CN101520666B - 一种宽带数字预失真功放的温度补偿方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于环境温度检测并建立宽带功放温度补偿模型的宽带数字预失真功放温度补偿方法和系统，该方法是从宽带功放模型本身出发，有计划的改变宽带功放工作环境温度，采用最小二乘估计和正交多项式拟合的方法，辨识出宽带功放的温度模型，然后采用间接学习结构建立数字预失真器的温度模型，最后通过数字温度传感器实时检测环境温度，计算出相应的温度值，根据温度值实时计算数字预失真器的温度模型系数值，从而实现宽带数字预失真功放的温度实时补偿。使用本发明的基于环境温度检测并建立宽带功放温度补偿模型方法可以实现实时补偿宽带数字预失真功放温度漂移。

Description

一种宽带数字预失真功放的温度补偿方法和系统

技术领域

本发明涉及数字预失真功放技术领域，尤其涉及一种宽带数字预失真功放的温度补偿方法和系统。

背景技术

为了满足下一代移动通信系统(4th generation mobile communication，即4G)中基站设备体积小型化和绿色环保的趋势，需要提高宽带功放的线性度和效率。但是，针对下一代移动通信系统中所采用的正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，即OFDM)技术具有较高的峰均功率比(Peak-to-Average Power Ratio，即PAPR)问题，如何提高功放的线性度，人们提出了许多功放线性化技术，其中预失真技术包括射频预失真、中频预失真和数字预失真三种方法.

数字预失真线性化技术是补偿放大器非线性失真较好的线性化技术。基于记忆多项式的数字预失真(Memory Polynomial Digital Pre-Distortion，即MP-DPD)技术是实现数字预失真的另外一种形式，主要是基于功放的整体非线性特性，由各阶非线性叠加而成的假设，通过对各阶非线性失真和记忆效应进行补偿，从而达到功放整体线性化的目的。

面对下一代移动通信系统的宽带宽，宽带功放是宽带数字预失真功放系统中不可缺少的射频部件。在超宽带功放中，由于传输带宽带来的功放记忆效应会变得更加明显，其中因环境因素带来的功放管热记忆效应不容忽视，那么，在诸多的环境因素中，因环境温度的变化而引起的功放漂移问题就特别突出，如何解决温漂问题是数字预失真功放系统的关键。若仅仅从选择温度特性好的功放管来解决，则有许多缺点，器件选择困难，测试和调试费力，元器件的成本高。人们就提出了温度补偿方法，传统的温度补偿方法可分为两大类，一类是模拟温度补偿方法，另一类是数字温度补偿方法。模拟的温度补偿主要利用三极管PN结的负温度系数来实现，其特点是电路原理简单，易实现，这种方法虽然实现简单，成本低，但是，由于模拟器件的离散性较大，补偿精度很低，且生产一致性差，不太适合于批量生产，因此，不能得到广泛的应用。随着下一代移动通信系统的快速发展，对功放管的工作稳定性要求越来越高，此方法的应用范围将逐渐缩小。数字温度补偿方法相对于模拟温度补偿方法来讲，补偿精度有了很大的提高。现有的数字温度补偿方法，又称为查表方法，通常分为两种，一种是通过模拟的温度传感器检测出功放管的当前工作温度，然后通过ADC转换器将温度传感器输出的模拟电压转换为数字电压后发送给微控制单元(CPU)，CPU则对照预存在闪存(FLASH)中的温度-电压表根据不同的温度输出不同的电压，该数字电压信号通过DAC转换器后输出到功放管。但这种数字温度补偿方法存有以下缺点：1、采用模拟的温度传感器，其缺点是易受射频信号的干扰，射频信号的强弱会影响温度检测的准确性，从而会对温度补偿的准确性造成影响。而且，采用模拟温度传感器，就必需用到ADC转换器将模拟电压转换成数字信号，其实现成本较高。2、FLASH中预存的温度-电压表只有一个，且表中的数据是固定不变的，在写入CPU程序的时候将该表一并写入CPU，可操作性较差，在对不同的功放管进行温度补偿时均采用该表，而不同的功放管在同一温度下会有微小的差别，不同批次的功放管的这种差别就会更大了，因此，现有的这种数字温度补偿方法对功放管本身的一致性要求很高，这样，造成成本上的增加和补偿精度的下降。另一种是采用数字温度传感器来检测功放管温度、对各待测功放管自动计算对应的温补数据，这种方法是实时地监测功放管的工作温度，根据该工作温度在温补数据表中查找对应的补偿数据，并用该补偿数据对功放管进行温度补偿。具有温度补偿精度高、抗干扰性强。但是，此方法仍然需要DAC转换器模块，用于将微控制单元CPU输出的数字电压信号转换为模拟电压信号，并输出到功放管.以上数字温度补偿方法可以归结为间接补偿方法。

