CN102723915B - 一种适合硬件实现的查询表数字预失真方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适合硬件实现的基于查询表的数字预失真方法和装置，步骤如下：1）根据当前输入信号和历史输入信号分别生成二维索引值；2）根据索引值在二维查询表预失真器中查找预失真因子，进行预失真处理。本发明所述的方法在同等功放记忆深度情况下收敛的速度更快，而且该索引方法非常适合硬件实现；预失真查询表的更新采用自适应的最小均方误差算法和线性内插算法相结合的方法，有效地加快了查询表的收敛速度；采用1比特符号相关算法对预失真装置模拟链路的延时进行估算，降低了算法硬件实现的复杂度。

Description

一种适合硬件实现的查询表数字预失真方法和装置

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，更具体地说，涉及一种适合硬件实现的基于查询表的数字预失真方法和装置。

背景技术

功率放大器作为无线通信系统的关键器件，其固有的非线性特性会导致通信信号的带内失真和带外失真。带内失真主要表现为幅度失真和相位失真，导致通信接收系统的误码率增加，严重影响信号的接收质量；带外失真导致频谱泄露，干扰邻近信道用户的正常传输。因此为了减少功率放大器的非线性失真，往往把功放的输入功率回退到线性放大区，这样就会牺牲功放的效率，造成成本和能量的浪费。因此在不影响功放线性性能的情况下提高功率放大器的效率，必须采取功放线性化方法。并且，在宽带通信系统中随着信号带宽增加，功率放大器还会呈现出记忆效应，导致通信信号的各种失真更为严重，功放的记忆效应也是线性化方法必须予以校正的。

数字预失真(digitalpredistortion，DPD)技术以其精度高、稳定性好、成本效益高、自适应性强等优点，是一种很有发展前途的线性化技术。查询表方法是一种实用的数字预失真实现方法。其基本思想是将放大器的输入信号功率或幅度作为查询表的索引指针，把功率放大器的预失真因子作为指针对应内容存储在查询表中，工作时根据索引指针查找到对应的预失真因子值，并将其与当前输入信号相乘后输出给后继功放电路，从而达到线性化的目的。基于查询表的预失真技术可以方便地使用DSP、FPGA等高速信号处理器件实现，但该方法目前存在的主要问题是对记忆效应的校正能力有限，而且受自适应算法的限制，查询表的更新速度较慢。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种结构简单、硬件实现代价较小的查询表预失真方法，提升查询表校正记忆效应的能力，加快查询表的更新速度，并提供实现所述方法的装置。

本发明的技术方案如下：

一种适合硬件实现的查询表数字预失真方法，步骤如下：

1)根据当前输入信号和历史输入信号分别生成索引值；

2)根据索引值在二维查询表预失真器中查找预失真因子，进行预失真处理；

3)实时更新预失真器；

所述的步骤1)、步骤2)、步骤3)具体为：

1.1)根据当前输入信号x(n)的功率生成索引值X，根据x(n)和前一时刻输入信号x(n-1)的差分历史功率生成索引值Y；

2.1)建立二维查询表预失真器，包括：包含幅度信息的二维查询表、包含相位信息的二维查询表，用于实现预失真功能；

2.2)以X和Y作为二维索引地址，在所述的包含幅度的二维查询表、包含相位信息的二维查询表中查到对应的幅度信息α和相位信息σ，生成预失真因子β＝αe^jσ；

将所述查找到的预失真因子β与当前信号x(n)相乘，对当前信号x(n)进行幅度补偿和相位旋转，得到预失真器的输出信号；

2.3)预失真器的输出信号经过数模转换、上变频后，送到功率放大器的输入端；

3.1)功率放大器输出的射频信号经过衰减耦合、模拟下变频和模数变换后，得到的功放反馈采样信号y(n)；y(n)和功放输入采样信号z(n)经过环路延时估计算法，得到模拟链路延时的估计值τ；

3.2)经过延时匹配后的x(n-τ)与y(n)利用最小均方误差(LMS)自适应算法和线性插值算法相结合的查询表更新策略计算出新的预失真因子，更新策略如下：对满足X>X_th(X_th为门限地址)的索引地址，在该索引地址和地址1、地址2之间进行线性内插；对满足X≤X_th的索引地址，则采用常规的LMS算法；根据索引值将其幅度值和相位值写入二维查询表中，更新原有的表项。

作为优选，索引值X的生成采用功率法，按照下述公式生成：

$X=\mathrm{Int}(\frac{p}{p_{\max }}\&CenterDot;L_{\mathrm{\&chi;}}),P<P_{\max };$

X＝L_χ-1，P≥P_max；

其中，表示输入信号的当前功率，P_max代表功率的理想上限值，L_χ代表一维索引值X区间长度，X＝Int(·)代表不大于函数自变量的最大整数，则索引值X是区间{0，1，…L_χ-2，L_χ-1}内的一个整数；

