CN106506417B - 一种窄带反馈的数字预失真系统与方法 - Google Patents

一种窄带反馈的数字预失真系统与方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种窄带反馈的数字预失真系统与方法，所述系统包括数字预失真器、数模转换模块、功放、滤波器、模数转换模块和预失真参数估计模块；数字预失真器的输入端连接信号源，其输出端分别与数模转换模块和预失真估计模块连接；数模转换模块的输出端与功放连接，功放的输出端分别与信号输出装置和滤波器连接；滤波器输出端通过模数转换模块与预失真参数估计模块连接，预失真参数估计模块的输出端与数字预失真器连接。本发明将功放输出的信号进行滤波处理,降低信号带宽后,再进行数模转换和预失真参数提取，以供数字预失真器进行预失真调整，在降低反馈通路带宽,减小模数转换速率及系统功耗、成本的基础上，保证了功放的线性度指标。

Description

一种窄带反馈的数字预失真系统与方法
技术领域
本发明涉及一种窄带反馈的数字预失真系统与方法。
背景技术
功率放大器(PowerAmplifierPA)是现代移动通信系统中核心部件之一，其性能直接影响着无线通信系统的性能好坏。为提高效率，放大器通常在接近饱和点的高效率区工作，此时放大器存在非线性特性。由于现行通信信号为非恒定包络，通过非线性放大后将会产生互调失真和频谱增生，导致邻道干扰并恶化接收机误码率。为解决此问题，出现了数字预失真(DigitalPre-DistortionDPD)技术。有了预失真技术的辅助，功率放大器就可以工作在饱和点附近，并且保持很好的线性，由此提高功率放大器的效率。
但随着信号带宽增加，在传统的数字预失真方法中，对反馈通路的模数转换(ADC)的采样率指标要求急剧提高。通常，由于功放放大器固有的非线性特性，其输入信号在经过功率放大器放大后会产生频谱扩展，如果考虑五阶交调，频谱大约会扩展到原信号带宽的五倍，对于100MHz带宽的信号，经过功率放大器后的频谱带宽会扩展到500MHz。若按照传统反馈通路设计方式处理，为精确地捕获功率放大器的输出信号，反馈通路带宽至少需要500MHz，相应的模数转换速率至少需要1000MHz，从而大大增加系统实现难度，提升了系统成本。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种窄带反馈的数字预失真系统与方法，将功放输出的信号进行滤波处理以降低信号带宽后，再进行模数转换并传输给数字预失真器，由数字预失真器实现从低反馈带宽的反馈信号中提取出功放的预失真参数，并将该参数传递给数字预失真器对信号进行预失真处理，降低或抵消功放非线性失真的影响；进而实现了在降低反馈信号带宽和模数转换速率的同时，减小实现难度和成本，保证功放的线性度指标。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种窄带反馈的数字预失真系统，包括数字预失真器、数模转换模块、功放、滤波器、模数转换模块和预失真参数估计模块；
所述的数字预失真器的输入端连接信号源，数字预失真器的输出端分别与数模转换模块和预失真参数估计模块连接；数模转换模块的输出端与功放连接，所述功放的输出端分别与信号输出装置和滤波器连接；滤波器输出端通过模数转换模块与预失真参数估计模块连接，预失真参数估计模块根据来自数字预失真器的信号和模数转换模块的信号进行计算，得到预失真参数；所述预失真参数估计模块的输出端与数字预失真器连接，数据预失真器根据计算得到的预失真参数进行预失真调整。
进一步地，所述的数字预失真系统还包括上变频模块，所述上变频模块的输入端与数模转换模块连接，上变频模块的输出端与功放连接。
进一步地，所述的数字预失真系统还包括下变频模块，下变频模块的输入端与滤波器连接，下变频模块的输出端与模数转换模块连接。
进一步地，所述的信号输出装置包括但不限于射频天线，数模转换得到的信号经过上变频模块和功放后能够经射频天线进行发射。
