CN101656512B - 功率放大器非线性程度度量装置、方法和预失真补偿装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及功率放大器非线性程度度量装置、方法和预失真补偿装置。该功率放大器非线性程度度量装置包括：延时器(304)，用于延迟输入的导频数据；减法器(305)，用于从经所述延时器延时的导频数据中减去随后输入的导频数据；功率计算单元(306)，计算所述减法器(305)的输出信号的瞬时功率；以及平均器(307)，用于对所述功率计算单元(306)所计算出的瞬时功率进行平均，获得平均功率。

Description

功率放大器非线性程度度量装置、方法和预失真补偿装置

技术领域

本发明涉及功率放大器，尤其涉及功率放大器的预失真补偿装置和方法。

背景技术

功率放大器(PA)是电子设备中的重要组成部分，它可以对微弱的电信号实现功率放大，以满足传输、发射的需要。其中，用于放大的能量来自直流电源。即PA将直流能量转化为交流信号，使得交流信号的功率强度满足需要。这里PA将直流能量转换为交流能量的能力被称作PA的效率。PA的输入输出信号功率关系可以分为线性区、非线性区和饱和区。

当输入信号的包络仅在线性区内波动时，输入的信号被理想放大。而当输入信号的包络波动至非线性区时，输出信号将被畸变。这种畸变在时域上表现为输出信号不是输入信号的理想放大，在频域上则表现为输出信号频谱的旁瓣升高，主瓣畸变。这是不希望发生的。

由于物理上的原因，当输入信号的包络波动深入至非线性区时，PA的效率将会远高于仅在线性区波动时的情形。而且随着新式调制方式的出现，信号包络的动态范围越来越大，因此发生非线性畸变不可避免，关键就在于如何克服这种非线性。

基带预失真技术是一种有效克服PA非线性的手段。它通过模拟PA非线性的逆特性，预先对基带数字信号进行预畸变，从而在PA输出端获得理想放大信号。

基础的PA逆特性可以通过测量获得，并且作为预失真数据集成到PA的预失真模块中。但是由于温度、湿度、器件老化等因素的影响，PA逆特性将会发生变化。因此，需要根据PA逆特性的变化，自适应地调整预失真数据。经典方法(矢量法)需要在PA工作时，精确地比较PA的输入数据和反馈的输出数据，这就带来了精确同步、保障IQ平衡等问题。为解决这些问题往往需要在电路上付出巨大的代价。

而采用功放输出信号的带外功率或者带内带外功率比等标量信息作为优化目标的预失真方法可以避免反馈回路的延时的影响，更加简便有效。这类方法称之为标量法。

随着无线通信技术的发展，各种高频谱效率的数字调制方式(如：16QAM/64QAM/OFDM)得到广泛的应用，但是这些调制方式会导致发送信号的包络具有较高的峰均比(PAPR)，从而对发射机功率放大器(PA)的线性度提出了很高的要求。标量法数字预失真技术也越来越受到关注。

图1示意性示出了采用标量法数字预失真技术的功放装置的框图。该功放装置例如用于无线通信系统中的基站或用户终端中的发射机。

如图1所示，来自信号源100的源信号经失真补偿器201失真补偿后，由数/模转换器300转换为模拟信号，然后经过上变频器400转换为射频信号输入到功率放大器500。功率放大器500的输出信号经过天线600发送。同时一部分功放输出信号经过耦合反馈回来，再经下变频器205后变换到基带，经过模数转换器204.0采样后得到数字基带信号。该基带信号携带功率放大器的非线性特征。带内带外功率比计算模块203对此基带信号进行数字信号处理，可得功放输出信号的带内带外功率比。根据该带内带外功率比，参数更新器202利用优化算法更新预失真器的参数，从而实现自适应预失真过程。

在这类方法中，对于反馈回路的模数转换器204.0有很高的要求。要想得到带外信号的功率，需要对反馈信号进行3倍以上的上采，对于宽带系统，高采样率的模数转换器功耗大，成本也高，因此很难应用到对功耗以及成本敏感的设备(如移动终端)中。

