CN100511975C - 用于补偿失真的预失真放大器 - Google Patents

Abstract

一种用于补偿失真的预失真放大器，包括：放大单元；功率检测单元；失真补偿表；控制单元；以及预失真单元，这个预失真单元用于通过对输入信号的幅度和相位进行预失真，来产生要输入放大装置的预失真信号，通过使用存储在失真补偿表中，对应于从功率检测单元输出的输入电平的补偿值来进行预失真。预失真单元包括偏移加法器，其用于把偏移值加到幅度补偿值上，通过基于输入电平的补偿值把幅度补偿值分配到输入信号的幅度上，确定偏移值而不考虑输入电平。此外，控制单元包括偏移发生器，用于产生偏移值。

Description

用于补偿失真的预失真放大器

技术领域

本发明涉及用于补偿失真的预失真放大器；具体地说，涉及用于补偿失真，能够稳定放大单元输出电平的预失真放大器。

背景技术

在把例如W-CDMA(宽带码分多址)方案用作移动通信方案的移动通信系统中的基站设备中，需要用放大器对信号进行大幅度的放大，以便把它作为无线信号传递到安装了移动台设备的远方。然而，因为放大器是模拟装置，其输入和输出特性表现为非线性。具体而言，在称为“饱和点”的放大极限之外，即使增大输入放大器的电功率，输出功率也保持恒定。此外，这种非线性输出特性会引起非线性失真。在要发送的信号中，在放大之前把所需信号频率范围之外的信号分量抑制到低电平。然而，在经过放大器之后，要发送的信号发生了非线性失真，使得其中的某些信号分量从需要的信号频率范围泄漏出去，进入相邻信道。因为在例如上述基站设备中，要发送的信号的输出功率很高，因此要严格地调整进入相邻信道的泄漏功率。因此，如何降低相邻信道的泄漏功率是重要的技术难题。

作为补偿放大器非线性特性引起的失真，并扩大放大器工作范围的技术，用于补偿失真的预失真方法得到了广泛应用。图2是说明传统放大器示意性结构的框图，该传统放大器使用预失真方法来补偿失真。功率检测单元201检测输入信号S_IN的电功率或幅度或者其对数值。在下文中，“输入电平L”指的是检测到的功率或幅度的瞬时值(基带范围中)或包络(在用载波对信号进行调制之后)。失真补偿表202在对应地址上存储对应于输入电平L的补偿值M，并向预失真单元203输出对应于特定输入电平的补偿值M。预失真单元203通过使用补偿值M对输入信号S_IN进行预失真，并向放大单元204输出预失真信号。然后，放大单元204对预失真信号进行放大，并把放大的信号作为输出信号S_OUT输出。在这里，如果使用补偿值M对输入信号S_IN进行的预失真，具有与放大单元204中的非线性失真相反的特性，输出信号S_OUT就变成相当于通过线性电路对输入信号S_IN进行放大而获得的信号，因此放大单元中的非线性失真得到补偿。

此外，如果温度或者电源电压发生变化，放大单元204的输入和输出特性就发生变化，其非线性特性也发生变化。控制单元205监视输出信号，如果放大单元的特性发生改变就更新补偿值，从而更新失真补偿表。

图2描述了使用预失真方法补偿失真的传统放大器的示意性构造。在基站设备采用诸如16QAM(正交幅度调制)的正交调制的情况下，输入信号S_IN包括基带中的I(同相)信号和Q(正交)信号，失真补偿表202和控制单元205被构造为数字电路，并且放大单元204在无线频率范围内工作。此外，通过图2中未示出的D/A转换器、正交调制器以及变频器等把基带中的I和Q信号转换成无线信号，然后把它输入放大单元204。预失真单元203包括用于对基带中的I和Q信号进行处理的处理电路或者用于在正交调制之后补偿模拟信号的幅度和相位的补偿电路。此外，如果需要，可以在放大单元204的输出端和控制单元205之间安装变频器、正交解调器、D/A转换器等。

