WCDMA数字直放站中功率放大器设计的教学改革

摘 要:本文阐述了传统WCDMA(Wideband Code Division Multiple Access)教学的难点及不足,并提出了一种基于功率放大器的教学改革方法,建立综合教学实践平台,通过基础理论学习进行功率放大器线性化算法仿真,再运用基于软件无线电的思想进行综合实验验证,极大地达到提高学生动手能力的目的,最后提供开放性的探索实验,为学生兴趣拓展提供平台。

关键词:WCDMA 功率放大器 软件无线电 实验教学

中图分类号:G420文献标识码:A文章编号:1673-9795(2012)04(a)-0027-02

WCDMA(Wideband Code Division Multiple Access)作为第三代移动通信系统(3G)的重要组成部分,受到越来越多的关注。由于学生对于感觉比较新鲜的通信技术比较感兴趣,因此,把握住这个机会多给同学们灌输一些3G的相关知识,借此引入实现3G的技术基础,教学效果会更好。现代通信原理与技术已经顺应时代要求,成为了各个高校电信专业的一门必修课程,课程介绍了通信系统的重要组成部分以及基本原理,并对现代通信的发展进行了概述和展望。知识体系概括全面,对于学生来说各个都是重点,注意力难以持久集中,因此教学效果一般。通过把最新的通信技术WCDMA引入到现代通信的教学过程中,使学生既能了解通信的前沿知识又能动手设计实现改善,能够充分调动学生的学习兴趣和积极性,对教学起到积极的促进作用。WCDMA直放站演进的关键技术包括高线性度的功率放大器技术、多载波射频技术和高集成度的基带处理技术等,究其本质都与功放的线性化技术有关,功率放大器的非线性失真具有很严格的要求。在教学中通过软件无线电的方法,解决WCDMA信号在放大过程中,由于功率放大器的非线性而产生的信号干扰和畸变的问题。

1 构建创新型教学体系

WCDMA现如今以及广泛应用在人们的生活中,学生对WCDMA的原理非常感兴趣。通过在传统的学科中引入WCDMA的学习和实践,可提升学生的动手能力,使学生产生浓厚的学习兴趣。但由于WCDMA的系统比较庞大,教学实践中开展比较困难。教学中通过对WCDMA数字直放站中功率放大器的设计和研究进行学习和实践,综合利用系统级仿真和软件无线电的思想进行学习,该创新性教学体系能让学生多方面直观的理解课程。

(1)理论仿真基础学习。只有扎实的理论基础才能保证在实践中少走弯路,不至于盲人摸象。但是,WCDMA中数字直放站功率放大器的理论往往比较复杂,学习难度大而且比较枯燥,学生常常不能集中精力对理论进行深入学习,从而制约实际的教学效果。围绕WCDMA功率放大器的线性化课题,人们已经提出了各种各样的算法,如前馈法、负反馈法、非线性器件法、预失真法等。对于算法的学习,在教学中通过System Generator+Matlab+Simulink的方法进行仿真学习,使学生能够掌握WCDMA功率放大器线性化的核心算法研究。教学直观,效果良好。

(2)基于软件无线电思想综合实验。在WCDMA的教学工程中,如果只进行仿真的实现,学生往往积极性不高。通过基于软件无线电的方式,在FPGA中完成对功率放大器线性化失真问题的电路级直观实现。FPGA的学习往往比较困难,需要有扎实的硬件基础。如果单纯采用FPGA实现WCDMA功放对学生的要求太高,学生学习非常吃力。而采用基于软件无线电的思想,学生不必了解过多的硬件知识,只需要对软件进行编写便能实现功能。在有限的教学时间中,能够完成对WCDMA功放线性化的设计要求。提高了学生的动手能力并且让学生全面的掌握教学过程中的内容。

(3)开放性探索试验。为了满足不同学生对WCDMA的学习,课程提供创新开放性试验平台。基于软件无线电的开放平台能够为学生提供多种算法的实现,学生也可以完全根据自己的需要设计实现WCDMA中的其他机制。这种开放性的创新探索试验平台,满足了不同学生的需求,可以说是学科知识的一种扩展,具有极大的创新性和实践性。

2 创新教学体系的构建

2.1 系统总体架构

WCDMA系统应具有多载波、高效数字功放、全性能HSDPA、开放式的架构特点,如图1为数字直放站的系统结构图。在教学中对数字中频部分采用软件无线电的设计思想,建立通用的教学实验平台。具有模块化、开发性、可扩展性等特点,可实现不同算法的硬件验证。

