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，信號經(jīng)過放大后，不僅會產(chǎn)生嚴重的帶內(nèi)失真和帶外頻譜擴展，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，廣泛應用于無線通信系統(tǒng)基站中。

1 硬件設計

        系統(tǒng)硬件部分采用模塊化的設計思想，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，本文對其進行重點描述。

1.1 OP4400的特點

        Optichron公司推出的數(shù)字預失真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標準接口；預失真處理跟信號調(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)允許處理預失真信號帶寬達到102.5 MHz，實信號頻率可達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電平標準，采用二進制補碼格式，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標準接口和1路16-bit LVDS標準的DDR接口組成。反饋輸入接口由1路16 bit LVCMOS標準接口和1路16 bit LVDS標準的SDR接口組成。數(shù)據(jù)接口采用高端對齊，假設輸入數(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，分別對應內(nèi)插因子1x、2x、4x或者8x。最高數(shù)據(jù)速率可達到205 MS/s。

1.3 OP4400時鐘系統(tǒng)設計

        圖5是一個典型的OP4400時鐘系統(tǒng)參考設計。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，可通過SPI總線發(fā)送相關(guān)命令對其狀態(tài)進行查詢及切換。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)寄存器進行初始化。

        (2)Program_chip：加載預失真初始系數(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)機進入命令等待模式。

2.2 命令操作順序

        初始化之后，對OP4400有限狀態(tài)機的控制可通過發(fā)送命令來進行切換，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?？梢钥闯觯琌P4400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基站設計中有非常廣闊的應用前景。

參考文獻

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