CN102354118A - 一种适于硬件实现的数字预失真算法系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于模拟与混合信号集成电路技术领域，具体为一种适用于硬件实现的数字预失真算法系统。该算法系统由预失真模块，预失真查找表更新模块，环路延迟估计模块，环路相位粗旋转补偿模块构成。本发明主要完成对发射机中非线性元器件的校正功能，从而抑制临道展宽对通信质量的影响。本发明能够很好的满足发射机对协议ACPR(临道抑制比)的要求，同时适用于硬件实现，以较小的代价得到改善发射机非线性的效果。

Description

一种适于硬件实现的数字预失真算法系统

技术领域

本发明属于模拟与混合信号集成电路技术领域，具体涉及一种适于硬件实现的数字预失真算法系统，以补偿发射机中非线性元件。

背景技术

功率放大器是通信系统中不可缺少的元件，同时也是非线性程度最差的元件。非线性会造成频谱展宽，这将会影响临到信号。同时，它也会引起袋内信号的扭曲，这将会增加接收机的误码率。近年来的发射格式，像是WCDMA(宽带码分多址移动通信系统) 或者OFDM(正交频分复用技术)，由于较高的PAPR(信号功率峰均比)，对非线性造成的扭曲特别敏感。如果人们简单的使用功率回退技术，降低输入信号的功率，虽然能够得到所要求的线性度，但是发射机的功率就会大大降低。数字预失真技术可以使发射机同时保持较好的非线性和合理的效率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构简单、代价较小的，同时有较快自适应能力的数字预失真算法系统。

根据发射机中功率放大器的非线性特性及其对数字预失真性能指标的要求，本发明提出一种数字预失真算法系统，由预失真模块，预失真查找表更新模块，环路延迟估计模块，环路相位粗旋转补偿模块构成。其中：

预失真模块，由查找表,复数乘法器和绝对值模块构成。查找表分别对IQ两路进行补偿，绝对值模块用于产生查找表的地址，复数乘法器用于对查找表提供的信息和输入信号进行复数乘法。该预失真模块用于对输入信号进行预失真处理。

预失真查找表更新模块，由查找表更新模块，误差计算模块和绝对值模块构成，用于更新查找表中对应的复数增益信息。更新的具体原理如图2所示：误差计算模块根据发射与反馈信号之间的差计算误差向量，查找表更新模块根据误差向量对查找表进行更新，更新方向与误差向量相同，更新步长正比于误差向量的模。绝对值模块用于确定究竟更新查找表中的哪一条。 

环路延迟估计模块，用于估测和补偿发射接收环路所引入的延迟，对准发射和接收的信号。具体分为整数延迟估计模块，整数延迟补偿模块，小数延迟估计模块与小数延迟补偿模块。整数延迟估计模块和两个绝对值模块完成整数延迟估计，其中，所述两个绝对值模块提供输入信号和反馈信号的绝对值。

相位粗旋转补偿模块，用于估测和补偿发射接受环路所引入的相位偏转，具体原理如图3所示，采用相位为0的单位向量为测试向量，测试向量的反馈向量的相位就是反馈环路所引入的相位偏转。如果对反馈向量取共轭，就能得到相位旋转补偿值。

总体上看，预失真模块对输入信号进行预失真处理，预失真查找表更新模块对预失真模块中的查找表信息进行更新，但是更新依赖于误差向量的正确性，这种正确性依赖于环路延迟估计与补偿和相位粗旋转补偿。环路延迟估计模块与相位粗旋转补偿模块都是为了能够对准发射数据与反馈数据。只有对准发射与反馈数据，预失真查找表更新模块中的误差计算模块才能得到准确的误差向量，从而正确更新查找表中的值。

本发明中，所述预失真查找表更新模块采用输入信号归一化，误差归一化技术，可以消除输入信号所造成的的收敛速度的差异。

本发明中，所述相位粗旋转补偿模块采用单位向量作为测试向量，其返回值的共轭作为相位粗旋转的补偿向量。

本发明能够很好地满足数字预失真方法对ACPR和归一化均方误差的要求，以一套简单且代价小的硬件结构实现了对发射机中非线性元件的补偿目的。

附图说明

图1 为适用于硬件实现的数字预失真算法系统的结构图。

图2 为预失真模块和预失真查找表更新模块的结构图。

图3 为相位粗旋转补偿的原理图。

图4 预失真的效果依赖于接收回路的非线性程度和相位偏转图示。曲线(1)为ACPR 随相位偏转的变化曲线；曲线(2)为NMSE（归一化均方误差）随相位偏转的变化曲线。

具体实施方式

根据本发明内容，适用于硬件实现的预失真算法具体实施方式如下：

1、 预失真模块

预失真模块主要是由两块查找表和一个复数乘法器构成。分别用于校正IQ两路。如果定义                                                

是输入信号向量，

为输入幅度为r(n)时的PA(功率放大器)放大特性，把

定义为是输入幅度为r(n)时LUT（查找表）所应存储的预失真特性，那么希望最终得到的信号是：

             （1） 

K是放大常数，abs(*)表示取*绝对值，在一定范围内，LUT精度越高，

越精确，预失真的效果会越好，但是LUT所要求的精度受制于模数转换器、数模转换器的精度。LUT精度为16bit的精度已经能够取得满意的性能。

相当于依靠一个预失真向量

，同时校正功率放大器造成的幅度失真和相位失真，而这两种失真也是发射机中失真最主要的来源。

2、 预失真查找表更新模块

预失真查找表更新模块主要用于更新查找表中所存储的复数增益信息。本发明中所使用的更新算法是基于最小均方误差的算法(Least Mean Square)。最小均方误差的算法的具体原理如下：

