CN1988522A - 宽带码分多址基站系统多通道多载波数字预失真发信机 - Google Patents

Abstract

一种宽带码分多址基站系统多通道多载波数字预失真发信机，包括反馈信号处理通道和至少一路多载波基带复用信号处理通道；其中：每一路多载波基带复用信号处理通道包括基带削峰数字上变频处理器、数字预失真处理模块、高中频输出模块和滤波器、射频前向通道、高功放；反馈信号处理通道包括射频反馈通道和A/D转换器。本发明采用基带削峰技术、数字预失真技术、高中频数字中频技术，减小了使用线性功放带来的高成本，并能够有效提高基站系统的发射性能和效率。本发明不通过反馈通道共用切换技术来实现节约射频链路开支。

Description

宽带码分多址基站系统多通道多载波数字预失真发信机

技术领域

本发明属于移动通信领域，涉及基上系统发信机，具体涉及宽带码分多址基站系统多通道多载波数字预失真发信机。

背景技术

移动通讯技术发展日新月异，3G移动通信系统对信号发射技术提出了更高的要求，发信机作为3G移动通信系统的重要组成部分，其性能的优劣成为影响整个系统性能、容量和成本的重要因素。

对于宽带码分多址基站系统，高峰均比的信号在放大过程很容易引起非线性失真，带来通信信号质量下降。目前使用最广泛的就是采用基于数字中频方案的发信板+线性功放的线性化发射方案，如图1所示。该方案的主要缺点就是效率低，成本高。线性功放需采用自适应前馈技术，用前馈抵消的方式来达到线性化的目的，同时必须用辅助放大器来放大失真信号，从而大大降低了效率，并且在设计中需要对误差抵消环的相位延时进行精心调节，这对生产和调试提出了很高的要求，因此也提高了线性功放的设计成本。

还有就是模拟预失真方案，在高功放的射频输入信号中直接引入预失真，电路结构简单、成本低，但模拟预失真线性化效果较差。

数字预失真线性化技术是解决通信系统中非线性失真问题的崭新技术，如图2所示，通过在输入基带数字信号中引入与高功放(HPA)本身正交相反的非线性失真改善HPA线性功率放大性能，实现较好线性、较高效率的功率放大，而且数字预失真技术具有自动自适应补偿功能，省掉了费时费力的手工放大器校准过程，大大简化了功放的调试。尽管现有预失真技术能够较好地解决AM-AM和AM-PM失真问题，但随着市场不断要求提高系统容量、降低成本，发信机也从原来的单载波、单通道要求升到多载波、多通道，以WCDMA系统为例，四载波系统要求的带宽将是20Mhz，对于如此宽的频段，放大器的记忆效应立即凸现无疑，会严重的影响预失真的补偿效果，是限制数字预失真技术实用化的一个主要的障碍，有记忆系统因为它的非线性输出不仅与当前时刻的输入信号有关，而且与此前时刻的输入信号也有关(输入信号的当前的功率包络分量不仅与当前的输入信号有关，还与以前的输入信号有关)。它不但限制了系统的线性化性能，而且也限制了系统的线性化带宽。预失真处理只有同时补偿AM-AM和AM-PM失真，以及记忆效应引起的非线性，才可能得到较好的效果。另外一方面，如图2所示的现有预失真发射机，在预失真处理的前级没有对基带数字信号的削峰功能，信号的峰均比还是较高，影响HPA效率的进一步提高。预失真处理后采用AQM方案，即模拟正交调制，将模拟IQ信号通过IQ调制器直接调制到射频，其主要缺点是需要使用两片DAC，成本上升，而且当使用IQ调制方式时直流偏压带来的本振泄漏难以处理，直接落在信号带内，影响发射机性能指标，尽管可以通过调节一定程度来抑制，但器件的差异性终究会给大批量生产带来风险。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种用于宽带码分多址基站系统的多通道多载频预失真发信机，能解决多载波、多通道中记忆效应带来的非线性问题、信号的峰均比较高的问题等。

本发明宽带码分多址基站系统多通道多载波数字预失真发信机，包括反馈信号处理通道和至少一路多载波基带复用信号处理通道；其中：每一路多载波基带复用信号处理通道包括基带削峰数字上变频处理器、数字预失真处理模块、高中频输出模块和滤波器、射频前向通道、高功放；反馈信号处理通道包括射频反馈通道和A/D转换器；

