CN101977081A - 一种高效率的数字光纤cdma直放站及实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高效率的数字光纤CDMA直放站及实现方法，该系统由近端设备和远端设备组成，近端设备和远端设备通过数字基带信号在光纤中进行传输通信。它包括射频小信号单元、数字信号处理单元、高效率功放单元、双工器单元、电压转换单元和监控单元等构成；其中高效率功放单元采用对称Doherty技术，在数字信号处理单元中加入了削峰以及自适应数字预失真处理，使得整个设备在提高效率的同时，线性度也能满足系统指标要求。本发明有益的效果是：在提高整个系统效率的同时，能有效保证其线性指标满足要求，解决射频的线性与效率矛盾，而且能跟踪由于器件老化、温度变化等工作条件和工作环境变化所造成的功放线性特性变化，一直保持良好的线性效果。

Description

一种高效率的数字光纤CDMA直放站及实现方法

技术领域

本发明涉及移动通信网络覆盖及优化领域，主要是一种高效率的数字光纤CDMA直放站及实现方法。

背景技术

在移动通信迅速发展的今天，无论何种无线通信的覆盖区域都将产生弱信号区和盲区，而对一些偏远地区和用户数不多的盲区，要架设模拟或数字基站成本太高，基础设施也较复杂，为此提供一种成本低、架设简单、具有小型基站功能的经济有效的设备——直放站是很有必要的。

CDMA直放站可以扩大CDMA基站的覆盖范围，大大节省CDMA网络建设的投资。其中光纤直放站由于空间隔离度好，不产生同频干扰，所以重发方向可采用全向天线覆盖以提供覆盖效果；同时提高增益而不会自激，有利于加大下行信号的发射功率，常采用大功率工作方式。在后哥本哈根时代，应坚持低消耗、低排放、高效率为特征的“绿色之道”，实现全面可持续发展，那么数字光纤直放站设备的功耗就成为一个大问题。一般的数字光纤直放站系统远端机整机效率只有10％左右。它由射频小信号单元，数字信号处理单元、功放单元、电压转换单元和监控单元等组成，其中主要功耗集中于功放单元，若能提高功放单元的效率，减少热损耗，则能有效的提高整机的效率。CDMA信号的峰均比很高，有13dB左右，这使得功放单元要回退13dB以上，从而降低了功放单元的效率。射频的线性化技术和高效率技术是相互矛盾的，在提高功放单元的效率时，势必要牺牲它的线性度，邻近信道抑制比(ACPR)在750KHz和1.98MHz处往往都只能达到-40dBc左右，很难满足系统线性指标(750KHz抑制-45dBc、1.98MHz抑制-60dBc)；若要满足系统的线性指标，那么势必要降低功放单元的效率，让它的工作点回退大大于13dB。

发明内容

本发明的目的正是要克服上述技术的不足，而提供一种高效率的数字光纤CDMA直放站及实现方法，它在提高整个系统效率的同时，线性度也能满足系统指标。

本发明解决其技术问题采用的技术方案：这种高效率的数字光纤CDMA直放站，该系统由近端设备和远端设备组成，近端设备通过馈线从基站耦合下行射频信号，并通过光纤与远端设备进行通信，信号经过数字信号处理单元后，由高效率功放对其进行放大并由天线发射出去；该系统下行链路涉及到的模块包括射频小信号单元、数字信号处理单元、高效率功放单元、双工器单元、电压转换单元、监控单元和本地串口组成；其中射频小信号单元实现上下变频与滤波；数字信号处理单元对信号进行削峰滤波以降低信号的峰均比，同时对信号进行自适应预失真数字信号处理；高效率功放单元对信号进行放大后经双工器单元并由天线发射出去；电压转换单元完成对输入电压的转换，给各个模块单元提供所需的各种电压；监控单元实现对近远端设备的控制调试及软件下载和升级，通过本地串口与计算机相连接。

作为优选，近端设备和远端设备之间通过数字基带信号在光纤中进行传输与通信。通过高效率功放单元的效率提升从而提升整个设备的效率，通过数字信号处理单元对信号在数字域进行相关处理，使得整个设备的线性指标满足要求。通过自适应数字信号处理，使得整个设备能跟踪由于器件老化、温度变化等工作条件和工作环境变化所造成的功放特性变化，从而继续保持良好的线性效果。

