基于嵌入式Linux數(shù)字基帶預(yù)失真控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

楊德偉， 宋雪松， 王 華， 王 正

(北京理工大學(xué) 通信技術(shù)研究所，北京 100081)

0 引 言

在無線通信系統(tǒng)中,為得到大的信號功率，以滿足發(fā)射要求,需要通過高功率放大器對射頻信號進(jìn)行放大。為提高射頻功放的效率,功放往往工作在非線性狀態(tài),會導(dǎo)致非線形失真。功率放大器的非線性失真嚴(yán)重影響了通信的質(zhì)量[1]。當(dāng)今移動通信系統(tǒng)中,為了增加傳輸速率和信道容量,采用了復(fù)雜的具有高頻譜利用率的數(shù)字調(diào)制方式。采用這些數(shù)字調(diào)制方式,信號包絡(luò)的變化產(chǎn)生了記憶效應(yīng),這種記憶效應(yīng)引入了更大的帶外擴(kuò)散,增加鄰道干擾,同時也產(chǎn)生了帶內(nèi)失真，因此,誤比特率更加嚴(yán)重。在設(shè)計射頻功放時,除了滿足功放輸出功率的要求外,效率和線性度是必須考慮的兩個因素,但功放的效率和線性度是相互對立的。改善射頻功率放大器線性度的線性化技術(shù)的預(yù)失真技術(shù)具有穩(wěn)定、高效、寬帶寬與自適應(yīng)等優(yōu)勢[2]。數(shù)字基帶預(yù)失真在基帶進(jìn)行信號處理,自適應(yīng)技術(shù)能夠容易地應(yīng)用到預(yù)失真結(jié)構(gòu)中。為了實現(xiàn)數(shù)字基帶信號預(yù)失真處理，需要對預(yù)失真系統(tǒng)中相關(guān)硬件進(jìn)行控制。目前，針對數(shù)字基帶預(yù)失真系統(tǒng)的控制及算法多采用單片機(jī)、FPGA、DSP[3-4]。然而基于單片機(jī)的控制系統(tǒng)由于單片機(jī)本身的局限性，運(yùn)行速度低，移植性比較差，無法進(jìn)行多任務(wù)操作?；贔PGA的控制系統(tǒng)可操作性差，每改變一次控制參數(shù)，需要對FPGA重新寫入一遍程序，不方便控制?；贒SP的控制系統(tǒng)雖然能夠?qū)崿F(xiàn)算法，但是對預(yù)失真系統(tǒng)的控制同樣不方便。而基于嵌入式Linux[5-6]的控制不但能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)失真算法，而且能夠方便地對預(yù)失真系統(tǒng)進(jìn)行控制，從而彌補(bǔ)了幾者之間的缺陷。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

圖1 間接學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)框圖

數(shù)字基帶預(yù)失真系統(tǒng)由數(shù)字基帶處理部分和射頻處理部分組成，其硬件實現(xiàn)如圖2所示。調(diào)制信號首先映射為I/Q兩路，然后經(jīng)過根升余弦濾波器成形濾波后，進(jìn)入預(yù)失真器得到預(yù)失真器輸出信號；經(jīng)過預(yù)失真器處理后的信號，通過D/A變換、低通濾波、模擬正交調(diào)制和上變頻變成射頻信號，然后進(jìn)入高功率放大器，功放輸出信號中一部分信號通過天線發(fā)送，另一部分經(jīng)過定向耦合器反饋給預(yù)失真系統(tǒng)，反饋信號經(jīng)過下變頻和正交解調(diào)得到基帶模擬信號，利用高速A/D變換器變成數(shù)字基帶信號，通過定時同步算法對齊反饋數(shù)據(jù)與發(fā)送數(shù)據(jù)，再利用自適應(yīng)算法調(diào)整預(yù)失真器系數(shù)，從而實現(xiàn)預(yù)失真的目的。數(shù)字基帶預(yù)失真控制系統(tǒng)通過同步算法和自適應(yīng)算法完成對預(yù)失真器系數(shù)的調(diào)整，通過對DA/AD、調(diào)制模塊參數(shù)的調(diào)整，來實現(xiàn)對傳輸信號的控制。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

數(shù)字基帶預(yù)失真控制系統(tǒng)硬件由ARM[8]、鍵盤模塊和顯示模塊共同組成，如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)框架圖