所述基带削峰上变频模块对传输来的基带下行IQ数据进行接入、解复用后分载频进行数字成型滤波、数字削峰处理、多载波基带数字合路，并根据需要进行数字上变频处理；数字预失真处理模块处理输入的削峰后的数字信号和经高功放耦合反馈回来的数字中频信号，产生预失真发射信号送给高中频输出模块；高中频输出模把预失真模块送来的信号经内插、复调制、D/A变换后输出合成的多载波模拟高中频的下行信号；射频前向通道将输入的合成的多载波模拟高中频信号经过一次上变频到射频频段，经过射频放大、滤波后输出多载波下行射频信号到高功放进行功率放大后输出；

射频反馈通道对经高功放放大后耦合来的射频信号进行模拟下变频处理，中频滤波、放大后输入到A/D转换器进行模数转换，送给预失真模块作为预失真处理的反馈输入信号。

所述数字预失真处理模块包括数字预失真处理内核和DSP处理器。所述DSP处理器包括输入信号处理器、反馈信息处理器、预失真系数产生器和预失真系数查询表；输入信号处理器通过对输入信号的功率求模、功率积分、以及功率微分计入记忆效应的影响；预失真系数产生器根据输入信号的特性得到预失真参数；预失真处理内核根据预失真参数进行预失真处理，消除非线性失真。

本发明中，在射频前向通道和射频反馈通道中还可以包括温度补偿芯片，用来维持一定温度范围内的通道增益的稳定性。

本发明中的削峰处理采用先分别对每路载波信号进行削峰处理、合路后再进一步削峰处理的削峰策略，各个削峰门限可灵活设置，以达到较优的削峰效果。

本发明中，还包括反馈通道开关和反馈通道共用切换控制单元，通过切换射频反馈通道，来使多路数字预失真模块共用一路射频反馈通道。

由于本发明采用基带削峰技术、数字预失真技术、高中频数字中频技术，减小了使用线性功放带来的高成本，并能够有效提高基站系统的发射性能和效率。本发明不通过反馈通道共用切换技术来实现节约射频链路开支。

附图说明

图1是使用线性功放的发射结构框图；

图2是已有数字预失真的发射结构框图；

图3是本发明的结构框图；

图4是本发明采用的基带削峰原理框图；

图5是本发明采用的基带削峰策略示意框图；

图6是本发明采用的数字预失真处理原理框图；

图7是本发明采用的下行高中频数字中频处理结构图；

图8是本发明采用的射频前向通道的结构图；

图9是本发明采用的射频反馈通道的结构图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例来对本发明做进一步详细说明：

如图3所示，本发明包括n路多载波基带复用信号处理通道，每一种多载波基带复用处理通道包括基带削峰上变频模块、数字预失真处理模块、高中频输出模块(D/A转换器)和滤波器、射频前向通道、高功放(HPA)；A/D转换器、射频反馈通道、反馈通路共用切换控制单元。基带削峰上变频模块对传输来的基带下行IQ数据进行接入，解复用后分载频进行数字成型滤波、数字削峰处理、多载波基带数字合路，降低信号峰均比，并根据需要进行数字上变频处理；数字预失真处理模块处理输入的削峰后的数字信号和经高功放耦合反馈回来的数字中频信号，产生预失真发射信号送给D/A转换器；D/A转换器把预失真模块送来的信号经内插、复调制、D/A变换后输出合成的多载波宽带码分多址模拟高中频的下行信号；射频前向通道将输入的合成的多载波宽带码分多址模拟高中频信号经过一次上变频到射频频段，经过射频放大、滤波后输出多载波宽带码分多址下行射频信号到HPA进行功率放大，输出的下行信号性能达到设计指标要求；射频反馈对输入的多载波宽带码分多址下行射频信号的耦合信号(HPA耦合输出)进行模拟下变频处理，中频滤波、放大后输入到A/D转换器进行模数转换，送给预失真模块作为预失真处理的反馈输入信号。反馈通路共用切换控制单元通过切换射频反馈通道，来使多路预失真模块共用一路射频反馈通道，节约成本。

本发明所述的信号处理过程如下：

A、多载波的基带并行I/Q复用信号，经基带削峰上变频模块进行解复用、每载削峰、数字成型滤波、数字上变频后，送至中间处理环节(对数字成型滤波后的每路载波信号进行进一步削峰处理和实现数字合成算法)、后端处理环节(对合路后的多载波数字基带信号进行进一步削峰处理)，最终完成合路削峰处理；

B、削峰后的基带信号进入数字预失真处理模块，先进行速率调整，然后送到预失真处理内核进行预失真处理，预失真处理的算法的实现要利用到DSP产生的预失真系数，DSP处理输入的基带信号和经高功放放大后耦合反馈回来的信号，以非实时的形式不断更新这些预失真系数；

