CN107565914B - 共发双带包络跟踪功率放大器的数字预失真系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种针对共发双带包络跟踪功率放大器的指定带宽内的数字预失真系统及其方法，针对功率放大器的行为建模考虑以下几点：(1)两个频带内信号之间的交叉调制带来的失真，(2)包络跟踪法带来的非线性失真，(3)指定带宽滤波器对线性化实现方法和效果的影响。既缩减了传统数字预失真与功放线性化技术中的射频信号带宽，又减小了包络跟踪信号的带宽，可有效缓解包络调制器的设计压力；同时，通过保证预失真信号和初始输入信号的功率一致，进行数次迭代，达到良好的功放线性化效果；在宽带应用中有广阔应用前景。

Description

共发双带包络跟踪功率放大器的数字预失真系统及其方法

技术领域

本发明涉及一种针对共发双带包络跟踪功率放大器的数字预失真系统及其方法，属于功率放大器的数字线性化技术领域。

背景技术

无线通信系统的快速发展导致了针对功率放大器的全新需求。一方面，多频段、多通信标准的基站愈加普及，导致了共发多带功放的产生；另一方面，高功率放大器也成为研究热点，包络跟踪是其中一种提高功放效率的有效方法。这两种场景都对功放的线性提出了较高的要求。数字预失真技术是一种在工程实践中广泛用于补偿功率放大器非线性的十分有效的方法，兼具多工作频段和高功率这两个特点的功率放大器虽然有广阔的应用前景，但其线性化难度也大大增加。以并发双带、包络跟踪功率放大器为例，首先，为了获得良好的线性化效果，每一个频带内，传统的数字预失真技术要求系统处理带宽至少为5倍的输入信号带宽；其次，诸如包络跟踪等动态供电方法将引入更多的信号杂散。另外，包络的带宽一般是输入信号带宽的5～10倍。因此，应用传统的数字预失真技术，预失真之后的信号带宽将会在前述基础上进一步扩大，给包络调制器的设计与实现带来巨大压力，转而限制未来宽带无线通信系统的发展与应用。针对这一问题，一种在指定带宽内的数字预失真技术应运而生，并应用于功率放大器的线性化，大大放宽了传统技术中对射频带宽的限制。

对于双带功放的线性化，其建模与输入信号的预失真的实现难点主要在于共发双带信号不仅本身产生了带内高阶失真，两个信号之间也将产生严重的交调失真。将上述两种失真考虑在内的一种功放行为特性模型可以用下面的公式描述：

其中M为记忆深度，K为高阶非线性失真的阶数，x₁和x₂表示基带输入信号，y₁和y₂表示基带功放输出信号，α表示每个子项的系数，|·|表示模值运算。

在此基础上，如果采用动态方法给功放供电，如包络跟踪法，除了每一频带内的高阶非线性、双带之间的交调失真，包络信号也将对输出信号产生较大影响，此时功放的行为特性可用下式描述。其中Env(n)表示包络跟踪信号，L为包络跟踪信号的阶数。

然而实际通信系统对处理带宽有较大的限制，结合上述包络跟踪情形下双带功放的特点，需要一种既具有较窄带宽又能获得良好线性化效果的数字预失真技术。

发明内容

本发明为解决现有技术中存在的不足，提出一种针对共发双带包络跟踪功率放大器的数字预失真系统及其方法。

为了解决上述技术问题，本发明提供了共发双带包络跟踪功率放大器的数字预失真系统，包括用于生成两个频段的基带输入信号的数字预失真模块、根据基带输入信号产生包络信号的包络调制器、电源调制器、功率放大器、将基带信号调制到所述功率放大器所需的射频范围内的本振1和本振2、用于合成双带信号的信号合路器和将基带功放输出信号反馈至数字预失真模块的带限滤波器；所述信号合路器的输出信号经由前置放大器至功率放大器输出最终功放输出信号。

进一步的，包络调制器描述为：

Env(n)＝|x₁(n)|+|x₂(n)| (3)

其中，Env(n)表示包络跟踪信号，x₁(n)和x₂(n)表示基带输入信号，|·|表示模值运算。

进一步的，带限滤波器为有限长单位冲激响应低通滤波器。

进一步的，本振1和本振2的频率不同。

本发明还公开了一种共发双带包络跟踪功率放大器的数字预失真方法，包括以下步骤：

步骤1、数字预失真模块直通，生成两个频段的基带输入信号；

步骤2、包络调制器根据基带输入信号产生相应的包络信号，提供给电源调制器为功率放大器产生动态供电；

步骤3、基带输入信号利用混频器和两个频率不同的本振1和本振2，将信号调制到功率放大器所需的射频范围内；

步骤4、在信号合路器的作用下合成双带信号，经由前置放大器，输入功率放大器，得到最终功放输出信号；

步骤5、部分功放输出信号在基带通过有限滤波器得到带宽内信号，结合基带输入信号，利用模型公式提取出数字预失真模块系数；

步骤6、基带输入信号经过刷新数字预失真模块系数的数字预失真模块得到带限的预失真基带信号，该带限的预失真基带信号作为基带输入信号进入数字预失真系统，重复步骤2-步骤6，迭代3～4次；

