基于FPGA的射频功放数字预失真技术平台研究与实现

杭州电子科技大学硕士学位论文基于FPGA的射频功放数字预失真技术平台研究与实现姓名：杨小海申请学位级别：硕士专业：信号与信息处理指导教师：张福洪20100301杭州电子科技大学硕士学位论文I摘要为了获得更大的输出信号功率，提高功放效率，功放一般会工作在饱和点附近，这样必然带来严重的非线性失真。而采用诸如正交频分复用(OFDM)等现代调制技术的数字视频广播(DVB)，因其信号具有很高的峰均功率比(PAPR)和较宽的带宽，对功率放大器(PA)的非线性失真非常敏感。射频功放的非线性失真还会使得原始输入信号的频谱扩展，从而产生邻近信道干扰，影响其它用户。为了解决这些问题，对功率放大器的线性化是一个有效的方法。基于自适应数字预失真的有记忆功放线性化技术以其实用、方案灵活、成本适中等优势，是现在通信界普遍在应用的一种有潜力的功放线性化技术。本课题以FPGA为平台对数字电视基带信号进行预失真处理，实现数字电视发射机中功放线性化。该平台方案是解决功放线性化的通用方案，其昀大优点就是能在基带数字段进行自适应预失真处理。方案核心FPGA基带处理软件采用的是赛灵思公司的预失真IP核，简化软件开发过程，提高研发效率。围绕该IP核，数字预失真基带处理硬件平台主要由FPGA、DAC与ADC、射频上行链路与下行反馈电路部分组成，外加时钟板及功放板构成了整个预失真系统。整个系统信号数率以及射频频率都比较高，对各部分器件性能都有较高要求。本文即是以上述硬件平台为基础，围绕数字预失真基带板及其频率合成板调试展开，旨在FPGA中使用DPDIP核实现功放线性化。作者所做的主要工作如下：1、介绍了数字电视以及其信号特点，描述了国内外业界功放线性化研究的现状及发展趋势，本课题的研究目的和意义。2、分析了功率放大器的非线性对系统性能的影响，给出了衡定功放的性能指标，特别是课题中功放需要实测的功放指标，还研究了现在流行的几种功放线性化技术。3、介绍了基于FPGA的数字预失真硬件平台方案，详细分析了DPDV2.0IP核中MircoBlaze处理器运行控制流程以及Virtex4FPGA的SBRAM在此IP核中的存储分配方式，为后续更好的应用MircoBlaze处理器做好准备。4、详细调试了本课题频率合成方案，给出了各个时钟芯片在本方案中的应用设计，给出了调试结果。5、由于方案设计之初的DVB-T数字基带信号源没有如期获得，以及基带板硬件平台指标也未满足反馈信号要求，故非常遗憾不能使用IP核实现昀终的DPD。在此种情况下，为了接下来的改进板联调，本文软件部分给出了DPDIP核应用中的FPGA顶层模块设计以及部分软件设计仿真，硬件调试了基带板及功放板，给出了调试后问题解决方法及实测结果。关键词：数字电视，数字预失真，频率合成，现场可编程门阵列，射频功放杭州电子科技大学硕士学位论文IIABSTRACTInordertoobtainalargeroutputpowerofsignal，andimprovetheefficiency，poweramplifierwillgenerallyworknearthesaturationpoint.Thiswillinevitablyleadtoseriousnonlineardistortion.Digitalvideobroadcasting(DVB)useslotsofmodernmodulationtechniquessuchasorthogonalfrequencydivisionmultiplexing(OFDM),Itssignalhavehighpeaktoaveragepowerratio(PAPR)andwidebandwidth,theyareverysensitivetothenonlineardistortionofpoweramplifier(PA).NonlineardistortionofRFpoweramplifierwillalsomakespectrumexpansiontooriginalinputsignal,itwillresultinadjacent-channelinterferenceandaffectothersusers.Inordertosolvetheseproblems,poweramplifierlinearizationisaneffectiveway.Basedonadaptivedigitalpre-distortionpoweramplifierlinearizationtechnologyhassomanyadvantagessuchasutility,flexibleandcost-moderate,it’saverypotentialandpracticalpoweramplifierlinearizationtechniqueswhichgeneraluseincommunicationindustry.Thisissueispre-distortionprocessingfordigitalTVbase-bandsignalbasedonFPGAplatform,achievingdigitaltelevisiontransmitterpoweramplifierlinearization.Thisplatformisacommonprogramforpoweramplifierlinearization.Itsbiggestadvantageisthatcanadaptivepre-distortionprocessinpartsofdigitalbase-band.Thecorepartofbase-bandsoftwareinFPGAisusedigitalpre-distortionIPcoreofXilinxcompany.Itsimplifytheprocessofsoftwaredevelopment,andimprovetheefficiencyofR&D.AroundtheIPcore,digitalpre-distortionbase-bandprocesshardwareplatformsmainlymakeupofFPGA,DACandADC,RFuplinkandfeedbackdownlink,itplustheclockboardandamplifierboardtoconstitutetheentirepre-distortionsystem.Therehavehighdataratesandradio-frequencysignalsinthewholesystem,soithaveahighrequirementtotheperformanceofdevices.Thispaperisbasedontheabove-mentionedhardwareplatform,aroundingdebugthedigitalpre-distortionbase-bandboardanditsfrequencysynthesizerboard.TheproposewasusedDPDIPcoreinFPGAtoachievepoweramplifierlinearization.Themainworksinthispaperwasdoneasfollow:1.Introducedthecharacteristicsofdigitaltelevisionaswellastheirsignals.Describedtheresearchstatusanddevelopmenttrendofpoweramplifierlinearizationtechniquesinindustryathomeandabroad.Describedthestudypurposeandsignificanceofthistopic.2.Analyzedtheimpactofpoweramplifiernonlinearitytothesystem.Gaveaperformancescaleindicatorsforpoweramplifier.Inparticularthemeasuredindicatorsofpoweramplifierinthistopic.Italsostudiedseveralcurrentprevailingpoweramplifierlinearizationtechniques.杭州电子科技大学硕士学位论文III3.Introducedthehardwareplatformprogramofdigitalpre-distortionbasedonFPGA.AdetailedanalysisoftheruncontrolflowofMircoBlazeprocessorinDPDV2.0IPcorewasdone，andthewayofstoragedistributioninVirtex4FPGA’sSBRAMinthisIPcore,ThepurposewasdidabetterpreparefortheapplicationofMircoBlazeprocessor.4.Adetaileddebuggingofthefrequencysynthesisprogramofthisissuewasdone.Introducedallthedesignapplicationofclockchipsinthisprogram.Thedebuggingresultsaregivenatlast.5.BecauseoftheDVB-Tdigitalbase-bandsignalsourcewhichplanedtousedinthebeginningoftheprogramdesignisnotabletoachieveintime,andthefeedbacksignalindicatorsofbase-bandboardhardwareplatformdidnotmeettherequirements,itcouldnotusetheIPcoretoachieveDPDfinally.Insuchacase,inordertodebugthenextimprovingboard,thetop-levelmodulesoftwareapplicationofDPDIPcoreinFPGAwasdesignedaswellassomesimulationdesigned.Adetailedhardwaredebuggingwasdonetothedigitalpre-distortionbase-bandboardandpoweramplifierboard.Afterthathardwaredebugging,theproblem-solvingmethodswereputout.Testedthemeasuredresultsandsomedebuggingmapswereputout.Keywords:digitaltelevision,DPD,frequencysynthesis,FPGA,RFpoweramplifier杭州电子科技大学学位论文原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品或成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。论文作者签名：日期：年月日学位论文使用授权说明本人完全了解杭州电子科技大学关于保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属杭州电子科技大学。本人保证毕业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为杭州电子科技大学。学校有权保