用于3G基站的ISL5239數(shù)字預(yù)失真電路

摘要： 本文介紹了基于ISL5239的數(shù)字預(yù)失真的原理，給出了WCDMA仿真開發(fā)平臺(tái)，并討論了在應(yīng)用中的幾個(gè)關(guān)鍵問題。該ASIC可以實(shí)現(xiàn)對(duì)WCDMA 、CDMA2000和TD-SCDMA多載波基站基帶部分的數(shù)字預(yù)失真處理。
關(guān)鍵詞：ISL5239；自適應(yīng)數(shù)字預(yù)失真(DPD)；WCDMA

在3G基站中通常采用效率比較低的A類功率放大器(PA)，滿足WCDMA協(xié)議規(guī)范要求的PA在A類狀態(tài)下的工作效率不高于10%。PA的線性化技術(shù)就是在改善PA線性化的同時(shí)提高其效率的技術(shù)，PA線性化設(shè)計(jì)一直是3G基站設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題之一。
數(shù)字基帶預(yù)失真技術(shù)由于在工作頻率較低的中頻實(shí)現(xiàn)，應(yīng)用了數(shù)字處理技術(shù)，適應(yīng)性強(qiáng)，并且通過增加對(duì)信號(hào)的采樣頻率和增大量化階數(shù)的辦法來抵消高階互調(diào)失真，因此成為一種很有發(fā)展前途的方法。本文結(jié)合基于一維查找表的復(fù)增益數(shù)字預(yù)失真ASIC芯片ISL5239，介紹了WCDMA、CDMA2000和TD-SCDMA多載波基站PA的線性化設(shè)計(jì)。

圖 1基于ISL5239的閉環(huán)WCDMA數(shù)字中頻預(yù)失真結(jié)構(gòu)框圖

圖 2尋址模塊框圖
ISL5239的硬件構(gòu)架
ISL5239的硬件構(gòu)架主要由含有查找表的預(yù)失真單元、輸入/輸出格式轉(zhuǎn)換單元、輸入捕獲存儲(chǔ)器、反饋捕獲存儲(chǔ)器和外部處理器接口等部分構(gòu)成。這些部分可以由寄存器來靈活配置。ISL5239的輸入/輸出接口能夠達(dá)到125MHz采樣率和20MHz信號(hào)帶寬,對(duì)于20MHz帶寬的信號(hào)具備抑止5階互調(diào)失真能力。該芯片的核心是一維查找表(LUT)，片內(nèi)有2個(gè)查找表，一個(gè)用于在線查找，另一個(gè)用于備份，通過處理器接口可以隨時(shí)切換。查找表有三種尋址操作供選擇，分別對(duì)應(yīng)輸入信號(hào)的線性功率、線性幅度或者對(duì)數(shù)功率尋址。芯片帶有輸入和反饋捕獲存儲(chǔ)器，16-bit 的外部處理器接口可以對(duì)片內(nèi)所有的寄存器和存儲(chǔ)空間進(jìn)行操作。借助DSP可以對(duì)查找表進(jìn)行自適應(yīng)更新運(yùn)算，也方便對(duì)芯片各部分的配置進(jìn)行更改以適應(yīng)不同體制的設(shè)計(jì)。芯片內(nèi)部的記憶效應(yīng)和溫度效應(yīng)補(bǔ)償接口，可以對(duì)外部射頻PA進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。內(nèi)置I/Q均衡器用于對(duì)外部模擬調(diào)制電路對(duì)I/Q的幅度和相位不均衡失真進(jìn)行補(bǔ)償。

仿真開發(fā)平臺(tái)介紹
Intersil公司提供了ISL5239 WCDMA的評(píng)估板，該平臺(tái)可用于對(duì)ISL5239進(jìn)行評(píng)估，或者定制自適應(yīng)算法的研究。評(píng)估板在硬件結(jié)構(gòu)上包含ISL5239 ASIC、USB接口、CPLD等部分。使用CPLD來實(shí)現(xiàn)預(yù)失真閉環(huán)控制的仿真，在windows操作系統(tǒng)下可以借助USB接口對(duì)評(píng)估板操作。在評(píng)估軟件方面，該評(píng)估板提供了基于windows 的圖形界面(GUI)應(yīng)用程序，用來訪問ISL5239的所有內(nèi)部寄存器、存儲(chǔ)器和LUT表項(xiàng)?？梢詫⒃u(píng)估板置入一個(gè)實(shí)際的系統(tǒng)中進(jìn)行評(píng)估。除此之外，該評(píng)估板中還提供了使用Matlab 軟件來模擬PA和運(yùn)行自適應(yīng)算法的接口和工具箱。
在該評(píng)估板中，Matlab自適應(yīng)算法模塊采用了最小均方誤差法。程序中包含了數(shù)字預(yù)失真的輸入控制、反饋控制、當(dāng)前查找表自適應(yīng)更新、尋址操作和產(chǎn)生新的查找表。

