挑战
开发高效的线性多载波GSM收发器
解决方案
使用基于模型的设计(Model-Based Design)，在FPGA和DSP硬件上建模、仿真、测试和部署数字预失真滤波器和算法。
结果
现今，蜂窝式基站上的功率放大器(PA)必须实现高效运行，以最大限度地降低功耗，并减少对昂贵的冷却设备的需求。但是，在功效最高的运行点，PA会使放大的信号失真。数字预失真(DPD)算法可以修正这种行为，从而使PA以高效和线性方式运行。
工程师必须对不同的算法进行评估，来找出使得PA输出实现线性化的最佳算法，从而最大限度地减少泄露到邻近频率信道。这个功能对多载波全球移动通信系统(GSM)尤其重要，与典型的3G或4G系统相比，这种系统的邻近信道泄露功率比(ACLR)的监管要求更为苛刻。
阿尔卡特朗讯（现在的诺基亚网络公司）的工程师们应用基于模型的设计开发和实施了一款针对多载波GSM收发器的DPD系统。Alcatel-Lucent Deutschland AG的工程部经理Rudolf Wessel博士说：“有了MATLAB和Simulink，我们可以先进行仿真和硬件在环测试，然后在实际硬件上进行测试，从而确定算法的有效性。这种方法使我们可以在生产系统中生成DSP和FPGA的代码前，快速评估多个算法。”
挑战
单载波GSM收发器通常使用稳幅信号和约200千赫的带宽。与单载波不同，多载波GSM收发器属于混合信号系统，要求极高的峰值平均功率比及20到25兆赫的带宽。Wessel博士说：“这个项目是我们的第一个多载波GSM产品。由于ACLR监管要求十分严格，所以，从技术层面而言，设计带宽比传统GSM产品高出一万倍的混合信号系统极具挑战性。”
Alcatel-Lucent多载波GSM的全收发器链需要基于FPGA的非线性滤波器，该滤波器的系数通过DSP上运行的算法进行动态设置。Alcatel-Lucent的首席工程师Ulrich Class说：“我们的算法开发人员需要与FPGA硬件和DSP软件工程师紧密合作。为了缩短硬件开发周期并迅速从仿真转到生产，我们要生成FPGA和DSP平台的代码。”
解决方案
Alcatel-Lucent应用基于模型的设计，通过MATLAB®和Simulink®来建模、仿真、测试和实施其多载波GSM收发器的DPD组件。
通过应用MATLAB，工程团队开发了一款基于数据表规范的PA模型和一组在收发器中使用的向上变频器和模数转换器(ADC)的模型。然后，他们使用MATLAB和Signal Processing Toolbox™开发了DPD算法。通过PA模型，他们可以运行和测试多个算法方案。当实际PA可用时，他们在硬件上测试算法。
在测试过程中，工程师从频谱分析仪中采集数据，并使用Instrument Control Toolbox™控制其他测试设备。此外，他们还根据三阶交截点(IP3)和其他度量工具对PA模型进行微调。
工程团队以系统化的方法在当相应的硬件可用时，更换了收发器中的ADC模型和其他组件。他们使用之前的测试结果，在MATLAB中微调了DPD算法。
工程团队在Simulink中构建了非线性滤波器模型，并使用Xilinx® System Generator for DSP生成了FPGA的VHDL®代码。通过使用Embedded Coder®，他们生成了DPD核心算法的C代码，包括矩阵反转操作。此代码被部署到Texas Instruments™ C64+ DSP中，用来计算FPGA上滤波器链中使用的动态系数。
Wessel博士说：“所生成的代码的质量非常高，我们在生产系统中甚至不用做任何修改。”
该多载波GSM收发器的DPD系统已经部署到现场运行，Alcatel-Lucent正在整个多载波收发器系列（包括2G、3G和4G）以及多标准收发器和不同频带中重复使用该些算法和实施流程及结果。
结果
开发时间缩短30%. Wessel博士说：“从初步研究到持续开发，如果使用传统方法，我们预计需要三年开发时间，而使用MATLAB和Simulink，我们将时间期限至少缩短一年。”
省去两个硬件开发周期. Class说：“MATLAB和Simulink仿真使我们可向硬件工程师提供即时反馈，我们知道，如果仿真正常工作，硬件也会正常工作。通过仿真和硬件在环测试进行验证，省去了两个硬件开发周期，每个周期可能需要三个月或者更长时间。”
约90%的算法可重复使用. Wessel博士说：“经过少许修改，我们就能够在3G、4G和多标准收发器的开发中重复使用多载波GSM DPD算法。凭借这种高度重用性以及生成FPGA和DSP代码的能力，我们正在加速这些系统的开发。”
文章来源：Mathworks
