CN101184070B - 一种百兆宽带数字预失真功率放大装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种百兆带宽的数字预失真功率放大装置和方法，其中的预失真处理算法采用的多项式预失真函数是由瞬时输入信号和以前输入信号共同决定的。本发明为工作在3.5GHz频带上、工作带宽大于100MHz、调制信号为OFDM信号的宽带数字预失真功率放大装置，非常适合宽带信号处里，通过测试功率放大器，比传统装置功率提高10dB。

Description

一种百兆宽带数字预失真功率放大装置和方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，尤其是用于无线通信领域的百兆宽带数字预失真功率放大装置和方法。

背景技术

2000年初成立的ITU-R的WP8F工作组的主要任务是负责3G未来发展和超3G的研究。2001年10月，在日本举行的第六次会议上提出了超3G的数据传输速率目标：超3G在2010年左右在高速移动环境支持最高约100Mbit/s的速率，在低速移动环境达到1Gbit/s速率。目前主流都将采用正交频分复用(orthogonal frequency divisionmultiplexing，OFDM)技术。OFDM是一种无线环境下的高速数据传输技术，最大优点是能对抗频率选择衰落或窄带干扰。由于OFDM在时域上表现为N个正交子载波信号的叠加，OFDM可能产生最大峰值，为了不失真传输这些具有较高的峰均功率比(Peak-to-Average Power Ratio，PAPR)的OFDM信号，发送端对高功率放大器的线性度要求很高且发送功率极低。

为了提高功率放大器的线性度和效率，一是选择合适的超线性半导体器件，设计出高性能的宽带发射机，这种办法花费巨大，并且技术难度很高。二是对整个发射通道进行功率回退，使发射通道工作在线性区，这种方法大大降低了系统的工作效率；三是目前出现了很多功率放大器的线性化技术，有前馈法，反馈法，预失真法和用非线性部件实现线性化(LINC)等，前馈技术的效果最好，但电路复杂。目前成熟的预失真功放方案都是基于现有通信系统，带宽比较窄，最多到20MHz，已不能适应未来通信要求。上述现有技术可参见z100119493.3和200610107728.X两篇专利文献。

发明内容

本发明目的是为了解决宽带信号传输功率放大器线性较差、效率低下的技术问题，而提供一种百兆带宽的数字预失真功率放大装置和方法。本发明的装置工作在3.5GHz频带上，工作带宽大于100MHz，调制信号为OFDM信号。

首先解释本发明的工作原理。本发明和传统现有预失真功放相比，处理带宽达到100MHz，现有数字预失真功放只能做到20MHz带宽。本发明预失真发生器是基于改进型的多项式法。传统的多项式预失真函数取决于输入带通信号的输入幅度的平方，可以用下式表示：

$F_I\left(t\right)=\underset{k=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_{2k-1}X{\left(t\right)}^{k-1}---\left(1\right)$

$F_Q\left(t\right)=\underset{k=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\β}}_{2k-1}X{\left(t\right)}^{k-1}---\left(2\right)$

式中FI(t)为同向分量，FQ(t)为正交分量，X(t)＝|V_in(t)|²，Vin(t)为输入信号，K为多项式系数，α和β为根据最小化输出信号频谱中互调失真分量计算出的预失真系数。则预失真信号为：

V_pd(t)＝V_in(t)×|R_I(t)+jF_Q(t)|＝V_in(t)×F(t)(3)

在窄带应用中，该预式真器非常有效，但是对于宽带信号来说，由于随着信号带宽的增加，功放的记忆效应越来越明显，传统的多项式预失真效果就越来越差，对信号的改善有限。我们在传统的多项式预失真发生器上发明了一种改进型的多项式预失真发生器。和传统多项式相比，改进型的多项式预失真函数是有瞬时输入信号和以前输入信号共同决定的。

$F_I\left(t\right)=\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_{2k-1,m}X{(t-{\mathrm{\τ}}_m)}^{k-1}---\left(4\right)$

$F_Q\left(t\right)=\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\β}}_{2k-1,m}X{(t-{\mathrm{\τ}}_m)}^{k-1}---\left(5\right)$

式中m为记忆阶数，则预失真函数为：

$V_{\mathrm{pd}}\left(t\right)=V_{\mathrm{in}}\left(t\right)\×\underset{m}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}(F_{\mathrm{Im}}+j{F}_{\mathrm{Qm}})=V_{\mathrm{in}}\left(t\right)\×\underset{m}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{F}_m---\left(6\right)$

本发明一方面提供一种百兆宽带数字预失真功率放大装置，该装置包括预失真发生器，数模转换器，第一滤波器，上变频器，功率放大器，耦合器，下变频器，第二滤波器，模数转换器，误差信号提取器和自适应模块，本振单元，其特征在于：

