CN103620952A - 消除载波的数字预失真 - Google Patents

Abstract

一种非线性功率放大器，基于预失真信号产生放大的输出信号，其中所述预失真信号是由数字预失真器(DPD)基于输入信号产生的。一种反馈路径，基于所述放大的输出信号产生反馈信号。所述反馈信号与输入信号对齐，或者相反，并且所述对齐的信号被用来自适应地更新DPD处理。特别地，基于所述输入和反馈信号，估计线性FIR滤波器以最小化成本函数。根据滤波器如何产生，将所述滤波器应用于所述输入信号或反馈信号，以产生对齐的输入和反馈信号。

Description

消除载波的数字预失真

相关申请的交叉引用

本申请要求2011年12月5日提交的以美国临时申请No.61/485,161(代理案卷号为1052.090PROV)的优先权，通过引用将其教导整体并入在此。

技术领域

本发明涉及信号处理，并且更具体地但不排他地，涉及使用数字预失真将非线性系统(例如，非线性放大器)线性化。

背景技术

介绍

本部分介绍了可以有助于促进更好地理解本发明的若干方面。因此，本部分的陈述应从这个角度来阅读，并且不应被理解为关于什么是现有技术或者什么不是现有技术的承认。

图1示出了信号处理系统100的示意性框图，其实现了传统的使用数字预失真来线性化具有非线性放大器134的模拟子系统130的线性化方案。信号处理系统100接收数字输入信号x[n]并产生线性化的、放大的模拟输出信号y_amp(t)。

尤其，通过数字预失真(DPD)模块114处理数字(例如，基带或IF(中频))输入信号x[n]以产生预失真的数字信号x_pd[n]，其通过数字-模拟转换器(DAC)120转换为模拟预失真信号x_pd(t)。使用上变频器132将DAC的输出变频转换为期望的频率(例如，RF(射频))，以产生RF模拟预失真信号

通过非线性放大器134放大RF信号x_{pd_rf}(t)以产生输出信号y_amp(t)。

数字预失真的目的

信号处理系统100中的数字预失真的目的是确保输出信号y_amp(t)接近数字输入信号x[n]的(理论)模拟版本x(n)的线性缩放版本。即，

其中G是常数。注意，在上面的符号中，数字信号x[n]是模似信号x(t)的采样的版本。

数字预失真函数的计算

在一个典型实施方式中，放大器输出信号y_amp(t)的一小部分在抽头140处被移除，并被使用下变频器150向下混合到合适的中频(IF)(或者，替代地，到基带)。使用模拟-数字(ADC)转换器160将所得到的下变频反馈信号y_fb(t)数字化以产生数字反馈信号y_fb[n]。

最初，计算由模块114实现的数字预失真函数，随后通过使用控制器(图1中未示出)来比较输入信号x[n]和反馈信号y_fb[n]而自适应地更新该数字预失真函数，其中所述控制器可被实施为DPD模块114的一部分，或者与DPD模块114分离。可以用(至少)下面两种方式中的一种来执行该计算：

1)在非实时实现方式中，通过控制器离线地捕获并处理输入信号x[n]的样本块和反馈信号y_fb[n]的样本块，以估计预失真函数。这种估计通常在DSP(数字信号处理器)或微控制器中执行。

2)在实时实方式现中，通过控制器，利用自适应非线性滤波器结构，基于逐个样本更新预失真函数。

预处理

在两种情况下，在控制器估计预失真函数之前，对信号x[n]和y_fb[n]中的一方或两方进行预处理。该预处理对齐这两个信号的延迟、增益和相位。在数学上，这可被描述为如下：

根据下式(1)估计使成本函数(cost function)C(τ，α)最小化的延迟τ和复合增益α：

C(τ，α)＝E{(x[n-τ]-αy_fb[n])²}，  (1)

其中，E{.}表示期望值算子(或平均)。在非实时实现方式中，将成本函数最小化缩简为估计在最小二乘的意义上最小化成本函数的延迟τ和复合增益α的值。注意，可以依次地和/或联合地估计延迟τ和复合增益α。此外，注意，延迟τ可以是分数延迟(fractional delay)。用于最小二乘法估计的技术是公知的。例如，参见W.H.Press，B.P.Flannery，S.A.Teukolsky，和W.T.Vetterling著，Numerical Recipes：The art of ScientificComputing(纽约：剑桥大学出版社(Cambridge University Press)，1986)，通过引用将其教导并入在此。τ和α的优值分别被表示为τ₀和α₀。

