CN102969987A

CN102969987A - 基于欠采样的宽带功放预失真方法

Info

Publication number: CN102969987A
Application number: CN2012105457989A
Authority: CN
Inventors: 翟建锋; 朱晓维; 张雷; 田玲
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2012-12-17
Filing date: 2012-12-17
Publication date: 2013-03-13

Abstract

本发明公开了一种基于欠采样的宽带功放预失真方法，包括如下步骤：功放输出信号到数字预失真系统接收链路，并依次通过射频耦合器、宽带正交解调器和第二低通滤波器得到模拟基带I信号和Q信号；模数转换器对所述模拟基带I信号和Q信号进行采样，得到功放输出采样数据；利用基带输入数据和功放输出采样数据建立数字预失真模型，并提取用于数字预失真的模型系数；基带输入数据依次通过数字预失真处理、数模转换器、第一低通滤波器、宽带正交调制器和功放输出。本发明解决了现有预失真方案中的ADC速率要求非常高、数字处理复杂等问题。

Description

基于欠采样的宽带功放预失真方法

技术领域

本发明涉及一种宽带功放预失真方法，具体涉及一种基于欠采样的宽带功放预失真方法。

背景技术

在现代无线通信系统中，如WCDMA、CDMA200、WIMAX和LTE等，数据业务量激增，频谱资源日益稀缺，通常采用效率很高的调制方式，然而这也导致了信号的带宽和峰均比的增大，比如WCDMA的单载波信号达到5MHz，LTE的信号带宽达到20MHz，在IMT-Advanced及未来移动通信系统中，射频带宽至少是100MHz。高峰均比的宽带信号对射频功率放大器的线性要求很高。对于射频功率放大器，通常采用功率回退的方法来达到线性度的要求，近年来，功率放大器线性化技术的研究越来越广泛，常用的线性化技术有前馈法、笛卡儿负反馈法、功率合成法和预失真法等。而在各种线性化技术中，其中基于功率放大器模型的数字预失真技术备受研究人员的关注，已经成为最近研究的热门。在过去几年中，研究人员在射频功率放大器行为建模和数字预失真中广泛采用了各种各样的Volterra级数模型和神经网络模型等。

为了建立精确功率放大器行为模型，提高数字预失真的效果，往往需要对功率放大器的输入和输出信号进行精确的数据采集。由于功放输出信号含有非线性失真分量，其带宽往往扩展为功放输入信号的数倍以上。根据奈奎斯特-香农采样理论，离散系统的采样率高于采样信号的最高频率或带宽2倍，才可以避免混叠现象。由于包含非线性失真的功放输出信号带宽非常宽，这就需要采用很高采样率的ADC才能满足要求，或者利用其他技术来提高采样率或采样带宽，如频率缝补技术，时间交叉多路ADC采样技术等。直接采用高速率的ADC的方案往往会导致成本的大幅度提高。频率缝补技术通常需要多次采样相同的信号才能满足要求，后期计算处理也相对复杂；时间交叉多路ADC采样技术虽然可以提高ADC的采样率，但是通常会引入多路ADC的幅度误差，相位误差和直流误差。

以LTE信号为例，射频带宽是20MHz，基带I/Q信号的带宽至少为10MHz，但是功率放大器输出的信号带有非线性失真，其失真后的功率谱带宽远远大于20MHz，如果考虑3阶、5阶失真分量的话，其带宽分别为60MHz和100MHz。根据奈奎斯特-香农采样定理，模拟数字转换器(ADC，简称“模数转换器”)采样速率必须为输入信号带宽的6倍和10倍，才能无混叠的采样到功率放大器的3阶和5阶非线性分量，这样导致模数转换器的成本过高。

发明内容

发明目的：针对上述现有技术存在的问题和不足，本发明的目的是提供一种基于欠采样的宽带功放预失真方法，该方法基于朱氏广义采样定理的宽带功率放大器线性化的预失真方案，降低了系统中模拟数字转换器(ADC)的速率要求，节约成本，实现比较方便，能很好的补偿宽带通信系统中射频功率放大器的非线性特性和记忆效应，解决了现有预失真方案中的ADC速率要求非常高、数字处理复杂等问题。

技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为一种基于欠采样的宽带功放预失真方法，包括如下步骤：

(1)功放输出信号到数字预失真系统接收链路，并依次通过射频耦合器、宽带正交解调器和第二低通滤波器得到模拟基带I信号和Q信号；

(2)模数转换器对所述模拟基带I信号和Q信号进行采样，得到功放输出采样数据；

(3)利用基带输入数据和功放输出采样数据建立数字预失真模型，并提取用于数字预失真的模型系数；

(4)基带输入数据依次通过数字预失真处理、数模转换器、第一低通滤波器、宽带正交调制器和功放输出。

进一步的，所述模数转换器以功放输入信号基带带宽的2倍的速率对所述模拟基带I信号和Q信号进行采样。

进一步的，所述第二低通滤波器带宽大于所述功放包含失真分量的输出信号带宽。

进一步的，所述基带输入数据内插提高采样率后依次通过数字预失真处理、数模转换器、第一低通滤波器和宽带正交调制器和功放输出。

进一步的，所述步骤(2)中，还包括利用基带输入数据和功放输出采样数据进行同步的步骤。

有益效果：

1)模数转换器(ADC)的速率要求降低到功放输入信号基带带宽的2倍；

2)极大节约了数字预失真系统中模数转换器的成本；

3)降低了数字预失真系统信号处理的复杂度。

附图说明

图1为本发明的基于欠采样的宽带功放数字预失真系统示意图；

图2为本发明的以记忆多项式为例的预失真器的结构示意图；

图3为本发明以100MHz LTE-A信号为输入时，功率放大器的输出频谱的实验结果对比图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

