基于嵌入式Linux數字基帶預失真控制系統的設計與實現

楊德偉， 宋雪松， 王 華， 王 正

(北京理工大學 通信技術研究所，北京 100081)

0 引 言

在無線通信系統中,為得到大的信號功率，以滿足發射要求,需要通過高功率放大器對射頻信號進行放大。為提高射頻功放的效率,功放往往工作在非線性狀態,會導致非線形失真。功率放大器的非線性失真嚴重影響了通信的質量[1]。當今移動通信系統中,為了增加傳輸速率和信道容量,采用了復雜的具有高頻譜利用率的數字調制方式。采用這些數字調制方式,信號包絡的變化產生了記憶效應,這種記憶效應引入了更大的帶外擴散,增加鄰道干擾,同時也產生了帶內失真，因此,誤比特率更加嚴重。在設計射頻功放時,除了滿足功放輸出功率的要求外,效率和線性度是必須考慮的兩個因素,但功放的效率和線性度是相互對立的。改善射頻功率放大器線性度的線性化技術的預失真技術具有穩定、高效、寬帶寬與自適應等優勢[2]。數字基帶預失真在基帶進行信號處理,自適應技術能夠容易地應用到預失真結構中。為了實現數字基帶信號預失真處理，需要對預失真系統中相關硬件進行控制。目前，針對數字基帶預失真系統的控制及算法多采用單片機、FPGA、DSP[3-4]。然而基于單片機的控制系統由于單片機本身的局限性，運行速度低，移植性比較差，無法進行多任務操作。基于FPGA的控制系統可操作性差，每改變一次控制參數，需要對FPGA重新寫入一遍程序，不方便控制。基于DSP的控制系統雖然能夠實現算法，但是對預失真系統的控制同樣不方便。而基于嵌入式Linux[5-6]的控制不但能夠實現預失真算法，而且能夠方便地對預失真系統進行控制，從而彌補了幾者之間的缺陷。

1 系統結構及原理

圖1 間接學習結構框圖

數字基帶預失真系統由數字基帶處理部分和射頻處理部分組成，其硬件實現如圖2所示。調制信號首先映射為I/Q兩路，然后經過根升余弦濾波器成形濾波后，進入預失真器得到預失真器輸出信號；經過預失真器處理后的信號，通過D/A變換、低通濾波、模擬正交調制和上變頻變成射頻信號，然后進入高功率放大器，功放輸出信號中一部分信號通過天線發送，另一部分經過定向耦合器反饋給預失真系統，反饋信號經過下變頻和正交解調得到基帶模擬信號，利用高速A/D變換器變成數字基帶信號，通過定時同步算法對齊反饋數據與發送數據，再利用自適應算法調整預失真器系數，從而實現預失真的目的。數字基帶預失真控制系統通過同步算法和自適應算法完成對預失真器系數的調整，通過對DA/AD、調制模塊參數的調整，來實現對傳輸信號的控制。

圖2 系統結構原理圖

2 系統硬件設計

數字基帶預失真控制系統硬件由ARM[8]、鍵盤模塊和顯示模塊共同組成，如圖3所示。

圖3 系統框架圖

鍵盤模塊由HD7279A控制芯片和4*4矩陣鍵盤組成[9]。HD7279A是一種專門管理鍵盤和LED顯示器的專用智能控制芯片，它具有自動消除按鍵抖動并識別按鍵代碼的功能，從而可以提高CPU工作的效率，同時具有較高的可靠性。HD7279A和ARM之間采用串行接口，當HD7279A檢測到有效按鍵時，其KEY腳產生一個中斷發送到ARM，當HD7279A接收到讀取鍵值指令時，輸出當前按鍵的鍵值代碼到ARM。

采用LCM12832ZK作為顯示模塊，LCM12832ZK是一種具有8位/4位并行、2線/3線串行多種接口方式，內帶簡體中文字庫的圖形點陣液晶顯示模塊[10]。它具有顯示信息豐富，體積小、功耗低、使用方便等特點，該模塊在系統中的功能主要是根據具體的按鍵顯示相關的操作指令。

ARM作為整個控制系統的核心，必須能夠具有較強的運算能力和豐富的接口便于對外設的控制，基于以上考慮，系統設計選用S3C6410。S3C6410不僅能滿足任務需求，而且成本低、功耗低，其操作系統的開源代碼，便于軟件實現。ARM在本文中主要有兩個功能，一方面負責讀取鍵值代碼，并將相應的操作指令傳輸到預失真系統和顯示模塊上，另一方面負責與FPGA通信，完成數據的讀取、處理和發送工作。

3 系統軟件設計

程序開發編譯環境包括Fedora9.0，交叉編譯工具采用的是arm-linux-gcc-4.5.1。嵌入式Linux采用的是Linux2.6.38。

3.1 預失真算法

在數字基帶預失真系統中，其算法包括同步算法和自適應算法。由于放大器環路反饋信號存在著延時，因此必須對采集的數據進行數據對齊，即進行同步算法。對采集的數據完成同步算法處理之后，再進行自適應算法，之后將得到的系數復制到預失真模塊，即完成了整個預失真的過程。

