在无线通信系统中,高功率放大器因其非线性,导致AM/PM效应使得微分相位、微分增益和互调失真变坏。高质量的通信系统设计应尽可能减小功率放大器的AM/PM效应。因此,针对宽带码分多址(WCdMA)功放的非线性失真问题,采用一种基于查找表(luT)的自适应预失真方法,改善功放的非线性失真。仿真表明,该方法能有效补偿放大器产生的AM-AM、AM-PM失真,并将功放的邻道功率泄漏比(ACPr)改善到30 db左右。In wireless communication systems,the nonlinearity of high power amplifier(HPA) always cause AM/PM effect.The existence of AM/PM effect makes differential gain,differential phase and intermodulation distortion become worse.Therefore,linearization technique is needed to suppress the AM/PM effects.In this paper,a LUT based predistortion method is used to deal with the distortion of WCDMA power amplifier.Simulation shows that this method can effectively adjustment of the AM-AM and AM-PM curves,and the ACPR can be improved by 30dB.福建省重大专项基金资助项目(2007HZ0003

吴晓芳

杨小力

石江宏

Xiamen University Institutional Repository

随着无线通信技术发展和社会需求增长， 则要求更高、更大的通信系统传输质量和容量。 现代通信系统为了追求更高的数据速率和频谱效率，更趋向采用非恒定包络的调制方式， 进一步提高信号的峰均比 （PAR）， 如在宽带码分 多 址（WCDMA）系统中，峰均 比 达 到 10 dB，这 就 对 射频 功 率 放大器的线性度提出很高要求。 再加之现代通信系统要求更高的功率 放 大 器的 效 率，但功 率 放 大器 本 身 线性 度 有 限，这 就 使功率放大器线性化成为无线通信系统的关键技术之一。数字预失真是线性技术中一种重要方法， 其实现方法有两种：1）基于多项式方式，采用多项式拟合补偿增益曲线，这种方法参数较少，容易初始化和实时修正，但对强非线性的校正误差较大且复杂度较高；2）基于查找表方式，即构造预失真查找表，根据查找表处理输入信号，基于查找表的预失真技术可完成较好的线性补偿，采用高速信号处理器件实现。1988 年 Bateman 等 [1]提出利用查找表和曲线拟合的方法实 现 信 号的 预 失 真， 这 可 以 认为 是 查 找表 预 失 真技 术 的 起源。1989 年 Nagata[2]提出映射预失真技术，该技术采用两张二维预失真表来实现预失真功能，但系统收敛速度较慢。 1990年 Faulkner[3]提出用 2 张一维预失真表实现 预 失真 功 能 的技术。 因此，查找表预失真技术已成为预失真技术的重要分支。本文研究了基于查找表 （LUT） 的自适应基带预失真技术， 并采用基于幅度索引的查找表技术补偿功放非线性，从而改善放大器产生的 AM-AM、AM-PM 失真。1 预失真系统1.1 预失真原理预失真技术就是在放大器之前加一个非线性单元，称为预失真器，使其特性和放大器特性互逆，因此，信号预先人工产生 扩 展 非线 性 失 真，再 经 放 大器 的 压 缩非 线 性 失真，达 到线性放大的目的。 预失真基本原理图如图 1 所示。1.2 查找表法预失真技术查找表法预失真技术的基本思想是构造预失真查找表，根据查找表实时处理输入信号，这种方法可应用于任何增益波形图的功率放大器，线性化好。 根据查找表及查表方式的不同，查找表法预失真技术主要分为：映射法、复增益法和极坐标法 [4]。 本文采用基于极坐标法的查找表技术，输入信号首先进行直角/极坐标变换，将输入信号的幅度进行量化，然 后收稿日期：2009-09-15 稿件编号：200909051基金项目：福建省重大专项基金资助项目（2007HZ0003）作者简介：杨小力（1985—），女，土家族，湖南常德人，硕士研究生。 研究方向：无线通信。WCDMA系统中基于查找表的预失真技术的研究杨小力， 石江宏， 吴晓芳（厦门大学 信息科学与技术学院， 福建 厦门 361005）摘要：在无线通信系统中，高功率放大器因其非线性，导致 AM/PM 效应使得微分相位、微分增益和互调失真变坏。 高质量的通信系统设计应尽可能减小功率放大器的 AM/PM 效应。 因此，针对宽带码分多址（WCDMA）功放的非线性失真问题，采用一种基于查找表（LUT）的自适应预失真方法，改善功放的非线性失真。 仿真表明， 该方法能有效补偿放大器产生的 AM-AM、AM-PM 失真，并将功放的邻道功率泄漏比（ACPR）改善到 30 dB 左右。关键词：线性化； 查找表； 预失真； 自适应中图分类号: TN919.72 文献标识码：A 文章编号：1674－6236（2010）03-0096-03Research of predistortion technique based on LUT in WCDMA systemsYANG Xiao-li， SHI Jiang-hong， WU Xiao-fang（School of Information Science and Technology，Xiamen University，Xiamen 361005， China）Abstract：In wireless communication systems， the nonlinearity of high power amplifier （HPA） always cause AM/PM effect.The existence of AM/PM effect makes differential gain，differential