作为现有技术，参考文献1到3公开了用于补偿上述失真的预失真方法。在这些参考文献中，参考文献1公开了一种“失真补偿电路和方法”，提出了在诸如温度、电源电压和频率的自适应信息发生变化时，用于简单快速地更新失真补偿表的一种技术。参考文献2公开了一种“发射机”，其通过使用在D/A转换器中产生的直流偏置和用于把基带I和Q信号转换成无线信号的正交调制器来更精确地进行失真补偿。此外，参考文献3公开了一种“无线电设备和失真补偿方法”，用于使用正交调制器中产生的直流偏置来更精确地进行失真补偿。

参考文献1：日本专利特开No.2002-26998

参考文献2：日本专利特开No.2001-237723

参考文献3：日本专利特开No.H10-65570

因为放大单元的特性随附近的温度、电源电压等变化而发生变化，因此必须根据环境条件的变化来更新失真补偿表。作为用于更新失真补偿表的更新方法，广泛使用一种扰动法，该方法对放大单元的输出信号中所需信号频率范围之外的信号分量进行监视，如果其中的任一分量超出预置电平，就以减少所需信号频率范围之外的信号分量的方式精密地改变失真补偿值。然而，如果用这种方法更新失真补偿表，放大单元输出的平均功率有时会被反映更新结果的预失真所改变，对传输设备产生不希望的效果。

发明内容

因此，本发明的一个目的是提供一种能够进行预失真的预失真放大器或者补偿失真，而不导致放大单元输出的平均功率发生变化。

根据本发明，提供一种用于补偿失真的预失真放大器，包括放大单元；功率检测单元，用于检测输入信号的电功率或幅度，以输出输入电平；失真补偿表，用于存储对应于所述输入电平的多个补偿值，所述多个补偿值用来补偿所述放大单元的非线性特性；控制单元，用于更新所述多个补偿值，使得包括在所述放大单元输出信号中需要的频率范围之外的多个信号分量不超出预置电平；预失真单元，用于通过对所述输入信号的幅度和相位进行预失真，来产生要输入所述放大装置的预失真信号，所述预失真是通过使用存储在所述失真补偿表中，对应于从所述功率检测单元输出的所述输入电平的所述多个补偿值来进行的；其中所述预失真单元包括偏移加法器，用于把偏移值加到幅度补偿值上，通过基于所述输入电平的多个补偿值把所述幅度补偿值分配到所述输入信号的幅度上，并且确定所述偏移值而不考虑所述输入电平；以及其中所述控制单元包括偏移发生器，用于在更新所述多个补偿值时计算每个输入电平的幅度补偿值的平均值，从而通过反转平均值的符号来产生所述偏移值。

根据本发明，提供一种用于补偿失真的预失真放大器，包括放大单元；功率检测单元，用于检测输入信号的电功率或幅度，或者其电功率或幅度的对数，由此输出输入电平；失真补偿表，用于存储对应于所述输入电平的复补偿值，所述复补偿值用来补偿所述放大单元的非线性特性；控制单元，用于更新所述复补偿值，使得包括在所述放大单元的输出信号中需要的频率范围之外的多个信号分量不超出预置电平；预失真单元，用于通过把所述输入信号与存储在所述失真补偿表中，对应于从所述功率检测单元输出的输入电平的所述复补偿值相乘，来产生要输入所述放大装置的预失真信号，然后对所述输入信号的幅度和相位进行预失真，其中所述预失真单元包括偏移加法器，用于把偏移值加到幅度补偿值上，通过基于所述输入电平的所述复补偿值把所述幅度补偿值分配到所述输入信号的幅度上，并且确定偏移值而不考虑所述输入电平；计数器，用于对预置时间量内每个输入电平的出现次数进行计数；以及偏移发生器，用于在更新所述多个补偿值时计算每个输入电平的幅度补偿值的加权平均值，从而通过反转加权平均值的符号来产生所述偏移值，所述加权平均值的每个权是由所述计数器进行计数的每个输入电平的出现次数。

根据本发明，提供一种用于补偿失真的预失真放大器，包括放大单元；功率检测单元，用于检测输入信号的幅度，以输出输入电平；失真补偿信号产生单元，用于基于所述输入电平产生补偿信号，所述补偿信号用于补偿所述放大单元的非线性特性；失真补偿单元，用于通过使用所述补偿信号对所述输入信号进行失真补偿，来向所述放大单元输出补偿后的信号；控制单元，用于控制所述失真补偿信号产生单元，以抑制所述放大单元的输出信号中的失真；其中，在所述失真补偿信号产生单元中，用包括奇次幂项或允许所述失真补偿单元主要产生奇次幂分量的偶次幂项的多个泰勒级数项的和来表示所述补偿信号的幅度分量，所述多个泰勒级数项中的每一项是围绕所述输入电平一个范围内多个中心点计算出来的所述输入电平的阶数为4或更高的有限多项式函数，以及其中所述控制单元对所述多个泰勒级数项中的各项系数进行控制。