索引值Y的生成采用一种功率差分方法，利用输入信号功率的前向差分近似描述包络对时间的导数，按照下述公式生成：

P_d＝P(n)-P(n-1)；

$Y=\mathrm{Int}(\frac{P_d-P_{d\min }}{P_{d\max }}\&CenterDot;L_y),P_d<P_{d\min }+P_{d\max };$

Y＝L_y-1，P_d≥P_dmin+P_dmax；

其中，P_d表示输入信号的前向差分历史功率，P_dmax为P_d的理想上限，P_dmin为P_d的最小可能值，则索引值Y是区间{0，1，…L_y-2，L_y-1}内的一个整数。

作为优选，所述的最小均方误差(LMS)自适应算法具体为：

首先，计算经过查询表校正后系统的幅度误差e_r和相位误差和e_θ：

e_r＝r_out-Gr_in；

e_θ＝θ_out-θ_in；

其中r_in和r_out分别表示预失真器的输入信号幅度和功放的反馈信号幅度；G为功放的理想线性增益；θ_in和θ_out分别表示预失真器的输入信号相位和功放的反馈信号相位；

然后，按以下迭代步骤对查询表的幅度信息α和相位信息σ进行更新：

α_i+1＝α_i-μ_re_r；

σ_i+1＝σ_i-μ_θe_θ；

其中，μ_r和μ_θ分别表示幅度表LMS步进因子和相位表LMS步进因子。

作为优选，所述的线性插值算法具体为：

使用一个与索引值X索引地址数目一致的地址更新指示器，若地址位置N的数据已经经过迭代，则指示器对此进行记录；同时从位置N向上和向下进行搜索，查找与位置N地址位置距离最近的、且同样已经经过迭代的地址1(N–L₁)和地址2(N+L₂)；对当前地址和地址1、地址2之间的幅度信息、相位信息分别进行线性插值：

$\hat{D}(N-n)=(1-\frac{n}{L_1})D\left(N\right)+\frac{n}{L_1}D(N-L_1),1\&le;n\&le;L_1-1;$

$\hat{D}(N+n)=(1-\frac{n}{L_2})D\left(N\right)+\frac{n}{L_2}D(N+L_2),1\&le;n\&le;L_2-1;$

其中，分别表示地址为N-n,N+n的幅度或相位的更新值；D(N),D(N-L₁),D(N+L₂)分别为经迭代的当前地址，地址1和地址2的幅度或相位。

作为优选，所述的环路延时估计算法，具体为：首先，查询表初始化，将幅度表的所有表项置为1、相位表的所有表项置为0，得到功放输入采样信号z(n)＝x(n)；其次，计算功放输入采样信号z(n)和功放反馈采样信号y(n)的互相关函数的最大幅值得到反馈环路延时量Δ；互相关函数的硬件实现采用1bit符号相关算法：

其中，sgn(x)表示符号函数；表示同或运算；z_n,i和z_n,q表示z(n)的I路和Q路信号，y_n,i和y_n,q表示y(n)的I路和Q路信号。

一种用于实现查询表数字预失真方法的装置，基于FPGA，用于对宽带通信发射机中非线性功率放大器进行校正，用于实现所述的适合硬件实现的查询表数字预失真方法；包括查询表预失真器模块、查询表更新模块、环路延时估计与匹配模块；

所述的查询表预失真器模块包括：索引值X生成模块、符号延迟模块、索引值Y生成模块、包含幅度信息的二维查询表、包含相位信息的二维查询表、数模转换器、上变频模块；所述的查询表预失真器模块采用当前信号功率和差分历史功率作为二维索引值；索引值X生成模块的输出分别与包含幅度信息的二维查询表、包含相位信息的二维查询表的输入相连，符号延迟模块的输出与索引值Y生成模块的输入相连，索引值Y生成模块的输出分别与包含幅度信息的二维查询表、包含相位信息的二维查询表的输入相连，包含幅度信息的二维查询表、包含相位信息的二维查询表的输出分别与乘法器的输入相连，乘法器的输出与数模转换器的输入相连，数模转换器的输出与上变频模块的输入相连；

所述的查询表更新模块包括：功率衰减器、下变频模块、模数转换器和更新算法模块；所述的更新算法模块采用了LMS算法和线性插值算法相结合的查询表内容更新策略，每一次递归改变当前地址的查询表内容、与当前地址相关联的地址的查询表内容；功率衰减器的输出与下变频模块的输入相连，下变频模块的输出与模数转换器的输入相连，模数转换器的输出与更新算法模块的输入相连；

