CN107276546B - 一种数字预失真处理方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种数字预失真处理方法及装置，用以有效矫正功率放大器的失真特性，解决在宽带信号下现有的DPD处理性能不足的问题。该方法包括：根据输入信号确定数字预失真模型，并根据数字预失真模型确定功率放大器的输出信号；其中，所述数字预失真模型包括共轭交叉项和非线性记忆项；根据所述输出信号，计算DPD系数。

Description

一种数字预失真处理方法及装置
技术领域
本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种数字预失真处理方法及装置。
背景技术
射频功率放大器是无线通信系统中的关键器件，用于将己调制的频带信号放大到所需要的功率值，并送往天线中发射。一般而言，当输入功率较小时，功率放大器具有良好的线性度。但在实际应用中，为了提高功率效率，总是希望放大器工作在接近饱和点，此时放大器的非线性将变得非常严重。对于恒定包络调制方式，如调频、最小偏移键控，可以采用滤波技术消除失真产物。因此，当输入信号为恒包络信号时，放大器可以在接近饱和点的高效率区工作。但是恒定包络调制技术的频谱利用率往往较低，限制了通信系统的容量，无法适应当今用户数量快速增长和宽带业务迅速发展的新形势。而高频谱效率的线性和多载波调制技术所产生的信号均为非恒包络信号，它们通过非线性放大器时，生成的失真产物无法通过滤波来消除，这将产生带内失真和邻道干扰，降低通信质量。所以，这些高频谱效率的线性调制技术所产生的信号，无法采用高功率效率的非线性放大器进行放大。由此可见，在无线通信系统中，频谱有效性和功率有效性是一对迫切需要解决的矛盾。
此外，如果放大器输入信号的带宽足够小的话，可以把它看成无记忆非线性系统来看待，但随着输入信号带宽的增加，无线基站的高功率射频放大器的记忆性影响越来越明显，此时功率放大器除了表现普通非线性特性外，还呈现很强的记忆效应，即放大器的输出不仅依赖于当前的输入，还依赖于历史的输入。对于有记忆的放大器，由于记忆效应的存在导致频带内互调失真分量变化，显著减低了预失真线性化技术的性能，记忆效应对于射频功率放大器的电路设计和基于预失真的线性化器的设计起着决定性的作用。为改善放大器线性化性能，有必要对放大器记忆效应加以深入研究，根据记忆效应产生的原因提出有针对性的措施以减小记忆效应对线性化的影响。
当输入信号的带宽增加时，功率放大器的非线性和记忆特性急剧恶化，若采用传统的数字预失真处理方法，即采用常规记忆多项式(General Memory Polynomial，GMP)模型计算数字预失真(Dgital Pre-Distortion，DPD)系数，无法达到好的预失真效果，功率放大器的输出信号失真仍然比较严重。
发明内容
本发明实施例提供了一种数字预失真处理方法及装置，用以有效矫正功率放大器的失真特性，解决在宽带信号下现有的DPD处理性能不足的问题。
本发明实施例提供的一种数字预失真处理方法，包括：
根据输入信号确定数字预失真模型，并根据数字预失真模型确定功率放大器的输出信号；其中，所述数字预失真模型包括共轭交叉项和非线性记忆项；
根据所述输出信号，计算DPD系数。
本发明实施例提供的该方法，通过具有共轭交叉项和非线性记忆项的数字预失真模型确定功率放大器的输出信号，并根据该输出信号，计算DPD系数。由于本发明实施例提供的数字预失真模型更接近宽带功率放大器的特性，因此根据该数字预失真模型对输入的信号进行数字预失真处理，可有效解决在输入信号为宽带信号时，功率放大器的非线性和记忆特性急剧恶化，导致输出信号失真严重的问题，有效地矫正了功率放大器的失真特性。并且，在保证良好的频谱效率的同时，避免了提升功率放大器的功率效率后造成的邻道功率比(Adjacent Channel Power Ratio，ACPR)性能恶化的问题。
较佳地，所述共轭交叉项为通过遍历法去除冗余项后的共轭交叉项，所述非线性记忆项为通过遍历法去除冗余项后的非线性记忆项。
从而，降低了实现的复杂度，避免了不必要的资源浪费。
较佳地，所述数字预失真模型还包括：记忆多项式项和非线性交叉项。
较佳地，所述数字预失真模型为所述共轭交叉项、非线性记忆项、记忆多项式项和非线性交叉项之和。
从而，根据该模型对输入的信号进行数字预失真处理，可有效地矫正功率放大器的失真特性。
较佳地，所述输入信号包括当前的输入信号和历史的输入信号。
从而，可以针对功率放大器的记忆效应，进行DPD处理。
较佳地，根据所述输出信号，计算DPD系数，具体包括：
确定输入信号经过预失真处理器处理后的信号z(n)，若z(n)的值用矩阵Z表示，则采用最小二乘法通过如下公式计算DPD系数：
A＝(YHY)-1YHZ
其中，A表示DPD系数，Y表示所述输出信号矩阵，YH表示Y的共轭转置矩阵。
较佳地，所述信号z(n)通过如下参数确定：共轭交叉项、非线性记忆项、记忆多项式项和非线性交叉项。
本发明实施例提供的一种数字预失真处理装置，包括：
第一单元，用于根据输入信号确定数字预失真模型，并根据数字预失真模型确定功率放大器的输出信号；其中，所述数字预失真模型包括共轭交叉项和非线性记忆项；
