基于數(shù)字預(yù)失真技術(shù)的MCPA系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

（廣州海格通信集團(tuán)股份有限公司，廣東 廣州 510663）

0 引言

在現(xiàn)代通信系統(tǒng)中，為了充分利用已有的硬件資源，增加載波數(shù)量，最有效的方法就是采用多載波技術(shù)。多載波功率放大器（MCPA）運(yùn)行時(shí)，在整個(gè)運(yùn)行頻帶內(nèi)可以靈活分配多個(gè)載波，適用于各種調(diào)制方法。不僅可以提高功放的效率，還可以大大降低基站的制作成本、減小基站體積[1]。

1 MCPA系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 硬件系統(tǒng)概述

本多載波功率放大器（MCPA）硬件組成如圖1所示。其基帶部分采用ARM＋FPGA的架構(gòu)，運(yùn)用數(shù)字預(yù)失真（DPD）技術(shù)與Doherty功放相結(jié)合設(shè)計(jì)。其中，ARM主要實(shí)現(xiàn)整板數(shù)字芯片的配置、FPGA程序加載和DPD的運(yùn)行監(jiān)控；FPGA主要實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行上下變頻（DDC/DUC），以及與ADC/DAC接口處理等功能。

為了在滿足輸出功率的同時(shí)，保證射頻指標(biāo)（IMD）滿足要求，本MCPA系統(tǒng)采用了數(shù)字預(yù)失真技術(shù)加Doherty功放的設(shè)計(jì)。

1.2 數(shù)字預(yù)失真技術(shù)

預(yù)失真技術(shù)的實(shí)質(zhì)，就是預(yù)先對(duì)功放輸入信號(hào)的幅度和相位進(jìn)行預(yù)定的反失真，以抵消功放的非線性失真。因此在DPD單元中包含有預(yù)失真訓(xùn)練和預(yù)失真濾波處理兩個(gè)子模塊：預(yù)失真訓(xùn)練模塊構(gòu)造出預(yù)失真器所需的非線性濾波器系數(shù)；預(yù)失真濾波處理模塊完成輸入數(shù)據(jù)的非線性濾波。在理想情況下，由DPD和PA所組成系統(tǒng)的輸入輸出關(guān)系是線性的。本MCPA系統(tǒng)采用基于博通公司OP6180專用DPD芯片配合單邊帶（SSB）的設(shè)計(jì)。其中OP6180芯片的預(yù)失真處理跟信號(hào)調(diào)制方式無關(guān)，可與Doherty高效率功放聯(lián)合使用，支持實(shí)中頻（real IF）、單邊帶（SSB）、零中頻（ZIF）等架構(gòu)。采用單邊帶（SSB）的設(shè)計(jì)方案，使得在混頻器輸出端的本振泄露和不必要鏡像都會(huì)得到30dB以上的抑制，降低了后端帶通濾波器（BPF）設(shè)計(jì)要求。

1.3 Doherty功放技術(shù)

在本MCPA系統(tǒng)中，采用Doherty技術(shù)與DPD進(jìn)行配合。Doherty功放由兩個(gè)功放組成：一個(gè)主功放，一個(gè)輔助功放。其主功放工作在B類或者AB類，輔助功放工作在C類。兩個(gè)功放不是輪流工作，而是主功放一直工作，輔助功放到設(shè)定的峰值才工作。由于有源負(fù)載牽引的作用，主功放輸出電流變大，使得整個(gè)功放效率比普通AB類功放提高10%以上。與其他功放效率提升技術(shù)相比，Doherty技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)：可在較大的功率回退區(qū)域內(nèi)保持較高的效率；電路復(fù)雜度低，易與DPD、前饋等線性化技術(shù)相結(jié)合；輔助功放工作在C類，可以根據(jù)輸入功率的大小自動(dòng)實(shí)現(xiàn)工作和關(guān)閉狀態(tài)的切換，不需要額外的控制電路[2]。

2 MCPA監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 軟件系統(tǒng)概述

本MCPA系統(tǒng)采用uC/OS-II操作系統(tǒng)。系統(tǒng)監(jiān)控軟件的各個(gè)功能模塊，均以任務(wù)的形式運(yùn)行于uC/OS-II操作系統(tǒng)中，依據(jù)設(shè)定好的優(yōu)先級(jí)由操作系統(tǒng)依次調(diào)度執(zhí)行[3]。

軟件中各個(gè)功能模塊的執(zhí)行流程如圖2所示：在系統(tǒng)啟動(dòng)后，首先對(duì)主控CPU和uC/OS-II操作系統(tǒng)的初始化。隨后，在Task1任務(wù)中對(duì)系統(tǒng)各個(gè)外設(shè)器件進(jìn)行初始化配置。配置完成后，由uC/OS-II操作系統(tǒng)創(chuàng)建系統(tǒng)運(yùn)行所需的其他任務(wù)，并開啟任務(wù)調(diào)度。

