CN106301235A - 一种通信信号数字预失真的方法、装置、芯片及电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种通信信号数字预失真的方法、装置、芯片及电路，其中所述方法包括：对中频反馈信号和与所述中频反馈信号对应的前向信号进行采样；根据所述中频反馈信号和所述前向信号计算所述信号放大装置的非线性模型；根据所述非线性模型计算预失真模型，并根据所述预失真模型对所述前向信号进行预失真处理。可以在非基带域，特别是中频域采用数字预失真技术对功率放大器输出的信号进行校正，具有更好的校正效果，实现提高功率放大器线性及效率、降低预失真系统复杂度的目的。

Description

一种通信信号数字预失真的方法、装置、芯片及电路
技术领域
本发明涉及数字信号处理技术领域，尤其涉及一种通信信号数字预失真的方法、装置、芯片及电路。
背景技术
功率放大器(PA)是无线通信系统中必不可少的部件之一，用于各种信号的放大。其中功率放大器通常用于通信系统的发射链路中，用于对由基带信号变换得到的射频信号进行功率放大，实现信号远距离传输的目的。理想的功率放大器能够没有失真的放大输入信号，即输出信号与输入信号满足线性关系。但在实际应用中，功率放大器的输出信号与输入信号并不是线性关系。功率放大器的非线性特性会导致传输信号发生畸变，影响信号传输质量。为了降低功率放大器非线性的影响，功率放大器往往工作在效率较低的线性区，会导致整个无线通信系统效率显著下降。对功率放大器进行线性化处理对于无线系统具有重要意义。
目前，功率放大器的线性化处理一般包括功率回退技术、包络消除和恢复技术、笛卡尔环路后馈技术、前馈线性化技术以及数字预失真技术等。其中数字预失真技术具有稳定性高、精度高及实现成本较低等优点，目前被广泛使用。在现有的通信系统中，数字预失真通常用于发射链路的基带域，即在数字信号被调制之前。在基带域进行数字预失真能够校正的信号带宽较窄。随着无线通信技术的发展，信号带宽不断增加，使得在基带域应用数字预失真受到限制，难以达到最佳的校正效果。在射频域进行数字预失真对AD/DA采样能力和数字部分数字信号处理能力要求非常高，导致整个发射链路成本大幅增加，从而使得产品市场竞争力下降。
中频域数字预失真在数字信号调制之后进行数字预失真处理。与基带数字预失真相比，能够有效地展宽数字预失真校正的带宽，对功率放大器输出信号的失真具有更好的校正能力，从而提高数字预失真的实用性。与射频域数字预失真相比，中频域数字预失真对AD/DA及数字信号处理部分要求相对较低，能够降低发射链路成本。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供一种通信信号数字预失真的方法、装置、芯片及电路，以解决数字预失真技术在基带域应用受到限制的技术问题。
第一方面，本发明实施例提供了一种通信信号数字预失真的方法，包括：
对中频反馈信号和与所述中频反馈信号对应的前向信号进行采样；
根据所述中频反馈信号和所述前向信号计算所述信号放大装置的非线性模型；
根据所述非线性模型对所述前向信号进行预失真处理。
第二方面，本发明实施例还提供了一种通信信号数字预失真的装置，包括：
信号采样模块，用于对中频反馈信号和与所述中频反馈信号对应的前向信号进行采样；
模型计算模块，用于根据中频反馈信号和前向信号计算所述信号放大装置的非线性模型；
信号处理模块，用于根据所述非线性模型对所述前向信号进行预失真处理。
第三方面，本发明实施例还提供了一种数字预失真芯片，所述数字预失真芯片包括上述实施例提供的通信信号数字预失真的装置；所述数字预失真芯片为现场可编程门阵列FPGA、专用集成电路ASIC和数字信号处理器DSP中的任意一种。
