CN102075469A - 用于数字预失真系统的信号延迟时间的估计方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于数字预失真系统的信号延迟时间的估计方法，是先采用三阶样条内插方法对功率放大器的输入信号采样数据和输出信号采样数据分别进行内插处理，以使处理后的输入信号采样数据和输出信号采样数据的采样传输速率相等；完成内插操作后，从插值后的输入信号采样数据中取出N个采样数据，并从插值后的输出信号采样数据中取出相应的2N个采样数据，然后采用基于加减运算的延迟估计算法对上述两组数据(输入信号N个采样数据和输出信号2N个采样数据)进行时延估计，从而实现使得输出信号的采样数据和输入信号的采样数据之间的实现同步。本发明显著降低运算复杂度，且计算精度和准确度高，能准确估计预失真系统中信号的延迟时间。

Description

用于数字预失真系统的信号延迟时间的估计方法
技术领域
本发明涉及一种通信发射电路中传输时间延迟估计方法，确切地说，涉及一种用于数字预失真系统的信号延迟时间的估计方法，属于数字信号处理的技术领域。
背景技术
随着现代通信技术的不断发展，对通信系统的容量要求也越来越大。现代通信系统为了高效利用有限的频谱资源，频谱利用率较高的调制方式(如M-QAM)和传输技术(如OFDM，WCDMA)都得到了广泛应用。然而，这些调制方式和传输技术有共同的特点，即信号的包络波动大、峰均比高、经非线性射频功率放大器放大后会产生严重失真。这些失真在频带内造成系统误码率的升高，在频带外则明显增强对邻近信道的干扰。为了使功率放大器保持高线性度、高效率工作，就必须对功率放大器进行线性化。目前，功率放大器的线性化技术有：功率回退技术、包络消除和恢复技术、负反馈技术、前馈技术、非线性器件线性化技术及预失真技术等。在众多的线性化技术中，预失真技术以其实现复杂度低、稳定性高、带宽宽、线性化性能好等特点，成为目前功率放大器线性化技术中最具发展潜力的技术。
预失真技术的基本思想是：在功率放大器的前端插入一个具有与功率放大器相反特性的模块——预失真器，用于对输入信号进行预处理，再将处理后的信号输入功率放大器中，以补偿经功率放大器非线性放大而产生的AM-AM(输出信号的幅度变化与输入信号的幅度变化之间的关系)、AM-PM(输出信号与输入信号的相位差与输入信号的幅度变化之间的关系)失真，使得由预失真器和功率放大器组成的级联系统的输入与输出呈现线性关系。这种技术的实质就是预先使功率放大器的输入信号在幅度和相位方面产生预定的反失真，以抵消信号通过功率放大器时产生的非线性失真。
参见图1(a)和(b)，分别介绍预失真线性化原理的电路框图和实现机理。图1(a)中，Vi是原输入信号，F(.)为预失真器的传递函数，Vd是预失真器的输出信号，即Vd＝F(Vi)，G(.)为功率放大器传递函数，Vo是功率放大器的输出信号，即Vo＝G(Vd)＝G[F(Vi))]，预失真系统输入输出传递函数则为G[F(.)]。其中，预失真器传输函数特性与功率放大器的传输函数特性相反，当功率放大器的失真特性为增益压缩时，预失真器的失真特性则为增益扩张，从而使由预失真器与功率放大器构成的预失真系统的输出与输入呈现线性关系。
数字基带预失真系统的电路结构如图2所示。该电路主要包括：预失真器、数/模转换器(D/A)、功率放大器、衰减器、模/数转换器(A/D)。信号的预失真处理是在基带完成的：预失真器的一路输入信号是基带信号x(n)，输出为预失真信号z(n)，该预失真信号z(n)经过D/A转换、调制和上变频后，成为射频功率放大器的输入信号zRF(t)，再经由功率放大器放大后得到的输出信号为yRF(t)，yRF(t)经过增益为1/k的衰减器(k为功率放大器的期望增益)后形成反馈，该反馈信号经过下变频、解调和A/D转换后，成为预失真器的另一路输入信号y(n)/k，从而形成一个闭合环路。本发明的目的是估计信号经过上述预失真处理环路的延时时间，也就是图2中信号y(n)/k与x(n)之间的延迟时间。
