CN101478514A - 一种实现数字功率预失真的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种实现数字功率预失真的方法，该方法将数字零中频信号先进行削波CFR分I、Q两路送入数字预失真模块DPD，通过输入信号和反馈信号进行比较计算，产生新的预失真参数对预失真模块进行参数更新；从而实现提高后级功放的效率，降低了功放成本。

Description

一种实现数字功率预失真的方法

技术领域

本发明涉及一种数字直放站中功率放大器的数字预失真技术，尤其涉及的是一种实现数字功率预失真的方法。

背景技术

目前射频功率放大器所带来的非线性失真问题已经引起了越来越多的关注，尤其是现代通信技术都是多载波信号通信，增加了信号的峰均比，高峰均比意味着信号的功率波动范围很大，当输入信号很大的时候，往往容易使功放进入饱和区或是截止区，产生严重的非线性失真，所以应用的时候往往要将功放的平均输入功率限定在一个较低的水平，也就是常说的回退较多的功率，功率回退使功率放大器远离饱和区，此方法简单易实现，但这是以高成本和低效率为代价的，而且在线性度很高的场合，完成靠功率回退也是不够的。

针对这一难题目前通信界已提出多种方案，一种是直接从源头出发，想办法降低信号的峰均比，防止功放进入深度饱和区，如削波技术就是这种思想的一种代表，另一种是从功放入手，想办法改善功放的线性工作范围，常用的线性化方法主要有前馈法、笛卡尔负反馈法以及预失真等，本发明采用的是预失真方法中的数字预失真技术，其基本原理是信号首先在数字领域通过数字预失真模块使输入信号在幅度和相位产生一个与功放失真相反的非线性失真，去抵消功放里面的非线性失真。由于预失真技术具有体积小、效率高、可靠性高等优点，受到了大家的普遍关注。

典型的数字预失真技术，如图1所示，由于输入信号都是基带信号，因此不能直接在输入信号为射频信号的直放站中，而且一般都没有削峰模块，导致输入信号的峰均比较大，增加了功放的成本。而且对于WCDMA这样的频分复用系统，无法在正常使用中进行预失真函数更新，除非将射频输出关闭，因此即使拥有先进的自适应算法也无法将预失真功能发挥到最佳状态，而且复杂的预失真自适应算法需要耗费大量的资源，以及更新时间，在实际应用中经常需要通过人工进行预失真函数的更新。

发明内容

本发明的目的在于提供一种实现数字功率预失真的方法，该方法能提高后级功放的效率，降低功放成本，使输入信号为射频信号的直放站系统也能使用数字预失真技术。

本发明是这样实现的，一种实现数字功率预失真的方法，包括数字预失真模块DPD，以及使用同一个信号源的发射通道和反馈通道，所述的数字预失真模块DPD由预失真单元、自适应系数控制单元及外部MCU单元组成，其特征在于：按以下步骤实现：

a)将数字预失真技术与信号峰均比控制技术联合使用，对进入数字预失真模块DPD的数字零中频信号先进行削波CFR，以保持系统线性度；

b)削波后的信号分I、Q两路进入DPD模块处理之后，输出信号再经过DA模块转换成模拟正交信号；

c)DA模块变换出来的I、Q信号进行AQM调制，并上变频、滤波得到射频信号输出到功放；

d)在功放输出连接耦合器耦合一路作为反馈信号，经过下变频之后又变成模拟中频信号；

e)模拟中频信号经过AD模块又重新转换成数字中频信号进入DPD模块；

f)由自适应系数控制单元对输入信号和反馈信号进行比较计算，产生新的预失真参数对预失真模块进行参数更新。

附图说明

图1为典型的数字预失真电路；

图2为本发明实施例的电路原理图；

图3为复数增益LUT查找表的示意图；

图4为本发明实施例所采用的训练信号。

具体实施方式

本发明公开了一种实现数字功率预失真的方法，该方法能提高后级功放的效率，降低功放成本。

对于WCDMA等频分复用的系统，信号是连续发送的，如果在源信号发送过程中发送更新LUT的校准训练信号，则会影响正常的业务，因此本发明提供的一种方法就是在出厂时即进行大量的信号训练，并将生成的预失真函数预先保存在LUT中，实际应用中更具信号的幅度来进行查找表运算，而在实际工程中，根据现场所采集的功放温度、功放电压这两个参数进行预失真函数系数补偿，相关系数由经验值获得。

