CN106170918B - 为非线性损伤数字预失真误差信号减去线性损伤 - Google Patents

Abstract

用以改进数字预失真调适性能的线性损伤建模系统及方法的实例性实施例包含由DPD调适引擎(620)在每一取样期间修改的DPD模块(610)。线性损伤建模模块(660)将在功率放大器中引入的线性误差与非线性误差分离。在每一取样期间使用来自输入信号及来自FB后处理模块(630)的输入来调整线性损伤模型。所述线性损伤建模模块(660)移除所述线性误差，使得所述DPD调适引擎(620)仅基于所述非线性误差而调适所述DPD模块(610)。此增加系统稳定性且允许在线性损伤建模之内校正IQ失衡，从而简化反馈后处理。

Description

为非线性损伤数字预失真误差信号减去线性损伤

技术领域

本发明一般来说涉及射频(RF)通信，且更明确地说涉及改进射频(RF)信号的功率放大的效率。

背景技术

现代无线通信应用需要高速数据传输。此通过多级调制技术(例如，相移键控(PSK)及正交振幅调制(QAM))而成为可能。RF放大器中的非线性效应(例如，增益压缩)会造成功率效率问题，在多级调制方案中尤其如此，由此导致折衷。存在用以补偿这些非线性效应的若干方法。

在一种补偿方法中，放大器的输入功率降低，但此会导致功率效率损失。化合物半导体(例如，GaAs)也可用于RF放大器中，但其增加放大器的成本，使得其不适合于低成本及小规模集成电路实施方案。

一种类型的数字调制，PSK，使用不同的相位。这些相位中的每一者表示唯一的位符号型式。经调制信号具有同相分量及正交分量。一般来说，在调制之后，符号将是复的(x+iy)。如果信号值下降超过散点图中的特定阈值，那么其将被检测为另一符号，由此导致误差。

QAM既是数字方案也是模拟方案。QAM使用振幅移位键控来传递两个模拟信号或数字位流，且这些信号或位流通常为90度异相(且由此称为正交的)。RF放大器中的增益不是线性的。在较高输入电平下，增益往往会饱和。此效应称为增益压缩，且用以表示增益压缩的参数称为1dB压缩点。1dB压缩点可定义为输出比预期值小1dB时的输入功率。线性功率放大器的系统方程式可如下给出

y(t)＝a1*x(t) (1)

RF放大器的系统方程式可由于非线性度而一般化为：

y(t)＝a1*x(t)+a2*x²(t)+a3*x³(t) (2)

增益压缩导致振幅及相位两者的误差(这是因为通常呈x+iy以及x及y形式的符号是单独地被放大)。为获得高速数据速率，可使用多级调制方案。先前观察展示，RF放大器中的非线性度效应对这些调制方案造成了严重性能损失。

发明内容

实例性实施例提供用以改进数字预失真调适性能的线性损伤建模系统。简单来说，在架构中，除其它之外，所述系统的一个实例性实施例可如下实施：数字预失真(DPD)模块，其经配置以接收射频(RF)输入信号且应用算法来对RF输入信号进行滤波以产生经滤波RF输入信号；功率放大器，其经配置以放大经滤波RF输入信号以产生RF输出信号；反馈后处理模块，其经配置以对RF输出信号进行取样并处理经取样信号；线性损伤建模模块，其经配置以将输入信号的非线性误差与线性误差分离；及DPD调适引擎，其经配置以基于线性损伤建模模块的输出及反馈后处理模块的输出来更新DPD算法。

实例性实施例还提供用以改进数字预失真调适性能的线性损伤建模方法。就此而言，除其它之外，此方法的一个实施例可由以下步骤来宽泛地概述：接收射频(RF)输入信号；对RF输入信号应用数字预失真(DPD)处理以产生DPD信号；用功率放大器来放大DPD信号以产生RF输出信号；根据RF输出信号处理反馈信号；对RF输入信号应用线性损伤模型；将经处理反馈信号与线性损伤模型的输出组合以产生DPD误差；及用DPD误差来更新DPD处理。