数模转换器，用于将来自预失真发生器的信号转换为100MHz模拟中频信号；

第一滤波器，用于对100MHz模拟中频信号进行滤波；

上变频器，用于将经过滤波的100MHz模拟中频信号转换为3.5GHz射频信号；

功率放大器，用于对3.5GHz射频信号进行放大；

耦合器，用于从功率放大器输出端耦合出小部分3.5GHz射频信号到下变频器；

下变频器，用于将耦合出的小部分3.5GHz射频信号转换为中频信号；

第二滤波器，用于将来自下变频器的中频信号进行滤波；

模数转换器，用于将来自第二滤波器的模拟信号转换为数字信号；

本振单元，用于为上变频器和下变频器提供变频所用本地振荡信号；

误差信号提取器，用于将模数转换器输出的信号和基带模块的信号相比较，提取出误差信号；

自适应模块，用于根据误差信号动态地计算出需要补偿的预失真系数；

预失真发生器，用于将来自基带模块的数字信号进行预失真处理和数字中频处理。

本发明另一方面提供一种百兆宽带数字预失真功率放大方法，该方法包括步骤：

步骤一：从基带来的数字I，Q信号在预失真发生器中进行预失真处理和数字中频处理，产生带失真的数字信号；

步骤二：从预失真发生器产生的信号进入数模转换器进行数模转换产生100MHz模拟中频信号；

步骤三：从数模转换器产生的模拟信号经过滤波，进入上变频器产生规定幅度的3.5GHz射频信号；

步骤四：从上变频器来的射频信号送入功放放大器进行功率放大，产生所需要的大功率信号；

步骤五：耦合器从功率放大器输出端耦合出一小部分射频信号，送入下变频器变频为中频信号；

步骤六：从下变频器出来的中频信号经过滤波，进入模数转换器进行模数转换；

步骤七：从模数转换器来的数据信号进入误差提取器，先进行数字中频处理，然后与来自基带模块的信号进行比较，提取出误差信号；

步骤八：从误差提取器提取出的误差信号进入自适应模块进行运算，计算出所需要的预失真系数；

步骤九：预失真系数被送入预失真发生器对基带信号进行预失真处理。

本发明的宽带数字预失真功率放大装置，非常适合宽带信号处里，通过测试功率放大器，本发明宽带数字预失真功率放大装置比传统装置功率提高10dB。

附图说明

图1是本发明的预失真功率放大装置总结构框图；

图3本发明的预失真功率放大装置中所采用预失真发生器的示意图；

图3现有技术的预失真发生器的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的装置和方法进行详细说明。

图1为本发明的宽带数字预失真功率放大装置总体结构框图。图2为图1所述装置中所采用的预失真发生器。图3为现有技术所采用的预失真发生器。

如图1所示，本发明的百兆带宽数字预失真功率放大装置包括：预失真发生器102a，数模转换器102b，第一滤波器102c，上变频器102d，功率放大器102e，耦合器102f，下变频器102h，第二滤波器102j，模数转换器102k，误差信号提取器102m和自适应模块102l，本振单元102g等。其中，预失真发生器102a是将来自基带101a的I，Q数字信号进行预失真处理和数字中频处理形成预失真信号，数模转换器102b把数字信号转换为模拟中频信号，第一滤波器102c对中频信号滤波，上变频器102d是把滤波中频信号上变频为3.5GHz的射频信号，功率放大器102e是把小信号放大到一定功率电平。耦合器102f是把输出的高功率电平信号的一部分耦合出来，下变频器102h是将耦合出的信号下变频为中频信号，第二滤波器102j对中频信号滤波，模数转换器102k是将滤波后的耦合信号模数转换为数字信号，误差信号提取102m是用来提取耦合信号和基带信号相比较产生的误差信号，自适应模块102l利用误差信号计算出输出需要补偿的预失真系数。

图1所示本发明的宽带数字预失真功率放大装置，其工作步骤如下：

步骤一：从基带来的数字I，Q信号在预失真发生器102a中进行预失真处理，数字中频处理，产生带失真的数字信号；步骤二：从预失真发生器产生的信号进入数模转换器102b进行数模转换产生100MHz带宽模拟中频信号；步骤三：从数模转换器产生的模拟信号进行滤波、进入上变频器102d产生一定幅度的3.5GHz射频信号；步骤四：从上变频器来的射频信号送入功放放大器102e进行功率放大，产生所需要的大功率信号；步骤五：耦合器102f从功率放大器输出端耦合出一小部分射频信号，送入下变频器102h变频为中频信号；步骤六：从下变频器102h出来的中频信号进入模数转换器102k进行模数转换；步骤七：从模数转换器102k来的数据信号进入误差提取器102m先进行数字中频处理后跟从基带来的信号进行比较得到误差信号；步骤八：从误差提取器提取出的误差信号进入自适应模块102l进行运算，算出预失真信号的失真量；步骤九：将计算出的失真量送入预失真发生器102a对基带信号进行预失真处理。整个工作链路闭环工作，实时调整。

