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研究生:王靜怡
研究生(外文):Ching-I Wang
論文名稱:高線性無線區域網路發射機數位預先補償裝置之量化效應分析
論文名稱(外文):Quantization Effect Analysis of The Digital Pre-distortion for High Linearity WLAN Transmitter System
指導教授:楊正任
指導教授(外文):Jeng-Rern Yang
學位類別:碩士
校院名稱:元智大學
系所名稱:通訊工程學系
學門:工程學門
學類:電資工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2005
畢業學年度:93
語文別:中文
論文頁數:85
中文關鍵詞:無線區域通訊系統量化分析基頻預先補償器非線性高功率放大器
外文關鍵詞:pre-distortionWLANQuantization effectnon-linearity
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在無線區域通訊系統中,為了使得訊號頻譜達到較高的傳輸效率,通常會在發射機後端電路加入高功率放大器,而其線性情況就變成關鍵所在。但由於高功率放大器在傳輸功率較高時會產生飽和( Saturation ) 之非線性現象,會造成訊號非線性失真、增加錯誤率、特別是非線性互調 ( Inter-modulation ) 的雜波出現在通帶外之問題,此情況很難用濾波器濾除,且容易造成訊號間之干擾,進而使訊號失真。本論文是採取數位基頻預先補償器之技術來改進非線性發射機,使用此方法比類比預先補償器不複雜且不僅可以改善發射機之線性度問題,重要的是,所需之成本不高。在此項工作下,針對不同系統的高功率放大器根據查表內插法製做出可適性高及簡單、多功能的基頻預先補償器,以進一步改善高功率放大器非線性之問題,解決有關非線性造成訊號的問題。
此論文主要將針對實際情況,對已完成線性補償的無線網路系統(WLAN)中,對已通過基頻預先補償器之OFDM訊號做實際狀況地相關量化處理。欲希望系統裡的功率及訊號頻寬達到所需的效果,又能同時達到低成本情況的需求下,將探討出較適當的解析度使得目的可以達成。此論文主要進行工作是利用軟體進行模擬系統,對於不同量化解析度的結果分析並且利用硬體實現和驗證模擬結果並且進行探討。
In this article, we have already to implement the base-band predistortion to improve the WLAN transmitter non-linearity. Furthermore, we use a digital signal process to deal with the base-band source signal after predistortion prior to digital-to-analog conversion (DAC). We simulate and implement the results of different quantization level to get know and discuss about the out-put power , the out-band rejection and the system performance.
目 錄
中文摘要………………………………………………………………….i
英文摘要………………………………………………………………...iii
誌謝...........................................................................................................iv
目錄……………………………………………………………………...vi
表目錄…………………………………………………………………...ix
圖目錄……………………………………………………………………x
第一章 緒論……………………………………………………………1
1.1 研究動機及目的……………………………………………….2
1.2 研究方法……………………………………………………….3
第二章 無線區域網路 ( WLAN ) 系統架構與OFDM 調變………..7
2.1 無線區域網路的發展………………………………………….8
2.2 OFDM調變技術……………………………………………...10
2.2.1 OFDM調變的實現……………………………………12
2.2.2 IEEE Std 802.11系統架構………………….…………14
2.3 OFDM調變技術的優………………………………………...19
2.4 實際5.2 GHz無線區域網路系統架構……………………….21
第三章 利用查表內插法設計訊號預先補償器………….………….22
3.1 建立發射機非線性模型………..…………………………….24
3.2 訊號預先補償器的設計架構………..……………………….25
3.3 利用查表內插法求得預先補償器的補償函數 ……....…….27
3.4 建立無線區域網路卡的預先補償器………………..……….31
第四章 量化分析……………………………………………………..35
4.1 量化...........................................................…………................37
4.1.1 基本概念..........................................…………..............37
