數(shù)字預失真技術在空間通信系統(tǒng)中的應用研究

陸宇穎 ，梁顯鋒

(1．中國科學院空間科學與應用研究中心，北京 100190；2.中國科學院大學研究生院，北京 100049)

目前，頻譜資源日益緊張，為了提高頻譜資源的利用率，空間通信系統(tǒng)越來越多地采用非恒定包絡的信號調(diào)制方式，例如星地數(shù)傳系統(tǒng)中應用的SRRC-OQPSK、8PSK以及16QAM等。這將使通信系統(tǒng)中頻譜資源緊張的問題在一定程度上得以解決。

通常，非恒定包絡調(diào)制信號經(jīng)過非線性的功率放大器放大后會產(chǎn)生信號失真，由此導致通信的干擾。它還具有較高的峰均比，對信道的非線性特性非常敏感。特別是功率放大器工作在飽和狀態(tài)時，將使發(fā)射信號產(chǎn)生嚴重的非線性失真，導致一系列影響通信質(zhì)量的后果，如頻帶內(nèi)的相位和幅度失真。由此導致接收端對信號解調(diào)后的星座圖的惡化，產(chǎn)生碼間干擾，造成誤碼率上升。同時，功率譜密度邊帶的提高會出現(xiàn)頻帶外失真，導致頻譜再生和鄰道干擾[1]。為使非恒定包絡的調(diào)制信號經(jīng)過功放后不產(chǎn)生非線性失真，通常采用線性回退的方法來達到線性的要求。但結果是功率放大器工作在線性狀態(tài)，效率非常低。

為滿足現(xiàn)代無線通信技術的需求，射頻功放線性化技術得到了迅速發(fā)展。多種支持功放線性化和效率增強方面的技術已經(jīng)應用在無線通信系統(tǒng)中，如功率回退技術、前饋技術和負反饋技術[2]、LINC（Linear Amplification with Nonlinear Components）技術[3]、CALLUM（Combined Analogue Locked Loop Universal Modulator） 技 術[4]、 包 絡 跟 蹤ET（Envelope Tracking）、消除和恢復（Elimination and Res-toration）技術、預失真技術、Doherty技術等。在各種線性化技術中，數(shù)字預失真技術是一種在數(shù)字域可以改善功放線性化以及提高功放效率的理想技術。

由于衛(wèi)星上能源嚴格受限，完成星-地數(shù)據(jù)傳輸功能的空間通信系統(tǒng)需要實現(xiàn)高效率工作。因此，空間通信系統(tǒng)中的功率放大器需要在輸入功率一定的條件下，使輸出功率盡可能大。由此，放大器需要工作在飽和狀態(tài)?？臻g通信系統(tǒng)中功放的線性化成為了一個有意義的研究課題。為了解決通信系統(tǒng)高效率與高線性度間的矛盾，需要一種既能使通信系統(tǒng)采用非恒包絡的高階調(diào)制方式，也可讓功率放大器工作在飽和狀態(tài)而調(diào)制信號的線性特性不出現(xiàn)惡化的解決方案。針對空間通信系統(tǒng)的應用需求，本文開展了數(shù)字預失真技術應用在星載數(shù)傳系統(tǒng)的研究，詳細闡述了一種用于空間通信中的數(shù)字預失真器及其預失真處理前后的信號輸出特性結果。

1 數(shù)字預失真的實現(xiàn)過程

1.1 設計方案

圖1 SRRC-OQPSK空間數(shù)字通信發(fā)射機系統(tǒng)

圖1給出了一種應用SRRC-OQPSK調(diào)制模式的空間數(shù)傳發(fā)射機系統(tǒng)。非恒定包絡的基帶信號經(jīng)成形濾波后，經(jīng)非線性函數(shù)預失真器變換后經(jīng)數(shù)/模轉(zhuǎn)換成模擬信號，再調(diào)制后經(jīng)功率放大器放大后輸出并通過天線發(fā)射出去。經(jīng)過功放的輸出功率需要耦合出一部分信號，經(jīng)過解調(diào)，送到模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊后輸出的數(shù)字信號經(jīng)過提取，獲得已調(diào)信號經(jīng)過功放后輸出特性參數(shù)，通過反饋回路和自適應算法進行查找表的更新后實現(xiàn)數(shù)字預失真功能。

圖2的技術方案基于FPGA硬件平臺，實現(xiàn)框圖給出了基帶信號產(chǎn)生及其中頻調(diào)制的過程，通過開關控制可實現(xiàn)預失真或非預失真模式的選擇。

圖2所示的數(shù)字預失真方案先由偽隨機序列產(chǎn)生基帶數(shù)據(jù)，再經(jīng)串/并轉(zhuǎn)換和星座映射及FIFO數(shù)據(jù)接口模塊后，送入升余弦滾降濾波器(SRRC)模塊以產(chǎn)生兩路基帶OQPSK信號經(jīng)成形濾波后的信號。其中SRRC濾波器的實現(xiàn)主要通過FIR的IP核，系數(shù)主要通過MATLAB工具箱推演出，生成.coe文件導入FIR模塊中。信號經(jīng)CIC插值濾波器模塊完成速率變換后，送入數(shù)字預失真模塊進行處理，最后送入中頻調(diào)制模塊實現(xiàn)OQPSK基帶信號的中頻調(diào)制輸出。該模塊處于OFF模式時不工作，產(chǎn)生的信號為一個未經(jīng)數(shù)字預失真以及功放的原始信號（raw signal）；在 ON模式下預失真模塊工作，產(chǎn)生信號為OFF模式下的原始信號經(jīng)數(shù)字預失真處理過但未經(jīng)功放處理過的信號。

