一種基于LINC發(fā)射機(jī)系統(tǒng)的信號(hào)分離實(shí)現(xiàn)方法

無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)要求的高數(shù)據(jù)傳輸速率使得人們致力于研究開(kāi)發(fā)更先進(jìn)、高效的編碼、調(diào)制技術(shù)來(lái)提高無(wú)線(xiàn)頻率的效率，同時(shí)也對(duì)射頻前端提出了更苛刻的要求。功率放大器的效率和線(xiàn)性度是相互矛盾的一組指標(biāo)，必須協(xié)調(diào)二者從而使通信系統(tǒng)性能最優(yōu)化。LINC(Linear Amplification Using Nonlinear Components)技術(shù)就是相對(duì)于這個(gè)問(wèn)題而提出一種能夠同時(shí)滿(mǎn)足高效率和高線(xiàn)性度的發(fā)射技術(shù)。LINC發(fā)射機(jī)技術(shù)的構(gòu)架在1935年最先被Chirex提出，但是由于當(dāng)時(shí)用模擬電路來(lái)實(shí)現(xiàn)三角函數(shù)及開(kāi)方電路等比較復(fù)雜，導(dǎo)致LINC技術(shù)沒(méi)有受到足夠的重視，直到1974年北美的Cox首次以LINC為名來(lái)做出闡述。LINC技術(shù)是把一個(gè)調(diào)幅調(diào)相信號(hào)分解成兩個(gè)恒包絡(luò)的調(diào)相信號(hào)，然后分別通過(guò)兩個(gè)特性相同的功放，最后將兩路信號(hào)合成初始變包絡(luò)信號(hào)輸出。LINC技術(shù)采用高效率的非線(xiàn)性功率放大器來(lái)放大恒包絡(luò)的調(diào)相信號(hào)，可避免由功放的非線(xiàn)性所帶來(lái)的不利影響，因而既保證了發(fā)射機(jī)的高線(xiàn)性度，又保證了發(fā)射機(jī)的高效率。理論上功放的效率可以達(dá)到100％，這對(duì)于非恒包絡(luò)調(diào)制技術(shù)有著極其重要的意義。其中輸入信號(hào)分離成兩路恒包絡(luò)信號(hào)SCS(Signal Component Separate)對(duì)發(fā)射機(jī)性能起著關(guān)鍵作用。本文將對(duì)SCS算法做出闡述，并通過(guò)分析比較不同的實(shí)現(xiàn)電路，提出一種耗費(fèi)資源少的實(shí)現(xiàn)方法。同時(shí)對(duì)LINC系統(tǒng)給予了仿真驗(yàn)證。

1 SCS算法及實(shí)現(xiàn)電路分析

1.1 LINC系統(tǒng)原理

如圖1所示，分離后的信號(hào)s1(t)和s2(t)為恒包絡(luò)信號(hào)，這樣就可以將它們分別通過(guò)高效率但對(duì)包絡(luò)敏感的E(F)類(lèi)放大器后合成輸出，達(dá)到高效率線(xiàn)性放大。但是LINC發(fā)射機(jī)系統(tǒng)有一個(gè)固有的缺點(diǎn)，就是兩個(gè)放大支路的不平衡，從而造成合成器輸出后的信號(hào)相比原信號(hào)有失真，帶來(lái)帶內(nèi)失真和帶外干擾，因此在LINC系統(tǒng)中往往要增加一個(gè)反饋支路，通過(guò)一定的算法，如自適應(yīng)濾波等來(lái)彌補(bǔ)這種由不平衡帶來(lái)的失真。

1.2 SCS算法及實(shí)現(xiàn)

信號(hào)分離的矢量圖如圖2所示，由圖可得e(t)的表達(dá)式為：

設(shè)輸入信號(hào)s(t)的笛卡爾表示形式為s(t)=si(t)+j*sq(t)，則式(5)可寫(xiě)為：

由以上介紹知，如果得到e(t)的值，則分別與原輸入信號(hào)加／減就可以完成信號(hào)分離，此處用DSP實(shí)現(xiàn)SCS。目前e(t)主要采用查找表方法實(shí)現(xiàn)，但已有的方法中存在一些缺點(diǎn)，如：將誤差信號(hào)e(t)的實(shí)部和虛部值存放在二維查找表中，用輸入信號(hào)實(shí)部si(t)和虛部sq(t)尋址。該方法最主要的缺點(diǎn)是需要大量的存儲(chǔ)單元來(lái)存儲(chǔ)所有輸入信號(hào)對(duì)應(yīng)的e(t)值。如果輸入信號(hào)的實(shí)部和虛部都量化為12 b，輸出e(t)也為12 b時(shí)，總共需要的存儲(chǔ)量為：2*12*(212)2=403 Mb；另一實(shí)現(xiàn)方法如下：繼續(xù)化簡(jiǎn)式(2)，式(3)可得到：

