基于Nios軟CPU內核的FPGA非線(xiàn)性校正方案

1. 引言

OFDM能有效抑制多徑信道引起的深度衰落、抵抗脈沖噪聲和具有較高的頻譜效率的特點(diǎn)。但是OFDM的傳輸符號是多載波的QAM信號經(jīng)過(guò)IFFT處理后得到的結果，由于這種處理是線(xiàn)性相加的關(guān)系，當IFFT的輸入中存在相位一致的某些點(diǎn)時(shí)必然有較高的峰平比，對發(fā)射機線(xiàn)性度提出了非常高的要求[1]。射頻功率放大器是發(fā)射機系統中非線(xiàn)性最強的器件，特別是為了提高功率效率，射頻功放基本工作在非線(xiàn)性狀態(tài)，因此線(xiàn)性功率放大器設計技術(shù)己成為線(xiàn)性化發(fā)射機系統的關(guān)鍵技術(shù)。為了既保證整個(gè)系統的效率，又避免信號由非線(xiàn)性造成的失真[2]，非線(xiàn)性校正技術(shù)隨著(zhù)通信行業(yè)的發(fā)展變得日益重要。

2. 非線(xiàn)性校正方法介紹

OFDM信號高的PAPR值引起系統非線(xiàn)性失真，主要體現在功率放大的過(guò)程中，這本身就是由大功率放大器(HPA)的非線(xiàn)性特性所決定的。

為了獲得高效率和線(xiàn)性的HPA，必須消除其非線(xiàn)性失真，采用適當的外圍電路對HPA的非線(xiàn)性特性進(jìn)行線(xiàn)性化糾正，使HPA和線(xiàn)性化電路在整體上呈現對輸入信號的線(xiàn)性放大效果[11]。目前，常用到的HPA線(xiàn)性化方法有功率回退法、負反饋法、前饋法和預失真法[7]。無(wú)論何種方法，其目的都是為了在保持較高發(fā)射效率的同時(shí)，獲得較好的線(xiàn)性輸入輸出特性。

2.1 傳統非線(xiàn)性校正技術(shù)

在線(xiàn)性化技術(shù)出現以前，為了避免由于功率放大器非線(xiàn)性引起的信號失真，系統設計者通常選用功率回退法，即把功率放大器的信號輸入功率降低，使功率放大器工作在線(xiàn)性工作區內，遠離非線(xiàn)性飽和區，從而改善功率放大器的互調失真[12]。功率回退法原理簡(jiǎn)單且易實(shí)現，不需要任何附加設備，但這樣做的同時(shí)會(huì )使功率放大器的效率大為降低，從而影響整個(gè)系統的效率。

為了既保證整個(gè)系統的效率，又避免信號由非線(xiàn)性造成的失真，線(xiàn)性化技術(shù)成為通信領(lǐng)域的一種重要技術(shù)。一般而言，傳統的線(xiàn)性化技術(shù)分為開(kāi)環(huán)和閉環(huán)兩類(lèi)，閉環(huán)(例如笛卡爾環(huán)和極性環(huán))實(shí)際上是一種反饋技術(shù)，可以獲得較高的線(xiàn)性度，但穩定性差，且只能處理窄帶數據，不適合多載波系統。而開(kāi)環(huán)的校準精度不如閉環(huán)，但處理帶寬大，穩定性高。前饋技術(shù)作為另一類(lèi)線(xiàn)性化技術(shù)，具有閉環(huán)的精度和開(kāi)環(huán)的穩定性和處理帶寬，但實(shí)現復雜，成本很高，而且調試困難。

2.2 數字基帶預失真技術(shù)

線(xiàn)性化技術(shù)發(fā)展中非常重要的一步是預失真技術(shù)的出現，預失真技術(shù)最初應用于模擬通信系統中的射頻部分，后來(lái)隨著(zhù)數字信號處理(DSP)技術(shù)的發(fā)展，預失真線(xiàn)性化技術(shù)也可以在數字域內實(shí)現，形成數字預失真技術(shù)。數字預失真技術(shù)主要應用于基帶或中頻，極少應用處理速率要求極高的射頻。

數字基帶預失真是根據HPA的非線(xiàn)性失真曲線(xiàn),找出其反向特性函數,對輸入信號進(jìn)行相反方向的預失真,這樣通過(guò)HPA后的總的傳輸特性呈線(xiàn)性，基本原理如圖1所示。