参考文献：

[1]“Predistortion technique for high power amplifier”，US006600792

发明内容

本发明针对标量法数字预失真技术提出一种新的代价函数以及其实现装置，用以克服现有技术的上述的一种或更多种缺点，至少提供一种有益的选择。

主要思路是：利用发送信号频域上的导频(带内信号)所携带的因功率放大器非线性而产生的谐波分量，计算代价值(即非线性程度度量值)，再利用优化算法对其进行优化并更新预失真器的参数，从而实现自适应预失真的过程。

为了实现上述目的，并根据本发明的思路，本申请具体提供了以下发明。

发明1、一种功率放大器非线性程度度量装置，其特征在于，所述功率放大器非线性程度度量装置包括：

延时器，用于延迟输入的导频数据；

减法器，用于从经所述延时器延时的导频数据中减去随后输入的导频数据；

功率计算单元，计算所述减法器的输出信号的瞬时功率；以及

平均器，用于对所述功率计算单元所计算出的功率进行平均，获得平均功率。

发明2、根据发明1所述的功率放大器非线性程度度量装置，其特征在于，所述功率放大器非线性程度度量装置还包括导频提取单元，用于提取所述导频数据，并将所提取的导频数据传送给所述延时器和所述减法器。

发明3、根据发明2所述的功率放大器非线性程度度量装置，其特征在于，所述导频提取单元包括：

符号同步单元，用于对输入信号进行同步；

子载波数据获取单元，用于获得频域各子载波上的数据；以及

导频数据提取单元，用于从子载波数据获取单元所获得的频域各子载波上的数据中提取导频子载波上的数据，即所述导频数据。

发明4、根据发明3所述的功率放大器非线性程度度量装置，其特征在于，

所述符号同步单元为粗同步单元。

发明5、根据发明3所述的功率放大器非线性程度度量装置，其特征在于，所述子载波数据获取单元为快速傅立叶变换单元，对经同步的输入信号进行快速傅立叶变换，从而获得频域各子载波上的数据。

发明6、一种无线通信装置中使用的预失真补偿装置，所述预失真补偿装置包括参数更新器，其特征在于，所述预失真补偿装置包括权利要求1所述的功率放大器非线性程度度量装置。

发明7、根据发明6所述的预失真补偿装置，其特征在于，所述无线通信装置包括发射机和接收机，并以TDD模式工作，其中所述接收机包括导频提取单元，所述预失真补偿装置利用所述导频提取单元提取导频数据，并将所提取的导频数据传送给所述延时器和所述减法器。

发明8、根据发明6所述的预失真补偿装置，其特征在于，所述功率放大器非线性程度度量装置还包括导频提取单元。

发明9、根据发明8所述的预失真补偿装置，其特征在于，所述功率放大器非线性程度度量装置还包括导频提取单元，所述导频提取单元包括：符号同步单元，用于对输入信号进行同步；子载波数据获取单元，用于获得频域各子载波上的数据；以及导频数据提取单元，用于从子载波数据获取单元所获得的频域各子载波上的数据中提取导频子载波上的数据，即所述导频数据。

发明10、根据发明5-9中任一项所述的预失真补偿装置，其特征在于，所述参数更新器根据所述功率放大器非线性程度度量装置所获得的度量值采用模式搜索法或最陡下降法进行参数更新。

发明11、一种功率放大器非线性程度度量方法，其特征在于，所述功率放大器非线性程度度量方法包括以下步骤：

延时步骤，用于延迟输入的导频数据；

相减步骤，用于从经所述延时步骤延时的导频数据中减去随后输入的导频数据；

功率计算步骤，计算所述减法步骤所获得的信号的瞬时功率；以及平均步骤，用于对所述功率计算步骤所计算出的功率进行平均，获得平均功率。

由于仅仅需要导频信号(带内信号)来完成代价值的计算，虽然模数转换器工作在奈奎斯特采样频率下会造成带外谐波信号混叠到带内，但是由于混叠进来的信号仍旧在一定程度上表征着功率放大器的非线性特征，因而可以有效的加以利用，所以可以让模数转换器工作于奈奎斯特采样率下。这样，既能有效利用带外的混叠信号，又能够降低模数转换器的功耗以及成本。

