CN104604126A - 用于双频带线性化的低采样率适应方案 - Google Patents

用于双频带线性化的低采样率适应方案 Download PDF

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Abstract

本文公开了用于为通信系统的多频带功率放大器系统中的预失真器确定适应参数的方法和系统。方法包括在适配器接收包括具有基本上重叠频谱的第一多个信号的参考信号。第一多个信号的每个信号输入到多个预失真器的对应一个预失真器。适配器也接收包括调谐到基本上相同频率以具有重叠频谱的第二多个信号的观察信号。第二多个信号的每个信号从多频带功率放大器系统的输出得到。适配器基于参考信号和观察信号计算适应参数。

Description

用于双频带线性化的低采样率适应方案
技术领域
本发明涉及电子通信，并且具体而言涉及确定在多频带功率放大器系统的预失真器中使用的适应参数。
背景技术
用于通信应用的射频功率放大器的设计经常涉及在线性与效率之间的折衷。功率放大器一般在其饱和点或其附近操作时最有效。然而，放大器在饱和点或其附近的响应是非线性的。一般而言，在高效率范围中操作时，功率放大器的响应展示非线性响应和记忆效应。
改进功率放大器的效率及其总体线性的一种方式是使到功率放大器的输入数字预失真以补偿功率放大器引入的失真。实际上，在预期功率放大器引入的失真的情况下调整输入信号，使得输出信号大部分不是失真产物。通常，在基带频率，即在将信号上变频到射频之前对信号应用数字预失真。
因此，为使功率放大器实现高效率，在非线性区域中操作功率放大器。这造成了输入信号的失真和输入信号的带宽加宽。为补偿由功率放大器引入的信号的失真，先将输入信号传递通过使输入信号预失真的预失真器。典型的预失真器本身是非线性的，具有非线性以补偿预失真器的非线性。举例而言，功率放大器可展示第一和第三阶效应，其由可为第三阶非线性编写的输入的多项式函数表征为：
 (01)
其中，x是输入信号，并且a3比a1小得多。函数f是功率放大器对输入x的响应，并且下标NL-IM3表示最高三阶的非线性。为补偿由功率放大器引入的失真，预失真器可具有是输入的多项式函数的响应：
　 (02)
将等式(02)替代到等式(01)中产生了：
　 (03)
其中，O(x5)是第五阶或更高阶的项。通过适当选择系数b1和b3，以形成更不显著量级的更高阶项为代价，可去除第三阶项。实现此操作的解表示为：
 (04)
在不失一般性的情况下，假设a1=b1=1。因此，补偿第三阶预失真的解是：
b3 = -a3   (05)
此简单的说明是用于第三阶非线性。对于更高阶非线性，可采取相同方案消除更高阶项。因此，预失真器是补偿由功率放大器造成的失真的非线性装置。
这些技术能够对在线性和效率方面改进传送器系统的总体性能是相当有益的。此外，由于预失真器的数字实现，这些技术能够相对便宜。实际上，通过这些技术的可用性，功率放大器可根据在其它情况下将可允许的更宽松的线性要求进行设计，由此可能降低总体系统的成本。
取决于要由预失真器补偿的互调的阶，预失真器的带宽必须比输入信号的带宽更宽。例如，对于第三阶互调，预失真的信号占用到预失真器的输入信号的带宽的大约三倍。对于第五阶互调，预失真的信号占用输入信号的带宽的大约5倍。更高带宽暗示预失真的信号的采样率必须高于采样的基带信号的采样率以避免混叠。
图1示出具有预失真器12和14与适配器16和18的已知双频带功率放大器系统10。适配器16和18确定分别用于预失真器12和14的预失真器系数。每个预失真器12和14接收来自由对应上采样器24或26进行上采样的相应源20和22的信号。到预失真器12和14的这些输入是也分别到适配器16和18的输入的参考信号。预失真器12和14的输出经对应上变频单元28或30在频率方面分别上变频到第一载波和第二载波。上变频单元28和30的输出由加法器32相加。加法器32的输出可由正交调制单元34进行正交调制。正交调制单元34的输出输入功率放大器36。功率放大器36的输出输入观察接收器11的两个滤波器38和40之一。这些滤波器的输出分别由下变频/解调单元42和44进行下变频和解调。单元42和44的输出是分别输入到适配器16和18的观察信号。
