隨著無線通信技術(shù)的飛速發(fā)展,，3G/4G系統(tǒng)傳輸?shù)男盘柧哂袑掝l帶,、高峰均比的特點^[1]。這對射頻功率放大器(PA)的設(shè)計提出了更高的要求,。由于射頻功率放大器固有的非線性和記憶效應(yīng),，信號經(jīng)過放大后，不僅會產(chǎn)生嚴(yán)重的帶內(nèi)失真和帶外頻譜擴(kuò)展,，還會增大通信系統(tǒng)誤碼率,，干擾鄰近信道^[2]。作為寬帶無線移動通信系統(tǒng)中不可缺少的關(guān)鍵器件，線性化技術(shù)的實現(xiàn)既能保證功率放大器的高效率,，又能滿足寬帶無線通信系統(tǒng)對其線性度的高要求^[3-5],。數(shù)字預(yù)失真作為最有效的射頻功率放大器線性化技術(shù)之一，憑借對消效果明顯,、性能穩(wěn)定,、處理信號頻帶寬、生產(chǎn)成本較低等優(yōu)勢,，廣泛應(yīng)用于無線通信系統(tǒng)基站中,。

1 硬件設(shè)計

        系統(tǒng)硬件部分采用模塊化的設(shè)計思想，主要包括射頻和數(shù)字兩部分,。其中,，射頻部分主要完成上下變頻、濾波,、功率放大等,，數(shù)字部分主要完成ADC、DAC,、基帶處理,、CFR、DPD等,。系統(tǒng)框架如圖1所示,。其中，DPD(OP4400)作為整個系統(tǒng)的核心部分,，本文對其進(jìn)行重點描述,。

1.1 OP4400的特點

        Optichron公司推出的數(shù)字預(yù)失真OP4400系列產(chǎn)品使用其獨有的非線性數(shù)字信號處理技術(shù)，用以消除射頻功率放大器非線性失真^[6],。OP4400采用獨立的DPD裝置,，無需外置處理器，且無需任何算法編程,；采用緊湊式設(shè)計,，較小封裝(169引腳14 mm×14 mm BGA)；可工作溫度范圍為-40 ℃～+85 ℃,，符合有害物質(zhì)限用指令(RoHS),。

        OP4400處理信號帶寬高達(dá)30 MHz，數(shù)據(jù)速率85 MS/s,、125 MS/s,、205 MS/s可選，數(shù)據(jù)接口支持LVCMOS和LVDS標(biāo)準(zhǔn)接口,；預(yù)失真處理跟信號調(diào)制方式無關(guān),，并且可與Doherty高效率功放聯(lián)合使用,；支持實中頻（real IF）、單邊帶（SSB）,、零中頻（ZIF）架構(gòu),，框架如圖2～圖4所示。

        OP4400支持實數(shù)中頻輸出,。預(yù)失真引擎輸出I/Q信號后,，將采樣率內(nèi)插4倍，通過數(shù)字低通濾波器（LPF）進(jìn)行濾波,，并通過搬頻轉(zhuǎn)換為實信號輸出給DAC芯片,。此種架構(gòu)允許處理預(yù)失真信號帶寬達(dá)到102.5 MHz，實信號頻率可達(dá)150 MHz,。另外,，發(fā)射鏈路和反饋鏈路可以共用本振。

        單邊帶（SSB）架構(gòu)與實中頻架構(gòu)相似,，只是其中頻信號由 DAC產(chǎn)生。SSB主要優(yōu)點：在混頻器輸出端,，本振泄露和不必要鏡像會得到30 dB以上的抑制,，可以降低后端帶通濾波器(BPF)設(shè)計要求。SSB需要雙路DAC,，并且DAC內(nèi)部需要支持內(nèi)插及搬頻,。另外，發(fā)射鏈路和反饋鏈路也可以共用本振,。