对于数字预失真功放的温度补偿，参见专利US 7034612 Kim；Wang-Rae的用于补偿功放的预失真的装置和方法(Apparatus and method for compensating pre-distortion of apower amplifier)，采用数字预失真控制器生成温度补偿系数并存贮在查找表中，然后从查找表中提取温度补偿系数送给输入信号来实现温度的补偿，该方法的缺点是需要较大的内存来存贮这些系数，温度补偿系数采用自适应算法进行更新。目前，Volterra级数是一种通用的非线性功率放大器模型，其已经成功地应用于具有记忆效应的射频功率放大器(功放)行为模型，其中记忆多项式功放模型是Volterra级数的简化形式。那么基于记忆多项式模型的数字预失真器功放系统中，因环境温度的变化而引起的宽带功放漂移问题是影响数字预失真功放系统性能的关键。

发明内容

本发明的目的在于解决宽带数字预失真功放中，因环境温度的变化而引起的漂移的技术问题，本发明是从宽带功放模型本身出发，采用最小二乘估计和正交多项式拟合的方法，建立宽带功放的温度模型，提供一种宽带数字预失真功放的温度补偿方法和系统。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

本发明提供一种宽带数字预失真功放的温度补偿方法。包括以下步骤：

步骤1、首先将宽带数字预失真功放的温度补偿系统中的宽带功放放于高低温箱对八个等间隔温度点下进行宽带功放的静态测量；

步骤2、然后通过最小二乘估计算法辨识出八个温度点下对应的宽带功放数学模型系数；

步骤3、接着将宽带功放数学模型中的系数看作是温度的函数，对各系数分别对温度进行正交多项式拟合，得到宽带功放的温度模型；

步骤4、对步骤3中得到的宽带功放温度模型表达式的输入改为数字预失真器系统的信号输入，输出改为数字预失真器系统的信号输出，得到数字预失真器的温度模型；

步骤5、通过数字温度传感器检测功放的环境温度，计算出温度值；

步骤6、根据温度值就可以实时计算数字预失真器的温度模型系数值，实现宽带功放的温度补偿。

本发明提供一种宽带数字预失真功放的温度补偿系统，包括个人计算机PC110，与数字预失真器DPD系统101连接，产生不同功率大小和频率点的宽带基带信号；数模转换器DAC102，用于对数字预失真温度补偿处理后的预失真信号进行数模转换并输出一个零中频的基带信号；射频发射机103，用于对零中频信号经过模拟正交调制到射频频段，然后射频放大，滤波后输出下行射频信号到宽带功放PA104；宽带功放PA104，用于对接收的下行射频信号进行功率放大；高低温箱108，用于控制宽带功放PA104在八个等间隔温度点下；固定衰减器109；用于接收来自宽带功放PA104的信号；RF反馈回路105，用于接收经过固定衰减器的射频信号进行下变频后输出一个模拟中频信号送给模数转换器ADC106；模数转换器ADC106，用于将模拟中频信号进行模数转换并输出一个数字中频信号到数字预失真器DPD系统；数字温度传感器107，用于检测宽带功放的环境温度并送给宽带预失真器DPD系统。

本发明还提供一种宽带数字预失真功放的温度补偿系统，包括数字预失真器DPD系统101，用于对基带IQ数据进行温度补偿预失真处理；数模转换器DAC102，用于对数字预失真温度补偿处理后的预失真信号进行数模转换并输出一个零中频的基带信号；射频发射机103，用于对零中频信号经过模拟正交调制到射频频段，然后射频放大，滤波后输出下行射频信号到宽带功放PA；宽带功放PA104，用于对接收的下行射频信号进行功率放大后送给天线输出；RF反馈回路105，用于接收经过宽带功放耦合反馈回来的射频信号进行下变频后输出一个模拟中频信号送给模数转换器ADC106；模数转换器ADC106，用于将模拟中频信号进行模数转换并输出一个数字中频信号到数字预失真器DPD系统；数字温度传感器107，用于检测宽带功放的环境温度并送给宽带预失真器DPD系统中以根据数字预失真器的温度模型得到数字预失真器的温度模型系数值来实现实时温度补偿。