             （2）

其中，上标H表示取共轭， 

为步长，为保证收敛，

可取1/128，也可取1/64，或1/256等，，代表输入信号与反馈信号之间的差。这个差值向量为进一步更新复数增益

提供了具体的幅度和方向；

，      （3）

表示通过反馈回路接收到的信号。这个信号是被功率放大器扭曲的发射信号

。

但是这种简单的LMS更新算法的速度会受到输入信号很大的影响。这一项实际上是根据误差向量确定的更新增量，更新的步长实际上是在根据输入信号的幅度和误差向量幅度的改变而不断改变的。当输入信号幅度较大，或者误差向量幅度较大的时候，更新步长就会较大，反之在输入信号较小的时候，这种更新算法就会很慢，因此不利于提高整体的更新速度，也就限制了算法的自适应能力。这对于移动设备是尤其不利的。因此本发明采用了归一化的方法，从而使得具体每一个复数增益的更新速度不会受到输入信号幅度的影响，也不会受到误差向量幅度的影响。进行归一化处理之后，更新算法如下：

          （4）

其中，| |表示取绝对值。

归一化的运算可以通过CORDIC（协调旋转数字计算）结构完成，同样适用于手持设备的硬件实现。 

3、环路延迟估计模块

数字预失真方法的基础是误差向量

和

是同步的，只有这样，

才能真实的反映出PA的非线性。但由于环路中不可避免的延迟，

不能准确对应于输入信号。因此，为了能够真正实现这种算法，需要对环路延迟进行估测和校正。环路延迟分为两部分，整数延迟和小数延迟。整数延迟较为稳定，不会出现较大的变化。但是小数延迟可能会随着使用环境产生微小的变化。因此整数延迟只在一开始进行估测，而小数延迟会在随查找表持续更新。

整数延迟对精度要求较低，主要原理是对加入不同延迟的输入信号的绝对值和反馈信号的绝对值做相关运算，找出相关值最大的那个延迟。

小数延迟的估测较为复杂，同时对精度也要求较高。基本原理是对精确延迟附近的4个整数延迟的值进行加权平均，权重取决于这4个值与反馈信号的相关值的大小。

4、相位偏转

虽然这种方法主要目的是校正PA的非线性，但是在整个发射环路中的非线性和相位的偏转都能够得到很好的补偿。但预失真的效果严重依赖于接收回路的非线性程度和相位偏转。如图4所示。其中，曲线(1)为ACPR（临临道功率抑制比）随相位偏转的变化曲线；曲线(2)为NMSE(归一化均方误差) 随相位偏转的变化曲线。

如果相位偏转过大，LUT根本不能收敛，也就无法达到所希望的效果了。接收回路中的相位偏转主要是由于混频器所引入，受具体使用环境影响较小，因此不需要时时更新其数值。因此在整数延迟检测完成之后，进行相位偏转检测，具体原理如图3。

如果

是一个幅度为1，相位为0的复数信号，那么这个信号的幅度不会受到影响，但是相位会发生偏转，偏转的角度就是接收环路所固有的相位偏转，此时

=。如果取

的共轭，就能得到

，那么，任何接收到的反馈信号，与

做复数乘法，都能够消除这个相位偏转。

Claims (4)

1.一种适于硬件实现的数字预失真算法系统，其特征在于，由预失真模块，预失真查找表更新模块，环路延迟估计模块，环路相位粗旋转补偿模块构成；其中：

预失真模块，用于对输入信号进行预失真处理；该预失真模块由查找表,复数乘法器和绝对值模块构成；查找表分别对IQ两路进行补偿，绝对值模块用于产生查找表的地址，复数乘法器用于对查找表提供的信息和输入信号进行复数乘法； 

预失真查找表更新模块，用于更新查找表中对应的复数增益信息；该预失真查找表更新模块由查找表更新模块、误差计算模块和绝对值模块构成，误差计算模块根据发射与反馈信号之间的差计算误差向量，查找表更新模块根据误差向量对查找表进行更新，更新方向与误差向量相同，更新步长正比于误差向量的模，绝对值模块用于确定究竟更新查找表中的哪一条；

环路延迟估计模块，用于估测和补偿发射接收环路所引入的延迟，对准发射和接收的信号；环路延迟估计模块包括：整数延迟估计模块与整数延迟补偿模块，小数延迟估计模块与小数延迟补偿模块；整数延迟估计模块和两个绝对值模块完成整数延迟估计，其中，所述两个绝对值模块提供输入信号和反馈信号的绝对值。

相位粗旋转补偿模块，用于估测和补偿发射接受环路所引入的相位偏转，采用相位为0的单位向量为测试向量，测试向量的反馈向量的相位就是反馈环路所引入的相位偏转；对反馈向量取共轭，得到相位旋转补偿值。

2.根据权利要求1所述的适于硬件实现的数字预失真算法系统，其特征在于所述预失真查找表更新模块采用输入信号归一化、误差归一化技术，以消除输入信号所造成的的收敛速度的差异。 

3.根据权利要求1所述的适于硬件实现的数字预失真算法系统，其特征在于所述预失真模块的算式为：定义                                                

是输入信号向量，

为输入幅度为r(n)时的功率放大器放大特性，

为是输入幅度为r(n)时查找表（LUT）所应存储的预失真特性，那么，最终得到的信号是：

 

           （1） 

K是放大常数，abs(*)表示取*绝对值。

4.根据权利要求1所述的适于硬件实现的数字预失真算法系统，其特征在于所述预失真查找表更新模块更新算法如下：

            （4）

其中，| |表示取绝对值，上标H表示取共轭， 

为步长，

，代表输入信号与反馈信号之间的差，这个差值向量为进一步更新复数增益

提供具体的幅度和方向。

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