用于3G基站的ISL5239数字预失真电路解析，不看肯定后悔

　　在3G基站中通常采用效率比较低的A类功率放大器（PA），满足WCDMA协议规范要求的PA在A类状态下的工作效率不高于10%。PA的线性化技术就是在改善PA线性化的同时提高其效率的技术，PA线性化设计一直是3G基站设计的关键问题之一。
　　数字基带预失真技术由于在工作频率较低的中频实现，应用了数字处理技术，适应性强，并且通过增加对信号的采样频率和增大量化阶数的办法来抵消高阶互调失真，因此成为一种很有发展前途的方法。本文结合基于一维查找表的复增益数字预失真ASIC芯片ISL5239，介绍了WCDMA、CDMA2000和TD-SCDMA多载波基站PA的线性化设计。
　　ISL5239的硬件构架
　　ISL5239的硬件构架主要由含有查找表的预失真单元、输入/输出格式转换单元、输入捕获存储器、反馈捕获存储器和外部处理器
　　接口等部分构成。这些部分可以由寄存器来灵活配置。ISL5239的输入/输出接口能够达到125MHz采样率和20MHz信号带宽，对于20MHz带宽的信号具备抑止5阶互调失真能力。该芯片的核心是一维查找表（LUT），片内有2个查找表，一个用于在线查找，另一个用于备份，通过处理器接口可以随时切换。查找表有三种寻址操作供选择，分别对应输入信号的线性功率、线性幅度或者对数功率寻址。芯片带有输入和反馈捕获存储器，16-bit 的外部处理器接口可以对片内所有的寄存器和存储空间进行操作。借助DSP可以对查找表进行自适应更新运算，也方便对芯片各部分的配置进行更改以适应不同体制的设计。芯片内部的记忆效应和温度效应补偿接口，可以对外部射频PA进行动态补偿。内置I/Q均衡器用于对外部模拟调制电路对I/Q的幅度和相位不均衡失真进行补偿。
　　仿真开发平台介绍
　　Intersil公司提供了ISL5239 WCDMA的评估板，该平台可用于对ISL5239进行评估，或者定制自适应算法的研究。评估板在硬件结构上包含ISL5239 ASIC、USB接口、CPLD等部分。使用CPLD来实现预失真闭环控制的仿真，在windows操作系统下可以借助USB接口对评估板操作。在评估软件方面，该评估板提供了基于windows 的图形界面（GUI）应用程序，用来访问ISL5239的所有内部寄存器、存储器和LUT表项。可以将评估板置入一个实际的系统中进行评估。除此之外，该评估板中还提供了使用Matlab 软件来模拟PA和运行自适应算法的接口和工具箱。
　　在该评估板中，Matlab自适应算法模块采用了最小均方误差法。程序中包含了数字预失真的输入控制、反馈控制、当前查找表自适应更新、寻址操作和产生新的查找表。
　　应用举例和几个关键问题
　　ISL5239配合Intersil 公司的数字上变频器和下变频器，可以构成带有数字预失真WCDMA单载波数字中频方案，如图 1所示。ISL5217 是一个4通道数字上变频器，16-bit 的I/Q信号，在系统中实现QPSK调制，数字滤波和过采样的功能。 ISL5416是一个4通道的数字下变频器，在此实现中频变换，数字滤波和自动增益控制功能，通过ISL5416构成闭环控制回路，借助DSP和ISL5239的处理器接口实现自适应表项更新。在实际设计中，针对不同的IMT2000 CDMA 无线接口体制，需要考虑以下3个关键问题。
　　
　　图 1 基于ISL5239的闭环WCDMA数字中频预失真结构框图
　　数字预失真的寻址方式选择
　　对于基于查找表的数字预失真技术，如何构建查找表和选择何种寻址方式是决定最终效果的关键问题。ISL5239提供三种寻址方式，如图 2所示，分别是线性功率、线性幅度和对数功率寻址，ISL5239可以任意选择其中的一种方式。
　　
　　图 2 寻址模块框图