本发明的宽带数字预失真功放温度补偿方法和系统可以实时直接监测和温度补偿功率放大器的温度系数值，从而较精确的控制功率放大器的温漂问题，维持功率放大器的稳定性恒定，可以提高数字预失真功放系统的正确性，降低甚至克服环境温度对功放系数的温漂影响，系统结构简单，只需采用数字温度传感器即可，可以保证批量的数字预失真功放在全温范围下的线性指标，降低了器件成本，提高了系统的稳定性。

附图说明

图1为本发明的宽带数字预失真功放温度补偿系统结构图；

图2为本发明的宽带功放温度模型辨识结构图；

图3为本发明的宽带数字预失真功放温度补偿方法流程图。

具体实施方式

下面根据附图来说明本发明的具体实施例：

如图1所示，是本发明的宽带数字预失真功放温度补偿系统结构图。该系统，用于对宽带数字预失真功率放大器进行温度补偿，包括数字预失真器DPD系统101、数模转换器DAC102、射频发射机103和宽带功放PA104、数字温度传感器107、RF反馈回路105和模数转换器ADC106。数字预失真器DPD系统101用于对基带IQ数据进行温度补偿预失真处理；数模转换器DAC102是对数字预失真温度补偿处理后的预失真信号进行数模转换并输出一个零中频的基带信号；射频发射机103将对零中频信号经过模拟正交调制到射频频段，然后射频放大，滤波后输出下行射频信号到宽带功放104，宽带功放进行功率放大后送给天线输出；RF反馈回路1 05用于接收经过宽带功放耦合反馈回来的射频信号进行下变频后输出一个模拟中频信号送给模数转换器ADC106；ADC将模拟中频信号进行模数转换并输出一个数字中频信号到DPD系统101；数字温度传感器107用于检测功放的环境温度并送给DPD系统中以根据数字预失真器的温度模型得到数字预失真器的温度模型系数值来实现实时温度补偿。DPD系统101为非直接学习结构，包括预失真处理和预失真训练两个子系统，该两个子系统具有完全相同的结构。

如图2所示，是本发明的宽带功放温度模型辨识结构图。先通过图2所示实现数据的采集存储和辨识算法计算以便建立宽带功放温度模型，将得到的宽带功放温度模型表达式的输入改为数字预失真器系统的信号输入，输出改为数字预失真器系统的信号输出，从而得到数字预失真器的温度模型，将其应用在图1所示的温度补偿系统中。图2所示整个装置的工作流程是：首先，将宽带数字预失真功放温度补偿系统中的宽带功放放于高低温箱108，PC机110通过USB线111连接DPD系统，并产生不同功率大小和频率点的宽带基带信号，并发送到数模转换器DAC102进行数模转换并输出一个零中频的基带信号，射频发射机103将对零中频信号经过模拟正交调制到射频频段，然后射频放大，滤波后输出下行射频信号到宽带功放104，然后，宽带功放104在高低温箱108控制20℃、25℃、30℃、35℃、40℃、45℃、50℃和55℃八个等间隔温度点下进行信号放大后送给固定衰减器109，接着，射频反馈回路105将用于接收经过固定衰减器109的射频信号进行下变频后输出一个模拟中频信号送给模数转换器ADC106；ADC将模拟中频信号进行模数转换并输出一个数字中频信号到DPD系统101，数字温度传感器107，用于检测宽带功放的环境温度并送给宽带预失真器DPD系统，最后，数字预失真器DPD系统通过USB线连接到PC机110实现数据的采集存储和辨识算法计算。

如图3所示，是本发明的宽带数字预失真功放温度补偿方法流程图。

步骤1、首先通过图2对20℃、25℃、30℃、35℃、40℃、45℃、50℃和55℃八个等间隔温度点下进行功放的静态测量实验；宽带功放的模型采用记忆多项式功放模型形式，根据功放非线性失真和记忆效应特性，一般取K＝3，Q＝2就能够描述功放的基本特性。

$y\left(n\right)=\underset{k=0}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}\underset{q=0}{\overset{2}{\mathrm{\Σ}}}{C}_{(2k+1),q}\·x(n-q)\·{\left|x(n-q)\right|}^{2k}---\left(1\right)$

