CN105262447A - 一种功率放大器的预失真方法、装置及射频系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种功率放大器的预失真方法，包括接收发射信号x(k)；将发射信号x(k)代入依据功率放大器的特征建立的基于记忆多项式的预失真关系式中，并结合查找表对发射信号x(k)进行预失真处理，得到预失真发射信号y(k)，并将预失真发射信号y(k)发送至功率放大器进行功率放大并输出，可见，在将发射信号x(k)发送至功率放大器之前，依据以功率放大器的特征建立的基于记忆多项式的预失真关系式对发射信号x(k)进行预失真处理，抵消了预失真发射信号y(k)经过功率放大器时由于功率放大器的非线性造成的失真，保证了发射信号x(k)最优性能发射，提高了射频发射效率且适应范围广。本发明还公开了一种功率放大器的预失真装置及射频系统。

Description

一种功率放大器的预失真方法、装置及射频系统

技术领域

本发明涉及信号预失真技术领域，特别是涉及一种功率放大器的预失真方法、装置及设射频系统。

背景技术

随着通信技术的发展，对于射频功放的要求也越来越高，为了避免由于射频系统电路的非线性产生的带外辐射干扰，要求射频系统处于线性工作状态。从复杂性和成本的角度出发，功率放大器的线性化对于射频系统的线性化起着举足轻重的作用。然而功率放大器通常会呈现非线性，因此，如何消除由于功率放大器的非线性而导致的射频信号失真显得至关重要。

现有技术中，对于输入信号为变包络信号的功率放大器来说，其线性化技术通常包括反馈法和前馈法两种，但是反馈法只适用于输入信号为低频信号时，因为输入信号为高频信号时，对系统反馈的同步控制很难实现，适用范围小。而采用前馈法的前馈系统的校正环中需要加入辅助的误差放大器，这就很大程度上提高了系统的成本和降低了射频发射效率。

因此，如何提供一种适用范围广且射频发射效率高的功率放大器的预失真方法、装置及射频系统是本领域技术人员目前需要解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种功率放大器的预失真方法，在将发射信号x(k)发送至功率放大器之前，依据以功率放大器的特征建立的基于记忆多项式的预失真关系式对发射信号x(k)进行预失真处理，抵消了预失真发射信号y(k)经过功率放大器时由于功率放大器的非线性造成的失真，保证了发射信号x(k)最优性能发射，提高了射频发射效率且适应范围广；本发明的另一目的是提供一种功率放大器的预失真装置及射频系统。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种功率放大器的预失真方法，包括：

接收发射信号x(k)；

将所述发射信号x(k)代入依据所述功率放大器的特征建立的基于记忆多项式的预失真关系式中，并结合查找表对所述发射信号x(k)进行预失真处理，得到预失真发射信号y(k)，并将所述预失真发射信号y(k)发送至所述功率放大器进行功率放大并输出；

其中，所述预失真关系式为：

其中，L表示所述预失真关系式的阶数，M表示所述预失真关系式的记忆深度，系数a_lm对应的系数向量A为：

A＝(a₀₀,a₁₀,a₂₀,......,a_L0,a₀₁,a₁₁,......,a_L1，......，a_LM)^H，

其中，H为转置。

优选地，所述系数向量A的获取过程为：

采集J组所述功率放大器的输入信号y(i)以及所述输入信号y(i)经过所述功率放大器功率放大后输出的输出信号z(i)，其中，J不小于L*M；

分别对J组所述输入信号y(i)以及所述输出信号z(i)进行延迟校准和归一化处理，得到处理后的所述输入信号y(i)的矩阵Y和预处理后的所述输出信号z(i)的矩阵Z；

其中，所述矩阵Y为：

Y＝(y(0)y(1)...y(J))^T；

所述矩阵Z为：

$Z=\left[\begin{array}{cccccccc}z\left(0\right)& \mathrm{...}& z\left(0\right)|z\left(0\right){|}^L& z(-1)& \mathrm{...}& z(-1)|z(-1){|}^L& \mathrm{...}& z(0-M)|z(0-M){|}^L\\ \left(1\right)& \mathrm{...}& z\left(1\right)|z\left(1\right){|}^L& z\left(0\right)& \mathrm{...}& z\left(0\right)|z\left(0\right){|}^L& \mathrm{...}& z(1-M)|z(1-M){|}^L\\ \mathrm{...}& \mathrm{...}& \mathrm{...}& \mathrm{...}& \mathrm{...}& \mathrm{...}& \mathrm{...}& \mathrm{...}\\ z\left(J\right)& \mathrm{...}& z\left(J\right)|z\left(J\right){|}^L& z(J-1)& \mathrm{...}& z(J-1)|z(J-1){|}^L& \mathrm{...}& z(J-M)|z(J-M){|}^L\end{array}\right];$