C、预失真处理后的信号送入D/A转换器，经多倍内插后，进行复正交调制、数字滤波，最后输出高中频模拟实信号；

D、高中频模拟信号进入射频前向通道，主要完成模拟中频信号的滤波、放大，上变频，射频信号的放大、滤波，最后送入高功放放大，经天线端口发射。

E、射频反向通道处理经高功放放大后耦合来的射频信号，经过衰减、下变频、放大、滤波后，再经A/D转换，送给预失真模块。

本发明中还可以在射频前向通道和射频反馈通道中加入温度补偿芯片，以维持一定温度范围内的通道增益的稳定性。

本发明在使用多个通道的预失真处理时，利用FPGA实现开关切换射频反馈信号，以复用一个射频反馈通道，有效降低成本。

宽带码分多址信号是高峰均比的信号，削峰处理可以降低输入信号的峰均比，输 入信号峰均比降低，可以减少后级高功放的回退量，从而进一步提高高功放的效率，但是，削峰处理也给输入信号带来一定的失真，随着削峰的程度增大，输出信号的EVM的恶化也随之增加。所以，必须通过控制采用合适的削峰处理，将EVM指标控制在允许范围内。

削峰基本上是在数字域实现，可以在FPGA芯片上开发削峰算法来实现削峰功能，并采用灵活的削峰策略，以达到较优的削峰效果。如图4所示，采用简单的基带硬削峰算法(非常易于实现)，时域上对基带信号进行幅度门限判断，一旦信号幅度超过门限值，就把超过部分截断，再经过一个成形滤波器，可以在单载硬削峰后保证信号的ACLR(Adjacent Channel Leakage power Ratio)指标。如图5所示，采用先分别对每路载波信号进行削峰处理、RRC(Root-Raise-Cosine)滤波器进行成形处理、合路后再进一步削峰处理的，各个削峰门限可灵活设置，可以达到较优的削峰效果。

如图6所示，数字预失真处理模块主要完成对削峰后合路输入的多载波基带I/Q数字信号的实时预失真处理。输入信号处理器、反馈信号处理器分别对输入信号和反馈信号进行功率求模(得到输入信号现在的特性)、功率积分integrator(得到输入信号过去的特性)、以及功率微分diffentiator(得到输入信号未来的特性)处理，来计入记忆效应的影响。预失真系数产生器比较输入信号和反馈信号的特性，用非实时的复杂的运算得到的预失真参数，包括了记忆效应的影响，AM-AM和AM-PM失真非线性效应的影响。预失真处理内核根据这些参数进行预失真处理，就可以抵消由记忆效应、AM-AM和AM-PM失真非线性效应的影响引起的非线性失真。

已有的预失真发信机由于受器件水平的局限，往往采用AQM方案，即模拟正交调制，将模拟IQ信号通过IQ调制器直接调制到射频，其主要缺点是零中频IQ调制方式带来的直流偏压引起的本振泄漏问题，器件的差异性会给大批量生产带来风险。因此本发明采用高中频数字中频技术进行改善，并可以节省器件成本，只需一片DAC。对于下行发射电路，中频须尽量高，这样做有以下几个优点：a)采用高中频，可以实现一次射频变频，减小射频电路的复杂度；b)采用高中频，变频产生的镜像频率离有用信号更远，便于进行滤波处理；c)采用高中频，可以降低射频本振的频率，从而降低本振设计难度，提高本振指标。为了使DAC的性能达到最佳值，也需要保证其工作时钟达到它的允许时钟最大值，根据目前器件的水平，选用ADI公司的高速DAC。图7显示了一路三载频数字中频信号处理过程。其实现过程如下：信号完成成形滤波、削峰、频率搬移处理后进行预失真处理，输出I/Q信号；DAC输入数据速率为92.16MHz，在内部作8倍内插，数据速率为737.28MHz，其内部NCO取Fs/4模式，振荡频率为184.32MHz，基带I/Q经过NCO混频到中频184MHz，并经DAC转换为模拟中频信号输出。

如图8所示，发射前向通道包括中频滤波器、温补芯片、放大器、数控衰减器、混频器、隔离器、放大器、射频滤波器、放大器，主要完成模拟中频信号的滤波、放大器及上变频等功率，考虑到WCDMA信号的特殊性能，必须保证发射电路具有较高的线性。因此中频、射频的放大器和混频器都选择输出IP3尽量高的器件，同时兼顾功耗要求。。中频滤波器采用LC波器对中频信号进行滤波，滤除数字中频单元TXDIF输出的无用镜像频率。温度补偿芯片用来补偿温度变化时通道增益的波动，维持通道增益的平坦度。第一级放大器用来对中频信号进行放大。数控衰减器用来根据需要动态调节发信机的输出功率。混频器采用上变频混频器，作用是将中频信号上变频到射频频段，需要外接本振信号。第二级和第三级放大器在射频频段对信号进行放大。由于混频后镜像信号较大，因此混频后仍需用一个射频宽带滤波器进行带外的滤波，我们选用介质滤波器。在射频前向通道的末级加上隔离器，可以有效防止发射信号反射。

