基于Nios軟CPU內(nèi)核的FPGA非線性校正方案

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(hào)是多載波的QAM信號(hào)經(jīng)過IFFT處理后得到的結(jié)果，由于這種處理是線性相加的關(guān)系，當(dāng)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(duì)發(fā)射機(jī)線性度提出了非常高的要求[1]。射頻功率放大器是發(fā)射機(jī)系統(tǒng)中非線性最強(qiáng)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性狀態(tài)，因此線性功率放大器設(shè)計(jì)技術(shù)己成為線性化發(fā)射機(jī)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。為了既保證整個(gè)系統(tǒng)的效率，又避免信號(hào)由非線性造成的失真[2]，非線性校正技術(shù)隨著通信行業(yè)的發(fā)展變得日益重要。

2. 非線性校正方法介紹

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

為了獲得高效率和線性的HPA，必須消除其非線性失真，采用適當(dāng)?shù)耐鈬娐穼?duì)HPA的非線性特性進(jìn)行線性化糾正，使HPA和線性化電路在整體上呈現(xiàn)對(duì)輸入信號(hào)的線性放大效果[11]。目前，常用到的HPA線性化方法有功率回退法、負(fù)反饋法、前饋法和預(yù)失真法[7]。無論何種方法，其目的都是為了在保持較高發(fā)射效率的同時(shí)，獲得較好的線性輸入輸出特性。

2.1 傳統(tǒng)非線性校正技術(shù)

在線性化技術(shù)出現(xiàn)以前，為了避免由于功率放大器非線性引起的信號(hào)失真，系統(tǒng)設(shè)計(jì)者通常選用功率回退法，即把功率放大器的信號(hào)輸入功率降低，使功率放大器工作在線性工作區(qū)內(nèi)，遠(yuǎn)離非線性飽和區(qū)，從而改善功率放大器的互調(diào)失真[12]。功率回退法原理簡單且易實(shí)現(xiàn)，不需要任何附加設(shè)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(tǒng)的效率。

為了既保證整個(gè)系統(tǒng)的效率，又避免信號(hào)由非線性造成的失真，線性化技術(shù)成為通信領(lǐng)域的一種重要技術(shù)。一般而言，傳統(tǒng)的線性化技術(shù)分為開環(huán)和閉環(huán)兩類，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)，可以獲得較高的線性度，但穩(wěn)定性差，且只能處理窄帶數(shù)據(jù)，不適合多載波系統(tǒng)。而開環(huán)的校準(zhǔn)精度不如閉環(huán)，但處理帶寬大，穩(wěn)定性高。前饋技術(shù)作為另一類線性化技術(shù)，具有閉環(huán)的精度和開環(huán)的穩(wěn)定性和處理帶寬，但實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，成本很高，而且調(diào)試?yán)щy。

2.2 數(shù)字基帶預(yù)失真技術(shù)

線性化技術(shù)發(fā)展中非常重要的一步是預(yù)失真技術(shù)的出現(xiàn)，預(yù)失真技術(shù)最初應(yīng)用于模擬通信系統(tǒng)中的射頻部分，后來隨著數(shù)字信號(hào)處理(DSP)技術(shù)的發(fā)展，預(yù)失真線性化技術(shù)也可以在數(shù)字域內(nèi)實(shí)現(xiàn)，形成數(shù)字預(yù)失真技術(shù)。數(shù)字預(yù)失真技術(shù)主要應(yīng)用于基帶或中頻，極少應(yīng)用處理速率要求極高的射頻。

數(shù)字基帶預(yù)失真是根據(jù)HPA的非線性失真曲線,找出其反向特性函數(shù),對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行相反方向的預(yù)失真,這樣通過HPA后的總的傳輸特性呈線性，基本原理如圖1所示。

基帶預(yù)失真的優(yōu)點(diǎn)是：電路相對(duì)簡單，經(jīng)過精心的調(diào)整后，能達(dá)到很好的校正效果;穩(wěn)定性強(qiáng)，處理帶寬大，適合單載波和多載波系統(tǒng)，即與系統(tǒng)的調(diào)制方式無關(guān);與HPA的類型無關(guān)[13];