附图说明

图1是DPD系统的实例性实施例的框图。

图2是图1的发射处理器的实例性实施例的框图。

图3A是发射信号功率谱密度的信号图。

图3B是功率放大器输出功率谱密度的信号图。

图4A是系统信号的功率谱密度曲线的信号图。

图4B是系统信号的功率谱密度曲线的信号图。

图5是用以改进数字预失真调适性能的线性损伤建模系统的实例性实施例的框图。

图6是图5的发射处理器的实例性实施例的框图。

图7A是所接收反馈信号的功率谱密度曲线的信号图。

图7B是在DPD调适中使用的误差的功率谱密度曲线的信号图。

图8是在DPD调适之后所接收信号的功率谱密度曲线的信号图。

图9是用以改进数字预失真调适性能的线性损伤建模方法的实例性实施例的流程图。

具体实施方式

为了对抗由包络追踪系统中的功率放大器对输入信号引入的失真，已开发出用于在放大输入信号之前将预失真信号注入到输入信号的路径中的技术。所述预失真信号包含与由功率放大器引入的失真相等及相反的分量且经设计以消除由功率放大器对输入信号引入的失真。

常规线性功率放大系统包含包络检测器、耦合到所述包络检测器的追踪电力供应器、输入信号调节器设备及功率放大器(PA)。PA优选地耦合到用于无线地发射经放大输出信号的天线(或天线阵列)。所述系统还可包含延迟电路。

所述包络检测器及追踪电力供应器可用于追踪输入到系统中的信号并向功率放大器提供可变供应电压。可变供应电压经设计以使功率放大器输出维持处于或接近饱和并在输入信号的宽广变化范围内增加功率放大器的效率。然而，供应到PA的供应电压的变化可导致由所述PA向经放大信号引入增益及相位失真。

为了对抗由PA引入的增益及相位失真，输入信号调节器使输入信号预失真或对输入信号进行调节。所述输入信号调节器可包含非线性相位映射器、相位调整器、非线性增益映射器及增益调整器中的一者或多者。输出信号的增益及相位变化可与提供到PA的供应电压相关或以其它方式随着所述供应电压变化而出现。可依据供应电压来校准或以其它方式经验性地确定输出信号的增益及相位变化，以形成分别在非线性相位映射器及非线性增益映射器中实施的非线性相位映射及增益映射。

所述非线性相位映射器及非线性增益映射器可接着分别用于基于提供到PA的供应电压而调整相位调整器及增益调整器的传递函数。通过调整所述相位调整器及增益调整器的传递函数，可调整输入信号的相位及增益以对抗由PA在变化的供应电压下对输入信号引入的增益及相位失真。

在用以改进数字预失真(DPD)调适性能的线性损伤建模系统及方法的实例性实施例中，使用反馈线性建模来增加DPD调适的性能及稳定性。通过使用性能及稳定性DPD抑制RF功率放大器非线性频率再增长来改进PA效率。为增加PA效率，本文中所揭示的系统及方法使用RF反馈环路建模来移除线性误差且仅使用非线性误差来调适DPD。

在实例性实施方案中，蜂窝式网络系统部署RF PA以将RF信号从基站发射到移动电话。数字预失真系统可通过使用预失真模块抑制因功率放大器饱和产生的频谱再增长而改进RF放大器效率。RF损伤存在于发射路径及反馈路径两者中且将影响DPD性能。带内误差比非线性度更加快地随着时间而漂移，且所述漂移的一部分是由于相位及增益随着时间的变化而引起。

先前方法已使用联合线性与非线性误差来执行调适并使用反馈均衡器来使信道频率相依响应特性均衡。在先前系统中，DPD性能已受带内误差的限制。由于功率放大器非线性信号与线性信号展示出有限相关性而出现稳定性问题。为满足规定的参数，这些问题也会使PA效率受损。