第四方面，本发明实施例还提供了一种通信信号数字预失真的电路，所述电路包括：调制器、数字\模拟转换单元、上变频器和功率放大器、上述实施例提供的数字预失真芯片、下变频器和模拟\数字转换单元，所述下变频器输入端与所述功率放大器的反馈信号耦合端相连接，所述下变频器的输出端与所述模拟\数字转换单元的输入端相连接，所述模拟\数字转换单元的输出端与所述数字预失真芯片的第一输入端相连接，所述数字预失真芯片的第二输入端与所述调制器的输出端相连接，所述数字预失真芯片的输出端与所述数字\模拟转换单元的输入端相连接。
本发明实施例提供的通信信号数字预失真的方法、装置、芯片及电路，通过比较采样得到的中频反馈信号和前向信号计算所述信号放大装置的非线性模型，并根据计算结果对前向信号进行预失真处理。可以在非基带域，特别是中频域采用数字预失真技术对功率放大器输出的信号进行校正，具有更好的校正效果，可以实现提高功率放大器线性及效率、降低预失真系统复杂度的目的。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1是本发明实施例一提供的通信信号数字预失真的方法的流程示意图；
图2是本发明实施例二提供的通信信号数字预失真的方法的流程示意图；
图3是本发明实施例三提供的通信信号数字预失真的方法的流程示意图；
图4是本发明实施例四提供的通信信号数字预失真的装置的结构示意图；
图5是本发明实施例五提供的通信信号数字预失真的电路组成示意图。
图中的附图标记所分别指代的技术特征为：
1、调制器；2；数字预失真芯片；3、数字/模拟转换单元；
4、上变频器；5、功率放大器；6、下变频器7、模拟/数字转换单元。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部内容。
实施例一
图1为本发明实施例一提供的通信信号数字预失真的方法的流程示意图，本实施例可适用于通信系统中射频信号经过功率放大器放大的情况，该方法可以由通信信号数字预失真的装置来执行，该装置可由软件/硬件方式实现，并可集成于相应的数字预失真芯片中。
参见图1，所述通信信号数字预失真的方法，包括：
S110，对中频反馈信号和与所述中频反馈信号对应的前向信号进行采样。
为了实现信号的远距离传输，在通信系统中信息经过编码后得到基带数字信号，基带数字信号经过调制器调制后得到中频信号，中频信号经过上变频器上变频得到射频信号。
在进入饱和区之前，功率放大器的效率随输入信号增大而逐渐增大。对基带信号进行预失真处理，在满足输出功率线性的前提下可以提高功率放大器的输出功率，从而提高功率放大器工作时的效率。
通过功率放大器放大后得到的射频信号耦合出一部分并进行下变频处理,并将下变频处理后得到的信号经过A/D转换,即将下变频处理后的模拟信号转换为相应的数字信号。通过与A/D转换模块的输出端连接，即采样得到该功率放大器的中频反馈信号矩阵。此外，也可以通过将前向中频信号耦合出一部分，采样得到与上述中频反馈信号对应的前向中频信号矩阵。
S120，根据所述中频反馈信号和所述前向信号计算所述信号放大装置的非线性模型。
在本实施例中，信号放大装置优选为功率放大器。当功率放大器输入较小信号时，功放的增益传递函数可以近似用一个常数来表示，信号失真很小。当输入信号幅度增加时，功放的增益传递函数将不会再呈现线性特性，有较大的失真。预失真原理就是要确定一个传递函数，它的特性和功放的传递函数特性相反，当二者级联起来时，系统传递函数表现出良好的线性特性。
在本实施例中，采用正交多项式预失真技术确定非线性模型，对于宽带应用或者高功率放大器，功放中会出现记忆效应，即功放的某一时刻输出不仅与此时刻输入有关，还与此前某一时间段的输入有关。功放某一时刻的输出信号与输入信号的关系具有如下形式：
y ( n ) = Σ i = 1 I Σ j = 1 J a i j x ( n - j ) | x ( n - j ) | i - 1 .