phase and intermodulation distortion become worse.Therefore，linearization technique is needed to suppress the AM/PM effects. In this paper，a LUT based predistortion methodis used to deal with the distortion of WCDMA power amplifier.Simulation shows that this method can effectively adjustmentof the AM-AM and AM-PM curves，and the ACPR can be improved by 30dB.Key words：linearization； LUT； predistortion； self-adaptation图 1 预失真基本原理图2010 年 3 月Mar. 2010第 18 卷 第 3 期Vol.18 No.3电子设计工程Electronic Design Engineering－96－作为幅度和相位两张一维查找表的地址索引。 通过查表得到幅度和相位后， 再对输入信号进行增益补偿和相位旋转，最后通过极坐标/直角坐标变换后送给 HPA 模型[5]。整个结构图如图 2 所示。1.3 自适应算法从图 2 可知，为了达到线性化，必须满足以下条件：Rn=A（rn）+enΨn=Φ（rn）+θn+μn  （1）式中，en, μn为测量误差。而线性化目标则为：Rn=Gρn ρn≤A0， Ψn=φnAsat ρn ＞A0， Ψn=φn  （2）因此，这里采用自适应算法 [5]:HR（ρn）n+1=HR（ρn）n-α（Rn-Gρn） ρn≤A0Asat ρn＞A0  （3）Hθ（ρn）n+1=Hθ（ρn）n-β（Ψn=φn）式中，Hθ，HΨ 分别表示预失真器的幅度和相位信息，调节系数α，β 决定算法的收敛速率和稳定性。2 查找表索引技术对于基于查找表技术的数字预失真，预失真表是整个系统的核心。 如何从表读取相应的预失真值，直接影响到表项的分布和利用率，从而影响系统实现的复杂性和自适应算法的收敛速度。 一般有基于信号幅度（ I2+Q2姨 ）和基于信号功率（I2+Q2）2 种 [6] 地址索引技术。采用 信 号功 率 地 址索 引 技 术，实 现 比 较简 单，只 需 加 法和乘法两种计算。 但该技术在输入信号幅度较小时，表项分布较疏，而幅度较大时，表项分布较密，这同射频功率放大器非线性特性的变化是不符的，因此表项利用率不高。而利用信号幅度地址索引技术，可使表项分布同输入信号的幅度成正比，研究表明该技术比信号功率索引技术表项利 用 更 有效，但 其 缺点 是 得 到输 入 信 号幅 度 较 困难，通 常 需要复杂的平方根计算电路，将降低系统的速度 [4]。采用幅度索引法 [7] 进行仿真，由基带复信号计算幅度 ρn，ρn 经量化得出 LUT 的索引值 X，采用平均量化区间的方法：X=Int（ ρn2ρmaxLχ） ρn2＜PmaxX=Lχ-1 ρn2≥Pmax≥≥≥≥≥（4）式中，Pmax 代表功率 ρn2的理想上限值，Lx 代表一维索引值 X 区间长度，X＝Int（）代表不大于函数自变量的最大整数。 这样，一维索引值 X 就是区间{0，1，…,Lχ-2,Lχ-1}内的一个整数。3 仿真与结果分析仿真采用 Saleh 模型作为 HPA 模型，Saleh 模型是用于描述行波管功率放大器 TWTA （Traveling Wave Tube Amplifier）非线性特性的等效通带模型[8]。TWTA 是一种真空电子器件，功率较大，工作频带较宽。 TWTA 的传输函数中 AM/AM 失真和AM/PM 失真都比较明显。 其 AM、PM 失真表达式分别为：A（rn）=ααrn1+βα rn2Φ（rn）=α准 rn21+β准 rn2≥≥≥≥≥（5）式中，rn 为输入信号的幅度，αα、βα、α准、β准 为模型参 数，通过 调整这 4 个参数可得到合适的功放模型，典型值为：αα=2，βα=1，α准=π/3，β准=1。 A（rn）和 Φ（rn）分 别 代 表 HPA 非 线 性 的 幅 度AM-AM 失真和相位 AM-PM 失真，其特性曲线如图 3 所示。仿真输入为 WCDMA 数字基带信号经 DUC-CFR 输出的15 002 个采样点，LUT 为 256， 自 适 应 算法 中 的 调节 系 数 取α=β=0.5，迭代次数分别为 2、5、10 和 30 次，本文还仿 真 当 迭代 30 次时 AM/AM 和 AM/PM 特性曲线图， 其仿真结果分别如图 4 和图 5 所示。图 2 极坐标查找表法预失真结构图 3 Saleh 模型非线性特性图 4 无记忆查找表仿真结果杨小力，等 WCDMA系统中基于查找表的预失真技术的研究－97－（上接第 95 页） 用 的 NesCC 编 译 器 版 本 为 1.3.0，Keil 版 本为 8.09a。 编译结果显示，完成的带有串口输出的收发程序程序 占 用 11 字 节 RAM，占 用 片 内 1 678 字 节 XDATA，代 码 量为 7 KB，远小于 Zstack 所占资源。3.3 实验结果在室内环境下将生成的 hex 文件下载到 CC2430 节点中对本文程序进行实验， 验证在各流量下节点通信的丢包和错码情况。 分别将网络流速设置在每秒 128、256、512 Byte 以及1.28、2.56、6.4、12.8 KByte， 每种流速测试发送 2 K 个数据包。实验结果显示，在通信半径内节点通信未丢失任何数据包，接收的数据包也没有出现误码，但是随着节点间距离的增加，节点通信的丢包率逐渐增大，直至不能通信。从实验结果可以看出，在通信半径内，本程序能够正确实现 CC2430 节点间无线数据收发，在各种网络负载情况下通讯性能均良好。4 结束语本文研究基于 TinyOS 操作系统在 CC2430 器件上实现无线数据的收发， 为接下来无线传感器网络的相关研究作了铺垫。在项目开发中还实现了 UART 输出、系统定时器、LED 驱动等相关功能，以便功能调试。 