实例性实施例实施线性损伤模型以有效地将非线性误差与线性误差分离，此会优化DPD性能并增加系统稳定性。线性损伤起因于模拟滤波器分量频率响应特性及IQ失衡。参考图1，线性损伤通过使复均衡器的输出与放大器反馈之间的误差最小化而使用业务信号X及反馈来训练所述均衡器。DPD将使用被移除了线性带内误差的误差以专注于非线性校正，此会改进DPD性能。在减去线性损伤之后，用于DPD调适的误差仅含有非线性误差。在本文中所揭示的系统及方法中，线性损伤模型在DPD调适被执行之前移除线性误差。

实例性实施例实施线性损伤模型以移除线性误差，因此DPD模型可专注于非线性校正，此优化DPD性能并以减少的成本增加系统稳定性。可将此种技术扩展为在DPD不具有极高取样率时将高阶非线性混叠包含在损伤模型中。实例性实施例使用损伤模型来对线性化带宽(在混叠方面，其可能会出现)之外的非线性度进行建模，因此DPD可专注于所需线性化带宽内的非线性度补偿且还可以低得多的速率运行。还可将此种技术扩展到在存在其它结构化噪声的情况下出现的任何估计或补偿问题。

损伤模型适用于对可能遗漏于补偿器中的补偿模型之外的结构化噪声进行建模。功率放大器非线性频谱分量通常比带内线性频谱分量低20dB到30dB。因此，可使用联合调适算法来调适DPD块及发射线性度均衡器。对DPD块与发射线性度均衡器块的联合调适会因PA功率放大器非线性信号与线性信号展示出有限相关性而经历稳定性问题及DPD邻近信道功率比性能漂移。对于复反馈应用，具有频域约束的反馈均衡器训练在IQ失衡分量与带内分量重叠时会经历显著的性能降级。

回环延迟时间可随着时间且相对于发射信号的不同频率分量而漂移。这些时间延迟漂移可大约为分数模/数转换取样时间间隔。可实施额外分数延迟补偿。分数延迟计算的准确度会限制DPD性能稳定性。应用于参考信号的线性模型对于带内信号来说可为准确的，此大大地简化了包含I及Q失衡估计的信道估计。另一方面，如果在反馈后处理模块之内应用I及Q补偿，那么补偿器可为跨越频带平直交叉的。发射信号频谱可由蜂窝式网络物理层标准定义。功率放大器输出信号频谱是具有广泛散布的再增长的频谱。随着DPD调适收敛，在DPD开始之前，DPD块输出信号功率谱密度类似于功率放大器输出信号功率谱密度。

在具有功率放大器的蜂窝式网络系统中，可估计数字预失真分量。此估计可产生非线性再增长，而此会影响频域信号。预失真信号可用于在保持于规范内的同时改进功率放大器的效率。然而，对于线性路径及非线性路径会发生损伤。另外，线性误差比非线性度误差更快地进行调整，此也影响最终的DPD结果。使用线性及非线性两种调适的先前方法是使用均衡器来尝试补偿反馈损伤。然而，DPD性能受因相位或增益变化而处于主导地位的线性误差限制。由于所有线性信号与非线性信号组合在一起，因而整体稳定性可能会成问题。因此，调适受限且将影响稳定性。为了满足规范，会使功率放大器效率受损。

本发明揭露的实例性实施例的方法及系统通过将线性损伤与非线性损伤分离而允许实现较高功率放大器效率。线性分量可与整体误差分离，因此在DPD调适中仅使用非线性误差。实例性实施例包含三个主要模块：DPD模块、DPD调适引擎及线性损伤建模模块。线性损伤建模模块对具有某一IQ失衡的模拟响应进行建模。线性损伤模型可近似为线性复滤波器：

