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?hào)具有寬頻帶、高峰均比的特點(diǎn)^[1]。這對(duì)射頻功率放大器(PA)的設(shè)計(jì)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(hào)經(jīng)過放大后，不僅會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的帶內(nèi)失真和帶外頻譜擴(kuò)展，還會(huì)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(dòng)通信系統(tǒng)中不可缺少的關(guān)鍵器件，線性化技術(shù)的實(shí)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(duì)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(duì)消效果明顯、性能穩(wěn)定、處理信號(hào)頻帶寬、生產(chǎn)成本較低等優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用于無線通信系統(tǒng)基站中。

1 硬件設(shè)計(jì)

        系統(tǒng)硬件部分采用模塊化的設(shè)計(jì)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(gè)系統(tǒng)的核心部分，本文對(duì)其進(jìn)行重點(diǎn)描述。

1.1 OP4400的特點(diǎn)

        Optichron公司推出的數(shù)字預(yù)失真OP4400系列產(chǎn)品使用其獨(dú)有的非線性數(shù)字信號(hào)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(dú)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(jì)，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(hào)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(hào)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(shí)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(shí)數(shù)中頻輸出。預(yù)失真引擎輸出I/Q信號(hào)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(shí)信號(hào)輸出給DAC芯片。此種架構(gòu)允許處理預(yù)失真信號(hào)帶寬達(dá)到102.5 MHz，實(shí)信號(hào)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(shí)中頻架構(gòu)相似，只是其中頻信號(hào)由 DAC產(chǎn)生。SSB主要優(yōu)點(diǎn)：在混頻器輸出端，本振泄露和不必要鏡像會(huì)得到30 dB以上的抑制，可以降低后端帶通濾波器(BPF)設(shè)計(jì)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(diǎn)是DAC不需要搬頻，只需要輸出零頻信號(hào)。ZIF主要優(yōu)點(diǎn)：降低BPF設(shè)計(jì)要求，節(jié)省成本；頻率可以靈活改變，只要簡(jiǎn)單修改本振LO頻率。缺點(diǎn)：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?yàn)榉答佹溌凡捎脤?shí)中頻信號(hào)，中心頻點(diǎn)一般設(shè)置為0.75 Fs。

        綜上所述，3種架構(gòu)各有優(yōu)缺點(diǎn)，考慮到系統(tǒng)的實(shí)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(gè)，分別為主信號(hào)輸入接口、輸出接口和反饋信號(hào)輸入接口。3個(gè)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(gè)接口都有同步隨路時(shí)鐘。

        主信號(hào)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(duì)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(shí)鐘的整數(shù)分頻比。假設(shè)核時(shí)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(duì)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(shí)鐘系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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

1.4 OP4400電源設(shè)計(jì)

        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?yàn)楹穗妷合扔贗/O電壓，而下電順序沒有要求。

2 軟件設(shè)計(jì)

        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(gè)有限狀態(tài)機(jī)，可通過SPI總線發(fā)送相關(guān)命令對(duì)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(duì)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(cè)量整個(gè)信號(hào)環(huán)路延時(shí)。

        (4)Set_delays：設(shè)置鏈路延時(shí)值。

        (5)Measure_2：測(cè)量信號(hào)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(hào)，OP4400內(nèi)部控制器從外掛SPI ROM啟動(dòng)，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(duì)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(gè)郵箱寄存器(MAILBOX0-3)實(shí)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(cuò)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(cè)試結(jié)果

        主要測(cè)試儀器：信號(hào)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(cè)試信號(hào)采用雙音信號(hào)，頻點(diǎn)設(shè)置為942 MHz，輸出總功率為50 dBm。圖8是對(duì)消前測(cè)試結(jié)果。

        圖9所示為對(duì)消后測(cè)試結(jié)果?？梢钥闯?，OP4400對(duì)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(jì)。從實(shí)測(cè)結(jié)果中可以看出，OP4400對(duì)消效果明顯，處理信號(hào)頻帶寬，性能穩(wěn)定。同時(shí)支持多種調(diào)制方式信號(hào)，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(jì)中有非常廣闊的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

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