CN107294546B - 一种数字预失真系统中射频链路及其工作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种数字预失真系统中射频链路及其工作方法，本发明的结构包括数字中射频链路和射频带通滤波器以及射频模数转换模块；其中数字中射频链路实现由基带信号产生数字射频信号，射频带通滤波器实现由数字射频信号到射频模拟信号的转换，射频模数转换模块实现由模拟射频信号到数字射频信号的转换。本发明频带宽，通用性好，本发明可适用于0~16GHz不同工作频率的功放；除了serdes接口速度较高外，其它模块都是低速数字模块，由于本发明的中射频链路都采用数字模块实现，容易设计和集成，电路面积小；本发明中的混频模块利用中频数字载波进行混频，中频数字载波更容易产生，实现简单。

Description

一种数字预失真系统中射频链路及其工作方法
技术领域
本发明涉及一种适用于数字预失真系统的宽频带中射频链路技术领域，具体涉及一种能适用于0～16GHz频段功放，较为通用的数字预失真系统中射频链路及其工作方法。
背景技术
在无线通信系统中，功率放大器是收发信机最主要的非线性源。随着无线通信的发展，信号的带宽越来越宽，其包络起伏和峰均比也越来越大，这对功放提出了更高的线性要求。功放等半导体器件在大信号下具有不可避免的非线性特性，当宽带发信机工作在非线性区时，会产生严重的互调分量，在带内就可以造成信号间的相互干扰。
如何提高线性度是宽带通信系统需要解决的一个重要问题。为了解决线性度的问题，常采用数字预失真技术，即采用适当的外围电路，采集功放的输入输出信号，建立功放的模型，在功放前增加预失真模块，对功放的非线性进行校正。这种方法成本低，器件选择也较灵活，是目前应用最广泛的方法。
常规的DPD系统如图1中虚线部分所示，包括中射频链路和数字信号处理单元(DSP+FPGA)，中射频链路实现信号由数字到射频和由射频到数字的转换，而FPGA和DSP实现功放输入输出数字信号采集、预失真系数计算和处理功能。中射频链路包括发射中射频链路和反馈中射频链路，发射中射频链路包括数模转换模块和上变频模块，其中数模转换模块实现由数字到模拟的转换，上变频模块实现信号由基带到射频的搬移。反馈中射频链路包括下变频模块、中频放大器、模数转换模块，其中，下变频模块实现信号由射频到中频的搬移，中频放大器实现对中频信号的放大，模数转换模块实现由模拟到数字的转换。上述的中射频链路存在的主要问题是：由于发射中射频链路和反馈中射频链路的各模块都是由模拟器件组成，导致其系统频带窄不具备通用型，而不同的通信系统功放的工作频段可能差别很大，同时传统中射频链路涉及的芯片多，设计复杂度高，调试麻烦，电路板的面积大。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的上述不足，提供一种宽频带、通用的数字预失真系统中射频链路及其工作方法，本发明的结构容易集成且设计复杂度低、调试简单。
本发明的目的通过如下技术方案实现。
一种数字预失真系统中射频链路，其包括数字中射频链路和射频带通滤波器以及射频模数转换模块；其中数字中射频链路实现由基带信号产生数字射频信号，射频带通滤波器实现由数字射频信号到射频模拟信号的转换，射频模数转换模块实现由模拟射频信号到数字射频信号的转换。
进一步地，数字中射频链路包括数字调制模块、数字上变频模块、数字下变频模块、并串转换模块和串并转换模块；数字调制模块、数字上变频模块、并串转换模块组成数字发射中射频链路，而串并转换模块和数字下变频模块组成数字反馈中射频链路。
进一步地，所述数字调制模块将多位宽基带信号转换为1比特位宽的数字方波信号，由多位宽基带信号到1比特位宽的数字方波信号的转化会产生量化噪声，该量化噪声能通过射频带通滤波器滤除。
进一步地，所述数字上变频模块为在数字域实现频谱搬移，将数字方波信号变到FC/N的载波频率上，其中FC为射频载波频率，N为设定的整数。
进一步地，所述并串转换模块实现并串转换功能，将N路输入转换为1路输出，输出信号的速度是输入信号速度的N倍,N路输入中每一路为数字上变频输出的复数差分信号，所以其输入端共有4*N个端口，并串转换模块的工作时钟是2*FC。
进一步地，所述串并转换模块：与并串转换模块相反，实现串并转换功能，将1路输入转换为N路输出，每一路输出为差分复数信号，输出信号的速度是输入信号速度的1/N，串并转换模块的工作时钟是2*FC。
进一步地，所述数字下变频模块在数字域实现频谱搬移，将载波频率为FC/N的中频数字信号搬移到零频。