本发明所述的高效率的数字光纤CDMA直放站的实现方法，步骤如下：

1)、近端机从基站耦合下行的射频信号，由射频小信号单元进行混频及滤波处理，然后在数字信号处理单元中，对中频信号进行ADC(模数转换器)采样，将模拟信号转换为数字信号，通过DDC(数字下变频)模块对数字信号进行抽取滤波，降低信号的采样率。然后按CPRI(通用公众无线电接口)协议要求对数字信号进行组帧，由serdes(串行解串器)对信号进行并串转换以及8B10B编码，通过光纤将信号传递至远端机。

2)、远端机从光纤中提取并恢复数字信号，由DUC(数字上变频)模块对信号进行内插滤波，提高信号的采样速率并送入到削峰处理模块对数字基带信号进行削峰，将信号的峰均比降低到接近于7dB。

3)、信号在完成削峰后流入到预失真处理模块，预失真处理模块能产生与功放的线性特性曲线相反的曲线，该传输函数的系数可自适应更新，从而能跟踪由于器件老化、温度变化等工作条件和工作环境变化所造成的功放线性特性变化。

4)、预失真信号经过DAC(数模转换器)转换为模拟的I、Q(同相、正交)中频信号，经AQM(模拟正交调制)调制到射频信号后进入功放单元，由功放单元对信号进行高效放大。由于预失真模块与功放单元两者的传输函数特性曲线互补，所以整个系统就有一种较好的线性效果，相对于没有通过预失真模块处理，邻道抑制比能改善20dB以上。

作为优选，为支持预失真模块的自适应跟踪处理，系统引入一条反馈路径，它从功放输出口耦合功放的输出信号，经混频滤波后AD转换为数字信号，输入到预失真处理模块。这样预失真模块就能根据削峰后输入的信号和功放输出的信号计算出功放的非线性特性模型，然后修正自身的预失真器系数，使得预失真器的非线性特性模型与功放的非线性特性模型相反，从而抵消功放的非线性。

本发明有益的效果是：在提高整个系统效率的同时，能有效保证其线性指标满足要求，解决射频的线性与效率矛盾，而且能跟踪由于器件老化、温度变化等工作条件和工作环境变化所造成的功放线性特性变化，一直保持良好的线性效果，这对于解决移动通信网络覆盖及优化领域中直放站设备大功率发射情况下所普遍存在的效率与线性问题具有重大的参考和现实意义。

附图说明

图1是高效率的数字光纤CDMA直放站系统框图；

图2是信号的数字处理框图；

图3是削峰处理模块的原理框图；

图4是预失真处理模块的原理框图；

图5是预失真处理过程在频谱上的体现；

图6是对称Doherty功放的原理框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

图1是该高效率的数字光纤CDMA直放站的系统框图。它包括近端设备与远端设备，两者之间通过数字信号在光纤中进行传输与通信，它主要由射频小信号单元，数字信号处理单元，功放单元，双工器单元，监控单元以及电压转换单元组成。

该系统也可分为上行链路与下行链路两部分。上行链路分为主、分集两条路径，它由远端覆盖天线接收手机的上行CDMA信号，然后放大混频，AD转换为数字信号后经过光纤传递到近端机，在近端机中经DA转换，恢复到模拟信号后，混频到相应的射频频段上，经馈线将信号传递至基站。下行链路通过馈线从基站耦合下行射频信号并进行混频滤波，AD转换为数字信号后经光纤传递至远端机，然后在基带数字信号处理中加入削峰及预失真处理，最后DA转换并AQM调制到相应射频频段上后由功放进行放大，并由覆盖天线将下行信号发射出去。在远端机中有一条反馈链路，它从功放的输出端耦合信号，经下变频及滤波后，AD转换为数字信号并送入到基带数字信号处理模块。

图2是模拟信号转换为数字信号后，所经过的一系列数字信号处理。对于上行链路，ADC的采样速率用的是122.88MHz，采样后的数字信号以122.88MSPS(每秒采样百万次)的速率输入到DDC模块；对于CDMA直放站系统，信号的带宽为10MHz，所以DDC模块将数字信号进行8倍滤波抽取，以15.36MSPS的速率将信号送入到CPRI模块；在CPRI模块中，它将上行主分集送入的信号按协议进行组帧并输出，由serdes芯片对信号进行并串转换及编码后在光纤中进行传输，近端机的serdes芯片对光纤传过来的数据进行并串转换及译码后，将信号送入近端机的CPRI模块进行解帧处理；DUC模块将输入的信号进行8倍内插滤波，以122.88MSPS的速率送给DAC芯片进行数模转换及后续的AQM调整。