图2示出只使用单个适配器58的已知备选功率放大器系统60。到适配器58的观察信号输入由观察接收器61的对应调谐器46和48调谐到IF1和IF2。类似地，到适配器58的参考信号输入由调谐器50和52调谐到IF1和IF2。在图2的配置中，适配器58产生的适应参数由两个预失真器12和14使用。每个预失真器中用于第五阶非线性补偿的基函数为以下形式：
　　(06)
　(07)
其中，y1和y2分别表示预失真器12和14的输出，并且x1和x2分别是输入到预失真器12和14的基带输入信号。适配器寻求最小化的误差表示为：
(08)
其中，是由适配器58生成的系数。
图3示出从每个具有原带宽B的源20和22收到的信号的第五阶预失真。为避免在加法器56中相加时这两个信号的混叠，必须对信号以至少5x2xB的尼奎斯特速率采样，并且将其调谐到等于 +/-B/2的中间频率IF。图4示出分别从具有原带宽B1和B2的源20和22收到的信号的第五阶预失真。为避免混叠，信号必须不变频到由如下表示的相应中间频率IF1和IF2：
　　　　(09)
　　　　(10)
并且必须将采样率选择为：
　　　　(11)
图2的实施例要求在适配器58内的高采样率。极高的采样率由于高时钟速率在系统内可能不可用而不合需要，和/或实现的成本更高，消耗附加的功率等。
发明内容
本发明有利地提供了用于为通信系统的多频带功率放大器系统中的预失真器确定适应参数的方法和系统。根据一方面，本发明提供一种方法，方法包括在适配器接收包括具有基本上重叠频谱的第一多个信号的参考信号。第一多个信号的每个信号输入多个预失真器的对应一个预失真器。适配器也接收包括调谐到基本上相同频率以具有重叠频谱的第二多个信号的观察信号。从多频带功率放大器系统的输出得到第二多个信号的每个信号。适配器基于参考信号和观察信号计算适应参数。
根据此方面，在一些实施例中，通过将输出引导到单独的信道，从多频带功率放大器的输出得到第二多个信号。每个单独的信道产生第二多个信号之一。在一些实施例中，每个信道包括滤波器、解调器和下变频器。在一些实施例中，基于第一多个信号中具有最大带宽的信号的带宽，选择适配器的采样率。在一些实施例中，在要由预失真器校正的非线性的阶为N时，将适配器的采样率选择为基本上是第一多个信号中具有最大带宽的信号的带宽的N倍。在一些实施例中，第一多个信号的每个信号基本上居中在基带。在一些实施例中，第二多个信号的每个信号基本上居中在基带。
根据另一方面，本发明提供用于具有多个预失真器和功率放大器的多频带功率放大器系统的适配器。适配器包括接收参考信号的第一输入。参考信号包括具有居中在基带的基本上重叠频谱的第一多个信号。适配器包括接收观察信号的第二输入。观察信号包括从功率放大器的输出得到的第二多个信号。第二多个信号包括具有居中在基带的基本上重叠频谱。适配器还包括配置成基于参考信号和观察信号计算适应参数的处理器。
根据此方面，在一些实施例中，处理器还配置成将适应参数输出到多个预失真器的每个预失真器。根据一些实施例，适应参数是由多个预失真器的对应预失真器应用到对应预失真器收到的信号的多项式的系数。在一些实施例中，适配器的采样率基本上是第一多个信号中具有最大带宽的信号的带宽的N倍，其中，N是要由预失真器补偿的非线性的阶。在一些实施例中，通过最小化在参考信号与观察信号之间的误差来计算适应参数。
