摘要： 本文介紹了基于ISL5239的數(shù)字預失真的原理，給出了WCDMA仿真開發(fā)平臺，并討論了在應用中的幾個關(guān)鍵問題。該ASIC可以實現(xiàn)對WCDMA 、CDMA2000和TD-SCDMA多載波基站基帶部分的數(shù)字預失真處理。
關(guān)鍵詞：ISL5239；自適應數(shù)字預失真(DPD)；WCDMA

在3G基站中通常采用效率比較低的A類功率放大器(PA)，滿足WCDMA協(xié)議規(guī)范要求的PA在A類狀態(tài)下的工作效率不高于10%。PA的線性化技術(shù)就是在改善PA線性化的同時提高其效率的技術(shù)，PA線性化設(shè)計一直是3G基站設(shè)計的關(guān)鍵問題之一。
數(shù)字基帶預失真技術(shù)由于在工作頻率較低的中頻實現(xiàn)，應用了數(shù)字處理技術(shù)，適應性強，并且通過增加對信號的采樣頻率和增大量化階數(shù)的辦法來抵消高階互調(diào)失真，因此成為一種很有發(fā)展前途的方法。本文結(jié)合基于一維查找表的復增益數(shù)字預失真ASIC芯片ISL5239，介紹了WCDMA、CDMA2000和TD-SCDMA多載波基站PA的線性化設(shè)計。

圖 1基于ISL5239的閉環(huán)WCDMA數(shù)字中頻預失真結(jié)構(gòu)框圖

圖 2尋址模塊框圖
ISL5239的硬件構(gòu)架
ISL5239的硬件構(gòu)架主要由含有查找表的預失真單元、輸入/輸出格式轉(zhuǎn)換單元、輸入捕獲存儲器、反饋捕獲存儲器和外部處理器接口等部分構(gòu)成。這些部分可以由寄存器來靈活配置。ISL5239的輸入/輸出接口能夠達到125MHz采樣率和20MHz信號帶寬,對于20MHz帶寬的信號具備抑止5階互調(diào)失真能力。該芯片的核心是一維查找表(LUT)，片內(nèi)有2個查找表，一個用于在線查找，另一個用于備份，通過處理器接口可以隨時切換。查找表有三種尋址操作供選擇，分別對應輸入信號的線性功率、線性幅度或者對數(shù)功率尋址。芯片帶有輸入和反饋捕獲存儲器，16-bit 的外部處理器接口可以對片內(nèi)所有的寄存器和存儲空間進行操作。借助DSP可以對查找表進行自適應更新運算，也方便對芯片各部分的配置進行更改以適應不同體制的設(shè)計。芯片內(nèi)部的記憶效應和溫度效應補償接口，可以對外部射頻PA進行動態(tài)補償。內(nèi)置I/Q均衡器用于對外部模擬調(diào)制電路對I/Q的幅度和相位不均衡失真進行補償。

仿真開發(fā)平臺介紹
Intersil公司提供了ISL5239 WCDMA的評估板，該平臺可用于對ISL5239進行評估，或者定制自適應算法的研究。評估板在硬件結(jié)構(gòu)上包含ISL5239 ASIC、USB接口、CPLD等部分。使用CPLD來實現(xiàn)預失真閉環(huán)控制的仿真，在windows操作系統(tǒng)下可以借助USB接口對評估板操作。在評估軟件方面，該評估板提供了基于windows 的圖形界面(GUI)應用程序，用來訪問ISL5239的所有內(nèi)部寄存器、存儲器和LUT表項?？梢詫⒃u估板置入一個實際的系統(tǒng)中進行評估。除此之外，該評估板中還提供了使用Matlab 軟件來模擬PA和運行自適應算法的接口和工具箱。
在該評估板中，Matlab自適應算法模塊采用了最小均方誤差法。程序中包含了數(shù)字預失真的輸入控制、反饋控制、當前查找表自適應更新、尋址操作和產(chǎn)生新的查找表。

