專利名稱：一種高效率的數字光纖cdma直放站及實現(xiàn)方法
技術領域：
本發(fā)明涉及移動通信網絡覆蓋及優(yōu)化領域，主要是一種高效率的數字光纖CDMA 直放站及實現(xiàn)方法。
背景技術：
在移動通信迅速發(fā)展的今天，無論何種無線通信的覆蓋區(qū)域都將產生弱信號區(qū)和 盲區(qū)，而對一些偏遠地區(qū)和用戶數不多的盲區(qū)，要架設模擬或數字基站成本太高，基礎設施 也較復雜，為此提供一種成本低、架設簡單、具有小型基站功能的經濟有效的設備——直放 站是很有必要的。CDMA直放站可以擴大CDMA基站的覆蓋范圍，大大節(jié)省CDMA網絡建設的投資。其 中光纖直放站由于空間隔離度好，不產生同頻干擾，所以重發(fā)方向可采用全向天線覆蓋以 提供覆蓋效果；同時提高增益而不會自激，有利于加大下行信號的發(fā)射功率，常采用大功率 工作方式。在后哥本哈根時代，應堅持低消耗、低排放、高效率為特征的“綠色之道”，實現(xiàn) 全面可持續(xù)發(fā)展，那么數字光纖直放站設備的功耗就成為一個大問題。一般的數字光纖直 放站系統(tǒng)遠端機整機效率只有10%左右。它由射頻小信號單元，數字信號處理單元、功放 單元、電壓轉換單元和監(jiān)控單元等組成，其中主要功耗集中于功放單元，若能提高功放單元 的效率，減少熱損耗，則能有效的提高整機的效率。CDMA信號的峰均比很高，有13dB左右， 這使得功放單元要回退13dB以上，從而降低了功放單元的效率。射頻的線性化技術和高 效率技術是相互矛盾的，在提高功放單元的效率時，勢必要犧牲它的線性度，鄰近信道抑制 比(ACPR)在750KHz和1. 98MHz處往往都只能達到_40dBc左右，很難滿足系統(tǒng)線性指標 (750KHz抑制-45dBc、1. 98MHz抑制-60dBc)；若要滿足系統(tǒng)的線性指標，那么勢必要降低功 放單元的效率，讓它的工作點回退大大于13dB。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的正是要克服上述技術的不足，而提供一種高效率的數字光纖CDMA 直放站及實現(xiàn)方法，它在提高整個系統(tǒng)效率的同時，線性度也能滿足系統(tǒng)指標。本發(fā)明解決其技術問題采用的技術方案這種高效率的數字光纖CDMA直放站，該 系統(tǒng)由近端設備和遠端設備組成，近端設備通過饋線從基站耦合下行射頻信號，并通過光 纖與遠端設備進行通信，信號經過數字信號處理單元后，由高效率功放對其進行放大并由 天線發(fā)射出去；該系統(tǒng)下行鏈路涉及到的模塊包括射頻小信號單元、數字信號處理單元、高 效率功放單元、雙工器單元、電壓轉換單元、監(jiān)控單元和本地串口組成；其中射頻小信號單 元實現(xiàn)上下變頻與濾波；數字信號處理單元對信號進行削峰濾波以降低信號的峰均比，同 時對信號進行自適應預失真數字信號處理；高效率功放單元對信號進行放大后經雙工器單 元并由天線發(fā)射出去；電壓轉換單元完成對輸入電壓的轉換，給各個模塊單元提供所需的 各種電壓；監(jiān)控單元實現(xiàn)對近遠端設備的控制調試及軟件下載和升級，通過本地串口與計 算機相連接。