應(yīng)用舉例和幾個(gè)關(guān)鍵問題
ISL5239配合Intersil 公司的數(shù)字上變頻器和下變頻器，可以構(gòu)成帶有數(shù)字預(yù)失真WCDMA單載波數(shù)字中頻方案，如圖 1所示。ISL5217 是一個(gè)4通道數(shù)字上變頻器，16-bit 的I/Q信號(hào)，在系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)QPSK調(diào)制，數(shù)字濾波和過采樣的功能。 ISL5416是一個(gè)4通道的數(shù)字下變頻器，在此實(shí)現(xiàn)中頻變換，數(shù)字濾波和自動(dòng)增益控制功能，通過ISL5416構(gòu)成閉環(huán)控制回路，借助DSP和ISL5239的處理器接口實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)表項(xiàng)更新。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，針對(duì)不同的IMT2000 CDMA 無線接口體制，需要考慮以下3個(gè)關(guān)鍵問題。
數(shù)字預(yù)失真的尋址方式選擇
對(duì)于基于查找表的數(shù)字預(yù)失真技術(shù)，如何構(gòu)建查找表和選擇何種尋址方式是決定最終效果的關(guān)鍵問題。ISL5239提供三種尋址方式，如圖 2所示，分別是線性功率、線性幅度和對(duì)數(shù)功率尋址，ISL5239可以任意選擇其中的一種方式。構(gòu)建LUT表項(xiàng)是依據(jù)PA的AM-AM，AM-PM特性，對(duì)PA輸出非線性部分提供補(bǔ)償，再根據(jù)將要采用的尋址方式來分配地址表中I/Q的內(nèi)容。查找表的構(gòu)建也決定了對(duì)輸入信號(hào)表現(xiàn)不同的壓縮擴(kuò)展特性。選擇何種尋址方式取決于輸入信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍。對(duì)于ISL5239，采用線性功率尋址的信號(hào)輸入范圍為30dB，線性幅度尋址的信號(hào)輸入范圍為60dB， 如果采用對(duì)數(shù)功率，信號(hào)輸入的幅度則可以達(dá)到120dB。因此，線性功率尋址和和依此構(gòu)建LUT表項(xiàng)適用于功率放大器在較小的動(dòng)態(tài)范圍進(jìn)行預(yù)失真。由于ISL5239 僅有1024個(gè)存儲(chǔ)表項(xiàng)(1024×60-bit)，對(duì)于信號(hào)輸入動(dòng)態(tài)范圍比較大的預(yù)失真的操作效果會(huì)有一些影響。比較三種尋址方式，表項(xiàng)在LUT中的分布密度是不同的。以輸入信號(hào)功率較大那部分對(duì)應(yīng)表項(xiàng)為例，對(duì)數(shù)功率尋址方式構(gòu)建的LUT表項(xiàng)在此密度最小，線性功率尋址方式構(gòu)建的LUT表項(xiàng)在此密度最高。在AM-AM曲線中，輸入信號(hào)較大的那部分是失真比較嚴(yán)重的部分。因此，采用對(duì)數(shù)功率尋址的預(yù)失真效果就沒有采用線性功率尋址的預(yù)失真效果好。如果希望采用查找表預(yù)失真的精度進(jìn)一步提高，只能增加存儲(chǔ)表項(xiàng)的深度，即增大存儲(chǔ)的容量。LUT表項(xiàng)容量增大一倍，相鄰信道功率比(ACPR)降低6dB，這有些類似于ADC采樣的過程，只有提高量化位數(shù)，才能減小量化失真。尋址方式的選擇和如何構(gòu)建LUT表項(xiàng)主要取決于輸入信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍。例如，對(duì)于WCDMA 4載波 負(fù)載64個(gè)用戶的測(cè)試環(huán)境下，峰值與平均功率值比(PAR)最小為10dB， 最大達(dá)到24.3dB， 在這種環(huán)境，輸入信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍會(huì)超出30dB。因此，可以采用線性幅度尋址方式。