第二单元，用于根据所述输出信号，计算数字预失真DPD系数。
本发明实施例提供的该装置，通过具有共轭交叉项和非线性记忆项的数字预失真模型确定功率放大器的输出信号，并根据该输出信号，计算DPD系数。由于本发明实施例提供的数字预失真模型更接近宽带功率放大器的特性，因此根据该数字预失真模型对输入的信号进行数字预失真处理，可有效解决在输入信号为宽带信号时，功率放大器的非线性和记忆特性急剧恶化，导致输出信号失真严重的问题，有效地矫正了功率放大器的失真特性。并且，在保证良好的频谱效率的同时，避免了提升功率放大器的功率效率后造成的ACPR性能恶化的问题。
较佳地，所述共轭交叉项为通过遍历法去除冗余项后的共轭交叉项，所述非线性记忆项为通过遍历法去除冗余项后的非线性记忆项。
从而，降低了实现的复杂度，避免了不必要的资源浪费。
较佳地，所述数字预失真模型还包括：记忆多项式项和非线性交叉项。
较佳地，所述数字预失真模型为所述共轭交叉项、非线性记忆项、记忆多项式项和非线性交叉项之和。
从而，根据该模型对输入的信号进行数字预失真处理，可有效地矫正功率放大器的失真特性。
较佳地，所述输入信号包括当前的输入信号和历史的输入信号。
从而，可以针对功率放大器的记忆效应，进行DPD处理。
较佳地，所述第二单元具体用于：
确定输入信号经过预失真处理器处理后的信号z(n)，若z(n)的值用矩阵Z表示，则采用最小二乘法通过如下公式计算DPD系数：
A＝(YHY)-1YHZ
其中，A表示DPD系数，Y表示所述输出信号矩阵，YH表示Y的共轭转置矩阵。
较佳地，所述信号z(n)通过如下参数确定：共轭交叉项、非线性记忆项、记忆多项式项和非线性交叉项。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对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申请的一些实施例，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为本发明实施例提供的一种数字预失真处理方法的流程示意图；
图2为本发明实施例提供的一种通过数字预失真模型计算功率放大器的输出信号的具体实现框图；
图3为本发明实施例提供的一种数字预失真处理的整体实现框图；
图4为本发明实施例提供的一种数字预失真处理装置的结构示意图；
图5为本发明实施例提供的一种宽带预失真测试结果图。
具体实施方式
本发明实施例提供了一种数字预失真处理方法及装置，用以有效矫正功率放大器的失真特性，解决在宽带信号下现有的DPD处理性能不足的问题。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，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，所描述的实施例仅仅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。
参见图1，本发明实施例提供的一种数字预失真处理方法，包括以下步骤：
S101、根据输入信号确定数字预失真模型，并根据数字预失真模型确定功率放大器的输出信号；其中，所述数字预失真模型包括共轭交叉项和非线性记忆项；
S102、根据所述输出信号，计算DPD系数。
较佳地，数字预失真模型除包括共轭交叉项和非线性记忆项外，还包括记忆多项式项和非线性交叉项。即数字预失真模型为所述共轭交叉项、非线性记忆项、记忆多项式项和非线性交叉项之和。
从而，使得数字预失真模型更接近宽带功率放大器的特性。根据该数字预失真模型执行DPD的效果不会随着时间的变化产生恶化，DPD后的输出信号功率与DPD之前相比也不会降低，始终保持在一个稳定的状态。
较佳地，本发明实施例提供的数字预失真模型通过以下表达式确定：
Figure BDA0000960734110000061
其中，y(n)表示功率放大器的输出信号(也可以称为反馈信号)，x(n)表示当前的输入信号(也可以称为训练序列)，M表示记忆项深度，P表示非线性阶数，Lb、Lc表示记忆交叉项深度，K表示非线性记忆阶数，amp表示记忆项的系数，bmlp和cmlp分别表示后向记忆交叉项和前向记忆交叉项系数，dm1m2表示共轭交叉项系数，emk表示非线性记忆项系数。并且，由于M表示记忆项深度，而m对应具体的记忆项深度的取值，且m小于或等于M，由x(n-m)可以看出，y(n)不仅取决于当前的输入信号，还取决于历史的输入信号，即可以理解为x(n-m)表示包括当前以及历史的输入信号；相应地，x(n-m-l)和x(n-m+l)可以理解为是时间交叉的输入信号。
因此，较佳地，步骤S101中的输入信号包括当前的输入信号和历史的输入信号。
根据式(1)可以看出，数字预失真模型包括四个部分：
第一部分：对应式(1)中的
Figure BDA0000960734110000062
表示记忆多项式项。
第二部分：对应式(1)中的
Figure BDA0000960734110000063
和