        零中頻（ZIF）與SSB架構(gòu)相似,，不同點是DAC不需要搬頻，只需要輸出零頻信號,。ZIF主要優(yōu)點：降低BPF設(shè)計要求,，節(jié)省成本；頻率可以靈活改變,，只要簡單修改本振LO頻率,。缺點：本振泄露和不必要鏡像在帶內(nèi)并且不能被濾除，因此要求I/Q非常均衡,。

        ZIF架構(gòu)反饋鏈路不能與發(fā)射鏈路共用本振,，因為反饋鏈路采用實中頻信號，中心頻點一般設(shè)置為0.75 Fs,。

        綜上所述,，3種架構(gòu)各有優(yōu)缺點，考慮到系統(tǒng)的實現(xiàn)難度及復(fù)雜度,，本文采用SSB架構(gòu),。

1.2 OP4400數(shù)據(jù)接口

        OP4400數(shù)據(jù)接口主要有3個，分別為主信號輸入接口、輸出接口和反饋信號輸入接口,。3個接口都支持LVCMOS和LVDS電平標(biāo)準(zhǔn),，采用二進(jìn)制補(bǔ)碼格式，16 bit位寬,，并且每個接口都有同步隨路時鐘,。

        主信號輸入/輸出接口由I/Q 2路16 bit LVCMOS標(biāo)準(zhǔn)接口和1路16-bit LVDS標(biāo)準(zhǔn)的DDR接口組成。反饋輸入接口由1路16 bit LVCMOS標(biāo)準(zhǔn)接口和1路16 bit LVDS標(biāo)準(zhǔn)的SDR接口組成,。數(shù)據(jù)接口采用高端對齊,，假設(shè)輸入數(shù)據(jù)位寬只有14 bit，則數(shù)據(jù)總線最低2位拉低,。另外,，輸入接口的數(shù)據(jù)速率必須是系統(tǒng)核時鐘的整數(shù)分頻比。假設(shè)核時鐘為100 MHz,，則輸入數(shù)據(jù)速率為100 MS/s,、50 MS/s、25 MS/s或者12.5 MS/s,，分別對應(yīng)內(nèi)插因子1x,、2x、4x或者8x,。最高數(shù)據(jù)速率可達(dá)到205 MS/s,。

1.3 OP4400時鐘系統(tǒng)設(shè)計

        圖5是一個典型的OP4400時鐘系統(tǒng)參考設(shè)計。主信號輸入接口隨路時鐘由基帶處理器提供,，反饋輸入接口時鐘由反饋ADC提供,。輸出接口隨路時鐘由OP4400內(nèi)部產(chǎn)生，作為外部DAC數(shù)據(jù)同步時鐘,。另外,，OP4400還需要系統(tǒng)核參考時鐘，由時鐘芯片提供,。

1.4 OP4400電源設(shè)計

        OP4400 I/O電源供給為3.3 V,，核電壓大小與速率和封裝有關(guān)，如表1所示,。I/O接口LVCMOS和LVDS分開供電,，為了省電，沒用到的接口相關(guān)電源管腳可以懸空,。上電順序為核電壓先于I/O電壓,，而下電順序沒有要求。

2 軟件設(shè)計

        OP4400提供豐富的接口函數(shù)及相關(guān)的狀態(tài)寄存器供用戶調(diào)用及查詢,。其內(nèi)部控制器是一個有限狀態(tài)機(jī),，可通過SPI總線發(fā)送相關(guān)命令對其狀態(tài)進(jìn)行查詢及切換,。控制流程如圖6所示,。

        (1)Boot：初始狀態(tài),，輸出到DAC數(shù)據(jù)接口都為0；并且從外掛Flash加載配置數(shù)據(jù),，對內(nèi)部相關(guān)寄存器進(jìn)行初始化,。

        (2)Program_chip：加載預(yù)失真初始系數(shù)，輸出到DAC數(shù)據(jù)接口切換到正常模式,。

        (3)Measure_1：測量整個信號環(huán)路延時,。

        (4)Set_delays：設(shè)置鏈路延時值。

        (5)Measure_2：測量信號相關(guān)功率值,。

        (6)Adapt_eq：線性均衡器,，校正相位及幅度失真。

        (7)Adapt_#1： 初步校正PA非線性失真,。

        (8)Adapt_#2： 精細(xì)校正PA非線性失真,。

2.1 初始化操作

        在正常工作模式下，通過發(fā)送復(fù)位信號,，OP4400內(nèi)部控制器從外掛SPI ROM啟動,，加載相關(guān)的寄存器配置，完成初始化操作,。狀態(tài)機(jī)進(jìn)入命令等待模式。

