目前，频谱资源日益紧张，为了提高频谱资源的利用率，空间通信系统越来越多地采用非恒定包络的信号调制方式，例如星地数传系统中应用的SRRC-OQPSK、8PSK以及16QAM等。这将使通信系统中频谱资源紧张的问题在一定程度上得以解决。

　　通常，非恒定包络调制信号经过非线性的功率放大器放大后会产生信号失真，由此导致通信的干扰。它还具有较高的峰均比，对信道的非线性特性非常敏感。特别是功率放大器工作在饱和状态时，将使发射信号产生严重的非线性失真，导致一系列影响通信质量的后果，如频带内的相位和幅度失真。由此导致接收端对信号解调后的星座图的恶化，产生码间干扰，造成误码率上升。同时，功率谱密度边带的提高会出现频带外失真，导致频谱再生和邻道干扰[1]。为使非恒定包络的调制信号经过功放后不产生非线性失真，通常采用线性回退的方法来达到线性的要求。但结果是功率放大器工作在线性状态，效率非常低。

　　为满足现代无线通信技术的需求，射频功放线性化技术得到了迅速发展。多种支持功放线性化和效率增强方面的技术已经应用在无线通信系统中，如功率回退技术、前馈技术和负反馈技术[2]、LINC（Linear Amplification with Nonlinear Components）技术[3]、CALLUM（Combined Analogue Locked Loop Universal Modulator）技术[4]、包络跟踪ET（Envelope Tracking）、消除和恢复（Elimination and Res-toration）技术、预失真技术、Doherty技术等。在各种线性化技术中，数字预失真技术是一种在数字域可以改善功放线性化以及提高功放效率的理想技术。

　　由于卫星上能源严格受限，完成星-地数据传输功能的空间通信系统需要实现高效率工作。因此，空间通信系统中的功率放大器需要在输入功率一定的条件下，使输出功率尽可能大。由此，放大器需要工作在饱和状态。空间通信系统中功放的线性化成为了一个有意义的研究课题。为了解决通信系统高效率与高线性度间的矛盾，需要一种既能使通信系统采用非恒包络的高阶调制方式，也可让功率放大器工作在饱和状态而调制信号的线性特性不出现恶化的解决方案。针对空间通信系统的应用需求，本文开展了数字预失真技术应用在星载数传系统的研究，详细阐述了一种用于空间通信中的数字预失真器及其预失真处理前后的信号输出特性结果。

1 数字预失真的实现过程

　　1.1 设计方案

　　图1给出了一种应用SRRC-OQPSK调制模式的空间数传发射机系统。非恒定包络的基带信号经成形滤波后，经非线性函数预失真器变换后经数/模转换成模拟信号，再调制后经功率放大器放大后输出并通过天线发射出去。经过功放的输出功率需要耦合出一部分信号，经过解调，送到模/数转换模块后输出的数字信号经过提取，获得已调信号经过功放后输出特性参数，通过反馈回路和自适应算法进行查找表的更新后实现数字预失真功能。

　　图2的技术方案基于FPGA硬件平台，实现框图给出了基带信号产生及其中频调制的过程，通过开关控制可实现预失真或非预失真模式的选择。

　　图2所示的数字预失真方案先由伪随机序列产生基带数据，再经串/并转换和星座映射及FIFO数据接口模块后，送入升余弦滚降滤波器(SRRC)模块以产生两路基带OQPSK信号经成形滤波后的信号。其中SRRC滤波器的实现主要通过FIR的IP核，系数主要通过MATLAB工具箱推演出，生成.coe文件导入FIR模块中。信号经CIC插值滤波器模块完成速率变换后，送入数字预失真模块进行处理，最后送入中频调制模块实现OQPSK基带信号的中频调制输出。该模块处于OFF模式时不工作，产生的信号为一个未经数字预失真以及功放的原始信号（raw signal）；在ON模式下预失真模块工作，产生信号为OFF模式下的原始信号经数字预失真处理过但未经功放处理过的信号。

　　1.2 实现方法

　　图3为对应图1中的虚线部分，即实现SRRC-OQPSK调制方式的基带信号产生及其调制的原理框图。包含伪随机序列信号源、时钟分配、FIFO接口、串/并转换、星座映射、CIC插值滤波器、SRRC升余弦滚降滤波、截位、数据尺度缩放、内插速率选择、数字预失真地址和乘法器及其地址对应内容，以及中频调制共13个模块。其中，若I路/Q路信号时间不同步，则要通过FPGA软件仿真后找到不同步的时间，并利用延时模块使之同步。上述模块都是通过编写VHDL代码并下载程序到FPGA硬件电路板上实现的。