可在线地或逐样本地执行对损伤模型的训练。可使用实际输入信号及来自功率放大器的反馈来训练线性损伤模型。可在对输入到DPD模块的业务信号的每一捕获或取样期间训练滤波器系数。在先前设计中，对准或相位旋转是在反馈环路中的分数延迟补偿中执行。在实例性实施例中，此反馈处理并非必需的，因为误差的线性部分已被移除。在线性建模训练过程期间移除相位改变及增益改变，从而改进反馈后处理。DPD、DPD调适引擎、反馈后处理及线性损伤建模全部可在DSP上的软件中执行。

图1展示常规发射器100，其将基带信号BB转换为射频(RF)以在发射电路上发射。作为转换过程的一部分，发射处理器102可在数字域中对基带信号BB执行峰值因数减小(CFR)、数字上变频、DPD及其它过程以产生数字I及Q信号。这些数字I及Q信号接着由数/模转换器(DAC)104-1及104-2转换为模拟I及Q信号以为调制器(包含从本机振荡器(LO)112接收本机振荡器信号的混频器108-1及108-2以及相位调整器110-1)产生模拟信号。所述调制器接着为功率放大器(PA)114产生RF信号。然而，PA 114是非线性的，因此发射处理器的DPD校正允许在基带中使所述信号预失真以补偿PA 114中的非线性度。

为执行此DPD校正，发射器100包含反馈电路，所述反馈电路通常包含模/数转换器(ADC)106-1及106-2以及解调器(所述解调器包含从LO 112接收本机振荡器信号的混频器108-3及108-4以及相位调整器110-2)。所述解调器能够解调来自PA 114的RF输出以产生模拟I及Q反馈信号，所述模拟I及Q反馈信号接着由ADC 106-1及106-2转换为数字I及Q信号。

图2更详细地展示发射处理器102的实例。发射处理器102通常包含基带电路205(其可执行CFR以及其它任务)、数字预失真(DPD)模块210、DPD调适引擎220、发射接口225(发射接口225将数字I及Q发射信号提供到发射电路、反馈后处理模块230及误差模块240)。蜂窝式网络系统部署高功率PA 114以将RF信号从基站发射到移动电话。DPD模块210增加PA114的效率以抑制因功率放大器饱和产生的频谱再增长。DPD调适引擎220可使用来自反馈后处理模块230的反馈来用误差模块240产生输入信号与反馈信号之间的误差。DPD调适引擎220使用此误差来调适其预失真模型以使等于发射信号的反馈信号相关。RF损伤存在于发射路径及反馈路径两者中且将影响DPD模块210的性能。此实例计算反馈数据与参考信号之间的误差，并联合地调适线性及非线性失真。反馈后处理模块230在RMS功率、相位、整数及分数延迟方面将反馈与参考信号对准。反馈后处理模块230还可补偿复反馈系统中的IQ失衡。

图3A展示PA的输入信号的频谱的信号图。图3B展示PA的输出的频谱的信号图。随着DPD调适收敛，在DPD调适开始之前，DPD块输出信号的功率谱密度类似于PA输出信号功率谱密度。

图4A及图4B针对多次信号捕获展示DPD系统中的误差信号的功率谱密度曲线的信号图。信号420及450表示数字参考信号功率。信号430及460表示反馈信号与参考信号420及450之间的误差。信号410及440表示在相位及增益对准之后的误差。稳定性随着时间而改变。误差比非线性度更快地漂移，且漂移是由于相位及增益随着时间的变化而引起。

图5展示用以改进数字预失真调适性能的所揭示线性损伤建模系统及方法的发射器500的实例性实施例。发射器500类似于发射器100，只不过发射器500包含采用如图6中所展示的线性损伤建模模块的发射处理器502。

