基于FPGA的LINC发射机的设计

基于FPGA的LINC发射机的设计

李相军

东南大学信息科学与工程学院 （210096）

摘 要：随着数字通信的发展，频带利用率高的非恒包络调制技术，如QAM，OFDM等受到越来越多的重视，然而，这些调制技术对功率放大器的线性化要求也越高。对于功放而言，线性与效率是一对矛盾，一方性能的提高，就会引起另一方性能的降低。LINC发射机，在本质上，是一种线性发射机,它能克服功放的非线性所带来的负面影响，并能够利用效率很高的非线性功放。SCS（Signal components Separator）是LINC发射机实现的关键，本文就着重于基于CORDIC算法的SCS的设计与实现。

关键词：功率放大器，非线性，LINC，SCS，FPGA，CORDIC。

0. 引言

在现在的通信系统中，信号都要经过功率放大器，然后通过天线发射出去。然而，由于功放大多是非线性的，如果信号是非恒包络的，那么功放就会对信号产生失真，如互调失真（IMD），以及由此造成对邻近信道的干扰（ACI）。对此，我们可以采用线性化技术，诸如前馈，反馈，预失真，包罗消除与恢复（EER）。当然，我们也可以采用另外一种发射机方案，这种发射机在本质上是线性的，即该发射机可把输入信号转换成恒包络信号，然后再通过功放，这样就可避免由功放的非线性所带来的不利影响，这对于非恒包络调制技术有着极其重要的意义。LINC发射机就是这样一种发射机。本文将介绍LINC发射机的原理，然后提出一种LINC发射机实现的可行性方案，并对LINC发射机的关键部分SCS的实现进行了详细的说明。

1. LINC发射机的原理

LINC发射机的基本思想是：把一个调幅调相信好分解成两个恒包络的调相信号，然后分别通过两个特性相同的功放，最后将两路信号合成输出。其原理图如下：

图1 LINC发射机原理图

设输入信号为一带通信号，其等效基带表示形式如下： s(t)=c(t)e

iθ(t)

（1）

其中， 01. 信号分解SCS(Signal Components Separator)

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si1(t)=s(t)(1−es(t)),si2(t)=s(t)(1+es(t))

其中，

2cmax (2 )

es(t)=js(t)2−1 （3）

s(t)=si1(t)+si2(t)，|si1(t)|=|si2(t)| =cmax （4）

式（2）另一表达形式为：

si1(t)=cmaxei(θ(t)−φ(t))si2(t)=cmaxe

|s(t)|

i(θ(t)+φ(t))

（5）

其中，cosφ(t)=

cmax

，即

φ(t)=arccos(|s(t)|cSCS 另一种表达方式：

) （6）

max

π2i(+θ(t))Cmax22−1=Cmax−r(t)e2 es(t)=js(t)2r(t) 分解为：

si1(t)=s(t)+es(t)si2(t)=s(t)−es(t)

2．分解后的恒包络信号分别经过放大器G1，G2

so1=si1(t)G1(|si1(t)|),so2=si2(t)G2(|si2(t)|)

（7）

其中，G1，G2为两路放大器放大特性。 3．合并

so(t)=so1(t)+so2(t) （8） so(t)=s(t)(G1(|si1(t)|)+G2(|si2(t)|)+s(t)es(t)(G1(|si1(t)|)+G2(|si2(t)|)

若G=G1(cmax)=G2(cmax) ，则

so(t)=2Gs(t) （9）

2. LINC发射机的设计

LINC总体设计如下图，输入信号经过SCS后产生两路恒包络信号，这两路信号分别经 过正交调制器QAM，然后再送入功放，最后合成，并由天线发射出去。SCS的功能由FPGA

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来完成，正交幅度调制器QAM由专用的数字上变频器来实现。此处主要讨论SCS的实现。

SinQAMSCSQAMPA＋PASout

图2 LINC发射机总体设计框图

SCS设计

由式（5），（6）得知，如果输入信号的幅度和相位已知的话，那么si1(t)，si2(t)就很容易通过查arccos表和sin/cos表得到。因此，从这个角度而言，计算输入信号的幅度和相位成为SCS的关键。设计方案框图如下：