附图说明

从下面与附图一起给出的优选实施例的描述中，本发明的上述和其它目的和特征将变得显而易见，在这些附图中：

图1示出了描述放大器的示意性框图，该放大器使用了本发明第一优选实施例中用于补偿失真的预失真方法；

图2示出了描述使用了用于补偿失真的预失真方法的传统放大器的示意性框图；

图3和4分别说明放大单元依赖于输入功率的增益幅度和相位；

图5说明依照本发明第一优选实施例产生偏移的操作流程图；以及

图6给出了本发明第二优选实施例中的结构图。

具体实施方式

在下文中，将对依照本发明的优选实施例进行描述。图3和4分别说明放大单元作为输入功率函数的增益幅度和相位。如图3所示，放大单元具有非线性特性，随着输入电平增大增益下降。此外，如图4所示，随着输入电平增大，增益的相位也减小。尽管在图3和4中未示出，但是如果放大单元工作在B类或接近于B类的AB类中，当输入电平小于放大单元的偏置电平偏离B类电平的偏差时，放大单元呈现出非线性特性，也就是增益下降。

在上述非线性特性中，所需信号频率范围及其相邻范围中的失真分量是由对应于输入信号奇次幂(即3次幂、5次幂等等)的输出分量产生的。因此，依照第一优选实施例，利用从公式1到3获得的幅度补偿值MA和相位补偿值MP来补偿对应于输入信号3次幂、5次幂和7次幂的输出分量所导致的失真。

MA＝MA₁+MA₂；

MP＝MP₁+MP₂  公式1

MA₁＝L_A3x²+L_A5x⁴+L_A7x⁶；

MA₂＝S_A3(1-2x)²+S_A5(1-2x)⁴+S_A7(1-2x)⁶，x<0.5

0，x≥0.5           公式2

MP₁＝L_P3x²+L_P5x⁴+L_P7x⁶；

MP₂＝S_P3(1-2x)²+S_P5(1-2x)⁴+S_P7(1-2x)⁶，x<0.5

0，x≥0.5           公式3

在公式1到3中，x是输入信号的归一化幅度电平L，其范围是0到1。系数L_An和S_An是用于补偿n次幂失真(即，由对应于输入信号n次幂的输出分量所导致的失真)的幅度补偿系数，其中n是3、5或7。补偿值MA1和MP1是当x不在0附近时用于校正非线性特性的校正项，并对应于非线性特性关于中心点x＝0的泰勒级数展开(即，麦克劳林级数展开)。此外，补偿值MA2和MP2是当x接近0时用于校正非线性特性的校正项，并对应于非线性特性关于中心点x＝0.5的泰勒级数展开。当x大于0.5(即，与之对应的泰勒级数展开的中心点)时，用0代替补偿值MA2和MP2。换句话说，因为MA2、MP2及其一阶和更高阶导数在中心点x＝0.5处等于0，因此把MA2和MP2设置为在x>0.5时等于0。于是，可以在0≤x≤1中把作为x的函数的MA和MP构成为二阶可微或者一致连续，而不影响x>0.5的范围。

因为预失真单元执行相当于使补偿值MA1、MP1、MA2和MP2乘以输入信号的操作，所以补偿值MA1、MP1、MA2和MP2包括偶次幂项，以便产生奇次幂的失真。应当注意，公式1到3不包括代表基带分量的常数项，并且泰勒级数只包括偶次幂项，但是其多项式展开包括允许产生偶次幂失真的奇次幂项。此外，如果代替幅度电平使用功率电平，就把泰勒级数的项数减半，这是因为功率电平与幅度电平的平方成正比。因而，在这种情况下，泰勒级数既包括奇次幂项又包括偶次幂项。