进一步地，所述的预失真参数估计模块包括：
功放模型估计单元，用于利用数字预失真器输出的信号以及经过滤波、模数转换后的功放输出信号，经数字滤波和模型辨识估计出功放的非线性模型；
预失真参数提取单元，用于利用数字预失真器输出的信号以及功放的非线性模型提取预失真参数。
一种窄带反馈的数字预失真方法，包括以下步骤：
S1.利用数字预失真器对来自信号源的信号u(n)进行处理，得到预失真信号x(n)；该预失真信号包含功放非线性失真逆特性，且能够降低或抵消功放的非线性失真；
S2.将信号x(n)进行数模转换后传输给功放，由功放对数模转换后的信号进行放大后输出
Figure GDA0002231370810000021
S3.将信号
Figure GDA0002231370810000022
通过信号输出装置输出，同时对功放输出的信号
Figure GDA0002231370810000023
进行滤波、数模转换得到数字信号yF(n)；
S4.根据信号x(n)和yF(n)进行预失真参数提取，获得预失真参数对数字预失真器进行调整。
进一步地，所述的步骤S1包括以下子步骤：
S11.对来自信号源的信号u(n)进行预失真非线性处理得到非线性向量Φ(u)，向量Φ(u)的第(k-1)*L+1个的元素为
Φ(u)(k-1)*L+1＝u(n-l)|u(n-l)|k-1；
S12.将非线性向量Φ(u)与预失真向量W0相乘，得到预失真信号x(n)
Figure GDA0002231370810000024
设W0为当前预失真向量，其向量长度与Φ(u)相同，K为数字预失真器所期望抵消的最高非线性阶数，L为数字预失真器所期望抵消的最大记忆深度；wkl为当前预失真向量W0中，数字预失真器在非线性阶数为k，记忆深度为l时的参数。
进一步地，所述步骤S3中包括以下子步骤：
S31.将功放输出信号
Figure GDA0002231370810000035
通过信号输出装置输出,同时对功放输出信号
Figure GDA0002231370810000036
进行滤波操作，降低信号
Figure GDA0002231370810000037
带宽,得到滤波后的信号
Figure GDA0002231370810000031
S32.对信号进行模数转换得到数字信号yF(n)，该信号与滤波器带宽相同。
进一步地，所述步骤S2中将信号x(n)进行数模转换后，还包括上变频子步骤，将数模转换后的信号进行上变频后再传输给功放；所述步骤S3中，对功放输出信号
Figure GDA0002231370810000039
进行滤波操作得到信号
Figure GDA00022313708100000310
后，还包括下变频子步骤，将信号下变频为yF(t)，再进行模数转换得到yF(n)。
进一步地，所述的步骤S4包括以下子步骤：
S41.利用信号x(n)和数模转换的得到的信号yF(n)计算功放的非线性模型：
(1)设功放模型为记忆多项式模型，理想情况下功放输入输出关系为：
Figure GDA0002231370810000032
式中，akl表示功放的非线性参数；
(2)设计数字滤波器L{}，使得yF(n)通过L{}之后得到的滤波信号L{yF(n)}，等于y(n)通过L{}之后得到的滤波信号L{y(n)}：
Figure GDA0002231370810000033
(3)通过模型辨识的方式可以得到功放的非线性模型参数A：
令L{YF}＝L{yF(n)}，表示通过滤波器L{}后的滤波信号，信号长度为N；
A表示akl构成的非线性参数向量，
Figure GDA0002231370810000034
其中功放的非线性模型的最高非线性阶数与数字预失真器所期望抵消的最高非线性阶数相等，均为K；功放模型的最大记忆深度与数字预失真器所期望抵消的最大记忆深度相等，均为L；akl即为参数A中，功放的非线性模型在非线性阶数为k，记忆深度为l时的非线性参数；
L{X}表示非线性矩阵
Figure GDA0002231370810000041