因此可用一張反余弦函數(shù)表(由式(4)，可得到θ(t))及一組正余弦查找表就可以得到分離后的信號(hào)。若輸入信號(hào)的實(shí)部和虛部都被量化到12 b，則完成三次查表共需要3*12*212=147.456 Mb存儲(chǔ)容量。

上述兩種實(shí)現(xiàn)SCS方法均占用了大量的存儲(chǔ)單元，即使采用儲(chǔ)存1／4正弦表，仍然需要最少36.75 Mb存儲(chǔ)容量，如果量化比特位數(shù)增加時(shí)，存儲(chǔ)量將以大于2的指數(shù)倍增加，這在實(shí)際實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中是不可取的，綜合以上方法，我們采用了一種降低存儲(chǔ)容量的實(shí)現(xiàn)方法，采用一維查找表結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)正交誤差信號(hào)，然后用輸入信號(hào)的笛卡爾分量與之乘加運(yùn)算后即可得到誤差信號(hào)。在該方法中，用輸入信號(hào)功率(r2(t))索引地址，查找表表項(xiàng)數(shù)不需要等于所有可能的輸入信號(hào)功率值，每個(gè)表項(xiàng)的值可以由一組輸入功率范圍來(lái)索引，存儲(chǔ)值可由該組輸入功率范圍中最大值決定，這樣就大大降低了資源占用。

試驗(yàn)中采用210=1 024個(gè)存儲(chǔ)表項(xiàng)，則最大存儲(chǔ)值為：，采用定點(diǎn)處理DSP，信號(hào)分離后的仿真如圖3所示(以s1為例，s2同)，考慮到定點(diǎn)處理時(shí)存儲(chǔ)在表項(xiàng)中的數(shù)值為整數(shù)部分(如：值為31.98時(shí)，只存儲(chǔ)了31)，引入了舍入誤差，造成分離后s1，s2兩支路不是嚴(yán)格恒包絡(luò)(表項(xiàng)個(gè)數(shù)也對(duì)恒包絡(luò)情況有影響)，進(jìn)而影響最終合成器輸出的ACI(Adjacent Channel Interference)嚴(yán)重，因此儲(chǔ)存數(shù)值采用了擴(kuò)展精度的方法。如擴(kuò)展一位時(shí)，即：將5位表示31擴(kuò)展為用6 b表示31.98*2=63.96的整數(shù)部分，則實(shí)際可達(dá)到表示63／2=31.5，減小了誤差。擴(kuò)展精度位數(shù)可根據(jù)需要的精度設(shè)定。已有文章對(duì)最優(yōu)查找表表項(xiàng)數(shù)量和擴(kuò)展精度進(jìn)行了研究，研究結(jié)果如圖4所示。

從圖中可以看到，采用表項(xiàng)為210=1 024個(gè)，在擴(kuò)展精度為8 b的情況下，ACI達(dá)到了-70 dBc。此時(shí)占用的邏輯資源數(shù)量為：13*210=13.3 kb。占用資源量相比于第一種二維查表法降低了104倍。

2 SCS算法仿真

選用16QAM調(diào)制信號(hào)作為仿真信號(hào)，擴(kuò)頻、調(diào)制后經(jīng)過(guò)滾降系數(shù)為0.22的根升余弦濾波器，四倍插值后頻率為15.36 MHz進(jìn)入DSP進(jìn)行信號(hào)分離，分離的實(shí)現(xiàn)選用上述提到的第二種方法，分離后的信號(hào)頻譜如圖5所示(以s1為例)。

分離后的信號(hào)經(jīng)過(guò)F類(lèi)放大器及合成器輸出，即可以達(dá)到高效率高線(xiàn)性度放大的目的。但是LINC系統(tǒng)兩分支電路不完全匹配，主要是由兩分支電路中放大器、正交調(diào)制器等的不平衡會(huì)帶來(lái)合成輸出后的信號(hào)不能完全抵消分離前引入的誤差信號(hào)e(t)，使頻譜擴(kuò)展到相鄰信道，造成臨信道干擾，因此采用自適應(yīng)濾波來(lái)補(bǔ)償這種不平衡，LINC系統(tǒng)最終輸出的信號(hào)波形與原始輸入信號(hào)功率譜密度比較如圖6所示，同時(shí)對(duì)輸入信號(hào)直接進(jìn)入放大器也進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果見(jiàn)圖7。

由圖6，圖7可知，采用LINC技術(shù)比直接經(jīng)放大器放大時(shí)輸出功率譜改善了10 dB左右。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文對(duì)采用LINC功放線(xiàn)性化的SCS算法做了簡(jiǎn)要分析，并對(duì)其中一種占用資源少，切實(shí)可行的算法進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果表明采用該方法后，比直接用F類(lèi)放大器放大輸入信號(hào)，LINC技術(shù)可以改善10 dB的ACI，實(shí)現(xiàn)了線(xiàn)性放大。