4.1.2 系統量化理論………..…………………………...…...38
4.2 無線區域網路系統之量化模擬分析.........…………..............41
4.2.1 定義發射機輸入功率 ( IBO ) 及輸出功率 ( OBO ).41
4.2.2 量化分析 ( 模擬情況 )……………………...………43
4.3 模擬分析整理...........................................…………................48
第五章 硬體量測…………………………………………….……….50
5.1 無線區域網路卡 ( WLAN Card ) 的硬體架構.…..………...51
5.2 無線區域網路卡 ( WLAN Card ) 的調整及準備工作程…………………………………………………………....54
5.2.1 無線區域網路卡之調整介紹..........………..................54
5.2.2 無線區域網路卡輸出訊號的量測流程..…….....….....57
5.3 無線區域網路卡射頻訊號硬體輸出................………….......58
5.4 結論...................................................................…………........68
第六章 FPGA實際硬體實現預先補償系統………..………...……..70
6.1 設計概念及流程................................................………….......71
6.2 系統架構呈現.................................................…………..........72
6.3 補償系統模擬之結果及探討..............................………….....74
6.4 補償系統之實作介紹及成果呈現....................………….......76
6.4.1 系統流程架構........................................…………........76
6.4.2 系統成果呈現..........................................…………......77
6.5 討論.....................................................................…………........78
第七章 結論....................................................................…………......80
7.1 針對整個論文的結果討論……………………………...……80
7.2 未來展望………………………………………………...……82
參考文獻…………………………………………………………...…...83







表 目 錄
表2.1 : 無線區域網路標準.....................................................................9
表2.2 : IEEE Std 802.11主要參數.......................................................16
表2.3 : IEEE Std 802.11取決資料傳輸率之參數…………………...19
表4.1 : IEEE 802.11之規格,通帶外之互調雜波 ( Side-lobe ) 抑制………………………………………………......................44
表4.2 : 不同解析之量化誤差 ( dB )……...…………………………46
表4.3 : SNR與解析度之結果……………………………..................47
表4.4 : 系統在IBO=6dB、IBO=7dB ACI之情況 ( dB)….. ………...48
表5.1 : 不同IBO值之輸出功率值…………………………………...67
表5.2 : ACI值表示 ( Experiment )..…………………………………68








圖 目 錄
圖1.1 本研究中發射機的系統架構……………………...............3
圖1.2 發射機之訊號點非線性失真………………………………….4
圖1.3 非線性及線性功率放大器在WLAN的輸出……………...5
圖1.4 加入預先補償器,新的WLAN系統架構圖……………..........6
圖2.1a FDM頻譜圖………………………………………..................10
圖2.1b FDM頻譜圖……………………………………….................11
圖2.2 OFDM子載波頻譜…………………………………………...11
圖2.3 OFDM調變訊號 ( 類似IFFT轉換 )……………………….14
圖2.4 IEEE Std 802.11發射機的系統方塊圖……………………...15
圖2.5 OFDM使用Guard Interval的時間表示…………..................17
圖2.6 複製OFDM符元最後一部份的資料當成CP.........................18
圖2.7 多重路徑傳輸造成之ISI效應……………………………….20
圖2.8 無線區域網路 5.2 GHz 系統架構圖……………………….21
圖3.1 實際經由量測建立發射機非線性模型……………………...24
圖3.2 發射機非線性模型…………………………………………...25