　　对于整体方案中的非线性函数模块，需要这个模块来拟合一条与非线性功放输入/输出归一化特性曲线成反函数的特性曲线。通过使用一乘法器乘以查找表（LUT）结构中存储的系数，来实现非线性函数F-1功能的预失真器。该模块主要用I/Q两路信号分别进行预失真处理来实现，预失真查找表地址产生模块的实现方法如图3所示，其中z-n代表延时(n代表延时的时间数)。实部表和虚数表的地址通常都用I的平方与Q的平方之和的平方根表示，即功率检测的值，由此计算出输入平均功率大小的值作为查找表的地址，按升序排列。该结构需要使用两个乘法器和一个加法器，并且最后需要截位。

　　预失真查找表模块主要由4 096个地址和对应的4 096个地址内容组成，通过Matlab工具计算出其地址对应的内容。图1所示系统中，从高频功放（HPA）的输出功率中耦合出一部分信号，经过解调，送到模/数转换模块。经过对OQPSK未放大前和被HPA放大后的信号分别对应的功率值进行测量，提取出所需功放在某个固定温度下的 HPA输入/输出功率的特性参数，如表1所示。

　　利用Matlab软件对该功放特性曲线进行归一化，再求出其反函数。通常用该软件中polyfit函数编写*.m文件，即用最小二乘法对该曲线进行多项式拟合，并求出该多项式的系数。然后对该曲线进行线性插值，将得到的其反函数的输入/输出功率特性做成一张4 096个地址及其对应内容的查找表，并生成FPGA中IP核中ROM模块可以调用的*.coe类型文件,然后将该文件调用到图2的工程文件内非线性变换函数模块对应的ROM模块中。通过乘法器乘以ROM对应的每个地址的内容，最后预失真后的信号经过DAC(数/模转换)和调制以及射频域的功放放大后，通过天线发送出去。

2 实验结果

　　图1所示数传系统采用了Xilinx公司kc705型号的FPGA板和太速科技公司AD9777型号的AD/DA附加板作为控制核心，还包括混频器、可调衰减器、信号源、某波段的射频功放以及带数字解调功能的频谱仪等。测试方案如图4、图5所示。

　　依据图4、图5所示方案，对已经及未经预失真的信号进行了测试。分别完成了图4中A、DAC-C、两点以及图5中D、DAC-B两点对应信号的测量。测试结果如图6、图7所示。图6(a)及图6(b)分别表示图4中A处信号在Xilinx ise14.2软件环境中的测试结果及DAC-C处输出信号对应的星座图和频谱图。其中载波频率60 MHz的offset EVM为4.718 6%，EVM为4.718 1%，幅度误差为0.25 dB，相位误差为2.600 9°。

　　图7(a)及图7(b)分别表示图5中D处信号在Xilinx ise14.2软件环境中的测试结果及DAC-B点输出信号对应的星座图和频谱图。其中载波频率60 MHz的offset EVM为9.206 5%，EVM为9.096 6%，幅度误差为0.48 dB，相位误差为4.617 9°。图6(b)和图7(b)的信号码元速率均是1 Mb/s。

　　本文基于FPGA硬件系统，初步完成了SRRC-OQPSK调制方式的基带信号经预失真处理后输出中频60 MHz的测试工作。预失真前后的测试结果表明，数字预失真器输出特性符合系统设计要求。下一步工作将完成数字预失真器级联射频通道后数传系统性能的测试验证工作。

　参考文献

　　[1] VUOLEVI J，RAHKONEN T.Distortion in RF power ampli-fier[M].Norwood：Artech House，2003.

　　[2] CHEN K，MORRIS K A，BEACH M A.Combining envelopeelimination and restoration and predistortion techniques foruse in IEEE802.llg system[J].lET Microwaves，Antennas &Propagation，2007，1(4)：832-838.

　　[3] Zhou Yijun，CHIA M Y W.A novel alternating and out-phasing modulator for wireless transmitter[J].IEEE Transac-tions on Microwave Theory and Techniques，2010，58(2)：324-330.

　　[4] DAWSON J L，LEE T H.Cartesian feedback for RF poweramplifier linearization[C].Proceedings of the 2004 AmericanControl Conference，Boston，2004：361-366.