DPD系統中正交調制校正的設計與實現

陳澤鋒等

摘 要： 數字預失真技術具有低功耗、低成本、結構緊湊、穩定、高效、自適應等優點，是改善功率放大器線性度最有效的方法之一；但在實際應用中，由于鏈路上存在正交調制誤差，使得數字預失真改善的效果不能達到預期的效果，甚至使結果惡化。針對這個問題，提出一種正交調制校正的設計與實現方案，并將其應用到數字預失真系統中。仿真結果表明，經正交調制校正后能改善數字預失真的性能，降低數字預失真對鏈路精度的要求。

關鍵詞： 功率放大器； 數字預失真； 正交調制校正； EDK

中圖分類號： TN911?34； TP92 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）18?0001?04

Abstract： Digital pre?distortion has the advantages of low power consumption， compact structure， strong self?adaptive ability， high stability and efficiency， which is one of the most effective ways to improve the linearity of power amplifiers， but in practical application， the desired effect of digital pre?distortion can not be realized due to the orthogonal modulation error in the link. Aiming at the problem， a design and implementation scheme of quadrature modulation correction based on microblaze embedded system was proposed in this paper. The simulation results show that the digital predistortion with quadrature modulation compensation could improve its function and reduce the demand of digital pre?distortion to link accuracy.

Keywords： power amplifier； digital predistortion； quadrature modulation correction； EDK

0 引 言

隨著移動通信技術的飛速發展，頻譜資源日漸緊張，現代移動通信技術普遍采用了高階調制方式以及OFDM等多載波技術提高頻譜效率，卻引起信號的高峰均功率比，這需要功率放大器具備更高的線性特性。在實際的通信系統中，功率放大器的效率和線性度往往無法兼顧，所以需要采用功率放大器線性化技術進行優化[1]。其中數字預失真（Digital Predistortion，DPD）技術具有電路結構簡單，調整方便，成本低，效率高等優點，是一種非常具有應用前景的功放線性化技術[2]。

在實際應用DPD系統時，發射機中的正交調制器存在正交調制誤差（Quadrature Modulator Errors），主要包括同相分量（I）和正交分量（Q）的增益和相位不平衡以及直流偏移等，這些誤差會惡化數字預失真對功放線性化處理的效果[3?5]，因此，要獲取較好的數字預失真效果必須對調制器進行正交調制校正（Quadrature Modulator Compensation，QMC）。本文的設計方案是基于XILINX FPGA的可編程嵌入式開發系統，利用可配置的嵌入式系統開發技術和可編程片上系統解決方案降低了設計難度并縮短了研發周期。

1 正交調制校正原理

1.1 正交調制誤差模型

正交調制是利用兩個頻率相同但是相位相差90°的正弦波作為載波，將相互正交的I，Q兩路信號調制為一路信號。在實際應用中調制器并不能夠工作在理想狀態，由于移相器不能產生精確的90°相移，I，Q兩路信號的增益不能夠完全一致，這樣就導致I，Q信號的相位和增益不匹配，即I，Q不平衡。另外，由于載波泄露等因素的影響，正交調制器的輸出信號中會存在直流偏移成分。依據上述的正交調制誤差可得正交調制器輸出信號s（t）的復包絡為[6?7]：

2 設計與開發

系統設計利用Xilinx EDK嵌入式開發套件和System Generator工具完成，硬件平臺為Xilinx ML605開發板。EDK用于MicroBlaze嵌入式系統的開發，包括FPGA片內嵌入式系統硬件平臺搭建和系統軟件開發[11]；System Generator用于將Simulink環境下搭建的DSP系統級的設計自動轉化成HDL硬件實現[12]。

上述兩部分的設計是通過Shared Memory進行交互的，在使用System Generator工具時，需要將設計中所有的Shared Memory添加到EDK工程，Shared Memory直接與嵌入式系統的總線連接，實現嵌入式系統與FPGA硬件電路的指令和數據交互。

