CN108134584B - 针对宽带射频功率放大器的带内与带外联合数字预失真系统及方法 - Google Patents

针对宽带射频功率放大器的带内与带外联合数字预失真系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种针对宽带射频功率放大器的带内与带外联合数字预失真系统，包括带内数字预失真模块、第一加法器、数模转换器、调制器、上变频器、功率放大器、滤波器、下变频器、解调器、模数转换器、带内系数提取模块、第一信号分解模块、第一边带系数提取模块、第二边带系数提取模块、第一边带生成模块、第二边带生成模块、第二信号分解模块和第二加法器。本发明还公开了一种针对宽带射频功率放大器的带内与带外联合数字预失真方法。本发明结合了带内数字预失真技术和边带抑制技术，解决了带内数字预失真技术不能线性化整个频段的问题，能够以较低的代价实现全频段的线性化。

Description

针对宽带射频功率放大器的带内与带外联合数字预失真系统 及方法
技术领域
本发明涉及数字预失真技术领域，特别是涉及一种针对宽带射频功率放大器的带内与带外联合数字预失真系统及方法。
背景技术
在即将到来的第五代移动通信(5G)时代，高速无线数据传输将会应用到生活中的各个方面，比如8K视频流直播，无人车驾驶等。然而，为了支持如此高速率的传播，需要很大的数据传输带宽，例如，500MHz的调制带宽将会成为5G系统的基本配置。和目前的移动通信系统面临的困境一样，5G系统也会面临着射频功率放大器的工作效率与线性化的矛盾。为了保证系统的工作效率，射频功率放大器必去工作在非线性区域，由此带来的非线性失真将会影响信号的质量。
通常，数字预失真技术，凭借其成本低以及高精度等优点，成为目前4G以及3G系统中消除功率放大器的非线性以及记忆效应的主流技术。然而，在5G时代，传统数字预失真技术将会遭到重大挑战。因为通常来说，为了模型的精确性，数字预失真技术的带宽要求为输入信号带宽的5倍。对于调制带宽为500MHz的输入信号，系统所需的处理带宽为2500MHz，对应的数模转换器与模数转换器在I/Q采样速率为2500MSPS，这对硬件提出了很高的要求。因此，直接将传统的数字预失真技术应用于5G系统是非常困难的。
在有些场景中，利用带内数字预失真技术，可以将指定的频带线性化，减轻了了发射链路，接收链路，数模转换器，模数转换器对于带宽的要求。但是，这项技术仍不能将整个频段线性化。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种针对宽带射频功率放大器的带内与带外联合数字预失真系统及方法，能够解决射频的宽带功率放大器的全频段的线性化问题。
技术方案：为达到此目的，本发明采用以下技术方案：
本发明所述的针对宽带射频功率放大器的带内与带外联合数字预失真系统，包括带内数字预失真模块，输入信号经过带内数字预失真模块生成带内预失真信号，带内预失真信号送入第一加法器的一个输入端，第一加法器的输出端输出的信号依次经过数模转换器、调制器、上变频器和功率放大器后生成在指定频带内消除了非线性失真的输出信号，输出信号依次经过滤波器、下变频器、解调器和模数转换器；下变频时的本振信号包括f1、f2和f3；下变频时的本振信号为f1时，将模数转换器的输出信号与带内数字预失真模块输出的带内预失真信号一起送入带内系数提取模块，带内系数提取模块的输出信号送入带内数字预失真模块；带内数字预失真模块生成的带内预失真信号还通过第一信号分解模块分解成二分之一带宽的两个信号，两个信号分别送入第一边带系数提取模块和第二边带系数提取模块，且本振信号为f2时的模数转换器的输出信号也送入第一边带系数提取模块，本振信号为f3时的模数转换器的输出信号也送入第二边带系数提取模块，第一边带系数提取模块的输出信号送入第一边带生成模块，第二边带系数提取模块的输出信号送入第二边带生成模块；带内数字预失真模块生成的带内预失真信号还通过第二信号分解模块分解成二分之一带宽的两个信号，两个信号分别送入第一边带生成模块和第二边带生成模块；第一边带生成模块和第二边带生成模块的输出信号经过第二加法器的180°反相处理后送入第一加法器的另一个输入端。