CФARCCOSΘ+ФSin/cosxyCORDIC(x,y)to polarPhaseCalcSin/cosGAIN CONTROLΘΘ-Ф 图3 SCS 设计框图 各部分介绍如下： 1． CORDIC算法介绍 CORDIC（Coordinate Rotation Digital Computer）算法用于坐标系统的旋转，通过移动一个恒定角度，直到角度减少到零。角度的偏移可仅通过对X，Y的移位和相加操作进行选择。 其原理可参考文献[7 ][8 ]。 CORDIC迭代方程如下： Xn+1=Xn−Yn⋅dn⋅2−nYn+1=Yn+Xn⋅dn⋅2−n −n Zn+1=Zn−dn⋅tan(2) CORDIC有两种模式：旋转模式和向量模式。 旋转模式（Rotation Mode），其角度的初始化值为索要旋转的角度，结果为输入向量旋转给定角度的向量。 向量模式（Vector Mode），其角度初始化为零将输入向量旋转一定的角度直到向量转到X轴，旋转的结果得输入向量幅度和相位。 CORDIC Mode : Initialization : Rotation Mode Vector Mode −1Xn=X0Yn=Y0 Zn=Z0Xn=X0Yn=Y0 Zn=Z0-3- http://www.paper.edu.cn

Iterative Direction:

Yn>=0, dn=-1,else dn=1If Zn>=0, dn=1,else dn-1 if

本文采用向量模式来计算复信号的幅度和相角，且为提高运算速 Iterative Result: Xn=An(X0cosZ0−Y0sinZ0)Yn=An(Y0cosZ0+X0sinZ0)Zn=0An=∏1+2−2inXn=AnX02+Y02Yn=0YZn=Z0+tan−1(0An=∏1+2−2inX0) 度，采用流水线结构，如图四，C.E.结构如图5。

图4 CORDIC的pipeline结构

采用该算法应注意的问题： 1〉 由于有限字长，每次移位操作都会丢弃一些低位数，这样就使其计算精度下降。 为此，必须扩展精度，即在进行CORDIC之前要对输入数据进行扩展，使有效数据增加。例如，输入数据为16bits，采用4bits扩展精度，CORDIC中数据要用20bits。

2〉 由于概算法只有在旋转的角度在[-π/2，π/2]，即只有在第一，四象限算法才 收敛，因此，在第二，三象限的向量就必须先旋转到第一或四象限。如此，就在进行CORDIC运算之前，就增加一个预处理，来实现该功能。

3〉

要添加一个后处理，实现幅度的矫正，即乘以一常数An。

4〉 算法每计算出一对数据需要的迭代次数等于输入数据的字长。若输入数据为

=

16bits，则需要16次迭代。

RegisterROM>>n±Sgn(Zn)±Zn+1-dn>>nRegister±Sgn(Yn)Register-dndnZn 图5 C.E.结构 -4- http://www.paper.edu.cn

图6 CORDIC算法功能仿真结果

2． Arccos表的建立

假设输入X，Y数据是16bits表示，看作定点小数，则其绝对值不会超过1，复数X+jY的幅度范围为0－２^15，32K words，若arccos表的数据宽度为16，则需64Kbytes，这个资源量是不少的，为此必须想法减少表的大小。观察量化的arccos表项，发现数据的重复性很明显，尤其是在低位地址，从而可以对地址进行分段处理 ，最终需存储空间26/4+4/2+2=10.5Kwords，减少为原来的1/3。

另一方法是是利用CORDIC算法的旋转模式，只要设定初始值Xn=An，Yn=0，Zn=θ，迭代结果Xn=cosθ,Yn=sinθ。这种方法的优势是占用资源少，速度也没减小，缺点是系统时延几乎增加一倍增大。 3． Phase Calc,sin/cos表

Phase Calc 用于计算θ(t)与φ(t)的和和差，产生sin/cos表的地址，通过查找sin/cos， 得到信号si1,si2。若sin/cos的幅度值采用16bits量化，相位也采用16bits量化，则需要2×64K×16bits，这是相当大的。为此，利用sin/cos值的对称性可使存储空间减少到2×16K×16bits=512Kbits。

