CN107659273A - 毫米波宽带功率放大器的可重构数字预失真系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种毫米波宽带功率放大器的可重构数字预失真系统，包括数字预失真模型、功率放大器、模拟带限滤波器和模型系数提取模块，原始基带输入信号通过数字预失真模型生成数字预失真模型输出信号，数字预失真模型输出信号分别送入功率放大器和模型系数提取模块，功率放大器的输出信号经过模拟带限滤波器后所得到的信号的一小部分也送回至模型系数提取模块，模型系数提取模块提取出数字预失真模型系数并将其送入数字预失真模型。本发明还公开了采用该系统的预失真方法。本发明可以根据需求灵活地选择子载波，节省频谱资源；减少了传统数字预失真技术所需的处理带宽；减轻了现有的数字信号处理芯片对于高速率数据的压力。
Description
技术领域
本发明涉及功率放大器的数字线性化技术领域，特别是涉及毫米波宽带功率放大器的可重构数字预失真系统及方法。
背景技术
无线通信技术的快速发展以及即将到来的第五代移动通信(5G)时代给功率放大器提出了全新的要求。在5G无线通信技术中即将采用的大带宽信号，能提供Gbps量级的数据传输速率，可以满足许多高速数据传输的需求，例如8K广播电视。和现有的3G及4G技术一样，在5G系统中采用的毫米波功率放大器也面临着功率效率的问题。为了解决这个问题，功率放大器需要工作在饱和区，然而这样一来，就会引入非线性。数字预失真技术，凭借其低成本、易实现、高精确度等优势成为解决功率放大器非线性问题的流行方案。但是，在5G系统中，由于需要很大的调制带宽，同时载波聚合技术将会带来灵活的载波模式，传统的数字预失真技术主要面临着三个挑战：
(1)对于现有的数字信号处理芯片，传统数字预失真技术所需的基带数据处理速率过高；
(2)发射机和反馈环路的模拟带宽太宽，难以实现；
(3)面对不同的载波模式，传统技术应用统一的数字预失真模型，不够高效和灵活。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种能够极大地减少功率消耗并提供效率的毫米波宽带功率放大器的可重构数字预失真系统及方法。
技术方案：为达到此目的，本发明采用以下技术方案：
本发明所述的毫米波宽带功率放大器的可重构数字预失真系统，包括数字预失真模型、功率放大器、模拟带限滤波器和模型系数提取模块，原始基带输入信号通过数字预失真模型生成数字预失真模型输出信号，数字预失真模型输出信号分别送入功率放大器和模型系数提取模块，功率放大器的输出信号经过模拟带限滤波器后所得到的信号的一小部分也送回至模型系数提取模块，模型系数提取模块提取出数字预失真模型系数并将其送入数字预失真模型。
进一步，所述带限滤波器为有限长单位冲激响应低通滤波器。
进一步，所述数字预失真模型根据不同载波模式获取落在不同频段的核函数。
采用本发明所述的毫米波宽带功率放大器的可重构数字预失真系统的预失真方法，包括以下步骤：
S1：在数字预失真模型中，将原始基带输入信号分解为四个不同载波的信号；
S2：在数字预失真模型中，根据需求选择不同的载波组合模式；
S3：在数字预失真模型中，根据载波组合模式生成正确的核函数；
S4：在数字预失真模型中，生成平均包络，用来加权核函数，进而生成数字预失真模型输出信号，送入功率放大器；
S5：功率放大器的输出信号经过模拟带限滤波器后所得到的信号的一小部分分解为四个不同的载波信号，与数字预失真模型输出信号一起送入模型系数提取模块，提取出数字预失真模型系数，再将数字预失真模型系数带入到数字预失真模型中，经过3-4次迭代，达到线性化效果。
进一步，所述步骤S4中的平均包络根据式(1)得到：
式(1)中，e(n)为平均包络，和为原始基带输入信号分解的四个信号，n为整型变量，表示数字信号序列中的样本编号。
进一步，所述步骤S5中的模型公式如式(2)所示：
式(2)中，在数字预失真模型中，为数字预失真模型输出信号，n为数字信号序列中的样本编号，hi,m为模型系数；为原始基带输入信号分解的信号，；ep(n-m)为平均包络，fs为采样频率，wi(n-m)为带限滤波器，用于滤除带外频谱，fi(n-m)为对应载波的频率，M为记忆深度，P为包络的阶数，K1和K2为落在相应载波的核函数的个数，hi,m,k为模型系数，为载波生成的不同频段的核函数，其中，“n-m”表示的是记忆效应，m为整型变量，表示该信号序列的记忆效应为m；关于模型参数提取，第一次迭代时，替换为由功率放大器输出信号经过模拟带限滤波器后所得的输出信号的分解信号，替换为原始基带输入信号，此后迭代，替换为数字预失真模型输出信号。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1)可以根据需求灵活地选择子载波，节省频谱资源；