进一步，所述带内数字预失真模块包括带内数字预失真模型，带内数字预失真模型中设有带限滤波器，带内数字预失真模型如式(1)所示：
Figure BDA0001567346150000021
其中，M表示记忆效应，P为模型阶数，x(n-k)为输入信号的第n-k个样本，x(n-i-k)为输入信号的第n-i-k个样本，w(k)为带限滤波器的数字域形式，g2p+1,1,BL(i),g2p+1,2,BL(i),g2p+1,3,BL(i),g2p+1,4,BL(i)是带内数字预失真模型系数，u(n)表示带内数字预失真模块生成的带内预失真信号。
进一步，所述带内系数提取模块包括带内系数提取模型，带内系数提取模型中设有带限滤波器，带内系数提取模型如式(2)所示：
Figure BDA0001567346150000022
Figure BDA0001567346150000031
其中，M表示记忆效应，P为模型阶数，x(n-k)为输入信号的第n-k个样本，x(n-i-k)为输入信号的第n-i-k个样本，w(k)为带限滤波器的数字域形式；g2p+1,1,BL(i),g2p+1,2,BL(i),g2p+1,3,BL(i),g2p+1,4,BL(i)是带内系数提取模型的输出信号，也即带内数字预失真模块中带内数字预失真模型的系数；yBL(n)表示功率放大器的输出信号经过滤波器后所得的信号。
进一步，所述第二边带系数提取模块包括系数提取模型，系数提取模型中设有带限滤波器，系数提取模型如式(3)所示：
Figure BDA0001567346150000032
其中，yd(n)是本振信号为f3时模数转换器的输出信号，K1,、K2和K3均为门限数量，M表示记忆效应，cr,k,m,1,cr,k,m,2,cr,k,m,3是第二边带系数提取模块的输出信号，w(n)是带限滤波器的冲击响应表达式，wd是yd(n)的中心频率，w1、w3和w5分别是第一类基本函数
Figure BDA0001567346150000035
第二类基本函数
Figure BDA0001567346150000036
和第三类基本函数
Figure BDA0001567346150000037
的中心频率；
第一类基本函数表示为：
Figure BDA0001567346150000033
第二类基本函数表示为：
Figure BDA0001567346150000034
第三类基本函数表示为：
Figure BDA0001567346150000041
其中，x1(n)和x2(n)是带内预失真信号通过第一信号分解模块分解成的二分之一带宽的两个信号，(n-m)表示的是信号的第(n-m)个样本；βk为门限，定义为：βk＝k/K,k＝1,2,3……K，K为门限数量。
进一步，所述第二边带生成模块包括如式(7)所示的模型：
Figure BDA0001567346150000042
其中，y(n)为第二边带生成模块的输出信号；cr,k,m,1,cr,k,m,2,cr,k,m,3为模型系数，也即第二边带系数提取模块的输出信号；模型中设有带限滤波器，w(n)是带限滤波器的冲击响应表达式，wd是期望生成的失真分量的中心频率，w1、w3和w5分别是第一类基本函数
Figure BDA0001567346150000043
第二类基本函数
Figure BDA0001567346150000044
和第三类基本函数
Figure BDA0001567346150000045
的中心频率，K1,、K2和K3均为门限数量，M表示记忆效应。
本发明所述的针对宽带射频功率放大器的带内与带外联合数字预失真方法，包括以下步骤：
S1：输入信号经过带内数字预失真模块生成带内预失真信号；
S2：带内预失真信号送入第一加法器的一个输入端，第一加法器的输出端输出的信号依次经过数模转换器、调制器、上变频器和功率放大器后生成在指定频带内消除了非线性失真的输出信号；
