CN101110571A - 数字预失真功率放大器及其实现方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种数字预失真功率放大器，适用于移动通信系统中直接对射频信号进行放大，包括：信号处理单元，接收信号的输入，并将该信号搬移至零中频数字信号；信号削峰单元，对该零中频数字信号的峰均比进行压缩，达到削峰的目的；自适应预失真功放单元，对削峰后的信号进行自适应数字预失真功率放大以输出放大后的射频信号。相应地，本发明还公开一种数字预失真功率放大器实现方法。本发明扩大了数字预失真功率放大器的应用范围，降低后级功放设备成本、提高功放效率，简化了功率放大器的设计难度。
Description
【技术领域】
本发明涉及一种功率放大器，尤其涉及应用于移动通信系统中的数字预失真功率放大器及其实现方法。
【技术背景】
随着全球通讯业务的发展，通信频谱资源变得越来越宝贵。为了更加有效的利用频谱资源，许多通信系统都采用了频谱利用率较高的调制方式，如QPSK、QAM等等，这些调制方式不仅对载波相位进行调制，同时也调制了载波幅度，因此会产生较大峰均比的非恒包络调制信号。即使对于GMSK这种恒包络调制信号，如果采用了多载波技术，载波的合成同样可以产生较大的峰均比，这对功率放大器提出了更高的线性要求。
目前，解决功率放大器线性要求的问题多采用两种方法，第一种方法是进行较大的功率回退，使功率放大器工作在线性区，这种方法大大降低了功率放大器的效率，并增加了成本。第二种方法是采用线性化技术，即采用适当电路对功率放大器的非线性进行预校正，从而改善其线性。前馈和预失真技术是两种最有效的线性化方法，前馈具有线性化程度高的优点，但是也有结构复杂，效率低的缺点。而预失真技术中，数字预失真技术以其体积小、效率高、可靠性高等优点，近几年得到了人们的重点关注。
一种典型的数字预失真功率放大器如图1所示，基带信号经过数字预失真模块进行矫正、D/A数模转换后，进行上变频，然后进行滤波，最后进行功率放大，变为射频信号输出；同时，功放输出信号的一部分，通过一个耦合器反馈，经下变频、滤波、A/D数模转换后，变为初步处理后的基带信号进入数字预失真自适应控制模块。数字预失真自适应控制模块另一端提取原始基带信号，通过比较初步处理后的基带信号和原始基带信号，不断逼近理想的功率放大后的信号，达到自适应功率放大的目的。
图1这种数字预失真功率放大器设计方法具有如下缺点：
1、输入的信号必须是基带信号，这就限制了这种数字预失真功率放大器的应用范围，不能应用到直放站、塔顶放大器等输入信号为射频信号的设备中。
2、没有削峰部分，这样导致输入信号的峰均比较大，从而使后级功放设备成本增高。
3、在系统工作时，功放工作在A、AB类状态，这导致了整个数字预失真功率放大器的工作效率比较低。
4、模拟上下变频采用一个单一本振的技术，这样就必须在射频通路中，混频后加入滤波器，滤除镜像干扰，增加了系统设计难度，滤波器设计比较困难。
【发明内容】
本发明的目的就是要克服上述不足，提供一种应用范围广、功放效率高且能降低后级功放成本的数字预失真功率放大器实现方法。
本发明的另一目的在于提供一种与上述方法相对应的数字预失真功率放大器。
本发明的第一目的是通过如下技术方案实现的：
本发明的数字预失真功率放大器实现方法，适用于移动通信系统中直接对射频信号进行放大，包括如下步骤：
1)、接收信号的输入并将该信号搬移至零中频数字信号；
2)、对该零中频数字信号的峰均比进行压缩，达到削峰的目的；
3)、对削峰后的信号进行自适应数字预失真功率放大以输出放大后的射频信号。
其中步骤3)还包括如下具体步骤：
3.1、将削峰后的零中频数字信号基于初始预失真参数进行数字预失真矫正，然后转换为模拟射频信号进行信号放大后输出；
3.2、耦合步骤3.1中输出的射频信号转换为数字中频信号作为反馈信号，提取一路削峰后的中频数字信号作为原始信号，比较反馈信号与原始信号的差值；
3.3、以所述比较后的差值控制调整步骤3.1中所述的数字预失真时的预失真参数，使功放效率和线性不断逼近理想状态。
