一種基于LINC發(fā)射機(jī)系統(tǒng)的信號分離實(shí)現(xiàn)方法

無線通信系統(tǒng)要求的高數(shù)據(jù)傳輸速率使得人們致力于研究開發(fā)更先進(jìn)、高效的編碼、調(diào)制技術(shù)來提高無線頻率的效率，同時也對射頻前端提出了更苛刻的要求。功率放大器的效率和線性度是相互矛盾的一組指標(biāo)，必須協(xié)調(diào)二者從而使通信系統(tǒng)性能最優(yōu)化。LINC(Linear Amplification Using Nonlinear Components)技術(shù)就是相對于這個問題而提出一種能夠同時滿足高效率和高線性度的發(fā)射技術(shù)。LINC發(fā)射機(jī)技術(shù)的構(gòu)架在1935年最先被Chirex提出，但是由于當(dāng)時用模擬電路來實(shí)現(xiàn)三角函數(shù)及開方電路等比較復(fù)雜，導(dǎo)致LINC技術(shù)沒有受到足夠的重視，直到1974年北美的Cox首次以LINC為名來做出闡述。LINC技術(shù)是把一個調(diào)幅調(diào)相信號分解成兩個恒包絡(luò)的調(diào)相信號，然后分別通過兩個特性相同的功放，最后將兩路信號合成初始變包絡(luò)信號輸出。LINC技術(shù)采用高效率的非線性功率放大器來放大恒包絡(luò)的調(diào)相信號，可避免由功放的非線性所帶來的不利影響，因而既保證了發(fā)射機(jī)的高線性度，又保證了發(fā)射機(jī)的高效率。理論上功放的效率可以達(dá)到100％，這對于非恒包絡(luò)調(diào)制技術(shù)有著極其重要的意義。其中輸入信號分離成兩路恒包絡(luò)信號SCS(Signal Component Separate)對發(fā)射機(jī)性能起著關(guān)鍵作用。本文將對SCS算法做出闡述，并通過分析比較不同的實(shí)現(xiàn)電路，提出一種耗費(fèi)資源少的實(shí)現(xiàn)方法。同時對LINC系統(tǒng)給予了仿真驗(yàn)證。

1 SCS算法及實(shí)現(xiàn)電路分析

1.1 LINC系統(tǒng)原理

如圖1所示，分離后的信號s1(t)和s2(t)為恒包絡(luò)信號，這樣就可以將它們分別通過高效率但對包絡(luò)敏感的E(F)類放大器后合成輸出，達(dá)到高效率線性放大。但是LINC發(fā)射機(jī)系統(tǒng)有一個固有的缺點(diǎn)，就是兩個放大支路的不平衡，從而造成合成器輸出后的信號相比原信號有失真，帶來帶內(nèi)失真和帶外干擾，因此在LINC系統(tǒng)中往往要增加一個反饋支路，通過一定的算法，如自適應(yīng)濾波等來彌補(bǔ)這種由不平衡帶來的失真。

1.2 SCS算法及實(shí)現(xiàn)

信號分離的矢量圖如圖2所示，由圖可得e(t)的表達(dá)式為：

設(shè)輸入信號s(t)的笛卡爾表示形式為s(t)=si(t)+j*sq(t)，則式(5)可寫為：

由以上介紹知，如果得到e(t)的值，則分別與原輸入信號加／減就可以完成信號分離，此處用DSP實(shí)現(xiàn)SCS。目前e(t)主要采用查找表方法實(shí)現(xiàn)，但已有的方法中存在一些缺點(diǎn)，如：將誤差信號e(t)的實(shí)部和虛部值存放在二維查找表中，用輸入信號實(shí)部si(t)和虛部sq(t)尋址。該方法最主要的缺點(diǎn)是需要大量的存儲單元來存儲所有輸入信號對應(yīng)的e(t)值。如果輸入信號的實(shí)部和虛部都量化為12 b，輸出e(t)也為12 b時，總共需要的存儲量為：2*12*(212)2=403 Mb；另一實(shí)現(xiàn)方法如下：繼續(xù)化簡式(2)，式(3)可得到：