應用舉例和幾個關(guān)鍵問題
ISL5239配合Intersil 公司的數(shù)字上變頻器和下變頻器，可以構(gòu)成帶有數(shù)字預失真WCDMA單載波數(shù)字中頻方案，如圖 1所示。ISL5217 是一個4通道數(shù)字上變頻器，16-bit 的I/Q信號，在系統(tǒng)中實現(xiàn)QPSK調(diào)制，數(shù)字濾波和過采樣的功能。 ISL5416是一個4通道的數(shù)字下變頻器，在此實現(xiàn)中頻變換，數(shù)字濾波和自動增益控制功能，通過ISL5416構(gòu)成閉環(huán)控制回路，借助DSP和ISL5239的處理器接口實現(xiàn)自適應表項更新。在實際設(shè)計中，針對不同的IMT2000 CDMA 無線接口體制，需要考慮以下3個關(guān)鍵問題。
數(shù)字預失真的尋址方式選擇
對于基于查找表的數(shù)字預失真技術(shù)，如何構(gòu)建查找表和選擇何種尋址方式是決定最終效果的關(guān)鍵問題。ISL5239提供三種尋址方式，如圖 2所示，分別是線性功率、線性幅度和對數(shù)功率尋址，ISL5239可以任意選擇其中的一種方式。構(gòu)建LUT表項是依據(jù)PA的AM-AM，AM-PM特性，對PA輸出非線性部分提供補償，再根據(jù)將要采用的尋址方式來分配地址表中I/Q的內(nèi)容。查找表的構(gòu)建也決定了對輸入信號表現(xiàn)不同的壓縮擴展特性。選擇何種尋址方式取決于輸入信號的動態(tài)范圍。對于ISL5239，采用線性功率尋址的信號輸入范圍為30dB，線性幅度尋址的信號輸入范圍為60dB， 如果采用對數(shù)功率，信號輸入的幅度則可以達到120dB。因此，線性功率尋址和和依此構(gòu)建LUT表項適用于功率放大器在較小的動態(tài)范圍進行預失真。由于ISL5239 僅有1024個存儲表項(1024×60-bit)，對于信號輸入動態(tài)范圍比較大的預失真的操作效果會有一些影響。比較三種尋址方式，表項在LUT中的分布密度是不同的。以輸入信號功率較大那部分對應表項為例，對數(shù)功率尋址方式構(gòu)建的LUT表項在此密度最小，線性功率尋址方式構(gòu)建的LUT表項在此密度最高。在AM-AM曲線中，輸入信號較大的那部分是失真比較嚴重的部分。因此，采用對數(shù)功率尋址的預失真效果就沒有采用線性功率尋址的預失真效果好。如果希望采用查找表預失真的精度進一步提高，只能增加存儲表項的深度，即增大存儲的容量。LUT表項容量增大一倍，相鄰信道功率比(ACPR)降低6dB，這有些類似于ADC采樣的過程，只有提高量化位數(shù)，才能減小量化失真。尋址方式的選擇和如何構(gòu)建LUT表項主要取決于輸入信號的動態(tài)范圍。例如，對于WCDMA 4載波 負載64個用戶的測試環(huán)境下，峰值與平均功率值比(PAR)最小為10dB， 最大達到24.3dB， 在這種環(huán)境，輸入信號的動態(tài)范圍會超出30dB。因此，可以采用線性幅度尋址方式。
數(shù)字預失真內(nèi)插因子的選擇
ISL5239在輸入單元提供不同的內(nèi)插因子(IP)，IP可以選擇1x、 2x、4x和8x。 內(nèi)插的目的是為了達到過采樣的效果。數(shù)字預失真可以改善互調(diào)失真，其性能取決于內(nèi)插因子。眾所周知，采樣率越高，信號的失真越小。ISL5239使用過采樣技術(shù)來改善高階互調(diào)失真。但是，使用的內(nèi)插因子越高，要求芯片的信號處理帶寬越高。雖然輸入信號的最高采樣速率可以達到系統(tǒng)時鐘CLK速率，但是要求系統(tǒng)時鐘CLK >= Fs * IP。因此，要根據(jù)輸入信號的采樣頻率和系統(tǒng)時鐘來選擇內(nèi)插因子。例如，對于輸入采樣為29.49MSPS的4載波CDMA2000-1x信號，使用8x內(nèi)插因子，這個信號在ISL5239內(nèi)部已經(jīng)達到Fs=240MHz。超出了ISL5239的125MHz最高采樣速率，只能采用4x內(nèi)插。
自適應算法的選擇
由于PA的參數(shù)并不是固定的，可能會隨著環(huán)境溫度、供電電壓、輸出負載而變化，因此必須采用反饋原理來隨時更新查找表的參數(shù)，這就是自適應預失真技術(shù)。采用自適應數(shù)字預失真的電路必須是閉環(huán)系統(tǒng)，反饋路徑來自PA輸出的耦合信號，然后經(jīng)過頻率變換和A/D變換后送入自適應調(diào)節(jié)DSP中，進而更新查找表。ISL5239帶有一個16-bit并行處理器接口，這個處理器接口可以將ISL5239看作一個外設(shè)存儲器。所有的內(nèi)部寄存器和存儲空間都可以通過這個接口來訪問。這個接口由一個16bit的雙向數(shù)據(jù)總線P<15:0>，一個6 bit的地址總線A<5:0>，以及讀 (RD)、寫(WR)和片選(CE)信號線組成。通過這個簡單的并行接口實現(xiàn)處理器和預失真處理芯片的互聯(lián)，對芯片內(nèi)部的寄存器進行配置和查找，更新查找表操作。這就為自適應算法提供了硬件基礎(chǔ)。由于數(shù)字基帶反饋環(huán)路延時的存在，以前自適應數(shù)字預失真常用于基帶低碼流條件下。目前，高速ADC和DSP在這一領(lǐng)域逐漸應用，選擇合適的自適應算法以提高收斂速度和更新精度就成為一個比較關(guān)鍵的問題?；谝痪S查找表的數(shù)字預失真常用自適應算法包括：最小均方誤差法(MMSE)、線性疊代法和兩分法等等。

結(jié)語
在對ISL5239的評估中，將評估板設(shè)置為多載波模式，仿真4載波WCDMA輸入信號，這個信號經(jīng)過ISL5239預失真處理以后，對于WCDMA 4個載波20MHz帶寬，ACPR有13dB的改善。
由于ISL5239具有獨特的輸入/輸出結(jié)構(gòu)，可以和多種上/下數(shù)字變頻器相連接，同時支持多種LUT尋址方式，芯片內(nèi)部帶有記憶效應和溫度效應補償接口，內(nèi)置I/Q均衡器。使ISL5239具備較好的靈活性。通過對自適應算法和LUT的進一步研究, 改變軟件和ISL5239的內(nèi)部設(shè)置，就可以適應不同的射頻功率放大器的線性化處理。


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