基于安捷伦高性能仪器数字预失真软件的开发

应祥岳，徐铁峰，刘太君，文化锋，李 军

（宁波大学 信息科学与工程学院，浙江 宁波 315211）

精密、贵重大型仪器是高校开展科学研究、技术开发和提高实验教学质量的物质条件［1］。随着教育经费的不断投入，如何充分利用实验室资源，提高仪器设备的利用率已成为一个突出问题［2］。作为仪器的管理使用人员，应该管好、用好仪器，积极进行功能开发和技术改造［3］，加强开放与服务，提高大型仪器的应用水平与使用效益，为科学研究和培养学生做出贡献，使固定资产更好地保值、增值，发挥更大的效能［4－5］。

以宁波大学为例，2011年，全校共入库10万元以上的设备107台（件），共4 000万元。宁波大学“信息与通信工程”学科借浙江省“重中之重”学科建设的契机，采购了一系列美国安捷伦科技有限公司的高性能精密仪器，包括：光波元件分析仪N4373C、频谱分析仪E4448A、E4443A、矢量信号分析软件89600、模拟信号发生器E8257D、宽带示波器86100C、矢量信号发生器N5182A、E4438C、矢量网络分析仪E5071C等，其价值达800万元，使实验室仪器设备达到国际一流水平。在此基础上，我们与安捷伦公司联合成立了“宁波大学—安捷伦联合实验室”，为开展无线通信技术的研究奠定了基础。

但是这些高性能仪器并不是为我院特制的，仪器厂商因考虑仪器的通用性，不会将所有用户需要的特定功能都包含到仪器里，这给我们的研究造成了一定的不便。因此，在其基础上根据自身需求进行了二次开发，完善了仪器功能，建立了完全满足我院科研需要的实验平台，充分发挥了仪器效能。

1 射频功放的数字预失真技术

随着移动通信技术的飞速发展，频谱资源日渐紧张。在第四代移动通信等宽带移动通信系统中，普遍采用了QPSK（正交相移键控）、QAM（正交调幅）等线性调制方法来提高传输速率和频谱效率，同时广泛采用OFDM（正交频分复用）技术，使得信号具有很高峰均比（PAPR）。在处理这类速率较高的非恒包络信号时，射频功率放大器的效率和线性度往往无法兼顾［6］。为了解决这个问题，一般采用功放线性化技术来校正功放的非线性特性，这样既提高了功放效率、节约了能源，又改善了功放线性度，降低了ACPR（邻道功率比）。在现有的各种功放线性化技术中，数字预失真技术结合了实用性、经济性与稳定性，成为宽带通信系统射频功放线性化的研究热点。其基本原理是用数据处理器在发射链路的基带或中频部分搭建一个与射频功放非线性特性相反的非线性电路，与功放叠加后可以将输入信号线性放大。自20世纪80年代以来，已出现了查表法、多项式法、神经网络法等多种预失真方法。

图1所示是数字预失真的原理框图，经预失真的基带信号在计算机中用ADS软件生成，通过GPIB下载到矢量信号发生器（VSG N5182A），由矢量信号发生器调制到射频载波之上（包括数字调制、数模转换、上变频）后，加载到功放。功放输出信号由频谱分析仪（PSA E4443A）和矢量信号分析软件（VSA 89600）采集（包括下变频、模数转换、数字解调），得到输出基带信号。通过比较功放的输入和输出的基带信号，可获得功放的AM／AM和AM／PM特性，并由此提取数字预失真器的模型参数。

图1 数字预失真原理框图

2 基于安捷伦仪器的数字预失真软件开发

当我们开展数字预失真实验研究时，需要多台安捷伦高性能仪器协同工作，有一定的繁琐性，操作复杂，还需离线进行复杂的算法运算、处理，智能性差，费时费力。幸好，安捷伦高性能仪器都给研究人员预留了编程接口，提供了标准编程命令格式，为研究人员进行二次开发创造了条件。

因此，我们的目标就是根据自身需求，自主开发一个基于安捷伦高性能仪器的数字预失真软件，将用到的各个仪器协同到一个软件平台上来（如图2所示）。通过软件自动控制仪器的各项操作和功能，并且将预失真实验所需的复杂算法（如：互相关算法、滑动平均算法、最小二乘算法、插值算法、FIR滤波算法、矩阵逆运算等）都集成到该软件里，提高智能性，深度挖掘这些高性能仪器的潜能，将科研人员从繁琐的操作中解脱出来，专注于数字预失真技术本身的研究，为科研人员创造更加得心应手的科研环境，大大降低课题研究的复杂性和周期。

