn)方案，并將其應用到數(shù)字預失真系統(tǒng)中。仿真結果表明，經(jīng)正交調(diào)制校正后能改善數(shù)字預失真的性能，降低數(shù)字預失真對鏈路精度的要求。

關鍵詞： 功率放大器； 數(shù)字預失真； 正交調(diào)制校正； EDK

中圖分類號： TN911?34； TP92 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）18?0001?04

Abstract： Digital pre?distortion has the advantages of low power consumption， compact structure， strong self?adaptive ability， high stability and efficiency， which is one of the most effective ways to improve the linearity of power amplifiers， but in practical application， the desired effect of digital pre?distortion can not be realized due to the orthogonal modulation error in the link. Aiming at the problem， a design and implementation scheme of quadrature modulation correction based on microblaze embedded system was proposed in this paper. The simulation results show that the digital predistortion with quadrature modulation compensation could improve its function and reduce the demand of digital pre?distortion to link accuracy.

Keywords： power amplifier； digital predistortion； quadrature modulation correction； EDK

0 引 言

隨著移動通信技術的飛速發(fā)展，頻譜資源日漸緊張，現(xiàn)代移動通信技術普遍采用了高階調(diào)制方式以及OFDM等多載波技術提高頻譜效率，卻引起信號的高峰均功率比，這需要功率放大器具備更高的線性特性。在實際的通信系統(tǒng)中，功率放大器的效率和線性度往往無法兼顧，所以需要采用功率放大器線性化技術進行優(yōu)化[1]。其中數(shù)字預失真（Digital Predistortion，DPD）技術具有電路結構簡單，調(diào)整方便，成本低，效率高等優(yōu)點，是一種非常具有應用前景的功放線性化技術[2]。

在實際應用DPD系統(tǒng)時，發(fā)射機中的正交調(diào)制器存在正交調(diào)制誤差（Quadrature Modulator Errors），主要包括同相分量（I）和正交分量（Q）的增益和相位不平衡以及直流偏移等，這些誤差會惡化數(shù)字預失真對功放線性化處理的效果[3?5]，因此，要獲取較好的數(shù)字預失真效果必須對調(diào)制器進行正交調(diào)制校正（Quadrature Modulator Compensation，QMC）。本文的設計方案是基于XILINX FPGA的可編程嵌入式開發(fā)系統(tǒng)，利用可配置的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)技術和可編程片上系統(tǒng)解決方案降低了設計難度并縮短了研發(fā)周期。

1 正交調(diào)制校正原理

1.1 正交調(diào)制誤差模型

正交調(diào)制是利用兩個頻率相同但是相位相差90°的正弦波作為載波，將相互正交的I，Q兩路信號調(diào)制為一路信號。在實際應用中調(diào)制器并不能夠工作在理想狀態(tài)，由于移相器不能產(chǎn)生精確的90°相移，I，Q兩路信號的增益不能夠完全一致，這樣就導致I，Q信號的相位和增益不匹配，即I，Q不平衡。另外，由于載波泄露等因素的影響，正交調(diào)制器的輸出信號中會存在直流偏移成分。依據(jù)上述的正交調(diào)制誤差可得正交調(diào)制器輸出信號s（t）的復包絡為[6?7]：

2 設計與開發(fā)

系統(tǒng)設計利用Xilinx EDK嵌入式開發(fā)套件和System Generator工具完成，硬件平臺為Xilinx ML605開發(fā)板。EDK用于MicroBlaze嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)，包括FPGA片內(nèi)嵌入式系統(tǒng)硬件平臺搭建和系統(tǒng)軟件開發(fā)[11]；System Generator用于將Simulink環(huán)境下搭建的DSP系統(tǒng)級的設計自動轉化成HDL硬件實現(xiàn)[12]。

