基于安捷倫高性能儀器數(shù)字預(yù)失真軟件的開發(fā)

應(yīng)祥岳，徐鐵峰，劉太君，文化鋒，李 軍

（寧波大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，浙江 寧波 315211）

精密、貴重大型儀器是高校開展科學(xué)研究、技術(shù)開發(fā)和提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量的物質(zhì)條件［1］。隨著教育經(jīng)費(fèi)的不斷投入，如何充分利用實(shí)驗(yàn)室資源，提高儀器設(shè)備的利用率已成為一個(gè)突出問題［2］。作為儀器的管理使用人員，應(yīng)該管好、用好儀器，積極進(jìn)行功能開發(fā)和技術(shù)改造［3］，加強(qiáng)開放與服務(wù)，提高大型儀器的應(yīng)用水平與使用效益，為科學(xué)研究和培養(yǎng)學(xué)生做出貢獻(xiàn)，使固定資產(chǎn)更好地保值、增值，發(fā)揮更大的效能［4－5］。

以寧波大學(xué)為例，2011年，全校共入庫10萬元以上的設(shè)備107臺(tái)（件），共4 000萬元。寧波大學(xué)“信息與通信工程”學(xué)科借浙江省“重中之重”學(xué)科建設(shè)的契機(jī)，采購了一系列美國安捷倫科技有限公司的高性能精密儀器，包括：光波元件分析儀N4373C、頻譜分析儀E4448A、E4443A、矢量信號(hào)分析軟件89600、模擬信號(hào)發(fā)生器E8257D、寬帶示波器86100C、矢量信號(hào)發(fā)生器N5182A、E4438C、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀E5071C等，其價(jià)值達(dá)800萬元，使實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備達(dá)到國際一流水平。在此基礎(chǔ)上，我們與安捷倫公司聯(lián)合成立了“寧波大學(xué)—安捷倫聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室”，為開展無線通信技術(shù)的研究奠定了基礎(chǔ)。

但是這些高性能儀器并不是為我院特制的，儀器廠商因考慮儀器的通用性，不會(huì)將所有用戶需要的特定功能都包含到儀器里，這給我們的研究造成了一定的不便。因此，在其基礎(chǔ)上根據(jù)自身需求進(jìn)行了二次開發(fā)，完善了儀器功能，建立了完全滿足我院科研需要的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，充分發(fā)揮了儀器效能。

1 射頻功放的數(shù)字預(yù)失真技術(shù)

隨著移動(dòng)通信技術(shù)的飛速發(fā)展，頻譜資源日漸緊張。在第四代移動(dòng)通信等寬帶移動(dòng)通信系統(tǒng)中，普遍采用了QPSK（正交相移鍵控）、QAM（正交調(diào)幅）等線性調(diào)制方法來提高傳輸速率和頻譜效率，同時(shí)廣泛采用OFDM（正交頻分復(fù)用）技術(shù)，使得信號(hào)具有很高峰均比（PAPR）。在處理這類速率較高的非恒包絡(luò)信號(hào)時(shí)，射頻功率放大器的效率和線性度往往無法兼顧［6］。為了解決這個(gè)問題，一般采用功放線性化技術(shù)來校正功放的非線性特性，這樣既提高了功放效率、節(jié)約了能源，又改善了功放線性度，降低了ACPR（鄰道功率比）。在現(xiàn)有的各種功放線性化技術(shù)中，數(shù)字預(yù)失真技術(shù)結(jié)合了實(shí)用性、經(jīng)濟(jì)性與穩(wěn)定性，成為寬帶通信系統(tǒng)射頻功放線性化的研究熱點(diǎn)。其基本原理是用數(shù)據(jù)處理器在發(fā)射鏈路的基帶或中頻部分搭建一個(gè)與射頻功放非線性特性相反的非線性電路，與功放疊加后可以將輸入信號(hào)線性放大。自20世紀(jì)80年代以來，已出現(xiàn)了查表法、多項(xiàng)式法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等多種預(yù)失真方法。

圖1所示是數(shù)字預(yù)失真的原理框圖，經(jīng)預(yù)失真的基帶信號(hào)在計(jì)算機(jī)中用ADS軟件生成，通過GPIB下載到矢量信號(hào)發(fā)生器（VSG N5182A），由矢量信號(hào)發(fā)生器調(diào)制到射頻載波之上（包括數(shù)字調(diào)制、數(shù)模轉(zhuǎn)換、上變頻）后，加載到功放。功放輸出信號(hào)由頻譜分析儀（PSA E4443A）和矢量信號(hào)分析軟件（VSA 89600）采集（包括下變頻、模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)字解調(diào)），得到輸出基帶信號(hào)。通過比較功放的輸入和輸出的基帶信號(hào)，可獲得功放的AM／AM和AM／PM特性，并由此提取數(shù)字預(yù)失真器的模型參數(shù)。

圖1 數(shù)字預(yù)失真原理框圖

2 基于安捷倫儀器的數(shù)字預(yù)失真軟件開發(fā)

