多载波RRU系统的设计和研究

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【摘要】RRU多载波通信系统，具有抑制频率选择性衰落和频谱利用率等优点，在目前数字接收发射机中复杂度较高。但该系统在实际的使用中，多个载波由于存在较大的峰均比，导致系统在实际环境中，效率较低，也难以满足多载波情况下的额定输出。在设计中，以软件无线电的系统原理背景，分析了数字处理中载波成型的过程，同时，根据多载波系统的峰均比特性，结合链路的AGC和ALC功能，以及先进的功放线性化技术，提出了一种解决多载波在峰均比同样存在的情况下也满足最大输出的设计方法。

【关键词】多载波 峰均比 数字基带 rru AGC ALC

1 引言

随着移动通信语言和数据业务的剧增，接收机和发射机的单载波系统已不能满足多业务、大容量的覆盖传输要求，而多载波是高速数据业务的理想接入方式，同时它具有接近信道容量的传输能力，可以有效地克服信号符号间干扰，对改善弱覆盖地区覆盖效果的优势显而易见。以GSM信号为例，其多载波信号的时域包络存在较大幅度的动态变化，随着载波数增加，产生的峰均比越高，制约着功率放大器的线性和平均功率，降低了系统的工作效率，对数字前端AD的性能要求也较高。本文根据多载波系统存在的峰均比特性，通过射频前端的AD饱和值预算，设计了一种AGC功能，同时结合整个数字系统和高线性的功放，从链路增益分配来进行设计，满足多载波系统最大输出的要求。

2 多载波的峰均比特性

信号的峰均比定义为信号在某种概率下的峰值功率与平均功率的比值，对于普通的连续波信号，峰均比也是存在的，对于普通的双音连续波信号，其峰均比为3dB。与单载波相比，多载波是多个独立的经过调制的子载波相加而成的，这样合成的信号就会产生较大的峰均比，峰均比可表示为：

PAR（dBm） （1）

式中：表示信号xn的峰值功率，表示信号xn的平均功率，xn表示经过IFFT运算之后所得到的输出信号，xk为映射后的信息码元，即：

（2）

对于包含N个信道的RRU系统来说，假如每个信号的功率为1W，当N个子信道的调制信号都以相同的相位求和时，其总的平均功率为N瓦，而其峰值包络功率为N2瓦，则其峰均比为10lgN，以dB为单位。在实际系统中，为了表征峰均比和概率密度值之间的关系，通常采用互补累积分布函数CCDF（complementary cumulative distribution function），对于一个16载波的RRU系统，其峰均比概率分布归一化功率见图1所示：

3 前级设计

3.1 数字基带前级设计

射频前端接收来自基站的信号，滤波放大后进行一次混频，输出中频信号后再滤波放大，经过微波巴伦的匹配耦合后进入AD模数转换转换成数字基带信号，参与一次基带下变频，由于此刻AD采样后的数字信号未进行分离，即此处的变频为一次宽带信号的下变频。

设计中选取AD采样速率为122.88Msps，输入中频为92.16MHz，落在第二奈奎斯特域里面，如图2所示。本系统中，输入中频信号被采样后，在第一奈奎斯特域将会出现数字信号，信号频谱被搬移到了30.72MHz处。AD采样后的数据首先通过第一级混频下变频到零频，再通过一级滤波器将带外杂散滤除，同时完成2倍抽取，得到I路和Q路数据，此时的数据为宽带信号，如图3所示。

再执行第二级混频操作，第二级混频器是一个复数乘法器，将宽带中各窄带频点搬移到零频，目的是为了滤波方便，第二级混频器的个数决定了系统能支持的最大频点数。图4为采用复数调制，串行4通道的下变频模型示意图：

下变频从有用带宽内选出16载波，将其中心频点搬移到零频，然后通过CIC、FIR信道滤波器组滤出载波信号，此时已完成窄带多载波的成型。但是在载波成型前，前端多载波带来的峰均比，会增加AD/DA的复杂度，对源端匹配也有要求，同时要完成单端信号转差分信号，提高AD基带处理的抗干扰能力。由于射频部分的源端匹配为50Ω，为了实现与AD的内部1000Ω相匹配，AD的阻抗设计为52.3Ω。

因此，在选择AD芯片时，考虑到等效噪声系数，可选用一个14位的AD芯片，其SFDR指标为-75dBFS，通过设计显示，巴伦的阻抗匹配位1：1，AD的工作电压选用2.2V，如图5所示：

其中VFSP-P为峰-峰值满量程输入电压，VFS-RMS为均值输入电压，阻抗匹配为50Ω，PFS为转换为dBm的数字，fs采样速率为122.88Msps。

以上数据显示，进入AD的最大均值功率为P峰值=10.8dBm，以系统60W（48dBm）的输出计算，系统的链路增益Gain=50dB，即单载输入-2dBm时系统已经为最大输出，而多载波系统固有的峰均比会导致AD饱和溢出，严重影响系统的解调性能，所以在数字接收机的前端，通过AGC实现系统的线性工作。

3.2 自动增益控制

AGC（Automatic Gain Control）功能原理主要是为了控制AD前端的输入，自动控制系统增益。而且数字AGC的控制速度比较快，可以实现时隙AGC控制。