2)减少了传统数字预失真技术所需的处理带宽；
3)减轻了现有的数字信号处理芯片对于高速率数据的压力；
4)减少了系统的功率消耗，提高了系统的效率，同时具有良好的线性化效果。
附图说明
图1为本发明具体实施方式中的原始基带输入信号分解的四个单载波宽带信号；
图2为本发明具体实施方式中的可重构数字预失真模型的示意图；
图3为本发明具体实施方式中，输入信号为带宽640MHz、峰值平均功率比为7.5dB时的输出信号的频谱图；
图4为本发明具体实施方式中，输入信号为带宽640MHz、峰值平均功率比为7.5dB时功率放大器的归一化输入-输出幅度特性(AM-AM)和相位特性(AM-PM)曲线图；
图5为本发明具体实施方式的系统框图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式和附图对本发明的技术方案作进一步的介绍。
本具体实施方式公开了一种毫米波宽带功率放大器的可重构数字预失真系统，如图5所示，包括数字预失真模型、功率放大器、模拟带限滤波器和模型系数提取模块，原始基带输入信号通过数字预失真模型生成数字预失真模型输出信号，数字预失真模型输出信号分别送入功率放大器和模型系数提取模块，功率放大器的输出信号经过模拟带限滤波器后所得到的信号的一小部分也送回至模型系数提取模块，模型系数提取模块提取出数字预失真模型系数并将其送入数字预失真模型。其中，带限滤波器为有限长单位冲激响应低通滤波器。数字预失真模型根据不同载波模式获取落在不同频段的核函数。
采用毫米波宽带功率放大器的可重构数字预失真系统的预失真方法，包括以下步骤：
S1：在数字预失真模型中，将原始基带输入信号分解为四个不同载波的信号；
S2：在数字预失真模型中，根据需求选择不同的载波组合模式；
S3：在数字预失真模型中，根据载波组合模式生成正确的核函数；
S4：在数字预失真模型中，生成平均包络，用来加权核函数，进而生成数字预失真模型输出信号，送入功率放大器；
S5：功率放大器的输出信号经过模拟带限滤波器后所得到的信号的一小部分分解为四个不同的载波信号，与数字预失真模型输出信号一起送入模型系数提取模块，提取出数字预失真模型系数，再将数字预失真模型系数带入到数字预失真模型中，经过3-4次迭代，达到线性化效果。
步骤S5中，第一次迭代时，数字预失真模型没有系数，先保持关闭，信号直通，此时的数字预失真模块的输出信号为原始基带输入信号；待到后续迭代生成预失真模型系数并送入数字预失真模型后，该模型打开，正常工作，输出的信号为数字预失真信号。
步骤S4中的平均包络根据式(1)得到：
式(1)中，e(n)为平均包络，和为原始基带输入信号分解的四个信号，n为整型变量，表示数字信号序列中的样本编号。
步骤S5中的模型公式如式(2)所示：
式(2)中，在数字预失真模型中，为数字预失真模型输出信号，n为数字信号序列中的样本编号，hi,m为模型系数；为原始基带输入信号分解的信号，；ep(n-m)为平均包络，fs为采样频率，wi(n-m)为带限滤波器，用于滤除带外频谱，fi(n-m)为对应载波的频率，M为记忆深度，P为包络的阶数，K1和K2为落在相应载波的核函数的个数，hi,m,k为模型系数，为载波生成的不同频段的核函数，其中，“n-m”表示的是记忆效应，m为整型变量，表示该信号序列的记忆效应为m；关于模型参数提取，第一次迭代时，替换为由功率放大器输出信号经过模拟带限滤波器后所得的输出信号的分解信号，替换为原始基带输入信号，此后迭代，替换为数字预失真模型输出信号。
本具体实施方式对信号进行分解的优势是，可以根据传输信号的要求选择需要的系数集，不需要的部分可以关闭，从而节省计算资源。如图1所示，将输入信号分解为四载波信号。在一些场景中，并不是所有的载波信号都要用到，一些没用到的载波可以关闭。常用的模式有：1111(载波1,2,3,4开启),1011(载波2,3,4开启),1001(载波3,4开启),0001(载波4开启)。
以1111模式为例。
首先，如图1所示，在指定的频段内划分4个信道，分别为ch1,ch2,ch3,ch4。其中，ch1表示是位于中心频点左边的第一个频段f-1；ch2表示是位于中心频点右边的第一个频段f1；ch3表示是位于中心频点左边的第二个频段f-3；ch4表示是位于中心频点右边的第二个频段f3。相应地，原始输入信号分解为四个带宽较小的信号