2.2 仿真学习平台搭建

在以往的教学过程中,传统FPGA数字系统的设计方法是将系统设计和具体实现分开的,当系统设计完成后,就使用硬件描述语言,从下到上一步一步进行实现,上述方法存在开发复杂,设计周期长,不适合在有限的教学时间中开展。对WCDMA数字直放站中数字预失真算法研究采用FPGA (Field Programmable Gate Array)实现的System Generator系统级设计工具,它能够成功的把系统级和RTL(Register Transfer Level)级两个设计领域的工具结合起来,最大程度的发挥各种工具的优势。从设计到具体实现都做出很多革新,使设计和实现联系更加的紧密。System Generator安装完成后,是以Simulink工具箱的形式进行运用的,这样使得FPGA设计可以通过Simulink图形化界面进行建模,系统级仿真,设计的结果可以直接转化为硬件描述语言,同时也可以自动调用ISE 8.0等EDA软件,完成编译,综合,网表文件生成等工作。这一工具的使用使系统级描述和硬件有机地结合在一起,充分显示现代电子设计自动化开发的特点和优势。采用System Generator可大大地简化硬件实现流程,基于仿真和实现的建模可一次完成,大大缩短开发周期。仿真流程如（图2）所示。

2.3 算法实现

在算法的实现上,我们选择的是基于Volterra级数模型的间接学习法。Volterra模型是最能完整描述功放特性的模型,但是其以级数形式增长的运算次数使得他不能广泛运用在工程实践中。而作为一个折中模型,间接学习模型的运算次数比完整的Volterra模型要低得多,并且能够较为完备地描述功放的特性,这也是我们选用这个模型的最重要原因之一。Volterra级数失真模型如（图3）所示。整个模型包括前向链路和反馈回路,功放预期线性增益为G。WCDMA信号经过CFR(Crest Factor Reduction)出来的信号x(n)经过前向链路处理得到输出,然后分成两路,一路经过DAC进入射频模块,另一路进入反馈回路,作为自适应学习器的一个参数。由功放反馈回来的数据,进入反馈回路中的自适应学习器,经过处理后得到输出,通过最小二乘算法(或者最小二乘算法)得出一组系数更新到前向链路中的预失真器上,从而完成一个间接学习过程。

2.4 创新探索

在教学过程中通过第二课堂的形式,根据学生的兴趣爱好,组织和引导学生对自己所感兴趣的知识进行探索性的学习。由于本实验平台给学生提供了许多应用接口,学生可以实现和验证多种WCDMA功率放大器线性化算法。与此同时,学生完全可以自主设计实现WCDMA系统中的其他部分。由于引入创新探索实验,可极大地提供学生的积极性,是培养学生创新能力的好方法。

3 创新教学方法的思考

创新实验教学体现了理论与实验结合、虚拟与真实结合、基础与创新的“三维一体”素质教学。

(1)注意理论在实验中的指导作用。

一方面,强调在扎实理论基础的指导下进行实验的分析;另一方面,使实验作为理论课的延伸和扩展。

(2)引入先进的仿真软件。

发挥计算机在实验教学中的作用,引入虚拟仿真技术,验证方案的正确性和可行性。教学中通过采用可视化的仿真工具Simulink对理论进行验证,比较直观,操作简单,上手容易,学生兴趣比较浓厚。

(3)第二课堂创新探索。

除了实验在课内进行外,我们提供了根据学生动手能力的不同而开设的第二课堂创新探索平台。能够为学有余力且对课程比较感兴趣有探索精神的同学提供开放性实验平台,用以验证WCDMA系统中的其它模块。鼓励学生积极参加学科类竞赛,通过比赛锻炼学生的动手能力。最后,我们建立网络交流平台,使同学们能够在互帮互助中进步。

4 结语

随着3G网络的普及,WCDMA作为3G网络中的重要组成部分的研究逐渐成为热点,WCDMA数字直放站功率放大器数字失真系统的研究成为研究的核心。信息专业的学生对前沿的技术具有极强的学习兴趣。因此,通过搭建理论与实验结合、虚拟与真实结合、基础与创新结合的“三维一体”的创新实验教学平台,无疑为学生学习前沿知识,拓展知识面,增强动手能力提供了良好的平台。而使用较为直观的仿真工具System Generator+Simulink,学生能够快速上手,而基于软件无线电思想进行硬件验证,避免了对硬件的过度依赖,降低了学习的难度,实验教学具有良好的教学效果和学习效果。

参考文献

[1]Joseph Mitola.Software RadioArchi tecture.IEEE CommunicationsMagazine[z].1995,33(5):26～28.

[2] 刘晓杰.基于DSP+CPLD的数字信号处理综合实验系统的研究与实现[D].吉林:吉林大学,2006,5～8.

[3] 毛聪杰.潘卫直放站在WCDMA系统中的应用电信网技术第四期[Z].2007,4.

[4] 李家驹.移动通信直放站市场前景综述通讯产品世界[Z].1996,5.

[5] 马志强,张德兴,孔昭煜.FPGA课程教学改革研究[J].中国校外教育,2009,248.

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