根据另一方面，本发明提供包括至少第一预失真器和第二预失真器的多频带功率放大器系统。第一预失真器具有第一输出，并且第二预失真器具有第二输出。第一和第二预失真器接收至少第一信号和第二信号作为输入。功率放大器放大从第一和第二预失真器的第一和第二输出得到的信号以产生功率放大器输出信号。多频带功率放大器系统包括配置成接收是至少第一信号和第二信号的组合的参考信号的适配器。第一和第二信号组合，使得其频谱基本上重叠。适配器也配置成接收是至少第三信号和第四信号的组合的观察信号。第三和第四信号从功率放大器输出信号得到。第三和第四信号组合，使得其频谱基本上重叠。适配器也配置成计算要由至少第一和第二预失真器使用的适应参数的集合。适应参数是基于参考信号和观察信号。
根据此方面，在一些实施例中，适应参数是由对应预失真器应用到对应预失真器收到的信号的多项式的系数。在一些实施例中，第一信号和第二信号基本上调谐到基带。在一些实施例中，第三信号和第四信号基本上调谐到基带。在一些实施例中，通过最小化在参考信号与观察信号之间的误差来得到适应参数。在一些实施例中，适配器的采样率基本上是第一或第二信号中具有最大带宽的信号的带宽的N倍，其中，N是要由第一和第二预失真器补偿的非线性的阶。在一些实施例中，系统也包括接收第一预失真器的第一输出的至少第一上变频器和接收第二预失真器的第二输出的至少第二上变频器。在一些实施例中，系统也包括第一滤波器和第二滤波器。第一滤波器过滤功率放大器输出信号的第一频带，并且第二滤波器过滤功率放大器输出的第二频带。在这些实施例中，系统也包括接收第一滤波器的输出的第一下变频器和接收第二滤波器的输出的第二下变频器。
附图说明
结合附图考虑时，参照下面详细的描述，将更容易获得本发明的更完整理解，并且理解其伴随的优点和特征，其中：
图1是已知功率放大器系统的框图；
图2是已知功率放大器系统的框图；
图3是每个频带具有相同带宽的双频带信号的图形；
图4是每个频带具有不同带宽的双频带信号的图形；
图5是根据本发明的原理构建的示范多频带功率放大器系统的框图；
图6是具有相同带宽的两个重叠信号的图形；
图7是具有不同带宽的两个重叠信号的图形；
图8是根据本发明的原理构建的另一示范多频带功率放大器系统的框图；
图9是基于图7的信号的相邻信道泄露的图形；以及
图10是用于确定在多频带功率放大器系统的预失真器中使用的适应参数的示范过程的流程图。
具体实施方式
在详细描述根据本发明的示范实施例前，要注意的是，实施例主要存在于与确定用于在多频带功率放大器系统的预失真器的适应参数有关的设备组件和处理步骤的组合。相应地，系统和方法组件已在适当之处通过图中的常规符号表示，只示出与理解本发明的实施例有关的那些特定细节，使得受益于本文中的描述的本领域普通技术人员将容易明白的细节不混淆公开内容。
在本文中使用时，诸如“第一”和“第二”、“顶部”和“底部”及诸如此类的关系术语可只用于区分一个实体或元素与另一实体或元素，而不一定要求或暗示在此类实体或元素之间的任何物理或逻辑关系或顺序。
现在参照附图，其中类似的标号表示类似的元素，图5中示出根据本发明的原理构建的示范多频带功率放大器系统66的框图。输入图5的适配器62的参考信号和观察信号是基带信号，由具有基本上重叠频谱的信号组成。因此，图5的系统66具有上采样器24和26的输出，所述输出由加法器54相加以产生包括具有居中在基带并且基本上重叠的频谱的源20和22的上采样输出的参考信号。
图5的系统66也具有从功率放大器的输出的两个组件得到的观察信号，所述输出被转换到基带并且由加法器56组合，使得加法器56输出的基带信号具有基本上重叠的频谱。因此，如图5所示，功率放大器36的输出输入单独的信道，每个信道产生被组合以产生观察信号的多个信号之一。每个单独的信道包括滤波器38、40和下变频/解调单元42、44。滤波器38和40每个分别调谐到载波频率和。下变频/解调单元42和44将来自滤波器38和40的信号下变频到基带，并且结果基带信号输入加法器56。例如，下变频单元42可在操作，并且下变频单元44可在操作。加法器56的输出是具有基本上重叠频谱的组合基带信号。这是要输入适配器62的观察信号。