2.1 硬件開發

如圖1所示，系統硬件主要包括MicroBlaze嵌入式系統、信號采集模塊和QMC補償電路。MicroBlaze是系統的核心，通過發布指令控制信號采集模塊采集發送信號din_i，din_q和反饋信號srx_i，srx_q，并將采集的信號讀到嵌入式系統內存中進行QMC系數計算，最后將QMC系數更新到QMC補償電路的寄存器中，實現正交調制誤差的校正。

2.1.1 MicroBlaze嵌入式系統

Xilinx EDK為設計基于MicroBlaze軟核嵌入式可編程系統提供了全面的解決方案，其中XPS（Xilinx Platform Studio）是生成嵌入式系統硬件平臺的開發工具，利用XPS板級開發向導搭建MicroBlaze嵌入式硬件平臺，包括選擇FPGA器件型號、設置MicroBlaze處理器屬性、選擇系統總線、添加所需外設和設置屬性等硬件組件的定制。本文MicroBlaze選擇PLB總線結構，選用了單核方案，工作頻率設為80 MHz。MicroBlaze主要用于算法實現，外設僅添加內部數據和指令存儲器，完成了嵌入式系統基本硬件結構的構建后，將XPS中配置好的硬件平臺導出到嵌入式系統的軟件開發工具SDK（Software Develop Kit）就可以進行后續的系統軟件開發工作。

2.1.2 信號采集

系統信號采集模塊利用Simulink中Xilinx Blockset工具包內的Shared Memory模塊搭建，用于采集發送和反饋的數據。信號采集指令由MicroBlaze控制，當信號采集模塊使能被置1時信號采集開始，由計數器生成數據存儲的偏移地址，輸入的數據對應存儲在該地址。當采集數據達到存儲器的存儲深度時，信號采集模塊使能被置0，計數器也會被重置，信號采集結束。MicroBlaze讀取Shared Memory數據并導入到系統內存，用于算法的計算。

2.1.3 QMC補償電路

在正交調制誤差計算時，僅需要獲得I，Q兩路相位和增益偏差的相對值，同樣在QMC補償時也采用相同的處理方法。圖2為QMC補償電路的模型，MicroBlaze計算得到補償系數后，將系數更新到g，θ，dI和dQ寄存器，其補償值自動加載到補償電路中，信號經過QMC補償電路時就可完成調制校正處理。

2.2 軟件開發

Xilinx EDK的組件SDK是嵌入式系統的軟件開發工具，它基于Eclipse框架，具有完善的C/C++開發和編譯環境。在XPS創建的硬件平臺基礎上完成相應的軟件開發任務，其基本操作包括從XPS導入硬件平臺、建立軟件平臺、編寫軟件應用工程、配置芯片以及軟件調試等流程。

圖3為QMC算法實現的程序設計流程，算法由C語言實現。首先是QMC的初始化處理，主要包括設定QMC初始值、采集樣本的數據量、QMC迭代更新步長等；然后由MicroBlaze處理器控制信號采集模塊采集數據和計算正交調制誤差并獲得QMC補償系數；最后將補償系數更新到QMC寄存器。這樣就完成了一次對正交調制器的校正，經過多次迭代補償后，正交調制誤差收斂，此時就可以結束校正。

3 實驗驗證

本文QMC的驗證是在DPD系統中完成，加入QMC后系統結構簡圖如圖4所示，系統的仿真模型是在Simulink中設計完成，基帶信號是10 MHz雙載波WCDMA信號；QMC和DPD都是由Xilinx Blockset庫的模塊搭建，分別完成對正交調制器模型的補償和功放模型的補償；正交調制器模型用于設置I，Q不平衡參數和直流偏移參數，系統測試時正交調制誤差由Simulink中的正交調制器模塊引入，系統中加入了-0.5 dB的增益誤差，5°的相位誤差，-29 dB的直流偏移誤差；功放模型由Simulink模塊搭建，測試時使用Cubic polynomial參數模型。功放模型的輸出信號作為反饋信號反饋給QMC模塊，用于計算補償系數。在進行系統測試時采用了硬件協同仿真的方式，一方面可以利用硬件平臺提高Simulink仿真的速度，另一方面可以在實際的硬件平臺上驗證該軟件和硬件設計。