Figure BDA0000960734110000071
表示记忆交叉项。
第三部分：对应式(1)中的
Figure BDA0000960734110000072
表示共轭交叉项。
第四部分：对应式(1)中的
Figure BDA0000960734110000073
表示非线性记忆项。
可以看出，本发明实施例提出的共轭交叉项为去除冗余项后的共轭交叉项，具体地，可通过遍历法实现。本发明实施例提出的非线性记忆项为也为去除冗余项后的非线性记忆项，具体地，也可以通过遍历法实现。
图2所示为通过本发明实例提供的数字预失真模型计算功率放大器的输出信号y(n)的具体实现框图。
可以看出，通过该数字预失真模型，计算得出的y(n)包括多项分量元素，即包括
Figure BDA0000960734110000074
至
Figure BDA0000960734110000075
至
Figure BDA0000960734110000076
将输出信号用矩阵表示为：
Y＝[Ya,Yb,Yc,Yd,Ye] (2)
其中，式(2)中的Ya可用下式表示：
Figure BDA0000960734110000077
式(2)中的Yb可用下式表示：
Figure BDA0000960734110000078
式(2)中的Yc可用下式表示：
Figure BDA0000960734110000081
式(2)中的Yd可用下式表示：
Figure BDA0000960734110000082
式(2)中的Ye可用下式表示：
Figure BDA0000960734110000083
若将输入信号经过预失真处理器处理后的信号用z(n)表示，则z(n)与y(n)的关系可用下式表示：
Figure BDA0000960734110000084
从式(8)可以看出，式(8)中包括共轭交叉项、非线性记忆项、记忆多项式项和非线性交叉项。从而，通过式(8)，可以确定信号z(n)，也就是说，信号z(n)通过如下参数确定：共轭交叉项、非线性记忆项、记忆多项式项和非线性交叉项。其中，z(n)的值用矩阵Z表示。
从而，DPD系数与z(n)、y(n)的关系可用下式表示：
Z＝YA (9)
其中，Y表示输出信号矩阵，如式(2)所示；A表示DPD系数，这里，A为矩阵。
采用最小二乘法计算DPD系数的表达式为：
A＝(YHY)-1YHZ (10)
其中，YH表示Y的共轭转置矩阵，从而，通过式(10)，最终可以确定出DPD系数。
其中，DPD系数矩阵A如下式所示：
Figure BDA0000960734110000091
下面结合发射机的具体链路结构，对本发明实施例提供的数字预失真方法进行整体的介绍。
参见图3，本发明实施例提供的一种数字预失真处理的整体实现框图。
输入信号x(n)首先输入数字上变频(Digital Up Converter，DUC)模块，之后依次经过数控振荡器(Number Controlled Oscillator，NCO)模块、数字预失真器(初始时刻数字预失真器不对输入信号进行预失真处理)、数模转换器(Digital Analog Converter，DAC)模块、IQ调制器模块进行处理，最终输入给功率放大器(Power Amplifier，PA)，由PA输出信号y(n)。
y(n)进入IQ解调器进行处理后，依次经过模数转换器(Analog to DigitalConverter，ADC)、低通滤波器(Low-Pass Filter，LPF)进行处理，之后通过宽带模型系数计算模块计算DPD系数，具体可根据本发明实施例提供的数字预失真模型来计算DPD系数。确定DPD系数之后，生成预失真查找表(Look Up Table，LUT)，预失真处理器根据LUT对前向发射信号(即x(n))进行预失真处理，从而可有效矫正功率放大器的失真特性。
参见图4，本发明实施例还提供了一种数字预失真处理装置，包括：
第一单元41，用于根据输入信号确定数字预失真模型，并根据数字预失真模型确定功率放大器的输出信号；其中，所述数字预失真模型包括共轭交叉项和非线性记忆项；
第二单元42，用于根据所述输出信号，计算数字预失真DPD系数。
较佳地，所述共轭交叉项为通过遍历法去除冗余项后的共轭交叉项，所述非线性记忆项为通过遍历法去除冗余项后的非线性记忆项。
较佳地，所述数字预失真模型还包括：记忆多项式项和非线性交叉项。
较佳地，所述数字预失真模型为所述共轭交叉项、非线性记忆项、记忆多项式项和非线性交叉项之和。
较佳地，所述数字预失真模型通过以下表达式确定：
Figure BDA0000960734110000101
上式中的
Figure BDA0000960734110000102
表示记忆多项式项；
Figure BDA0000960734110000103
和
Figure BDA0000960734110000104
表示记忆交叉项；
Figure BDA0000960734110000105
表示共轭交叉项；
Figure BDA0000960734110000106
表示非线性记忆项。
较佳地，所述输入信号包括当前的输入信号和历史的输入信号。
较佳地，所述第二单元42具体用于：
