CN104584501B - 针对无线通信系统中的宽带数字预失真对准宽频率间隔信号的方法和系统 - Google Patents

针对无线通信系统中的宽带数字预失真对准宽频率间隔信号的方法和系统 Download PDF

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Abstract

一种用于时间对准宽频率间隔信号的系统包括数字预失真(DPD)处理器和功率放大器，功率放大器耦合到DPD处理器并且能够操作以在功率放大器输出处提供发射信号。该系统还包括耦合到功率放大器输出的反馈回路。反馈回路包括：模拟‑数字转换器(ADC)单元，其耦合到功率放大器输出并且输出反馈信号，其中该ADC单元具有采样率；自适应分数延迟滤波器，其耦合到ADC单元，并且被配置为基于采样率的分数对反馈信号进行延迟；延迟估计器，其耦合到DPD处理器的一个或多个输出，并且耦合到自适应分数延迟滤波器；以及耦合到延迟估计器的DPD系数估计器。

Description

针对无线通信系统中的宽带数字预失真对准宽频率间隔信号 的方法和系统
相关申请的交叉引用
本申请要求于2012年7月23日提交的题目为“针对无线通信系统中的宽带数字预失真对准宽频率间隔信号的方法和系统”的美国临时专利申请第61/674,771号的优先权，其公开内容通过引用被整体合并到本文中以用于所有目的。
背景技术
预失真是在通信系统中使用以改善功率放大器的线性度的技术。因为功率放大器可具有非线性输入/输出特性，所以预失真用于使功率放大器的输入/输出特性线性化。实质上，“逆失真”被引入到馈入功率放大器的输入中，从而抵消功率放大器的非线性特性。
在移动通信系统中用于将功率放大器线性化的当前预失真技术主要是：通过模拟电路在IF/RF处实现的模拟预失真器以及利用数字信号处理(DSP)技术在基带处的数字预失真器。
模拟预失真器基于误差扣除和功率匹配的原理来产生功率放大器的线性化。因为功率放大器的非线性特性可能是复杂的且涉及许多变量，所以模拟预失真会导致小于最佳预失真准确度并且耗用相当大的功率。
尽管在预失真技术方面取得了进展，但是在本领域中存在对用于数字预失真系统的改进的方法和系统的需要。
发明内容
因此，鉴于以上问题作出本发明，本发明的目的是提供一种用于宽带数字预失真系统的估计发射信号与反馈信号之间的延迟的鲁棒方法。为了实现以上目的，根据本发明的实施方式，该技术基于在反馈路径中使用基于法罗的分数延迟滤波器以及算法，以便精确地控制反馈路径延迟。本发明的实施方式能够在任何时刻高准确度地将发射信号和反馈信号时间对准。
根据本发明的一个实施方式，提供了用于具有宽频率间隔载波的宽带数字预失真的简单且鲁棒的延迟估计方法。本发明提供了一种用于宽带数字预失真系统的时间对准发射信号和反馈信号的方法。为了实现以上目的，根据本发明的实施方式，该技术基于使用可编程分数延迟滤波器，该可编程分数延迟滤波器基于非常易于设计和控制的三阶拉格朗日法罗结构。本文描述的实施方式能够在数字预失真系统中以大于100MHz的瞬时带宽对准信号。
根据本发明的一个实施方式，提供了用于时间对准宽频率间隔信号的系统。系统包括数字预失真(DPD)处理器和功率放大器，该功率放大器耦合到DPD处理器并且能够操作以在功率放大器输出处提供发射信号。系统还包括耦合到功率放大器输出的反馈回路。反馈回路包括：模拟-数字转换器(ADC)单元，其耦合到功率放大器输出并且输出反馈信号，其中该ADC单元具有采样率；自适应分数延迟滤波器，其耦合到ADC单元，并且被配置为基于采样率的分数对反馈信号进行延迟；延迟估计器，其耦合到DPD处理器的一个或多个输出，并且耦合到自适应分数延迟滤波器；以及耦合到延迟估计器的DPD系数估计器。
根据本发明的另一个实施方式，提供了时间上对准信号的方法。方法包括：a)计算延迟参数的值；b)接收多个发射信号；以及c)接收多个反馈信号。方法还包括：d)使用多个发射信号和多个反馈信号来确定与定时误差有关的函数；e)确定与定时误差有关的函数大于或等于预定阈值；以及f)递增计数器。方法还包括：g)重复一次或更多次a)至f)中的一个或更多个；h)确定与定时误差有关的函数小于预定阈值；以及i)使延迟参数固定。
