基于FPGA的非线性校正设计方案

基于FPGA 的非线性校正设计方案

薛斌，曾志斌，樊小明，季昂，赵得斌

中国传媒大学广播电视数字化工程中心，北京（100024）

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摘 要：OFDM 非线性校正技术是现代通信系统广泛采用的调制方式，但其信号具有较高的信号峰均比而导致功率放大器HPA 的非线性失真较为严重。本文简单介绍了常用的非线性校正方法，重点针对现有的方法本文提出了采用了基于FPGA 非线性校正方案的实现。本方案具有集成度高、灵活性强、收敛速度快等优点。这种硬件实现方案在DAB 小功率实验发射系统中进行了实测并取得了较好的非线性校正效果。

关键词：OFDM （正交频分复用）；HPA （大功率放大器）； Nios软CPU ；查找表；非线性校正

中国分类号：TM830.3 文献标识码：A

1. 引言

OFDM 能有效抑制多径信道引起的深度衰落、抵抗脉冲噪声和具有较高的频谱效率的特点。但是OFDM 的传输符号是多载波的QAM 信号经过IFFT 处理后得到的结果，由于这种处理是线性相加的关系，当IFFT 的输入中存在相位一致的某些点时必然有较高的峰平比，对发射机线性度提出了非常高的要求[1]。射频功率放大器是发射机系统中非线性最强的器件，特别是为了提高功率效率，射频功放基本工作在非线性状态，因此线性功率放大器设计技术己成为线性化发射机系统的关键技术。为了既保证整个系统的效率，又避免信号由非线性造成的失真[2]，非线性校正技术随着通信行业的发展变得日益重要。

2. 非线性校正方法介绍

OFDM 信号高的PAPR 值引起系统非线性失真，主要体现在功率放大的过程中，这本身就是由大功率放大器（HPA ）的非线性特性所决定的。

为了获得高效率和线性的HPA ，必须消除其非线性失真，采用适当的外围电路对HPA 的非线性特性进行线性化纠正，使HPA 和线性化电路在整体上呈现对输入信号的线性放大效果[11]。目前，常用到的HPA 线性化方法有功率回退法、负反馈法、前馈法和预失真法[7]。无论何种方法，其目的都是为了在保持较高发射效率的同时，获得较好的线性输入输出特性。

2.1 传统非线性校正技术

在线性化技术出现以前，为了避免由于功率放大器非线性引起的信号失真，系统设计者通常选用功率回退法，即把功率放大器的信号输入功率降低，使功率放大器工作在线性工作区内，远离非线性饱和区，从而改善功率放大器的互调失真[12]。功率回退法原理简单且易实现，不需要任何附加设备，但这样做的同时会使功率放大器的效率大为降低，从而影响整个系统的效率。

为了既保证整个系统的效率，又避免信号由非线性造成的失真，线性化技术成为通信领域的一种重要技术。一般而言，传统的线性化技术分为开环和闭环两类，闭环（例如笛卡尔环和极性环）实际上是一种反馈技术，可以获得较高的线性度，但稳定性差，且只能处理窄带数据，不适合多载波系统。而开环的校准精度不如闭环，但处理带宽大，稳定性高。前馈技术作为另一类线性化技术，具有闭环的精度和开环的稳定性和处理带宽，但实现复杂，

成本很高，而且调试困难。

2.2 数字基带预失真技术

线性化技术发展中非常重要的一步是预失真技术的出现，预失真技术最初应用于模拟通信系统中的射频部分，后来随着数字信号处理（DSP ）技术的发展，预失真线性化技术也可以在数字域内实现，形成数字预失真技术。数字预失真技术主要应用于基带或中频，极少应用处理速率要求极高的射频。

数字基带预失真是根据HPA 的非线性失真曲线, 找出其反向特性函数, 对输入信号进行相反方向的预失真, 这样通过HPA 后的总的传输特性呈线性，基本原理如图1所示。

图1. 信号预失真基本原理

基带预失真的优点是：电路相对简单，经过精心的调整后，能达到很好的校正效果；稳定性强，处理带宽大，适合单载波和多载波系统，即与系统的调制方式无关；与HPA 的类型无关[13]；

基带预失真技术可以通过查询表方式来实现，即构造一个预失真查询表，根据查询表对输入信号进行实时处理，这种方法可以应用于任何增益波形图的功率放大器，线性化效果好，但是需要占用较大的存储空间。

3. 基于FPGA 的非线性校正方法的实现方案

有两种对OFDM 基带信号实现非线性校正的方案。一种是基于FPGA ，一种是基于DSP 。基于FPGA 方案的优点在于集成度高，而基于DSP 在算法实现和调试方面更为方便[6]。因为中高端的FPGA 支持软CPU 内核（典型的如Nios ），可以用高级语言（如C 语言）进行非线性校正算法的编程和调试，所以我们采用基于FPGA 的校正方案。