通过滤波器L{}处理后得到的矩阵；非线性矩阵X由N个行向量构成，第n个行向量X(n)的第(k-1)*L+1个的元素为：
X(n)(k-1)*L+l＝x(n-l)|x(n-l)|k-1；
故：L{YF}＝AL{X}；
用LS算法进行参数求解，得到非线性模型参数A估计值B：
B＝L{X}HL{X}-1L{X}HL{YF}；
S42.利用数字预失真器输出的信号以及功放的非线性模型提取预失真参数：
(1)令非线性模型参数A＝B，得到功放的非线性模型；
(2)将信号x(n)输入功放的非线性模型，获得输出信号：
Figure GDA0002231370810000042
(3)利用x(n)与d(n)计算预失真参数：
W＝DHD-1DHX；
矩阵D为d(n)构成的非线性矩阵，由N个行向量构成：其中第n个行向量D(n)的第(k-1)*L+1个元素为：
D(n)(k-1)*L+l＝d(n-l)|d(n-l)|k-1；
矩年X为：X＝[x(1)，x(2)，…x(n)]；
S43.将计算得到的预失真参数传输给数字预失真器，数据预失真器进行预失真调整，使当前预失真向量W0等于计算出的预失真参数。
本发明的有益效果是：(1)将功放输出的信号进行滤波处理、模数转换后传输给预失真参数估计模块提取预失真参数向量，以供数字预失真器进行预失真参数调整，进而使得经数字预失真器处理得到的预失真信号能够更好地降低或抵消功放非线性失真的影响；保证了功放的工作效率。
(2)功放输出的信号经过滤波器处理，降低信号带宽后，再将信号传输给数模转换模块进行处理，降低对数模转换速率的要求，减小了实现难度，降低了系统成本。
(3)在进行预失真参数估计的过程中，充分考虑了滤波器对于预失真参数估计的影响，由数字预失真器实现从低反馈带宽的反馈信号中提取出功率放大器在原始带宽的信号条件下的预失真参数，在减小实现难度的同时，不影响预失真参数估计的准确性。
附图说明
图1为本发明的系统原理框图；
图2为本发明的方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
如图1所示，一种窄带反馈的数字预失真系统，包括数字预失真器、数模转换模块、功放、滤波器、模数转换模块和预失真参数估计模块；
所述的数字预失真器的输入端连接信号源，数字预失真器的输出端分别与数模转换模块和预失真参数估计模块连接；数模转换模块的输出端与功放连接，所述功放的输出端分别与信号输出装置和滤波器连接；滤波器输出端通过模数转换模块与预失真参数估计模块连接，预失真参数估计模块根据来自数字预失真器的信号和模数转换模块的信号进行计算，得到预失真参数；所述预失真参数估计模块的输出端与数字预失真器连接，数据预失真器根据计算得到的预失真参数进行预失真调整。
在本申请的实施例中，所述的数字预失真系统还包括上变频模块，所述上变频模块的输入端与数模转换模块连接，上变频模块的输出端与功放连接。
所述的数字预失真系统还包括下变频模块，下变频模块的输入端与滤波器连接，下变频模块的输出端与模数转换模块连接。
所述的信号输出装置包括但不限于射频天线，数模转换得到的信号经过上变频模块和功放后能够经射频天线进行发射。
在本申请的实施例中，所述的预失真参数估计模块包括：
功放模型估计单元，用于利用数字预失真器输出的信号以及经过滤波、模数转换后的功放输出信号，经数字滤波和模型辨识估计出功放的非线性模型；
预失真参数提取单元，用于利用数字预失真器输出的信号以及功放的非线性模型提取预失真参数。
如图2所示，一种窄带反馈的数字预失真方法，包括以下步骤：
S1.利用数字预失真器对来自信号源的信号u(n)进行处理，得到预失真信号x(n)；该预失真信号包含功放非线性失真逆特性，且能够降低或抵消功放的非线性失真；
S2.将信号x(n)进行数模转换后传输给功放，由功放对数模转换后的信号进行放大后输出
Figure GDA0002231370810000051
S3.将信号
Figure GDA0002231370810000052
通过信号输出装置输出，同时对功放输出的信号
Figure GDA0002231370810000053