数字预失真函数

在预处理之后，根据下式(2)，数字预失真可被描述为估计使偏差D最小化的任意的非线性函数f_pd(·)：

D＝E{(f_txl(x[n-τ₀]，x[n-τ₀-1]，x[n-τ₀+1]，...)-a₀y_fb[n])²}  (2)

现有技术的局限性

如式(1)所示的输入信号的预处理采取了延迟(由参数τ的估计表示)和相位对齐(由参数α的估计表示)。如果有导致输入信号x[n]和反馈信号y_fb[n]之间的进一步的不对齐的其它线性失真产物(linear distortionproducts)，那么上述对齐过程会限制数字预失真算法的线性度和稳定性。

发明内容

在一个实施例中，本发明是一种线性化的系统，包括：自适应预失真器，被配置为对输入信号进行预失真以产生预失真的信号；非线性传输路径，被配置为从所述预失真的信号产生输出信号；以及反馈路径，被配置为基于所述输出信号产生反馈信号，其中所述系统被配置为通过如下使所述自适应预失真器自适应：(1)基于所述输入信号和所述反馈信号优化使成本函数最小化的滤波器；(2)将优化的滤波器应用于所述输入信号或所述反馈信号，以产生对齐的输入信号和对齐的反馈信号；以及(3)基于所述对齐的输入和反馈信号更新所述自适应预失真器。

附图简要说明

从下面详细的描述、所附权利要求、以及附图，本发明的其他方面、特征和优势将变得更全面清楚，并且附图中相似的标记指示相似或相同的元素。

图1示出了实现采用数字预失真来线性化具有非线性放大器的非线性子系统的传统线性化方案的信号处理系统的示意性框图；以及

图2示出了根据本公开一个实施例的对齐处理的流程图。

具体实施方式

图2示出了根据本公开一个实施例的对齐处理的流程图。图2的处理意图在利用输入信号x[n]和反馈信号y_fb[n]更新图1的自适应DPD模块114中用来将输入信号x[n]预失真的预失真参数之前，对齐输入信号x[n]和反馈信号y_fb[n]。在一个典型的实施例中，通过与实现DPD模块114相同的数字处理器来实现图2的处理。

在图2的步骤202中，对于与输入信号x[n]和反馈信号y_fb[n]两者对应的样本集，根据下式(3)，估计长度为N_h的线性有限脉冲响应(FIR)滤波器h_a[n]，其使成本函数C(h)最小化：

C(h)＝E{(x[n]*h_a[n]-y_fb[n])²}.  (3)

其中＊表示卷积。可以应用传统的方法，例如最小二乘法(LS)、总最小二乘法(TLS)、递归最小二乘法(RLS)、梯度下降法(GradientDescent)、或最小均方法(LMS)，来使式(3)中的成本函数最小化，以获得优化的解决方案。从上述优化得到的优化的滤波器结果由h_{a_opt}[n]表示。

在步骤204中，根据下式(4)，计算在零频率处所述优化的滤波器h_{a_opt}[n]的复合增益(幅值和相位)g_{a_opt}：

$g_{a\_\mathrm{opt}}=\underset{k=0}{\overset{N_h-1}{\mathrm{\Σ}}}{h}_{a\_\mathrm{opt}}\left[k\right]---\left(4\right)$

在步骤206中，根据下式(5)和(6)对齐输入信号和反馈信号：

$x_p\left[n\right]=x\left[n\right]*\frac{h_{a\_\mathrm{opt}}\left[n\right]}{g_{a\_\mathrm{opt}}}---\left(5\right)$

y_{fb_p}[n]＝y_fb[n]  (6)

将优化的滤波器h_{a_opt}[n]除以复合增益g_{a_opt}，使滤波器标准化，从而使滤波后的输入信号x_p[n]的平均幅值和平均相位等于初始的输入信号x[n]的平均幅值和平均相位。现在，在步骤208中可以使用所获得的对齐的输入和反馈信号x_p[n]和y_{fb_p}[n]来利用传统处理技术估计和更新预失真参数。