所述的环路延时估计与匹配模块包括：1bit符号相关延时估计算法模块和延时匹配模块；1bit符号相关延时估计算法模块的输出与延时匹配模块的输入相连；

输入信号x(n)分别与索引值X生成模块、符号延迟模块、乘法器、1bit符号相关延时估计算法模块、延时匹配模块相连，非线性功率放大器的输出与功率衰减器的输入相连，模数转换器的输出还与1bit符号相关延时估计算法模块的输入相连，延时匹配模块的输出还与更新算法模块的输入相连，更新算法模块的输出还与相连包含幅度信息的二维查询表、包含相位信息的二维查询表的输入相连。

本发明的有益效果如下：

本发明所述的方法首先根据当前输入信号功率和差分历史功率生成索引值，再根据索引值在二维幅度信息查询表和相位信息查询表中分别查找幅度补偿和相位旋转的信息，对当前信号进行预失真处理；差分历史功率可以近似描述信号包络变化的快慢，与常用的历史平均功率索引方法和历史加权平均功率索引方法相比，在同等功放记忆深度情况下，所需要的表项更少，因此收敛的速度更快，而且该索引方法非常适合硬件实现。其次，预失真查询表的更新采用自适应的最小均方误差算法和线性内插算法相结合的方法，有效地加快了查询表的收敛速度。最后，采用1比特符号相关算法对预失真装置模拟链路的延时进行估算，降低了算法硬件实现的复杂度。

附图说明

图1为二维查询表预失真方法的装置示意图；

图2为功放输出信号的功率谱密度(PSD)(L_x＝512,L_y＝300)示意图；图中：(a)表示经过记忆功放后的PSD；(b)表示经过一维查询表预失真的PSD(L_x＝512,L_y＝0)；(c)表示历史平均功率索引算法的二维查询表预失真PSD；(d)表示差分历史功率索引算法的二维查询表预失真PSD；(f)表示OFDM源信号的PSD；

图3为一维索引值X的直方图分布(L_x＝512)示意图；

图4为环路延时估计算法原理图；

图5为1bit符号相关延时估计算法的实现原理图；

图6为1bit符号相关延时估计算法的输出信号图。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明进行进一步的详细说明。

方法实施例

一种适合硬件实现的查询表数字预失真方法，步骤如下：

1)根据当前信号和历史信号分别生成索引值；

2)根据索引值在二维查询表预失真器中查找预失真因子，进行预失真处理。

所述的步骤1)、步骤2)具体为：

1.1)根据当前输入信号x(n)的功率生成索引值X，根据x(n)和前一时刻输入信号x(n-1)的差分历史功率生成索引值Y；

2.1)建立二维查询表预失真器，包括：包含幅度信息的二维查询表、包含相位信息的二维查询表，用于实现预失真功能；

2.2)以X和Y作为二维索引地址，在所述的包含幅度信息的二维查询表、包含相位信息的二维查询表中查到对应的幅度信息α和相位信息σ，生成预失真因子β＝αe^jσ；

将所述查找到的预失真因子β与当前信号x(n)相乘，对当前信号x(n)进行幅度补偿和相位旋转，得到预失真器的输出信号；

2.3)预失真器的输出信号经过数模转换、上变频后，送到功率放大器的输入端。

本发明所述的方法，进一步包含步骤3)实时更新预失真器。

所述的步骤3)具体为：

3.1)功率放大器输出的射频信号经过衰减耦合、模拟下变频和模数变换后，得到功放反馈采样信号y(n)；y(n)和功放输入采样信号z(n)经过环路延时估计算法，得到模拟链路延时的估计值τ；

3.2)经过延时匹配后的x(n-τ)与y(n)利用最小均方误差(LMS)自适应算法和线性插值算法相结合的查询表更新策略计算出新的预失真因子，根据索引值将其幅度值和相位值写入二维查询表中，更新原有的表项。

索引值X的生成采用功率法，按照下述公式生成：

$X=\mathrm{Int}(\frac{p}{p_{\max }}\&CenterDot;L_{\mathrm{\&chi;}}),P<P_{\max };$

X＝L_χ-1，P≥P_max；

其中，表示输入信号的当前功率，P_max代表功率的理想上限值，L_χ代表一维索引值X区间长度，X＝Int(·)代表不大于函数自变量的最大整数，则索引值X是区间{0，1，…L_χ-2，L_χ-1}内的一个整数；

索引值Y的生成采用一种功率差分方法，利用输入信号功率的前向差分近似描述包络对时间的导数，按照下述公式生成：

P_d＝P(n)-P(n-1)；

$Y=\mathrm{Int}(\frac{P_d-P_{d\min }}{P_{d\max }}\&CenterDot;L_y),P_d<P_{d\min }+P_{d\max };$