在下行链路中，ADC也是以122.88MHz进行采样，经类似于上行链路的数字信号处理后，远端DUC输出速率为61.44MSPS的数字基带信号，该信号进入CFR(削峰)模块进行削峰滤波处理以便于降低信号的峰均比，完成削峰后进行1.5倍内插滤波，然后以92.16MSPS速率输入到DPD(预失真)模块做预失真信号处理，完成预失真处理后进行2倍内插滤波，最终以184.32MSPS速率输出给DAC芯片做数模转换。

图3是削峰处理模块的原理框图。峰值检测模块会比较输入信号的幅度与用户所设置的门限值，然后得到各个峰值的位置以及各个峰值所对应的幅度和相位信息；分配器根据所得到的峰值位置信息让抵消脉冲发生器(CFG)产生一个恒幅的抵消脉冲序列，该抵消脉冲序列可下面描述过程来得到，首先设计一个CDMA单载波的低通滤波器，它的阻带抑制会影响信号的ACPR，所以要根据需要调整阻带抑制以得到最好的ACPR，其原则是削峰前后信号的ACPR基本一致，然后将这个单载波低通滤波器搬移到CDMA各个载波位置上并合成，从而得到该序列；根据各个峰值的相位以及幅度与门限的差值组成输出各个峰值相对应的复信号，它与抵消脉冲序列做一个相乘运算，从而得到各个峰值自己的抵消脉冲序列；最后这些抵消脉冲序列与原始信号进行相减，达到峰值抵消的效果，同时ACPR不恶化。图中画了4个抵消脉冲发生器，当峰值很多时，会出现抵消脉冲发生器不够用的情况，所以可多级联几级该模块，但是整个系统的时延会增加，具体增加的时延由滤波器阶数和信号采样率所决定。

图4是预失真处理模块的原理框图。它的基本原理就是在输入信号和高功率放大器之间插入一个具有与放大器非线性特性相反的非线性单元，从而使整个系统呈现线性特性。功放的输出信号y(n)经过反馈路径调整增益后作为预失真训练网络的输入，该信号经过预失真训练网络后输出然后与功放的输入信号μ(n)进行比较，该误差信号

用于预失真训练网络的自适应信号处理。若预失真训练网络的自适应算法收敛，即

那么把预失真训练网络的系数完全复制到预失真器中，就会有：当

时，y(n)/G＝r(n)，即y(n)＝G*r(n)，其中G是整机增益，整机的输出相对于输入信号，表现为线性特性。

在非线性系统理论中，经常采用记忆多项式模型、wiener模型以及hammerstein模型等来构建有记忆非线性系统。在图4的预失真器以及预失真器训练网络中，采用记忆多项式模型来模拟非线性功放的逆特性。数学表述如下式，其中K为非线性阶数，L为记忆深度。

$u\left(n\right)=\underset{\mathrm{odd}}{\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}}\underset{l=0}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{b}_{\mathrm{kl}}r(n-1){\left|r(n-1)\right|}^{k-1}$

预失真训练网络对该模型参数的估计是一个自适应滤波的过程，这里选择LMS(最小均方误差)算法作为预失真训练网络系数的更新算法。复数域LMS算法系数更新公式为：

W(n+1)＝W(n)+μ×Y(n)×e^*(n)

其中误差函数e(n)＝u(n)-W^H(n)×Y(n)，对应记忆多项式模型，矩阵Y(n)为：

$Y\left(n\right)=\left[\begin{array}{c}y\left(n\right)\\ \·\\ \·\\ \·\\ y\left(n\right)*{\left|y\left(n\right)\right|}^{K-1}\\ \·\\ \·\\ \·\\ y(n-L)\\ \·\\ \·\\ \·\\ y(n-L)*{\left|y(n-L)\right|}^{K-1}\end{array}\right]$

图5是预失真处理过程在频谱上的体现，通过在数字域中抓取数据然后由Matlab转化为频谱显示。其中图a为输入到预失真模块的单载波CDMA数字信号，当预失真模块不使能而将该信号送入功放放大时，输出的频谱如图b所示(通过反馈链路耦合得到功放的输出信号)，可见ACPR很差，不能满足整机的线性指标。图c为经过预失真模块处理后的数字信号，从频谱中可以看到信号的带宽变宽，所以后续的信号处理不能再按原先的10MHz带宽，需要考虑5阶以上的带宽扩展。当该已经过预失真处理的信号经过功放放大，由于两个非线性特性的拟合，使得整体呈现出线性，输出的信号频谱如图d所示，ACPR能提高20多dB，这样就满足了系统的线性指标。

