CN102143108A

CN102143108A - 一种改进的自适应预失真技术

Info

Publication number: CN102143108A
Application number: CN2011100639469A
Authority: CN
Inventors: 何松柏; 胡哲彬; 马岳林; 游飞
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2011-03-17
Filing date: 2011-03-17
Publication date: 2011-08-03

Abstract

提供一种改进的预失真的方法和装置。该线性化装置包括：自适应数字预失真模块，完成对功放输入信号的预失真处理并根据功放特性的变化进行自适应控制；信号均衡模块，针对自适应预失真电路中的前向支路以及反馈支路中的线性失真，利用信号均衡器对上述失真进行补偿，确保预失真信号以及反馈信号不受电路非理性因素干扰，提高自适应预失真性能。

Description

一种改进的自适应预失真技术

技术领域

本技术涉及宽带无线通信技术领域，尤其涉及宽带自适应数字预失真装置。通过对反馈信号以及预失真信号的均衡处理，消除宽带自适应数字预失真装置产生的线性失真对预失真性能的影响。

背景技术

随着现代无线通信技术的发展，为了提高频谱利用率以及调制效率，射频通信信号的调制方式逐渐复杂化，调制信号的包络幅度具有明显的随机特性(即具有较高的峰均比)，这就需要发射机具有足够大的动态范围去适应其包络变化，也对发射机的线性度提出了很高的要求。此外，传统的无线通信发射机中，其功率主要消耗在发射机末端的功率放大器上，因此功率放大器的效率决定了整个发射机的效率高低。

一般的无线通信发射机中，其功率放大器的线性与其效率是相互矛盾的，即效率较高的功率放大器其线性度差。一般来说，为了得到较好的效率，人们先将功放的线性与效率做了折衷，用牺牲线性的方法提高功放的效率，这样必然导致了射频信号的非线性失真。

为了解决上述问题，提出了功放线性化技术，用来保障发射机在不降低功率放大器效率的基础上提升发射机的线性度。预失真技术因其结构简单、宽带宽等特点而成为广泛应用的线性化技术。1959年，Macdonald提出用相反的非线性特性来补偿三极管自身非线性的方法，这是最早的预失真思想。从20世纪80年代以来，随着电子技术尤其是数字信号处理能力的不断发展，数字预失真被广泛应用，成为具有巨大潜力的线性化技术。

最开始的数字预失真一般采用的是无记忆预失真，这种预失真器能较好的矫正功放的非线性特性。随着信号调制方式越来越复杂，之后又考虑了因信号包络的快速变化而引起的功放性能恶化的功放记忆效应，便有了记忆预失真。但是功放的非线性特性是随着时间、温度等因素缓慢变化的，导致静态的预失真参数对功放线性化的补偿是有限的。自适应机制能较好的解决上述问题，通过周期性的获取功放特性并更新预失真参数，实时补偿功放非线性特性，现在应用最广泛的也就是这种自适应数字基带预失真。

在自适应基带预失真中，其反馈输入信号的真实性将影响预失真系统的性能。反馈支路所引入的噪声以及线性失真信号在自适应预失真中是无法消除的，而系统将这些与反馈信号一并看作功放的输出信号，因此在这种情况下所取得的功放的输入输出模型及其逆模型并不是真实可信的，最终影响自适应基带预失真的性能。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种改进的预失真装置，能够消除传统预失真装置中的线性失真，改善预失真性能，使其实现对无线通信中发射机线性度的提高。

根据本发明实施例的一个方面，提供一种改进预失真装置，该线性化装置包括：

数字预失真单元，对基带输入信号分别进行预失真矫正；信号均衡单元，对装置中所出现的线性失真进行均衡补偿；变频及滤波单元，将信号进行数/模或模/数转换、调制或解调并滤除无关信号；自适应控制单元，将经过衰减的反馈信号经过下变频解调之后，将失真信号与经过延时的原始输入信号进行比较，通过自适应信号处理等方式更新信号处理单元的各项参数；信号延时单元，将进入预失真器的数据进行延时处理；信号反馈单元，耦合功放的输出信号送至变频单元；功率放大单元和射频天线，将信号进行功率放大并发射至空域。

该数字预失真单元包括一个预失真参数查找表和一个高速信号处理单元，通过预失真参数索引，将最新的预失真参数送至高速信号处理单元并对原始输入信号处理，输出预失真信号。

该信号均衡单元包括两个均衡器，在预失真前向支路中，前均衡器用于预先处理信号，使其具有与预失真装置相反的线性失真，抵消前向支路中线性失真对预失真性能的影响；而在反馈支路中，后均衡器用于消除反馈支路上的线性失真对反馈信号的影响。