其中，n为信号的时间序列，n>0；x(n)为采样得到的前向数字中频信号序列；aij为非线性模型多项式系数；i为非线性模型阶数，j为非线性模型多项式记忆深度。
令X＝{x(n-j)}，为前向中频信号矩阵；M＝{|x(n-j)|^(i-1)}，为模值多项式矩阵；A＝{aij}，为非线性模值系数矩阵，则上式可表示为：
y(n)＝XAM
利用最小二乘法等算法可以求得该矩阵方程中的未知系数矩阵A。
S130，根据所述非线性模型对所述前向信号进行预失真处理。
根据步骤S120所计算得到的非线性模型，可以计算得到信号放大装置的预失真模型，并根据计算得到预失真模型对经过调制器调制后生成的中频前向信号进行预失真处理。
本实施例通过采样得到的中频反馈信号和前向信号计算所述信号放大装置的非线性模型，并根据所述非线性模型计算得到预失真模型，根据所述预失真模型对前向信号进行预失真处理。可以在非基带域，特别是中频域采用数字预失真技术对功率放大器输出的信号进行校正，具有更好的校正效果，可以实现提高信号放大装置线性及效率，降低数字预失真系统复杂度的目的。
实施例二
图2为本发明实施例二提供的通信信号数字预失真的方法的流程示意图。本实施例以上述实施例一为基础。在本实施例中，将根据所述预失真模型对所述前向信号进行预失真处理，具体步骤为：根据功率放大器的非线性模型创建预失真系数查找表；根据前向信号的幅度与相位大小在所述预失真系数查找表中查找预失真系数，根据所述预失真系数对所述前向信号进行预失真处理。
相应的，本实施例所提供的通信信号数字预失真的方法具体包括：
S210，对中频反馈信号和与所述中频反馈信号对应的前向信号进行采样。
S220，根据所述中频反馈信号和所述前向信号计算所述信号放大装置的非线性模型。
S230，根据功率放大器的非线性模型创建预失真系数查找表。
在数字预失真芯片内划分一部分存储空间，用于建立一个查找表。该查找表根据上述计算得到的非线性模型创建。将放大器的输入信号幅度与相位作为查找表的索引指针，并存储与放大器的输入信号幅度与相位对应的预失真系数。
S240，根据前向信号的信号幅度与相位的大小在所述预失真系数查找表中查找预失真系数，根据所述预失真系数对所述前向信号进行预失真处理。
将输入的前向信号的幅度与相位大小作为索引指针，根据索引指针在查找表中查找到预存的该功率放大器相应幅度与相位所对应的预失真系数，根据查找到的预失真系数对输入的前向信号进行幅度和相位的调整，以达到线性化的目的。
本实施例通过将所述根据所述预失真模型对所述前向信号进行预失真处理，具体优化为：根据功率放大器的非线性模型创建预失真系数查找表；根据前向信号的幅度与相位的大小在所述预失真系数查找表中查找预失真系数，根据所述预失真系数对所述前向信号进行预失真处理。可以将前向中频信号的幅度与相位作为查找表的索引指针。预失真系统工作时，根据索引指针在LUT中查找到预存的预失真系数，对前向中频信号进行幅度和相位的调整，以达到线性化的目的。查找表法算法简单易实现，减少计算时间，特别适用于硬件实现方式，降低了算法硬件实现的复杂度。
在本实施例的一个优选实施方式中，所述方法还包括：根据功率放大器的非线性模型和前向信号的幅度和相位大小实时更新所述预失真系数查找表。由于前向信号的幅度和相位大小在一段时间内在一定的范围内波动，基于前向信号的幅度和相位大小计算得到的预失真系数也在一定范围内波动，根据该段时间内所计算得到的预失真系数对查找表进行更新，写入经常出现的幅度和相位大小和与其对应的预失真系数，删除不常用的幅度和相位大小和与其对应的预失真系数。方便进行查找，减少运算数量，提高了查表的响应速度。
实施例三
图3为本发明实施例三提供的通信信号数字预失真的方法的流程示意图。本实施例以上述实施例为基础，在本实施例中，将对所述前向信号进行预失真处理，具体优化为：根据所述预失真模型生成预失真信号；对所述预失真信号进行数字/模拟转换和上变频处理，将所述上变频处理后的预失真信号输入信号放大装置进行放大。
相应的，本实施例所提供的通信信号数字预失真的方法具体包括：
S310，对中频反馈信号和与所述中频反馈信号对应的前向信号进行采样。
S320，根据所述中频反馈信号和所述前向信号计算所述信号放大装置的非线性模型。
S330，根据所述非线性模型计算预失真模型，根据所述预失真模型生成预失真信号。
根据求解得到的预失真系数矩阵，获得记忆深度大小的中频信号矩阵，根据所述中频信号矩阵，计算得到当前中频信号预失真单元的输入矩阵。并根据当前中频信号预失真单元的输入矩阵计算得到中频数字预失真信号。
S340，对所述预失真信号进行数字/模拟转换和上变频处理，将所述上变频处理后的预失真信号输入信号放大装置进行放大。