鍵盤模塊由HD7279A控制芯片和4*4矩陣鍵盤組成[9]。HD7279A是一種專門管理鍵盤和LED顯示器的專用智能控制芯片，它具有自動消除按鍵抖動并識別按鍵代碼的功能，從而可以提高CPU工作的效率，同時具有較高的可靠性。HD7279A和ARM之間采用串行接口，當(dāng)HD7279A檢測到有效按鍵時，其KEY腳產(chǎn)生一個中斷發(fā)送到ARM，當(dāng)HD7279A接收到讀取鍵值指令時，輸出當(dāng)前按鍵的鍵值代碼到ARM。

采用LCM12832ZK作為顯示模塊，LCM12832ZK是一種具有8位/4位并行、2線/3線串行多種接口方式，內(nèi)帶簡體中文字庫的圖形點陣液晶顯示模塊[10]。它具有顯示信息豐富，體積小、功耗低、使用方便等特點，該模塊在系統(tǒng)中的功能主要是根據(jù)具體的按鍵顯示相關(guān)的操作指令。

ARM作為整個控制系統(tǒng)的核心，必須能夠具有較強(qiáng)的運(yùn)算能力和豐富的接口便于對外設(shè)的控制，基于以上考慮，系統(tǒng)設(shè)計選用S3C6410。S3C6410不僅能滿足任務(wù)需求，而且成本低、功耗低，其操作系統(tǒng)的開源代碼，便于軟件實現(xiàn)。ARM在本文中主要有兩個功能，一方面負(fù)責(zé)讀取鍵值代碼，并將相應(yīng)的操作指令傳輸?shù)筋A(yù)失真系統(tǒng)和顯示模塊上，另一方面負(fù)責(zé)與FPGA通信，完成數(shù)據(jù)的讀取、處理和發(fā)送工作。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

程序開發(fā)編譯環(huán)境包括Fedora9.0，交叉編譯工具采用的是arm-linux-gcc-4.5.1。嵌入式Linux采用的是Linux2.6.38。

3.1 預(yù)失真算法

在數(shù)字基帶預(yù)失真系統(tǒng)中，其算法包括同步算法和自適應(yīng)算法。由于放大器環(huán)路反饋信號存在著延時，因此必須對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)對齊，即進(jìn)行同步算法。對采集的數(shù)據(jù)完成同步算法處理之后，再進(jìn)行自適應(yīng)算法，之后將得到的系數(shù)復(fù)制到預(yù)失真模塊，即完成了整個預(yù)失真的過程。

通常，數(shù)據(jù)對齊的步驟分為兩步[11]，即整數(shù)部分延時的數(shù)據(jù)對齊及小數(shù)部分延時的數(shù)據(jù)對齊，采用兩步處理的目的是為了提高估計的準(zhǔn)確度和最大限度地減少資源占用。本文整數(shù)部分的數(shù)據(jù)對齊采用基于協(xié)方差法的算法，小數(shù)部分的數(shù)據(jù)對齊采用基于Lagrange內(nèi)插的協(xié)方差法的算法[12]。

自適應(yīng)算法中多采用最小均方誤差(Least Mean Square，LMS)算法[13]、最小二乘(Least Square，LS)算法[14]、遞歸最小二乘(Recursive Least Square，RLS)算法[14]三種經(jīng)典自適應(yīng)算法。本文采用RLS算法，它的更新目的是使輸出信號與期望信號在最小二乘意義上最匹配，具有快速收斂的特點，因而被廣泛應(yīng)用于實時系統(tǒng)辨識和快速的信道均衡等領(lǐng)域。

3.1.1基于協(xié)方差法的算法

協(xié)方差法公式如下所示：

Rxz(m)=

-L+1≤m≤L-1

(1)

圖4 協(xié)方差法求整數(shù)倍延時的曲線

3.1.2基于Lagrange內(nèi)插的協(xié)方差法的算法

Lagrange內(nèi)插實際上是使用了內(nèi)插濾波器，這種插值濾波器使用了拉格朗日(Lagrange)多項式內(nèi)插。由于這種插值濾波器使用了Farrow結(jié)構(gòu)，是一種高效的結(jié)構(gòu)，非常適合高速實現(xiàn)。對于已知的I個采樣點，Lagrange內(nèi)插公式[15]可以表示為：

(2)

其中，Ci為每個采樣值的權(quán)重，由不同的采樣時刻決定，且滿足：

(3)

(4)

對插值后的輸入和輸出數(shù)據(jù)按照整數(shù)倍延時估計的方法，求得協(xié)方差曲線，在得到最大值所在的位置以后，除以內(nèi)插倍數(shù)P后得到的值即為小數(shù)部分延時。需要說明的是，該算法的適應(yīng)性比較強(qiáng)，對放大器環(huán)路中固定相偏和頻偏抖動均不敏感，因此即使放大器非線性特性及記憶性很明顯，估計的結(jié)果依然穩(wěn)定而且準(zhǔn)確。