然后，生成落在不同频段的核函数。落在频段f1的核函数为：
对于落在频段f3的核函数，只需要考虑三阶交调部分。为了准确生成核函数，需要指定带宽的滤波器将带外的频谱滤除。所以，核函数为：
因为所有的核函数都是基带信号，所以需要把它们移相到正确的中心频点。落在频段f-1和频段f-3的核函数生成方法同理。
最后，生成平均包络加权核函数。平均包络可以表示为：
完整的模型可以表示为：
其中，P代表包络的阶数，M是记忆长度，K1和K2是落在每个频段的核函数的数量。为不同频段的核函数。hi,m,k为模型系数。fi为对应载波的频率。wi是带限滤波器。
本实例采用的信号为640M带宽的4载波信号，其峰值平均功率信号比为7.5dB，中心频率为29GHz。图3为采用本发明提出的线性化技术后的输出信号频谱图。从图3可知本发明提出模型可以有效减少大约10dB的带内失真。图4为采用本发明提出的线性化技术后功率放大器的归一化输入-输出幅度特性(AM-AM)和相位特性(AM-PM)。从图4可以看出，采用本发明提出的数字预失真之后，在指定的频带内，功率放大器的归一化输入和输出幅度呈线性关系，相位差为0°左右，显示出良好的线性化效果。
Claims (6)
1.毫米波宽带功率放大器的可重构数字预失真系统，其特征在于：包括数字预失真模型、功率放大器、模拟带限滤波器和模型系数提取模块，原始基带输入信号通过数字预失真模型生成数字预失真模型输出信号，数字预失真模型输出信号分别送入功率放大器和模型系数提取模块，功率放大器的输出信号经过模拟带限滤波器后所得到的信号的一小部分也送回至模型系数提取模块，模型系数提取模块提取出数字预失真模型系数并将其送入数字预失真模型。
2.根据权利要求1所述的毫米波宽带功率放大器的可重构数字预失真系统，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。
3.根据权利要求1所述的毫米波宽带功率放大器的可重构数字预失真系统，其特征在于：所述数字预失真模型根据不同载波模式获取落在不同频段的核函数。
4.采用如权利要求1所述的毫米波宽带功率放大器的可重构数字预失真系统的预失真方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：在数字预失真模型中，将原始基带输入信号分解为四个不同载波的信号；
S2：在数字预失真模型中，根据需求选择不同的载波组合模式；
S3：在数字预失真模型中，根据载波组合模式生成正确的核函数；
S4：在数字预失真模型中，生成平均包络，用来加权核函数，进而生成数字预失真模型输出信号，送入功率放大器；
S5：功率放大器的输出信号经过模拟带限滤波器后所得到的信号的一小部分分解为四个不同的载波信号，与数字预失真模型输出信号一起送入模型系数提取模块，提取出数字预失真模型系数，再将数字预失真模型系数带入到数字预失真模型中，经过3-4次迭代，达到线性化效果。
5.根据权利要求4所述的预失真方法，其特征在于：所述步骤S4中的平均包络根据式(1)得到：
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式(1)中，e(n)为平均包络，和为原始基带输入信号分解的四个信号，n为整型变量，表示数字信号序列中的样本编号。
6.根据权利要求4所述的预失真方法，其特征在于：所述步骤S5中的模型公式如式(2)所示：
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式(2)中，在数字预失真模型中，为数字预失真模型输出信号，n为数字信号序列中的样本编号，hi,m为模型系数；为原始基带输入信号分解的信号，；ep(n-m)为平均包络，fs为采样频率，wi(n-m)为带限滤波器，用于滤除带外频谱，fi(n-m)为对应载波的频率，M为记忆深度，P为包络的阶数，K1和K2为落在相应载波的核函数的个数，hi,m,k为模型系数，为载波生成的不同频段的核函数，其中，“n-m”表示的是记忆效应，m为整型变量，表示该信号序列的记忆效应为m；关于模型参数提取，第一次迭代时，替换为由功率放大器输出信号经过模拟带限滤波器后所得的输出信号的分解信号，替换为原始基带输入信号，此后迭代，替换为数字预失真模型输出信号。
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