注意，在其中h_{a_opt}[n]表示仅执行时间和复合增益对齐的滤波器的特定情况下，该解决方案简化为式(1)中的对齐。然而，在通常的情况下，由于FIR滤波器h_{a_opt}[n]赋予了额外的自由度，因此上述对齐算法为预失真提供了输入和反馈信号的更好的对齐。

在非实时实现方式中，使用诸如LS或TLS的技术离线获取并处理输入信号x[n]的样本块和反馈信号y_fb[n]的样本块，以估计滤波器h_{a_opt}[n]。在实时实现方式中，可以基于逐个采样使用诸如RLS或LMS的自适应滤波方法来获得滤波器h_{a_opt}[n]。

在非实时实现方式和实时实现方式两者中，为了提高精度，可以在现有技术的根据式(1)的x[n]和y_fb[n]的增益和时间对齐已被执行之后，根据式(5)和(6)估计滤波器系数h_{a_opt}[n]的和应用滤波器。

公式(3)至-(6)的对齐处理通过对输入信号应用标准化的滤波器，来修改输入信号x[n]，以使其与反馈信号y_fb[n]对齐。在一个替代的实施例中，可以通过对反馈信号应用适当的不同的标准化的滤波器来修改反馈信号y_fb[n]，以使其与输入信号x[n]对齐。该替代的实施例可以由下式(7)至(10)表示：

C(h)＝E{(y_fb[n]*h_b[n]-x[n])²}.  (7)

$g_{b\_\mathrm{opt}}=\underset{k=0}{\overset{N_h-1}{\mathrm{\Σ}}}{h}_{b\_\mathrm{opt}}\left[k\right]---\left(8\right)$

$y_{\mathrm{fb}\_p}\left[n\right]=y_{\mathrm{fb}}\left[n\right]*\frac{h_{b\_\mathrm{opt}}\left[n\right]}{g_{b\_\mathrm{opt}}}---\left(9\right)$

x_p[n]＝x[n]  (10)

其中成本函数C(h)被最小化来优化替代的滤波器h_b[n]，g_{b_opt}是该替代滤波器的复合增益。虽然可能是一个不太实际的解决方案，但是产生两个不同的滤波器，一个用于输入信号，一个用于反馈信号，从而使得输入和反馈信号都被适当地过滤以使它们彼此对齐，这在技术上也是可能的。

虽然已经在线性化具有非线性放大器的模拟子系统的背景下描述了本发明，但是本发明也可以在其它背景下实施。例如，本发明可以实现来线性化具有下面的元素中的一个或多个的模拟子系统：基带放大、IF(中频)放大、RF放大、上变频、下变频、矢量调制。此外，根据特定应用的频率需求和用来实施各种元素的物理部件的频率性能，可以省略图1的上变频器132和/或下变频器150。注意，在某些实施例中，上变频器和/或下变频器可以部分地甚至完全地实现在数字域中。

本发明可以被实现为基于(模拟、数字、或模拟和数字两者的混合)电路的处理过程，包括作为单个集成电路(例如ASIC或FPGA)、多芯片模块、单卡、或多卡电路组件的可能实现方式。如对本领域技术人员将明了的，电路元件的各种功能也可以被实现为软件程序中的处理模块。这种软件可以被用在，例如，数字信号处理器、微控制器、通用计算机、或其它处理器中。

本发明可以以方法和用于实践那些方法的装置的形式实施。本发明也可以以以有形介质实现的程序代码的形式实施，所述有形介质例如磁记录介质、光学记录介质、固态存储器、软盘、CD-ROM、硬盘驱动器、或者任何其它非易失性机器可读存储介质，其中，当程序代码被加载到机器(诸如，计算机)中载入并由其执行时，该机器变成用于实践本发明的装置。本发明也可以以程序代码的形式实施，例如，程序代码存储在非临时性机器可读存储介质中，包括被加载到机器和/或通过机器执行，其中，当程序代码被加载到诸如计算机的机器中并由该机器执行时，该机器变成用于实践本发明的装置。当在通用处理器上实现时，程序代码段结合处理器提供了与专用逻辑电路类似地操作的独特设备。

那些本领域普通技术人员将认识到，这里的任何框图表示实施本发明的原理的示例性电路的概念视图。类似地，将理解，任何过程图、流程图、状态转移图、伪代码等表示各种处理过程，这些处理基本上可以以计算机可读介质表示，并且通过计算机或处理器被这样执行，而无论这种计算机或处理器是否被明确示出。

