ＴＤ－ＳＣＤＭＡ削峰算法在ＦＰＧＡ上的實(shí)現(xiàn)

摘要：為了降低TD-SCDMA信號的峰平比，本文提出一種可以在FPGA_k，實(shí)現(xiàn)的加窗峰值相消的方法，并對削峰算法中關(guān)鍵濾波器的性能進(jìn)行了仿真。在以FPGA為中心的實(shí)際硬件平臺上測試，表明本削峰算法可以有效地改善TD-SCDMA信號的高峰平比特性。

關(guān)鍵詞：TD-SCDMA；功率放大器；削峰；峰均比

我國提出的TD-SCDMA標(biāo)準(zhǔn)的商用實(shí)驗(yàn)正在逐步展開，與恒包絡(luò)的GSM信號不同，TD-SCDMA每個(gè)碼道可以提供一個(gè)用戶單獨(dú)使用，峰均比必然提高，而且為了提高系統(tǒng)容量，運(yùn)營商可能使用多載波技術(shù)，而在已經(jīng)成熟應(yīng)用的WCDMA系統(tǒng)中已經(jīng)證明多載波信號將擁有高的峰值均值功率比，需要放大器具備大范圍的動態(tài)線性，這將提高功率放大器的成本。另外，在一些基站中，直流總功率中只有很少一部分是被作為有用射頻功率傳輸?shù)?。機(jī)柜射頻功率的輸出只有不到一半能用于天線發(fā)射，其余功率則作為熱量耗散，因而需要大型散熱器設(shè)備。通常情況下，轉(zhuǎn)換效率提高意味著用電成本同時(shí)削減。降低信號峰均比，能使對放大器的動態(tài)線性范圍要求降低，有效提高功率放大器的轉(zhuǎn)換效率，進(jìn)而減少整機(jī)體積與重量，降低整機(jī)生產(chǎn)成本。

基帶處理中的一些技術(shù)則能夠削減峰值的發(fā)生率。例如，編碼選擇和部分傳輸序列法被分別建議用于寬帶碼分多址接入(WCDMA)和OFDM，這兩種方法可產(chǎn)生良好效果，但是它們在具體編碼合成復(fù)合流前需要干預(yù)基帶處理層。另外一種不干預(yù)基帶處理層的削峰方法叫做峰值窗函數(shù)濾波(peak windowing)。在調(diào)制前，信號的I值和Q值只在峰值區(qū)域衰減，或者運(yùn)用極性濾波器對同相和正交分量同時(shí)削波。通過極性削波，信號振幅被削波，同時(shí)相位被保留。盡管這兩種方法都可以用來限制信號的波峰因素，但是極性削波在防信號失真(更低的總體誤差矢量幅度[EVM])方面的效果更好。

本文算法在peak windowing的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，通過軟件仿真和在FPGA硬件平臺上實(shí)驗(yàn)，采用的FPGA芯片是XILINX公司的Virtec-4系列高性能芯片。

削峰背景

高的CF值對功放提出了嚴(yán)格的要求，為了限制相鄰信道的泄露功率，功放被要求工作在線性區(qū)間。高的線性功放的要求導(dǎo)致低的功放效率以及高的功耗(A類功放)。在基站，大功耗本身造成的影響并沒有在手機(jī)中的那么大，但大功耗帶來的散熱問題會造成麻煩。為了節(jié)省因?yàn)槭褂么髣討B(tài)范圍功放帶來的昂貴資金，數(shù)字預(yù)失真技術(shù)用來使功放輸出信號維持在可承受的范圍內(nèi)。

其中g(shù)nl為非線性方程，表明功放的非線性增益，Psat為功放的最大輸出功率。OBO定義了平均功率比最大飽和輸出功率低多少分貝。如果功放工作在線性區(qū)域，并且輸入信號的CF值很大(達(dá)到了最大輸出功率)，OBO方程化為：

這樣就等于輸入信號的CF值了。在實(shí)際系統(tǒng)中，功放接近飽和點(diǎn)的增益特性為非線性，因此等號不恒成立，但可以約等于，有OBO≈CF。功放的效率與OBO密切相關(guān)，降低峰值因子(CFR)就可以降低OBO，因而提高功放的效率。

削峰的另一好處是由于削峰后輸出信號的最大值可以受控制，有可能把被削信號增益到最大的動態(tài)范圍中。這使得選擇DAC也更加容易，因?yàn)檩敵鲂枰谋忍財(cái)?shù)可能減少。

三個(gè)關(guān)鍵參數(shù)

峰平比(PAR)的定義：一段測量時(shí)間內(nèi)，信號峰值與信號均方根的比值。有時(shí)也用峰值系數(shù)(crest factor)來描述。

但是這種傳統(tǒng)的測量峰均比的方法在某些情況下不太適用，如果信號服從高斯分布，當(dāng)觀測時(shí)間足夠長時(shí)，信號峰值會達(dá)到無窮大。采用另外一個(gè)參數(shù)衡量峰均比更有意義。這種測量方法從概率統(tǒng)計(jì)的角度對信號的峰平比進(jìn)行衡量，比較嚴(yán)格。與傳統(tǒng)的測量方法相比，從概率統(tǒng)計(jì)的角度給出的CCDF分布曲線的測量方法更為直觀、全面。