参照以下的说明和附图，本发明的这些和进一步的方面和特征将变得更加清楚。在所述的说明和附图中，详细公开了本发明的特定实施方式，指明了本发明的原理可以被采用的方式。应该理解，本发明在范围上并不因而受到限制。在所附权利要求的精神和条款的范围内，本发明包括许多改变、修改和等同。

针对一种实施方式描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施方式中使用，与其它实施方式中的特征相组合，或替代其它实施方式中的特征。

应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、整件、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、整件、步骤或组件的存在或附加。

参照以下的附图可以更好地理解本发明的很多方面。附图中的部件不是成比例绘制的，而只是为了示出本发明的原理。在本发明的一个附图或一种实施方式中描述的元素和特征可以与一个或更多个其它附图或实施方式中示出的元素和特征相结合。此外，在附图中，类似的标号表示几个附图中对应的部件，并可用于指示多于一种实施方式中使用的对应部件。此外，为了说明的简洁和制图的方便，附图中没有示出本领域技术人员所熟知的也应存在的其它部件。

附图说明

附图示出了本发明的优选实施例，构成了说明书的一部分，用于与文字说明一起进一步详细地阐释本发明的原理。在附图中，

图1示意性示出了采用标量法数字预失真技术的功放装置的框图；

图2示意性示出了依据本发明一种实施方式的功放装置的结构框图；

图3示意性示出了OFDM系统中非线性程度度量单元206的结构方框图；

图4示意性示出了依据本发明另一种实施方式的功放装置的结构框图；

图5给出在OFDM系统中预失真器与接收电路共用电路的实施例；

图6给出了本发明的代价值和带内带外功率比的关系曲线；以及

图7示出依据本发明的功率放大器非线性程度度量方法的一种实施方式的示例流程图。

具体实施方式

图2示意性示出了依据本发明一种实施方式的功放装置的结构框图。该功放装置例如可以用于无线通信系统中的基站或用户终端中的发射机。该功放装置也可用于其它需要使用功率放大器的装置中，如卫星、雷达的发射机中。实际上，本发明可以应用于频域有导频的任何系统。也就是说，本发明的通信系统包括使用的信号中频域有导频的任何系统。下面以该功放装置用于用户终端中的情况进行说明。

如图2所示，来自信号源100的源信号经失真补偿器201进行失真补偿后，由数/模转换器300转换为模拟信号。然后该模拟信号经过上变频器400转换为射频信号，输入到功率放大器500。功率放大器500的输出信号(功放输出信号)经过天线600进行发送，同时反馈一部分功放输出信号。

在该功放装置用于用户终端中的情况下，该信号源100的源信号例如为从调制器输出的16QAM，64QAM，OFDM信号等。在这里信号源是指产生将要由本发明的功放装置放大的信号的任何装置，其可能包括信号发生装置、导频插入装置、IFFT装置等等。

另外，虽然在图2中仅示出了与功率放大有关的部件(如功率放大器500、上变频器400、失真补偿器201等)以及发射天线600，但本领域的技术人员应该意识到，该用户终端还包括其它的用以实现用户终端的各种功能的部件。

另外，应该注意的是，当该功放装置用于其它装置中时，发射天线会相应地由使用功放输出信号的其它装置所取代。

被反馈的那部分功放输出信号经下变频器205后被变换到基带，经过模/数转换器204.1采样后得到数字基带信号。利用此基带信号，非线性程度度量单元206确定功率放大器的非线性程度。该非线性程度的度量值在本文中也称之为代价值。

然后由参数更新器202根据该代价值更新预失真器的参数，从而实现自适应预失真过程。

图3示意性示出了OFDM系统中非线性程度度量单元206的结构方框图。

模数转换器204.1输出的信号首先经符号同步单元301进行符号同步。这里的符号是指OFDM符号，根据上下文也称输入信号。符号同步是指将反馈的信号与发射的信号进行同步，从而找到符号的开始点的过程。每个符号都含有一定长度的循环前缀。在本发明中，优选的是，符号同步单元301为符号粗同步单元。这里的粗同步是指同步的误差小于循环前缀的长度即可，而不进行更高精度的同步。粗同步可以使用基于循环前缀的相关峰检测算法来实现。仅仅进行粗同步可以减少处理负荷，降低对处理元件的性能要求，从而降低成本。采用粗同步不会对性能造成影响。