作為優(yōu)選，近端設備和遠端設備之間通過數字基帶信號在光纖中進行傳輸與通 信。通過高效率功放單元的效率提升從而提升整個設備的效率，通過數字信號處理單元對 信號在數字域進行相關處理，使得整個設備的線性指標滿足要求。通過自適應數字信號處 理，使得整個設備能跟蹤由于器件老化、溫度變化等工作條件和工作環(huán)境變化所造成的功 放特性變化，從而繼續(xù)保持良好的線性效果。本發(fā)明所述的高效率的數字光纖CDMA直放站的實現(xiàn)方法，步驟如下1)、近端機從基站耦合下行的射頻信號，由射頻小信號單元進行混頻及濾波處理， 然后在數字信號處理單元中，對中頻信號進行ADC (模數轉換器)采樣，將模擬信號轉換為 數字信號，通過DDC(數字下變頻)模塊對數字信號進行抽取濾波，降低信號的采樣率。然 后按CPRI (通用公眾無線電接口)協(xié)議要求對數字信號進行組幀，由serdes (串行解串器) 對信號進行并串轉換以及8B10B編碼，通過光纖將信號傳遞至遠端機。2)、遠端機從光纖中提取并恢復數字信號，由DUC(數字上變頻)模塊對信號進行 內插濾波，提高信號的采樣速率并送入到削峰處理模塊對數字基帶信號進行削峰，將信號 的峰均比降低到接近于7dB。3)、信號在完成削峰后流入到預失真處理模塊，預失真處理模塊能產生與功放的 線性特性曲線相反的曲線，該傳輸函數的系數可自適應更新，從而能跟蹤由于器件老化、溫 度變化等工作條件和工作環(huán)境變化所造成的功放線性特性變化。4)、預失真信號經過DAC(數模轉換器)轉換為模擬的I、Q(同相、正交)中頻信 號，經AQM(模擬正交調制)調制到射頻信號后進入功放單元，由功放單元對信號進行高效 放大。由于預失真模塊與功放單元兩者的傳輸函數特性曲線互補，所以整個系統(tǒng)就有一種 較好的線性效果，相對于沒有通過預失真模塊處理，鄰道抑制比能改善20dB以上。作為優(yōu)選，為支持預失真模塊的自適應跟蹤處理，系統(tǒng)引入一條反饋路徑，它從功 放輸出口耦合功放的輸出信號，經混頻濾波后AD轉換為數字信號，輸入到預失真處理模 塊。這樣預失真模塊就能根據削峰后輸入的信號和功放輸出的信號計算出功放的非線性特 性模型，然后修正自身的預失真器系數，使得預失真器的非線性特性模型與功放的非線性 特性模型相反，從而抵消功放的非線性。本發(fā)明有益的效果是在提高整個系統(tǒng)效率的同時，能有效保證其線性指標滿足 要求，解決射頻的線性與效率矛盾，而且能跟蹤由于器件老化、溫度變化等工作條件和工作 環(huán)境變化所造成的功放線性特性變化，一直保持良好的線性效果，這對于解決移動通信網 絡覆蓋及優(yōu)化領域中直放站設備大功率發(fā)射情況下所普遍存在的效率與線性問題具有重 大的參考和現(xiàn)實意義。


圖1是高效率的數字光纖CDMA直放站系統(tǒng)框圖；圖2是信號的數字處理框圖；圖3是削峰處理模塊的原理框圖；圖4是預失真處理模塊的原理框圖；圖5是預失真處理過程在頻譜上的體現(xiàn)；圖6是對稱Doherty功放的原理框圖。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明圖1是該高效率的數字光纖CDMA直放站的系統(tǒng)框圖。它包括近端設備與遠端設 備，兩者之間通過數字信號在光纖中進行傳輸與通信，它主要由射頻小信號單元，數字信號 處理單元，功放單元，雙工器單元，監(jiān)控單元以及電壓轉換單元組成。該系統(tǒng)也可分為上行鏈路與下行鏈路兩部分。上行鏈路分為主、分集兩條路徑， 它由遠端覆蓋天線接收手機的上行CDMA信號，然后放大混頻，AD轉換為數字信號后經過光 纖傳遞到近端機，在近端機中經DA轉換，恢復到模擬信號后，混頻到相應的射頻頻段上，經 饋線將信號傳遞至基站。