图5提供发射器500，其将基带信号BB转换成射频(RF)以通过发射电路传输。发射处理器502产生数字I及Q信号。这些数字I及Q信号接着由数/模转换器(DAC)504-1及504-2转换为模拟I及Q信号以为调制器(即，从本机振荡器(LO)512接收本机振荡器信号的混频器508-1及508-2以及相位调整器510-1)产生模拟信号。所述调制器接着为功率放大器(PA)514产生RF信号。然而，PA514是非线性的，因此发射处理器的DPD校正允许在基带中使所述信号预失真以补偿PA514中的非线性度。

为了执行此DPD校正，发射器500采用反馈系统，即反馈电路。所述反馈电路通常包括模/数转换器(ADC)506-1及506-2以及解调器(所述解调器包含从LO512接收本机振荡器信号的混频器508-3及508-4以及相位调整器510-2)。通常，所述解调器能够解调来自PA514的RF输出以产生模拟I及Q反馈信号，所述模拟I及Q反馈信号接着由ADC 506-1和506-2转换为数字I及Q信号。

图6展示发射处理器502的框图，发射处理器502是用以改进数字预失真调适性能的线性损伤建模系统的实例性实施例。发射处理器502包含基带电路605、DPD模块610、DPD调适引擎620、发射接口625、反馈后处理630、线性损伤建模模块660及DPD误差模块640。DPD模块610校正由PA514引入的误差。DPD模块610在每一取样期间由DPD调适引擎620修改。线性损伤建模模块660使用来自输入信号及来自FB后处理模块630的输入将线性误差与非线性误差分离。线性损伤建模模块660移除线性误差，使得DPD调适引擎620仅基于非线性误差而调适DPD模块610。此增加系统稳定性且允许在线性损伤建模之内校正IQ失衡，从而简化反馈后处理。

图7A展示所接收反馈信号的信号图，所述所接收反馈信号包含PA非线性度、线性信道失真及反馈IQ失衡。信号710表示反馈信号的功率谱密度。信号720表示线性损伤建模的输出功率谱密度。在减去线性损伤之后，如图7B中所示，用于DPD调适的误差仅含有非线性误差。图7B展示用于DPD训练的误差的功率谱密度的信号图。

图8展示在DPD调适之后所接收反馈信号的信号图，其中所述反馈信号仅含有线性分量及其I/Q失衡分量，如信号820中所表示。信号810将在反馈线性建模之后的误差信号表示为噪声基准。线性损伤不再促成DPD误差，因此性能更加稳定。

图9展示用以改进数字预失真调适性能的线性损伤建模方法的实例性实施例的流程图900。在框910中，接收数字输入信号。在框920中，对输入信号应用数字预失真(DPD)处理以产生DPD信号。在框930中，使DPD信号通过发射接口以发送到发射电路且随后用功率放大器进行放大以产生RF输出信号。在框940中，依据RF输出信号来处理反馈信号。在框950中，对输入信号应用线性损伤模型。在框960中，将经处理反馈信号与线性损伤模型的输出组合以产生DPD误差。在框970中，用DPD误差来更新DPD处理。

图9的流程图展示线性损伤建模软件的可能实施方案的架构、功能性及操作。在图9中，每一框表示一模块、分段或代码部分，其包含用于实施指定逻辑功能的一个或多个可执行指令。在一些替代实施方案中，框中所述的功能可不以图9中所述的次序发生。举例来说，图9中连续展示的两个框可(在一些实施方案中)大致上同时执行，或者所述框有时可以反向次序执行，此取决于所涉及的功能性。流程图中的任何过程描述或框应理解为表示模块、分段或代码部分，其包含用于实施过程中的特定逻辑功能或步骤的一个或多个可执行指令，且替代实施方案包含于实例性实施例的范围内，其中功能可不以来自所展示或所论述的次序的次序执行，包含大致上同时执行或以反向次序执行，此取决于所涉及的功能性。此外，流程图中的过程描述或框应理解为表示由硬件结构(例如状态机)做出的决策。