Y＝L_y-1，P_d≥P_dmin+P_dmax；

其中，P_dmax为P_d的理想上限，P_dmin为P_d的最小可能值，则索引值Y是区间{0，1，…L_y-2，L_y-1}内的一个整数。。

所述的最小均方误差(LMS)自适应算法具体为：

首先，计算经过查询表校正后系统的幅度误差e_r和相位误差和e_θ：

e_r＝r_out-Gr_in；

e_θ＝θ_out-θ_in；

其中r_in和r_out分别表示预失真器的输入信号幅度和功放的反馈信号幅度；G为功放的理想线性增益；θ_in和θ_out分别表示预失真器的输入信号相位和功放的反馈信号相位；

然后，按以下迭代步骤对查询表的幅度信息α和相位信息σ进行更新：

α_i+1＝α_i-μ_re_r；

σ_i+1＝σ_i-μ_θe_θ；

其中，μ_r和μ_θ分别表示幅度表LMS步进因子和相位表LMS步进因子。

所述的线性插值算法具体为：

使用一个与索引值X索引地址数目一致的地址更新指示器，若地址位置N的数据已经经过迭代，则指示器对此进行记录；同时从位置N向上和向下进行搜索，查找与位置N地址位置距离最近的、且同样已经经过迭代的地址1(N–L₁)和地址2(N+L₂)；对当前地址和地址1、地址2之间的幅度信息、相位信息分别进行线性插值：

$\hat{D}(N-n)=(1-\frac{n}{L_1})D\left(N\right)+\frac{n}{L_1}D(N-L_1),1\&le;n\&le;L_1-1;$

$\hat{D}(N+n)=(1-\frac{n}{L_2})D\left(N\right)+\frac{n}{L_2}D(N+L_2),1\&le;n\&le;L_2-1.$

所述的LMS自适应算法和线性插值算法相结合的查询表更新策略线性插值算法，更新策略如下：对索引值X出现概率较小的情况，即满足X>X_th(X_th为门限地址)的索引地址，在该索引地址和地址1、地址2之间进行线性内插；对X出现概率较大的情况，即满足X≤X_th的索引地址，则采用常规的LMS算法。

由于索引值X表示当前信号的功率，对通信信号而言，大量信号的I、Q分量服从零均值的高斯分布，信号的功率近似服从下降特性的指数分布，大功率信号的出现概率相对较小；仅对出现概率较小的大功率信号的表项(X>X_th，X_th为门限地址)进行内插，可以极大地提高收敛速度，同时避免LMS算法的过度迭代。

所述的环路延时估计算法，具体为：首先，查询表初始化，将幅度表的所有表项置为1、相位表的所有表项置为0，得到功放输入采样信号z(n)＝x(n)；其次，通过计算功放输入采样信号z(n)和功放反馈采样信号y(n)的互相关函数的最大幅值得到反馈环路延时量Δ。互相关函数R_zy(m)的硬件实现采用1bit符号相关算法：

其中，sgn(x)表示符号函数；表示同或运算；z_n,i和z_n,q表示z(n)的I路和Q路信号，y_n,i和y_n,q表示y(n)的I路和Q路信号。

一种用于实现查询表数字预失真方法的装置，基于FPGA，用于对宽带通信发射机中非线性功率放大器进行校正，包括查询表预失真器模块、查询表更新模块、环路延时估计与匹配模块。

所述的查询表预失真器模块包括：索引值X生成模块、索引值Y生成模块、包含幅度信息的二维查询表(幅度表)、包含相位信息的二维查询表(相位表)、数模转换器、上变频模块；所述的查询表预失真模块采用当前功率和差分历史功率作为二维索引值。

查询表预失真器模块，由两张分别包含幅度和相位信息的二维查询表来实现预失真功能。首先输入信号进行直角/极坐标变化，经过量化限幅进入预失真器，作为一维索引因子，其次引入了二维索引值Y来区分不同的历史状态，使二维查询表具有记忆特性。预失真器根据这两个索引值共同确定查询表的地址，并利用此地址来查找相应的幅度表和相位表后，对输入信号进行幅度补偿和相位旋转，最终得到预失真的输出。

本发明中，所述的查询表预失真模块采用差分历史功率作为第二维索引值，可以更好地消除功放的记忆效应，而且非常适合于硬件的实现。

所述的查询表更新模块包括：功率放大器、衰减器、下变频模块、模数转换器、更新算法模块；所述的更新算法模块采用了LMS算法和线性插值算法相结合的查询表内容更新策略，每一次递归改变当前地址的查询表内容、与当前地址相关联的地址的查询表内容。

传统的查询表预失真器只能利用LMS算法对查询表进行更新，每次只能更新一个表项，导致收敛速度很慢。为了提高收敛速度，采用了LMS算法和插值法相结合的查询表内容更新策略，每一次递归并不仅改变当前地址的查询表内容，而是通过相应的调整策略更新相关联的多个地址的查询表内容。