数字预失真方法成功应用的关键和基础是准确估计环路延迟时间。由于A/D变换和D/A变换的实现难度不同，当待处理的信号带宽较宽，处理速度较高时，经A/D变换反馈回来的功放输出信号的采样速率可能与功率放大器输入信号速率不同。这种情况下，为准确估计环路延迟时间，需对获得的采样数据进行两步处理：先对采样数据进行内插，使得功率放大器输入和输出信号的采样率相同；然后利用内插处理后的数据进行时延时间估计。下面对本发明涉及到的插值函数和时延估计方法进行介绍。
插值函数是用来获取插值点数值的函数，在Matlab中，数据的一维插值函数是interpl，该函数提供了多种获得插值处数据数值的方法，设该函数的格式为：vi＝interp1(u，v，ui，’method’)，该函数可根据u和v的值，计算函数在ui处的值；其中，u和v是两个等长的已知向量，分别描述采样点和样本值，ui是一个向量或标量，描述欲插值的点，vi是一个与ui等长的插值结果，’method’是指定的插值算法，包括最近邻点插值、线性插值、三次样条插值，下面分别进行简要介绍。
最近邻点插值(nearest)：仅仅返回与插值点最邻近的一个原始输入数据的数值，其精确性最差，但经常用于快速插值或数据集合很大的情况；
线性插值(linear)：假设两个采样数据之间的中间值都落在该两个采样数据点的连线上，适用于各个数据之间存在一种近似线性关系的情况；
三次样条插值(spline)：若已知某函数的若干节点及其函数值，并用样条函数作为插值函数对节点范围内所有区间进行插值的方法，采用的样条函数称为样条插值函数，当样条插值函数在节点上具有一阶到二阶的连续导数，且在各段内为不高于三阶的多项式，则该函数被称为三阶样条函数。在两个相邻的数据点之间插入多个数值时，相当于在这两个数据点之间画出曲线，这时采用三阶样条插值就能够取得平滑的效果。
基于上述几种插值方法的不同特点，针对本发明中需处理数据的特点，选择三阶样条法对数据进行内插处理。
现在应用较多的时间延迟估计方法的核心都是基于相关算法的，即两组信号相关度最大时所对应的时间延迟，被视为有效信号的延迟时间。其原理如下：
设有两个离散信号x(n)和y(n)，其线性相关函数为：
Figure BSA00000380444500031
式中，m为位移量，m＞0表示y(n)序列左移，m≤0，表示y(n)序列右移，位移量m不同就得到不同的rxy(m)值；rxy(m)值＞0表示存在同相成分，rxy(m)值≤0表示存在反相成分，所以，当rxy(T)值最大时，表明x(n)和y(n+T)相关度最大，这里的T就是y(n)相对于x(n)延迟的序列个数。
上述方法的计算复杂度高、运算量大。但是数字预失真系统对信号的处理速率要求较高，因而上述方法很难应用于实际。因此，如何解决该问题，就成为业内科技人员关注的热点问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种复杂度低、运算量少的用于数字预失真系统的信号延迟时间的估计方法，该方法利用功率放大器的输入信号与其输出信号之间具有一定相关性，即作为预失真器输入的基带输入信号与其经由功放输出反馈回来的另一输入信号之间具有一定的相关性；而且，如果没有延迟偏差时，该两组输入信号的各个数据对应位的幅度差的累加和最小的机理，用复杂度低的加减法运算替代传统的复杂度高的卷积运算，在处理相同长度序列数据时，本发明显著降低了运算的复杂度；且计算精度和准确度高，能够准确估计预失真器的输入基带信号与由功率放大器的放大输出，再经耦合、解调及A/D变换后的反馈信号之间的时延时间。
