一种基于LINC发射机系统的信号分离实现方法

    无线通信系统要求的高数据传输速率使得人们致力于研究开发更先进、高效的编码、调制技术来提高无线频率的效率，同时也对射频前端提出了更苛刻的要求。功率放大器的效率和线性度是相互矛盾的一组指标，必须协调二者从而使通信系统性能最优化。LINC(Linear Amplification Using Nonlinear Components)技术就是相对于这个问题而提出一种能够同时满足高效率和高线性度的发射技术。LINC发射机技术的构架在1935年最先被Chirex提出，但是由于当时用模拟电路来实现三角函数及开方电路等比较复杂，导致LINC技术没有受到足够的重视，直到1974年北美的Cox首次以LINC为名来做出阐述。LINC技术是把一个调幅调相信号分解成两个恒包络的调相信号，然后分别通过两个特性相同的功放，最后将两路信号合成初始变包络信号输出。LINC技术采用高效率的非线性功率放大器来放大恒包络的调相信号，可避免由功放的非线性所带来的不利影响，因而既保证了发射机的高线性度，又保证了发射机的高效率。理论上功放的效率可以达到100％，这对于非恒包络调制技术有着极其重要的意义。其中输入信号分离成两路恒包络信号SCS(Signal Component Separate)对发射机性能起着关键作用。本文将对SCS算法做出阐述，并通过分析比较不同的实现电路，提出一种耗费资源少的实现方法。同时对LINC系统给予了仿真验证。

1 SCS算法及实现电路分析

1.1 LINC系统原理

    如图1所示，分离后的信号s1(t)和s2(t)为恒包络信号，这样就可以将它们分别通过高效率但对包络敏感的E(F)类放大器后合成输出，达到高效率线性放大。但是LINC发射机系统有一个固有的缺点，就是两个放大支路的不平衡，从而造成合成器输出后的信号相比原信号有失真，带来带内失真和带外干扰，因此在LINC系统中往往要增加一个反馈支路，通过一定的算法，如自适应滤波等来弥补这种由不平衡带来的失真。

1.2 SCS算法及实现

    信号分离的矢量图如图2所示，由图可得e(t)的表达式为：

    设输入信号s(t)的笛卡尔表示形式为s(t)=si(t)+j*sq(t)，则式(5)可写为：

    由以上介绍知，如果得到e(t)的值，则分别与原输入信号加／减就可以完成信号分离，此处用DSP实现SCS。目前e(t)主要采用查找表方法实现，但已有的方法中存在一些缺点，如：将误差信号e(t)的实部和虚部值存放在二维查找表中，用输入信号实部si(t)和虚部sq(t)寻址。该方法最主要的缺点是需要大量的存储单元来存储所有输入信号对应的e(t)值。如果输入信号的实部和虚部都量化为12 b，输出e(t)也为12 b时，总共需要的存储量为：2*12*(212)2=403 Mb；另一实现方法如下：继续化简式(2)，式(3)可得到：

    因此可用一张反余弦函数表(由式(4)，可得到θ(t))及一组正余弦查找表就可以得到分离后的信号。若输入信号的实部和虚部都被量化到12 b，则完成三次查表共需要3*12*212=147.456 Mb存储容量。

    上述两种实现SCS方法均占用了大量的存储单元，即使采用储存1／4正弦表，仍然需要最少36.75 Mb存储容量，如果量化比特位数增加时，存储量将以大于2的指数倍增加，这在实际实现系统中是不可取的，综合以上方法，我们采用了一种降低存储容量的实现方法，采用一维查找表结构存储正交误差信号，然后用输入信号的笛卡尔分量与之乘加运算后即可得到误差信号。在该方法中，用输入信号功率(r2(t))索引地址，查找表表项数不需要等于所有可能的输入信号功率值，每个表项的值可以由一组输入功率范围来索引，存储值可由该组输入功率范围中最大值决定，这样就大大降低了资源占用。

    试验中采用210=1 024个存储表项，则最大存储值为：，采用定点处理DSP，信号分离后的仿真如图3所示(以s1为例，s2同)，考虑到定点处理时存储在表项中的数值为整数部分(如：值为31.98时，只存储了31)，引入了舍入误差，造成分离后s1，s2两支路不是严格恒包络(表项个数也对恒包络情况有影响)，进而影响最终合成器输出的ACI(Adjacent Channel Interference)严重，因此储存数值采用了扩展精度的方法。如扩展一位时，即：将5位表示31扩展为用6 b表示31.98*2=63.96的整数部分，则实际可达到表示63／2=31.5，减小了误差。扩展精度位数可根据需要的精度设定。已有文章对最优查找表表项数量和扩展精度进行了研究，研究结果如图4所示。

    从图中可以看到，采用表项为210=1 024个，在扩展精度为8 b的情况下，ACI达到了-70 dBc。此时占用的逻辑资源数量为：13*210=13.3 kb。占用资源量相比于第一种二维查表法降低了104倍。

2 SCS算法仿真

    选用16QAM调制信号作为仿真信号，扩频、调制后经过滚降系数为0.22的根升余弦滤波器，四倍插值后频率为15.36 MHz进入DSP进行信号分离，分离的实现选用上述提到的第二种方法，分离后的信号频谱如图5所示(以s1为例)。

    分离后的信号经过F类放大器及合成器输出，即可以达到高效率高线性度放大的目的。但是LINC系统两分支电路不完全匹配，主要是由两分支电路中放大器、正交调制器等的不平衡会带来合成输出后的信号不能完全抵消分离前引入的误差信号e(t)，使频谱扩展到相邻信道，造成临信道干扰，因此采用自适应滤波来补偿这种不平衡，LINC系统最终输出的信号波形与原始输入信号功率谱密度比较如图6所示，同时对输入信号直接进入放大器也进行了仿真，仿真结果见图7。

    由图6，图7可知，采用LINC技术比直接经放大器放大时输出功率谱改善了10 dB左右。

3 结 语

    本文对采用LINC功放线性化的SCS算法做了简要分析，并对其中一种占用资源少，切实可行的算法进行了仿真验证，验证结果表明采用该方法后，比直接用F类放大器放大输入信号，LINC技术可以改善10 dB的ACI，实现了线性放大。