进行滤波、数模转换得到数字信号yF(n)；
S4.根据信号x(n)和yF(n)进行预失真参数提取，获得预失真参数对数字预失真器进行调整。
具体地，所述的步骤S1包括以下子步骤：
S11.对来自信号源的信号u(n)进行预失真非线性处理得到非线性问量Φ(u)，间量Φ(u)的第(k-1)*L+1个的元素为
Φ(u)(k-1)*L+l＝u(n-l)|u(n-l)|k-1；
S12.将非线性向量Φ(u)与预失真向量W0相乘，得到预失真信号x(n)
Figure GDA0002231370810000061
设W0为当前预失真向量，其向量长度与Φ(u)相同，K为数字预失真器所期望抵消的最高非线性阶数，L为数字预失真器所期望抵消的最大记忆深度；wkl为当前预失真向量W0中数字预失真器在非线性阶数为k，记忆深度为l时的参数。
所述步骤S3中包括以下子步骤：
S31.将功放输出信号
Figure GDA0002231370810000064
通过信号输出装置输出，同时对功放输出信号
Figure GDA0002231370810000065
进行滤波操作，降低信号
Figure GDA0002231370810000066
带宽，得到滤波后的信号
S32.对信号
Figure GDA0002231370810000067
进行模数转换得到数字信号yF(n)，该信号与滤波器带宽相同。
功放输出的信号经过滤波器处理，降低信号带宽后，再将信号传输给数模转换模块进行处理，降低对数模转换速率的要求，减小了实现难度，降低了系统成本。
所述步骤S2中将信号x(n)进行数模转换后，还包括上变频子步骤，将数模转换后的信号进行上变频后再传输给功放；所述步骤S3中，对功放输出信号
Figure GDA0002231370810000068
进行滤波操作得到信号
Figure GDA0002231370810000069
后，还包括下变频子步骤，将信号
Figure GDA00022313708100000610
下变频为yF(t)，再进行模数转换得到yF(n)。
所述的步骤S4包括以下子步骤：
S41.利用信号x(n)和数模转换的得到的信号yF(n)计算功放的非线性模型：
(1)设功放模型为记忆多项式模型，理想情况下功放输入输出关系为：
Figure GDA0002231370810000063
式中，akl表示功放的非线性参数；
但具体实现过程中，y(n)不可能精确得到，如本申请只能通过滤波和模数转换获得一个带宽比y(n)更窄的信号yF(n)。
(2)所以，设计数字滤波器L{}，使得yF(n)通过L{}之后得到的滤波信号L{yF(n)}，等于(或近似等于)y(n)通过L{}之后得到的滤波信号L{y(n)}：
(3)通过模型辨识的方式可以得到功放的非线性模型参数A：在本申请的实施例，采用最小二乘算法(LeastSquare：LS)来实现(在其他实施例来实现，也可以采用递归最小二乘算法RLS来实现)：
令L{YF}＝L{yF(n)}，表示通过滤波器L{}后的滤波信号，信号长度为N；
A表示akl构成的非线性参数向量其中功放的非线性模型的最高非线性阶数与数字预失真器所期望抵消的最高非线性阶数相等，均为K；功放模型的最大记忆深度与数字预失真器所期望抵消的最大记忆深度相等，均为L；akl即为参数A中，功放的非线性模型在非线性阶数为k，记忆深度为l时的非线性参数；
L{X}表示非线性矩阵
Figure GDA0002231370810000073
通过滤波器L{}处理后得到的矩阵；非线性矩阵X由N个行间量构成，第n个行间量X(n)的第(k-1)*L+1个的元素为：
X(n)(k-1)*L+l＝x(n-l)|x(n-l)k-1；
故：L{YF}＝AL{X}；
用LS算法进行参数求解，得到非线性模型参数A估计值B：
B＝L{X}HL{X}-1L{X}HL{YF}；