S3：输出信号依次经过滤波器、下变频器、解调器和模数转换器；下变频时的本振信号包括f1、f2和f3；下变频时的本振信号为f1时，将模数转换器的输出信号与带内数字预失真模块输出的带内预失真信号一起送入带内系数提取模块，带内系数提取模块的输出信号送入带内数字预失真模块；
S4：步骤S1-S3进行3次或者4次迭代，其中，第一次迭代时，带内数字预失真模块直通，带内数字预失真模块的输出信号为原始的输入信号；
S5：将最后一次迭代生成的带内预失真信号通过第一信号分解模块分解成二分之一带宽的两个信号，两个信号分别送入第一边带系数提取模块和第二边带系数提取模块，且本振信号为f2时的模数转换器的输出信号也送入第一边带系数提取模块，本振信号为f3时的模数转换器的输出信号也送入第二边带系数提取模块，第一边带系数提取模块的输出信号送入第一边带生成模块，第二边带系数提取模块的输出信号送入第二边带生成模块；
S6：带内数字预失真模块生成的带内预失真信号还通过第二信号分解模块分解成二分之一带宽的两个信号，两个信号分别送入第一边带生成模块和第二边带生成模块；
S7：第一边带生成模块和第二边带生成模块的输出信号经过第二加法器的180°反相处理后送入第一加法器的另一个输入端。
有益效果：本发明公开了一种针对宽带射频功率放大器的带内与带外联合数字预失真系统及方法，与现有技术相比，具有如下的有益效果：
1)结合了带内数字预失真技术和边带抑制技术，解决了带内数字预失真技术不能线性化整个频段的问题，能够以较低的代价实现全频段的线性化；
2)继承了带内数字预失真技术的优点，减少了传统的数字预失真技术所需的反馈回路的带宽；
3)可以根据系统需求，灵活选择需要线性化的带内以及带外信号的带宽，使得系统设计更加可行。
附图说明
图1为本发明具体实施方式中的系统的框图；
图2为本发明具体实施方式中实现的线性化输出信号的频谱图；
图3为本发明具体实施方式中实现的线性化输出信号的归一化输入-输出幅度特性和相位特性。
具体实施方式
下面结合具体实施方式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针对宽带射频功率放大器的带内与带外联合数字预失真系统，如图1所示，包括带内数字预失真模块，输入信号经过带内数字预失真模块生成带内预失真信号，带内预失真信号送入第一加法器的一个输入端，第一加法器的输出端输出的信号依次经过数模转换器、调制器、上变频器和功率放大器后生成在指定频带内消除了非线性失真的输出信号，输出信号依次经过滤波器、下变频器、解调器和模数转换器；下变频时的本振信号包括f1、f2和f3；下变频时的本振信号为f1时，将模数转换器的输出信号与带内数字预失真模块输出的带内预失真信号一起送入带内系数提取模块，带内系数提取模块的输出信号送入带内数字预失真模块；带内数字预失真模块生成的带内预失真信号还通过第一信号分解模块分解成二分之一带宽的两个信号，两个信号分别送入第一边带系数提取模块和第二边带系数提取模块，且本振信号为f2时的模数转换器的输出信号也送入第一边带系数提取模块，本振信号为f3时的模数转换器的输出信号也送入第二边带系数提取模块，第一边带系数提取模块的输出信号送入第一边带生成模块，第二边带系数提取模块的输出信号送入第二边带生成模块；带内数字预失真模块生成的带内预失真信号还通过第二信号分解模块分解成二分之一带宽的两个信号，两个信号分别送入第一边带生成模块和第二边带生成模块；第一边带生成模块和第二边带生成模块的输出信号经过第二加法器的180°反相处理后送入第一加法器的另一个输入端。
其中，带内数字预失真模块包括带内数字预失真模型，带内数字预失真模型中设有带限滤波器，带内数字预失真模型如式(1)所示：
Figure BDA0001567346150000061
其中，M表示记忆效应，P为模型阶数，x(n-k)为输入信号的第n-k个样本，x(n-i-k)为输入信号的第n-i-k个样本，w(k)为带限滤波器的数字域形式，g2p+1,1,BL(i),g2p+1,2,BL(i),g2p+1,3,BL(i),g2p+1,4,BL(i)是带内数字预失真模型系数，u(n)表示带内数字预失真模块生成的带内预失真信号。
带内系数提取模块包括带内系数提取模型，带内系数提取模型中设有带限滤波器，带内系数提取模型如式(2)所示：