图6是对称Doherty功放的原理框图。提高功放效率的技术有很多，其中对称Doherty是一种比较成熟的技术，它由2个功放组成：一个主功放，一个辅助功放。射频输入信号由功分器分成两路输入，当输入功率较小时，只有主功放工作，当主功放的输出电压达到预饱和时，输入电流只有最大值的一半，而主功放的效率达到了最大值；当输入功率达到开启辅助功放时，根据负载牵引技术，随着辅助功放的电流增加，主功放的视在输出阻抗将减小，而此时主功放的输出电压不变，因此在保证高效率的同时，增加了输出功率；当输入功率达到激励峰值时，辅助功放也达到了自己效率的最大点，这样两个功放合在一起的效率就远远高于单个功放的效率。主功放后面的90°四分之一波长线是阻抗变换，目的是在辅助功放工作时，起到将主功放的视在阻抗减小的作用，保证辅助功放工作的时候和后面的电路组成的有源负载阻抗变低，这样主功放输出电流就变大。由于主功放后面有四分之一波长线，为使两个功放输出同相，在辅助功放前面也需要90°相移。

本发明所提供的一种高效率的数字光纤CDMA直放站系统，远端机整机效率可达25％左右，同时邻道抑制比在750KHz和1.98MHz处都能达到-60dBc以上，满足系统的线性指标。在该系统中，在数字域中加入了削峰与预失真信号处理，通过削峰可以将CDMA信号的峰均比降低到7dB，从而减少功放的回退值；功放单元采用了对称Doherty技术来提高效率，在回退7dB情况下该单元的效率可达42％，但线性度会恶化，这可通过预失真信号处理模块来改善，使得整机的线性度指标满足要求。

除上述实施例外，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (4)

1.一种高效率的数字光纤CDMA直放站，其特征是：该系统由近端设备和远端设备组成，近端设备通过馈线从基站耦合下行射频信号，并通过光纤与远端设备进行通信，信号经过数字信号处理单元后，由高效率功放对其进行放大并由天线发射出去；该系统下行链路涉及到的模块包括射频小信号单元、数字信号处理单元、高效率功放单元、双工器单元、电压转换单元、监控单元和本地串口组成；其中射频小信号单元实现上下变频与滤波；数字信号处理单元对信号进行削峰滤波以降低信号的峰均比，同时对信号进行自适应预失真数字信号处理；高效率功放单元对信号进行放大后经双工器单元并由天线发射出去；电压转换单元完成对输入电压的转换，给各个模块单元提供所需的各种电压；监控单元实现对近远端设备的控制调试及软件下载和升级，通过本地串口与计算机相连接。

2.根据权利要求1所述的高效率的数字光纤CDMA直放站，其特征是：近端设备和远端设备之间通过数字基带信号在光纤中进行传输与通信。

3.一种采用如权利要求1所述的高效率的数字光纤CDMA直放站的实现方法，其特征在于：步骤如下：

(1)、近端机从基站耦合下行的射频信号，由射频小信号单元进行混频及滤波处理，然后在数字信号处理单元中，对中频信号进行ADC采样，将模拟信号转换为数字信号，通过DDC模块对数字信号进行抽取滤波；然后按CPRI协议要求对数字信号进行组帧，由串行解串器对信号进行并串转换以及8B10B编码，通过光纤将信号传递至远端机；

(2)、远端机从光纤中提取并恢复数字信号，由DUC模块对信号进行内插滤波，提高信号的采样速率并送入到削峰处理模块对数字基带信号进行削峰，将信号的峰均比降低到接近于7dB；

(3)、信号在完成削峰后流入到预失真处理模块，预失真处理模块产生与功放的线性特性曲线相反的曲线；

(4)、预失真信号经过DAC转换为模拟的I、Q中频信号，经模拟正交调制到射频信号后进入功放单元，由功放单元对信号进行高效放大，功放单元与预失真模块两者的传输函数特性曲线互补。

4.根据权利要求3所述的高效率的数字光纤CDMA直放站的实现方法，其特征在于：引入一条反馈路径，它从功放输出口耦合功放的输出信号，经混频滤波后AD转换为数字信号，输入到预失真处理模块，由预失真模块根据削峰后输入的信号和功放输出的信号计算出功放的非线性特性模型，然后修正自身的预失真器系数，使得预失真器的非线性特性模型与功放的非线性特性模型相反，从而抵消功放的非线性。

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