编译结果表明，该程序占用 Flash和 RAM 空间十分紧凑， 能够适应 CC2430 存储容量有限的特性。 大量测试实验表明，该程序在节点上运行稳定；在节点通信半径内能精确通信；在各种网络负载下均能实现正确收发。参考文献:[1] Akyildiz I F，WANG Xu-dong，WANG Wei-lin.Wireless meshnetworks：a survey[J].Computer Networks，2005，47（4）： 445-487.[2] Arampatzis T， Lygeros J，Manesis S.A survey of applicationsof wireless sensors and wireless sensor networks[J].Proceed-ings of the 2005 IEEE Internatio -nal Symposium onMediterrean Conference on Control and Automation，2005，page（s）：719-724.[3] Texas Instrumengs. A true system-on-chip solution for 2.4 GHzIEEE 802.15.4/ZigBee[EB/OL]. 2007. http://ww w.ti.com/lit/gpn/cc2430.[4] Texas Instrumengs.Z-Stack—ZigBee Protocol Stack [EB/OL].2007.http://focus.ti.com/docs/toolsw/folders/print/z-stack.html.[5] TinyOS Community Forum. Tinyos: an opensource operatingdesigned for wireless embedded sensor networks [EB/OL].2009.http://tinyos.net.[6] Gay D， Levis P，Behren R.The nesC language: A holistic ap-proach to networked embedded systems[J]. In Proceedings ofProgramming Language Design and Implementation.Califo -rnia，2003：1-11.从图 4 可看出， 该方法明显改善了无记忆 Saleh 模型功放，并随迭代次数的增加，ACPR 的改善程度不断提高。 当迭代次 数 达 到 30 次 时， 有 加预 失 真 校正 相 比 于直 接 经 功 放，ACPR 改善了近 30 dB。 图 5 给出迭代次数为 30 次时的经过预 失 真 后 AM-AM，AM-PM 特 性 曲 线 ， 同 图 3 对 比 可 看 出AM/PM 效应得到改善。4 总 结本文 研 究了 自 适 应预 失 真 技 术 对 WCDMA 系 统 中 功 率放大器非线性效应的改善作用，探讨了查询表索引技术和自适应刷新算法。 计算机仿真结果表明：基于该算法的解决方案 可 改 善 WCDMA 系 统 中 因功 放 非 线性 效 应 而 造 成 的 带 外失真等恶化，而且改善了 AM/PM 效应，并通过给出的在不同迭代次数下的 ACPR 的改善程度，得出查找表方法对无记忆Saleh 模型功放的改善是明显的，但收敛速度较慢。参考文献:[1] Bateman A，Haines D M，Wilkinson，R J. Linear transceiverarchitectures [C].In Proeeedings of the 38th IEEE vehieularTechnology Conference，1988:478-484.[2] Yoshinori Nagata. Linear Amplification Technique for digitalmobile communications [J].The 39th of IEEE VehicularTechnology Conference. 1989，1（5）：159-164.[3] Michael Faulkner，Thomas Mattsson，Warren Yates. Adaptivelinearisation using pre-distortion.The 40th of IEEE VehicularTechnology Conference[C].1990：35-40.[4] 毛文 杰 . 基于 预 失 真技 术 的 射频 功 率 放大 器 线 性 化 研 究[D]. 杭州：浙江大学，2003.[5] Zenobio D，Santella G，Mazzenga F. Adaptive linearization ofpower amplifier in orthogonal multicarrier schemes [C].IEEEInt.Wireless Communication System Symposium，NY USA，1995: 225-230.[6] 吴岚，贾建华. 基于极坐标查询表的数字预失真技术[J].电子测量技术，2007，30（10）：18-20.[7] 林 晓 晨 . 功 率 放 大 器 的 数 字 基 带 预 失 真 技 术 研 究 [D]. 大连：大连理工大学， 2007.[8] Saleh AM A.Frequency-independent and frequency-independ-ent nonlinear models for TWT amplifiers [J].IEEE Trans oncommun， 1981，29（11）：1715-1720.图 5 经预失真后功放非线性特性!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!《电子设计工程》2010 年第 3 期－98－

Research of predistortion technique based on LUT in WCDMA systems

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