當(dāng)我們開展數(shù)字預(yù)失真實(shí)驗(yàn)研究時(shí)，需要多臺(tái)安捷倫高性能儀器協(xié)同工作，有一定的繁瑣性，操作復(fù)雜，還需離線進(jìn)行復(fù)雜的算法運(yùn)算、處理，智能性差，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。幸好，安捷倫高性能儀器都給研究人員預(yù)留了編程接口，提供了標(biāo)準(zhǔn)編程命令格式，為研究人員進(jìn)行二次開發(fā)創(chuàng)造了條件。

因此，我們的目標(biāo)就是根據(jù)自身需求，自主開發(fā)一個(gè)基于安捷倫高性能儀器的數(shù)字預(yù)失真軟件，將用到的各個(gè)儀器協(xié)同到一個(gè)軟件平臺(tái)上來（如圖2所示）。通過軟件自動(dòng)控制儀器的各項(xiàng)操作和功能，并且將預(yù)失真實(shí)驗(yàn)所需的復(fù)雜算法（如：互相關(guān)算法、滑動(dòng)平均算法、最小二乘算法、插值算法、FIR濾波算法、矩陣逆運(yùn)算等）都集成到該軟件里，提高智能性，深度挖掘這些高性能儀器的潛能，將科研人員從繁瑣的操作中解脫出來，專注于數(shù)字預(yù)失真技術(shù)本身的研究，為科研人員創(chuàng)造更加得心應(yīng)手的科研環(huán)境，大大降低課題研究的復(fù)雜性和周期。

圖2 射頻功率放大器數(shù)字預(yù)失真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

3 軟件功能介紹

該數(shù)字預(yù)失真軟件包括5個(gè)部分功能且流程為信號(hào)發(fā)生→信號(hào)捕獲→延時(shí)調(diào)整→模型識(shí)別→模型驗(yàn)證。

3.1 信號(hào)發(fā)生

將I、Q兩路基帶矢量信號(hào)（由ADS軟件生成）通過GPIB接口下載到安捷倫矢量信號(hào)發(fā)生器，打開矢量信號(hào)發(fā)生器的射頻端口，輸出調(diào)制后的射頻信號(hào)。

3.2 信號(hào)捕獲

控制頻譜分析儀（PSA E4443A）和矢量信號(hào)分析軟件（VSA 89600）采集（包括下變頻、模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)字解調(diào)）功放輸出的射頻信號(hào)，得到輸出的基帶矢量信號(hào)。

3.3 延時(shí)調(diào)整

輸入與輸出的基帶矢量信號(hào)模型識(shí)別之前需要精確同步，即時(shí)延調(diào)整。這里用到互相關(guān)算法。為了精確同步到納秒級(jí)，還需進(jìn)行插值運(yùn)算，軟件集成了拉格朗日插值、三次樣條插值等插值算法供選擇。為保證插值之后基帶信號(hào)的平滑，還需進(jìn)行FIR濾波。

3.4 模型識(shí)別

軟件不僅集成了簡單的基于查找表的預(yù)失真器模型［7］，還包括了記憶多項(xiàng)式模型（多項(xiàng)式階數(shù)和記憶深度可選）［8］、Wiener模 型［9］、Hammerstin 模 型［10］，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型等。幾種典型的預(yù)失真器模型如圖3所示。

圖3 4種典型的預(yù)失真器模型

3.5 模型驗(yàn)證

為了驗(yàn)證模型的正確性與可行性，用所獲得的模型參數(shù)將原始基帶矢量信號(hào)預(yù)失真，再下載到矢量信號(hào)發(fā)生器，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)射頻功放，觀察功放輸出信號(hào)的頻譜再生情況，測量頻譜的ACPR值是否符合通信標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)束語

基于安捷倫高性能儀器自主開發(fā)了一套數(shù)字預(yù)失真軟件，深度挖掘了這些高性能儀器的潛能，使其完美滿足我院科研人員需求，為科研人員創(chuàng)造更加得心應(yīng)手的科研環(huán)境，促進(jìn)了我院科研人員在無線通信領(lǐng)域的研究。目前利用這些儀器設(shè)備和預(yù)失真軟件開展研究的科研項(xiàng)目有：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“認(rèn)知無線電系統(tǒng)可調(diào)多波段多模式高效射頻功率放大器研究”，“未來寬帶無線通信系統(tǒng)的基于記憶型射頻數(shù)字預(yù)失真的功放線性化技術(shù)研究”，浙江省科技重大專項(xiàng)重點(diǎn)國際合作項(xiàng)目“3G／Super－3G移動(dòng)通信系統(tǒng)超線性高效率射頻功放模塊研發(fā)”，普天、北京郵電大學(xué)和寧波大學(xué)三方合作承擔(dān)的2010年國家科技重大專項(xiàng)項(xiàng)目“高效、線性寬帶功放模塊”等。利用安捷倫儀器和該軟件，我所研究人員已經(jīng)在數(shù)字預(yù)失真技術(shù)方面取得了一些突出成果，在國內(nèi)外頂尖雜志發(fā)表了一系列高水平學(xué)術(shù)論文。

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