WCDMA數字直放站中功率放大器設計的教學改革

摘 要:本文闡述了傳統WCDMA(Wideband Code Division Multiple Access)教學的難點及不足，并提出了一種基于功率放大器的教學改革方法，建立綜合教學實踐平臺，通過基礎理論學習進行功率放大器線性化算法仿真，再運用基于軟件無線電的思想進行綜合實驗驗證，極大地達到提高學生動手能力的目的，最后提供開放性的探索實驗，為學生興趣拓展提供平臺。

關鍵詞:WCDMA 功率放大器 軟件無線電 實驗教學

中圖分類號:G420文獻標識碼:A文章編號:1673-9795(2012)04(a)-0027-02

WCDMA(Wideband Code Division Multiple Access)作為第三代移動通信系統(3G)的重要組成部分，受到越來越多的關注。由于學生對于感覺比較新鮮的通信技術比較感興趣，因此，把握住這個機會多給同學們灌輸一些3G的相關知識，借此引入實現3G的技術基礎，教學效果會更好。現代通信原理與技術已經順應時代要求，成為了各個高校電信專業的一門必修課程，課程介紹了通信系統的重要組成部分以及基本原理，并對現代通信的發展進行了概述和展望。知識體系概括全面，對于學生來說各個都是重點，注意力難以持久集中，因此教學效果一般。通過把最新的通信技術WCDMA引入到現代通信的教學過程中，使學生既能了解通信的前沿知識又能動手設計實現改善，能夠充分調動學生的學習興趣和積極性，對教學起到積極的促進作用。WCDMA直放站演進的關鍵技術包括高線性度的功率放大器技術、多載波射頻技術和高集成度的基帶處理技術等，究其本質都與功放的線性化技術有關，功率放大器的非線性失真具有很嚴格的要求。在教學中通過軟件無線電的方法，解決WCDMA信號在放大過程中，由于功率放大器的非線性而產生的信號干擾和畸變的問題。

1 構建創新型教學體系

WCDMA現如今以及廣泛應用在人們的生活中，學生對WCDMA的原理非常感興趣。通過在傳統的學科中引入WCDMA的學習和實踐，可提升學生的動手能力，使學生產生濃厚的學習興趣。但由于WCDMA的系統比較龐大，教學實踐中開展比較困難。教學中通過對WCDMA數字直放站中功率放大器的設計和研究進行學習和實踐，綜合利用系統級仿真和軟件無線電的思想進行學習，該創新性教學體系能讓學生多方面直觀的理解課程。

(1)理論仿真基礎學習。只有扎實的理論基礎才能保證在實踐中少走彎路，不至于盲人摸象。但是，WCDMA中數字直放站功率放大器的理論往往比較復雜，學習難度大而且比較枯燥，學生常常不能集中精力對理論進行深入學習，從而制約實際的教學效果。圍繞WCDMA功率放大器的線性化課題，人們已經提出了各種各樣的算法，如前饋法、負反饋法、非線性器件法、預失真法等。對于算法的學習，在教學中通過System Generator+Matlab+Simulink的方法進行仿真學習，使學生能夠掌握WCDMA功率放大器線性化的核心算法研究。教學直觀，效果良好。

(2)基于軟件無線電思想綜合實驗。在WCDMA的教學工程中，如果只進行仿真的實現，學生往往積極性不高。通過基于軟件無線電的方式，在FPGA中完成對功率放大器線性化失真問題的電路級直觀實現。FPGA的學習往往比較困難，需要有扎實的硬件基礎。如果單純采用FPGA實現WCDMA功放對學生的要求太高，學生學習非常吃力。而采用基于軟件無線電的思想，學生不必了解過多的硬件知識，只需要對軟件進行編寫便能實現功能。在有限的教學時間中，能夠完成對WCDMA功放線性化的設計要求。提高了學生的動手能力并且讓學生全面的掌握教學過程中的內容。

(3)開放性探索試驗。為了滿足不同學生對WCDMA的學習，課程提供創新開放性試驗平臺。基于軟件無線電的開放平臺能夠為學生提供多種算法的實現，學生也可以完全根據自己的需要設計實現WCDMA中的其他機制。這種開放性的創新探索試驗平臺，滿足了不同學生的需求，可以說是學科知識的一種擴展，具有極大的創新性和實踐性。

2 創新教學體系的構建

2.1 系統總體架構

WCDMA系統應具有多載波、高效數字功放、全性能HSDPA、開放式的架構特點，如圖1為數字直放站的系統結構圖。在教學中對數字中頻部分采用軟件無線電的設計思想，建立通用的教學實驗平臺。具有模塊化、開發性、可擴展性等特點，可實現不同算法的硬件驗證。