其中，步骤5中的模型公式为：

其中，M为记忆深度，K为高阶非线性失真的阶数，L为包络跟踪信号的阶数，x₁和x₂表示基带输入信号，y₁和y₂表示基带功放输出信号，α表示数字预失真模块系数，h_filter为带限滤波器的频率响应，*表示卷积运算，|·|表示模值运算。

进一步的，带限滤波器为有限长单位冲激响应低通滤波器。

本发明的有益效果是：本发明与现有技术相比，具有以下优点：本发明缩减传统数字预失真与功放线性化技术中的射频信号带宽，缩减了包络跟踪信号的带宽，减轻包络调制器的设计压力，同时获得良好的功放线性化效果。

具体实施方式

本实施例的一种针对共发双带功率放大器在指定带宽内的数字预失真系统，

本实施例针对功率放大器的行为建模：(1)考虑两个频带内信号之间的交叉调制带来的失真，(2)考虑利用包络跟踪法带来的非线性失真，(3)考虑指定带宽滤波器对线性化实现方法和效果的影响。功放行为特性模型公式如下所示。

其中，M为记忆深度，K为高阶非线性失真的阶数，L为包络跟踪信号的阶数，x₁和x₂表示基带输入信号，y₁和y₂表示基带功放输出信号，α表示每个子项的系数，h_filter为低通滤波器的频率响应，*表示卷积运算，|·|表示模值运算。

首先将利用记忆多项式对功率放大器的行为建模方法拓展到双带的情况，即在单带运算的基础上加入交叉调制；其次，将包络跟踪信号加入双带记忆多项式中；最后，将前述模型与带限滤波器的冲激响应相乘。

包络调制器用基带输入信号的模值之和实现，即(|x₁(n-m)|+|x₂(n-m)|)^I (3)，特别地，当l＝0时，表示恒包络情况。

本实施例的带限滤波器采用有限长单位冲激响应低通滤波器实现，低通滤波器的通带和阻带值根据具体需要选取。

本实施例基于上述数字预失真系统的预失真方法，包括以下步骤：

首先，数字预失真模块直通，生成两个频段的基带输入信号x₁(n)和x₂(n)，包络调制器根据基带输入信号产生相应的包络信号，提供给电源调制器为功率放大器产生动态供电；基带输入信号x₁(n)、x₂(n)利用混频器和两个频率不同的本振1和本振2，将信号调制到功放所需的射频范围内，在信号合路器的作用下合成双带信号，经由前置放大器，最终输入功率放大器，得到功放输出信号y₁(n)和y₂(n)。初次输出数据y₁(n)和y₂(n)耦合到基带通过数字低通滤波器得到指定带宽内的信号

与

，结合基带输入信号x₁(n)、x₂(n)，利用功放行为特性模型公式提取出数字预失真模块的系数。数字预失真模块开始工作后，基带输入信号x₁(n)和x₂(n)经过此模块得到带限的预失真基带信号x_pre1(n)和x_pre2(n)，和初始信号一样进入同样的电路系统，重复预失真系数提取预失真信号产生步骤，迭代3～4次，可获得最佳线性化效果。

本实施例应用在系统带宽为40MHz、预失真与线性化带宽为15MHz的S波段共发双带包络跟踪功率放大器，采用的双带信号为一对长期演进正交频分复用5MHz信号，中心频率分别在2.0GHz和2.6GHz。采用数字预失真之后，在每一个频带内，功放的归一化出入和输出幅度关系呈直线，相位差稳定在0°左右，显示出良好的线性化效果。

本实施例应用在系统带宽为40MHz、预失真与线性化带宽为15MHz的S波段共发双带包络跟踪功率放大器，采用的双带信号为一对长期演进正交频分复用5MHz信号，中心频率分别在2.0GHz和2.6GHz。采用本发明所提出的数字预失真技术后，每个频带的15MHz范围内的频域失真得到有效抑制，而在频带以外变化不大，达到了预期的效果。