本申请设计数字滤波器L{}，使得yF(n)通过L{}之后得到的滤波信号L{yF(n)}，等于y(n)通过L{}之后得到的滤波信号L{y(n)}，再由最小二乘算法(LeastSquare：LS)来求得功放的非线性模型参数。由此可见，在进行预失真参数估计的过程中，充分考虑了滤波器降低带宽对于预失真参数估计的影响，由数字预失真器实现从低反馈带宽的反馈信号中提取出功率放大器在原始带宽的信号条件下的预失真参数，在减小实现难度的同时，不影响预失真参数估计的准确性。
S42.利用数字预失真器输出的信号以及功放的非线性模型提取预失真参数：
(1)令非线性模型参数A＝B，得到功放的非线性模型；
(2)将信号x(n)输入功放的非线性模型，获得输出信号：
(3)利用x(n)与d(n)计算预失真参数向量：
W＝DHD-1DHX；
矩阵D为d(n)构成的非线性矩阵，由N个行向量构成：其中第n个行向量D(n)的第(k-1)*L+1个元素为：
D(n)(k-1)*L+l＝d(n-l)|d(n-l)|k-1；
矩阵X为：X＝[x(1)，x(2)，…x(n)]；
S43.将计算得到的预失真参数传输给数字预失真器，数据预失真器进行预失真调整，使当前预失真向量W0等于计算出的预失真参数。

Claims (8)

1.一种窄带反馈的数字预失真系统，其特征在于：包括数字预失真器、数模转换模块、功放、滤波器、模数转换模块和预失真参数估计模块；
所述的数字预失真器的输入端连接信号源，数字预失真器的输出端分别与数模转换模块和预失真参数估计模块连接；数模转换模块的输出端与功放连接，所述功放的输出端分别与信号输出装置和滤波器连接；滤波器输出端通过模数转换模块与预失真参数估计模块连接，预失真参数估计模块根据来自数字预失真器的信号和模数转换模块的信号进行计算，得到预失真参数；所述预失真参数估计模块的输出端与数字预失真器连接，数据预失真器根据计算得到的预失真参数进行预失真调整；
所述窄带反馈的数字预失真系统的运用的一种窄带反馈的数字预失真方法，包括如下步骤：
S1.利用数字预失真器对来自信号源的信号u(n)进行处理，得到预失真信号x(n)；该预失真信号包含功放非线性失真逆特性，且能够降低或抵消功放的非线性失真；
S2.将信号x(n)进行数模转换后传输给功放，由功放对数模转换后的信号进行放大后输出
Figure FDA0002246680530000013
S3.将信号
Figure FDA0002246680530000014
通过信号输出装置输出，同时对功放输出的信号
Figure FDA0002246680530000015
进行滤波、数模转换得到数字信号yF(n)；
S4.根据信号x(n)和yF(n)进行预失真参数提取，获得预失真参数对数字预失真器进行调整；
所述的步骤S4包括以下子步骤：
S41.利用信号x(n)和数模转换的得到的信号yF(n)计算功放的非线性模型：
(1)设功放模型为记忆多项式模型，理想情况下功放输入输出关系为：
Figure FDA0002246680530000011
式中，akl表示功放的非线性参数；
(2)设计数字滤波器L{}，使得yF(n)通过L{}之后得到的滤波信号L{yF(n)}，等于y(n)通过L{}之后得到的滤波信号L{y(n)}：
Figure FDA0002246680530000012
(3)通过模型辨识的方式得到功放的非线性模型参数A：
令L{YF}＝L{yF(n)}，表示通过滤波器L{}后的滤波信号，信号长度为N；
A表示akl构成的非线性参数向量，
Figure FDA0002246680530000021
其中功放的非线性模型的最高非线性阶数与数字预失真器所期望抵消的最高非线性阶数相等，均为K；功放模型的最大记忆深度与数字预失真器所期望抵消的最大记忆深度相等，均为L；akl即为参数A中，功放的非线性模型在非线性阶数为k，记忆深度为l时的非线性参数；
L{X}表示非线性矩阵
Figure FDA0002246680530000022
通过滤波器L{}处理后得到的矩阵；非线性矩阵X由N个行向量构成，第n个行向量X(n)的第(k-1)*L+1个的元素为：
X(n)(k-1)*L+1＝x(n-1)|x(n-1)|k-1；