上述兩部分的設計是通過Shared Memory進行交互的，在使用System Generator工具時，需要將設計中所有的Shared Memory添加到EDK工程，Shared Memory直接與嵌入式系統(tǒng)的總線連接，實現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)與FPGA硬件電路的指令和數(shù)據(jù)交互。

2.1 硬件開發(fā)

如圖1所示，系統(tǒng)硬件主要包括MicroBlaze嵌入式系統(tǒng)、信號采集模塊和QMC補償電路。MicroBlaze是系統(tǒng)的核心，通過發(fā)布指令控制信號采集模塊采集發(fā)送信號din_i，din_q和反饋信號srx_i，srx_q，并將采集的信號讀到嵌入式系統(tǒng)內(nèi)存中進行QMC系數(shù)計算，最后將QMC系數(shù)更新到QMC補償電路的寄存器中，實現(xiàn)正交調(diào)制誤差的校正。

2.1.1 MicroBlaze嵌入式系統(tǒng)

Xilinx EDK為設計基于MicroBlaze軟核嵌入式可編程系統(tǒng)提供了全面的解決方案，其中XPS（Xilinx Platform Studio）是生成嵌入式系統(tǒng)硬件平臺的開發(fā)工具，利用XPS板級開發(fā)向導搭建MicroBlaze嵌入式硬件平臺，包括選擇FPGA器件型號、設置MicroBlaze處理器屬性、選擇系統(tǒng)總線、添加所需外設和設置屬性等硬件組件的定制。本文MicroBlaze選擇PLB總線結構，選用了單核方案，工作頻率設為80 MHz。MicroBlaze主要用于算法實現(xiàn)，外設僅添加內(nèi)部數(shù)據(jù)和指令存儲器，完成了嵌入式系統(tǒng)基本硬件結構的構建后，將XPS中配置好的硬件平臺導出到嵌入式系統(tǒng)的軟件開發(fā)工具SDK（Software Develop Kit）就可以進行后續(xù)的系統(tǒng)軟件開發(fā)工作。

2.1.2 信號采集

系統(tǒng)信號采集模塊利用Simulink中Xilinx Blockset工具包內(nèi)的Shared Memory模塊搭建，用于采集發(fā)送和反饋的數(shù)據(jù)。信號采集指令由MicroBlaze控制，當信號采集模塊使能被置1時信號采集開始，由計數(shù)器生成數(shù)據(jù)存儲的偏移地址，輸入的數(shù)據(jù)對應存儲在該地址。當采集數(shù)據(jù)達到存儲器的存儲深度時，信號采集模塊使能被置0，計數(shù)器也會被重置，信號采集結束。MicroBlaze讀取Shared Memory數(shù)據(jù)并導入到系統(tǒng)內(nèi)存，用于算法的計算。

2.1.3 QMC補償電路

在正交調(diào)制誤差計算時，僅需要獲得I，Q兩路相位和增益偏差的相對值，同樣在QMC補償時也采用相同的處理方法。圖2為QMC補償電路的模型，MicroBlaze計算得到補償系數(shù)后，將系數(shù)更新到g，θ，dI和dQ寄存器，其補償值自動加載到補償電路中，信號經(jīng)過QMC補償電路時就可完成調(diào)制校正處理。

2.2 軟件開發(fā)

Xilinx EDK的組件SDK是嵌入式系統(tǒng)的軟件開發(fā)工具，它基于Eclipse框架，具有完善的C/C++開發(fā)和編譯環(huán)境。在XPS創(chuàng)建的硬件平臺基礎上完成相應的軟件開發(fā)任務，其基本操作包括從XPS導入硬件平臺、建立軟件平臺、編寫軟件應用工程、配置芯片以及軟件調(diào)試等流程。