除非另外明确说明，每个数值和范围应被解释为近似的，就好像在该值或范围的值之前有词“大约”或“近似”一样。

还将理解，本领域技术人员可以对为了解释本发明的实质已经描述和说明过的细节、材料、以及各部分的布置做出各种变化，而不脱离随后的权利要求中所描述的本发明的范围。

权利要求中使用的附图数字和/或附图参考标记旨在标识所要求保护的主题的一个或多个可能的实施例，以便于理解权利要求。这种使用不应被解释为必然地将那些权利要求的范围的限制到在相应的附图中所示的实施例。

应当理解，这里阐述的示例性方法的步骤不必然要求以所描述的顺序被执行，并且这些方法的步骤的顺序应该被理解为仅仅是示例性的。同样的，在这些方法中可以包括附加的步骤，并且在与本发明的各种不同实施例一致的方法中，某些步骤可被省略或组合。

虽然下面的方法权利要求中的元素，如果有的话，被用相应的标签以特定的顺序引述，但是除非权利要求的叙述另外暗示特定的顺序来实现这些元素中一些或全部，否则这些元素不应被限制为以那种特定的顺序实现。

这里对“一个实施例”或“一实施例”(“one”或“an”)的引用意味着结合该实施例描述的特定特征、结构或特性可以被包括在本发明的至少一个实施例中。说明书中不同地方出现的短语“在一个实施例中”并不必然都指同一实施例，也不表示独立的或替代的实施例必然与其他实施例互斥。这同样适用于术语“实现方式”。

本申请中的权利要求覆盖的实施例限于这样的实施例：(1)通过本申请文件所使得能够实现的；以及(2)对应于法定的主题的。不能使得其实现的实施例和对应于非法定主题的实施例被明确放弃，即使它们落在权利要求的范围内。

Claims (20)

1.一种线性化的系统，包括：

自适应预失真器，被配置为对输入信号进行预失真以产生预失真的信号；

非线性传输路径，被配置为从所述预失真的信号产生输出信号；以及

反馈路径，被配置为基于所述输出信号产生反馈信号，其中所述系统被配置为通过如下使所述自适应预失真器自适应：

(1)基于所述输入信号和所述反馈信号优化使成本函数最小化的滤波器；

(2)将优化的滤波器应用于所述输入信号或所述反馈信号，以产生对齐的输入信号和对齐的反馈信号；以及

(3)基于所述对齐的输入和反馈信号更新所述自适应预失真器。

2.根据权利要求1的发明，其中所述非线性传输路径包括非线性功率放大器。

3.根据权利要求1的发明，其中所述成本函数C(h)由下式给出：

C(h)＝E{(x[n]*h_a[n]-y_fb[n])²}

其中：

x[n]是所述输入信号；

y_fb[n]是所述反馈信号；

h_a[n]是所述滤波器；

＊表示卷积；以及

E{·}是期望算子。

4.根据权利要求3的发明，其中所述系统被配置为根据下式计算在零频率处所述优化的滤波器h_{a_opt}[n]的复合增益g_{a_opt}：

$g_{a\_\mathrm{opt}}=\underset{k=0}{\overset{N_h-1}{\mathrm{\Σ}}}{h}_{a\_\mathrm{opt}}\left[k\right]$

其中：

N_h是所述优化的滤波器的长度。

5.根据权利要求4的发明，其中：

所述系统被配置为根据下式产生所述对齐的输入信号x_p[n]：

$x_p\left[n\right]=x\left[n\right]*\frac{h_{a\_\mathrm{opt}}\left[n\right]}{g_{a\_\mathrm{opt}}}$

并且所述系统被配置为根据下式产生所述对齐的反馈信号y_{fb_p}[n]：

y_{fb_p}[n]＝y_fb[n]。

6.根据权利要求1的发明，其中所述成本函数C(h)由下式给出：

C(h)＝E{(y_fb[n]*h_b[n]-x[n])²}

其中：

x[n]是所述输入信号；

y_fb[n]是所述反馈信号；

h_b[n]是所述滤波器；

＊表示卷积；以及

E{·}是期望算子。

7.根据权利要求6的发明，其中所述系统被配置为根据下式计算在零频率处所述优化的滤波器h_{b_opt}[n]的复合增益g_{b_opt}：

$g_{b\_\mathrm{opt}}=\underset{k=0}{\overset{N_h-1}{\mathrm{\Σ}}}{h}_{b\_\mathrm{opt}}\left[k\right]$