上述实施例中，预失真发生器102a采用公式4-6的算法对基带信号进行预失真处理。

应当注意，凡不脱离本发明思想的任何改进的方法都属于本发明的保护范围，本发明具体保护范围由权利要求书限定。

Claims (2)

1.一种百兆宽带数字预失真功率放大装置，该装置包括预失真发生器，数模转换器，第一滤波器，上变频器，功率放大器，耦合器，下变频器，第二滤波器，模数转换器，误差信号提取器和自适应模块，本振单元；其特征在于：

数模转换器，用于将来自预失真发生器的信号转换为100MHz模拟中频信号；

第一滤波器，用于对100MHz模拟中频信号进行滤波；

上变频器，用于将经过滤波的100MHz模拟中频信号转换为3.5GHz射频信号；

功率放大器，用于对3.5GHz射频信号进行放大；

耦合器，用于从功率放大器输出端耦合出小部分3.5GHz射频信号到下变频器；

下变频器，用于将耦合出的小部分3.5GHz射频信号转换为中频信号；

第二滤波器，用于将来自下变频器的中频信号进行滤波；

模数转换器，用于将来自第二滤波器的模拟信号转换为数字信号；

本振单元，用于为上变频器和下变频器提供变频所用本地振荡信号；

误差信号提取器，用于将模数转换器输出的信号和基带模块的信号相比较，提取出误差信号；

自适应模块，用于根据误差信号动态地计算出需要补偿的预失真系数；

预失真发生器，用于将来自基带模块的数字信号进行预失真处理和数字中频处理；

其中，所述预失真发生器根据下列算法执行预失真处理：

$F_I\left(t\right)\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_{2k-1,m}X{(t-{\mathrm{\τ}}_m)}^{k-1}$

$F_Q\left(t\right)=\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\β}}_{2k-1,m}X{(t-{\mathrm{\τ}}_m)}^{k-1}$

$V_{\mathrm{pd}}\left(t\right)=V_{\mathrm{in}}\left(t\right)\×\underset{m}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}(F_{\mathrm{Im}}+j{F}_{\mathrm{Qm}})=V_{\mathrm{in}}\left(t\right)\×\underset{m}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{F}_m$

其中，式中F_I(t)为同向分量，F_Q(t)为正交分量，X(t)＝|V_in(t)|²，Vin(t)为输入信号，K为多项式系数，α和β为根据最小化输出信号频谱中互调失真分量计算出的预失真系数，m为记忆阶数。

2.一种百兆宽带数字预失真功率放大方法，该方法包括步骤：

步骤一：从基带来的数字I，Q信号在预失真发生器中进行预失真处理和数字中频处理，产生带失真的数字信号；

步骤二：从预失真发生器产生的信号进入数模转换器进行数模转换产生100MHz模拟中频信号；

步骤三：从数模转换器产生的模拟信号经过滤波，进入上变频器产生规定幅度的3.5GHz射频信号；

步骤四：从上变频器来的射频信号送入功放放大器进行功率放大，产生所需要的大功率信号；

步骤五：耦合器从功率放大器输出端耦合出一小部分射频信号，送入下变频器变频为中频信号；

步骤六：从下变频器出来的中频信号经过滤波，进入模数转换器进行模数转换；

步骤七：从模数转换器来的数据信号进入误差提取器，先进行数字中频处理，然后与来自基带模块的信号进行比较，提取出误差信号；

步骤八：从误差提取器提取出的误差信号进入自适应模块进行运算，计算出所需要的预失真系数；

步骤九：预失真系数被送入预失真发生器用于对基带信号进行预失真处理；

其中，步骤一的预失真处理采用下列公式的算法：

$F_I\left(t\right)\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_{2k-1,m}X{(t-{\mathrm{\τ}}_m)}^{k-1}$

$F_Q\left(t\right)=\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\β}}_{2k-1,m}X{(t-{\mathrm{\τ}}_m)}^{k-1}$

式中m为记忆阶数，则预失真函数为：

$V_{\mathrm{pd}}\left(t\right)=V_{\mathrm{in}}\left(t\right)\×\underset{m}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}(F_{\mathrm{Im}}+j{F}_{\mathrm{Qm}})=V_{\mathrm{in}}\left(t\right)\×\underset{m}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{F}_m$

其中，式中F_I(t)为同向分量，F_Q(t)为正交分量，X(t)＝|V_in(t)|²，Vin(t)为输入信号，K为多项式系数，α和β为根据最小化输出信号频谱中互调失真分量计算出的预失真系数，m为记忆阶数。

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