4． Gain Control

主要用于增益控制。由于LINC发射机分解的两路恒包络信号要分别通过不同功放， 从式（8），（9）可以看出，只有当两个功放在包络值——这一点的特性完全相同，合并时两路信号的相位才能完全抵消。然而，功放一般是很难做到特性完全相同的，但我们可以对输入功放的恒包络信号的幅度和相位进行调整，使得分解后的信号分别经过功放后的能够相位相抵消。另外一个目的是便于采用自适应的LINC结构，可参考[5]。

3. 采用的器件

由上可知该算法所需存储量较大，因此，必须选择存储量较大，达到16+10.5=26.5Kwords以上，且速度较快的FPGA芯片。Altera公司StratixⅡ系列中EP2S30，EP2S60，EP2S90，EP2S130，EP2S180Y,，以及StratixⅡGX系列中的EP2SGX60E，EP2SGX60F，EP2SGX90E，EP2SGX90F，EP2SGX130G等都可以胜任。这些芯片存储体较大，速度快，存储体读取速度都在400MH以上，而且有专用的DSP模块，多个数字锁相环（PLL），这些都为提高系统速度创造了条件。 数字上变频器，可以采用ISL5217，这是Intersil公司一款高性能四通道上边变频器，支持多种调制方式，最高输出数据速率可达到106Msps。

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4. 总结

该方案的优点在于基本数字化，运算量小，速度较高，主要部分可以集成到单个FPGA芯片中，便于设备的小型化。

存在的问题：一，采用流水线结构会引入额外的延时，其延时与输入数据的字长成正比；二，系统的精度不高，这主要受到数据字长的限制，增加字长会占用更多的芯片资源，必须在系统精度和芯片资源这一对矛盾之间折中处理；三，由于功放特性可能随温度等环境的改变而变化，会引起系统的不稳定，这种情况下，可以通过引入自适应结构与算法来改善这种状况，可参考文献[1]，[2]。

参考文献：

1. X.Zhang , L.E.Larson , P.M.Asbeck , P.Nanawa

“ A Gain/Phase Imbalance Minimization Technique for LINC Transmitter ”,IEEE Trans on Microwave Theory and tech ,Vol .49, no.10,pp,844-846, May 1991

2. Paloma Garcia, Alfonso Ortega , Jesǘs de Mingo , Antonio Valdovinos

“Nonlinear Distortion Cancellation in OFDM Systems Using An Adaptive LINC Structure”,

Peserna，Indoor and Mobile Radio Communications,2004,PIPMRC 2004.15th IEEE international Symposium . Vol .2 , pp:1506-1510

3. W. Gerhard and R. Kn ¨ochel, Microwave Laboratory, University of Kiel, Kaiserstrasse 2, 24143

Kiel, Germany, “Digital Component Separator for futureW-CDMA-LINC Transmitters implemented on an FPGA” , http://www.copernicus.org/URS 4.Ray Andraka Andraka Consulting Group ,Inc

“A survey of CORDIC algorithms for FPGA based computers ” 5. Javier Oscar Giacomantone

“Tradeoffs in Arithmetic Architectures for CORDIC Algorithm Design”

The Design of LINC Transmitter Based on FPGA

Li Xiangjun

Southeast University，Information science and engeneering college （210096）

Abstract

With the development of digital communication, non-constant envelope modulation techniques with high frequency efficiency, such as QAM, OFDM, are paid more attention on. However, these

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modulation techniques require power amplifier with high linearity .For power amplifier, it is a paradox between linearity and efficiency, one is higher, and the other one is lower.LINC transmitter, in nature, is a linear transmitter, which can employ non-linear power amplifier with higher efficiency, and can overcome the side-effect of power amplifier’s non-linearity. SCS (signal components separator) is the key of realizing LINC transmitter .This paper takes emphasis on the design and implement of SCS based on CORDIC algorithm.

Keywords：power amplifier, non-linearity, LINC, SCS，FPGA，CORDIC

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