适配器62的处理器64配置成基于参考信号和观察信号计算适应参数的集合。处理器64计算的适应参数的集合由预失真器12和14用于使来自上采样器24和26的输入信号预失真。在一个实施例中，处理器64计算的适应参数是最小化如下给出的误差的系数集：
(12)
其中，x1和x2分别是到预失真器12和14的输入，并且n是多项式项的数量。因此，通过最小化在参考信号与观察信号之间的误差来计算适应参数。确定的系数被供应到预失真器以便应用到来自上采样器24和26的上采样的信号。具体而言，预失真器计算输出：
　　(13)
　　(14)
其中，y1和y2分别是第一和第二预失真器12和14的输出。
到适配器62的输入具有基本上重叠的频谱。这在用于具有相同带宽B的两个信号的图6中示出。图7示出具有不同带宽B1和B2的两个信号的重叠频谱。由于信号具有重叠谱，因此，最低要求采样率表示为：
　　　　　　　　(15)
这小于如等式(1)给出的将用于非重叠谱所要求的采样率。因此，基于来自源20、22的具有最大带宽的源信号的带宽选择适配器的采样率。更具体地说，如果要由预失真器校正的非线性的阶为N，则将适配器的采样率选择为基本上是具有最大带宽的源信号的带宽的N倍。
　　　　　　　　(16)
其中，fs是采样率。
因此，一个实施例是用于具有多个预失真器12、14和功率放大器36的多频带功率放大器系统66、68的适配器62。适配器62的第一输入接收参考信号，参考信号包括具有居中在基带的基本上重叠频谱的第一多个信号。适配器62的第二输入接收观察信号，观察信号包括从功率放大器的输出得到并且具有在基带基本上重叠频谱的第二多个信号。适配器62包括配置成基于参考信号和观察信号计算适应参数的处理器64。
附图中所述和所示实施例是其中两个输入信号被预失真的双频带实施例。仅为便于理解而描述双频带实施例。要理解的是，本文中所述和要求保护的发明不限于双频带实施例，而是可包含具有不止两个频带的实施例。因此，例如，用于3个信号的预失真的实施例能够具有3个信号源、3个预失真器和一个适配器。输入适配器的参考信号将具有来自信号源的具有在基带基本上重叠频谱的三个信号。类似地，观察信号将从功率放大器的输出的三个组件得到，三个组件在转换到基带时具有基本上重叠的频谱。
因此，一个实施例是具有至少第一预失真器12和第二预失真器14的多频带功率放大器系统66、68，每个预失真器具有在带宽方面大约是其输入N倍宽的输出，其中，N是要补偿的非线性的阶。将第一和第二预失真器的输出上变频，使得每个输出居中在不同载波频率。组合上变频的信号并且由功率放大器36将其放大以产生功率放大器输出信号。多频带功率放大器系统66、68也包括配置成接收参考信号和观察信号的适配器62。参考信号是至少第一信号和第二信号的组合。组合的输入信号的频谱基本上重叠。观察信号是其频谱基本上重叠的第三信号和第四信号的组合。第三信号和第四信号从功率放大器输出信号得到。适配器62计算要由至少第一和第二预失真器使用的适应参数的集合。具体而言，在一些实施例中，适应参数是预失真器的输入信号x1和x2的多项式函数的系数。
图8是根据本发明的原理构建的双频带功率放大器系统68的示范备选实施例的框图。过滤器38的输出居中在，并且过滤器40的输出居中在。观察接收器78的下变频器66和68将滤波器38和40的输出下变频。下变频器66和69的输出是由加法器70和72组合的并且由低通滤波器74进行低通滤波以及由抽取器76进行下采样的复信号。图9示出用于图7中所示两个信号的相邻信道泄漏的图形。用于相邻信道1的相邻信道泄漏比(ACLR)表示为：
。　　　　　　(17)
用于相邻信道2的ACLR表示为：
。　　　　　　(18)
ACLR是用于传送器的性能的常用量度。表1示出用于图2和图5的实施例的模拟结果。输入信号具有40兆赫兹(MHz)的带宽，并且功率放大器通过无存储器双曲正切函数建模。在模拟中，基函数是为最多五阶非线性提供补偿的多项式。
表1