其中：

N_h是所述优化的滤波器的长度。

8.根据权利要求7的发明，其中：

所述系统被配置为根据下式产生所述对齐的反馈信号y_{fb_p}[n]：

$y_{\mathrm{fb}\_p}\left[n\right]=y_{\mathrm{fb}}\left[n\right]*\frac{h_{b\_\mathrm{opt}}\left[n\right]}{g_{b\_\mathrm{opt}}}$

并且所述系统被配置为根据下式产生所述对齐的输入信号x_p[n]：

x_p[n]＝x[n]。

9.根据权利要求1的发明，其中所述系统被配置为自适应地实时更新所述自适应预失真器。

10.根据权利要求1的发明，其中所述系统被配置为自适应地非实时更新所述自适应预失真器。

11.一种将非线性传输路径线性化的方法，所述方法包括：

施加输入信号到自适应预失真器以产生预失真的信号；

施加所述预失真的信号到所述非线性传输路径以产生输出信号；以及

使用反馈路径基于所述输出信号产生反馈信号，以及

通过以下使所述自适应预失真器自适应：

(1)基于所述输入信号和所述反馈信号优化将成本函数最小化的滤波器；

(2)将优化的滤波器应用于所述输入信号或所述反馈信号，以产生对齐的输入信号和对齐的反馈信号；以及

(3)基于所述对齐的输入信号和反馈信号更新所述自适应预失真器。

12.根据权利要求11的发明，其中所述非线性传输路径包括非线性功率放大器。

13.根据权利要求11的发明，其中所述成本函数C(h)由下式给定：

C(h)＝E{(x[n]*h_a[n]-y_fb[n])²}

其中：

x[n]是所述输入信号；

y_fb[n]是所述反馈信号；

h_a[n]是所述滤波器；以及

E{·}是期望算子。

14.根据权利要求13的发明，其中根据下式计算在零频率处所述优化的滤波器h_{a_opt}[n]的复合增益g_{a_opt}：

$g_{a\_\mathrm{opt}}=\underset{k=0}{\overset{N_h-1}{\mathrm{\Σ}}}{h}_{a\_\mathrm{opt}}\left[k\right]$

其中：

N_h是所述优化的滤波器的长度。

15.根据权利要求14的发明，其中：

根据下式产生所述对齐的输入信号x_p[n]：

$x_p\left[n\right]=x\left[n\right]*\frac{h_{a\_\mathrm{opt}}\left[n\right]}{g_{a\_\mathrm{opt}}}$

并且根据下式产生所述对齐的反馈信号y_{fb_p}[n]：

y_{fb_p}[n]＝y_fb[n]。

16.根据权利要求11的发明，其中所述成本函数C(h)由下式给定：

C(h)＝E{(y_fb[n]*h_b[n]-x[n])²}

其中：

x[n]是所述输入信号；

y_fb[n]是所述反馈信号；

h_b[n]是所述滤波器；

＊表示卷积；以及

E{·}是期望算子。

17.根据权利要求16的发明，其中根据下式计算在零频率处所述优化的滤波器h_{b_opt}[n]的复合增益g_{b_opt}：

$g_{b\_\mathrm{opt}}=\underset{k=0}{\overset{N_h-1}{\mathrm{\Σ}}}{h}_{b\_\mathrm{opt}}\left[k\right]$

其中：

N_h是所述优化的滤波器的长度。

18.根据权利要求17的发明，其中：

根据下式产生所述对齐的反馈信号y_{fb_p}[n]：

$y_{\mathrm{fb}\_p}\left[n\right]=y_{\mathrm{fb}}\left[n\right]*\frac{h_{b\_\mathrm{opt}}\left[n\right]}{g_{b\_\mathrm{opt}}}$

并且，根据下式产生所述对齐的输入信号x_p[n]：

x_p[n]＝x[n]。

19.根据权利要求11的发明，其中所述自适应预失真器被自适应地实时更新。

20.根据权利要求11的发明，其中所述自适应预失真器被自适应地非实时更新。

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