为了达到上述目的，本发明提供了一种用于数字预失真系统的信号延迟时间的估计方法，适用于功率放大器的输入信号采样率及其输出信号采样率相同或不相同的情况；其特征在于：先通过三阶样条内插的方法对功率放大器的输入信号采样数据和输出信号采样数据分别进行内插处理，以使处理后的输入信号采样数据和输出信号采样数据的采样速率相等；完成内插操作后，从插值后的输入信号采样数据中取出N个采样数据，并从插值后的输出信号采样数据中取出相应的2N个采样数据，然后采用基于加减运算的延迟估计算法对上述两组数据：即输入信号N个采样数据和输出信号2N个采样数据进行时延估计，从而使得输出信号的采样数据和输入信号的采样数据实现同步。
本发明方法的优点是：对功率放大器的输入采样数据及其输出的采样数据分别进行插值，且在必要时进行二次内插，以提高时延估计的精度和准确度。并且，用复杂度较低的加减法运算替代传统的复杂度较高的卷积运算，在处理相同长度序列数据的情况下，显著降低了运算的复杂度。因此，本发明方法不仅精度和准确度高，而且运算复杂度低；所以，具有很好的推广应用前景。
附图说明
图1是功率放大器预失真技术原理示意图，其中，图1(a)是预失真线性化原理的电路框图，图1(b)是预失真技术的实现机理示意图。
图2是数字基带预失真系统的电路结构示意图。
图3是本发明用于数字预失真系统中的信号延迟时间的估计方法操作流程方框图。
图4是本发明方法中的步骤1操作流程方框图。
图5是本发明方法中的步骤2操作流程方框图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。
本发明是用于数字预失真系统的信号延迟时间的估计方法，该方法是：先采用三阶样条内插方法对功率放大器的输入信号采样数据和输出信号采样数据分别进行内插处理，以使处理后的两个信号采样数据的采样速率相等；完成内插操作后，从插值后的基带输入信号采样数据中取出N个采样数据，再从插值后的功放输出反馈信号中取出相应的2N个采样数据，然后采用基于加减运算的延迟估计算法对这两组数据：即输入信号N个采样数据和输出信号2N个采样数据的时延时间进行估计，以使输出信号的采样数据和输入信号的采样数据实现同步；且在估计过程中，不考虑功率放大器的耦合反馈信号未经衰落信道造成的畸变及高斯噪声的影造响。
参见图3～图5，介绍本发明方法的两个具体操作步骤的流程：
步骤1、对两个输入信号采样数据分别进行内插操作：对功率放大器的输入信号采样数据和输出信号采样数据分别进行三阶样条内插，使得处理后的上述两组采样数据的采样速率相等；且在需要时进行二次内插操作，以提高信号延迟估计的精度。该步骤包括下列具体操作内容(参见图4所示)：
(11)同时分别对功率放大器的输入信号和输出信号进行采样，得到采样速率为f1的输入信号序列x(n)和采样速率为f2的输出信号序列y(n)；如果该两个采样速率f1和f2相等，则跳转执行步骤(14)；否则，顺序执行步骤(12)。
(12)计算两个采样速率f1和f2的最小公倍数fs，再将该fs分别除以f1和f2得到的商用作输入信号内插倍数p和输出信号内插倍数q，其中，p≥1，q≥1。
(13)利用三阶样条插值法对输入信号序列x(n)进行p倍插值，得到插值后的输入信号序列xp(n)；再利用三阶样条插值法对输出信号序列y(n)进行q倍插值，得到插值后的输出信号序列yq(n)。
如果此时延迟时间估计的精度不够高，可以进行二次内插操作：即继续对该两个信号序列xp(n)和yq(n)分别执行k倍内插处理，其中，k为大于1的自然数，得到二次内插后的输入信号序列x’(n)和输出信号序列y’(n)。
(14)为了提高信号延迟估计的精度，对输入信号序列x(n)和输出信号序列y(n)分别进行k倍内插，其中，k为大于1的自然数，得到内插后的输入信号序列x’(n)和输出信号序列y’(n)。