下行鏈路通過饋線從基站耦合下行射頻信號并進行混頻濾波，AD 轉換為數字信號后經光纖傳遞至遠端機，然后在基帶數字信號處理中加入削峰及預失真處 理，最后DA轉換并AQM調制到相應射頻頻段上后由功放進行放大，并由覆蓋天線將下行信 號發(fā)射出去。在遠端機中有一條反饋鏈路，它從功放的輸出端耦合信號，經下變頻及濾波 后，AD轉換為數字信號并送入到基帶數字信號處理模塊。圖2是模擬信號轉換為數字信號后，所經過的一系列數字信號處理。對于上行鏈 路，ADC的采樣速率用的是122. 88MHz，采樣后的數字信號以122. 88MSPS (每秒采樣百萬次) 的速率輸入到DDC模塊；對于CDMA直放站系統(tǒng)，信號的帶寬為10MHz，所以DDC模塊將數字 信號進行8倍濾波抽取，以15. 36MSPS的速率將信號送入到CPRI模塊；在CPRI模塊中，它 將上行主分集送入的信號按協(xié)議進行組幀并輸出，由serdes芯片對信號進行并串轉換及 編碼后在光纖中進行傳輸，近端機的serdes芯片對光纖傳過來的數據進行并串轉換及譯 碼后，將信號送入近端機的CPRI模塊進行解幀處理；DUC模塊將輸入的信號進行8倍內插 濾波，以122. 88MSPS的速率送給DAC芯片進行數模轉換及后續(xù)的AQM調整。在下行鏈路中，ADC也是以122. 88MHz進行采樣，經類似于上行鏈路的數字信號處 理后，遠端DUC輸出速率為61. 44MSPS的數字基帶信號，該信號進入CFR(削峰)模塊進行削 峰濾波處理以便于降低信號的峰均比，完成削峰后進行1. 5倍內插濾波，然后以92. 16MSPS 速率輸入到DPD (預失真)模塊做預失真信號處理，完成預失真處理后進行2倍內插濾波， 最終以184. 32MSPS速率輸出給DAC芯片做數模轉換。圖3是削峰處理模塊的原理框圖。峰值檢測模塊會比較輸入信號的幅度與用戶所 設置的門限值，然后得到各個峰值的位置以及各個峰值所對應的幅度和相位信息；分配器 根據所得到的峰值位置信息讓抵消脈沖發(fā)生器(CFG)產生一個恒幅的抵消脈沖序列，該抵 消脈沖序列可下面描述過程來得到，首先設計一個CDMA單載波的低通濾波器，它的阻帶抑 制會影響信號的ACPR，所以要根據需要調整阻帶抑制以得到最好的ACPR，其原則是削峰前 后信號的ACPR基本一致，然后將這個單載波低通濾波器搬移到CDMA各個載波位置上并合 成，從而得到該序列；根據各個峰值的相位以及幅度與門限的差值組成輸出各個峰值相對 應的復信號，它與抵消脈沖序列做一個相乘運算，從而得到各個峰值自己的抵消脈沖序列； 最后這些抵消脈沖序列與原始信號進行相減，達到峰值抵消的效果，同時ACPR不惡化。圖 中畫了 4個抵消脈沖發(fā)生器，當峰值很多時，會出現(xiàn)抵消脈沖發(fā)生器不夠用的情況，所以可 多級聯(lián)幾級該模塊，但是整個系統(tǒng)的時延會增加，具體增加的時延由濾波器階數和信號采 樣率所決定。
圖4是預失真處理模塊的原理框圖。它的基本原理就是在輸入信號和高功率放 大器之間插入一個具有與放大器非線性特性相反的非線性單元，從而使整個系統(tǒng)呈現(xiàn)線性 特性。功放的輸出信號y(n)經過反饋路徑調整增益后作為預失真訓練網絡的輸入，該信
號經過預失真訓練網絡后輸出》(η)，然后與功放的輸入信號μ (η)進行比較，該誤差信號 = —二用于預失真訓練網絡的自適應信號處理。若預失真訓練網絡的自適應 算法收斂，即< ) = 0，那么把預失真訓練網絡的系數完全復制到預失真器中，就會有當 μ{η) = μ{η)^, y(n)/G = r(n)，即y(n) = G打(η)，其中G是整機增益，整機的輸出相對于 輸入信號，表現(xiàn)為線性特性。在非線性系統(tǒng)理論中，經常采用記憶多項式模型、wiener模型以及hammerstein 模型等來構建有記憶非線性系統(tǒng)。在圖4的預失真器以及預失真器訓練網絡中，采用記憶 多項式模型來模擬非線性功放的逆特性。數學表述如下式，其中K為非線性階數，L為記憶深度。