本发明中，所述的查询表更新模块将插值策略与索引值量化地址的概率特性相结合，即避免了过度迭代影响收敛，而且节省了很多硬件资源。

所述的环路延时估计与匹配模块包括：1bit符号相关延时估计算法模块和延时匹配模块。

由于模拟通道会对功放的反馈信号引入延时，使得前向链路的数字信号与反馈链路的数字信号在时间上存在偏移。因此，在预失真器系数估计算法实施之前，都需要使用一定的算法估计环路的延时。反馈环路延时量τ可通过以下方法求得：对缓存器内的信号进行互相关运算，将采样信号长度和互相关函数幅值最大值的序列号相减运算可以得到功放环路的延时τ。这种方法的实质是功放反馈链路的采样信号未经过无线衰落信号畸变的影响，因此功放的输入和输出两组数据具有一定的相关性，当“相关窗”处于最佳位置，即无延迟偏差时，两组数据的相关性最强。

本发明中，所述的环路延时估计算法采用1bit符号相关延时估计算法，将1bit量化后的相关值，作为前向链路的数字信号与反馈链路的数字信号相关函数的估计值，仍能准确地表示相关程度，同时极大简化了硬件实现的复杂度。

装置实施例

一、查询表预失真器模块

图1是本发明采用的二维查询表预失真方法的装置图。二维查询表需要X和Y两个索引值，其中X索引的表项用于改善功放的非线性特性，Y索引的表项用于改善功放的记忆效应。

(1)索引值X：

X的获取方法关系到非线性的改善，以及表的大小分布。常用的有幅度法和功率法。幅度法对信号幅值等间隔分配表的单元，用信号的幅度作为表的索引，同功率法比较，在单元分配问题上，比功率法效率高，分配更合理，但硬件实现上需要更多的计算单元，计算量大，计算速度比较低。功率法对表的单元分配时按照信号幅值的平方进行，这样对大信号分配多，密度大，对小信号分配较少，稀疏。对于大多数功放，小信号区间非线性失真并不严重，因此本发明采用功率法。

$X=\mathrm{Int}(\frac{p}{p_{\max }}\&CenterDot;L_{\mathrm{\&chi;}}),P<P_{\max };$

X＝L_χ-1，P≥P_max；

其中，表示输入信号的当前功率，P_max代表功率的理想上限值，L_χ代表一维索引值X区间长度，X＝Int(·)代表不大于函数自变量的最大整数。这样，一维索引值X就是区间{0,1,…,L_χ-2,L_χ-1}内的一个整数。增加存储表项的深度L_χ，将提高查询表预失真的精度。LUT表项容量增大一倍，邻道功率抑制比(ACPR)将降低6dB左右。

(2)索引值Y

在宽带通信系统中，功放的非线性特性呈现动态特性，即表现出了记忆效应。这时预失真查询表需要引入二维索引值Y以补偿功放的记忆效应。Y的索取方法直接关系到记忆效应的改善程度。已有的方法是根据功放的记忆特性取决于一段历史时间内的平均输入功率，通过量化平均功率来获得输入信号的历史状态，如典型的Y值产生方法有：历史平均功率方法；历史的加权平均功率方法等。

记忆效应形成的电机理是由于信号包络的变化过快，以至于电路的时间常数大到与包络频率的倒数相比拟的数量级，此时功放表现出类似惰性现象的记忆效应。因此本发明提出了一种功率差分索引方法，采用输入信号功率的前向差分近似描述包络对时间的导数，在一定程度可以代表输入信号包络的频率变化的快慢。索引值的计算如下：

P_d＝P(n)-P(n-1)；

$Y=\mathrm{Int}(\frac{P_d-P_{d\min }}{P_{d\max }}\&CenterDot;L_y),P_d<P_{d\min }+P_{d\max };$

Y＝L_y-1，P_d≥P_dmin+P_dmax；

其中P_dmax为P_d的理想上限，P_dmin为P_d的最小可能值。则索引值Y是区间{0，1，…L_y-2，L_y-1}内的一个整数。

相比与其他二维索引方式，如历史的平均功率索引、历史的加权平均索引，差分索引值动态范围小，表项分布更加均匀，量化失真更小，在同等记忆深度情况下，所需要的表项更少，因此收敛的速度更快。对采样点数为15120的OFDM信号，在表长L_x＝512,L_y＝300的情况下，功放输出的功率谱密度(PSD)如图2所示。图2中，(a)是经过记忆非线性功放后的PSD；(b)是经过一维查询表预失真(L_x＝512,L_y＝0)的功放PSD；(c)是经过历史平均功率索引二维查询表预失真的功放PSD；(d)是经过差分功率索引二维查询表预失真的功放PSD；(f)OFDM源信号的PSD。由图2可知，各种预失真算法中(d)的ACPR性能最好。