步骤2、采用基于加减运算的延迟估计算法对内插处理后的两组数据进行时延估计：将两组采样数据对应位的幅度相减，再对相减后的差取绝对值并进行累加求和；然后根据该两组数据同步时，所述累加之和的数值最小的原理，对内插处理后的两组数据进行时延估计。该步骤包括下列操作内容(参见图4所示)：
(21)从插值后的输入信号序列xp(n)或x’(n)中顺序截取N个采样数据，并分别求出该N个采样数据的幅值，再将该N个采样数据的幅值组成新的信号序列x1(n)。
(22)从插值后的输出信号序列yq(n)或y’(n)中分别与输入信号序列xp(n)或x’(n)对应位置顺序截取2N个采样数据，并分别求出该2N个采样数据的幅值，再将该2N个采样数据的幅值组成另一新的信号序列y1(n)；
(23)按照下述步骤构造信号序列S(n)：
A、先构造矩阵W＝(w1(n)，w2(n)，...，wi(n)，...，wN+1(n))T，其中，w1(n)为信号序列y1(n)中的第1个到第N个采样数据组成的信号序列，即w1(n)＝y1(1：N)；w2(n)为信号序列y1(n)中的第2个到第N+1个采样数据组成的信号序列，即w2(n)＝y1(2：N+1)；如此继续操作，wi(n)为信号序列y1(n)中的第i个到第(N+i-1)个采样数据组成的信号序列，即wi(n)＝y1(i：N+i-1)，其中，i为自然数，其取值范围是1≤i≤N+1，执行上述操作后，得到(N+1)×N维矩阵W；
B、将信号序列x1(n)中的每个数据分别与信号序列w1(n)中的每个对应位数据相减后的差分别取绝对值，然后将得到的N个绝对值相加之和，作为信号序列S(n)中的第一个元素S(1)，即
Figure BSA00000380444500071
C、将信号序列x1(n)中的每个数据分别与信号序列w2(n)中的每个对应位采样数据相减后的差分别取绝对值，然后将得到的N个绝对值相加之和，作为信号序列S(n)中的第二个元素S(2)，即
Figure BSA00000380444500072
D、按照上述方法继续操作，将信号序列x1(n)中的每个数据分别与信号序列wi(n)中的每个对应位采样数据相减后的差分别取绝对值，再将得到的N个绝对值相加之和，作为信号序列S(n)中的第i个元素S(i)，即：
Figure BSA00000380444500073
式中，i为自然数，其取值范围是1≤i≤N+1；执行上述操作后，得到信号序列S(n)。
(24)先寻找出该信号序列S(n)中数值最小的元素S(T)的序号T，即S(T)＝min{S(i)}，则(T-1)就是延迟的采样数据的个数，将(T-1)乘以采样间隔、即采样速率最小公倍数的倒数：就得到功率放大器的输入信号采样数据和输出信号采样数据之间的延迟时间。
本发明已经进行了多次试验，试验结果是成功的，运用本发明方法可以快速、准确地估计出功放预失真系统的信号延迟时间，实现了发明目的。

Claims (5)

1.一种用于数字预失真系统的信号延迟时间的估计方法，适用于功率放大器的输入信号采样率及其输出信号采样率相同或不相同的情况；其特征在于：先通过三阶样条内插的方法对功率放大器的输入信号采样数据和输出信号采样数据分别进行内插处理，以使处理后的输入信号采样数据和输出信号采样数据的采样速率相等；完成内插操作后，从插值后的输入信号采样数据中取出N个采样数据，并从插值后的输出信号采样数据中取出相应的2N个采样数据，然后采用基于加减运算的延迟估计算法对上述两组数据：即输入信号N个采样数据和输出信号2N个采样数据进行时延估计，从而使得输出信号的采样数据和输入信号的采样数据实现同步。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述方法包括下列操作步骤：