為了衡量頻譜上信號對相鄰信道的影響，參數(shù)ACLR(相鄰信道功率泄漏比)代表發(fā)射功率與經(jīng)過一個(gè)濾波器后在相鄰信道所測功率的比值。

削峰算法

TD-SCDMA的1.28 Mcps復(fù)值碼片序列如圖2進(jìn)行調(diào)制，對TD-SCDMA信號進(jìn)行削峰處理，有兩種方法。第一種，基帶削峰，成形后會有CF的增加，所以要對成形后的CF作充分估計(jì)，但是因?yàn)樵诔尚沃跋鞣澹挥脫?dān)心ACLR的惡化。第二種，中頻削峰，在成形后削峰，對多載波削峰最有效，但是要在

導(dǎo)意義，可以作為一個(gè)中頻削峰的一個(gè)參考。

中頻削峰

基帶削峰的思想可以用到中頻削峰上來，與基帶削峰一樣，中頻削峰也是通過對信號模的判斷對信號處理，把超過門限值的部分削去。但是中頻削峰與基帶削峰最大的不同在于，中頻削峰是在信號成形、上變頻、多載波信號合成后進(jìn)行的，所以中頻削峰要考慮到對ACLR的影響，很多時(shí)候需要在ACLR和EVM、CCDF之間做權(quán)衡。直接削峰算法會引起信號帶外溢出并影響到鄰道信號，造成ACLR參數(shù)的惡化。對削峰信號進(jìn)行濾波能在帶外溢出和削峰效果之間找到平衡。

w就是濾波器的系數(shù)。為了性能優(yōu)化，采用漢明窗濾波器。濾波器的長度將會對EVM、ACLR及CCDF產(chǎn)生影響，這使我們能夠在各種參數(shù)中取得平衡。

由于削峰信號之間很接近，當(dāng)濾波器長度超過一定值時(shí)將會使削峰信號疊加，最壞的情況是b(n)將變成負(fù)數(shù)，這是我們不想得到的效果，所以采用直接型的FIR濾波器是不行的，我們采用一種簡單的解決方法：加上一個(gè)反饋濾波器，在必要的時(shí)候把輸入濾波器的信號值降低。

如果b(n)>1，就不能起到削峰的作用，所以圖中的max(y，0)模塊是為了防止反饋信號比輸入信號還大，保證濾波器輸出正數(shù)。

現(xiàn)在濾波的框圖如圖9，其中模塊B_generator的作用就是對1－c(n)進(jìn)行濾波得到1－b(n)。

中頻削峰雖然會帶來ACLR的惡化，但是采用了加窗削峰的技術(shù)后，可以降低相臨信道的溢出，比起基帶削峰能更有效的降低CF值。

仿真結(jié)果

在Matlab中采用TD-SCDMA的仿真信號源，配置為3載波，6個(gè)時(shí)隙，16碼道／時(shí)隙。CFR頂層模塊按照上一節(jié)中的結(jié)構(gòu)，在SimuLink平臺上，使用了Xilinx提供的各種模塊來搭建而成。

仿真結(jié)果：

PAPR at CFR Input： 10.7dB

PAPR at CFR Output：6.8dB

EVM of CFR Output：7.4％

ACLRI at CFR Output：69.5dB

ACLR2 at CFR Output：70.0dB

仿真結(jié)果表明，這個(gè)結(jié)構(gòu)的CFR模塊能有效進(jìn)行信號的削峰處理，EVM保持在8％的可接受范圍內(nèi)，ACLR惡化2dB。

測試結(jié)果

本文測試使用的信號是由信號發(fā)生器RS-SMU200A產(chǎn)生的TD-SCDMA信號，單天線3載波，6個(gè)時(shí)隙，每個(gè)時(shí)隙打開16碼道。經(jīng)過ADC轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，經(jīng)過FPGA進(jìn)行削峰處理后，再由DAC輸出到信號分析儀RS-FSQ3上。其中AD9510是時(shí)鐘分配芯片，統(tǒng)一向整個(gè)系統(tǒng)分配時(shí)鐘。

以下是測試結(jié)果的截圖，由于產(chǎn)生的TD—SCDMA有六個(gè)時(shí)隙，以下的數(shù)據(jù)是針對SLOT2的測量結(jié)果，其他時(shí)隙基本一致。ACLR惡化了2dBm，換取了峰均比的降低：CCDF從10dB降低到7.7dB，而且實(shí)測的EVM保持在8％以下。

結(jié)語

從以上的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，削峰算法能成功的在測試平臺上運(yùn)行，并且能達(dá)到削峰的效果，CCDF從10dB降低到7.7dB，并且EVM一直保持在8.0％以下。使用FPGA實(shí)現(xiàn)削峰比用專業(yè)芯片更加靈活，可以根據(jù)不同的信號，不同的性能要求進(jìn)行靈活的優(yōu)化配置，升級更加方便。TD-SCDMA信號峰均比降低后，對放大器的動態(tài)線性范圍要求降低了，有效提高功率放大器的轉(zhuǎn)換效率，進(jìn)而減少整機(jī)體積與重量，降低整機(jī)生產(chǎn)成本。