二、查询表更新模块

联合索引值(X,Y)确定后，应用LMS算法对预失真因子β＝αe^jσ的幅度α和相位σ分别进行迭代刷新。

e_r＝r_out-Gr_in；

e_θ＝θ_out-θ_in；

α_i+1＝α_i-μ_re_r；

σ_i+1＝σ_i-μ_θe_θ；

其中r_in和r_out分别表示预失真器的输入信号幅度和功放的反馈信号幅度；G为系统的期望线性增益；θ_in和θ_out分别表示预失真器的输入信号相位和功放的反馈信号相位；e_r、e_θ分别为经过查询表校正后系统的幅度误差和相位误差；μ_r和μ_θ分别表示幅度表LMS步进因子和相位表LMS步进因子。

由于二维查询表方法需要建立两个二维表，需要对两个二维表同时进行更新，所以导致LMS自适应算法的收敛速度很慢。因此，结合索引量化地址的分布特性，对LMS算法迭代次数不足的表项采用插值的方法，可以加快LUT算法的收敛速度。常用的插值算法有线性插值、样条插值、拉格朗日插值等。为了便于硬件实现，本发明采用线性插值的方法。

在实现时，使用一个与查询表地址数目一致的地址更新指示器，若地址N位置的数据已经过迭代，则指示器对此进行记录；同时从N位置向上和向下进行搜索，查找距离N地址位置距离最近的，且同样已经过迭代的两个地址位置N–L₁和N+L₂，二者之间其它地址的存储数据可以通过线性内插得到：

$\hat{D}(N-n)=(1-\frac{n}{L_1})D\left(N\right)+\frac{n}{L_1}D(N-L_1),1\&le;n\&le;L_1-1;$

$\hat{D}(N+n)=(1-\frac{n}{L_2})D\left(N\right)+\frac{n}{L_2}D(N+L_2),1\&le;n\&le;L_2-1.$

具体的算法如下：

1)查询表内容初始化，复增益的幅度全都置为1，相位置为0。

2)指示存储器与查询表大小相同，字长为1bit，作为内插标志。除最高和最低地址内容为1外，其余设为0。

3)如果某一地址被选中，相应的指示存贮器内容置为1。

4)设地址1和地址2分别表示离当前地址最近且表2内容为1，位于当前地址两边的地址。

5)取出地址1，地址2及当前地址的幅度和相位。

6)对当前地址和地址1，地址2之间的幅度增益、相移分别进行线性插值。

对二维查询表，如前所述，其索引值X表示当前信号的功率。对大多数通信信号而言，大量信号的I、Q分量服从零均值的高斯分布，信号的功率分布服从下降特性的指数分布。对采样点数为15120的OFDM信号，在表长L_x＝512的情况下，X的典型直方图分布如图3所示。由图可知，大功率信号的出现概率相对较小。如果对所有的表项都进行内插，在LMS步进因子较大时，可能会引起迭代过度的现象，反而使预失真效果变差。因此本发明仅对出现概率相对小的大功率信号(X>X_th,X_th＝50)的表项进行内插，可以极大地提高收敛速度。同时由于线性内插同时具有平滑数据的作用，若对差分历史功率索引值Y指向的表项进行内插反而会破坏对功放AM/AM和AM/PM记忆效应的校正，因此而对于Y指向的表项只采用LMS算法进行更新。

综上分析，本发明提出的查询表更新方法总结如下：对对索引值X出现概率较小的情况，，即满足X>X_th的索引地址，在该索引地址和地址1、地址2之间进行线性内插。对X出现概率较大的情况，即满足X≤X_th的索引地址和所有的Y索引地址，则采用常规的LMS算法。

三、环路延时估计与匹配模块

首先，对查询表进行初始化，将幅度表的所有表项置为1、相位表的所有表项置为0，得到功放输入采样信号z(n)＝x(n)。

其次，功放输入采样信号和功放反馈采样信号送入缓存器进行延时估计，图4为环路延时估计算法原理图。其中，互相关函数R_zy(m)的运算通过对缓存器内的信号进行1bit符号相关运算实现：