相比于常规技术，通过本发明实现了许多益处。例如，本发明的实施方式提供了对反馈路径中的延迟的增强的控制，从而改进了数字预失真系统的性能特性。结合下文和附图更详细地描述本发明的这些和其它实施方式以及许多它的优势和特征。
附图说明
图1是示出根据本发明的实施方式的包括具有延迟估计的数字预失真的多载波宽带系统的示意性框图；
图2是示出根据本发明的实施方式的用于对准宽带信号的系统的示意性框图；以及
图3是示出根据本发明的实施方式的时间上对准信号的方法的简化流程图。
具体实施方式
本发明总体上涉及使用复用调制技术的宽带通信系统。更具体地，本发明涉及用于无线发射机中宽带数字预失真线性化的对准宽频率间隔信号的方法。
随着无线通信系统中频谱效率的重要性的增加，射频(RF)功率放大器(PA)的线性度和效率已经成为具有高峰均功率比(PAR)的非恒定包络数字调制方案的关键设计问题。RF PA具有非线性，其在PA的输出处产生调幅-调幅(AM-AM)和调幅-调相(AM-PM)失真。这些效应造成相邻信道中的频谱再生以及使误差向量幅度(EVM)退化的带内失真。因此，通常将各种线性化技术中的一种应用于RF PA。文献中已经提出了多种线性化技术，如反馈、前馈以及预失真。
最有前景的线性化技术是基带数字预失真(DPD)，其利用了数字信号处理器的最新进展。当与广泛使用的常规的前馈线性化技术相比时，DPD在降低的系统复杂度的情况下能够实现良好的线性、良好的功率效率。此外，软件实现为数字预失真器提供了适合多标准环境的重新配置性。此外，诸如Doherty(道尔蒂)功率放大器(DPA)的使用效率增强技术的PA能够以线性为代价实现比传统PA设计更高的效率。因此，将DPD与使用效率增强技术的DPA结合具有使系统线性度和整体效率最大化的可能性。
典型的无线通信系统瞬时带宽支持约20MHz到25MHz。用于数字预失真算法的常见延迟估计使用具有两倍或更多倍的过采样的发射信号与反馈信号之间的幅度相关性。
然而，针对下一代无线系统的瞬时带宽(>25MHz)的要求继续增加，这意味着宽带多载波可能是宽频率间隔的，例如，对于支持65MHz的瞬时带宽的系统，载波间隔能够高达60MHz。这会由于大的载波间隔而产生具有非常小的时间差的若干相关峰值。这会导致不希望的大的延迟对准误差。因此，本发明的实施方式提供了具有鲁棒延迟估计的宽带数字预失真系统。
图1是示出数字预失真(DPD)电路、插值器、数字-模拟转换器(DAC)、调制器、功率放大器、双工器、用于在PA的输出处耦合的输出的射频下变频电路、用于数字预失真反馈路径的模拟-数字转换器(ADC)以及数字下变频器的示意性框图。数字预失真系统利用基于复信号(I和Q)的幅度的延迟估计。通常，反馈ADC的采样率是数字预失真器的两倍。例如，如果数字预失真采样率是125MHz，则反馈ADC的采样率通常为至少250MHz，这意味着硬件可控延迟的最小分辨率是4ns(1/250MHz)。在某些实施方式中，在宽频率间隔载波的情况下，最小分辨率不足以小到以期望的准确度对准发射与反馈路径之间的延迟。
延迟估计器接收来自反馈路径的输入以及来自DPD电路的输出的输入。延迟估计器计算这些输入之间的差，并且将输入提供至系数估计器以时间对准信号，作为误差最小化过程的一部分。在本发明的某些实施方式中，延迟估计器提供下述值：该值是在DPD电路的输出处的同相分量与反馈信号的同相分量以及在DPD电路的输出处的正交相位分量与反馈信号的正交相位分量之间的定时误差的函数。
作为定时误差(Error)的函数的计算的一个示例，定时误差的函数也能够被称为与定时误差有关的函数，该函数可以是复反馈信号与DPD电路的复输出之间的均方误差的差。
其中，是同相反馈信号
是正交相位反馈信号
I是同相输出DPD信号
Q是正交相位输出DPD信号
图2是示出根据本发明的实施方式的用于对准宽带信号的系统的示意性框图。图2中示出的系统包括数字预失真(DPD)电路、插值器、数字-模拟转换器、调制器、功率放大器、双工器、用于在PA的输出处耦合的输出的射频下变频电路、用于反馈路径的模拟-数字转换器、数字下变频器、以及具有可控参数(mu)的分数延迟滤波器，在某些实施方式中该可控参数(mu)在0至1的范围内。