表1示出收敛到解的适配器的迭代的数量对于已知配置（如图2所示和图5的实施例）相同。此外，图2和5的实施例产生大约-64.5分贝(dB)的最差情况ACLR。表2示出用于具有不同带宽的两个输入信号的图2和图5的实施例的模拟结果。第一输入信号具有40 MHz的带宽，并且第二输入信号具有10 MHz的带宽。相应地，用于图5的实施例的适配器内的采样率被选择为5x40 MHz。
表2
再一次，图2和5的实施例在适配器的收敛的速率和产生的ACLR1方面产生类似的结果。因此，能够看到，将来自源20和22的基带输入信号转换成中间频率IF1和IF2是不必要的，并且采样率能够基于基带输入信号的两个带宽中更大的带宽而不是其带宽之和。相应地，本文中所述发明性实施例的优点可包括降低的采样率、降低的功耗、实现实施例所要求的更小硅面积，以及观察接收器70、78的降低复杂性以实现与现有技术的更复杂布置相同的性能。
图10是用于确定在多频带功率放大器系统的预失真器中使用的适应参数的示范过程的流程图。过程包括在适配器接收包括具有基本上重叠频谱的第一多个信号的参考信号，其中，第一多个信号的每个信号输入多个预失真器的对应一个预失真器（步骤S100）。适配器也接收包括调谐到基本上相同频率以具有重叠频谱的第二多个信号，其中，第二多个信号从功率放大器的输出得到（步骤S102）。适配器基于参考信号和观察信号计算适应参数（步骤S104）。系统然后使用新值更新预失真器系数（步骤S106）。
本发明能够在硬件或硬件和软件的组合中实现。适用于执行本文中所述方法的任何种类的计算装置或其它设备适合执行本文中所述的功能。硬件和软件的典型组合能够是专用计算机系统，专用计算机系统具有一个或更多个处理元素和存储在存储媒体上的计算机程序，计算机程序在被加载和执行时控制计算机系统，使得它执行本文中描述的方法。本发明也能够嵌入在计算机程序产品中，计算机程序产品包括允许实现本文中所述方法的所有特征，且在计算系统中加载时，能够执行这些方法。存储媒体指任何易失性或非易失性有形存储装置。
本上下文中的计算机程序或应用意指以指令集的任何语言、代码或符号的任何表示，所述指令旨在使具有信息处理能力的系统直接或在以下两个操作任意之一或两者后执行特定功能：a)到另一语言、代码或符号的转换；b)以不同材料形式复制。
本领域技术人员将领会的是，本发明不限于本文中上面明确示出和描述的内容。另外，除非上面相反提及，否则，应注意的是，不是所有附图都按比例画出。在不脱离仅受随附权利要求限制的本发明的范围和精神的情况下，鉴于上面的教导，多种修改和变化是可能的。

Claims (21)

1. 一种用于确定在多频带功率放大器系统（66，68）的预失真器中使用的适应参数的方法，所述方法包括：
在适配器(62)接收包括具有基本上重叠频谱的第一多个信号的参考信号，所述第一多个信号的每个信号输入多个预失真器（12，14）的对应一个预失真器；
在所述适配器(62)接收包括调谐到基本上相同频率以具有重叠频谱的第二多个信号的观察信号，所述第二多个信号的每个信号从所述多频带功率放大器系统（66，68）的输出得到；以及
在所述适配器(62)基于所述参考信号和所述观察信号计算所述适应参数。
2. 如权利要求1所述的方法，其中通过将所述输出引导到单独的信道，每个信道产生所述第二多个信号之一，所述第二多个信号从所述多频带功率放大器（66，68）的所述输出得到。
3. 如权利要求2所述的方法，其中每个信道包括滤波器（38，40）、解调器和下变频器（42，44）。
4. 如权利要求1所述的方法，其中基于所述第一多个信号中具有最大带宽的信号的带宽，选择所述适配器(62)的采样率。
5. 如权利要求1所述的方法，其中在要由所述预失真器（12，14）校正的非线性的阶为N时，将所述适配器(62)的采样率选择为基本上是所述第一多个信号中具有最大带宽的信号的带宽的N倍。
6. 如权利要求1所述的方法，其中所述第一多个信号的每个信号基本上居中在基带。