圖3為QMC算法實現(xiàn)的程序設計流程，算法由C語言實現(xiàn)。首先是QMC的初始化處理，主要包括設定QMC初始值、采集樣本的數(shù)據(jù)量、QMC迭代更新步長等；然后由MicroBlaze處理器控制信號采集模塊采集數(shù)據(jù)和計算正交調(diào)制誤差并獲得QMC補償系數(shù)；最后將補償系數(shù)更新到QMC寄存器。這樣就完成了一次對正交調(diào)制器的校正，經(jīng)過多次迭代補償后，正交調(diào)制誤差收斂，此時就可以結束校正。

3 實驗驗證

本文QMC的驗證是在DPD系統(tǒng)中完成，加入QMC后系統(tǒng)結構簡圖如圖4所示，系統(tǒng)的仿真模型是在Simulink中設計完成，基帶信號是10 MHz雙載波WCDMA信號；QMC和DPD都是由Xilinx Blockset庫的模塊搭建，分別完成對正交調(diào)制器模型的補償和功放模型的補償；正交調(diào)制器模型用于設置I，Q不平衡參數(shù)和直流偏移參數(shù)，系統(tǒng)測試時正交調(diào)制誤差由Simulink中的正交調(diào)制器模塊引入，系統(tǒng)中加入了-0.5 dB的增益誤差，5°的相位誤差，-29 dB的直流偏移誤差；功放模型由Simulink模塊搭建，測試時使用Cubic polynomial參數(shù)模型。功放模型的輸出信號作為反饋信號反饋給QMC模塊，用于計算補償系數(shù)。在進行系統(tǒng)測試時采用了硬件協(xié)同仿真的方式，一方面可以利用硬件平臺提高Simulink仿真的速度，另一方面可以在實際的硬件平臺上驗證該軟件和硬件設計。

圖5為硬件協(xié)仿真示意圖，利用System Generator將加入QMC后的DPD系統(tǒng)設計編譯生成硬件協(xié)仿真模塊，在進行仿真時，硬件協(xié)仿真模塊會通過JTAG自動將數(shù)據(jù)發(fā)送給FPGA，數(shù)據(jù)處理結束后，硬件協(xié)仿真模塊會自動將數(shù)據(jù)從FPGA中取回并導入軟件仿真平臺。在Simulink中觀測系統(tǒng)仿真的狀態(tài)，在SDK中查看軟件調(diào)試結果，進而驗證系統(tǒng)設計。

圖6是未加入QMC時系統(tǒng)仿真結果，功放輸出存在較嚴重的失真，經(jīng)過DPD系統(tǒng)處理后，功放輸出并沒有改善反而進一步惡化。在同樣的正交調(diào)制誤差干擾下，首先進行了QMC處理，校正前后的誤差對比如表1所示，校正前系統(tǒng)計算得到的調(diào)制誤差與系統(tǒng)中加入的調(diào)制誤差相符，校正后誤差已經(jīng)變得很小。

在完成對正交調(diào)制器校正后再進行DPD處理，圖7是加入QMC后系統(tǒng)仿真結果，DPD系統(tǒng)表現(xiàn)出較好的效果，功放輸出信號帶外頻譜抑制改善了17 dB左右。因此，可以證明QMC加入到DPD系統(tǒng)后，成功實現(xiàn)對調(diào)制誤差的校正，降低了調(diào)制誤差對DPD系統(tǒng)反饋信號的干擾，進而使DPD處理能力恢復。

4 結 語

本文介紹了QMC的設計與實現(xiàn)，基于Xilinx FPGA的可編程嵌入式開發(fā)系統(tǒng)，利用EDK和System Generator完成設計開發(fā)，并在Simulink中進行測試系統(tǒng)建模，最后采用硬件協(xié)仿真的方法完成系統(tǒng)測試，實現(xiàn)了對正交調(diào)制器的誤差校正，并將QMC應用到DPD系統(tǒng)。實驗結果表明，正交調(diào)制誤差惡化了DPD對功放線性化處理的效果，而調(diào)用QMC進行誤差校正后，DPD對功放的線性化處理功能恢復，帶外頻譜改善了17 dB。

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