自适应数字预失真的FPGA实现
自适应数字预失真的FPGA 实现
苏惠明
(西安外事学院计算机中心 陕西西安 710077)
摘 要:数字预失真技术在软件仿真方面已取得长足进步,但在硬件实现上还存在着很大的不足。利用设计的实验平台,在窄带通信系统中不考虑记忆效应的情况下,提出了一种基于查询表的能够有效抑制器件噪声的自适应数字预失真方案。经FP GA 实现该方案后,可以明显降低噪声和交调干扰,实验结果较为理想。
关键词:数字预失真;FP GA ;记忆效应;滤波器
中图分类号:TN91 文献标识码:B 文章编号:10042373X (2008)132156203
R ealization of Adaptive Digital Predistortion by FPG A
SU Huiming
(Computer Center ,Xi ′an International University ,Xi ′an ,710077,China )
Abstract :Digital predistortion technology in the simulation software has made great progress ,but in hardware realization there is a great shortage.Based on the narrow communication systems and disregarding memory effects ,the paper describes an adaptive digital predistortion method which can restrain the noise effect caused by applications.Realized by FP GA ,it can obvi 2ously reduce noise and cross 2interference ,and achieve perfect experimental result.
K eywords :digital predistortion ;FP GA ;memory effects ;filter
收稿日期:2007212215
数字预失真技术目前已在软件仿真的基础上提出了大量的方案,但毕竟从软件仿真到硬件实现是有很长一段距离的:一方面硬件环境很难完全在仿真中体现,诸如量化噪声、器件噪声等;另一方面硬件约束,如资源限制,处理速度等也是软件仿真中很难考虑完全的。记忆效应和器件噪声是实际电路中无法消除的两个负面因素,本文介绍了消除器件噪声影响进行的一些工作。1 实验平台
图1是实验平台框图,绿色虚框部分在FP GA (Al 2tera :EP1S25F672C7)内实现,其中,成型滤波器:64倍上采样的数字升余弦滚降滤波器;R/P 和P/R :直角坐标转极坐标和极坐标转直角坐标转换,采用“CORDIC
算法”[1];ADC 和DAC :14位数/模、模/数转换器。介
于耦合回路中时延比较固定,采用固定长度延时器补偿,延时器的最大精度为基带时钟周期:1/56μs ;对于下变频器晶振与基带板晶振之间存在的频偏,通过载波同步环路[2]消除。
HPA 属于AB 类的SSPA ,其特点是相位失真几
乎可以忽略,幅幅传输特性可用Rapp 模型[3]
进行
描述:
F AM/AM (u )=
K 3u
1+(
K 3u Q sat
)2S
1/2S
(1)
式中,K 为放大倍数,u 为输入信号幅度,S 为光滑因子,Q sat 为饱和输出幅度,图2为K =1时,不同(S ,Q sat )对应的工作曲线:自上而下的蓝线对应的系数分别是(8,0.5),(6,0.5),(4,0.5),(2,0.5),(4,0.4)。
对于Q sat 相等的SSPA ,S 越大则1dB 压缩点越高,线性工作区域越长,性能越好。理论上,经过数字预失真处理后所能达到的最佳效果是将SSPA 的线性工作区域保证在u ∈[0,Q sat )(实际上工作点无法达到Q sat ),图中绿线为对应于Q sat =0.5的SSPA 理论线性工作曲线。在Q sat 相等的情况下,不同S 的SSPA 经过预失真后所能保证的线性工作区域是相同的。换言之,通过数字预失真技术可以降低对H PA 的设计要求。
为充分避免记忆效应的影响,实验平台信源波特率为7/8Mb/s [4]。由于物理器件本身的特性,反馈信号中的随机分量是不可消除的,图3是在FP GA 内(图1中A ,B 点处)获得的对应曲线,单位是ADC 和DAC 的量化间隔。图中,整个工作范围是一条具有一定宽度的
“带”
(与图6的仿真结果吻合),如果该随机分量得不到适当的抑制,经预失真后会被以某种形式放大输出,造成性能恶化。
电子技术苏惠明:自适应数字预失真的FP GA 实现
图1
实验平台框图
图2
(S ,Q sat )对应关系
图3 功放实际工作曲线
2 预失真方案
图4中绿色字体的“输入幅值”、“输出幅值”和“反
馈幅值”是预失真器的外部接口(图1中的延时器集成于预失真器中)。“L U T1”和“L U T2”均由单输入单输出的RAM 实现,大小为32768×14b =448kb ,两表内初始数据为0,由两个M 2RAM 实现。
调整衰减器,使输出、反馈幅值间增益近似为0dB (即式(1)中K =1),此时预失真器的理想工作曲线与H PA 的工作曲线关于直线y =x 对称,如图5所示。
不难发现,只要输入幅值u 小于Q sat ,总可以找到一个幅值u pd ,使得F AM/AM (u pd )=u 。于是,通过下面的方法使预失真器的输出逼进u pd :
(1)u 第一次出现,经LU T1,获得Δ1=0,u out =u +