故：L{YF}＝AL{X}；
用LS算法进行参数求解，得到非线性模型参数A估计值B：
B＝L{X}HL{X}-1L{X}HL{YF}；
S42.利用数字预失真器输出的信号以及功放的非线性模型提取预失真参数：
(1)令非线性模型参数A＝B，得到功放的非线性模型；
(2)将信号x(n)输入功放的非线性模型，获得输出信号：
Figure FDA0002246680530000023
(3)利用x(n)与d(n)计算预失真参数：
W＝DHD-1DHX；
矩阵D为d(n)构成的非线性矩阵，由N个行向量构成：其中第n个行向量D(n)的第(k-1)*L+1个元素为：
D(n)(k-1)*L+1＝d(n-1)|d(n-1)|k-1；
矩阵X为：X＝[x(1)，x(2)，…x(n)]；
S43.将计算得到的预失真参数传输给数字预失真器，数据预失真器进行预失真调整，使当前预失真向量W0等于计算出的预失真参数。
2.根据权利要求1所述的一种窄带反馈的数字预失真系统，其特征在于：所述的数字预失真系统还包括上变频模块，所述上变频模块的输入端与数模转换模块连接，上变频模块的输出端与功放连接。
3.根据权利要求1所述的一种窄带反馈的数字预失真系统，其特征在于：所述的数字预失真系统还包括下变频模块，下变频模块的输入端与滤波器连接，下变频模块的输出端与模数转换模块连接。
4.根据权利要求1所述的一种窄带反馈的数字预失真系统，其特征在于：所述的信号输出装置包括但不限于射频天线。
5.根据权利要求1所述的一种窄带反馈的数字预失真系统，其特征在于：所述的预失真参数估计模块包括：
功放模型估计单元，用于利用数字预失真器输出的信号以及经过滤波、模数转换后的功放输出信号，经数字滤波和模型辨识估计出功放的非线性模型；
预失真参数提取单元，用于利用数字预失真器输出的信号以及功放的非线性模型提取预失真参数。
6.根据权利要求1所述的一种窄带反馈的数字预失真系统，其特征在于：所述的步骤S1包括以下子步骤：
S11.对来自信号源的信号u(n)进行预失真非线性处理得到非线性向量Φ(u)，向量Φ(u)的第(k-1)*L+1个的元素为：
Φ(u)(k-1)*L+1＝u(n-1)|u(n-1)|k-1；
S12.将非线性向量Φ(u)与预失真向量W0相乘，得到预失真信号x(n)：
Figure FDA0002246680530000031
设W0为当前预失真向量，其向量长度与Φ(u)相同，K为数字预失真器所期望抵消的最高非线性阶数，L为数字预失真器所期望抵消的最大记忆深度；wkl为当前预失真向量W0中数字预失真器在非线性阶数为k，记忆深度为l时的参数。
7.根据权利要求1所述的一种窄带反馈的数字预失真系统，其特征在于：所述步骤S3中包括以下子步骤：
S31.将功放输出信号
Figure FDA0002246680530000032
通过信号输出装置输出,同时对功放输出信号
Figure FDA0002246680530000033
进行滤波操作，降低信号
Figure FDA0002246680530000034
带宽,得到滤波后的信号
Figure FDA0002246680530000035
S32.对信号
Figure FDA0002246680530000036
进行模数转换得到数字信号yF(n)，该信号与滤波器带宽相同。
8.根据权利要求1所述的一种窄带反馈的数字预失真系统，其特征在于：所述步骤S2中将信号x(n)进行数模转换后，还包括上变频子步骤，将数模转换后的信号进行上变频后再传输给功放；所述步骤S3中，对功放输出信号
Figure FDA0002246680530000041
进行滤波操作得到信号
Figure FDA0002246680530000042
后，还包括下变频子步骤，将信号
Figure FDA0002246680530000043
下变频为yF(t)，再进行模数转换得到yF(n)。
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