其中，z(-1)＝z(J),z(-M)＝z(J-M+1)

将所述矩阵Y和所述矩阵Z代入系数关系式中，并结合最小二乘法关系式得到所述系数向量A；

其中，所述系数关系式为Y＝AZ，A＝(Z^HZ)^-1Z^HY。

优选地，所述查找表的建立过程为：

确定所述功率放大器的输入信号的幅值阈值；

将所述幅值阈值归一化；

依据查找表的大小、归一化后的所述幅值阈值以及所述系数向量A建立所述查找表。

优选地，所述查找表的大小为1024。

为解决上述技术问题，本发明还提供了一种功率放大器的预失真装置，包括：

接收单元，用于接收发射信号x(k)；

预失真处理单元，用于将所述发射信号x(k)代入依据所述功率放大器的特征建立的基于记忆多项式的预失真关系式中，并结合查找表对所述发射信号x(k)进行预失真处理，得到预失真发射信号y(k)，并将所述预失真发射信号y(k)发送至所述功率放大器进行功率放大并输出；

其中，所述预失真关系式为：

其中，L表示所述预失真关系式的阶数，M表示所述预失真关系式的记忆深度，系数a_lm对应的系数向量A为：

A＝(a₀₀,a₁₀,a₂₀,......,a_L0,a₀₁,a₁₁,......,a_L1，......，a_LM)^H，

其中，H为转置。

优选地，所述预失真处理单元具体包括：

数字信号处理器DSP，用于存储与更新所述系数；

FPGA，用于将所述发射信号x(k)代入依据所述功率放大器的特征建立的基于记忆多项式的预失真关系式中，并结合查找表对所述发射信号x(k)进行预失真处理，得到预失真发射信号y(k)，并将所述预失真发射信号y(k)发送至所述功率放大器进行功率放大并输出。

为解决上述技术问题，本发明还提供了一种射频系统，包括功率放大器以及如上述所述的预失真装置。

本发明提供了一种功率放大器的预失真方法、装置及射频系统，该方法包括首先接收发射信号x(k)；将发射信号x(k)代入依据功率放大器的特征建立的基于记忆多项式的预失真关系式中，并结合查找表对发射信号x(k)进行预失真处理，得到预失真发射信号y(k)，并将预失真发射信号y(k)发送至功率放大器进行功率放大并输出，可见，在将发射信号x(k)发送至功率放大器之前，依据以功率放大器的特征建立的基于记忆多项式的预失真关系式对发射信号x(k)进行预失真处理，抵消了预失真发射信号y(k)经过功率放大器时由于功率放大器的非线性造成的失真，保证了发射信号x(k)最优性能发射，提高了射频发射效率且适应范围广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对现有技术和实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的一种功率放大器的预失真方法的过程的流程图；

图2为本发明提供的一种基于查找表的记忆多项式模型的结构示意图；

图3为本发明提供的另一种基于查找表的记忆多项式模型的结构示意图；

图4为本发明提供的一种功率放大器的预失真装置的结构示意图。

具体实施方式

本发明的核心是提供一种功率放大器的预失真方法，在将发射信号x(k)发送至功率放大器之前，依据以功率放大器的特征建立的基于记忆多项式的预失真关系式对发射信号x(k)进行预失真处理，抵消了预失真发射信号y(k)经过功率放大器时由于功率放大器的非线性造成的失真，保证了发射信号x(k)最优性能发射，提高了射频发射效率且适应范围广；本发明的另一核心是提供一种功率放大器的预失真装置及射频系统。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参照图1，图1为本发明提供的一种功率放大器的预失真方法的过程的流程图，该方法包括：

步骤s101：接收发射信号x(k)；

步骤s102：将发射信号x(k)代入依据功率放大器的特征建立的基于记忆多项式的预失真关系式中，并结合查找表对发射信号x(k)进行预失真处理，得到预失真发射信号y(k)，并将预失真发射信号y(k)发送至功率放大器进行功率放大并输出；