具体而言，步骤3.1中，其信号放大技术利用Doherty放大技术实现。
本方法的多次针对模拟信号的频率变换均采用各自独立的本振，多个本振的参考时钟均来自同一个时钟源。
其中，步骤1)中，具体包括如下步骤：
1.1、将输入的射频信号下变频至模拟中频信号；
1.2、滤除该模拟中频信号的镜像干扰；
1.3、对滤波后的模拟中频信号进行A/D采样，转换为数字中频信号；
1.4、将该数字中频信号下变频为数字零中频信号。
适应本发明的第二目的，采用如下技术方案：
本发明数字预失真功率放大器，适用于移动通信系统中直接对射频信号进行放大，包括：
信号处理单元，接收信号的输入，并将该信号搬移至零中频数字信号；
信号削峰单元，对该零中频数字信号的峰均比进行压缩，达到削峰的目的；
自适应预失真功放单元，对削峰后的信号进行自适应数字预失真功率放大以输出放大后的射频信号。
所述自适应预失真功放单元包括：
预失真放大子单元，将削峰后的中频数字信号进行数字预失真矫正，然后转换为模拟射频信号进行信号放大后输出；
自适应控制子单元，耦合预失真放大子单元输出的射频信号转换为数字中频信号作为反馈信号，提取一路削峰后的中频数字信号作为原始信号，比较反馈信号与原始信号的差值，以所述比较后的差值调整预失真放大子单元的数字预失真参数，使功放效率和线性不断逼近理想状态。
具体地，所述预失真放大子单元包括：
数字预失真模块，接收所述信号削峰单元的信号输入，接受自适应控制单元校正其预失真参数，基于该预失真参数对削峰单元输入的信号进行预失真校正；
D/A转换模块，将预失真校正后的数字零中频信号转换为模拟信号；
模拟上变频模块，将D/A转换后的模拟信号搬移至射频信号；
功放模块，利用Doherty技术对上变频后的射频信号进行功率放大输出。
所述自适应控制子单元包括：
耦合器，从所述功放模块所输出的射频信号中耦合一路作为反馈信号；
模拟下变频模块，将该反馈信号下变频至中频格式；
滤波模块，滤除该下变频后的反馈信号的镜像干扰；
A/D转换模块，将滤波后的反馈信号转换为数字格式；
预失真参数控制模块，比较反馈信号与削峰后的中频数字信号之间的差值，以该差值调整放大子单元的数字预失真参数，使功放效率不断逼近理想状态。
所述信号处理单元包括：
模拟下变频模块，将输入的射频信号转换为模拟中频信号；
滤波模块，滤除该模拟中频信号的镜像干扰；
A/D转换模块，将该滤波后的模拟中频信号转换为数字信号；
数字下变频模块，将该数字中频信号下变频至数字零中频信号。
此外，所述信号处理单元中的模拟下变频模块、所述预失真放大子单元中的模拟上变频模块以及所述自适应控制子单元中的模拟下变频模块分别采用各自独立的本振，多个本振的时钟均来自同一时钟源。
与现有技术相比，本发明具备如下优点：
1、输入接口可扩展为射频信号，拓宽了本发明的数字预失真功率放大器的应用范围。
2、加入削峰部分，大大降低了输入射频信号的峰均比，节省了后级功放成本。
3、本发明的数字预失真功率放大器中，功放部分采用了高效率技术(Doherty技术)，使整体系统的效率大大提高。
4、本发明的上下变频部分采用了零中频技术，省去了上变频后滤波器的需要，同时在数字预失真部分加入了本振泄漏抑制技术，从而克服了零中频技术自身的缺陷。
【附图说明】
图1为公知的一种数字预失真功率放大器的电路原理图；
图2为本发明数字预失真功率放大器的电路原理图。
【具体实施方式】
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明：
请参阅图2，揭示本发明提出的一种数字预失真功率放大器的电路原理，如该图所示，本发明数字预失真功率放大器具体包括存在电性连接关系的信号处理单元1、信号削峰单元2和自适应预失真功放单元5。
所述信号处理单元1中，自接收射频信号的输入始，包括依次电性连接的模拟下变频模块11、滤波模块12、A/D转换模块13和数字下变频模块14，由数字下变频模块14形成输出端输出至所述信号削峰单元2，此外，还包括一本振15，其与模拟下变频模块11电性连接，与模拟下变频模块11实现混频。
