改善功放工作效率的数字化方法及其仿真平台的建设.

1•改善功放工作效率的数字化方法及其仿真平台的建设•（申请清华大学工程硕士学位）培养单位：清华大学电子系大唐移动通信设备有限公司研发部申请人：熊军指导老师：冯正和段滔2开题报告内容综述•第一章：选题的目的和意义•第二章：仿真平台的建设•第三章：数字削峰的设计•第四章：数字预失真的设计•第五章：总结与展望3第一章选题的目的和意义•1.1问题的提出•频带增加，高效调制的应用与功放非线性的矛盾•1.2改善功放线性度的方法•峰值因子削除(CrestFactorReduction)•数字预失真(DigitalPredistortion)41.1选题的目的和意义－问题的提出•随着人们对各种移动通信高速业务数据的不断追求.为此人们提出了在基站使用N个频点来提高系统的带宽,增加系统的容量.使用N个频点所能提供的系统容量将是单频点的N倍.•但是频带的增加导致峰均比的增长,同时信息产业部已经为TD-SCDMA划分了1880MHz～1920MHz、2010MHz~2025MHz、2300MHz～2400MHz三个频段。如此宽的频段，使得可容纳的载波数急剧增长，所以峰值功率和均值功率之比(PAPR;Peak-to-AveragePowerRatio)将不断增大。同时新的高效调制方式的引入(MQAM),统的峰值功率与均值功率之比将会更进一步的加大.•功放的线性度受限和信号质量存在以下矛盾,这是由于如果想要继续保证信号的质量,设备商不得不买价格非常昂贵的高线性度功放,同时还要投入大量资金解决散热问题,同时还会出现芯片和相关器件容易老化受损等一系列问题51.2选题的目的和意义－改进的方法•..7dB输出PAR13dB输入PAR1:输入信号的平均功率(30dBm)1dB压缩点(43dBm)2:削峰后的平均功率(36dBm)6dB饱和功率点预失真后的1dB压缩点(47dBm))(dBmPout)(dBmPin3:削峰和预失真后的平均功率(40dBm)平均功率增长-功放效率的提高(PA效率=平均功率/直流功率)6第二章仿真平台的建设•2.1物理层仿真链路的建设•物理层的发射－调制扩频，物理层的接收－解调和联合检测•数字调制的三个步骤•2.2数字中频链路的建设•NCO的设计•数字中频中的内插抽取和滤波设计思想•组合滤波器的设计（CIC+PFIR）72.1仿真平台建设－物理层软件总体框图GenOneFrameData（产生一帧物理层数据）gen_one_burst(TS0,1,2,3,4,5,6)（产生TS数据）gen_dwpts（产生下行导频信号）gen_uppts（产生上行导频信号）b_data_modul_and_spread_hdl（调制扩频）symbol_modulate_hdlgen_midamble(产生MIDAMBLE)scrambling_and_spreading(加扰和扩频)dif_duc_core（上变频）gen_tddframe（函数入口）如果是多载波则循环调用get_chchode_info（码道功率，载波的配置信息）CFR_Func(数字削峰)DPD_Func（数字预失真）cal_signal_acpr（计算ACPR）joint_detection_tdd(联合检测)channel_estimation（信道估计）find_dwpts_pos（获取导频信号，取得时隙的起始位置）jd_demodulation（解调）caculate_error_bits（BER的测量）caculate_evm_pcde（EVM和PCDE的测量）dif_ddc_core(数字下变频率)hdl_rf_data(接收AD采样的中频信号)如果是多载波则循环调用hdl_if2phy_data（中频处理完成后到物理层的处理）jd_channel_postprocessing（生成联合检测需要的矩阵A）get