子载波数据获取单元302从经粗同步的信号中获取符号的频谱，即，频域各子载波上的数据。在一种实施方式中，子载波数据获取单元302由快速傅立叶变换(FFT)单元实现。应该注意的是，在这种实施方式中，假定输入到失真补偿器201中的信号(即来自信号源100的信号)经过了IFFT变换，从而输入到符号同步单元301中的信号也是经过了IFFT变换的信号，所以采用快速傅立叶变换(FFT)单元。如果来自信号源100的信号是经过其它处理的信号，子载波数据获取单元302所采用的方法也会进行相应的改变，只要其能够提取频域各子载波上的数据即可。

然后，导频提取数据提取单元303提取导频子载波上的数据。在本文中，导频子载波应该作宽泛的理解，其包括接收机和发射机双方约定了位置和数据的任何子载波。

提取的数据经过延时器304延时后，由减法器305从经过延时器304延时后的数据中减去随后的符号的相同的导频子载波上的数据。在本文中，在将当前一个符号的导频子载波上对应的导频数据视为当前导频数据时，将与该个符号的随后符号的导频子载波对应的导频数据称为随后的导频数据。优选的是，减法器305从经过延时器304延时后的信号中减去该被延时器304延时前的数据对应的符号的下一符号的相同的导频子载波上的数据。

然后由功率计算单元306计算该差值的功率(瞬时功率)，即计算差值模的平方。该功率经平均器307平均后作为代价值输出。

应该注意，以上的符号同步单元301、FFT单元302、以及导频数据提取单元303一起组成了导频提取单元，其目的是为了提取导频。以上的导频提取单元包括符号同步单元301、FFT单元302、以及导频数据提取单元303的实施例仅仅是示例性的，可以采用本领域技术人员所知的任何方法和装置来实现导频提取。

下面对本发明的原理进行说明。

假设第i个符号第k个导频子载波上的数据为P_i，k，那么其可以写为：

P_i，k＝H_i，kA+ICI_i，k

此处，H_i，k为整个回路(即从导频的插入到提取，信号所经过的路径)在第i个符号第k个导频子载波上频率响应，ICI_i，k为第i个符号第k个导频子载波谐波分量。A为未失真的导频信号。

由于整个回路频率响应在不同的符号上可以认为是保持不变的，因而减法器305的输出可以写为：

D_i，k＝H_i，kA+ICI_i，k-H_i-1，kA-ICI_i-1，k＝ICI_i，k-ICI_i-1，k

那么输出的代价值(该减法器的输出的信号的功率的平均)可以写为：

Metric_i＝E(|D_i，k|²)＝E(|ICI_i，k|²)+E(|ICI_i-1，k|²)-2Re(E(ICI_i，kICI^* _i-1，k))

上式中，E(·)表示数学期望，Re(·)表示取复数的实部，*表示共轭。这里，计算绝对值的平方实际上就是确定了瞬时功率。求均值就是根据瞬时功率来算平均功率。

如果假定ICI_i，k，ICI_i-1，k是统计独立的，则代价值可以写为：

Metric_i＝E(|D_i，K|²)＝E(|ICI_i，k|²)+E(|ICI_i-1，k|²)-2Re(E(ICI_i，k)E(ICI^*i-1，k))

如果ICI的均值为零，上述代价值表示带内谐波的功率。

考虑到代价值的稳定性，可以用多个符号平均得到比较稳定的代价值。

应该注意的是，虽然在上面对原理的说明中，是以相邻的两个符号为示例的，但如上所述，符号不一定是相邻的，只要是相同的导频子载波的符号即可，可以是彼此相隔若干个符号的两个符号。

综上所述，度量PA非线性程度的代价值是利用带内的导频来计算得到的，而不是直接测量带外功率。因此模数转换器不需要过高的采样率就能够测量到带外信号功率。在只利用带内导频的情况下，奈奎斯特采样率足够了(由采样定理保证)。