K L u^ = Σ Σ - 0 Yin 一 /)廣1
k=\ /=0 odd預失真訓練網絡對該模型參數的估計是一個自適應濾波的過程，這里選擇 LMS (最小均方誤差)算法作為預失真訓練網絡系數的更新算法。復數域LMS算法系數更新 公式為W (n+1) = W (η) + μ X Y (η) X e* (η)其中誤差函數e (η) = u(n)-ffH(n) X Y (η)，對應記憶多項式模型，矩陣Y (η)為
y(n) Y( )=
y(n)*\y(n)\
y(n-L)
κ-ι
K-I
y(n-L)*\y(n-L)\圖5是預失真處理過程在頻譜上的體現(xiàn)，通過在數字域中抓取數據然后由Matlab 轉化為頻譜顯示。其中圖a為輸入到預失真模塊的單載波CDMA數字信號，當預失真模塊不 使能而將該信號送入功放放大時，輸出的頻譜如圖b所示(通過反饋鏈路耦合得到功放的 輸出信號)，可見ACPR很差，不能滿足整機的線性指標。圖c為經過預失真模塊處理后的 數字信號，從頻譜中可以看到信號的帶寬變寬，所以后續(xù)的信號處理不能再按原先的IOMHz 帶寬，需要考慮5階以上的帶寬擴展。當該已經過預失真處理的信號經過功放放大，由于兩 個非線性特性的擬合，使得整體呈現(xiàn)出線性，輸出的信號頻譜如圖d所示，ACPR能提高20多 dB，這樣就滿足了系統(tǒng)的線性指標。圖6是對稱Doherty功放的原理框圖。提高功放效率的技術有很多，其中對稱 Doherty是一種比較成熟的技術，它由2個功放組成一個主功放，一個輔助功放。射頻輸 入信號由功分器分成兩路輸入，當輸入功率較小時，只有主功放工作，當主功放的輸出電壓達到預飽和時，輸入電流只有最大值的一半，而主功放的效率達到了最大值；當輸入功率達 到開啟輔助功放時，根據負載牽引技術，隨著輔助功放的電流增加，主功放的視在輸出阻抗 將減小，而此時主功放的輸出電壓不變，因此在保證高效率的同時，增加了輸出功率；當輸 入功率達到激勵峰值時，輔助功放也達到了自己效率的最大點，這樣兩個功放合在一起的 效率就遠遠高于單個功放的效率。主功放后面的90°四分之一波長線是阻抗變換，目的是 在輔助功放工作時，起到將主功放的視在阻抗減小的作用，保證輔助功放工作的時候和后 面的電路組成的有源負載阻抗變低，這樣主功放輸出電流就變大。由于主功放后面有四分 之一波長線，為使兩個功放輸出同相，在輔助功放前面也需要90°相移。本發(fā)明所提供的一種高效率的數字光纖CDMA直放站系統(tǒng)，遠端機整機效率可達 25%左右，同時鄰道抑制比在750KHz和1. 98MHz處都能達到_60dBc以上，滿足系統(tǒng)的線性 指標。在該系統(tǒng)中，在數字域中加入了削峰與預失真信號處理，通過削峰可以將CDMA信號 的峰均比降低到7dB，從而減少功放的回退值；功放單元采用了對稱Doherty技術來提高效 率，在回退7dB情況下該單元的效率可達42%，但線性度會惡化，這可通過預失真信號處理 模塊來改善，使得整機的線性度指標滿足要求。除上述實施例外，凡采用等同替換或等效變換形成的技術方案，均落在本發(fā)明要 求的保護范圍。
權利要求