数字基带矢量信号通常分解为I （实部）和Q （虚部）两路正交分量信号的形式传输。 我们设计的基于FPGA 的非线性校正方案的系统框图如下：

图2. 基于FPGA 的自适应非线性校正系统框图

其中，I ' Q ' 为原始基带输入信号IQ 经预失真后得到的信号，I '' Q '' 为射频解调后得到的基带信号。

本校正系统主要包括三个部分：

查找表模块：以输入信号功率值为索引，动态存储自适应预校正算法计算得到的复数值。原始输入基带信号与其对应索引项中的值进行复数乘法[4]，即得到预失真后的基带信号。

CORDIC 模块：完成直角坐标（实部和虚部）和极坐标（模值和相位）之间的转换。因为Nios 软CPU 内核算法是基于模值和相位（R*）的，而其它如查找表项值，输入信号和反馈信号的都是基于实部和虚部（IQ ）的。该模块通过简单的移位运算和加减法运算就能完成直极转换，具有很高的计算效率[9]。

Nios 软CPU 内核及其自适应预失真算法，这是非线性校正系统的核心部分。Nios CPU是一种采用流水线技术、采用16位指令系统的单指令流RISC 处理器，具有强大的寻址模式和良好的可扩展性，而且具备通用CPU 的一般控制和运算功能，并可以根据性能需求由用户生成（用户定制），可获得较高的性能资源比。自适应预失真算法根据输入信号和反馈信号的差值信息(反映放大器特性因温度或老化发生变化) 进行某种方式（如牛顿切线法）的迭代算法，逐次更新查找表，并经一定次数的迭代运算后趋于收敛。

方案实现时需注意的问题：

1. 关于同步控制

在生成预失真表时，必须保证是原始IQ 与相对应的IQ 进行比较，即同步控制。一般情况下，我们认为延时是固定的。可以通过特征序列来计算延时，也可定期用特征序列来更新延时。

2. 关于反馈延时电路的幅度调整

由于反馈信号同原始信号需要作比较，因此要对反馈信号作相应的衰减，将反馈信号和原始信号进行归一化的处理。可以依靠系统初始化过程中的特征序列确定对反馈信号的衰减值。

4. 结语

本文提出的基于Nios 软CPU 内核的FPGA 非线性校正方案，具有集成度高、灵活性强、调试方便的优点，而且在DAB 小功率实验发射系统中进行了实测，信噪比提高了12dB ，非线性补偿效果较为理想。

参考文献

[1] Digital Predistortion Reference Design，ALTERA Application Note，Altera Corporation，July 2003

[2] Nima Safari Sirdani, Adaptive Digital Linearisation of High Power Amplifier for Linear Modulation, Chalmers University of Technology, Wed.3th Dec.2003

[3] KONRAD MIEHLE, A New linearization method for cancellation of third order distortion, Charlotte USA, The University of North Carolina, 2003

[4] Guillermo Acosta Dr. Mary Ann Ingram, “OFDM Simulation Using Matlab”, Smart Antenna Research Laboratory August, 2000 pp 2-17

[5] James K. Cavers, Optimum Table Spacing in Predistorting Amplifier Linearizers, IEEE Transactions on Vehicular Technology, VOL.48, NO.5, September 1999:1699-1705

[6] Web GUI User’s Manual for DAB Modulator, Model:DAB-Mod-3000, 10003-01-P31,Rev.4 December 16,2002

[7] 李栋编著，数字声音广播，北京广播学院出版社，2001

[8] 曹志刚、钱亚生，现代通信原理，清华大学出版社，2004年4月

[9] 车晴编著，电子系统仿真与MATLAB ，北京广播学院出版社，2000年11月

[10] 李栋主编，数字广播电视技术文选，北京广播学院出版社，2004年8月

[11]王世一，《数字信号处理》[M]. 北京，北京理工大学出版社，1997.

[12]杨文考，多载波（OFDM ）数字电视系统中放大器的自适应预失真技术研究，电子科技大学博士学位论文。

[13]毛文杰，基于预失真技术的射频功率放大器线性化研究，浙江大学博士学位论文。

Project of the hardware based on DRM nonlinear

predistortion

Xue Bin, Zeng Zhibin, Fan Xiaoming, Ji Ang, Zhao Debin

ECDAV, Communication University of China, Beijing (100024)

Abstract

As one high speed data transmitting technology, the OFDM has lots of advantages. One disadvantage of multi-carrier systems is that the high peak-to-average-power ratio of OFDM is easy to result in nonlinearity for HPA(high power amplifier). This paper introduces the way to suppress the nonliearity of HPA. More important, the paper gives us some technology of nonlinear predistortion based on FPGA. These projects had got relative good result through applying it to a small_power transmitting system.

Keywords: OFDM, HPA, Nios CPU, LUT, nonlinear predistortion

作者简介：薛斌（1983—），男（汉族），陕西省渭南市人，中国传媒大学广播电视数字化教育部工程研究中心06级硕士研究生。