(1)对两个输入信号采样数据分别进行内插操作：对功率放大器的输入信号采样数据和输出信号采样数据分别进行三阶样条内插，使得处理后的上述两组采样数据的采样速率相等；且在需要时进行二次内插操作，以提高信号延迟估计的精度；
(2)采用基于加减运算的延迟估计算法对内插处理后的两组数据进行时延估计：将两组采样数据对应位的幅度相减，再对相减后的差取绝对值并进行累加求和；然后根据该两组数据同步时，所述累加之和的数值最小的原理，对内插处理后的两组数据进行时延估计。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述步骤(1)进一步包括下列操作内容：
(11)同时分别对功率放大器的输入信号和输出信号进行采样，得到采样速率为f1的输入信号序列x(n)和采样速率为f2的输出信号序列y(n)；如果该两个采样速率f1和f2相等，则跳转执行步骤(14)；否则，顺序执行步骤(12)；
(12)计算两个采样速率f1和f2的最小公倍数fs，再将该fs分别除以f1和f2得到的商用作输入信号内插倍数p和输出信号内插倍数q，其中，p≥1，q≥1；
(13)利用三阶样条插值法对输入信号序列x(n)进行p倍插值，得到插值后的输入信号序列xp(n)；再利用三阶样条插值法对输出信号序列y(n)进行q倍插值，得到插值后的输出信号序列yq(n)；
(14)为了提高信号延迟估计的精度，对输入信号序列x(n)和输出信号序列y(n)分别进行k倍内插，其中，k为大于1的自然数，得到内插后的输入信号序列x’(n)和输出信号序列y’(n)。
4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于：所述步骤(1)中，在需要时进行的二次内插是在执行步骤(13)后，得到内插处理后的输入信号序列xp(n)和输出信号yq(n)时，为提高信号延迟估计的精度，继续对该两个信号序列xp(n)和yq(n)分别执行k倍内插处理，得到二次内插后的输入信号序列x’(n)和输出信号序列y’(n)。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述步骤(2)进一步包括下列操作内容：
(21)从插值后的输入信号序列xp(n)或x’(n)中顺序截取N个采样数据，并分别求出该N个采样数据的幅值，再将该N个采样数据的幅值组成新的信号序列x1(n)；
(22)从插值后的输出信号序列yq(n)或y’(n)中分别与输入信号序列xp(n)或x’(n)对应位置顺序截取2N个采样数据，并分别求出该2N个采样数据的幅值，再将该2N个采样数据的幅值组成另一新的信号序列y1(n)；
(23)按照下述步骤构造信号序列S(n)：
将信号序列x1(n)中的每个数据分别与信号序列y1(n)中的第1个到第N个采样数据的对应位相减后的差分别取绝对值，然后将得到的N个绝对值相加之和，作为信号序列S(n)中的第一个元素S(1)；
将信号序列x1(n)中的每个数据分别与信号序列y1(n)中的第2个到第N+1个采样数据的对应位相减后的差分别取绝对值，然后将得到的N个绝对值相加之和，作为信号序列S(n)中的第二个元素S(2)；
按照上述方法继续操作，即将信号序列x1(n)中的每个数据分别与信号序列y1(n)的第i个到第N+i-1个采样数据的对应位相减后的差分别取绝对值，然后将得到的N个绝对值相加之和，作为信号序列S(n)中的第i个元素S(i)，式中，i为自然数，其取值范围是1≤i≤N+1；执行上述操作后，得到信号序列S(n)；
(24)先寻找出该信号序列S(n)中数值最小的元素S(T)的序号T，再将(T-1)乘以采样间隔、即采样速率最小公倍数的倒数，就得到功率放大器的输入信号采样数据和输出信号采样数据之间的延迟时间。
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