根据本发明的本发明，分数延迟滤波器是基于三阶拉格朗日法罗结构来实现的，该三阶拉格朗日法罗结构使得能够实现简单的实现方式并且以数字预失真采样率进行工作。可以对特定应用适当地使用更高阶拉格朗日法罗滤波器。最小延迟分辨率可以为采样率的10倍或更高倍，这意味着对于具有1GHz采样率的反馈ADC，最小延迟分辨率能够小至0.1ns。当然，在某些实现方式中最小延迟分辨率将取决于比特数。为了提供类似的最小延迟，常规系统将在硬件或复杂且耗时的软件滤波算法中使用10GHz采样率插值器。
分数延迟滤波器允许以采样率的分数进行信号移位(即信号时移)。作为示例，如果采样率为100MHz，则常规系统将仅按照导致在每个样本之间为10ns(即1/100MHz)的速率进行采样。如图2中所示，分数延迟滤波器包括被示出为mu的参数。该参数使得能够以采样率的预定分数(例如，采样率的十分之一)进行信号移位以改变延迟。因此，对于在0至1的范围内的mu值，分数延迟滤波器使得最小延迟能够从10ns减小至1ns。因此本发明的实施方式在宽带通信系统中数字预失真的背景下利用分数延迟滤波。
再次参考图2，分数延迟滤波器充当利用可变延迟作为参数mu的函数的低通滤波器。下面提供在工作期间与参数mu的变化有关的另外的描述。
图3是示出根据本发明的实施方式的时间上对准信号的方法的流程图。当延迟估计开始时，将计数器(n)设定为零，并且将mu设定为计数器乘以步长的值(mu＝n*步长)，从而将mu设定为零。能够将步长设定为多个值，例如，0.2、0.1、0.05等等。作为一个示例，如果ADC以1MHz的采样率(即每样本1μs)工作且将步长设定为0.1，则随着计数器递增，mu将被设定为0.1的倍数，以提供0.1μs的最小延迟分辨率。
在DPD电路的输出和反馈路径的输出(即数字下变频器的输出)处捕获信号。DPD电路的输出和反馈路径的输出被幅度对准。使用两条路径的对准的捕获信号，如图2所示在延迟估计器中执行定时误差的函数的计算。在第一次迭代期间，n＝0且mu＝0，将参数mu＝0提供至分数延迟滤波器。如果得到的定时误差的函数大于或等于预定阈值，则递增计数器且针对下一次迭代重新计算mu(即，在本示例中，针对二次迭代，mu＝1*步长＝1*0.1＝0.1)。该过程进行迭代，直到定时误差的函数小于预定阈值，mu被固定，并且将来自延迟估计器的值提供至系数估计器(即系数估计算法)。步长不限于本示例中的值0.1，并且能够被设定为其它适合的值，例如，0.2、0.1、0.05等等。
本发明的实施方式提供了实时自适应处理以将信号误差减小至预定水平。如对于本领域技术人员将明显的，捕获预定数目的符号(例如，4000个样本)，执行定时误差的函数的计算以确定延迟估计值，然后向系数估计器提供延迟。
参考图3，提供了时间上对准信号的方法。该方法包括：a)计算延迟参数的值；b)接收多个发射信号；以及c)接收多个反馈信号。如图3中所示，计算延迟参数的值可以包括将计数器乘以步长参数。步长参数能够在0至1的范围内。该方法还包括：d)使用多个发射信号和多个反馈信号来确定定时误差的函数；以及e)确定定时误差的函数大于或等于预定阈值。使用多个发射信号和多个反馈信号来确定定时误差的函数可以包括：对多个发射信号和多个反馈信号滤波，以及估计定时误差。
方法还包括：f)递增计数器；以及g)重复一次或更多次a)至f)。在某些实施方式中，重复一次或更多次a)至f)的子集。如图3中所示，只要定时误差的函数大于或等于预定阈值，就执行a)至f)的迭代。
在延迟参数的值多次迭代和增加之后，方法包括：h)确定定时误差的函数小于预定阈值；以及i)使延迟参数固定。在一个实施方式中，该方法还包括使用延迟参数来估计预失真系数。
应理解，图3中示出的具体步骤提供了根据本发明的实施方式的时间上对准信号的具体方法。根据替选实施方式，也可以执行其它步骤序列。例如，本发明的替选实施方式可以以不同的顺序执行上面概述的步骤。此外，图3中示出的各个步骤可以包含多个子步骤，可以以适合于各个步骤的各种序列执行所述多个子步骤。另外，可以根据特定应用添加或移除另外的步骤。本领域的普通技术人员会意识到许多变化、修改和替选。
还会理解，本文描述的示例和实施方式仅用于说明的目的，并且将使本领域的技术人员想到根据这些示例和实施方式的各种修改或改变，而这些修改或改变应包含在本申请的精神和权限以及所附权利要求的范围之内。