进一步地，数字预失真系统中射频链路的工作方法包括：基带信号X经过数字调制模块后得到1比特位宽的数字方波信号Y；再通过数字上变频模块将数字方波信号搬移到频率为FC/N的载波上得到数字中频信号Z，Z＝Zi+j*Zq为复数信号，其中Zi为数字中频信号同相分量，Zq为数字中频信号正交分量，为Zi取非的结果，为Zq取非的结果，然后按照的格式重复N次输出给并串转换模块，得到载波频率为FC的数字射频信号，数字射频信号通过射频带通滤波器转换为模拟射频信号；功放反馈模拟信号通过射频模数转换模块转换为射频数字信号，再通过串并转换模块转换为N路低频数字信号，再由数字下变频模块搬移到零频后即可解调。
由于不同的通信系统工作的频段不一样，与之对应的功放也工作于不同的频段，对于数字预失真系统就需要设计对应的中射频链路，而传统的模拟中射频链路频段窄，不具备通用性，本发明提供的上述一种频段宽且通用的数字中射频链路，频率在0～16GHz频段范围内可调，能适用于不同频段的功放，从而大大降低设计的复杂度，减轻调试负担和减小电路板面积。
与现有技术相比，本发明具备如下优点和有益效果：
1、频带宽，通用性好，本发明可适用于0～16GHz不同工作频率的功放；
2、本发明的数字中射频链路除了serdes接口速度较高外，其它模块都是低速数字模块，由于本发明的中射频链路都采用数字模块实现，容易设计和集成，电路面积小；
3、传统的混频方式常在模拟域将基带信号与射频本征信号相乘实现频谱搬移，需要射频本振信号源，其设计环节多，复杂度高，而本发明中的混频模块利用中频数字载波进行混频，中频数字载波更容易产生，实现简单。
附图说明
图1是现有的DPD系统硬件实现架构。
图2是本发明的技术方案的一种应用结构示意图。
图3是本发明技术方案中的数字中射频链路原理图。
图4是n阶△∑调制的原理图。
图5为实例中某一阶△∑调制z域的原理框图。
具体实施方式
以下结合后附图和实例对本发明的具体实施作进一步说明，但本发明的实施和保护不限于此。
本发明的一种数字预失真系统中射频链路包括数字中射频链路和射频带通滤波器以及射频模数转换模块，整体结构如图2所示，其中数字中射频链路实现由基带信号产生数字射频信号，射频带通滤波器实现由数字射频信号到射频模拟信号的转换，射频模数转换模块实现由模拟射频信号到数字射频信号的转换。数字中射频链路包括数字调制模块，数字上变频模块、数字下变频模块、并串转换模块和串并转换模块组成，如图3所示。数字调制模块，数字上变频模块，并串转换模块组成数字发射中射频链路，而串并转换模块和数字下变频模块组成数字反馈中射频链路。
各模块的作用如下：
(1)数字调制模块：将一定采样频率的多位宽基带信号转换为1比特位宽的数字方波信号，由多位宽基带信号到1比特位宽的数字方波信号的转化会产生量化噪声，该噪声可以通过射频带通滤波器滤除；
(2)数字上变频模块：在数字域实现频谱搬移，将数字方波信号变到FC/N的载波频率上，其中FC为射频载波频率，N为整数，可以根据需要选取；
(3)并串转换模块：实现并串转换功能，将N路输入转换为1路输出，输出信号的速度是输入信号速度的N倍,N路输入中每一路为数字上变频输出的复数差分信号，所以其输入端共有4*N个端口，并串转换模块的工作时钟是2*FC；
(4)串并转换模块：与并串转换模块相反，实现串并转换功能，将1路输入转换为N路输出，每一路输出为差分复数信号，输出信号的速度是输入信号速度的1/N，串并转换模块的工作时钟是2*FC。
(5)数字下变频模块：在数字域实现频谱搬移，将载波频率为FC/N的中频数字信号搬移到零频；
本发明的工作流程如下：基带信号X经过数字调制模块后得到1比特位宽的数字方波信号Y；再通过数字上变频模块将数字方波信号搬移到频率为FC/N的载波上得到数字中频信号Z，Z＝Zi+j*Zq为复数信号，然后按照的格式重复N次输出给并串转换模块，得到载波频率为FC的数字射频信号，数字射频信号通过射频带通滤波器转换为模拟射频信号；功放反馈模拟信号通过射频模数转换模块转换为射频数字信号，再通过串并转换模块转换为N路低频数字信号，再由数字下变频模块搬移到零频后即可解调。
作为一种实施例，附图3是本发明技术方案中的数字中射频链路原理图。
结合附图2和图3，本发明各模块可以采用如下方式实现。
数字调制模块：数字调制模块可以采用△∑调制(Delta-Sigma Modulator)，其结构如图4所示。G(z)和F(z)为环路滤波器，X(z)为输入信号，Y(z)为△∑调制的输出信号，A(z)为量化器输入信号，Eq(z)为量化器产生的量化噪声，有Y(z)＝A(z)+Eq(z)。输出信号Y(z)由输入信号X(z)和量化噪声Eq(z)对应的不同系数组合STF(z)、NTF(z)决定。STF(z)定义为当量化噪声Eq(z)恒为0时，从输入信号X(z)到△∑调制的输出信号Y(z)的信号传递函数，STF(z)定义为当输入信号X(z)恒为0时，从量化噪声Eq(z)到△∑调制的输出信号Y(z)的噪声传递函数，则Y(z)可表示为Y(z)＝STF(z)X(z)+NTF(z)Eq(z)。其中STF(z)和NTF(z)可以表示为