其中，预失真关系式为：

其中，L表示预失真关系式的阶数，M表示预失真关系式的记忆深度，系数a_lm对应的系数向量A为：

A＝(a₀₀,a₁₀,a₂₀,......,a_L0,a₀₁,a₁₁,......,a_L1，......，a_LM)^H，

其中，H为转置。

可以理解的是，首先需要建立功率放大器的预失真关系这里的L和M是人为设置的，可以根据功率放大器的特性以及精度要求来设置。

预失真关系式建立好后，将接收到的发射信号x(k)代入预失真关系式中，根据发射信号x(k)的幅值作为查找表的地址牵引，通过地址牵引方便地查找到相对应地多项式系数，进而得到经过预失真处理后的预失真发射信号y(k)，并将预失真发射信号y(k)发送至功率放大器进行功率放大并输出。

作为优选地，系数向量A的获取过程为：

采集J组功率放大器的输入信号y(i)以及输入信号y(i)经过功率放大器功率放大后输出的输出信号z(i)，其中，J不小于L*M；

分别对J组输入信号y(i)以及输出信号z(i)进行延迟校准和归一化处理，得到处理后的输入信号y(i)的矩阵Y和预处理后的输出信号z(i)的矩阵Z；

其中，矩阵Y为：

Y＝(y(0)y(1)...y(J))^T；

矩阵Z为：

$Z=\left[\begin{array}{cccccccc}z\left(0\right)& ...& z\left(0\right)|z\left(0\right){|}^L& z(-1)& ...& z(-1)|z(-1){|}^L& ...& z(0-M)|z(0-M){|}^L\\ z\left(1\right)& ...& z\left(1\right)|z\left(1\right){|}^L& z\left(0\right)& ...& z\left(0\right)|z\left(0\right){|}^L& ...& z(1-M)|z(1-M){|}^L\\ ...& ...& ...& ...& ...& ...& ...& ...\\ z\left(J\right)& ...& z\left(J\right)|z\left(J\right){|}^L& z(J-1)& ...& z(J-1)|z(J-1){|}^L& ...& z(J-M)|z(J-M){|}^L\end{array}\right];$

其中，z(-1)＝z(J),z(-M)＝z(J-M+1)

将矩阵Y和矩阵Z代入系数关系式中，并结合最小二乘法关系式得到系数向量A；

其中，系数关系式为Y＝AZ，A＝(Z^HZ)^-1Z^HY。

可以理解的是，数据采集主要是对未经过预失真技术处理前的正常发射信号信息的采集，采集的数据要求采样精度较高，采集的数据需要进行延迟校准与归一化处理以便建模分析与预失真函数的生成。

另外，记忆多项式的模型通过查找表的方法实现预失真器，记忆多项式的模型是Volterra级数模型的一种简化形式，在建模过程中只考虑Volterra级数对角线上的核，减少了辨识模型的系数，使得系数估算简单，收敛速度加快。系数提取采用最小二乘法，最小二乘法这样的全局优化算法可以不通过迭代直接得到一个对于所有的输入输出的均方误差最小的系数解。

为了提高预失真的实现速度同时降低对FPGA的资源消耗，使用查找表来实现非线性补偿。

作为优选地，查找表的建立过程为：

确定功率放大器的输入信号的幅值阈值；

将幅值阈值归一化；

依据查找表的大小、归一化后的幅值阈值以及系数向量A建立查找表。

作为优选地，查找表的大小为1024。

为了方便对本方案进行理解，假设记忆深度为1，也即M＝1，则关系式

y(n)＝a₀₀x(n)+a₁₀x(n)|x(n)|+…+a_L0x(n)|x(n)|^L+a₀₁x(n-1)+a₁₁x(n-1)|x(n-1)|

+…+a_L1x(n-1)|x(n-1)|^L

$y\left(n\right)=x\left(n\right)*\left(\frac{a_{00}+a_{10}\left|x\left(n\right)\right|+...+a_{L0}|x\left(n\right){|}^L}{{\mathrm{LUT}}_0}\right)+x(n-1)*\left(\frac{a_{01}+a_{11}\left|x(n-1)\right|+...+a_{L1}|x(n-1){|}^L}{{\mathrm{LUT}}_1}\right)$

可见，LUT₀对应的为无记忆项，求和部分只与|x(n)|有关，LUT₁为记忆深度为1的非线性项，求和部分只与|x(n-1)|有关，因此，采用幅值索引查找表。

其中，LUT₀对应的查找表如表1所示：

表1LUT₀对应的查找表

LUT₁对应的查找表如表2所示：

表2LUT₁对应的查找表

可以理解的是，假设依据发射信号的幅值牵引得到则在查找表中找到时，对应的值。对于|x(n-1)|同理，则可得到预失真发射信号y(n)的值。

结合查找表，请参照图2和图3所示，其中，图2为本发明提供的一种基于查找表的记忆多项式模型的结构示意图，图3为本发明提供的另一种基于查找表的记忆多项式模型的结构示意图。