该变频及滤波单元包括数/模转换器、模/数转换器、正交调制器、正交解调器、带通滤波器以及低通滤波器等器件，负责对信号进行数/模或模/数转换、调制或解调并滤除无关信号。

该自适应控制单元包括自适应信号处理器，将经过后均衡的反馈信号与延时的预失真信号相比较，通过自适应滤波等方法，求出最佳预失真参数，在适当的时候更新预失真参数查找表。

该信号延时单元包括一个数字延时器，对预失真处理之后的信号进行延时操作。

信号反馈单元包括一个耦合器和一个衰减器，负责耦合部分功放输出信号并将其功率衰减至适当功率值，提供变频及滤波单元以反馈信号。

功率放大单元和射频天线，将信号进行功率放大并发射至空域。

由上技术方案可以看出，本发明在传统自适应宽带数字预失真的基础上，考虑了预失真装置本身所具有的一些线性失真，并在预失真器后以及自适应控制单元中分别加入了前均衡器和后均衡器，消除预失真装置的线性失真所带来的影响，提升了预失真的工作性能。

附图说明

通过参照附图的最佳实施例的详细描述，本发明的上述和其它特征以及优点将变得显见，其中：

图1是本发明实施例提供的自适应基带预失真结构框图。

图2是本发明实施例提供的预失真器框图。

图3是本发明实施例提供的自适应信号处理单元框图。

图4是本发明实施例提供的系统使用流程图。

图5是本发明实施例提供的预失真装置前向支路测试框图。

图6是本发明实施例提供的预失真反馈回路测试框图。

图7(a)是实测前向电路通带增益不平坦示意图；

图7(b)是实测前向电路通带相位抖动示意图。

具体实施方式

在下文中，将参照本发明实施例的附图详细描述本发明。

参考图1，为本发明实施例提供的自适应数字预失真结构框图。根据本发明实施例的自适应数字预失真包括：

数字预失真单元10，将两路基带输入信号分别进行信号处理，使输入信号发生非线性失真，用来补偿功率放大器的非线性特性。

参考图2，本实施例中，基带输入信号x(n)＝x_i(n)+j*x_q(n)经过输入信号处理器11分别产生如x_i(n)+j*x_q(n)、x_i(n)|x_i(n)|²+j*x_q(n)|x_q(n)|²以及x_i(n)|x_i(n)|^2k+j*x_q(n)|x_q(n)|^2k等信号，再将这些信号送入K个FIR(Finite Impulse Response，有限冲击响应)滤波器12中。每个FIR滤波器其抽头个数均为M，FIR的系数a₁₁、a₁₂…等均为事先设定好或由自适应信号处理单元40更新的。通过FIR滤波器处理完毕的信号最后通过加法器13形成预失真信号y(n)＝y_i(n)+j*y_q(n)。

y(n)用x(n)可表示为：

其中M为FIR抽头系数，K为FIR数量，也可以将M理解为非线性模型的记忆深度，2K+1为模型的非线性阶数。

前均衡器21以及后均衡器22，该模块主要是针对实际电路中的非理想因素所引起的线性失真而设计的，也是本发明的重点之所在。前均衡器21主要是将预失真之后的基带数据y(n)再送入一个FIR中进行处理，亦使其发生与前向电路中特性相反的线性失真，输出z(n)；而后均衡器22则是将反馈支路上的信号z′(n)送入FIR处理，消除在反馈支路上所产生的线性失真，为自适应信号处理单元40提供无失真反馈信号y′(n)。

变频及滤波单元，该单元包括数/模(D/A)转换器32及重构滤波器33，将前置均衡器输出信号z(n)转换成模拟信号z(t)；模/数(A/D)转换器38及抗混叠滤波器37，将下变频信号z′(t)转换成数字信号z′(n)；正交调制器31及带通滤波器34，将处理完毕并经过数模转换的信号z(t)上变频至射频信号S_in(t)；正交解调器35及带通滤波器36，将反馈回来的射频信号S′_out(t)下变频至零频信号z′(t)。