Figure BDA0001567346150000062
Figure BDA0001567346150000071
其中，M表示记忆效应，P为模型阶数，x(n-k)为输入信号的第n-k个样本，x(n-i-k)为输入信号的第n-i-k个样本，w(k)为带限滤波器的数字域形式；g2p+1,1,BL(i),g2p+1,2,BL(i),g2p+1,3,BL(i),g2p+1,4,BL(i)是带内系数提取模型的输出信号，也即带内数字预失真模块中带内数字预失真模型的系数；yBL(n)表示功率放大器的输出信号经过滤波器后所得的信号。
第二边带系数提取模块包括系数提取模型，系数提取模型中设有带限滤波器，系数提取模型如式(3)所示：
Figure BDA0001567346150000072
Figure BDA0001567346150000073
其中，yd(n)是本振信号为f3时模数转换器的输出信号，K1,、K2和K3均为门限数量，M表示记忆效应，cr,k,m,1,cr,k,m,2,cr,k,m,3是第二边带系数提取模块的输出信号，w(n)是带限滤波器的冲击响应表达式，wd是yd(n)的中心频率，w1、w3和w5分别是第一类基本函数
Figure BDA0001567346150000076
第二类基本函数
Figure BDA0001567346150000077
和第三类基本函数
Figure BDA0001567346150000078
的中心频率；
第一类基本函数表示为：
Figure BDA0001567346150000074
第二类基本函数表示为：
Figure BDA0001567346150000075
第三类基本函数表示为：
Figure BDA0001567346150000081
其中，x1(n)和x2(n)是带内预失真信号通过第一信号分解模块分解成的二分之一带宽的两个信号，(n-m)表示的是信号的第(n-m)个样本；βk为门限，定义为：βk＝k/K,k＝1,2,3……K，K为门限数量。
第二边带生成模块包括如式(7)所示的模型：
Figure BDA0001567346150000082
其中，y(n)为第二边带生成模块的输出信号；cr,k,m,1,cr,k,m,2,cr,k,m,3为模型系数，也即第二边带系数提取模块的输出信号；模型中设有带限滤波器，w(n)是带限滤波器的冲击响应表达式，wd是期望生成的失真分量的中心频率，w1、w3和w5分别是第一类基本函数
Figure BDA0001567346150000083
第二类基本函数
Figure BDA0001567346150000084
和第三类基本函数
Figure BDA0001567346150000085
的中心频率，K1,、K2和K3均为门限数量，M表示记忆效应。
本具体实施方式还公开了一种针对宽带射频功率放大器的带内与带外联合数字预失真方法，包括以下步骤：
S1：输入信号经过带内数字预失真模块生成带内预失真信号；
S2：带内预失真信号送入第一加法器的一个输入端，第一加法器的输出端输出的信号依次经过数模转换器、调制器、上变频器和功率放大器后生成在指定频带内消除了非线性失真的输出信号；
S3：输出信号依次经过滤波器、下变频器、解调器和模数转换器；下变频时的本振信号包括f1、f2和f3；下变频时的本振信号为f1时，将模数转换器的输出信号与带内数字预失真模块输出的带内预失真信号一起送入带内系数提取模块，带内系数提取模块的输出信号送入带内数字预失真模块；
S4：步骤S1-S3进行3次或者4次迭代，其中，第一次迭代时，带内数字预失真模块直通，带内数字预失真模块的输出信号为原始的输入信号；
S5：将最后一次迭代生成的带内预失真信号通过第一信号分解模块分解成二分之一带宽的两个信号，两个信号分别送入第一边带系数提取模块和第二边带系数提取模块，且本振信号为f2时的模数转换器的输出信号也送入第一边带系数提取模块，本振信号为f3时的模数转换器的输出信号也送入第二边带系数提取模块，第一边带系数提取模块的输出信号送入第一边带生成模块，第二边带系数提取模块的输出信号送入第二边带生成模块；