对所述预失真信号进行数字/模拟转换和上变频处理，并输入信号放大装置进行放大，实现对输出射频信号的线性补偿。
本实施例通过将对所述前向信号进行预失真处理，具体优化为：根据所述预失真模型生成预失真信号；对所述预失真信号进行数字/模拟转换和上变频处理，将所述上变频处理后的预失真信号输入信号放大装置进行放大，实现提高功率放大器线性及效率，降低预失真系统复杂度的目的。
实施例四
图4是本发明第四实施例提供的通信信号数字预失真的装置结构示意图，如图4所示，所述装置包括：
信号采样模块410，用于对中频反馈信号和与所述中频反馈信号对应的前向信号进行采样；
模型计算模块420，用于根据中频反馈信号和前向信号计算所述信号放大装置的非线性模型；
信号处理模块430，用于根据所述非线性模型对所述前向信号进行预失真处理。
本实施例提供的通信信号数字预失真的装置，通过采样得到的中频反馈信号和前向信号计算所述信号放大装置的非线性模型，并根据计算结果对前向信号进行预失真处理。可以在非基带域，特别是中频域采用数字预失真技术对功率放大器输出的信号进行校正，具有更好的校正效果，实现提高功率放大器线性及效率，降低预失真系统复杂度的目的。
在上述各实施例的基础上，所述信号采样模块，用于：
实时对信号放大装置输出的反馈信号进行下变频处理得到中频反馈信号，对所述中频反馈信号进行采样。
在上述各实施例的基础上，所述信号处理模块，用于：
根据所述非线性模型计算预失真模型，并根据所述预失真模型对所述前向信号进行预失真处理。
在上述各实施例的基础上，所述信号处理模块，用于：
根据所述预失真模型生成预失真信号；
所述预失真信号进行数字/模拟转换和上变频，将所述上变频处理后的预失真信号输入信号放大装置进行放大。
在上述各实施例的基础上，所述信号处理模块，用于：
根据功率放大器的非线性模型创建预失真系数查找表；
根据前向信号的幅度和相位的大小在所述预失真系数查找表中查找预失真系数，根据所述预失真系数对所述前向信号进行预失真处理。
在上述各实施例的基础上，所述信号处理模块，用于：
根据功率放大器的非线性模型和前向信号的振幅和相位的大小实时更新所述预失真系数查找表。
本发明实施例所提供的通信信号数字预失真的装置可用于执行本发明任意实施例提供的通信信号数字预失真的方法，具备相应的功能模块，实现相同的有益效果。
进一步的，本发明实施例还提供了一种数字预失真芯片，所述数字预失真芯片包括上述通信信号数字预失真的装置，能够执行通信信号数字预失真的方法。所述数字预失真芯片为现场可编程门阵列FPGA、专用集成电路ASIC和数字信号处理器DSP中的任意一种。在此不做赘述。
实施例五
图5是本发明实施例五提供的通信信号数字预失真的电路组成示意图，可以使功率放大器达到线性功放的目的。参见图5，所述通信信号数字预失真的电路，包括：调制器、数字\模拟转换单元、上变频器和功率放大器、上述实施例提供的数字预失真芯片、下变频器和模拟\数字转换单元。所述下变频器输入端与所述功率放大器的反馈信号耦合端相连接，所述下变频器的输出端与所述模拟\数字转换单元的输入端相连接，所述模拟\数字转换单元的输出端与所述数字预失真芯片的第一输入端相连接，所述数字预失真芯片的第二输入端与所述调制器的输出端相连接，所述数字预失真芯片的输出端与所述数字\模拟转换单元的输入端相连接。
在不具备预失真功能的通信电路中，调制器的输出端与D/A转换单元的输入端相连接，D/A转换单元的输出端与上变频器的输入端相连接，所述上变频器的输出端与功率放大器的输入端相连接。生成的基带信号经过调制器调制生成相应的中频信号，所述中频信号频信号通过D/A转换单元和上变频器转换为射频信号，射频信号经过功率放大器放大后输出。
在本实施例中所述的通信信号电路还包括：数字预失真芯片、下变频器和模拟\数字转换单元，所述下变频器输入端与所述功率放大器的反馈信号耦合端相连接，所述下变频器的输出端与所述模拟\数字转换单元的输入端相连接，所述模拟\数字转换单元的输出端与所述数字预失真芯片的第一输入端相连接，所述数字预失真芯片的第二输入端与所述调制器的输出端相连接，所述数字预失真芯片的输出端与所述数字\模拟转换单元的输入端相连接。
将功率放大器的反馈射频信号进行下变频处理，下变频器输出的反馈模拟中频信号通过模拟\数字转换单元进行转换，数字预失真芯片对模拟\数字转换单元输出的中频反馈信号进行采样。此外，数字预失真芯片由所述非线性模型计算中频信号的预失真模型，并根据所述预失真模型生成预失真中频信号。数字预失真芯片根据得到的中频反馈信号和与所述中频反馈信号对应的前向信号计算所述信号放大装置的非线性模型，并可根据所述预失真模型生成预失真信号，并将预失真信号经过数字/模拟转换后进行上变频后进行放大，实现提高功率放大器线性及效率，并降低预失真系统复杂度的目的。