如图2所示，模数转换器的采样速率工作于奈奎斯特采样率，如前面的分析，在此频率上可以有效地利用混叠进带内的谐波信号，但是，即便是模数转换器的工作速率大于奈奎斯特采样率，也并不影响本方法的应用。因为即使带外谐波分量没有混叠到带内，带内信号本身所携带的谐波分量也能表征功率放大器的非线性特性。下面对此进一步进行说明。

由于PA非线性会在信号的频谱上叠加谐波分量，这个谐波分量既分布在带外又分布在带内。在采样速率等于奈奎斯特采样率时，带外谐波会混叠到带内，带外带内谐波分量可以一起参与到代价值的计算。但当采样速率大于奈奎斯特采样率时，部分带外谐波分量不会混进带内。但是此时，带内谐波分量本身也是PA非线性所造成的，利用部分谐波分量来计算代价值同样也能表示PA非线性特性。

图4示意性示出了依据本发明另一种实施方式的功放装置的结构框图。图4与图2的功放装置的不同之处在于用模/数转换器204.2代替了图2中的模/数转换器204.1。即在图4中，模/数转换器204.2以等于或者高于奈奎斯特采样率的采样速率工作。而在图2中，模/数转换器204.1以等于奈奎斯特采样率的采样速率功率工作。

参数更新器202对参数进行更新可以用模式搜索法、最陡下降法等经典的自适应算法来实现。现以最陡下降法为例简单的描述如何用代价值来更新参数。假设在时刻t，第i个待更新的参数为ω_i(t)，并将N个待更新的参数记为ω(t)＝[ω₁(t)，ω₂(t)，…ω_N(t)]，参数更新的步长为μ，时刻t所计算的代价值为J(ω(t))，那么更新算法可以表示为：

${\mathrm{\ω}}_i(t+1)={\mathrm{\ω}}_i\left(t\right)-\mathrm{\μ}\frac{\∂\left(J\left(\mathrm{\ω}\left(t\right)\right)\right)}{{\∂\mathrm{\ω}}_i}$

上述参数更新过程是一个迭代过程，迭代结束的条件是J(ω(t))小于某个预设的目标值。

类似地，也可采用模式搜索等经典的自适应算法来进行参数更新。实际上参数更新器可以采用本领域技术人员现在已经知道的或将来可能知道的任何方法来进行参数更新。

在OFDM的TDD系统中，由于发送信号和接收信号工作于相同的频率，采用时间复用的方式工作。即，在发送信号的时候，接收电路是不工作的。因此，可以充分的利用这一特点，让预失真系统尽可能地与接收电路来共用电路，从而减少预失真系统的电路规模。这对于对功耗以及成本敏感的设备(如：移动终端)是尤为重要的。图5给出一个在OFDM系统中预失真器与接收电路共用电路的实例。

在图5中，发射机T和接收机R通过开关507来实现时分复用，共用天线600。其发射机T包括：导频插入单元501、IFFT单元502、失真补偿器201、数/模转换器300、上变频器单元400、功率放大器500。接收机包括：低噪声放大器504、下变频器205、模/数转换器204、粗同步单元301、FFT单元302、导频数据提取单元303、信道估计单元505以及频域均衡器506等。虚线描述预失真系统的信号流。当发射机T发送信号时，接收机R不工作，功率放大器500的输出信号经耦合衰减器503后进入接收机R的工作电路，从而实现预失真器与接收机电路的共用。比较图3和图5，预失真系统的下变频器205、模数转换器204、粗同步电路301、FFT302以及导频数据提取单元303均可以和接收电路共用，从而间接地减小了预失真系统的电路规模，这也是本发明的另一个优点。

在802.16e，10MHZ带宽的条件下，图6给出了本发明的代价值和带内带外功率比的关系曲线。从图中可知：本发明所提出的代价值与带内带外的功率比存在单调的关系。所以该代价值完全可以用来度量PA非线性的程度。

应该注意，这里描述的发射机和接收机的都只是示例性的，其可以包括本领域技术人员所知的附加的或另选的或可选的其它部件。

图7示出了依据本发明的功率放大器非线性程度度量方法的一种实施方式的示例流程图。如图7所示，依据本发明的一种实施方式，本发明的功率放大器非线性程度度量方法包括以下步骤：