如果预失真单元对正交调制之后的模拟信号或者极坐标形式的数字信号进行预失真，就通过公式1到3为x的每个值计算补偿值MA和MP，从而把补偿值MA和MP存储在失真补偿表中，并且预失真单元通过使用补偿值控制衰减器或移相器来产生放大单元104的输入信号。此外，如果预失真单元对基带I和Q信号进行预失真，那么补偿值MA和MP就被转换成将彼此正交的I和Q分量作为其实部和虚部的复补偿值，并将这些复补偿值存储在失真补偿表中。在这种情况下，通过将输入信号乘以复补偿值然后把输入信号加到其上来获得预失真信号。

图1示出了说明放大器结构的示意性框图，该放大器使用了依照本发明第一优选实施例的用于补偿失真的预失真方法。在图1中，功率检测单元101、失真补偿表102、预失真单元103以及放大单元104的功能都与图2中示出的相同。在这里，通过使用公式1到3来获得失真补偿表102中的补偿值M(即幅度补偿值MA和相位补偿值MP)。控制单元105执行与控制单元205相同的操作，并且另外产生偏移ΔM，用于稳定输出信号S_OUT的平均功率。偏移加法器106把偏移ΔM加到存储在失真补偿表中的幅度补偿值MA上，并把结果发送到预失真单元103。

图5给出了控制单元105的操作流程图，用于响应放大单元104非线性特性的变化来更新失真补偿表102并产生偏移ΔM。如图中所示，使用现有技术中的扰动法来更新失真补偿表。如果使用公式1到3来获得用于补偿失真的补偿值，就在分别按照预置顺序改变幅度补偿系数L_An和S_An与相位补偿系数L_Pn和S_Pn预置量，并检测失真，也就是所需信号频率范围之外的输出信号时，通过试探法来减少失真。为了执行这个操作，控制单元存储要应用到各个系数上的扰动量或至少是扰动量的符号，以及先前检测到的失真的量。

在操作501中，把扰动量加到一个系数上。此后，在操作502中，计算对应于失真补偿表102中每个地址的补偿值M和幅度补偿值MA的平均值。可以通过计算幅度补偿值的和或者通过计算公式2和3的定积分来获得平均值。

在下一操作503中，通过反转操作502中获得的幅度补偿值的平均值的符号来产生偏移ΔM。然后，在下一操作504中，把由此获得的偏移ΔM输入偏移加法器106，并更新失真补偿表102中的补偿值M。如果对基带I和Q信号进行预失真，而不把偏移ΔM输入偏移加法器106中，则把偏移ΔM加到幅度补偿值上。然后，把幅度补偿值MA加上偏移ΔM和相位补偿值MP转换成复补偿值，并通过复补偿值更新失真补偿表102。

此后，在下一操作505中，通过使用更新的失真补偿表来进行失真补偿，并检测平均的剩余失真。此时，因为偏移ΔM被加到从失真补偿表102输入偏移加法器106的幅度补偿值上，因此输入预失真单元103的幅度补偿值的平均值保持为0。于是，由失真补偿所导致的放大单元输入电平的平均值的变化也保持为0，因而能够抑制放大单元输出信号S_OUT的电平变化。如果对基带I和Q信号进行预失真，偏移加法器106就通过在其上执行相当于把偏移ΔM加到幅度补偿值上的操作来处理基带I和Q信号。

此外，在操作502中，尽管在上面的描述中获得并使用了对应于各个输入电平的幅度补偿值的平均值，更优选的是获得并使用通过输入电平L的出现频率加权的幅度补偿值的加权平均值，用于更确切地抑制放大单元的平均输入电平的变化。通过使用计数器对预置时间量内各个输入电平的出现次数进行计数来检测出现频率。此外，取代对每个输入电平的出现次数进行计数，还可以把输入电平的多个连续值组合为输入电平范围，并对每个输入电平范围的出现次数进行计数。因而，可以以更简单的方式近似地获得加权平均。此外，如果能够近似估计输入信号的CCDF(互补累积分布函数)，那么还有可能以步进方式基于CCDF来分配权(例如，就像1、0.5、0.25、……)。

在下一操作506中，确定在施加了扰动之后检测到的失真是否减少。然后，如果失真减少，处理就转向最后的操作508。否则，执行操作507，通过反转加到上述一个系数的扰动的符号进行，来获得要加到上述一个系数的扰动。