此外本发明降低预失真自适应运算的时间，减少算法的难度，提高预失真校正的速度，典型的完成一次自适应预失真函数的更新需要10分钟左右，本发明采用的复数增益LUT查找表法可以将系统预失真函数的更新时间缩短为5秒钟，因此缩短了进行大量的训练所需的时间以及数据保存量也比较小。

本发明包括数字预失真模块DPD及使用同一个信号源的发射通道和反馈通道，所述的数字预失真模块DPD由预失真单元、自适应系数控制单元及外部MCU单元组成，其特征在于：按以下步骤实现：

1、数字预失真技术与信号峰均比控制技术联合使用，对进入数字预失真模块DPD的数字零中频信号先进行削波CFR，以保持系统线性度；

2、波后的信号分I、Q两路进入DPD模块处理之后，输出信号再经过DA模块转换成模拟正交信号；

3、DA模块变换出来的I、Q信号进行AQM调制，并上变频、滤波得到射频信号输出到功放；

4、功放输出连接耦合器耦合一路作为反馈信号，经过下变频之后又变成模拟中频信号；

5、模拟中频信号经过AD模块又重新转换成数字中频信号进入DPD模块；

6、由自适应系数控制单元对输入信号和反馈信号进行比较计算，产生新的预失真参数对预失真模块进行参数更新。

所述的步骤1中的数字零中频信号是通过将数字基带信号进行上变频得到的；所述的步骤3和4中的上变频和下变频均采用同一个本振；所述的步骤5中反馈模拟中频信号经过AD模块之后只有单路实信号输出。

所述的数字预失真单元包括如下特征：

1、内置了一个校准信号发生器，此信号发生器是构造一个特定的信号训练序列，可简化算法难度，有效节省信号训练时间；

2、接收经过削峰单元的输入信号，并接收来自自适应系数控制单元校正预失真参数，基于此预失真参数进行预失真校正；

3、内置了一个双路选择器，可选择是输入信号，还是内置的训练信号；

4、内置旁通模块，可使输入信号无失真得直接输出；

5、内置了一个参数更新模块，负责参数的更新；

在所述特征1和3中，当系统进入训练的时候，由双路选择器屏蔽输入信号，启动内置训练信号发生器产生训练信号；所述特征2和5中，可通过参数更新模块将经过自适应系数计算的新参数对旧参数进行更新；所述特征4，通过外部MCU控制单元，可将预失真模块设置成旁通状态，不对输入信号进行预失真处理。

所述的自适应系数控制单元主要由高速DSP组成，包括如下特征：

1、特定的自适应算法单元，包括地址生成模块，复数乘法模块，LUT更新模块；

2、具有外部MCU控制接口，通过外部MCU进行人机交互，以及对功放的电压、温度进行信号采集，作为输入信号的补偿系数；

3、预失真参数的更新。

所述的信号发生器是通过反复试验获得的比较好的训练信号，包括如下特征：

1、由预失真单元产生；

2、形状为自行设计的锯齿波；

3、此锯齿波上升沿采样的点比下降沿多。

其中自适应系数控制单元中所述的特征1，所采用的DPD自适应算法是复数增益LUT查表法，在复数增益LUT模块中，已经存放了计算好的复数增益预失真函数的模型；所述的特征2，所使用的外部MCU单元为ARM9系列微处理器，与自适应算法控制单元80之间采用的是SPI接口。所述的复数增益LUT查表法，必须结合自适应算法控制单元中的地址产生模块一起使用，通过计算输入信号的幅度，供LUT检索地址用；所述的复数乘法模块负责将输入信号和检索出来的预失真函数进行相乘得出输出信号；所述的LUT更新模块是预失真系统中一个重要的模块，负责LUT表的生成。