输入数据|x(n)|分无记忆部分和有记忆两路处理，可以看到在采用了记忆多项式的模型后，当前时刻的输出值不但与当前时刻的输入值有关而且还和前一时刻的输入值有关。图2中Delay0用于补偿无记忆支路中求幅运算和索引查找表所造成的延时。Delay1用于补偿有记忆支路中求幅运算和索引查找表所造成的延时。在分别得到无记忆部分和有记忆部分的预失真值后相加则可得到完整的预失真发射信号。实际上由于求幅运算计算量较大，也可以将上面的索引原理适当调整如下图3，但是注意此时delay1的值与图2中的值不同。

本发明提供了一种功率放大器的预失真方法，该方法包括首先接收发射信号x(k)；将发射信号x(k)代入依据功率放大器的特征建立的基于记忆多项式的预失真关系式中，并结合查找表对发射信号x(k)进行预失真处理，得到预失真发射信号y(k)，并将预失真发射信号y(k)发送至功率放大器进行功率放大并输出，可见，在将发射信号x(k)发送至功率放大器之前，依据以功率放大器的特征建立的基于记忆多项式的预失真关系式对发射信号x(k)进行预失真处理，抵消了预失真发射信号y(k)经过功率放大器时由于功率放大器的非线性造成的失真，保证了发射信号x(k)最优性能发射，提高了射频发射效率且适应范围广。

与上述方法实施例相对应地，本发明还提供了一种功率放大器的预失真装置，请参照图4所示，图4为本发明提供的一种功率放大器的预失真装置的结构示意图，该预失真装置包括：

接收单元11，用于接收发射信号x(k)；

预失真处理单元12，用于将发射信号x(k)代入依据功率放大器的特征建立的基于记忆多项式的预失真关系式中，并结合查找表对发射信号x(k)进行预失真处理，得到预失真发射信号y(k)，并将预失真发射信号y(k)发送至功率放大器进行功率放大并输出；

其中，预失真关系式为：

其中，L表示预失真关系式的阶数，M表示预失真关系式的记忆深度，系数a_lm对应的系数向量A为：

A＝(a₀₀,a₁₀,a₂₀,......,a_L0,a₀₁,a₁₁,......,a_L1，......，a_LM)^H，

其中，H为转置。

作为优选地，预失真处理单元12具体包括：

数字信号处理器DSP，用于存储与更新系数；

FPGA，用于将发射信号x(k)代入依据功率放大器的特征建立的基于记忆多项式的预失真关系式中，并结合查找表对发射信号x(k)进行预失真处理，得到预失真发射信号y(k)，并将预失真发射信号y(k)发送至功率放大器进行功率放大并输出。

可以理解的是，该预失真装置采用DSP与FPGA架构实现预处理发射信号，DSP完成建模系数的更新与存储，FPGA完成记忆多项式模型的运算与发射信号的处理。将提取的系数加载到DSP存储单元，在设备上电后DSP将系数加载到FPGA的RAM单元中，根据系数对发射信号进行计算处理。

由于采用开环数字预失真，只需要在FPGA和DSP中加入预失真模块即可完成输入信号的预校正。而在短波通信系统的基带处理部分已经有设计好的FPGA和DSP，所以该技术方案无需增加任何外围电路。相比于其他的线性化方案，在节省成本，简化系统方面数字预失真技术优势明显。

另外，对于预失真装置的具体描述请参照方法实施例和装置实施例，在此不再赘述。

本发明提供了一种功率放大器的预失真装置，该装置包括接收单元1，用于接收发射信号x(k)；预失真处理单元2，用于将发射信号x(k)代入依据功率放大器的特征建立的基于记忆多项式的预失真关系式中，并结合查找表对发射信号x(k)进行预失真处理，得到预失真发射信号y(k)，并将预失真发射信号y(k)发送至功率放大器进行功率放大并输出，可见，在将发射信号x(k)发送至功率放大器之前，依据以功率放大器的特征建立的基于记忆多项式的预失真关系式对发射信号x(k)进行预失真处理，抵消了预失真发射信号y(k)经过功率放大器时由于功率放大器的非线性造成的失真，保证了发射信号x(k)最优性能发射，提高了射频发射效率且适应范围广。