该功能由数字模块中的AD芯片实时读取IQ数据的瞬时峰值功率，再经过CPU计算换算出输入功率，用于预设值的AGC峰值功率门限运算，若是检测的输入功率值超过AGC门限值，则通过增益调整模块控制数控ATT的衰减，同时在基带处理DUC部分释放衰减的输入信号，保持系统链路的增益平衡，具体如图6所示。

在数字DUC部分进行增益补偿时，如果带内有用信号强度加上补偿增益超出一定的门限，将使数字数据溢出，造成系统工作异常，所以对DUC增益控制部分加以保护，当带内有用信号超过补偿门限时，不再进行补偿或缩小补偿幅度。DUC控制信号流程见图7：

同时，合理设计系统的AGC门限和系统链路的增益，会保证系统在多载波模式下实现最大的输出，其效果非常明显。图8为RRU接收发射系统的链路增益设计。

在系统设计中，AGC采用的峰值功率检波，保护AD不溢出，前向输出端的功放模块也设计有ALC功能，保证系统的输出功率达到标称输出功率，也实现功放模块的线性保护。在系统的设计中，要保证一个原则，即系统多载波功率的输出只跟功放ALC相关，跟AGC无关，最优的条件是ALC和AGC都刚好起控。

图8所示系统为DAU（Digital Access Unit）和DRU（Digital Remote Unit）组成，前向链路是DAU耦合基站信号，射频放大后经过一次下变频到中频，通过AD模数转换成基带信号，光纤拉远至DRU，经过一次上变频到射频，通过功放放大输出。反向链路放大来自手机用户的信号，原理相同。

对于前向链路，下变频增益设计为Gain=1dB，AD/DA的转换增益设计为Gain=-7dB，上变频增益设计为Gain=7dB，功放增益设计为Gain=50dB，P-1=55dBm，输出端滤波增益设计为Gain=-1dB，系统增益为Gain=50dB，系统最大输出设计为Power=50dB，AGC门限设计为AGC=7dBm，预留3dB余量，AGC后面的系统增益为50dB+7dB+（-7dB）=50dB，则AGC+50dBm=57dBm，显然，由于功放的P-1=55dBm，故系统可以满足峰值55dBm的输出。

从AGC前的链路来看，系统最大输出时的输入为-2dBm，下变频的增益为Gain=1dB，距离AGC起控门限值相差7dBm-（-2dBm+1dBm）=8dBm。

从功放ALC链路来说，P-1-Power=7dB，距离ALC门限值相差7dB；即系统的最大峰值输出受限于功放ALC，对于8载波的系统，峰值功率可以满足55dBm，则均值功率可以满足55dB-7dB=48dB，实现了多载波情况下最优的输出要求。

显然，在多载波存在情况下，过大的峰值功率会导致数字前端AGC门限值先饱和，则系统在多载波情况下就会出现功率的压缩，不能满足最优输出。

3.3 大信号设计

在功率放大器设计中，线性是非常重要的指标。由于信号存在瞬时的高功率，为了保证该瞬时高功率点处的线性指标，通常采用功率回退技术来保证线性，使得信号通过功放后不失真。功率的回退量即是所传输信号的峰均比，峰均比对功放设计的影响主要是对于输入信号不同的幅度，功放输出互调产物大小不一。当功放工作在饱和状态时，IMD会迅速恶化，从实际使用上来说，会导致系统的载干比（C/I）下降。对于多载波系统，如果考虑峰均比的影响，则功放在设计时需回退使用，系统效率将会大大降低，同时也会提高功放的成本，即在功放的设计中，对峰均比的概率分布点的选取比较重要。常规放大管在饱和状态下的互调系数IMD为-18dBc，若要满足互调指标-36dBc的要求，则功放管子的P-1至少要回退8dBm才能满足要求。

在峰值功率存在的情况下，从概率密度上讲，如果在100个数据中仅有一次出现（即10-4），则总的IMD电平为信号电平的1/10000，比-18dBc低40dB，所以将10-4对应的概率峰均比作为多载波系统功放的设计峰均比。

为了提高多载波系统的效率，在大信号的设计上采用AAP方案（Advanced analog predistortion），该技术综合了前馈和预失真，在类似前馈误差环的放大过程中又有预失真的作用在里面，所以也可以借鉴前馈两个环路的概念，用两个环路来描述它。第一个环路即为传统的载波对消环，将交调失真信号提取出来，第二个环路即为交调对消环路，在这个环路，主功放的交调信号与误差路功放交调对消，从而提高了功放的线性度。但是其误差电路并不是一个简单的交调提取与放大电路，而是一个预失真电路，信号经过预失真电路放大后，交调信号与主路交调信号矢量相同，所以经过3dB电桥合路后，产生的效果使失真信号抵消，载波信号合成，从而不仅达到线性化的要求，还大大提高了功放的整体效率。

4 结论

多载波系统能在无线环境下实现高容量传输而被广泛使用，同时，通过数字基带处理载波成型技术，实用性较强。随着载波数的增加，峰均比制约着该系统的效率，本文就多载波RRU系统高峰值平均功率比问题，从系统设计的角度，在满足最大输出的问题上作了研究，通过实验的检验，提出了一种有效可行的设计方法。

参考文献：

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