_chchode_info（码道功率，载波的配置信息）DAC射频通道，功放ADC82.1仿真平台建设－－物理层到中频数据的生成QPSK或16QAM调制扩频：加扰：加权因子加权Midamble码生成Midamble码插入小区参数ID决定扰码生成功率调整系数Burst成形：扩频参数MAC指定用户指定用户指定内插和滤波频谱搬移数字削峰(,)_modkind()kc)(kQkw1621ν,...,ν,νν(,)_kipdspread92.1仿真平台建设的界面设置（1）•编写完物理层底层软件后，对仿真平台界面进行编写：MATLAB编写界面,用户根据•需要选择时隙,每一•个时隙的发射功率,•导频码以及调制•方式等。这些设置•都是依据3GPP来•完成的。•除了支持界面配置，•还支持文本配置102.1仿真平台建设的界面设置（2）－码道信息的配置•这些设置中以码道的设置最为复杂，如右图所示意：•采用的是OVSF码Q=1Q=2Q=4)1()1(1kQc)1,1()1(2kQc)1,1()2(2kQc)1,1,1,1()1(4kQc)1,1,1,1()2(4kQc)1,1,1,1()3(4kQc)1,1,1,1()4(4kQc112.1链路仿真平台建设－数字调制的三个步骤•对于CDMA系统来说无论采取何种调制,信号经过扩频以后均可分解为I、Q分量，利用I、Q分量可完成PSK、QAM等线性调制.IQ复数调制扩频加扰和插入MIDAMBLE码多路载波数据合并正交调制数模变换比特数据到信号星座图的映射IQRI1Kbitsymbolchip内插和RRC滤波IQ复数调制扩频加扰和插入MIDAMBLE码比特数据到信号星座图的映射IQRI1K内插和RRC滤波IQ复数解调信道估计和联合检测多路载波数据分离正交解调模数变换符号数据的解调IQRI1KbitsymbolchipRRC滤波和抽取IQ复数解调信道估计和联合检测符号数据的解调IQRI1KRRC滤波和抽取IQIQ物理层的处理物理层的处理NCONCONCONCO载波1载波N载波1载波N122.2数字中频链路的建设•1.NCO的设计•2.数字中频中的内插抽取和滤波设计思想•3.物理层到数字中频的处理流程132.2数字中频链路的建设－NCO•无论是复数调制还是正交调制都需要一个本振信号，NCO的目标就是产生一个频率可变的正弦波样本。•式中为NCO产生的正弦波的振荡频率，为输入信号的采样频率也可以认为式采样信号的速率。由于NCO实时计算方法实现起来实时性差，为此可以采用查表法，NCO在工作时，每输入一个采样样本，NCO就增加一个相位增量，然后按照相位累加角度作为地址，检查该地址上的数值并输出。•本次仿真用到了NCO，载波叠加和载波分离的仿真中使用.数字控制振荡器在DDC和DUC中相对来说是比较复杂的，也是决定DDC和DUC性能的最主要因素之一。•如果是复数上变频率,对于多载波的信号上变频NCO的输入数据为:•其中k为载波的序号，n为输入信号的序列。),2,1,0(2cos)(nnffnssLO　　lofsfsfKknffnfskLOkcarr,,1)2exp()(__142.2数字中频链路的建设－内插，抽取和滤波•内插是对已知的抽样序列两个相邻抽样点之间等间距的插入（I-1）个0值点，得到序列，然后进行低通滤波，即可得到抽样滤波序列。与的频谱相同。但会出现周期延拓，因此内插引入了一个问题：产生了频谱镜像。由于镜像的频谱是没有作用的，需要虑除，所以在内插后增加了一个低通滤波器。11.522.533.544.555.5600.20.40.60.811.21.41.6beforeinterpolat-green,afterinterpolate-red,filter-bluesequenceMagnitude00.10.20.30.40.50.60.70.80.9100.20.40.60.811.21.4/Magnitudeinputspectral-green,interpolatespectral-red,outputspectral-blue12111211112expexpexpexpjXnjTnxnIIjITnIxjVnn152.2数字中频链路的建设－组合滤波器的设计•组合滤波器从实现角度来说耗费资源小,实现简单,但是设计难度大.