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(luò)的信號調(diào)制方式，例如星地?cái)?shù)傳系統(tǒng)中應(yīng)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(luò)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(dǎo)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(shí)，將使發(fā)射信號產(chǎn)生嚴(yán)重的非線性失真，導(dǎo)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(dǎo)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(shí)，功率譜密度邊帶的提高會出現(xiàn)頻帶外失真，導(dǎo)致頻譜再生和鄰道干擾[1]。為使非恒定包絡(luò)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(dá)到線性的要求。但結(jié)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(shù)的需求，射頻功放線性化技術(shù)得到了迅速發(fā)展。多種支持功放線性化和效率增強(qiáng)方面的技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用在無線通信系統(tǒng)中，如功率回退技術(shù)、前饋技術(shù)和負(fù)反饋技術(shù)[2]、LINC（Linear Amplification with Nonlinear Components）技術(shù)[3]、CALLUM（Combined Analogue Locked Loop Universal Modulator）技術(shù)[4]、包絡(luò)跟蹤ET（Envelope Tracking）、消除和恢復(fù)（Elimination and Res-toration）技術(shù)、預(yù)失真技術(shù)、Doherty技術(shù)等。在各種線性化技術(shù)中，數(shù)字預(yù)失真技術(shù)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(shù)。

　　由于衛(wèi)星上能源嚴(yán)格受限，完成星-地?cái)?shù)據(jù)傳輸功能的空間通信系統(tǒng)需要實(shí)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(gè)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(luò)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(yīng)用需求，本文開展了數(shù)字預(yù)失真技術(shù)應(yīng)用在星載數(shù)傳系統(tǒng)的研究，詳細(xì)闡述了一種用于空間通信中的數(shù)字預(yù)失真器及其預(yù)失真處理前后的信號輸出特性結(jié)果。

1 數(shù)字預(yù)失真的實(shí)現(xiàn)過程

　　1.1 設(shè)計(jì)方案

　　圖1給出了一種應(yīng)用SRRC-OQPSK調(diào)制模式的空間數(shù)傳發(fā)射機(jī)系統(tǒng)。非恒定包絡(luò)的基帶信號經(jīng)成形濾波后，經(jīng)非線性函數(shù)預(yù)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(yīng)算法進(jìn)行查找表的更新后實(shí)現(xiàn)數(shù)字預(yù)失真功能。

　　圖2的技術(shù)方案基于FPGA硬件平臺，實(shí)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(guān)控制可實(shí)現(xiàn)預(yù)失真或非預(yù)失真模式的選擇。

　　圖2所示的數(shù)字預(yù)失真方案先由偽隨機(jī)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(shí)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(dǎo)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(yù)失真模塊進(jìn)行處理，最后送入中頻調(diào)制模塊實(shí)現(xiàn)OQPSK基帶信號的中頻調(diào)制輸出。該模塊處于OFF模式時(shí)不工作，產(chǎn)生的信號為一個(gè)未經(jīng)數(shù)字預(yù)失真以及功放的原始信號（raw signal）；在ON模式下預(yù)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(yù)失真處理過但未經(jīng)功放處理過的信號。

　　1.2 實(shí)現(xiàn)方法

　　圖3為對應(yīng)圖1中的虛線部分，即實(shí)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(jī)序列信號源、時(shí)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(yù)失真地址和乘法器及其地址對應(yīng)內(nèi)容，以及中頻調(diào)制共13個(gè)模塊。其中，若I路/Q路信號時(shí)間不同步，則要通過FPGA軟件仿真后找到不同步的時(shí)間，并利用延時(shí)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(shí)現(xiàn)的。

　　對于整體方案中的非線性函數(shù)模塊，需要這個(gè)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(jié)構(gòu)中存儲的系數(shù)，來實(shí)現(xiàn)非線性函數(shù)F-1功能的預(yù)失真器。該模塊主要用I/Q兩路信號分別進(jìn)行預(yù)失真處理來實(shí)現(xiàn)，預(yù)失真查找表地址產(chǎn)生模塊的實(shí)現(xiàn)方法如圖3所示，其中z-n代表延時(shí)(n代表延時(shí)的時(shí)間數(shù))。實(shí)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(jì)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(jié)構(gòu)需要使用兩個(gè)乘法器和一個(gè)加法器，并且最后需要截位。

　　預(yù)失真查找表模塊主要由4 096個(gè)地址和對應(yīng)的4 096個(gè)地址內(nèi)容組成，通過Matlab工具計(jì)算出其地址對應(yīng)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(yīng)的功率值進(jìn)行測量，提取出所需功放在某個(gè)固定溫度下的 HPA輸入/輸出功率的特性參數(shù)，如表1所示。

　　利用Matlab軟件對該功放特性曲線進(jìn)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(jìn)行多項(xiàng)式擬合，并求出該多項(xiàng)式的系數(shù)。然后對該曲線進(jìn)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(gè)地址及其對應(yīng)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(yīng)的ROM模塊中。通過乘法器乘以ROM對應(yīng)的每個(gè)地址的內(nèi)容，最后預(yù)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(shí)驗(yàn)結(jié)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。

　　依據(jù)圖4、圖5所示方案，對已經(jīng)及未經(jīng)預(yù)失真的信號進(jìn)行了測試。分別完成了圖4中A、DAC-C、兩點(diǎn)以及圖5中D、DAC-B兩點(diǎn)對應(yīng)信號的測量。測試結(jié)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(jié)果及DAC-C處輸出信號對應(yīng)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(jié)果及DAC-B點(diǎn)輸出信號對應(yīng)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(yù)失真處理后輸出中頻60 MHz的測試工作。預(yù)失真前后的測試結(jié)果表明，數(shù)字預(yù)失真器輸出特性符合系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。下一步工作將完成數(shù)字預(yù)失真器級聯(lián)射頻通道后數(shù)傳系統(tǒng)性能的測試驗(yàn)證工作。

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