2.2 仿真學習平臺搭建

在以往的教學過程中，傳統FPGA數字系統的設計方法是將系統設計和具體實現分開的，當系統設計完成后，就使用硬件描述語言，從下到上一步一步進行實現，上述方法存在開發復雜，設計周期長，不適合在有限的教學時間中開展。對WCDMA數字直放站中數字預失真算法研究采用FPGA (Field Programmable Gate Array)實現的System Generator系統級設計工具，它能夠成功的把系統級和RTL(Register Transfer Level)級兩個設計領域的工具結合起來，最大程度的發揮各種工具的優勢。從設計到具體實現都做出很多革新，使設計和實現聯系更加的緊密。System Generator安裝完成后，是以Simulink工具箱的形式進行運用的，這樣使得FPGA設計可以通過Simulink圖形化界面進行建模，系統級仿真，設計的結果可以直接轉化為硬件描述語言，同時也可以自動調用ISE 8.0等EDA軟件，完成編譯，綜合，網表文件生成等工作。這一工具的使用使系統級描述和硬件有機地結合在一起，充分顯示現代電子設計自動化開發的特點和優勢。采用System Generator可大大地簡化硬件實現流程，基于仿真和實現的建模可一次完成，大大縮短開發周期。仿真流程如（圖2）所示。

2.3 算法實現

在算法的實現上，我們選擇的是基于Volterra級數模型的間接學習法。Volterra模型是最能完整描述功放特性的模型，但是其以級數形式增長的運算次數使得他不能廣泛運用在工程實踐中。而作為一個折中模型，間接學習模型的運算次數比完整的Volterra模型要低得多，并且能夠較為完備地描述功放的特性，這也是我們選用這個模型的最重要原因之一。Volterra級數失真模型如（圖3）所示。整個模型包括前向鏈路和反饋回路，功放預期線性增益為G。WCDMA信號經過CFR(Crest Factor Reduction)出來的信號x(n)經過前向鏈路處理得到輸出，然后分成兩路，一路經過DAC進入射頻模塊，另一路進入反饋回路，作為自適應學習器的一個參數。由功放反饋回來的數據，進入反饋回路中的自適應學習器，經過處理后得到輸出，通過最小二乘算法(或者最小二乘算法)得出一組系數更新到前向鏈路中的預失真器上，從而完成一個間接學習過程。

2.4 創新探索

在教學過程中通過第二課堂的形式，根據學生的興趣愛好，組織和引導學生對自己所感興趣的知識進行探索性的學習。由于本實驗平臺給學生提供了許多應用接口，學生可以實現和驗證多種WCDMA功率放大器線性化算法。與此同時，學生完全可以自主設計實現WCDMA系統中的其他部分。由于引入創新探索實驗，可極大地提供學生的積極性，是培養學生創新能力的好方法。

3 創新教學方法的思考

創新實驗教學體現了理論與實驗結合、虛擬與真實結合、基礎與創新的“三維一體”素質教學。

(1)注意理論在實驗中的指導作用。

一方面，強調在扎實理論基礎的指導下進行實驗的分析;另一方面，使實驗作為理論課的延伸和擴展。

(2)引入先進的仿真軟件。

發揮計算機在實驗教學中的作用，引入虛擬仿真技術，驗證方案的正確性和可行性。教學中通過采用可視化的仿真工具Simulink對理論進行驗證，比較直觀，操作簡單，上手容易，學生興趣比較濃厚。

(3)第二課堂創新探索。

除了實驗在課內進行外，我們提供了根據學生動手能力的不同而開設的第二課堂創新探索平臺。能夠為學有余力且對課程比較感興趣有探索精神的同學提供開放性實驗平臺，用以驗證WCDMA系統中的其它模塊。鼓勵學生積極參加學科類競賽，通過比賽鍛煉學生的動手能力。最后，我們建立網絡交流平臺，使同學們能夠在互幫互助中進步。

4 結語

隨著3G網絡的普及，WCDMA作為3G網絡中的重要組成部分的研究逐漸成為熱點，WCDMA數字直放站功率放大器數字失真系統的研究成為研究的核心。信息專業的學生對前沿的技術具有極強的學習興趣。因此，通過搭建理論與實驗結合、虛擬與真實結合、基礎與創新結合的“三維一體”的創新實驗教學平臺，無疑為學生學習前沿知識，拓展知識面，增強動手能力提供了良好的平臺。而使用較為直觀的仿真工具System Generator+Simulink，學生能夠快速上手，而基于軟件無線電思想進行硬件驗證，避免了對硬件的過度依賴，降低了學習的難度，實驗教學具有良好的教學效果和學習效果。

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