延时步骤(702)，用于延迟输入的导频数据；

相减步骤(703)，用于从经所述延时步骤延时的导频数据中减去随后输入的导频数据；

功率计算步骤(704)，计算所述减法步骤所获得的信号的瞬时功率；以及

平均步骤(705)，用于对所述功率计算步骤所计算出的功率进行平均，获得平均功率。

在本发明的一种实施方式中，本发明的功率放大器非线性程度度量方法还包括导频数据提取步骤701，用于提取导频数据。提取导频数据例如可以利用前述的符号同步单元301、子载波数据获取单元302以及导频数据提取单元303等利用上面描述的工作方法完成。

Claims (10)

1.一种功率放大器非线性程度度量装置，其特征在于，所述功率放大器非线性程度度量装置包括：

延时器(304)，用于延迟输入的当前符号的导频子载波上的导频数据；

减法器(305)，用于从经所述延时器延时的导频数据中减去随后输入的符号的相同导频子载波上的导频数据；

功率计算单元(306)，计算所述减法器(305)的输出信号的瞬时功率；以及

平均器(307)，用于对所述功率计算单元(306)所计算出的功率进行平均，获得平均功率。

2.根据权利要求1所述的功率放大器非线性程度度量装置，其特征在于，所述功率放大器非线性程度度量装置还包括导频提取单元，所述导频提取单元用于提取所述导频数据，并将所提取的导频数据传送给所述延时器(304)和所述减法器(305)。

3.根据权利要求2所述的功率放大器非线性程度度量装置，其特征在于，所述导频提取单元包括：

符号同步单元(301)，用于对输入信号进行同步；

子载波数据获取单元(302)，用于获得频域各子载波上的数据；以及

导频数据提取单元(303)，用于从子载波数据获取单元(302)所获得的频域各子载波上的数据中提取导频子载波上的数据，即所述导频数据。

4.根据权利要求3所述的功率放大器非线性程度度量装置，其特征在于，

所述符号同步单元(301)为粗同步单元。

5.根据权利要求3所述的功率放大器非线性程度度量装置，其特征在于，所述子载波数据获取单元(302)为快速傅立叶变换单元，对经同步的输入信号进行快速傅立叶变换，从而获得频域各子载波上的数据。

6.一种预失真补偿装置，该预失真补偿装置在无线通信装置中使用，所述预失真补偿装置包括参数更新器(202)，其特征在于，所述预失真补偿装置包括权利要求1所述的功率放大器非线性程度度量装置。

7.根据权利要求6所述的预失真补偿装置，其特征在于，所述无线通信装置包括发射机和接收机，并以TDD模式工作，其中所述接收机包括导频提取单元，所述预失真补偿装置利用所述导频提取单元提取导频数据，并将所提取的导频数据传送给所述延时器(304)和所述减法器(305)。

8.根据权利要求6所述的预失真补偿装置，其特征在于，所述功率放大器非线性程度度量装置还包括导频提取单元，所述导频提取单元包括：

符号同步单元(301)，用于对输入信号进行同步；

子载波数据获取单元(302)，用于获得频域各子载波上的数据；以及

导频数据提取单元(303)，用于从子载波数据获取单元(302)所获得的频域各子载波上的数据中提取导频子载波上的数据，即所述导频数据。

9.根据权利要求6-8中任一项所述的预失真补偿装置，其特征在于，所述参数更新器(202)根据所述功率放大器非线性程度度量装置所获得的度量值，采用模式搜索法或最陡下降法进行参数更新。

10.一种功率放大器非线性程度度量方法，其特征在于，所述功率放大器非线性程度度量方法包括以下步骤：

延时步骤，用于延迟输入的当前符号的导频子载波上的导频数据；

相减步骤，用于从经所述延时步骤延时的导频数据中减去随后输入的符号的相同导频子载波上的导频数据；

功率计算步骤，计算所述减法步骤所获得的信号的瞬时功率；以及

平均步骤，用于对所述功率计算步骤所计算出的功率进行平均，获得平均功率。

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