Claims (14)

1.一种用于时间对准宽频率间隔信号的系统，所述系统包括：
数字预失真DPD处理器；
功率放大器，其耦合到所述DPD处理器，并且能够操作以在功率放大器输出处提供发射信号；以及
反馈回路，其耦合到所述功率放大器输出，其中所述反馈回路包括：
模拟-数字转换器ADC单元，其耦合到所述功率放大器输出并且输出反馈信号，其中所述ADC单元具有采样率；
自适应分数延迟滤波器，其耦合到所述ADC单元，并且被配置为基于所述采样率的分数对所述反馈信号进行延迟；
延迟估计器，其耦合到所述DPD处理器的一个或多个输出，并且耦合到所述自适应分数延迟滤波器；以及
DPD系数估计器，其耦合到所述延迟估计器。
2.如权利要求1所述的系统，其中所述延迟估计器还包括控制算法。
3.如权利要求1所述的系统，其中所述分数延迟滤波器基于三阶或更高阶拉格朗日法罗滤波器。
4.如权利要求1所述的系统，其中所述延迟估计器能够操作以计算定时误差的函数。
5.如权利要求4所述的系统，其中所述延迟估计器能够操作以通过对所述发射信号和所述自适应分数延迟滤波器的输出进行滤波来计算所述定时误差的函数。
6.如权利要求5所述的系统，其中所述定时误差的函数包括幅度平方函数。
7.如权利要求5所述的系统，其中所述定时误差的函数包括幅度峰相关函数。
8.如权利要求5所述的系统，其中所述定时误差的函数包括误差向量幅度(EVM)函数。
9.如权利要求1所述的系统，其中所述自适应分数延迟滤波器是低通滤波器。
10.如权利要求1所述的系统，其中所述自适应分数延迟滤波器包括延迟参数。
11.如权利要求10所述的系统，其中所述DPD系数估计器能够操作以使用所述延迟参数来估计预失真系数。
12.如权利要求10所述的系统，其中所述延迟参数是通过将计数器乘以步长参数而计算的。
13.如权利要求12所述的系统，其中所述步长参数在0至1的范围内。
14.如权利要求10所述的系统，其中所述延迟参数在0至1的范围内。
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