Δ1=u,u out 经LU T2获得Δ2=0,写数据dd 1=u out -反馈幅值u b ;
(2)u 第二次出现,经L U T1获得Δ1=dd 1,u out =u +Δ1,u out 经L U T2获得Δ2=dd 1:
dd 2=α?(u out -u b )+(1-α)dd 1=dd 1+α?(u out -u b -dd 1)
(2)
其中α为小于1的常数
。
(3)
u 第n 次出现,重复上一步骤,…。
图4 预失真器原理框图
图5 预失真示意图
通过以上迭代使u out 逐步逼进u pd ,当到达精度范
围内的u pd 附近时:
u out -u b =dd n ,dd n+1=α×(u out -u b )+(1-α
)dd n =dd n ,进入稳态。图5(a )的绿线为α=1时u out 向u pd 逼进的情况。
在迭代的过程中L U T2向L U T1提供了迭代增量的同时还起到抑制反馈信息中随机分量的作用。从式(2)可以看出,对于每一个固定输出幅值与L U T2对应地址位构成一个简易的环路滤波器[2],其性能与α
《现代电子技术》2008年第13期总第276期 电子技术应用
有关。
图6所示的仿真中,HPA 的(S ,Q sat )为(2,012),
信号的幅度峰值在0117附近,加入加性随机噪声模拟实际电路中的随机分量,其范围在-01002～+01002,图6(a )是α=015,图6(b )是α=0105的仿真情况,星座图和频谱图中的红、黑色线条分别对应为预失真前、后的情况。黑色曲线是预失真器和SSPA 的整体工作曲线,红色曲线是预失真过程中SSPA 的实际工作曲线(工作曲线的特征与图3的实际情况基本接近),不难看出预失真技术是以拉长H PA 的实际工作区域为代价换取原工作区域的线性化
。
图6 仿真图
此外,仿真结果告诉我们,对于Q PS K (较低信息载量的调制方式,所需信噪比低)和SSPA (相位失真小)系统,预失真技术虽然对解调帮助不大,但可以降低交调干扰并同时降低功放的设计要求。
抑制噪声是以限制u out 向u pd 逼进的速度为代价的,如图5(b )所示:整个搜索过程相当于从A 点出发借助辅助线OA ,OB 搜索B 点,α决定着搜索的方向,蓝点和黑点分别是α=1和α=015经过三次迭代后到达的位置。如果α过小,加上有限字长的影响,会导致较小的增量在迭代的过程中被舍去[5],从而造成u out 无法到达需要的u pd 邻域内。3 实验效果
实验频谱图如图7所示
。
图7 实验频谱图
图7中黄线为预失真前的频谱曲线,图中深绿色线
分别为相同实验条件下α=015和α=2-5的实验结果,可明显看出:把α从015调整到2-5后噪声得到明显抑制,同时交调干扰也进一步得到抑制,这与仿真结果基本一致。但同时必须看到,交调干扰没有像仿真结果显示的那样被完全抑制掉,而是仍然存在有较大的余量,除了物理器件非理想性的因素及FP GA 有限字长的影响外,记忆效应是一个重要因素。虽然实验中通过降低带宽充分减小了记忆效应的影响,但作为器件特性,记忆效应是实实在在存在于系统中的,其对实验效果也必然存在影响。如果需要进一步抑制交调干扰,就必须首先抑制记忆效应对反馈信息造成的影响。
(下转第162页)
电子技术苏惠明:自适应数字预失真的FP GA 实现
(1)查全率、准确度、F2测度,如表1所示。
表1 查全率、准确度、F2测度统计
形状特征查全率recall精确度precision F测度f2measure Part B77.662%62.13%69.033% Part D30.052%26.446%28.134%
(2)检索效率,如表2所示。
表2 P art A1,A2,B,D不同特征的检索效率统计
检索效率Part A1Part A2Part B Part D
WFD
28.002%
(998/3564)
42.565%
(1517/3564)
77.662%
(2013/2592)
30.052%
(94254/313632)
(3)有效性
本论文中,从图像测试集B中选出8幅图像作为系统查询图像(它们为每一类图像的第一幅),分别为:鸟bird02、骆驼camel04、大象elep hant01、叉子fork01、杯子Glas01、锤子hammer01、心Heart01和钥匙Key01,统计对于图像库中每类图像的第二幅图像(包括图像:鸟bird04、骆驼camel06、大象elep hant02
fork02、杯子Glas02、锤子hammer02、心Heart02和钥匙Key03)的检索有效性。实验中找到4个人进行主观评判。具体的做法是,以每类中的第1幅图像作为查询图像,得到关于第2幅图像的系统检索排序P1(2)和用户主观排序Q1(2),设此处窗宽σ1(2)均为4,对8种不同特征统计其S1(2),见表3。注意,由于只找到4个人进行主观评判,S1(2)最大值取4。
表3 有效性统计
不同形状特征的S1(2)
鸟
bird
骆驼
camel
大象
elephant
叉子
fork
杯子
G las
锤子
hammer
心
Heart
钥匙
key
WFD04234404
参 考 文 献
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作者简介 赵 晨 女,1981年出生,硕士,助教。主要研究方向为电子信息技术。
任郁苗 女,1977年出生,硕士,助教。主要研究方向为电子信息技术。(上接第158页)
参 考 文 献
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作者简介 苏惠明 男,1980年出生,宁夏吴忠人,硕士。西安外事学院专职教师,研究方向为数字图像。电子技术赵 晨等:基于形状的图像检索技术研究