圖3.3 以查表內插法進行預先補償器的架構圖…………………...26
圖3.4 理想發射機的線性增益……………………………………...28
圖3.5 發射機AM/AM模型 ( Normalized )……….…..…………...30
圖3.6 發射機AM/AM模型補償函數( Normalized )...…………….31
圖3.7 本論文研究中發射機的系統架構………………………..32
圖3.8 理想發射機的線性增益……………………………………..32
圖3.9 加入預先補償器,新的WLAN系統架構圖………………...33
圖3.10 利用查表內插法,求得發射機AM/AM模型的補償函數...34
圖4.1 量化系統之示意圖……..……………………..……………...36
圖4.2 規則量化 左圖:Mid-tread右圖:Mid-rise………………...38
圖4.3 量化分析簡易示意圖………………………………………...39
圖4.4 發射機之Back Off…………………………………………...42
圖4.5 左圖:IBO=0dB之功率頻譜密度 右圖:IBO=6dB之功率頻譜密度………………………………………………………43
圖4.6 IEEE 802.11a 之發射機頻譜規範………..………………44
圖4.7 IBO=6dB之功率頻譜密度…………………..………………45
圖5.1 無線區域網路卡5.2 GHz RF前端的系統架構……..………51
圖5.2 5.2 GHz無線區域網路卡 ( 實體拍攝 )……………...…….52
圖5.3 5.2 GHz無線區域網路卡( 截斷 AR 5211 至 AR 5111的電路) ( 實體拍攝 )………………………...…..........................53
圖5.4 無線區域網路卡通帶內功率輸出為13.68 dBm射頻功率頻譜圖..............................................................................................54
圖5.5 有自動增益控制的無線區域網路卡 ( WLAN Card ) 硬體架構……………………...……………………………………...55
圖5.6 將自動增益控制器關閉之無線區域網路卡硬體架構……...56
圖5.7 無線區域網路卡 ( WLAN Card ) 的操作界面.....................56
圖5.8 無線區域網路卡的硬體量測架構圖…………..………….…57
圖5.9無線區域網路卡的硬體量測架構圖 ( 實體拍攝 )…..……….58
圖5.10 IBO=6dB PSD ( 4-bit,5-bit,6-bit,ideal )………………...……59
圖5.11 IBO=6dB PSD ( 7-bit,8-bit,9-bit,ideal )……………...…….…59
圖5.12 IBO=6dB PSD ( 10-bit,11-bit,12-bit,ideal………………...….60
圖5.13 IBO=6dB PSD ( 4-bit,6-bit,8-bit,10-bit )……………...……...60
圖5.14 IBO=7dB PSD ( 4-bit,5-bit,6-bit,ideal )………………..…….61
圖5.15 IBO=7dB PSD ( 7-bit,8-bit,9-bit,ideal )…………………..….61
圖5.16 IBO=7dB PSD ( 10-bit,11-bit,12-bit,ideal )……………...…...62
圖5.17 IBO=7dB PSD ( 4-bit,6-bit,8-bit,10-bit )………………...…...62
圖5.18 IBO=8dB PSD ( 4-bit,5-bit,6-bit,ideal )..............................….63
圖5.19 IBO=8dB PSD ( 7-bit,8-bit,9-bit,ideal )…………………...…63
圖5.20 IBO=8dB PSD ( 10-bit,11-bit,12-bit,ideal )……………...…...64
圖5.21 IBO=8dB PSD ( 4-bit,6-bit,8-bit,10-bit )………………...…...64
圖5.22 IBO=6dB Out-band Rejection…………………………..……66
圖5.23 IBO=7dB Out-band Rejection………………………..………66
圖5.24 IBO=8dB Out-band Rejection………………………..………67
圖6.1 S25 FPGAKIT…………………………………...…………....72
圖6.2 利用FPGA所建立之線性補償系統………………..……….73
圖6.3 整個預先補償系統之架構圖……………………...…………73
圖6.4 訊號圖形是將軟體Quartus II模擬系統之結果 ( 9-bit )…...74
圖6.5 經由轉檔後之基頻輸出訊號 ( I訊號,9-bit )…………….....75
圖6.6 經由轉檔後之基頻輸出訊號 ( Q訊號,9-bit )……………...75
圖6.7 補償系統之實作流程……………………...………..………..76
圖6.8 Tektronix WCA380………………………………...…..……..77
( Wireless communication Analyzer )
圖6.9 Out-band Rejection……………………...……………...…….78
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