其中，sgn(x)表示符号函数；表示同或运算；z_n,i和z_n,q表示z(n)的I路和Q路信号，y_n,i和y_n,q表示y(n)的I路和Q路信号。

再次，求R_zy(m)最大值的方法得到最大互相关函数幅值的序列号，并通过采样信号长度和最大值的序列号的相减运算可以得到功放环路的延时τ。

最后，经过延时匹配后的x(n-τ)送入查找表更新模块。

1bit符号相关延时估计算法的实现原理如图5所示。regI128，regQ128分别表示功放反馈I，Q路序列的128个符号位，I128_const，Q128_const分别表示功放输入端训练序列I，Q路数据的128个符号位。两路数据做同或运算，以输入训练序列为标准，当I128_const，Q128_const填充完成128个符号位后，flag置高位，I128_const，Q128_const固定不变，不断移位操作更新regI128，regQ128，由于功放输出的下变频滤波模块的作用可能使得I,Q路符号反向，所以理想情况下，同步匹配后，I，Q两路的同或输出为128位全1或者全0数据。

图5中adder128in_8out不是普通意义上的加法器，它的输入为128个1bit的数据，输出为一个8bit的数值。对于1bit的输入数据，输入1代表的是数值为1，输入0代表的是数值为-1，对它们进行加法运算，输出8bit的结果值。考虑到符号位捕捉长度为128，以及一些干扰信号的影响，同步阈值设为>115或者<15。当阈值条件满足后，sync_delay产生一个高电平脉冲信号(如图6所示)，对应的样本序号即为最大互相关函数幅值的序列号。通过采样信号长度和该序列号的相减运算可以得到功放环路的延时τ。

上述实施例仅是用来说明本发明，而并非用作对本发明的限定。只要是依据本发明的技术实质，对上述实施例进行变化、变型等都将落在本发明的权利要求的范围内。

Claims (6)

1.一种适合硬件实现的查询表数字预失真方法，其特征在于，步骤如下：

1)根据当前输入信号和历史输入信号分别生成索引值；

2)根据索引值在二维查询表预失真器中查找预失真因子，进行预失真处理；

3)实时更新预失真器；

所述的步骤1)、步骤2)、步骤3)具体为：

1.1)根据当前输入信号x(n)的功率生成索引值X，根据x(n)和前一时刻输入信号x(n-1)的差分历史功率生成索引值Y；

2.1)建立二维查询表预失真器，包括：包含幅度信息的二维查询表、包含相位信息的二维查询表，用于实现预失真功能；

2.2)以X和Y作为二维索引地址，在所述的包含幅度的二维查询表、包含相位信息的二维查询表中查到对应的幅度信息α和相位信息σ，生成预失真因子β＝αe^jσ；

将所述查找到的预失真因子β与当前信号x(n)相乘，对当前信号x(n)进行幅度补偿和相位旋转，得到预失真器的输出信号；

2.3)预失真器的输出信号经过数模转换、上变频后，送到功率放大器的输入端；

3.1)功率放大器输出的射频信号经过衰减耦合、模拟下变频和模数变换后，得到的功放反馈采样信号y(n)；y(n)和功放输入采样信号z(n)经过环路延时估计算法，得到模拟链路延时的估计值τ；

3.2)经过延时匹配后的x(n-τ)与y(n)利用最小均方误差(LMS)自适应算法和线性插值算法相结合的查询表更新策略计算出新的预失真因子，更新策略如下：对满足X＞X_th的索引地址，在该索引地址和地址1、地址2之间进行线性内插；对满足X≤X_th的索引地址，则采用常规的LMS算法；根据索引值将其幅度值和相位值写入二维查询表中，更新原有的表项；其中，X_th为门限地址，地址1、地址2分别为与该索引地址位置距离最近的、且同样已经经过迭代的地址。

2.根据权利要求1所述的适合硬件实现的查询表数字预失真方法，其特征在于，

索引值X的生成采用功率法，按照下述公式生成：

$X=Int\left(\frac{p}{p_{\max }}\&CenterDot;L_{\mathrm{\&chi;}}\right),P<P_{max};$

X＝L_χ-1，P≥P_max；

其中，表示输入信号的当前功率，P_max代表功率的理想上限值，L_χ代表一维索引值X区间长度，X＝Int(·)代表不大于函数自变量的最大整数，则索引值X是区间{0，1，…L_χ-2，L_χ-1}内的一个整数；

索引值Y的生成采用一种功率差分方法，利用输入信号功率的前向差分近似描述包络对时间的导数，按照下述公式生成：

P_d＝P(n)-P(n-1)；

$Y=Int\left(\frac{P_d-P_{d\min }}{P_{dmax}}\&CenterDot;L_y\right),P_d<P_{d\min }+P_{dmax};$

Y＝L_y-1，P_d≥P_dmin+P_dmax；

其中，P_d表示输入信号的前向差分历史功率，P_dmax为P_d的理想上限，P_dmin为P_d的最小可能值，则索引值Y是区间{0，1，…L_y-2，L_y-1}内的一个整数。