2.2 命令操作順序

        初始化之后,，對OP4400有限狀態(tài)機(jī)的控制可通過發(fā)送命令來進(jìn)行切換,，而命令的操作則通過配置內(nèi)部4個郵箱寄存器(MAILBOX0-3)實現(xiàn)。MAILBOX1和MAILBOX2用于傳送相關(guān)命令參數(shù)值,，MAILBOX0用于傳送命令操作碼和附加的參數(shù)值,。所有的命令參數(shù)值必須在寫操作碼之前配置好。MAILBOX0還包含命令執(zhí)行狀態(tài)及相關(guān)錯誤指示,。MAILBOX3為通信狀態(tài)寄存器,。

        完成一條命令操作代碼如下：

BOOLEAN mailBOX_comand(int *command)

{

SPI_READ_REG(MAILBOX3); 

CHECK_REG(MAILBOX3,15); //等待MAILBOX準(zhǔn)備好

SPI_WRITE_REG(MAILBOX1);

SPI_WRITE_REG(MAILBOX2);

SPI_WRITE_REG(MAILBOX0);//發(fā)送相關(guān)命令

CHECK_REG(MAILBOX3,15);//命令執(zhí)行開始

CHECK_REG(MAILBOX3,15);//命令執(zhí)行完成

CHECK_REG(MAILBOX0,0); //命令執(zhí)行成功

return TURE;

}

        程序流程圖如圖7所示。

3 測試結(jié)果

        主要測試儀器：信號源選擇Agilent EC4438,，頻譜儀選用安立MS2830,，外加射頻電纜線、衰減器等,。測試信號采用雙音信號,，頻點設(shè)置為942 MHz，輸出總功率為50 dBm,。圖8是對消前測試結(jié)果,。

        圖9所示為對消后測試結(jié)果,。可以看出,，OP4400對消效果良好,，IMD3≤-65 dBc，改善效果≥25 dB,。

        本文充分研究了數(shù)字預(yù)失真芯片OP4400的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理,，并給出了相關(guān)的軟硬件設(shè)計。從實測結(jié)果中可以看出,，OP4400對消效果明顯,，處理信號頻帶寬，性能穩(wěn)定,。同時支持多種調(diào)制方式信號,，修改部分配置及相關(guān)軟件就可以適應(yīng)不同頻段、不同制式的射頻功率放大器的線性化處理,。這種技術(shù)在3G/4G基站設(shè)計中有非常廣闊的應(yīng)用前景,。

參考文獻(xiàn)

[1] 楊小海.基于FPGA的射頻功放數(shù)字預(yù)失真技術(shù)平臺研究與實現(xiàn)[D].杭州：杭州電子科技大學(xué)，2010.

[2] 余平.寬帶射頻功率放大器反饋低采樣率數(shù)字預(yù)失真關(guān)鍵技術(shù)[D].成都：電子科技大學(xué),，2013.

[3] 馬國勝,，楊鷺怡.基于LTM9003接收器在無線基站設(shè)計中的應(yīng)用[J].電子測量與儀器學(xué)報，2009增刊：281-285.

[4] 邱岱,，潘文生,，卿朝進(jìn)，等.預(yù)失真多合體功率放大器ACLR與反饋通道帶寬的關(guān)系[J].電子技術(shù)應(yīng)用,，2012,，38(12)：90-93.

[5] KIM J，KONSTANTINOU K.Digital predistortion of wideband signals based on power amplifier model with memory[J].Electronics Letters,，2001,，37(23)：1417-1418.

[6] Optichron Inc..OP4400-datasheet-140[EB/OL].(2009)[2014].http://www.optichron.com.