所述信号削峰单元2接收所述数字下变频模块14的输入，经削峰处理后输出至所述自适应预失真功放单元5。关于削峰方法，已为公知技术，恕不赘述。
所述自适应预失真功放单元5中，包括两个子单元，分别是预失真放大子单元3和自适应控制子单元4：
预失真放大子单元3中，自接收信号削峰单元2的输入始，包括依次电性连接的数字预失真模块31、D/A转换模块32、模拟上变频模块33和功放模块34，此外，还包括一本振35，与所述模拟上变频模块33电性连接，所述数字预失真模块31直接与所述信号削峰单元2电性连接以接收其输入；
自适应控制子单元4中，包括依次电性连接的耦合器41、模拟下变频模块42、滤波模块43、A/D转换模块44和预失真参数控制模块46，所述耦合器41于所述预失真放大子单元3功放模块34输出的信号中耦合一路作为反馈信号，并一路传输至所述预失真参数控制模块46中做进一步处理，所述预失真参数控制模块46分别与所述信号削峰单元2和所述数字预失真模块31电性连接，以便接收信号削峰单元2的输入和与所述数字预失真模块31实现数据交互和实现相应的控制。此外，本子单元还包括一本振45，与所述模拟下变频模块42电性连接。
本实施例的功率放大器中所示出的三个本振15，35，45，各自独立，但其时钟均与其它模块一样，来自同一系统时钟源。
本发明中，所述信号处理单元1仅接收射频信号的输入，但是，也可同时接收其它信号的输入，只需改变信号处理单元1中的信号处理结构即可，本领域普通技术人员在阅读本说明书后，应可利用等同替换的方式实现将不同信号输入转换成数字零中频的技术方案，故对于其它可替换方式不再赘述。
根据上述所揭示的实施例，本发明的工作原理大致如下：
射频信号进入数字预失真功率放大器后，先进入信号处理单元1中，进入其模拟下变频模块11，模拟下变频模块11和本振15共同把射频信号混频到中频信号，经过滤波模块12后，根据软件无线电理论，由A/D转换模块1 3对中频信号进行采样，得到的数字信号进入数字下变频模块14变为零中频的数字信号，进入信号削峰单元2降低数字信号的峰均比值，接着进入自适应预失真功放单元5的预失真放大子单元3中，进入其数字预失真模块31进行预矫正后，经过D/A转换模块32变为模拟信号，模拟信号经过模拟上变频模块33和本振35共同作用后变为峰均比降低且预失真后的射频信号，进入Doherty功放模块34，为了达到自适应目的，在自适应预失真功放单元5的自适应控制子单元4中，又从其输出的射频信号中，利用耦合器41耦合一部分处理后的射频信号作为反馈信号，反馈信号经过本振45和模拟下变频模块42混频后变为中频信号，经滤波模块43，A/D转换模块44后变为反馈数字信号，反馈数字信号送入数字预失真参数控制模块46，从而由数字预失真参数控制模块46控制数字预失真模块31达到自适应功能。
参照上述工作原理，上述实施例的功率放大器的具体实施以及工作步骤如下：
步骤1：射频信号经过天线接收后，进入信号处理单元1的输入端，这些信号可以是WCDMA、CDMA、TD-SCDMA、WiMax、GSM等等现有制式不同频段射频信号；
步骤2：根据步骤1中射频信号的频率值，设计信号处理单元1中本振15和模拟下变频模块11的值，使射频信号经过本振15和模拟下变频模块11后，输出一个中频信号，该中频信号的频率可以根据实际工作情况而定，如本实施例中设计该频率为92.16MHz；
步骤3：对步骤2中频率为92.16MHz的中频信号，采用信号处理单元1中的滤波模块12滤除掉其镜像干扰，从而输出比较纯净的中频信号；
步骤4：对步骤3中比较纯净的中频信号，基于软件无线电的理论，选用A/D转换模块13，确定其采样率，如本实施例中定为122.88MSPS，把92.16MHz的中频信号变为数字信号；
步骤5：步骤4中的数字信号进入信号处理单元1中的数字下变频模块14，数字下变频模块14根据步骤3中的中频频率数值以及步骤4中的A/D采样率确定数字下变频模块14中的数控本振值为30.72MHz，，并且采用2倍抽取降数据速率处理，最终输出数据速率为61.44MSPS的零中频数字信号。该模块具体实现可以采用专用的数字下变频芯片设计或者采用现场可编程逻辑器件(FPGA)实现；