上式中C_(2k+1)，q代表功放的系数，它的值为复数形式，x(n-q)是功放的输入信号x(n)延迟q(即x(n)的前q时刻采样值)，y(n)表示功放的输出，K是记忆多项式功放模型的阶数，Q是功放的记忆长度(即最大延迟)；模型(1)中未考虑环境温度以及其他环境的影响，本发明方法引入环境温度t的影响。

$y\left(n\right)=\underset{k=0}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}\underset{q=0}{\overset{2}{\mathrm{\Σ}}}{C}_{(2k+1),q}\left(t\right)\·x(n-q)\·{\left|x(n-q)\right|}^{2k}---\left(2a\right)$

上式(2a)中t代表环境温度变量。

$y(T,n)=\underset{k=0}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}\underset{q=0}{\overset{2}{\mathrm{\Σ}}}{C}_{(2k+1),q}\left(T\right)\·x(n-q)\·{\left|x(n-q)\right|}^{2k}---\left(2b\right)$

上式(2b)中T为以10℃零点的温度标准，即T＝t-10℃。因此，

y(T，n)＝C_1，0(T)·x(n)+C_3，0(T)·x(n)|x(n)|²+C_5，0(T)·x(n)|x(n)|⁴+C_7，0(T)·x(n)|x(n)|⁶

+C_1，1(T)·x(n)+C_3，1(T)·x(n)|x(n)|²+C_5，1(T)·x(n)|x(n)|⁴+C_7，1(T)·x(n)|x(n)|⁶    (2c)

+C_1，2(T)·x(n)+C_3，2(T)·x(n)|x(n)|²+C_5，2(T)·x(n)|x(n)|⁴+C_7，2(T)·x(n)|x(n)|⁶

步骤2、然后通过最小二乘估计算法辨识出八个温度点下对应的宽带功放数学模型系数；

C_1，0(T)＝C⁰ _1，0+C¹ _1，0T+C² _1，0T²…

C_3，0(T)＝C⁰ _3，0+C¹ _3，0T+C² _3，0T²…

C_5，0(T)＝C⁰ _5，0+C¹ _5，0T+C² _5，0T²…    (3)

……

C_7，1(T)＝C⁰ _7，1+C¹ _7，1T+C² _7，1T²…

C_7，2(T)＝C⁰ _7，2+C¹ _7，2T+C² _7，2T²…

步骤3、接着将宽带功放数学模型中的系数看作是温度的函数，对各系数分别对温度进行正交多项式拟合，得到宽带功放的温度模型；

y(n)＝C_1，0(T)·x(n)+C_3，0(T)·x(n)|x(n)|²+C_5，0(T)·x(n)|x(n)|⁴+C_7，0(T)·x(n)|x(n)|⁶

+C_1，1(T)·x(n)+C_3，1(T)·x(n)|x(n)|²+C_5，1(T)·x(n)|x(n)|⁴+C_7，1(T)·x(n)|x(n)|⁶    (4)

+C_1，2(T)·x(n)+C_3，2(T)·x(n)|x(n)|²+C_5，2(T)·x(n)|x(n)⁴|+C_7，2(T)·x(n)|x(n)|⁶

步骤4、对步骤3中得到的宽带功放温度模型的输入x(n)改为数字预失真器系统的信号输入s(n)，输出y(n)改为数字预失真器系统的信号输出x(n)，得到数字预失真器系统的温度模型；

x(n)＝C_1，0(T)·s(n)+C_3，0(T)·s(n)|s(n)|²+C_5，0(T)·s(n)|s(n)|⁴+C_7，0(T)·s(n)|s(n)|⁶

+C_1，1(T)·s(n)+C_3，1(T)·s(n)|s(n)|²+C_5，1(T)·s(n)|s(n)|⁴+C_7，1(T)·s(n)|s(n)|⁶    (5)

+C_1，2(T)·s(n)+C_3，2(T)·s(n)|s(n)|²+C_5，2(T)·s(n)|s(n)|⁴+C_7，2(T)·s(n)|s(n)|⁶

步骤5、通过数字温度传感器检测宽带功放的环境温度，计算出温度值T；

步骤6、根据温度值T就可以实时计算式(5)中数字预失真器系统的温度模型系数值，实现宽带功放的温度补偿。

宽带功放数学模型系数是在图2中的PC机对应进行计算并得到宽带功放的温度模型，将得到的宽带功放温度模型的输入x(n)改为数字预失真器系统的信号输入s(n)，输出y(n)改为数字预失真器系统的信号输出x(n)便会得到数字预失真器的温度模型；数字预失真器的温度模型系数值的计算是在图1中的数字预失真DPD系统中进行实时计算。