基帶預(yù)失真技術(shù)可以通過查詢表方式來實(shí)現(xiàn)，即構(gòu)造一個(gè)預(yù)失真查詢表，根據(jù)查詢表對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，這種方法可以應(yīng)用于任何增益波形圖的功率放大器，線性化效果好，但是需要占用較大的存儲(chǔ)空間。

3. 基于FPGA 的非線性校正方法的實(shí)現(xiàn)方案

有兩種對(duì)OFDM基帶信號(hào)實(shí)現(xiàn)非線性校正的方案。一種是基于FPGA，一種是基于DSP。基于FPGA方案的優(yōu)點(diǎn)在于集成度高，而基于DSP在算法實(shí)現(xiàn)和調(diào)試方面更為方便[6]。因?yàn)橹懈叨说腇PGA支持軟CPU內(nèi)核(典型的如Nios)，可以用高級(jí)語言(如C語言)進(jìn)行非線性校正算法的編程和調(diào)試，所以我們采用基于FPGA的校正方案。

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

我們設(shè)計(jì)的基于FPGA的非線性校正方案的系統(tǒng)框圖如下：

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

本校正系統(tǒng)主要包括三個(gè)部分：

查找表模塊：以輸入信號(hào)功率值為索引，動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)自適應(yīng)預(yù)校正算法計(jì)算得到的復(fù)數(shù)值。原始輸入基帶信號(hào)與其對(duì)應(yīng)索引項(xiàng)中的值進(jìn)行復(fù)數(shù)乘法[4]，即得到預(yù)失真后的基帶信號(hào)。

CORDIC模塊：完成直角坐標(biāo)(實(shí)部和虛部)和極坐標(biāo)(模值和相位)之間的轉(zhuǎn)換。因?yàn)镹ios軟CPU內(nèi)核算法是基于模值和相位(R*)的，而其它如查找表項(xiàng)值，輸入信號(hào)和反饋信號(hào)的都是基于實(shí)部和虛部(IQ)的。該模塊通過簡單的移位運(yùn)算和加減法運(yùn)算就能完成直極轉(zhuǎn)換，具有很高的計(jì)算效率[9]。

Nios軟CPU內(nèi)核及其自適應(yīng)預(yù)失真算法，這是非線性校正系統(tǒng)的核心部分。Nios CPU是一種采用流水線技術(shù)、采用16位指令系統(tǒng)的單指令流RISC處理器，具有強(qiáng)大的尋址模式和良好的可擴(kuò)展性，而且具備通用CPU的一般控制和運(yùn)算功能，并可以根據(jù)性能需求由用戶生成(用戶定制)，可獲得較高的性能資源比。自適應(yīng)預(yù)失真算法根據(jù)輸入信號(hào)和反饋信號(hào)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(如牛頓切線法)的迭代算法，逐次更新查找表，并經(jīng)一定次數(shù)的迭代運(yùn)算后趨于收斂。

方案實(shí)現(xiàn)時(shí)需注意的問題：

1. 關(guān)于同步控制

在生成預(yù)失真表時(shí)，必須保證是原始IQ與相對(duì)應(yīng)的IQ進(jìn)行比較，即同步控制。一般情況下，我們認(rèn)為延時(shí)是固定的?？梢酝ㄟ^特征序列來計(jì)算延時(shí)，也可定期用特征序列來更新延時(shí)。

2. 關(guān)于反饋延時(shí)電路的幅度調(diào)整

由于反饋信號(hào)同原始信號(hào)需要作比較，因此要對(duì)反饋信號(hào)作相應(yīng)的衰減，將反饋信號(hào)和原始信號(hào)進(jìn)行歸一化的處理。可以依靠系統(tǒng)初始化過程中的特征序列確定對(duì)反饋信號(hào)的衰減值。

4. 結(jié)語

本文提出的基于Nios軟CPU內(nèi)核的FPGA非線性校正方案，具有集成度高、靈活性強(qiáng)、調(diào)試方便的優(yōu)點(diǎn)，而且在DAB小功率實(shí)驗(yàn)發(fā)射系統(tǒng)中進(jìn)行了實(shí)測，信噪比提高了12dB，非線性補(bǔ)償效果較為理想。