7. 如权利要求1所述的方法，其中所述第二多个信号的每个信号基本上居中在基带。
8. 一种用于多频带功率放大器系统（66，68）的适配器(62)，所述多频带功率放大器系统（66，68）具有多个预失真器（12，14）和功率放大器(36)，所述功率放大器(36)具有输出，所述适配器(62)包括：
接收参考信号的第一输入，所述参考信号包括具有居中在基带的基本上重叠频谱的第一多个信号；
接收观察信号的第二输入，所述观察信号包括从所述功率放大器(36)的所述输出得到的第二多个信号，所述第二多个信号具有居中在基带的基本上重叠频谱；以及
处理器(64)，所述处理器配置成基于所述参考信号和所述观察信号计算适应参数。
9. 如权利要求8所述的适配器，其中所述处理器(64)还配置成将所述适应参数输出到所述多个预失真器（12，14）的每个预失真器。
10. 如权利要求8所述的适配器，其中所述适应参数是由所述多个预失真器（16，14）的对应预失真器（12，14）应用到所述对应预失真器（16，14）收到的信号的多项式的系数。
11. 如权利要求8所述的适配器，其中所述适配器(62)的采样率基本上是所述第一多个信号中具有最大带宽的信号的带宽的N倍，其中，N是要由所述预失真器（12，14）补偿的非线性的阶。
12. 如权利要求8所述的适配器，其中通过最小化在所述参考信号与所述观察信号之间的误差来计算所述适应参数。
13. 一种多频带功率放大器系统（66，68），包括：
至少第一预失真器(12)和第二预失真器(14)，所述第一预失真器(12)具有第一输出，并且所述第二预失真器(14)具有第二输出，所述第一和第二预失真器（12，14）将接收至少第一信号和第二信号作为输入；
功率放大器(36)，放大从所述第一和第二预失真器（12，14）的所述第一和第二输出得到的信号以产生功率放大器输出信号；以及
适配器(62)，所述适配器(62)配置成：
接收是至少所述第一信号和所述第二信号的组合(54)的参考信号，所述至少第一信号和第二信号被组合(54)，使得所述第一信号的频谱基本上重叠所述第二信号的频谱；
接收是至少第三信号和第四信号的组合(56)的观察信号，至少所述第三信号和所述第四信号从所述功率放大器(36)输出信号得到，所述至少第三信号和第四信号被组合(56)，使得所述第三信号的频谱基本上重叠所述第四信号的频谱；以及
计算要由至少所述第一和第二预失真器（12，14）使用的适应参数的集合。
14. 如权利要求13所述的系统，其中所述适应参数是由对应预失真器（12，14）应用到所述对应预失真器（12，14）收到的信号的多项式的系数。
15. 如权利要求13所述的系统，其中所述第一信号和所述第二信号基本上调谐到基带。
16. 如权利要求13所述的系统，其中所述第三信号和所述第四信号基本上调谐到基带。
17. 如权利要求13所述的系统，其中通过最小化在所述参考信号与所述观察信号之间的误差来得到所述适应参数。
18. 如权利要求13所述的系统，其中所述适配器(62)的采样率基本上是所述第一或第二信号中具有最大带宽的信号的带宽的N倍，其中，N是要由所述第一和第二预失真器（12，14）补偿的非线性的阶。
19. 如权利要求13所述的系统，还包括接收所述第一预失真器(12)的所述第一输出的至少第一上变频器(28)和接收所述第二预失真器(14)的所述第二输出的至少第二上变频器(30)。
20. 如权利要求19所述的系统，还包括第一滤波器(38)和第二滤波器(40)，所述第一滤波器(38)过滤所述功率放大器(36)输出信号的第一频带，并且所述第二滤波器(40)过滤所述功率放大器(36)输出的第二频带。
21. 如权利要求20所述的系统，还包括接收所述第一滤波器(38)的输出的第一下变频器(42)和接收所述第二滤波器(40)的输出的第二下变频器(44)。
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