數(shù)字預(yù)失真內(nèi)插因子的選擇
ISL5239在輸入單元提供不同的內(nèi)插因子(IP)，IP可以選擇1x、 2x、4x和8x。 內(nèi)插的目的是為了達(dá)到過采樣的效果。數(shù)字預(yù)失真可以改善互調(diào)失真，其性能取決于內(nèi)插因子。眾所周知，采樣率越高，信號(hào)的失真越小。ISL5239使用過采樣技術(shù)來改善高階互調(diào)失真。但是，使用的內(nèi)插因子越高，要求芯片的信號(hào)處理帶寬越高。雖然輸入信號(hào)的最高采樣速率可以達(dá)到系統(tǒng)時(shí)鐘CLK速率，但是要求系統(tǒng)時(shí)鐘CLK >= Fs * IP。因此，要根據(jù)輸入信號(hào)的采樣頻率和系統(tǒng)時(shí)鐘來選擇內(nèi)插因子。例如，對(duì)于輸入采樣為29.49MSPS的4載波CDMA2000-1x信號(hào)，使用8x內(nèi)插因子，這個(gè)信號(hào)在ISL5239內(nèi)部已經(jīng)達(dá)到Fs=240MHz。超出了ISL5239的125MHz最高采樣速率，只能采用4x內(nèi)插。
自適應(yīng)算法的選擇
由于PA的參數(shù)并不是固定的，可能會(huì)隨著環(huán)境溫度、供電電壓、輸出負(fù)載而變化，因此必須采用反饋原理來隨時(shí)更新查找表的參數(shù)，這就是自適應(yīng)預(yù)失真技術(shù)。采用自適應(yīng)數(shù)字預(yù)失真的電路必須是閉環(huán)系統(tǒng)，反饋路徑來自PA輸出的耦合信號(hào)，然后經(jīng)過頻率變換和A/D變換后送入自適應(yīng)調(diào)節(jié)DSP中，進(jìn)而更新查找表。ISL5239帶有一個(gè)16-bit并行處理器接口，這個(gè)處理器接口可以將ISL5239看作一個(gè)外設(shè)存儲(chǔ)器。所有的內(nèi)部寄存器和存儲(chǔ)空間都可以通過這個(gè)接口來訪問。這個(gè)接口由一個(gè)16bit的雙向數(shù)據(jù)總線P<15:0>，一個(gè)6 bit的地址總線A<5:0>，以及讀 (RD)、寫(WR)和片選(CE)信號(hào)線組成。通過這個(gè)簡(jiǎn)單的并行接口實(shí)現(xiàn)處理器和預(yù)失真處理芯片的互聯(lián)，對(duì)芯片內(nèi)部的寄存器進(jìn)行配置和查找，更新查找表操作。這就為自適應(yīng)算法提供了硬件基礎(chǔ)。由于數(shù)字基帶反饋環(huán)路延時(shí)的存在，以前自適應(yīng)數(shù)字預(yù)失真常用于基帶低碼流條件下。目前，高速ADC和DSP在這一領(lǐng)域逐漸應(yīng)用，選擇合適的自適應(yīng)算法以提高收斂速度和更新精度就成為一個(gè)比較關(guān)鍵的問題?；谝痪S查找表的數(shù)字預(yù)失真常用自適應(yīng)算法包括：最小均方誤差法(MMSE)、線性疊代法和兩分法等等。

結(jié)語
在對(duì)ISL5239的評(píng)估中，將評(píng)估板設(shè)置為多載波模式，仿真4載波WCDMA輸入信號(hào)，這個(gè)信號(hào)經(jīng)過ISL5239預(yù)失真處理以后，對(duì)于WCDMA 4個(gè)載波20MHz帶寬，ACPR有13dB的改善。
由于ISL5239具有獨(dú)特的輸入/輸出結(jié)構(gòu)，可以和多種上/下數(shù)字變頻器相連接，同時(shí)支持多種LUT尋址方式，芯片內(nèi)部帶有記憶效應(yīng)和溫度效應(yīng)補(bǔ)償接口，內(nèi)置I/Q均衡器。使ISL5239具備較好的靈活性。通過對(duì)自適應(yīng)算法和LUT的進(jìn)一步研究, 改變軟件和ISL5239的內(nèi)部設(shè)置，就可以適應(yīng)不同的射頻功率放大器的線性化處理。


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