图2 射频功率放大器数字预失真实验平台

3 软件功能介绍

该数字预失真软件包括5个部分功能且流程为信号发生→信号捕获→延时调整→模型识别→模型验证。

3.1 信号发生

将I、Q两路基带矢量信号（由ADS软件生成）通过GPIB接口下载到安捷伦矢量信号发生器，打开矢量信号发生器的射频端口，输出调制后的射频信号。

3.2 信号捕获

控制频谱分析仪（PSA E4443A）和矢量信号分析软件（VSA 89600）采集（包括下变频、模数转换、数字解调）功放输出的射频信号，得到输出的基带矢量信号。

3.3 延时调整

输入与输出的基带矢量信号模型识别之前需要精确同步，即时延调整。这里用到互相关算法。为了精确同步到纳秒级，还需进行插值运算，软件集成了拉格朗日插值、三次样条插值等插值算法供选择。为保证插值之后基带信号的平滑，还需进行FIR滤波。

3.4 模型识别

软件不仅集成了简单的基于查找表的预失真器模型［7］，还包括了记忆多项式模型（多项式阶数和记忆深度可选）［8］、Wiener模 型［9］、Hammerstin 模 型［10］，神经网络模型等。几种典型的预失真器模型如图3所示。

图3 4种典型的预失真器模型

3.5 模型验证

为了验证模型的正确性与可行性，用所获得的模型参数将原始基带矢量信号预失真，再下载到矢量信号发生器，进而驱动射频功放，观察功放输出信号的频谱再生情况，测量频谱的ACPR值是否符合通信标准。

4 结束语

基于安捷伦高性能仪器自主开发了一套数字预失真软件，深度挖掘了这些高性能仪器的潜能，使其完美满足我院科研人员需求，为科研人员创造更加得心应手的科研环境，促进了我院科研人员在无线通信领域的研究。目前利用这些仪器设备和预失真软件开展研究的科研项目有：国家自然科学基金项目“认知无线电系统可调多波段多模式高效射频功率放大器研究”，“未来宽带无线通信系统的基于记忆型射频数字预失真的功放线性化技术研究”，浙江省科技重大专项重点国际合作项目“3G／Super－3G移动通信系统超线性高效率射频功放模块研发”，普天、北京邮电大学和宁波大学三方合作承担的2010年国家科技重大专项项目“高效、线性宽带功放模块”等。利用安捷伦仪器和该软件，我所研究人员已经在数字预失真技术方面取得了一些突出成果，在国内外顶尖杂志发表了一系列高水平学术论文。

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［1］王晓春，梁迎新，王亮，等.实验室精密仪器设备防雷电及过压保护系统研究与实施［J］.实验技术与管理，2012，29（5）：101－104.

［2］许丽贞，陈金坤.开发实验室资源，提高高校实验设备的利用率［J］.中国现代教育装备，2007，5（7）：95－96.

［3］谢永玉，王寿辉，燕文明，等.国家重点实验室大型仪器设备的统建共管与开放共享机制探讨［J］.实验技术与管理，2012，29（6）：215－217.

［4］汪大海.提高高校大型仪器设备利用率及使用效益的探讨［J］.实验技术与管理，2006，23（5）：140－142.

［5］范一文，余永强.高校院级科研实验室仪器设备共享管理浅析［J］.实验科学与技术，2011，9（4）：163－165.

［6］黄圣，胡泽鑫，龚文斌.一种具有普适性的功放线性化预失真方案［J］.计算机应用研究，2012，29（5）：1854－1859.

［7］董传盛，曾宾，谈熙，等.一种适合于硬件实现的数字预失真算法［J］.计算机工程，2012，38（7）：230－232.

［8］BARHIMI A，MIRZAKUCHAIKI S，KARAMI S.Power amplifiers linearization based on digital predistortion with memory effects［C］／／Proc of the 2nd International Conference on Computer and E－lectrical Engineering.2009：26－29.

［9］钱叶青，刘富强.Wiener功率放大器的简化预失真方法［J］.通信学报，2007，28（10）：55－59.

［10］曹新容，黄联芬，赵毅峰.一种基于Hammerstein模型的数字预失真算法［J］.厦门大学学报，2009，48（1）：47－50.