为z(t)的幅值信息，

为z(t)的相位信息。

自适应信号处理单元40，参考图3，包括延时估计单元41，缓存单元42，数据对齐单元43，预失真参数估计单元44。延时估计单元41主要目的是将预失真输出信号y(n)与反馈信号y′(n)之间的数据延迟求出来，一般预失真输出信号与反馈信号之间的延迟并不等于数字信号的整数个周期，所以需要通过插值等方法精确求出延时量；缓存单元42是为求延时以及预失真参数估计时提供一定数量的数据量，以确保处理结果的准确性；数据对其单元43是在延时估计单元确定好延时量之后，将两个输入缓存中的数据修正延时量送往下一单元；预失真参数估计单元44将修正好时延量的功放输入y(n)与输出y′(n)基带数据进行处理，针对预失真器所用的模型结构，利用自适应信号处理算法如最小均方误差(LMS)、递归最小二乘法(RLS)等，求出当前最佳参数，并更新预失真器10参数。由于上述自适应信号处理算法为公知技术，故在此不做详细解释。

信号延迟单元50，该单元提供固定周期量的数据延迟，能有效缩短延时估计单元41的处理时间并能减小缓存容量。

信号反馈单元包括耦合器61，衰减器62。耦合器将功率放大器70输出信号s_out(t)提取一部分信号进入反馈支路；衰减器62将耦合器所提取的射频信号s′_out(t)进行功率衰减，并送至下变频单元。

功率放大单元70，将输入信号S_in(t)进行功率放大，本发明主要目的是为了消除本单元所产生的非线性失真。该单元的功率放大器可以为A类、AB类、Doherty、ET等常见功放类型。

射频天线80，负责发射射频信号至空域。

参见图4，为本发明实施过程中，所需的几个必要步骤，首先需要将前向支路以及反馈支路中的线性失真特性测试出来，根据测试所得数据求出前后均衡器所需要的逆特性并计算好均衡器的参数，经过多次测试并求得均衡器参数之后方可启动系统。线性失真主要是由于支路中的滤波器等器件在通带内的增益和相位不平坦所造成的，所以在实施预失真的同时，必须考虑线性失真对系统的性能影响，前向支路的线性失真会导致预失真效果不佳，而反馈的线性会导致模型辨识不准确。

前向支路测试参考图5，主要包括的模块及仪器设备有基带数据产生器、数模转换模块、上变频模块、矢量信号分析仪以及计算机。测试流程如下：首先将测试信号通过计算机下载至基带数据产生器，将测试信号周期发送，经过一系列的数模转换和上变频之后，进入矢量信号分析仪，再由计算机将接收数据取回。应当注意的是矢量信号分析仪与前向支路中的频率源应当设置为同频，矢量信号分析仪中应当将采样率设置准确。

反馈支路的测试与前向支路的测试有相似之处，具体参考图6，主要包括的模块及仪器设备有矢量信号发生仪、耦合器、衰减器、下变频及模数转换模块、基带信号存储以及计算机。测试流程如下：将测试信号通过计算机下载至矢量信号发生器，也将测试信号周期发送，通过耦合器、衰减器、下变频和模数转换模块之后，基带信号存储模块将信号保存下来并上传至计算机。同样，矢量信号发生器与下变频模块也应当为同频模式，矢量信号发射器的发射速率也应当与实际实施时保持一致。

测试完毕，分别对两组测试的输入输出数据进行频域分析，可得到各自的线性失真频域特性，便可得到其逆特性，分别表示为H_pre(s)、H_post(s)。再根据两个频域冲击响应构造出所需要的前均衡器以及后均衡器。

需要说明的是：第一、本发明所采用的测试方法有一个必要前提，那就是所使用的各类测试仪器是接近理想状态的；第二、本发明所采用的测试均在离线模式下进行，利用计算机、测试仪器等辅助工具便能准确的测试出两条支路中的失真。

本发明中测试内容主要是在信号通带内的线性失真所引发的增益相位不平坦或抖动现象，而多音信号因其幅度、相位、数量和带宽可控等优势，能准确的反应出上述失真现象，因此本发明将多音信号作为测试信号。

参考图7(a，b)，分别为实测支路中通带内增益不平坦以及相位抖动失真现象示意图，其中三角形是多音信号测试所得数据，红线为内插值所得数据。本发明的主要目地便是消除支路中的线性失真现象，提高预失真系统工作效果。

有以上实施例可以看出，由于利用前均衡器以及后均衡器对两条支路中的线性失真进行补偿，不仅提高了预失真效果，而且由于反馈支路的线性失真消除，信号的纯净也带来了参数辨识时收敛速度的提高。依据本发明，能实现一个性能更好的数字基带预失真系统。