因此可用一張反余弦函數(shù)表(由式(4)，可得到θ(t))及一組正余弦查找表就可以得到分離后的信號。若輸入信號的實(shí)部和虛部都被量化到12 b，則完成三次查表共需要3*12*212=147.456 Mb存儲容量。

上述兩種實(shí)現(xiàn)SCS方法均占用了大量的存儲單元，即使采用儲存1／4正弦表，仍然需要最少36.75 Mb存儲容量，如果量化比特位數(shù)增加時，存儲量將以大于2的指數(shù)倍增加，這在實(shí)際實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中是不可取的，綜合以上方法，我們采用了一種降低存儲容量的實(shí)現(xiàn)方法，采用一維查找表結(jié)構(gòu)存儲正交誤差信號，然后用輸入信號的笛卡爾分量與之乘加運(yùn)算后即可得到誤差信號。在該方法中，用輸入信號功率(r2(t))索引地址，查找表表項(xiàng)數(shù)不需要等于所有可能的輸入信號功率值，每個表項(xiàng)的值可以由一組輸入功率范圍來索引，存儲值可由該組輸入功率范圍中最大值決定，這樣就大大降低了資源占用。

試驗(yàn)中采用210=1 024個存儲表項(xiàng)，則最大存儲值為：，采用定點(diǎn)處理DSP，信號分離后的仿真如圖3所示(以s1為例，s2同)，考慮到定點(diǎn)處理時存儲在表項(xiàng)中的數(shù)值為整數(shù)部分(如：值為31.98時，只存儲了31)，引入了舍入誤差，造成分離后s1，s2兩支路不是嚴(yán)格恒包絡(luò)(表項(xiàng)個數(shù)也對恒包絡(luò)情況有影響)，進(jìn)而影響最終合成器輸出的ACI(Adjacent Channel Interference)嚴(yán)重，因此儲存數(shù)值采用了擴(kuò)展精度的方法。如擴(kuò)展一位時，即：將5位表示31擴(kuò)展為用6 b表示31.98*2=63.96的整數(shù)部分，則實(shí)際可達(dá)到表示63／2=31.5，減小了誤差。擴(kuò)展精度位數(shù)可根據(jù)需要的精度設(shè)定。已有文章對最優(yōu)查找表表項(xiàng)數(shù)量和擴(kuò)展精度進(jìn)行了研究，研究結(jié)果如圖4所示。

從圖中可以看到，采用表項(xiàng)為210=1 024個，在擴(kuò)展精度為8 b的情況下，ACI達(dá)到了-70 dBc。此時占用的邏輯資源數(shù)量為：13*210=13.3 kb。占用資源量相比于第一種二維查表法降低了104倍。

2 SCS算法仿真

選用16QAM調(diào)制信號作為仿真信號，擴(kuò)頻、調(diào)制后經(jīng)過滾降系數(shù)為0.22的根升余弦濾波器，四倍插值后頻率為15.36 MHz進(jìn)入DSP進(jìn)行信號分離，分離的實(shí)現(xiàn)選用上述提到的第二種方法，分離后的信號頻譜如圖5所示(以s1為例)。

分離后的信號經(jīng)過F類放大器及合成器輸出，即可以達(dá)到高效率高線性度放大的目的。但是LINC系統(tǒng)兩分支電路不完全匹配，主要是由兩分支電路中放大器、正交調(diào)制器等的不平衡會帶來合成輸出后的信號不能完全抵消分離前引入的誤差信號e(t)，使頻譜擴(kuò)展到相鄰信道，造成臨信道干擾，因此采用自適應(yīng)濾波來補(bǔ)償這種不平衡，LINC系統(tǒng)最終輸出的信號波形與原始輸入信號功率譜密度比較如圖6所示，同時對輸入信號直接進(jìn)入放大器也進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果見圖7。

由圖6，圖7可知，采用LINC技術(shù)比直接經(jīng)放大器放大時輸出功率譜改善了10 dB左右。

3 結(jié) 語

本文對采用LINC功放線性化的SCS算法做了簡要分析，并對其中一種占用資源少，切實(shí)可行的算法進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果表明采用該方法后，比直接用F類放大器放大輸入信號，LINC技術(shù)可以改善10 dB的ACI，實(shí)現(xiàn)了線性放大。