在最后的操作508中，确定检测到的失真是否小于或等于预置电平(目标值)。然后，如果检测到的失真小于或等于预置电平，就不需要施加更多的扰动。因此，处理转向操作505，用于检测剩余失真。否则，处理就转向操作501，更新另一个系数，从而将扰动添加到该系数。此外，取代只要处理转向操作501就更新用于施加扰动的系数，可以连续更新一个系数预置次数(例如，10次)。

如上所述，只要更新所述表，就重复用于稳定失真补偿值的偏移相加。

图6给出了依照本发明第二优选实施例的结构框图。在本发明的第二优选实施例中，对数字I和Q信号进行预失真。此外，与第一优选实施例中在从失真补偿表中读取失真补偿值之后把偏移加到其上不同，依照本发明第二优选实施例，在把失真补偿值写入失真补偿表时加上偏移。

功能对应于功率检测单元101的幅度检测单元310，计算输入信号S_IN中I和Q分量瞬时幅度平方和的平方根，以输出瞬时幅度。

FIR(有限冲激响应)滤波器311接收瞬时幅度，并在其上应用频率特性以输出幅度电平。也可以省略FIR滤波器311。

功能对应于失真补偿表102的查阅表320，基于从FIR滤波器311输出的输入电平来存储失真补偿值M_I和M_Q，其中M_I和M_Q分别表示I相位和Q相位的补偿值。

功能对应于预失真单元103的预失真单元330，把从查阅表320读出的失真补偿值与对应于失真补偿值的时间的输入信号相乘，并把相乘的结果加到输入信号上。预失真单元330包括乘法器331，用于把输入信号S_IN与通过从查阅表320读出的补偿值M_I和M_Q获得的复补偿值相乘，以输出预失真信号；以及加法器332，用于把输入信号S_IN加到预失真信号上。如果外部常数近似于1，就可以省略加法器332。

系数表351存储上述泰勒级数各项的系数。自适应控制单元352以减少剩余失真和相邻信道泄漏功率的方式，通过使用例如扰动法来更新存储在系数表351中的系数，由此使系数最优化。

多项式计算器353通过参考存储在系数表351中的系数来计算公式1到3，由此输出对应于各个输入电平的补偿值MA和MP.

定积分计算器354存储通过把公式1中的幅度补偿值MA与加权函数相乘而获得的原函数，并把存储在系数表351中的系数与之进行组合，以在范围0≤x≤1内计算MA的定积分。加权函数优选为多项式函数，其积分简单。在公式4中给出了加权函数的例子，其中w_A1和w_A2是用于逼近各个输入电平的出现概率的常数。

W_A＝w_A1(w_A2+x)(1-x)³     公式4

偏移加法器355把从定积分计算器354输出的积分值和外部常数加到从多项式计算器353输出的补偿值MA上。外部常数用来执行反映例如偏压控制所导致的放大单元微小变化的微调，并且能够以自适应方式控制它。然而，有可能省略掉外部常数。

坐标变换器356接收从偏移加法器输出的幅度补偿值MA和从多项式计算器353输出的相位补偿值MP，并把其坐标表示从极坐标变换到笛卡尔坐标，从而把变换后的值作为I相位和Q相位的补偿值M_I和M_Q存储在查阅表320中。

坐标变换器356的系数表351具有对应于第一优选实施例中控制单元106的功能。

依照第二优选实施例，可以通过只使用更新后的系数和x＝1处的积分函数的值，简单地执行原函数在范围0≤x≤1中的积分计算，由此使得有可能减少用于积分计算的存储容量并提高计算速度，其中所述原函数是通过将公式1中的幅度补偿值MA与加权函数相乘获得的。此外，由于在查阅表320之前和之后抑制了增益的变化，因此有可能更精确地确定是否适当地更新了系数。另外，通过使用放大单元的输出平均值的反馈控制，自适应控制单元352能够更快地优化系数。

放大单元输出电平的变化是由预失真单元分配给输入信号的幅度补偿值引起的。因此，可以通过进行预失真，从对应于各个输入电平的幅度补偿值中减去幅度补偿值的平均值或者其基于输入电平的出现频率的加权平均值，来抑制放大单元输出电平的变化。