3.1.3遞歸最小二乘算法

把待最小化的代價函數(shù)表示為J(n)，其中n是可測數(shù)據(jù)的可變長度。另外，習(xí)慣上還在J(n)的定義中引入遺忘因子0<λ<1，其使用是為了保證“遺忘”掉久遠(yuǎn)的過去數(shù)據(jù)，以便當(dāng)濾波器工作在非平穩(wěn)環(huán)境中時，能跟蹤觀測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計變化：

(5)

其中:e(n)是圖1間接學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)中所表示的誤差;a是由akq組成的K(Q+1)行1列的列向量;u是由y對應(yīng)a構(gòu)造多項式組成的列向量：

(6)

為了后續(xù)的計算，給出輸入向量的自相關(guān)矩陣：

(7)

并設(shè)其逆矩陣R-1(n)為P(n)，RLS算法的主要步驟如下：

(1) 初始化：a(0)=0,P(0)=δ-1I,其中δ是一個很小的值；

(2) 更新增益向量k(n)：

(8)

(3) 更新預(yù)失真器系數(shù)：

(9)

(4) 更新逆矩陣：

(10)

(5)n=n+1，轉(zhuǎn)到步驟(2)。

3.2 預(yù)失真算法軟件

本文將ARM應(yīng)用于數(shù)字基帶預(yù)失真系統(tǒng)，利用ARM實現(xiàn)了預(yù)失真算法[16]。其工作流程如圖5所示。系統(tǒng)上電后，預(yù)失真算法軟件經(jīng)過初始化后，從FPGA的RAM中讀取數(shù)據(jù)，經(jīng)過預(yù)失真算法程序，進(jìn)行同步算法和自適應(yīng)算法，得到一組參數(shù)，然后將這組參數(shù)發(fā)送到預(yù)失真器，之后再次讀取數(shù)據(jù)，判斷是否需要更新預(yù)失真器中的系數(shù)，如果需要更新，就進(jìn)行預(yù)失真算法處理；如果不需要更新，就繼續(xù)讀取數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷。

3.3 鍵盤顯示控制軟件

為了使系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)人機(jī)交互及控制界面，設(shè)計了AD控制模塊、DA控制模塊、上變頻控制模塊以及下變頻控制模塊。當(dāng)系統(tǒng)上電后，S3C6410通過GPIO端口對各個模塊進(jìn)行初始化設(shè)置，等所有初始化工作都完成以后S3C6410進(jìn)入中斷等待狀態(tài)，等待按鍵中斷的到來。當(dāng)S3C6410檢測到按鍵中斷時，向HD7279A發(fā)送讀取鍵值指令讀取鍵值，根據(jù)不同的鍵值，將對應(yīng)操作顯示到液晶上，并發(fā)送相應(yīng)的控制指令到AD/DA模塊或者上下變頻模塊，完成操作后回到中斷等待狀態(tài)，等待中斷發(fā)生。其工作流程如圖6所示。

圖5 預(yù)失真算法程序流程圖圖6 鍵盤顯示控制程序流程圖

4 系統(tǒng)測試結(jié)果

經(jīng)過測試，本設(shè)計能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)字基帶預(yù)失真系統(tǒng)的算法以及對該系統(tǒng)的控制。通過鍵盤顯示控制程序，實現(xiàn)了對AD/DA模塊、上下變頻模塊的控制；通過預(yù)失真算法程序，實現(xiàn)了預(yù)失真同步算法和自適應(yīng)算法。在圖7中顯示了有無預(yù)失真算法時，信號的AM/AM對比圖。從圖中可以看出預(yù)失真效果明顯，功放輸出信號為線性信號。

圖7 數(shù)字基帶預(yù)失真AM/AM特性圖

5 結(jié) 語

Linux是當(dāng)前最受歡迎的操作系統(tǒng)之一，它具有內(nèi)核小、效率高、源碼開放的優(yōu)點，所以也被廣泛應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)中。本文將嵌入式Linux引入預(yù)失真系統(tǒng)中，實現(xiàn)了對傳輸信號的控制，為用戶提供了簡潔的可操作平臺，嵌入式Linux具有良好的移植性、可重用性和擴(kuò)展性，便于預(yù)失真控制系統(tǒng)的優(yōu)化和調(diào)整，同時也減少了后續(xù)開發(fā)工作，對于其它設(shè)備驅(qū)動的開發(fā)具有一定的參考價值。

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