一種高效率的數字光纖CDMA直放站，其特征是該系統(tǒng)由近端設備和遠端設備組成，近端設備通過饋線從基站耦合下行射頻信號，并通過光纖與遠端設備進行通信，信號經過數字信號處理單元后，由高效率功放對其進行放大并由天線發(fā)射出去；該系統(tǒng)下行鏈路涉及到的模塊包括射頻小信號單元、數字信號處理單元、高效率功放單元、雙工器單元、電壓轉換單元、監(jiān)控單元和本地串口組成；其中射頻小信號單元實現(xiàn)上下變頻與濾波；數字信號處理單元對信號進行削峰濾波以降低信號的峰均比，同時對信號進行自適應預失真數字信號處理；高效率功放單元對信號進行放大后經雙工器單元并由天線發(fā)射出去；電壓轉換單元完成對輸入電壓的轉換，給各個模塊單元提供所需的各種電壓；監(jiān)控單元實現(xiàn)對近遠端設備的控制調試及軟件下載和升級，通過本地串口與計算機相連接。
2.根據權利要求1所述的高效率的數字光纖CDMA直放站，其特征是近端設備和遠端 設備之間通過數字基帶信號在光纖中進行傳輸與通信。
3.一種采用如權利要求1所述的高效率的數字光纖CDMA直放站的實現(xiàn)方法，其特征在 于步驟如下(1)、近端機從基站耦合下行的射頻信號，由射頻小信號單元進行混頻及濾波處理，然 后在數字信號處理單元中，對中頻信號進行ADC采樣，將模擬信號轉換為數字信號，通過 DDC模塊對數字信號進行抽取濾波；然后按CPRI協(xié)議要求對數字信號進行組幀，由串行解 串器對信號進行并串轉換以及8B10B編碼，通過光纖將信號傳遞至遠端機；(2)、遠端機從光纖中提取并恢復數字信號，由DUC模塊對信號進行內插濾波，提高信 號的采樣速率并送入到削峰處理模塊對數字基帶信號進行削峰，將信號的峰均比降低到接 近于7dB ；(3)、信號在完成削峰后流入到預失真處理模塊，預失真處理模塊產生與功放的線性特 性曲線相反的曲線；(4)、預失真信號經過DAC轉換為模擬的I、Q中頻信號，經模擬正交調制到射頻信號后 進入功放單元，由功放單元對信號進行高效放大，功放單元與預失真模塊兩者的傳輸函數 特性曲線互補。
4.根據權利要求3所述的高效率的數字光纖CDMA直放站的實現(xiàn)方法，其特征在于 引入一條反饋路徑，它從功放輸出口耦合功放的輸出信號，經混頻濾波后AD轉換為數字信 號，輸入到預失真處理模塊，由預失真模塊根據削峰后輸入的信號和功放輸出的信號計算 出功放的非線性特性模型，然后修正自身的預失真器系數，使得預失真器的非線性特性模 型與功放的非線性特性模型相反，從而抵消功放的非線性。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種高效率的數字光纖CDMA直放站及實現(xiàn)方法，該系統(tǒng)由近端設備和遠端設備組成，近端設備和遠端設備通過數字基帶信號在光纖中進行傳輸通信。它包括射頻小信號單元、數字信號處理單元、高效率功放單元、雙工器單元、電壓轉換單元和監(jiān)控單元等構成；其中高效率功放單元采用對稱Doherty技術，在數字信號處理單元中加入了削峰以及自適應數字預失真處理，使得整個設備在提高效率的同時，線性度也能滿足系統(tǒng)指標要求。本發(fā)明有益的效果是在提高整個系統(tǒng)效率的同時，能有效保證其線性指標滿足要求，解決射頻的線性與效率矛盾，而且能跟蹤由于器件老化、溫度變化等工作條件和工作環(huán)境變化所造成的功放線性特性變化，一直保持良好的線性效果。
文檔編號H04W88/08GK101977081SQ201010522019
公開日2011年2月16日 申請日期2010年10月26日 優(yōu)先權日2010年10月26日
發(fā)明者施曉, 褚如龍, 金淮東 申請人:三維通信股份有限公司