S6：带内数字预失真模块生成的带内预失真信号还通过第二信号分解模块分解成二分之一带宽的两个信号，两个信号分别送入第一边带生成模块和第二边带生成模块；
S7：第一边带生成模块和第二边带生成模块的输出信号经过第二加法器的180°反相处理后送入第一加法器的另一个输入端。
以带宽为40MHz的输入信号为例。选择带内数字预失真带宽为100MHz，边带抑制带宽为30MHz。没有采用数字预失真技术的输出信号，采用带内数字预失真技术的输出信号以及采用本发明提出的数字预失真的输出信号的频谱图如图2。可以发现，本发明继承了带内预失真技术的优势，同时将全频段信号线性化，达到了良好的线性化效果。图3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3可以看出，采用本发明提出的数字预失真之后，在整个频带内，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。表1为相邻信号泄露功率(ACLR)以及归一化均方根误差(NMSE)。
表1相邻信道泄露功率和归一化均方根误差
Figure BDA0001567346150000091

Claims (5)

1.针对宽带射频功率放大器的带内与带外联合数字预失真系统，其特征在于：包括带内数字预失真模块，输入信号经过带内数字预失真模块生成带内预失真信号，带内预失真信号送入第一加法器的一个输入端，第一加法器的输出端输出的信号依次经过数模转换器、调制器、上变频器和功率放大器后生成在指定频带内消除了非线性失真的输出信号，输出信号依次经过滤波器、下变频器、解调器和模数转换器；下变频时的本振信号包括f1、f2和f3；下变频时的本振信号为f1时，将模数转换器的输出信号与带内数字预失真模块输出的带内预失真信号一起送入带内系数提取模块，带内系数提取模块的输出信号送入带内数字预失真模块；带内数字预失真模块生成的带内预失真信号还通过第一信号分解模块分解成二分之一带宽的两个信号，两个信号都送入第一边带系数提取模块和第二边带系数提取模块，且本振信号为f2时的模数转换器的输出信号也送入第一边带系数提取模块，本振信号为f3时的模数转换器的输出信号也送入第二边带系数提取模块，第一边带系数提取模块的输出信号送入第一边带生成模块，第二边带系数提取模块的输出信号送入第二边带生成模块；带内数字预失真模块生成的带内预失真信号还通过第二信号分解模块分解成二分之一带宽的两个信号，两个信号都送入第一边带生成模块和第二边带生成模块；第一边带生成模块和第二边带生成模块的输出信号经过第二加法器的180°反相处理后送入第一加法器的另一个输入端；
所述第二边带系数提取模块包括系数提取模型，系数提取模型中设有带限滤波器，系数提取模型如式(1)所示：
Figure FDA0003164417430000011
其中，yd(n)是本振信号为f3时模数转换器的输出信号，K1,、K2和K3均为门限数量，M表示记忆效应，cr,k,m,1,cr,k,m,2,cr,k,m,3是第二边带系数提取模块的输出信号，w(n)是带限滤波器的冲击响应表达式，wd是yd(n)的中心频率，w1、w3和w5分别是第一类基本函数
Figure FDA0003164417430000012
第二类基本函数
Figure FDA0003164417430000013
和第三类基本函数
Figure FDA0003164417430000014
的中心频率；
第一类基本函数表示为：
Figure FDA0003164417430000021
第二类基本函数表示为：
Figure FDA0003164417430000022
第三类基本函数表示为：
Figure FDA0003164417430000023
其中，x1(n)和x2(n)是带内预失真信号通过第一信号分解模块分解成的二分之一带宽的两个信号，(n-m)表示的是信号的第(n-m)个样本；βk为门限，定义为：βk＝k/K,k＝1,2,3……K，K为门限数量。