实例性实施例的逻辑可以硬件、软件、固件或其组合实施。在实例性实施例中，逻辑以存储于存储器中且由适合指令执行系统执行的软件或固件实施。如在替代实施例中，如果以硬件来实施，那么逻辑可以如下常规技术的任一者或组合来实施：具有用于对数据信号实施逻辑功能的逻辑门的离散逻辑电路、具有适当组合逻辑门的专用集成电路(ASIC)、可编程门阵列(PGA)及现场可编程门阵列(FPGA)。此外，实例性实施例的范围包含在以硬件或软件配置的媒体体现的逻辑中体现本文中所揭示的实例性实施例的功能性。

包含用于实施逻辑功能的可执行指令的有序列表的软件实施例可以任何计算机可读媒体体现，以供由指令执行系统、设备或装置(例如基于计算机的系统、含有处理器的系统或可从所述指令执行系统、设备或装置取得指令并执行所述指令的其它系统)使用或连同其一起使用。在本文的上下文中，“计算机可读媒体”可为可含有、存储或传达供指令执行系统、设备或装置使用或连同其一起使用的程序的任何构件。计算机可读媒体可为(举例来说，但不限于)电子、磁性、光学、电磁、红外或半导体系统、设备或装置。计算机可读媒体的更特定的实例(非穷尽性列表)包含：便携式计算机磁盘(磁性)、随机存取存储器(RAM)(电子)、只读存储器(ROM)(电子)、可擦除可编程只读存储器(EPROM或快闪存储器)(电子)及便携式光盘只读存储器(CDROM)(光学)。此外，实例性实施例的范围包含在以硬件或软件配置的媒体体现的逻辑中体现实例性实施例的功能性。

在权利要求书的范围内，可对所描述实施例做出修改，且可做出其它实施例。

Claims (6)

1.一种线性损伤建模的方法，其包括：

接收数字输入信号；

响应于非线性损伤数字预失真误差信号而从所述数字输入信号产生数字预失真信号；

用功率放大器来放大所述数字预失真信号以产生射频输出信号；

从所述射频输出信号产生包括线性损伤及非线性损伤的数字反馈信号；

将所述线性损伤与所述非线性损伤分离；

从所述数字反馈信号中减去所述线性损伤以生成非线性损伤数字预失真误差信号；及

响应于由减去而生成的所述非线性损伤数字预失真误差信号而更新从所述数字输入信号产生的数字预失真信号。

2.根据权利要求1所述的方法，其包括将所述数字预失真信号转换为模拟信号，将所述模拟信号与来自本机振荡器的信号进行混频，将经混频的模拟信号功率放大以形成所述射频输出信号，以及将射频输出信号应用到天线。

3.根据权利要求1所述的方法，其中从所述射频输出信号的所述产生包括将从应用到天线的放大信号接收模拟信号，将所述模拟信号与来自本机振荡器的信号解混频，以及将经解混频的信号转换为所述数字反馈信号。

4.一种线性损伤建模的系统，其包括：

数字预失真模块，其具有数字信号输入、更新输入及滤波信号输出；

功率放大器，其具有耦合到所述滤波信号输出的滤波信号输入，并具有射频信号输出；

反馈后处理模块，其具有耦合到所述射频信号输出的输入，并具有经处理的信号输出；

线性损伤建模模块，其具有耦合到所述数字信号输入的输入，并具有线性误差信号输出；

误差模块，其具有耦合到所述经处理的信号输出的输入，耦合到所述线性误差信号输出的输入及非线性误差信号输出；及

数字预失真调适引擎，其具有耦合到所述非线性误差信号输出的输入及耦合到所述更新输入的输出。

5.根据权利要求4所述的系统，其中所述数字预失真模块，所述反馈后处理模块，所述线性损伤建模模块及所述数字预失真调适引擎中的至少一者包含在数字信号处理器中。

6.根据权利要求4所述的系统，其中所述线性损伤建模模块包括耦合到所述反馈后处理模块的输入。