与上述方法实施例和装置实施例相对应，本发明还公开了一种射频系统，该射频系统包括包括功率放大器以及上述所述的预失真装置。对于射频系统中的预失真装置的具体描述请参照方法实施例和装置实施例，在此不再赘述。

需要说明的是，在本说明书中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (7)

1.一种功率放大器的预失真方法，其特征在于，包括：

接收发射信号x(k)；

将所述发射信号x(k)代入依据所述功率放大器的特征建立的基于记忆多项式的预失真关系式中，并结合查找表对所述发射信号x(k)进行预失真处理，得到预失真发射信号y(k)，并将所述预失真发射信号y(k)发送至所述功率放大器进行功率放大并输出；

其中，所述预失真关系式为：

其中，L表示所述预失真关系式的阶数，M表示所述预失真关系式的记忆深度，系数a_lm对应的系数向量A为：

A＝(a₀₀,a₁₀,a₂₀,......,a_L0,a₀₁,a₁₁,......,a_L1，......，a_LM)^H，

其中，H为转置。

2.如权利要求1所述的预失真方法，其特征在于，所述系数向量A的获取过程为：

采集J组所述功率放大器的输入信号y(i)以及所述输入信号y(i)经过所述功率放大器功率放大后输出的输出信号z(i)，其中，J不小于L*M；

分别对J组所述输入信号y(i)以及所述输出信号z(i)进行延迟校准和归一化处理，得到处理后的所述输入信号y(i)的矩阵Y和预处理后的所述输出信号z(i)的矩阵Z；

其中，所述矩阵Y为：

Y＝(y(0)y(1)...y(J))^T；

所述矩阵Z为：

$Z=\left[\begin{array}{cccccccc}z\left(0\right)& ...& z\left(0\right)|z\left(0\right){|}^L& z(-1)& ...& z(-1)|z(-1){|}^L& ...& z(0-M)|z(0-M){|}^L\\ z\left(1\right)& ...& z\left(1\right)|z\left(1\right){|}^L& z\left(0\right)& ...& z\left(0\right)|z\left(0\right){|}^L& ...& z(1-M)|z(1-M){|}^L\\ ...& ...& ...& ...& ...& ...& ...& ...\\ z\left(J\right)& ...& z\left(J\right)|z\left(J\right){|}^L& z(J-1)& ...& z(J-1)|z(J-1){|}^L& ...& z(J-M)|z(J-M){|}^L\end{array}\right];$

其中，z(-1)＝z(J),z(-M)＝z(J-M+1)

将所述矩阵Y和所述矩阵Z代入系数关系式中，并结合最小二乘法关系式得到所述系数向量A；

其中，所述系数关系式为Y＝AZ，A＝(Z^HZ)^-1Z^HY。

3.如权利要求2所述的预失真方法，其特征在于，所述查找表的建立过程为：

确定所述功率放大器的输入信号的幅值阈值；

将所述幅值阈值归一化；

依据查找表的大小、归一化后的所述幅值阈值以及所述系数向量A建立所述查找表。

4.如权利要求3所述的预失真方法，其特征在于，所述查找表的大小为1024。

5.一种功率放大器的预失真装置，其特征在于，包括：

接收单元，用于接收发射信号x(k)；

预失真处理单元，用于将所述发射信号x(k)代入依据所述功率放大器的特征建立的基于记忆多项式的预失真关系式中，并结合查找表对所述发射信号x(k)进行预失真处理，得到预失真发射信号y(k)，并将所述预失真发射信号y(k)发送至所述功率放大器进行功率放大并输出；

其中，所述预失真关系式为：

其中，L表示所述预失真关系式的阶数，M表示所述预失真关系式的记忆深度，系数a_lm对应的系数向量A为：

A＝(a₀₀,a₁₀,a₂₀,......,a_L0,a₀₁,a₁₁,......,a_L1，......，a_LM)^H，

其中，H为转置。

6.如权利要求5所述的预失真装置，其特征在于，所述预失真处理单元具体包括：

数字信号处理器DSP，用于存储与更新所述系数；

FPGA，用于将所述发射信号x(k)代入依据所述功率放大器的特征建立的基于记忆多项式的预失真关系式中，并结合查找表对所述发射信号x(k)进行预失真处理，得到预失真发射信号y(k)，并将所述预失真发射信号y(k)发送至所述功率放大器进行功率放大并输出。

7.一种射频系统，其特征在于，包括功率放大器以及如权利要求5所述的预失真装置。