如图9所示，射频反馈通道包括数控衰减器、混频器、温补芯片、中频滤波器、放大器、巴伦，要求尽量选用低NF、高IP3的器件，保证通道的线性和低底噪，主要是将经高功放放大后耦合回来的射频信号，衰减后下变频为中频信号，并经过温度补偿、带通滤波、放大、A/D转换后，送到预失真处理模块的反馈信号输入端参与预失真处理。反馈通道的数控衰减器随前向通道的数控衰减器反向联动，当前向输出功率变化时，保证反馈回去的信号仍然维持在较恒定的幅度以得到较佳的性能。混频器采用下变频混频器，作用是将射频信号下变频到中频频段，需要外接本振信号。温度补偿芯片用来补偿温度变化时通道增益的波动，维持通道增益的平坦度。进入A/D转换器的信号需要用中频波器对中频信号进行滤波，我们采用LC中频滤波器，便于实现，能有效防止混入的干扰信号。放大器对滤波后的信号进行放大，并通过巴伦将单端信号转为双端信号，满足ADC器件的输入要求。

本发明还采用切换技术来共用一个射频反馈通道，以节约成本。一般的预失真发信机，不同扇区(对应不同的通道)需要不同的反馈通道，反馈通道的主要作用是给预失真模块提供高功放反馈的非线性信号，供预失真模块产生训练、调节产生预失真系数，一旦调节完成得到了最佳的预失真系数，预失真内核就可以直接采用预失真系数来产生预失真信号，此时反馈通道的作用基本上就很小了。如图3所示，本发明采用共用一个反馈通道，由切换控制单元来进行控制切换，当一路的预失真通道调节完毕，就可以保存该路预失真系数，切换给下一路预失真通道；当某路预失真通道需要重新进行训练、调节时，由后台通知切换控制单元进行切换，完成预失真闭环训练、调节功能。

Claims (5)

1、一种宽带码分多址基站系统多通道多载波数字预失真发信机，包括反馈信号处理通道和至少一路多载波基带复用信号处理通道；其中：每一路多载波基带复用信号处理通道包括基带削峰数字上变频处理器、数字预失真处理模块、高中频输出模块、滤波器、射频前向通道、高功放；反馈信号处理通道包括射频反馈通道和A/D转换器；

所述基带削峰上变频模块对传输来的基带下行IQ数据进行接入、解复用后分载频进行数字成型滤波、数字削峰处理、多载波基带数字合路，并根据需要进行数字上变频处理；数字预失真处理模块处理输入的削峰后的数字信号和经高功放耦合反馈回来的数字中频信号，产生预失真发射信号送给高中频输出模块；高中频输出模把预失真模块送来的信号经内插、复调制、D/A变换后输出合成的多载波模拟高中频的下行信号；射频前向通道将输入的合成的多载波模拟高中频信号经过一次上变频到射频频段，经过射频放大、滤波后输出多载波下行射频信号到高功放进行功率放大后输出；

射频反馈通道对经高功放放大后耦合来的射频信号进行模拟下变频处理，中频滤波、放大后输入到A/D转换器进行模数转换，送给预失真模块作为预失真处理的反馈输入信号。

2、权利要求1所述的宽带码分多址基站系统多通道多载波数字预失真发信机，其特征在于，数字预失真处理模块包括数字预失真处理内核和DSP处理器。

3、权利要求2所述的宽带码分多址基站系统多通道多载波数字预失真发信机，其特征在于，所述DSP处理器包括输入信号处理器、反馈信息处理器、预失真系数产生器和预失真系数查询表；

输入信号处理器通过对输入信号的功率求模、功率积分、以及功率微分计入记忆效应的影响；预失真系数产生器根据输入信号的特性得到预失真参数；预失真处理内核根据预失真参数进行预失真处理，消除非线性失真。

4、权利要求1所述的宽带码分多址基站系统多通道多载波数字预失真发信机，其特征在于，在射频前向通道和射频反馈通道中还有温度补偿芯片，用来维持一定温度范围内的通道增益的稳定性。

5、权利要求1至4任一权利要求所述的宽带码分多址基站系统多通道多载波数字预失真发信机，其特征在于，射频反馈通道只有一路，还包括反馈通道开关和反馈通道共用切换控制单元，通过切换射频反馈通道，来使多路数字预失真模块共用一路射频反馈通道。

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