以上参照实施例具体地展示和描述了本发明，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims

1.一种线性化技术，包括：数字预失真单元(10)，对基带输入信号x(n)进行预失真矫正，输出预失真信号y(n)；信号均衡单元(20)，对装置中所出现的线性失真进行均衡；变频及滤波单元(30)，将信号均衡单元(20)输出的信号z(n)转变成模拟信号z(t)并进行正交调制并上变频至射频信号s_in(t)，或将信号反馈单元(60)所反馈的信号s_out(t)进行正交解调成基带信号z′(t)并通过模数转化送至均衡单元(20)；自适应控制单元(40)，反馈的失真信号y′(n)与经过延时的原始输入信号y(n)进行比较，通过自适应信号处理等方式更新信号处理单元的各项参数；信号延时单元(50)，将进入预失真器的数据y(n)进行延时处理；信号反馈单元(60)，耦合功率放大单元(70)输出信号s_out(t)并衰减功率至s_out′(t)，送至变频滤波单元(30)；功率放大单元(70)和射频天线(80)，将信号进行功率放大；

所述数字预失真单元(10)包括至少包括一个输入信号处理器(11)和FIR滤波器(12)，输入信号处理器利用数字信号处理的方法将输入信号x(n)＝x_i(n)+j*x_q(n)处理成形如x_i(n)+j*x_q(n)、x_i(n)|x_i(n)|^2k+j*x_q(n)|x_q(n)|^2k等信号，FIR滤波器(12)则将输入信号处理器(11)的输出信号分别进行延时和加权处理，最后输出预失真信号y(n)；

所述信号均衡单元(20)至少包括一个前置均衡器(21)和一个后置均衡器(22)，分别补偿前向支路以及反馈支路中所产生的线性失真。前置均衡器(21)将数字预失真单元(10)输出信号y(n)进行处理，预补偿前向支路中的线性失真；后置均衡器(22)则处理反馈信号z′(n)，消除反馈支路的线性失真对其的影响；

所述变频单元(30)至少包括两个变频器：正交调制器(31)和正交解调器(35)，用于将射频信号和基带信号的转换；两个数/模转化器(32)和两个模/数转换器(38)：用于数字基带信号和模拟信号直接的转换；四个低通滤波器：第一低通滤波器(33)和第二低通滤波器(37)，分别对数/模转化器(32)的输出信号进行重构和模/数转换器(38)的输入信号做抗混叠处理；两个带通滤波器：第一带通滤波器(34)和第二带通滤波器(36)，分别对前向支路以及反馈支路带通滤波；

所述自适应控制单元(40)至少包括一个自适应信号处理器，对发射信号y(n)以及y′(n)进行自适应滤波，计算数字预失真单元所需参数；

信号延时单元(50)至少包括一个数字延时单元，对发射信号y(n)进行整数倍时延；

信号反馈单元(60)至少包括一个耦合器(61)和一个衰减器(61)，将功率放大单元(70)的输出信号s_out(t)耦合一部分并衰减至小功率信号s_out′(t)；

其特征在于，信号均衡单元(20)针对电路中所出现的非线性失真对信号进行均衡补偿，前置均衡器(21)预补偿电路中的线性失真，使得预失真信号可以准确无误的送至功率放大单元(70)，而后置均衡器(22)则补偿反馈信号，将原始失真信号送至自适应控制单元(40)，因此，信号均衡单元(20)能够消除电路中实际存在的非理想因素，从而改善预失真系统的性能。

2.根据权利要求1，其特征在于，信号均衡单元(20)的构造是通过离线的方式而非在线完成的，通过使用测试信号分别对前向支路以及反馈支路进行测试，取得各支路线性失真特性以及逆特性，由此测试结果构造均衡器。

3.根据权利要求2，其特征在于，前向支路线性失真的测试主要由信号源、数/模转化器、低通滤波器、正交调制器、带通滤波器以及矢量信号分析仪组成；反馈支路线性失真的测试主要由矢量信号发生器、耦合器、衰减器、带通滤波器、正交解调器、模/数转化器以及数据存储器组成。

4.根据权利要求2，其特征在于，电路中线性失真所用测试信号为多音信号，其总带宽以及峰值均值功率比与实际处理信号相同。

5.根据权利要求3，其特征在于线性失真测试时，矢量信号发生器和矢量信号分析仪应与所对应的正交解调器和正交调制器使用同一个参考频率源，保证两器件之间是同频关系。