例如图5为某一阶△∑调制z域的原理框图，其中Y(z)＝A(z)+Eq(z)，Y(z)可表示为：
Y(z)＝z-1A(z)+X(z)-z-1Y(z)+Eq(z)
＝x(z)+Eq(z)-z-1[y(z)-A(z)]
＝x(z)+Eq(z)-z-1Eq(z)
＝x(z)+[1-z-1]Eq(z)
则在此一阶△∑调制结构中，信号传递函数STF(z)为1，噪声传递函数NTF(z)为1-z-1。
G(z)和F(z)的取值可参考书籍《Understanding Delta-Sigma DataConverters》。
并串转换模块和串并转换模块：可采用serdes接口，serdes接口中包含具有并串转换功能的串行器和具有串并转换功能的解串器。串行器位于发射链路末端，其输出作为滤波器的输入；而解串器位于接收链路的前端。串行器可以实现将N路并行数字信号转换为一路串行数字信号输出。若单路并行信号频率为Fc/N,则进行并串转换后，串行输出的信号频率为N*Fc/N＝Fc；同理，解串器将串行数字信号转换为N路并行数字信号输出，若串行数字信号频率为Fc，则进行串并转换后，并行输出的信号频率为Fc/N。例如假设Fc＝1GHz，N＝16时，则数字中频信号的频率为Fc/N＝62.5MHz,所以串行器每一路输入信号和解串器每一路输出信号的频率为62.5MHz。
数字上变频模块：该模块可以通过将数字调制信号的实部和虚部分别与频率fc/N且移相90度的数字载波相乘再相加实现。
数字下变频模块：该模块可以将接收到数字中频信号与频率fc/N的数字载波相乘再使用滤波器滤除掉镜像实现；
射频带通滤波器：可以采用中心频率为射频载波频率，带宽为发射通道带宽的微带滤波器实现。
射频模数转换模块：可以采用高速比较器实现，将射频模拟信号与一定的电压相比较，如果前者大于后者输出1，反之输出0。
如上即可较好的实现本发明并取得所述的技术效果。

Claims (2)

1.一种数字预失真系统中射频链路，其特征在于包括数字中射频链路和射频带通滤波器以及射频模数转换模块；其中数字中射频链路实现由基带信号产生数字射频信号，射频带通滤波器实现由数字射频信号到射频模拟信号的转换，射频模数转换模块实现由模拟射频信号到数字射频信号的转换；
数字中射频链路包括数字调制模块、数字上变频模块、数字下变频模块、并串转换模块和串并转换模块；数字调制模块、数字上变频模块、并串转换模块组成数字发射中射频链路，而串并转换模块和数字下变频模块组成数字反馈中射频链路；所述数字调制模块将多位宽基带信号转换为1比特位宽的数字方波信号，由多位宽基带信号到1比特位宽的数字方波信号的转化会产生量化噪声，该量化噪声能通过射频带通滤波器滤除；所述数字上变频模块为在数字域实现频谱搬移，将数字方波信号变到FC/N的载波频率上，其中FC为射频载波频率，N为设定的整数；所述并串转换模块实现并串转换功能，将N路输入转换为1路输出，输出信号的速度是输入信号速度的N倍, N路输入中每一路为数字上变频输出的复数差分信号，所以其输入端共有4*N个端口，并串转换模块的工作时钟是2*FC；
所述串并转换模块：与并串转换模块相反，实现串并转换功能，将1路输入转换为N路输出，每一路输出为差分复数信号，输出信号的速度是输入信号速度的1/N，串并转换模块的工作时钟是2*FC；所述数字下变频模块在数字域实现频谱搬移，将载波频率为FC/N的中频数字信号搬移到零频。
2.权利要求1所述的一种数字预失真系统中射频链路的工作方法，其特征在于：基带信号X经过数字调制模块后得到1比特位宽的数字方波信号Y；再通过数字上变频模块将数字方波信号搬移到频率为FC/N的载波上得到数字中频信号Z， Z=Zi+j*Zq为复数信号，其中Zi为数字中频信号同相分量，Zq为数字中频信号正交分量， i为Zi取非的结果， q为Zq取非的结果，然后按照ZiZq i q的格式重复N次输出给并串转换模块，得到载波频率为FC的数字射频信号，数字射频信号通过射频带通滤波器转换为模拟射频信号；功放反馈模拟信号通过射频模数转换模块转换为射频数字信号，再通过串并转换模块转换为N路低频数字信号，再由数字下变频模块搬移到零频后即可解调。
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