虽然已通过优选实施例示出并描述了本发明，但是本领域技术人员应当理解，在不脱离后面的权利要求所限定的本发明的精神范围的情况下，可以进行各种变化和修改。

Claims (5)

1.一种用于补偿失真的预失真放大器，包括：

放大单元；

功率检测单元，用于检测输入信号的电功率或幅度，以输出输入电平；

失真补偿表，用于存储对应于所述输入电平的多个补偿值，所述多个补偿值用来补偿所述放大单元的非线性特性；

控制单元，用于更新所述多个补偿值，使得包括在所述放大单元输出信号中需要的频率范围之外的多个信号分量不超出预置电平；

预失真单元，用于通过对所述输入信号的幅度和相位进行预失真，来产生要输入所述放大装置的预失真信号，所述预失真是通过使用存储在所述失真补偿表中，对应于从所述功率检测单元输出的所述输入电平的所述多个补偿值来进行的；

其中所述预失真单元包括偏移加法器，用于把偏移值加到幅度补偿值上，通过基于所述输入电平的多个补偿值把所述幅度补偿值分配到所述输入信号的幅度上，并且确定所述偏移值而不考虑所述输入电平；以及

其中所述控制单元包括偏移发生器，用于在更新所述多个补偿值时计算每个输入电平的幅度补偿值的平均值，从而通过反转平均值的符号来产生所述偏移值。

2.一种用于补偿失真的预失真放大器，包括：

放大单元；

功率检测单元，用于检测输入信号的电功率或幅度，或者其电功率或幅度的对数，由此输出输入电平；

失真补偿表，用于存储对应于所述输入电平的复补偿值，所述复补偿值用来补偿所述放大单元的非线性特性；

控制单元，用于更新所述复补偿值，使得包括在所述放大单元的输出信号中需要的频率范围之外的多个信号分量不超出预置电平；

预失真单元，用于通过把所述输入信号与存储在所述失真补偿表中，对应于从所述功率检测单元输出的输入电平的所述复补偿值相乘，来产生要输入所述放大装置的预失真信号，然后对所述输入信号的幅度和相位进行预失真，其中所述预失真单元包括偏移加法器，用于把偏移值加到幅度补偿值上，通过基于所述输入电平的所述复补偿值把所述幅度补偿值分配到所述输入信号的幅度上，并且确定偏移值而不考虑所述输入电平；

计数器，用于对预置时间量内每个输入电平的出现次数进行计数；以及

偏移发生器，用于在更新所述多个补偿值时计算每个输入电平的幅度补偿值的加权平均值，从而通过反转加权平均值的符号来产生所述偏移值，所述加权平均值的每个权是由所述计数器进行计数的每个输入电平的出现次数。

3.一种用于补偿失真的预失真放大器，包括：

放大单元；

功率检测单元，用于检测输入信号的幅度，以输出输入电平；

失真补偿信号产生单元，用于基于所述输入电平产生补偿信号，所述补偿信号用于补偿所述放大单元的非线性特性；

失真补偿单元，用于通过使用所述补偿信号对所述输入信号进行失真补偿，来向所述放大单元输出补偿后的信号；

控制单元，用于控制所述失真补偿信号产生单元，以抑制所述放大单元的输出信号中的失真；

其中，在所述失真补偿信号产生单元中，用仅包括奇次幂项或允许所述失真补偿单元主要产生奇次幂分量的偶次幂项的多个泰勒级数项的和来表示所述补偿信号的幅度分量，所述多个泰勒级数项中的每一项是围绕所述输入电平一个范围内多个中心点计算出来的所述输入电平的阶数为4或更高的有限多项式函数，并且所述多个泰勒级数项存储在所述失真补偿信号产生单元内；以及

其中所述控制单元以减少所述放大单元的输出信号中的失真的方式更新存储在所述失真补偿信号产生单元内所述多个泰勒级数项中的各项系数。

4.如权利要求3所述的预失真放大器，其中当所述输入电平是所述多个泰勒级数项的至少一项中的中心点时，用0代替所述多个泰勒级数项的至少一项。

5.如权利要求3所述的预失真放大器，其中所述放大单元工作在B类或接近于B类的AB类中，并且当所述输入电平小于所述放大单元的偏置电平偏离B类电平的偏差时产生失真。

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