下面结合附图及实施例子对本发明做进一步描述。

图2是本发明的较佳实施电路原理图，其使输入信号为射频信号的直放站系统也能使用数字预失真技术，电路中主要包括：削波模块(CFR)、预失真模块。

所述削波模块对输入的数字零中频进行削波处理，减小了信号的峰均比，提高了系统的部分线性度。

所述的预失真模块主要包括了预失真单元、自适应系数控制单元及外部MCU单元90，其中预失真单元包含有校正信号发生器，负责发生校准信号，所述的校准信号是自定制的锯齿波如图4所示，包含最小信号和峰值信号，所述的自适应系数控制单元通过从预失真获得的校准信号，并获取经过功放处理后的反馈校准信号，通过复数增益LUT查表方法得到最新的预失真函数，并利用所检索到的预失真函数对所述校准信号以及源信号进行预失真处理后送给功率放大器；所述的外部MCU单元90主要负责预失真系统与外界的交互，同时外部MCU单元还负责功放温度以及电压的采集，反馈给自适应系数控制单元，修正预失真函数，此处所使用的MCU为ARM9系列微处理器，采用的是SPI接口。具体的步骤如下：

1.接收信号的为射频信号，将该信号搬移至数字零中频信号；

2.通过削峰模块10(CFR)对该零中频信号进行削波，减少信号的峰均比；

3.削峰后的信号进入预失真模块，通过基于预失真参数进行数字预失真校正；

4.预失真信号重新经过调制和DA模块40变换之后，变成模拟中频信号，进入变频模块后成为射频信号进行信号放大后输出；

5.步骤4中输出的射频信号耦合一路转换成数字中频信号作为反馈信号；

6.反馈信号与原始信号进入自适应系数控制单元30中进行比较计算；

7.同时自适应系数控制单元30通过外部MCU单元90对功放60的温度、电压进行采集计算，作为输入信号的补偿参数；

8.步骤6中比较后的差值以及步骤7中采集到的参数作为控制调整步骤3所述的预失真参数，使功放效率和线性度不断逼近理想状态。

其中在步骤1中还包含以下具体步骤：

1.将输入的射频信号下变频到模拟中频信号；

2.滤除该模拟中频信号的镜像干扰；

3.对滤波后的模拟中频信号进行AD采样，转换为数字中频信号；

4.将该数字中频信号下变频为数字零中频信号。

所述上变频和下变频均采用同一个本振。

本发明为了降低预失真自适应运算的时间，减少算法的难度，提高预失真校正的速度，，采用了如下的方案：

1.采用了复数增益LUT查找表以及相关技术；

2.构造特定的训练信号；

3.使用高速DSP作为算法控制器。

由于功率放大器的非线性特征主要有输入信号的幅度决定，与输入信号的相角几乎无关，因此方案1中所述的复数增益LUT查找表法如图3所示，就是基于如下一个假设，即功放的特性可以近似认为只和输入信号功率大小有关，而与信号的相角无关，即认为同样幅度的输入信号，都会产生相同的失真，因此利用输入信号的幅度来检索LUT表的地址，这样就大大简化了LUT表的结构，对于输入是I、Q两路的复数基带信号，一般需要构建一个二维的LUT表才能检索，只将输入信号幅度作为检索地址，这种方法简化的LUT表的维数，大大减小了算法的难度和运算的时间。

在复数增益LUT中需要存储的预失真函数为复数形式，利用两块共用地址线的RAM来分别存放I、Q数据。

由于LUT的项数有限，不可能对所有的输入信号幅度都提供相应的索引，因此LUT的项数也就是LUT的地址位数采用类似于离散量化的办法，把输入信号的幅度分段映射到一个个离散的地址上，这样在一定幅度范围内的输入信号只对应到一个预失真项。

如果采用传统的自适应算法，需要将输入信号和反馈信号进行计算比较，因此需要在RAM中保存一定时间的数据，同时需要通过相关卷积的计算来使两者同步，这样必然浪费大量的系统资源，其次，同步运算需要存储的数据量由系统的延时决定，从信号的输入到预失真信号的输出，中间会经过很长的延时，再加上系统链路上的延时，总的延时时间长达数百个系统周期，相应的需要存储的数据就会占用大量的存储空间，综合这而考虑，采用方案2中自行构造的训练信号来简化设计，通过测试，最后采用了锯齿波形状的训练信号，其特征如下：a、形状为正负对称的锯齿波；b、上升采样的点比下降沿多。