朱氏广义采样定理表明，在弱非线性系统中，如果利用非线性系统的输入信号带宽2倍的采样率，采集非线性系统的输出信号，那么输出信号就能够重建。功率放大器是满足上述条件的非线性系统，可以根据这一定理降低ADC采样率的要求。

以下结合附图说明，对本发明的方案进行更加详细的说明

如图1，具体步骤如下：

1)功放输出信号到数字预失真系统接收链路(即由射频耦合器到数字预失真模型提取的部分)，并通过射频耦合器(未图示)、宽带正交解调器得到模拟基带I、Q信号。

2)在朱氏广义采样定理条件下，利用ADC采样功率放大器输出信号(功放实际输出的射频信号通过衰减器(未图示)、射频耦合器、宽带正交解调器的信号)，得到功放输出采样数据z(n)。这意味着ADC以2倍功放输入信号基带带宽的速率采集功率放大器基带输出的I、Q信号，得到功放输出采样数据。模数转换器在采样前，第二低通滤波器带宽大于包含失真分量的功放输出信号带宽(一般为5阶失真分量的带宽)，例如原始功放输入信号带宽为100MHz，即IQ信号带宽为50MHz，ADC采样前的IQ低通滤波器(即第二低通滤波器)带宽分别为250MHz，ADC采样率为100MSPS。因为采样前第二低通滤波器带宽远大于抗混叠滤波的带宽，所以采样到的功放输出信号实际上是有一定混叠的信号。

3)功放输出采样数据z(n)和基带输入数据x₀(n)复同步后，建立功放的数字预失真模型，以有记忆多项式模型为例，公式如下：

x_{0} (n) = Σ_{k = 1}^{K} Σ_{q = 0}^{Q} a_{kq} z (n - q) {| z (n - q) |}^{k - 1} - - - (1)

式中，x₀(n)代表采样时刻n时功放的输入复数信号(也即基带输入数据)，z(n-q)代表采样时刻(n-q)时功放的输出复数信号，K代表阶数，Q代表记忆长度，a_kq为模型系数。模型系数可以通过该式利用最小二乘法求出。

4)为了能弥补功放的失真，预失真器的输出信号的带宽必须远远大于其的输入带宽，因为预失真的原理就是产生和功放特性相反的失真信号，来抵消功放的非线性特性，从而达到线性化的目的。基带I/Q信号首先要通过内插来提高信号的分析带宽。基带输入数据x₀(n)内插L倍后得到x(n)，公式如下：

式中，x(n)为内插滤波后的基带输入数据。

5)数字预失真处理时，为了保证模型记忆长度的一致性，记忆多项式模型必须修改一下，如图2所示，公式如下：

y (n) = Σ_{k = 1}^{K} Σ_{q = 0}^{Q} a_{kq} x (n - q \times L) {| x (n - q \times L) |}^{k - 1} - - - (3)

式中，y(n)为预失真后的基带信号，x(n-q×L)代表x(n)延时(q×L)时刻的值。

6)把预失真后的基带信号y(n)依次通过数模转换器(DAC)、第一低通滤波器、宽带正交调制器和功率放大器(简称“功放”)输出。第一低通滤波器带宽大于功放预失真信号带宽(一般为5倍原始信号的带宽)，例如原始信号带宽为100MHz，即基带IQ信号带宽为50MHz，DAC输出后的IQ低通滤波器(即第一低通滤波器)带宽分别为250MHz，DAC的速率至少为500MSPS。

Claims

1.一种基于欠采样的宽带功放预失真方法，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述一种基于欠采样的宽带功放预失真方法，其特征在于：所述模数转换器以功放输入信号基带带宽的2倍的速率对所述模拟基带I信号和Q信号进行采样。

3.根据权利要求1所述一种基于欠采样的宽带功放预失真方法，其特征在于：所述第二低通滤波器带宽大于所述功放包含失真分量的输出信号带宽。

4.根据权利要求1所述一种基于欠采样的宽带功放预失真方法，其特征在于：所述基带输入数据内插提高采样率后依次通过数字预失真处理、数模转换器、第一低通滤波器和宽带正交调制器和功放输出。

5.根据权利要求1所述一种基于欠采样的宽带功放预失真方法，其特征在于：所述步骤(2)中，还包括利用基带输入数据和功放输出采样数据进行同步的步骤。