3.根据权利要求1所述的适合硬件实现的查询表数字预失真方法，其特征在于，所述的最小均方误差(LMS)自适应算法具体为：

首先，计算经过查询表校正后系统的幅度误差e_r和相位误差和e_θ：

e_r＝r_out-Gr_in；

e_θ＝θ_out-θ_in；

其中r_in和r_out分别表示预失真器的输入信号幅度和功放的反馈信号幅度；G为功放的理想线性增益；θ_in和θ_out分别表示预失真器的输入信号相位和功放的反馈信号相位；

然后，按以下迭代步骤对查询表的幅度信息α和相位信息σ进行更新：

α_i+1＝α_i-μ_re_r；

σ_i+1＝σ_i-μ_θe_θ；

其中，μ_r和μ_θ分别表示幅度表LMS步进因子和相位表LMS步进因子。

4.根据权利要求3所述的适合硬件实现的查询表数字预失真方法，其特征在于，所述的线性插值算法具体为：

使用一个与索引值X索引地址数目一致的地址更新指示器，若地址位置N的数据已经经过迭代，则指示器对此进行记录；同时从位置N向上和向下进行搜索，查找与位置N地址位置距离最近的、且同样已经经过迭代的地址1和地址2，其中，地址1为N–L₁，地址2为N+L₂；对当前地址和地址1、地址2之间的幅度信息、相位信息分别进行线性插值：

$\hat{D}(N-n)=(1-\frac{n}{L_1})D\left(N\right)+\frac{n}{L_1}D(N-L_1),1\&le;n\&le;L_1-1;$

$\hat{D}(N+n)=(1-\frac{n}{L_2})D\left(N\right)+\frac{n}{L_2}D(N+L_2),1\&le;n\&le;L_2-1;$

其中，分别表示地址为N-n,N+n的幅度或相位的更新值；D(N),D(N-L₁),D(N+L₂)分别为经迭代的当前地址，地址1和地址2的幅度或相位。

5.根据权利要求1所述的适合硬件实现的查询表数字预失真方法，其特征在于，所述的环路延时估计算法，具体为：首先，查询表初始化，将幅度表的所有表项置为1、相位表的所有表项置为0，得到功放输入采样信号z(n)＝x(n)；其次，计算功放输入采样信号z(n)和功放反馈采样信号y(n)的互相关函数的最大幅值得到反馈环路延时量Δ；互相关函数的硬件实现采用1bit符号相关算法：

其中，sgn(x)表示符号函数；⊙表示同或运算；z_n,i和z_n,q表示z(n)的I路和Q路信号，y_n,i和y_n,q表示y(n)的I路和Q路信号。

6.一种用于实现查询表数字预失真方法的装置，基于FPGA，用于对宽带通信发射机中非线性功率放大器进行校正，其特征在于，用于实现权利要求1至5任一项所述的适合硬件实现的查询表数字预失真方法；包括查询表预失真器模块、查询表更新模块、环路延时估计与匹配模块；

所述的查询表预失真器模块包括：索引值X生成模块、符号延迟模块、索引值Y生成模块、包含幅度信息的二维查询表、包含相位信息的二维查询表、数模转换器、上变频模块；所述的查询表预失真器模块采用当前信号功率和差分历史功率作为二维索引值；索引值X生成模块的输出分别与包含幅度信息的二维查询表、包含相位信息的二维查询表的输入相连，符号延迟模块的输出与索引值Y生成模块的输入相连，索引值Y生成模块的输出分别与包含幅度信息的二维查询表、包含相位信息的二维查询表的输入相连，包含幅度信息的二维查询表、包含相位信息的二维查询表的输出分别与乘法器的输入相连，乘法器的输出与数模转换器的输入相连，数模转换器的输出与上变频模块的输入相连；

所述的查询表更新模块包括：功率衰减器、下变频模块、模数转换器和更新算法模块；所述的更新算法模块采用了LMS算法和线性插值算法相结合的查询表内容更新策略，每一次递归改变当前地址的查询表内容、与当前地址相关联的地址的查询表内容；功率衰减器的输出与下变频模块的输入相连，下变频模块的输出与模数转换器的输入相连，模数转换器的输出与更新算法模块的输入相连；

所述的环路延时估计与匹配模块包括：1bit符号相关延时估计算法模块和延时匹配模块；1bit符号相关延时估计算法模块的输出与延时匹配模块的输入相连；

输入信号x(n)分别与索引值X生成模块、符号延迟模块、乘法器、1bit符号相关延时估计算法模块、延时匹配模块相连，非线性功率放大器的输出与功率衰减器的输入相连，模数转换器的输出还与1bit符号相关延时估计算法模块的输入相连，延时匹配模块的输出还与更新算法模块的输入相连，更新算法模块的输出还与相连包含幅度信息的二维查询表、包含相位信息的二维查询表的输入相连。