圖5為硬件協仿真示意圖，利用System Generator將加入QMC后的DPD系統設計編譯生成硬件協仿真模塊，在進行仿真時，硬件協仿真模塊會通過JTAG自動將數據發送給FPGA，數據處理結束后，硬件協仿真模塊會自動將數據從FPGA中取回并導入軟件仿真平臺。在Simulink中觀測系統仿真的狀態，在SDK中查看軟件調試結果，進而驗證系統設計。

圖6是未加入QMC時系統仿真結果，功放輸出存在較嚴重的失真，經過DPD系統處理后，功放輸出并沒有改善反而進一步惡化。在同樣的正交調制誤差干擾下，首先進行了QMC處理，校正前后的誤差對比如表1所示，校正前系統計算得到的調制誤差與系統中加入的調制誤差相符，校正后誤差已經變得很小。

在完成對正交調制器校正后再進行DPD處理，圖7是加入QMC后系統仿真結果，DPD系統表現出較好的效果，功放輸出信號帶外頻譜抑制改善了17 dB左右。因此，可以證明QMC加入到DPD系統后，成功實現對調制誤差的校正，降低了調制誤差對DPD系統反饋信號的干擾，進而使DPD處理能力恢復。

4 結 語

本文介紹了QMC的設計與實現，基于Xilinx FPGA的可編程嵌入式開發系統，利用EDK和System Generator完成設計開發，并在Simulink中進行測試系統建模，最后采用硬件協仿真的方法完成系統測試，實現了對正交調制器的誤差校正，并將QMC應用到DPD系統。實驗結果表明，正交調制誤差惡化了DPD對功放線性化處理的效果，而調用QMC進行誤差校正后，DPD對功放的線性化處理功能恢復，帶外頻譜改善了17 dB。

參考文獻

[1] 王曉峰.射頻功率放大器的基帶自適應預失真技術[D].濟南：山東大學，2009.

[2] 齊帥，嚴家明，楊亞光，等.自適應寬帶數字預失真理論分析和仿真[J].計算機仿真，2011（10）：99?102.

[3] KIM Y D， JEONG E R， LEE Y H. Adaptive compensation for power amplifier nonlinearity in the presence of quadrature modulation/demodulation errors [J]. IEEE Transactions on Signal Processing， 2007， 55（9）： 4717? 4721.

[4] CAVERS J K. New methods for adaptation of quadrature modulators and demodulators in amplifier linearization circuits [J]. IEEE Transactions On Vehicular Technology， 1997， 46（7）： 336?339.

[5] LIU Youjiang， CHEN Wenhua， ZHOU Jie， et al. Joint predistortion of IQ impairments and pa nonlinearity in concurrent Dual?Band transmitters [C]// Proceedings of the 42nd European Microwave Conference. Amsterdam， Netherlands： EuMA， 2012： 231?238.

[6] 詹鵬.射頻功放數字預失真線性化技術研究[D].成都：電子科技大學，2012.

[7] YAMAOKA A， YAMAGUCHI KI， KATO T. Experimental performance evaluation of IQ imbalance and DC offset estimation and compensation technique for 3GPP LTE base station [C]// Proceedings of the 2010 IEEE MTT?S International Microwave Symposium Digest. Anaheim， CA： IEEE， 2010： 268?271.

[8] CAVERS J K， LIAO M W. Adaptive compensation for imbalance and offset losses in direct conversion transceivers [J]. IEEE Transactions on VehiculaR Technology， 1993， 42（4）： 581?589.

[9] HILBORN D S， STAPLETON S P， CAVERS J K. An adaptive direct conversion transmitter [J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology， 1994， 43（2）： 223?233.

[10] 劉元，彭端，尹長川.高性能的MIMO?OFDM接收機IQ不平衡補償新算法[J].電路與系統學報，2009（2）：90?94.

[11] 楊強浩.基于EDK的FPGA嵌入式系統開發[M].北京：機械工業出版社，2008.

[12] 徐文波，田耘.XILINX FPGA開發實用教程[M].北京：清華大學出版社，2012.