一般是CIC，PFIR组合成用户所需要的滤波器.•需要反复的试验修正,最后才可以作出真正满足性能要求的滤波器.右图就是利用CIC和PFIR组合的RRC滤波,滚降系数R=0.22.•DUC/DDC的处理就使用了组合滤波器16第三章数字削峰的设计和开发•1.本次削峰器的设计思想•削峰总体模块•一级削峰器设计•多级削峰器设计•削峰序列的生成•2.测试结果分析•EVM的测试比较•ACPR测试结果比较•总功率的提高测试和功放效率改善的测试•3.可实用性分析•削峰器处理的运算量173.1本次削峰器的设计－削峰模块综述（1）•对于TD-SCDMA来说,如果多个载波叠加,实际上是相对的时隙数据叠加.导致在中频进行载波叠加之后峰均比增大.对于TD系统,是按照时隙进行数据的发送,所以是相同时隙的数据进行叠加内插与数字滤波搬移到频点1调制,扩频加扰内插与数字滤波搬移到频点N+调制,扩频加扰内插与数字滤波搬移到频点2调制,扩频加扰D/A变换Midamble码插入Midamble码插入Midamble码插入多载波叠加内插L多级削峰处理(内插法)抽取L模拟电路放大削除TD-SCDMA时隙中所有的峰值功率)1(d)(nd)2(d183.1本次削峰器的设计－削峰模块综述（2）•削峰的处理大致可以分为三个步骤：•第一步：对中频数据的内插滤波；•第二步：多级削峰器对峰值数据的削除；•第三步：对削峰后的数据滤波抽取.•不同级别削峰器设置的检测域值与目标峰值是不同的,呈现逐级递减,这是因为高峰值的数据在最先被检测和削除,这是为保证大峰值数据首先被检测和削除,因为越大的峰值数据不被削除,在PA(PowerAmplifir)将造成越大的非线性失真.所以设置的第一级PDE检测域值较大，然后逐级递减。数据符号进行M倍内插滤波(1.28*L*M)MPS中频数据输入(1.28*L)MPS峰值门限设定内插法削除峰值检测功率超过门限的数据符号获取峰值峰值门限设定内插法削除峰值检测功率超过门限的数据符号获取峰值第一级PDE第N级PDE数据符号进行1/M倍抽取滤波用户设置第1级的功率检测门限域值用户设置滤波器系数用户设置串联的滤波器级数根据载波数设置内插滤波器系数根据载波数设置抽取滤波器系数N级串联PDE用户设置第N级的功率检测门限域值中频数据输出(1.28*L)MPS193.1本次削峰器的设计－一级削峰器设计•一级削峰器包括的模块有:缓存器;峰值检测器；判别器；峰值序列生成器；峰值对削器。•处理流程:•峰值信号的查找•峰值信号的对削•削峰序列的生成判别器缓存器(N+M)缓存器(N+M)取得输入信号的幅度和相位峰值检测器功率门限数值削峰序列削峰序列生成器IQIQIQ峰值对削器203.1本次削峰器的设计-峰值信号的查找•采用数字内插法进行数据削峰时,对输入的数据需要进行缓存,存储器的容量本文设计为L*M+K.存储器分为两块,第一块存储器的容量为L*M/2+K,第二块存储器的容量为L*M/2.•利用窗函数的方法查找到•峰值功率点后，峰值信•号点放到存储器的中间•位置，如右图所示意存•储器在缓存器中的L*M•个数据，峰值功率分布•在缓存器的中心位置•如果输入信号功率超过门限功率,则标•记开始峰值功率点的查找,从这时开始存储输入•信号的功率,为了节省存储器的容量,只记录最近M个•输入信号的功率.如果当前输入信号的功率小于前面第K个•信号的输入功率则认为存储器第一个位置和第K个位置输•入信号的功率中有峰值功率,在K(K10)个信号种查找峰值•功率对于FPGA来说易