显然，本领域技术人员应该明白，上述的本发明的各模块或各操作可以通过如上所述的设备实施。可选地，本发明实施例可以由计算机可执行程序实现，可以将它们存储在存储装置中由处理器来执行，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器、磁盘或光盘等；或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或操作制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明不限制于任何特定的硬件和软件的结合。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域技术人员而言，本发明可以有各种改动和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种通信信号数字预失真的方法，其特征在于，所述方法包括：
对中频反馈信号和与所述中频反馈信号对应的前向信号进行采样；
根据所述中频反馈信号和所述前向信号计算所述信号放大装置的非线性模型；
根据所述非线性模型对所述前向信号进行预失真处理。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对中频反馈信号进行采样，包括：
对信号放大装置耦合输出的射频反馈信号进行下变频处理得到中频反馈信号，对所述中频反馈信号进行采样。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述非线性模型，对所述前向信号进行预失真处理，包括：
根据所述非线性模型计算预失真模型；
根据所述预失真模型生成预失真信号；
对所述预失真信号进行数字/模拟转换和上变频，将所述上变频处理后的预失真信号输入信号放大装置进行放大。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述非线性模型，对所述前向信号进行预失真处理，包括：
根据信号放大装置的非线性模型创建预失真系数查找表；
根据前向信号的幅度与相位的大小在所述预失真系数查找表中查找预失真系数，根据所述预失真系数对所述前向信号进行预失真处理。
5.一种基于权利要求1的通信信号数字预失真装置，其特征在于，所述装置包括：
信号采样模块，用于对中频反馈信号和与所述中频反馈信号对应的前向信号进行采样；
模型计算模块，用于根据中频反馈信号和前向信号计算所述信号放大装置的非线性模型；
信号处理模块，用于根据所述非线性模型对所述前向信号进行预失真处理。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述信号采样模块，用于：
实时对信号放大装置输出的反馈射频信号进行下变频处理得到中频反馈信号，对所述中频反馈信号进行采样。
7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述信号处理模块，用于：
根据所述非线性模型计算预失真模型；
根据所述预失真模型生成预失真信号；
对所述预失真信号进行数字/模拟转换、上变频，将所述处理后的预失真信号输入信号放大装置进行放大。
8.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述信号处理模块，用于：
根据功率放大器的非线性模型创建预失真系数查找表；
根据前向信号的幅度和相位的大小在所述预失真系数查找表中查找预失真系数，根据所述预失真系数对所述前向信号进行预失真处理。
9.一种数字预失真芯片，其特征在于，所述数字预失真芯片包括权利要求5-8任一所述的装置。所述数字预失真芯片可为现场可编程门阵列FPGA、专用集成电路ASIC和数字信号处理器DSP中的任意一种。
10.一种通信信号数字预失真的电路，所述电路包括：调制器、数字\模拟转换单元、上变频器和功率放大器，其特征在于，所述电路还包括：权利要求9所述的数字预失真芯片、下变频器和模拟\数字转换单元，所述下变频器输入端与所述功率放大器的反馈信号耦合端相连接，所述下变频器的输出端与所述模拟\数字转换单元的输入端相连接，所述模拟\数字转换单元的输出端与所述数字预失真芯片的第一输入端相连接，所述数字预失真芯片的第二输入端与所述调制器的输出端相连接，所述数字预失真芯片的输出端与所述数字\模拟转换单元的输入端相连接。
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