　　构建LUT表项是依据PA的AM-AM，AM-PM特性，对PA输出非线性部分提供补偿，再根据将要采用的寻址方式来分配地址表中I/Q的内容。查找表的构建也决定了对输入信号表现不同的压缩扩展特性。选择何种寻址方式取决于输入信号的动态范围。对于ISL5239，采用线性功率寻址的信号输入范围为30dB，线性幅度寻址的信号输入范围为60dB， 如果采用对数功率，信号输入的幅度则可以达到120dB。因此，线性功率寻址和和依此构建LUT表项适用于功率放大器在较小的动态范围进行预失真。由于ISL5239 仅有1024个存储表项（1024×60-bit），对于信号输入动态范围比较大的预失真的操作效果会有一些影响。比较三种寻址方式，表项在LUT中的分布密度是不同的。以输入信号功率较大那部分对应表项为例，对数功率寻址方式构建的LUT表项在此密度最小，线性功率寻址方式构建的LUT表项在此密度最高。在AM-AM曲线中，输入信号较大的那部分是失真比较严重的部分。因此，采用对数功率寻址的预失真效果就没有采用线性功率寻址的预失真效果好。如果希望采用查找表预失真的精度进一步提高，只能增加存储表项的深度，即增大存储的容量。LUT表项容量增大一倍，相邻信道功率比（ACPR）降低6dB，这有些类似于ADC采样的过程，只有提高量化位数，才能减小量化失真。寻址方式的选择和如何构建LUT表项主要取决于输入信号的动态范围。例如，对于WCDMA 4载波 负载64个用户的测试环境下，峰值与平均功率值比（PAR）最小为10dB， 最大达到24.3dB， 在这种环境，输入信号的动态范围会超出30dB。因此，可以采用线性幅度寻址方式。
　　数字预失真内插因子的选择
　　ISL5239在输入单元提供不同的内插因子（IP），IP可以选择1x、 2x、4x和8x。 内插的目的是为了达到过采样的效果。数字预失真可以改善互调失真，其性能取决于内插因子。众所周知，采样率越高，信号的失真越小。ISL5239使用过采样技术来改善高阶互调失真。但是，使用的内插因子越高，要求芯片的信号处理带宽越高。虽然输入信号的最高采样速率可以达到系统时钟CLK速率，但是要求系统时钟CLK ＞= Fs * IP。因此，要根据输入信号的采样频率和系统时钟来选择内插因子。例如，对于输入采样为29.49MSPS的4载波CDMA2000-1x信号，使用8x内插因子，这个信号在ISL5239内部已经达到Fs=240MHz。超出了ISL5239的125MHz最高采样速率，只能采用4x内插。
　　自适应算法的选择
　　由于PA的参数并不是固定的，可能会随着环境温度、供电电压、输出负载而变化，因此必须采用反馈原理来随时更新查找表的参数，这就是自适应预失真技术。采用自适应数字预失真的电路必须是闭环系统，反馈路径来自PA输出的耦合信号，然后经过频率变换和A/D变换后送入自适应调节DSP中，进而更新查找表。ISL5239带有一个16-bit并行处理器接口，这个处理器接口可以将ISL5239看作一个外设存储器。所有的内部寄存器和存储空间都可以通过这个接口来访问。这个接口由一个16bit的双向数据总线P＜15:0＞，一个6 bit的地址总线A＜5:0＞，以及读 （RD）、写（WR）和片选（CE）信号线组成。通过这个简单的并行接口实现处理器和预失真处理芯片的互联，对芯片内部的寄存器进行配置和查找，更新查找表操作。这就为自适应算法提供了硬件基础。由于数字基带反馈环路延时的存在，以前自适应数字预失真常用于基带低码流条件下。目前，高速ADC和DSP在这一领域逐渐应用，选择合适的自适应算法以提高收敛速度和更新精度就成为一个比较关键的问题。基于一维查找表的数字预失真常用自适应算法包括：最小均方误差法（MMSE）、线性叠代法和两分法等等。
　　结语
　　在对ISL5239的评估中，将评估板设置为多载波模式，仿真4载波WCDMA输入信号，这个信号经过ISL5239预失真处理以后，对于WCDMA 4个载波20MHz带宽，ACPR有13dB的改善。
　　由于ISL5239具有独特的输入/输出结构，可以和多种上/下数字变频器相连接，同时支持多种LUT寻址方式，芯片内部带有记忆效应和温度效应补偿接口，内置I/Q均衡器。使ISL5239具备较好的灵活性。通过对自适应算法和LUT的进一步研究， 改变软件和ISL5239的内部设置，就可以适应不同的射频功率放大器的线性化处理。