通常，數據對齊的步驟分為兩步[11]，即整數部分延時的數據對齊及小數部分延時的數據對齊，采用兩步處理的目的是為了提高估計的準確度和最大限度地減少資源占用。本文整數部分的數據對齊采用基于協方差法的算法，小數部分的數據對齊采用基于Lagrange內插的協方差法的算法[12]。

自適應算法中多采用最小均方誤差(Least Mean Square，LMS)算法[13]、最小二乘(Least Square，LS)算法[14]、遞歸最小二乘(Recursive Least Square，RLS)算法[14]三種經典自適應算法。本文采用RLS算法，它的更新目的是使輸出信號與期望信號在最小二乘意義上最匹配，具有快速收斂的特點，因而被廣泛應用于實時系統辨識和快速的信道均衡等領域。

3.1.1基于協方差法的算法

協方差法公式如下所示：

Rxz(m)=

-L+1≤m≤L-1

(1)

圖4 協方差法求整數倍延時的曲線

3.1.2基于Lagrange內插的協方差法的算法

Lagrange內插實際上是使用了內插濾波器，這種插值濾波器使用了拉格朗日(Lagrange)多項式內插。由于這種插值濾波器使用了Farrow結構，是一種高效的結構，非常適合高速實現。對于已知的I個采樣點，Lagrange內插公式[15]可以表示為：

(2)

其中，Ci為每個采樣值的權重，由不同的采樣時刻決定，且滿足：

(3)

(4)

對插值后的輸入和輸出數據按照整數倍延時估計的方法，求得協方差曲線，在得到最大值所在的位置以后，除以內插倍數P后得到的值即為小數部分延時。需要說明的是，該算法的適應性比較強，對放大器環路中固定相偏和頻偏抖動均不敏感，因此即使放大器非線性特性及記憶性很明顯，估計的結果依然穩定而且準確。

3.1.3遞歸最小二乘算法

把待最小化的代價函數表示為J(n)，其中n是可測數據的可變長度。另外，習慣上還在J(n)的定義中引入遺忘因子0<λ<1，其使用是為了保證“遺忘”掉久遠的過去數據，以便當濾波器工作在非平穩環境中時，能跟蹤觀測數據的統計變化：

(5)

其中:e(n)是圖1間接學習結構中所表示的誤差;a是由akq組成的K(Q+1)行1列的列向量;u是由y對應a構造多項式組成的列向量：

(6)

為了后續的計算，給出輸入向量的自相關矩陣：

(7)

并設其逆矩陣R-1(n)為P(n)，RLS算法的主要步驟如下：

(1) 初始化：a(0)=0,P(0)=δ-1I,其中δ是一個很小的值；

(2) 更新增益向量k(n)：

(8)

(3) 更新預失真器系數：

(9)

(4) 更新逆矩陣：

(10)

(5)n=n+1，轉到步驟(2)。

3.2 預失真算法軟件

本文將ARM應用于數字基帶預失真系統，利用ARM實現了預失真算法[16]。其工作流程如圖5所示。系統上電后，預失真算法軟件經過初始化后，從FPGA的RAM中讀取數據，經過預失真算法程序，進行同步算法和自適應算法，得到一組參數，然后將這組參數發送到預失真器，之后再次讀取數據，判斷是否需要更新預失真器中的系數，如果需要更新，就進行預失真算法處理；如果不需要更新，就繼續讀取數據進行判斷。

3.3 鍵盤顯示控制軟件

為了使系統能夠實現人機交互及控制界面，設計了AD控制模塊、DA控制模塊、上變頻控制模塊以及下變頻控制模塊。當系統上電后，S3C6410通過GPIO端口對各個模塊進行初始化設置，等所有初始化工作都完成以后S3C6410進入中斷等待狀態，等待按鍵中斷的到來。當S3C6410檢測到按鍵中斷時，向HD7279A發送讀取鍵值指令讀取鍵值，根據不同的鍵值，將對應操作顯示到液晶上，并發送相應的控制指令到AD/DA模塊或者上下變頻模塊，完成操作后回到中斷等待狀態，等待中斷發生。其工作流程如圖6所示。

圖5 預失真算法程序流程圖圖6 鍵盤顯示控制程序流程圖

4 系統測試結果

經過測試，本設計能夠實現數字基帶預失真系統的算法以及對該系統的控制。通過鍵盤顯示控制程序，實現了對AD/DA模塊、上下變頻模塊的控制；通過預失真算法程序，實現了預失真同步算法和自適應算法。在圖7中顯示了有無預失真算法時，信號的AM/AM對比圖。從圖中可以看出預失真效果明顯，功放輸出信號為線性信號。

圖7 數字基帶預失真AM/AM特性圖

5 結 語

Linux是當前最受歡迎的操作系統之一，它具有內核小、效率高、源碼開放的優點，所以也被廣泛應用于嵌入式系統中。本文將嵌入式Linux引入預失真系統中，實現了對傳輸信號的控制，為用戶提供了簡潔的可操作平臺，嵌入式Linux具有良好的移植性、可重用性和擴展性，便于預失真控制系統的優化和調整，同時也減少了后續開發工作，對于其它設備驅動的開發具有一定的參考價值。

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