步骤6：从步骤5得到的零中频速率为61.44MSPS的数字信号，进入信号削峰单元2，该单元主要完成对进入的数字信号的峰均比进行压缩，通常设计目标是6-7dB。这样不但降低了对后级Doherty功放成本，同时也大幅度提高了整个数字预失真功率放大器的效率。该信号削峰单元2具体实现可以采用专用的削峰芯片，如GC1115，或者采用FPGA实现该功能；
步骤7：步骤6中削峰后的零中频数字信号进入自适应预失真功放单元5中预失真放大子单元3的数字预失真模块31，它由数字预失真参数控制模块46控制其预失真参数以完成对输入信号的预矫正。该模块31具体实现可以采用专用芯片，如PMC公司的PM7810、PM7815、PM7820等等，也可以采用FPGA实现；
步骤8：步骤7中预矫正后的零中频数字信号，进入其后的D/A转换模块32，该模块32根据输入数据的速率，选择D/A时钟速率，从而完成数字信号到模拟信号的转换。具体实现中，如本实施例采用了122.88MSPS时钟速率；
步骤9：经过步骤8后的零中频模拟信号，进入后续的模拟上变频模块33，根据步骤1中射频信号频率，选择本振35的频率值等于该射频信号频率值，经过模拟上变频模块33混频后直接变到射频格式；具体实现时，模拟上变频模块33可以采用专用的I/Q正交调制器来实现；
步骤10：步骤9的射频信号进入功放模块34，变为射频信号后，经天线(未图示)发射输出。该模块34采用了功放设计的一种高效率技术。本实施例采用Doherty功放技术，从而大幅度提高了整个数字预失真功率放大器的整体功放效率；
步骤11：步骤10中的射频信号，经过射频信号耦合部分，即经自适应控制子单元4中的耦合器41提取一部分信号作为反馈射频信号。具体实现时，采用一般耦合器或者微带耦合即可，具体耦合值的大小根据Doherty功放输出的功率而定；
步骤12：步骤11中耦合出的反馈射频信号，进入后续的模拟下变频模块42，根据反馈射频信号频率值，设计本振频率值，从而使经过模拟下变频模块42混频出中频频率为76.8MHz的信号；
步骤13：步骤12中频率为76.8MHz的中频信号，经过后续的滤波模块43，滤除镜像干扰，变为比较纯净的中频信号；
步骤14：对步骤13中比较纯净的中频信号，基于软件无线电理论，由后续的A/D转换模块44对其采样，变为数字信号，具体实现时，A/D转换模块44的采用速率定为61.44MSPS；
步骤15：步骤14得到的速率为61.44MSPS的数字信号，进入数字预失真参数控制模块46后，由数字预失真参数控制模块46基于反馈信号和输入的射频信号之间差值，调整所述数字预失真模块31的预失真参数，更新步骤7中数字预失真模块31的预失真矫正参数，从而达到整个数字预失真功率放大器自适应功能。
本实施中另一个关键点是保证本振15、A/D转换模块13、数字下变频模块14、信号削峰单元2、数字预失真模块31、D/A转换模块32、本振35、A/D转换模块44、本振45等的工作时钟来自同一个时钟源。步骤3、步骤13中的纯净的中频信号功率值，需要在整个数字预失真功率放大器工作在额定输出功率时，A/D转换模块13和A/D转换模块44中的A/D器件达到满量程。
本发明提供了一种全新的数字预失真功率放大器的实现方法，克服了现有数字预失真功率放大器不能应用到直放站和塔顶放大器中的缺点，使数字预失真功率放大器的应用范围更广，同时把削峰部分和Doherty技术应用到了数字预失真功率放大器的实现方法中，大大提高了数字预失真功率放大器的效率，并且降低了成本。因此本发明所提出的一种全新的数字预失真功率放大器的实现方法在通信系统功率放大器设计中，会有良好的应用前景。
Claims (11)
1.一种数字预失真功率放大器实现方法，适用于移动通信系统中直接对射频信号进行放大，包括如下步骤：
1)、接收信号的输入并将该信号搬移至零中频数字信号；