以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种宽带数字预失真功放的温度补偿方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1、首先将宽带数字预失真功放的温度补偿系统中的宽带功放放于高低温箱对八个等间隔温度点下进行宽带功放的静态测量；

步骤2、然后通过最小二乘估计算法辨识出八个温度点下对应的宽带功放数学模型系数；

步骤3、接着将宽带功放数学模型中的系数看作是温度的函数，对各系数分别对温度进行正交多项式拟合，得到宽带功放的温度模型；

步骤4、对步骤3中得到的宽带功放温度模型表达式的输入改为数字预失真器系统的信号输入，输出改为数字预失真器系统的信号输出，得到数字预失真器的温度模型；

步骤5、通过数字温度传感器检测功放的环境温度，计算出温度值；

步骤6、根据温度值就可以实时计算数字预失真器的温度模型系数值，实现宽带功放的温度补偿。

2.根据权利要求1所述的温度补偿方法，其特征在于：所述的宽带功放的数学模型为记忆多项式模型。

3.一种宽带数字预失真功放的温度补偿系统，其特征在于包括：

个人计算机PC(110)，与数字预失真器DPD系统(101)连接，产生不同功率大小和频率点的宽带基带信号，个人计算机PC通过最小二乘估计算法辨识出八个温度点下对应的宽带功放数学模型系数，接着将宽带功放数学模型中的系数看作是温度的函数，对各系数分别对温度进行正交多项式拟合，得到宽带功放的温度模型，将得到的宽带功放温度模型表达式的输入改为数字预失真器系统的信号输入，输出改为数字预失真器系统的信号输出，从而得到数字预失真器的温度模型；

数模转换器DAC(102)，用于对接收的宽带基带信号进行数模转换并输出一个零中频的基带信号；

射频发射机(103)，用于对零中频信号经过模拟正交调制到射频频段，然后射频放大，滤波后输出下行射频信号到宽带功放PA(104)；

宽带功放PA(104)，用于对接收的下行射频信号进行功率放大；

高低温箱(108)，用于控制宽带功放PA(104)在八个等间隔温度点下；

固定衰减器(109)，用于接收来自宽带功放PA(104)的信号；

RF反馈回路(105)，用于接收经过固定衰减器的射频信号进行下变频后输出一个模拟中频信号送给模数转换器ADC(106)；

模数转换器ADC(106)，用于将模拟中频信号进行模数转换并输出一个数字中频信号到数字预失真器DPD系统；

数字温度传感器(107)，用于检测宽带功放的环境温度并送给数字预失真器DPD系统中以根据数字预失真器的温度模型得到数字预失真器的温度模型系数值来实现实时温度补偿。

4.一种宽带数字预失真功放的温度补偿系统，其特征在于包括：

数字预失真器DPD系统(101)，用于对基带IQ数据进行温度补偿预失真处理，根据数字预失真器温度模型得到数字预失真器的温度模型系数值来实现实时温度补偿；

数模转换器DAC(102)，用于对数字预失真温度补偿处理后的预失真信号进行数模转换并输出一个零中频的基带信号；

射频发射机(103)，用于对零中频信号经过模拟正交调制到射频频段，然后射频放大，滤波后输出下行射频信号到宽带功放PA；

宽带功放PA(104)，用于对接收的下行射频信号进行功率放大后送给天线输出；

RF反馈回路(105)，用于接收经过宽带功放耦合反馈回来的射频信号进行下变频后输出一个模拟中频信号送给模数转换器ADC(106)；

模数转换器ADC(106)，用于将模拟中频信号进行模数转换并输出一个数字中频信号到数字预失真器DPD系统；

数字温度传感器(107)，用于检测宽带功放的环境温度并送给数字预失真器DPD系统中以根据数字预失真器的温度模型得到数字预失真器的温度模型系数值来实现实时温度补偿。

5.根据权利要求4所述的温度补偿系统，其特征在于：所述的数字预失真器DPD系统为非直接学习结构，包括预失真处理和预失真训练两个子系统，两个子系统具有完全相同的结构。

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