Claims (10)

1.一种实现数字功率预失真的方法，包括数字预失真模块DPD及使用同一个信号源的发射通道和反馈通道，所述的数字预失真模块DPD由预失真单元、自适应系数控制单元及外部MCU单元组成，其特征在于：按以下步骤实现：

a)将数字预失真技术与信号峰均比控制技术联合使用，对进入数字预失真模块DPD的数字零中频信号先进行削波CFR，以保持系统线性度；

b)削波后的信号分I、Q两路进入DPD模块处理之后，输出信号再经过DA模块转换成模拟正交信号；

c)DA模块变换出来的I、Q信号进行AQM调制，并上变频、滤波得到射频信号输出到功放；

d)在功放输出连接耦合器耦合一路作为反馈信号，经过下变频之后又变成模拟中频信号；

e)模拟中频信号经过AD模块又重新转换成数字中频信号进入DPD模块；

f)由自适应系数控制单元对输入信号和反馈信号进行比较计算，产生新的预失真参数并对预失真模块进行参数更新。

2.根据权利要求1所述的一种实现数字功率预失真的方法，其特征在于：所述的数字预失真单元为FPGA器件，包括如下特征：

a)内置了一个校准信号发生器，此信号发生器是构造一个特定的信号训练序列，可简化算法难度，有效节省信号训练时间；

b)接收经过削峰单元的输入信号，并接收来自自适应系数控制单元校正预失真参数，基于此预失真参数进行预失真校正；

c)内置了一个双路选择器，可选择是输入信号，还是内置的训练信号；

d)内置旁通模块，可使输入信号无失真得直接输出；

e)内置了一个参数更新模块，负责参数的更新。

3.根据权利要求1所述的一种实现数字功率预失真的方法，其特征在于：所述的自适应系数控制单元主要由高速DSP组成，包括如下特征：

a)特定的自适应算法模块，包括地址生成模块，复数乘法模块，LUT更新模块；

b)具有外部MCU控制单元，通过外部MCU进行人机交互，以及对功放的电压、温度进行信号采集，作为输入信号的补偿系数；

c)控制预失真参数的更新。

4.根据权利要求1所述的一种实现数字功率预失真的方法，其特征在于：所述的步骤a)中的数字零中频信号是通过将数字基带信号进行上变频得到的；所述的步骤c)和d)中的上变频和下变频均采用同一个本振；所述的步骤e)中反馈模拟中频信号经过AD模块之后只有单路实信号输出。

5.根据权利要求2所述的一种实现数字功率预失真的方法，其特征在于：所述的信号发生器是通过反复试验获得的比较好的训练信号，包括如下特征：

a)由预失真单元产生；

b)形状为自行设计的锯齿波；

c)此锯齿波上升沿采样的点比下降沿多。

6.根据权利要求2所述的一种实现数字功率预失真的方法，其特征在于：所述特征c)中，当系统进入训练的时候，由双路选择器屏蔽输入信号，启动内置训练信号发生器产生训练信号；所述特征d)，通过外部MCU控制模块，可将预失真模块设置成旁通状态，不对输入信号进行预失真处理。

7.根据权利要求3所述的一种实现数字功率预失真的方法，其特征在于：所述的自适应系数控制单元，其组成部分进一步包括辅助的CPLD模块、FLASH模块、SRAM模块。

8.根据权利要求3所述的一种实现数字功率预失真的方法，其特征在于：所述的特征a)，所采用的DPD自适应算法是复数增益LUT查表法，在复数增益LUT模块中，已经存放了计算好的复数增益预失真函数的模型；所述的特征b)，所使用的外部MCU单元为ARM9系列微处理器，采用的是SPI接口。

9.根据权利要求8所述的一种实现数字功率预失真的方法，其特征在于：所述的复数增益LUT查表法，必须结合自适应系数控制单元中的地址产生模块一起使用，通过计算输入信号的幅度，供LUT检索地址用。

10.根据权利要求3所述的一种实现数字功率预失真的方法，其特征在于：所述的特征a)中的复数乘法模块负责将输入信号和检索出来的预失真函数进行相乘得出输出信号；所述的LUT更新模块是预失真系统中一个重要的模块，负责LUT表的生成。

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