基帶預失真的優(yōu)點(diǎn)是：電路相對簡(jiǎn)單，經(jīng)過(guò)精心的調整后，能達到很好的校正效果;穩定性強，處理帶寬大，適合單載波和多載波系統，即與系統的調制方式無(wú)關(guān);與HPA的類(lèi)型無(wú)關(guān)[13];

基帶預失真技術(shù)可以通過(guò)查詢(xún)表方式來(lái)實(shí)現，即構造一個(gè)預失真查詢(xún)表，根據查詢(xún)表對輸入信號進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，這種方法可以應用于任何增益波形圖的功率放大器，線(xiàn)性化效果好，但是需要占用較大的存儲空間。

3. 基于FPGA 的非線(xiàn)性校正方法的實(shí)現方案

有兩種對OFDM基帶信號實(shí)現非線(xiàn)性校正的方案。一種是基于FPGA，一種是基于DSP?；?a class="contentlabel" href="http://dyxdggzs.com/news/listbylabel/label/FPGA">FPGA方案的優(yōu)點(diǎn)在于集成度高，而基于DSP在算法實(shí)現和調試方面更為方便[6]。因為中高端的FPGA支持軟CPU內核(典型的如Nios)，可以用高級語(yǔ)言(如C語(yǔ)言)進(jìn)行非線(xiàn)性校正算法的編程和調試，所以我們采用基于FPGA的校正方案。

數字基帶矢量信號通常分解為I(實(shí)部)和Q(虛部)兩路正交分量信號的形式傳輸。

我們設計的基于FPGA的非線(xiàn)性校正方案的系統框圖如下：

其中，I 'Q'為原始基帶輸入信號IQ經(jīng)預失真后得到的信號，I ''Q''為射頻解調后得到的基帶信號。

本校正系統主要包括三個(gè)部分：

查找表模塊：以輸入信號功率值為索引，動(dòng)態(tài)存儲自適應預校正算法計算得到的復數值。原始輸入基帶信號與其對應索引項中的值進(jìn)行復數乘法[4]，即得到預失真后的基帶信號。

CORDIC模塊：完成直角坐標(實(shí)部和虛部)和極坐標(模值和相位)之間的轉換。因為Nios軟CPU內核算法是基于模值和相位(R*)的，而其它如查找表項值，輸入信號和反饋信號的都是基于實(shí)部和虛部(IQ)的。該模塊通過(guò)簡(jiǎn)單的移位運算和加減法運算就能完成直極轉換，具有很高的計算效率[9]。

Nios軟CPU內核及其自適應預失真算法，這是非線(xiàn)性校正系統的核心部分。Nios CPU是一種采用流水線(xiàn)技術(shù)、采用16位指令系統的單指令流RISC處理器，具有強大的尋址模式和良好的可擴展性，而且具備通用CPU的一般控制和運算功能，并可以根據性能需求由用戶(hù)生成(用戶(hù)定制)，可獲得較高的性能資源比。自適應預失真算法根據輸入信號和反饋信號的差值信息(反映放大器特性因溫度或老化發(fā)生變化)進(jìn)行某種方式(如牛頓切線(xiàn)法)的迭代算法，逐次更新查找表，并經(jīng)一定次數的迭代運算后趨于收斂。

方案實(shí)現時(shí)需注意的問(wèn)題：

1. 關(guān)于同步控制

在生成預失真表時(shí)，必須保證是原始IQ與相對應的IQ進(jìn)行比較，即同步控制。一般情況下，我們認為延時(shí)是固定的?？梢酝ㄟ^(guò)特征序列來(lái)計算延時(shí)，也可定期用特征序列來(lái)更新延時(shí)。

2. 關(guān)于反饋延時(shí)電路的幅度調整

由于反饋信號同原始信號需要作比較，因此要對反饋信號作相應的衰減，將反饋信號和原始信號進(jìn)行歸一化的處理?？梢砸揽肯到y初始化過(guò)程中的特征序列確定對反饋信號的衰減值。

4. 結語(yǔ)

本文提出的基于Nios軟CPU內核的FPGA非線(xiàn)性校正方案，具有集成度高、靈活性強、調試方便的優(yōu)點(diǎn)，而且在DAB小功率實(shí)驗發(fā)射系統中進(jìn)行了實(shí)測，信噪比提高了12dB，非線(xiàn)性補償效果較為理想。