1.2 實現(xiàn)方法

圖3為對應圖1中的虛線部分，即實現(xiàn)SRRC-OQPSK調(diào)制方式的基帶信號產(chǎn)生及其調(diào)制的原理框圖。包含偽隨機序列信號源、時鐘分配、FIFO接口、串/并轉(zhuǎn)換、星座映射、CIC插值濾波器、SRRC升余弦滾降濾波、截位、數(shù)據(jù)尺度縮放、內(nèi)插速率選擇、數(shù)字預失真地址和乘法器及其地址對應內(nèi)容，以及中頻調(diào)制共13個模塊。其中，若I路/Q路信號時間不同步，則要通過FPGA軟件仿真后找到不同步的時間，并利用延時模塊使之同步。上述模塊都是通過編寫VHDL代碼并下載程序到FPGA硬件電路板上實現(xiàn)的。

圖2 SRRC-OQPSK基帶信號硬件實現(xiàn)框圖

對于整體方案中的非線性函數(shù)模塊，需要這個模塊來擬合一條與非線性功放輸入/輸出歸一化特性曲線成反函數(shù)的特性曲線。通過使用一乘法器乘以查找表（LUT）結構中存儲的系數(shù)，來實現(xiàn)非線性函數(shù) F-1功能的預失真器。該模塊主要用I/Q兩路信號分別進行預失真處理來實現(xiàn)，預失真查找表地址產(chǎn)生模塊的實現(xiàn)方法如圖3所示，其中 z-n代表延時(n代表延時的時間數(shù))。實部表和虛數(shù)表的地址通常都用I的平方與Q的平方之和的平方根表示，即功率檢測的值，由此計算出輸入平均功率大小的值作為查找表的地址，按升序排列。該結構需要使用兩個乘法器和一個加法器，并且最后需要截位。

預失真查找表模塊主要由4 096個地址和對應的4 096個地址內(nèi)容組成，通過Matlab工具計算出其地址對應的內(nèi)容。圖1所示系統(tǒng)中，從高頻功放（HPA）的輸出功率中耦合出一部分信號，經(jīng)過解調(diào)，送到模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊。經(jīng)過對OQPSK未放大前和被HPA放大后的信號分別對應的功率值進行測量，提取出所需功放在某個固定溫度下的 HPA輸入/輸出功率的特性參數(shù)，如表1所示。

圖3 基于查找表的預失真及基帶信號產(chǎn)生調(diào)制原理框圖

表1 某固定溫度下某功率放大器的輸入/輸出功率

利用Matlab軟件對該功放特性曲線進行歸一化，再求出其反函數(shù)。通常用該軟件中polyfit函數(shù)編寫*.m文件，即用最小二乘法對該曲線進行多項式擬合，并求出該多項式的系數(shù)。然后對該曲線進行線性插值，將得到的其反函數(shù)的輸入/輸出功率特性做成一張4 096個地址及其對應內(nèi)容的查找表，并生成FPGA中IP核中ROM模塊可以調(diào)用的*.coe類型文件,然后將該文件調(diào)用到圖2的工程文件內(nèi)非線性變換函數(shù)模塊對應的ROM模塊中。通過乘法器乘以ROM對應的每個地址的內(nèi)容，最后預失真后的信號經(jīng)過DAC(數(shù)/模轉(zhuǎn)換)和調(diào)制以及射頻域的功放放大后，通過天線發(fā)送出去。

2 實驗結果

圖1所示數(shù)傳系統(tǒng)采用了Xilinx公司kc705型號的FPGA板和太速科技公司AD9777型號的AD/DA附加板作為控制核心，還包括混頻器、可調(diào)衰減器、信號源、某波段的射頻功放以及帶數(shù)字解調(diào)功能的頻譜儀等。測試方案如圖4、圖5所示。

圖4 SRRC-OQPSK信號（未經(jīng)預失真）經(jīng)某波段功放的測試方案

圖5 SRRC-OQPSK信號（預失真后）經(jīng)某波段功放的測試方案

圖6 未經(jīng)過預失真 SRRC-OQPSK信號

圖7 經(jīng)過預失真后 SRRC-OQPSK信號

依據(jù)圖4、圖5所示方案，對已經(jīng)及未經(jīng)預失真的信號進行了測試。分別完成了圖4中A、DAC-C、兩點以及圖5中D、DAC-B兩點對應信號的測量。測試結果如圖 6、圖 7所示。 圖 6(a)及圖 6(b)分別表示圖 4中 A處信號在Xilinx ise14.2軟件環(huán)境中的測試結果及DAC-C處輸出信號對應的星座圖和頻譜圖。其中載波頻率60 MHz的 offset EVM為 4.718 6%，EVM為 4.718 1%，幅度誤差為 0.25 dB，相位誤差為 2.600 9°。

圖7(a)及圖7(b)分別表示圖 5中D處信號在Xilinx ise14.2軟件環(huán)境中的測試結果及DAC-B點輸出信號對應的星座圖和頻譜圖。其中載波頻率60 MHz的offset EVM為9.206 5%，EVM為9.096 6%，幅度誤差為0.48 dB，相位誤差為 4.617 9°。圖 6(b)和圖7(b)的信號碼元速率均是 1 Mb/s。

本文基于FPGA硬件系統(tǒng)，初步完成了SRRC-OQPSK調(diào)制方式的基帶信號經(jīng)預失真處理后輸出中頻60 MHz的測試工作。預失真前后的測試結果表明，數(shù)字預失真器輸出特性符合系統(tǒng)設計要求。下一步工作將完成數(shù)字預失真器級聯(lián)射頻通道后數(shù)傳系統(tǒng)性能的測試驗證工作。

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