圖2 監(jiān)控軟件總流程

2.2 系統(tǒng)運(yùn)行模式設(shè)計(jì)

依據(jù)MCPA系統(tǒng)監(jiān)控的具體運(yùn)行需求，其運(yùn)行模式可劃分為：功放監(jiān)控模式和功放調(diào)測(cè)模式這兩大類。

功放監(jiān)控模式包括：檢測(cè)功能模塊、監(jiān)控告警模塊和DPD監(jiān)控模塊。其中，檢測(cè)功能模塊負(fù)責(zé)檢測(cè)系統(tǒng)當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)，并根據(jù)運(yùn)行狀態(tài)對(duì)功放進(jìn)行溫度補(bǔ)償和功率閉環(huán)調(diào)控。監(jiān)控告警模塊負(fù)責(zé)依據(jù)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，針對(duì)不同的告警項(xiàng)，做出相對(duì)應(yīng)的操作處理。DPD監(jiān)控模塊的主要職責(zé)是在系統(tǒng)啟動(dòng)后對(duì)DPD模塊進(jìn)行訓(xùn)練。并在訓(xùn)練結(jié)束后，持續(xù)對(duì)DPD模塊的運(yùn)行進(jìn)行監(jiān)控調(diào)整，處理各種告警，維持DPD模塊運(yùn)行的穩(wěn)定，其運(yùn)行流程如圖3所示。

圖3 DPD監(jiān)控模塊功能流程圖

功放調(diào)測(cè)模式主要用于在設(shè)備生產(chǎn)和測(cè)試階段，調(diào)試和設(shè)定系統(tǒng)的各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)值。功放調(diào)測(cè)模式中調(diào)測(cè)功能包含有：（1）對(duì)系統(tǒng)各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)的調(diào)測(cè)設(shè)定；（2）對(duì)DPD芯片的運(yùn)行進(jìn)行調(diào)測(cè)；（3）調(diào)測(cè)過程中對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)檢測(cè)上報(bào)；（4）提供升級(jí)系統(tǒng)所需配置文件及鏡像文件的接口。

3 系統(tǒng)運(yùn)行及測(cè)試效果

本MCPA系統(tǒng)，已在800MHz信道機(jī)項(xiàng)目上進(jìn)行了應(yīng)用驗(yàn)證。在硬件上，由于采用DPD+Doherty設(shè)計(jì)架構(gòu)，并在輸入與輸出的匹配網(wǎng)絡(luò)中，采用微帶線設(shè)計(jì)，提高Q值，減少損耗。匹配中補(bǔ)償線帶有預(yù)留，提高輸入輸出匹配可調(diào)性與可實(shí)現(xiàn)性。從表1中相關(guān)測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出，在滿足-60dBc的互調(diào)指標(biāo)下，本MCPA系統(tǒng)效率高達(dá)30%，顯著優(yōu)于傳統(tǒng)的AB類功率放大器。

表1 功放測(cè)試數(shù)據(jù)

在軟件上，系統(tǒng)采用uC/OS-II操作系統(tǒng)，軟件程序精簡(jiǎn)，編譯后總大小可控制在150KB以內(nèi)。啟動(dòng)速度快，包括DPD模塊初始化學(xué)習(xí)過程在內(nèi)，整個(gè)啟動(dòng)過程可在45秒內(nèi)完成。開發(fā)及測(cè)試期間，系統(tǒng)運(yùn)行效果理想，性能穩(wěn)定，各項(xiàng)功能、性能指標(biāo)及環(huán)境測(cè)試均符合要求。

4 結(jié)語(yǔ)

本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種基于數(shù)字預(yù)失真技術(shù)的多載波功率放大器（MCPA）系統(tǒng)。在硬件上，采用DPD+Doherty技術(shù)，在改善功放多載波互調(diào)失真，實(shí)現(xiàn)線性的功率輸出的同時(shí)，提高了功放效率。在軟件上，與常見的Linux操作系統(tǒng)相比，本系統(tǒng)所采用的uC/OS操作系統(tǒng)具有啟動(dòng)時(shí)間快、內(nèi)核精簡(jiǎn)、性能穩(wěn)定、移植方便等優(yōu)點(diǎn)。通過實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證，該多載波功率放大器（MCPA）系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，可在整個(gè)運(yùn)行頻帶內(nèi)分配多個(gè)載波信號(hào)，并適用于各種調(diào)制方法，達(dá)到了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求。