2.根据权利要求1所述的针对宽带射频功率放大器的带内与带外联合数字预失真系统，其特征在于：所述带内数字预失真模块包括带内数字预失真模型，带内数字预失真模型中设有带限滤波器，带内数字预失真模型如式(5)所示：
Figure FDA0003164417430000024
其中，M表示记忆效应，P为模型阶数，x(n-k)为输入信号的第n-k个样本，x(n-i-k)为输入信号的第n-i-k个样本，w(k)为带限滤波器的数字域形式，g2p+1,1,BL(i),g2p+1,2,BL(i),g2p+1,3,BL(i),g2p+1,4,BL(i)是带内数字预失真模型系数，u(n)表示带内数字预失真模块生成的带内预失真信号。
3.根据权利要求1所述的针对宽带射频功率放大器的带内与带外联合数字预失真系统，其特征在于：所述带内系数提取模块包括带内系数提取模型，带内系数提取模型中设有带限滤波器，带内系数提取模型如式(6)所示：
Figure FDA0003164417430000031
其中，M表示记忆效应，P为模型阶数，x(n-k)为输入信号的第n-k个样本，x(n-i-k)为输入信号的第n-i-k个样本，w(k)为带限滤波器的数字域形式；g2p+1,1,BL(i),g2p+1,2,BL(i),g2p+1,3,BL(i),g2p+1,4,BL(i)是带内系数提取模型的输出信号，也即带内数字预失真模块中带内数字预失真模型的系数；yBL(n)表示功率放大器的输出信号经过滤波器后所得的信号。
4.根据权利要求1所述的针对宽带射频功率放大器的带内与带外联合数字预失真系统，其特征在于：所述第二边带生成模块包括如式(7)所示的模型：
Figure FDA0003164417430000032
其中，y(n)为第二边带生成模块的输出信号；cr,k,m,1,cr,k,m,2,cr,k,m,3为模型系数，也即第二边带系数提取模块的输出信号；模型中设有带限滤波器，w(n)是带限滤波器的冲击响应表达式，wd是期望生成的失真分量的中心频率，w1、w3和w5分别是第一类基本函数
Figure FDA0003164417430000033
第二类基本函数
Figure FDA0003164417430000034
和第三类基本函数
Figure FDA0003164417430000035
的中心频率，K1,、K2和K3均为门限数量，M表示记忆效应。
5.一种根据权利要求1所述的针对宽带射频功率放大器的带内与带外联合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：输入信号经过带内数字预失真模块生成带内预失真信号；
S2：带内预失真信号送入第一加法器的一个输入端，第一加法器的输出端输出的信号依次经过数模转换器、调制器、上变频器和功率放大器后生成在指定频带内消除了非线性失真的输出信号；
S3：输出信号依次经过滤波器、下变频器、解调器和模数转换器；下变频时的本振信号包括f1、f2和f3；下变频时的本振信号为f1时，将模数转换器的输出信号与带内数字预失真模块输出的带内预失真信号一起送入带内系数提取模块，带内系数提取模块的输出信号送入带内数字预失真模块；
S4：步骤S1-S3进行3次或者4次迭代，其中，第一次迭代时，带内数字预失真模块直通，带内数字预失真模块的输出信号为原始的输入信号；
S5：将最后一次迭代生成的带内预失真信号通过第一信号分解模块分解成二分之一带宽的两个信号，两个信号都送入第一边带系数提取模块和第二边带系数提取模块，且本振信号为f2时的模数转换器的输出信号也送入第一边带系数提取模块，本振信号为f3时的模数转换器的输出信号也送入第二边带系数提取模块，第一边带系数提取模块的输出信号送入第一边带生成模块，第二边带系数提取模块的输出信号送入第二边带生成模块；
S6：带内数字预失真模块生成的带内预失真信号还通过第二信号分解模块分解成二分之一带宽的两个信号，两个信号都送入第一边带生成模块和第二边带生成模块；
S7：第一边带生成模块和第二边带生成模块的输出信号经过第二加法器的180°反相处理后送入第一加法器的另一个输入端。
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