表1为应用在系统带宽为40MHz、预失真与线性化带宽为15MHz的S波段共发双带包络跟踪功率放大器在低工作频带2.0GHz时的第一下邻道功率比(dBc)、第一上邻道功率比(dBc)、归一化均方误差(dB)、标准均方根误差(％)性能指标，并与传统全工作带宽40MHz的线性化效果、无数字预失真时的性能作为对比。

表1为共发双带包络跟踪功率放大器在低工作频带2.0GHz时性能指标

从表1中可以看出，采用本实施例的邻道功率比大约为-49dBc，归一化均方误差为-41dB左右，标准均方根误差为0.88％，与不采用数字预失真技术相比，分别优化了21dBc、27dB、14％；与40MHz内的数字预失真性能相当。

表2是应用在系统带宽为40MHz、预失真与线性化带宽为15MHz的S波段共发双带包络跟踪功率放大器在高工作频带2.6GHz时的第一下邻道功率比(dBc)、第一上邻道功率比(dBc)、归一化均方误差(dB)、标准均方根误差(％)性能指标，并与传统全工作带宽40MHz的线性化效果、无数字预失真时的性能作为对比。

表2为共发双带包络跟踪功率放大器在高工作频带2.6GHz时性能指标

从表2中可以看出，采用本发明，邻道功率比大约为-49dBc，归一化均方误差为-41dB左右，标准均方根误差为0.88％，与不采用数字预失真技术相比，分别优化了21dBc、26dB、13％；与40MHz内的数字预失真性能相当。

表3是在射频信号和包络通道的带宽要求方面，将传统全工作带宽40MHz的线性化效果和将本实施例应用在系统带宽为40MHz、预失真与线性化带宽为15MHz的S波段共发双带包络跟踪功放情况下的比较。

表3为本实施例与现有技术对照表

	射频通道宽带要求	包络通道带宽要求
			传统数字预失真	40MHz	200～400MHz
本实施例的数字预失真	15MHz	75～150MHz

从表中可以看出，传统数字预失真技术要求40MHz的射频信号带宽、200～400MHz的包络通道带宽，而采用本发明，可将上述要求分别降低至15MHz和75～150MHz，有望在未来在宽带无线系统中得到应用。

Claims (4)

1.共发双带包络跟踪功率放大器的数字预失真方法，其特征在于：基于数字预失真系统实现，所述数字预失真系统包括用于生成两个频段的基带输入信号的数字预失真模块、根据基带输入信号产生包络信号的包络调制器、电源调制器、功率放大器、将基带输入信号调制到所述功率放大器所需的射频范围内的本振1和本振2、用于合成双带信号的信号合路器和将功放输出信号反馈至数字预失真模块的带限滤波器；所述信号合路器的输出信号经由前置放大器至功率放大器输出功放输出信号；

所述数字预失真方法包括以下步骤：

步骤1、数字预失真模块直通，生成两个频段的基带输入信号；

步骤2、包络调制器根据基带输入信号产生相应的包络信号，提供给电源调制器为功率放大器产生动态供电；

步骤3、基带输入信号利用本振1和本振2，将信号调制到功率放大器所需的射频范围内；

步骤4、在信号合路器的作用下合成双带信号，经由前置放大器，输入功率放大器，得到功放输出信号；

步骤5、部分功放输出信号耦合到基带通过有限滤波器得到带宽内信号，结合基带输入信号，利用功放行为特性模型公式提取出数字预失真模块系数；

步骤6、基带输入信号经过刷新数字预失真模块系数的数字预失真模块得到带限的预失真基带信号，该带限的预失真基带信号作为基带输入信号重新进入数字预失真系统，重复步骤2-步骤6，迭代3～4次；

其中，步骤5中的功放行为特性模型公式为：

其中，M为记忆深度，K为高阶非线性失真的阶数，L为包络跟踪信号的阶数，x₁和x₂表示基带输入信号，y₁和y₂表示功放输出信号，

表示数字预失真模块系数，h_filter为带限滤波器的频率响应，*表示卷积运算，|·|表示模值运算。

2.根据权利要求1所述的共发双带包络跟踪功率放大器的数字预失真方法，其特征在于：所述包络调制器描述为：

Env(n)＝|x₁(n)|+|x₂(n)| (3)

其中，Env(n)表示包络跟踪信号，x₁(n)和x₂(n)表示基带输入信号，|·|表示模值运算。

3.根据权利要求1所述的共发双带包络跟踪功率放大器的数字预失真方法，其特征在于：所述带限滤波器为有限长单位冲激响应低通滤波器。

4.根据权利要求1所述的共发双带包络跟踪功率放大器的数字预失真方法，其特征在于：所述本振1和本振2的频率不同。