确定输入信号经过预失真处理器处理后的信号z(n)，若z(n)的值用矩阵Z表示，则采用最小二乘法通过如下公式计算DPD系数：
A＝(YHY)-1YHZ
其中，A表示DPD系数，Y表示所述输出信号矩阵，YH表示Y的共轭转置矩阵。
较佳地，所述信号z(n)通过如下参数确定：共轭交叉项、非线性记忆项、记忆多项式项和非线性交叉项。
为了更好地体现本发明实施例提供的数字预失真处理方法及装置的优点，给出具体的测试结果。
本发明实施例针对上述数字预失真模型，采用一组100M的宽带信号进行了实际测试，宽带预失真测试结果如图5所示。
在图5中，纵坐标表示功率，单位为dbfs，横坐标表示频谱宽带。其中，标注为FB的曲线表示未进行数字预失真处理的功率放大器正常输出的信号功率与频谱宽度的关系曲线；标注为TR的曲线表示输入信号对应的输出功率与频谱宽度的关系曲线；标注为fb-dpd的曲线表示对功率放大器输出的信号(FB)进行预失真处理后的信号功率与频谱宽度的关系曲线。可以看出，采用本发明实施例提供的数字预失真方法，对失真信号具有很大的改善。
表1所示为DPD处理前后功率放大器的ACPR测试结果。
表1
输出功率 ACPR_L ACPR_R
DPD前 42.1dBm -22.05dBc -21.45dBc
DPD后 42.05dBm -46.4dBc -45.1dBc
在表1中，ACPR_L表示左邻道的ACPR值，ACPR_R表示右邻道的ACPR值。由表1可以看出，DPD后的测试结果与DPD前的测试结果相比，ACPR_L由原来的-22.05dBc变为-46.4dBc，改善幅度达110.43％，ACPR_R由原来的-21.45dBc变为-45.1dBc，改善幅度达110.26％，可见，采用本发明实施例提供的DPD处理方法，可有效改善ACPR性能。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器和光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种数字预失真处理方法，其特征在于，该方法包括：
根据输入信号确定数字预失真模型，并根据数字预失真模型确定功率放大器的输出信号；其中，所述数字预失真模型包括共轭交叉项、非线性记忆项、记忆多项式项和非线性交叉项；所述数字预失真模型为所述共轭交叉项、非线性记忆项、记忆多项式项和非线性交叉项之和；
根据所述输出信号，计算数字预失真DPD系数。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述共轭交叉项为通过遍历法去除冗余项后的共轭交叉项，所述非线性记忆项为通过遍历法去除冗余项后的非线性记忆项。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述输入信号包括当前的输入信号和历史的输入信号。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述输出信号，计算DPD系数，具体包括：
确定输入信号经过预失真处理器处理后的信号z(n)，若z(n)的值用矩阵Z表示，则采用最小二乘法通过如下公式计算DPD系数：
A＝(YHY)-1YHZ
其中，A表示DPD系数，Y表示所述输出信号矩阵。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述信号z(n)通过如下参数确定：共轭交叉项、非线性记忆项、记忆多项式项和非线性交叉项。
6.一种数字预失真处理装置，其特征在于，该装置包括：
第一单元，用于根据输入信号确定数字预失真模型，并根据数字预失真模型确定功率放大器的输出信号；其中，所述数字预失真模型包括共轭交叉项、非线性记忆项、记忆多项式项和非线性交叉项；所述数字预失真模型为所述共轭交叉项、非线性记忆项、记忆多项式项和非线性交叉项之和；
第二单元，用于根据所述输出信号，计算数字预失真DPD系数。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述共轭交叉项为通过遍历法去除冗余项后的共轭交叉项，所述非线性记忆项为通过遍历法去除冗余项后的非线性记忆项。
8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述输入信号包括当前的输入信号和历史的输入信号。
9.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述第二单元具体用于：
确定输入信号经过预失真处理器处理后的信号z(n)，若z(n)的值用矩阵Z表示，则采用最小二乘法通过如下公式计算DPD系数：
A＝(YHY)-1YHZ
其中，A表示DPD系数，Y表示所述输出信号矩阵。
10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述信号z(n)通过如下参数确定：共轭交叉项、非线性记忆项、记忆多项式项和非线性交叉项。
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