2)、对该零中频数字信号的峰均比进行压缩，达到削峰的目的；
3)、对削峰后的信号进行自适应数字预失真功率放大以输出放大后的射频信号。
2.根据权利要求1所述的数字预失真功率放大器实现方法，其特征在于步骤3)还包括如下具体步骤：
3.1、将削峰后的零中频数字信号基于初始预失真参数进行数字预失真矫正，然后转换为模拟射频信号进行信号放大后输出；
3.2、耦合步骤3.1中输出的射频信号转换为数字中频信号作为反馈信号，提取一路削峰后的中频数字信号作为原始信号，比较反馈信号与原始信号的差值；
3.3、以所述比较后的差值控制调整步骤3.1中所述的数字预失真时的预失真参数，使功放效率和线性不断逼近理想状态。
3.根据权利要求2所述的数字预失真功率放大器实现方法，其特征在于：步骤3.1中，其信号放大技术利用Doherty放大技术实现。
4.根据权利要求1至3中任意一项所述的数字预失真功率放大器实现方法，其特征在于：本方法的多次针对模拟信号的频率变换均采用各自独立的本振，多个本振的参考时钟均来自同一个时钟源。
5.根据权利要求4所述的数字预失真功率放大器实现方法，其特征在于步骤1)中，具体包括如下步骤：
1.1、将输入的射频信号下变频至模拟中频信号；
1.2、滤除该模拟中频信号的镜像干扰；
1.3、对滤波后的模拟中频信号进行A/D采样，转换为数字中频信号；
1.4、将该数字中频信号下变频为数字零中频信号。
6.一种数字预失真功率放大器，适用于移动通信系统中直接对射频信号进行放大，其特征在于包括：
信号处理单元，接收信号的输入，并将该信号搬移至零中频数字信号；
信号削峰单元，对该零中频数字信号的峰均比进行压缩，达到削峰的目的；
自适应预失真功放单元，对削峰后的信号进行自适应数字预失真功率放大以输出放大后的射频信号。
7.根据权利要求6所述的数字预失真功率放大器，其特征在于所述自适应预失真功放单元包括：
预失真放大子单元，将削峰后的零中频数字信号进行数字预失真矫正，然后转换为模拟射频信号进行信号放大后输出；
自适应控制子单元，耦合预失真放大子单元输出的射频信号转换为数字中频信号作为反馈信号，提取一路削峰后的中频数字信号作为原始信号，比较反馈信号与原始信号的差值，以所述比较后的差值调整放大子单元的数字预失真参数，使功放效率和线性不断逼近理想状态。
8.根据权利要求7所述的数字预失真功率放大器，其特征在于预失真放大子单元包括：
数字预失真模块，接收所述信号削峰单元的信号输入，接收自适应控制单元校正其预失真参数，基于该预失真参数对削峰单元输入的信号进行预失真校正；
D/A转换模块，将预失真校正后的数字零中频信号转换为模拟信号；
模拟上变频模块，将D/A转换后的模拟信号搬移至射频信号格式；
功放模块，利用Doherty技术对上变频后的射频信号进行功率放大输出。
9.根据权利要求8所述的数字预失真功率放大器，其特征在于所述自适应控制子单元包括：
耦合器，从所述功放模块所输出的射频信号中耦合一路反馈信号；
模拟下变频模块，将该反馈信号下变频至中频格式；
滤波模块，滤除该下变频后的反馈信号的镜像干扰；
A/D转换模块，将滤波后的反馈信号转换为数字格式；
预失真参数控制模块，比较滤波后的反馈信号与削峰后的中频数字信号之间的差值，以该差值调整预失真放大子单元的数字预失真参数，使功放效率和线性不断逼近理想状态。
10.根据权利要求6至9中任意一项所述的数字预失真功率放大器，其特征在于所述信号处理单元包括：
模拟下变频模块，将输入的射频信号转换为模拟中频信号；
滤波模块，滤除该模拟中频信号的镜像干扰；
A/D转换模块，将该滤波后的模拟中频信号转换为数字信号；
数字下变频模块，将该数字中频信号下变频至数字零中频信号。
11.根据权利要求10所述的数字预失真功率放大器，其特征在于：所述信号处理单元中的模拟下变频模块、所述预失真放大子单元中的模拟上变频模块以及所述自适应控制子单元中的模拟下变频模块分别采用各自独立的本振，多个本振的时钟均来自同一时钟源。
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