CN109818585B - 一种数字预失真装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种数字预失真(DPD)装置以及实现方法，所述DPD将数字基带信号根据预失真参数处理得到的预失真分量，根据i个加权系数分别加权得到i路加权后的预失真分量，分别合并所述数字基带信号以及所述i路加权后的预失真分量，得到i路预失真校正信号，其中，所述加权系数根据所述数字基带信号、预失真分量、以及组合来自阵列射频信号所得到主瓣方向的合成信号进行计算；i为自然数。本申请确保了阵列波束主瓣方向信号的同时，抑制了阵列波束旁瓣信号，在不需要额外引入模拟器件的情形下，有利于减少设备面积以及成本，且不要求每个功率放大器拥有相似的非线性特征，增加覆盖范围，减少临站干扰、以及用户间的串扰。

Description

一种数字预失真装置及方法
技术领域
本发明涉及无线数字信息处理领域，特别地，涉及数字预失真方法以及装置。
背景技术
在5G或Massive MIMO系统中，混合波束成形是一种有效提高频谱效率和系统吞吐率的技术。但是该技术容易受到基站中功率放大器(PA)的非线性特征的影响而表现不佳，因而迫切需要功率放大器线性化技术。其中数字预失真(DPD)是应用最为广泛的一种。
传统的数字预失真技术线性化每一个功率放大器，即基站中的每一个功率放大器都配备有一个数字预失真模块。这种结构多用于4G LTE系统，并不适用于5G或MassiveMIMO系统。这是因为在5G或Massive MIMO系统中基站通常会有大量的功率放大器，沿用LTE解决方案将会导致难以接受的计算以及硬件资源消耗，增加设备体积以及功率。
另一种方法为波束导向数字预失真(Beam-Oriented Digital Predistortion)，该方法使用一个预失真模块驱动多个功率放大器。与LTE系统的解决方案相比，该方法并不会线性化每个功率放大器，而是线性化阵列波束主瓣方向上的合成信号。此方法的优点在于节省了硬件的资源消耗，同时保证了阵列波束主瓣方向上用户接收信号的质量，缺点在于无法抑制甚至恶化阵列波束旁瓣的非线性失真，从而影响基站覆盖范围，产生临站以及用户间干扰。
发明内容
本发明提供了一种预失真方法，以减少阵列波束的非线性化失真。
本发明提供的一种数字预失真(DPD)装置，所述DPD将数字基带信号根据预失真参数处理得到的预失真分量，根据i个加权系数分别加权得到i路加权后的预失真分量，分别合并所述数字基带信号以及所述i路加权后的预失真分量，得到i路预失真校正信号，
其中，所述加权系数根据所述数字基带信号、预失真分量、以及组合来自阵列射频信号所得到主瓣方向的合成信号进行计算；i为自然数。
其中，所述DPD包括，
预失真器，将所述数字基带信号根据预失真参数处理得到预失真分量，
加权单元，将i个加权系数分别加权来自预失真器的预失真分量，得到i路加权后的预失真分量，分别合并所述数字基带信号以及所述i路加权后的预失真分量，得到i路预失真校正信号输出。
所述加权单元包括，
后加权计算单元，根据所述数字基带信号、来自预失真器输出的预失真分量、以及所述合成信号，配置所述加权系数；
乘法器，将所述加权系数与预失真分量相乘，得到加权后的预失真分量；
加法器，将所述加权后的预失真分量与所述数字基带信号合并，得到所述预失真校正信号。
所述后加权计算单元按照保证主瓣方向信号质量的前提下使得非线性失真分量在除主瓣方向之外的其他方向的最大功率值最小化选取所述加权系数；或者，
按照保证主瓣方向信号质量的前提下使得非线性失真分量在所有方向上功率的和最小化选取所述加权系数；或者，
按照保证主瓣方向信号质量的前提下使得非线性失真分量在一固定方向上的功率最小选取所述加权系数。
所述乘法器的数量为i个，加法器的数量为i个；
所述后加权计算单元输出的i路加权系数信号分别输入至i个乘法器；
i个乘法器分别将i个加权系数与所述预失真分量相乘后输出i路加权后的预失真分量至i个加法器；
i个加法器分别将i路加权后的预失真分量与所述数字基带信号相加后，输出i路预失真校正信号。
所述预失真参数由预失真参数训练单元根据数字基带信号、预失真分量、以及所述合成信号对预失真参数进行训练后输出至所述预失真器。
所述合成信号由反馈通道中的多路数据选择器将来自波束成形阵列中每路功率放大器的射频信号进行组合、并选择一路主瓣方向的合成信号输出至所述预失真参数训练单元和后加权计算单元。
所述后加权计算单元根据预失真器在第t时刻的输出d(t)，第i路的加权系数γi，第i路的模拟波束赋形系数ωi，利用广义记忆多项模型可以得到在方位角θ处发射阵列信号的合成信号为：
Figure BDA0001919670170000031
其中，I为总通道数，h(θ)＝[h1(θ) … hI(θ)]T表示的是发射天线在θ方位角的阵列流形，zi(t)为第i路发射通道在t时刻的输出；θ方向上的非线性失真为：
Figure BDA0001919670170000032
按照所述最大功率值最小化准则、或者功率的和最小化准则、或者固定方向上的功率最小准则，求解所述非线性失真中的{γi}使得满足∑iγi＝I。
本申请提供的一种混合波束成形装置，包括，
对数字基带信号进行预失真处理、输出i路预失真校正信号的DPD，
对所述i路预失真校正信号进行模拟波束成形后输出m路射频信号、并分别进行功率放大的波束成形阵列，
为DPD提供预失真参数的预失真参数训练单元，
将所述波束成形阵列输出的所述m路射频信号进行组合、选择一路主瓣方向的合成信号输出至所述预失真参数训练单元的反馈通道，
所述DPD将所述数字基带信号根据预失真参数处理得到的预失真分量，根据i个加权系数分别加权得到i路加权后的预失真分量，分别合并所述数字基带信号以及所述i路加权后的预失真分量，得到所述i路预失真校正信号，
其中，所述加权系数根据所述数字基带信号、预失真分量、以及所述合成信号进行计算；i、m为自然数。
本申请还提供一种多通道混合波束成形装置，该装置包括，
n个混合波束成形子阵列，分别将n路数字基带信号依次经过DPD、波束成形子单元处理后进行发射，
加权单元，为所述n个混合波束成形子阵列分别提供i路加权后的预失真分量；
所述各波束成形子阵列包括，
对数字基带信号进行预失真处理、输出i路预失真校正信号的DPD，
对所述i路预失真校正信号进行模拟波束成形后输出m路射频信号、并分别进行功率放大的波束成形子单元，
为DPD提供预失真参数的预失真参数训练单元，
将所述波束成形子单元输出的所述m路射频信号进行组合、选择一路主瓣方向的合成信号输出至所述预失真参数训练单元的反馈通道；
所述DPD将所述数字基带信号分别合并来自加权单元输出的i路加权后的预失真分量，得到所述i路预失真校正信号，
其中，所述第i路加权后预失真分量由所述加权单元根据输入该波束成形子阵列的数字基带信号、来自所述DPD的预失真分量、以及所述合成信号计算得到的包含n个加权系数的加权矢量，分别对来自n路DPD的预失真分量进行加权而获得；i、m、n为自然数。
所述加权单元包括，
加权矩阵计算单元，根据输入的n路数字基带信号、来自n个混合波束成形子阵列的n路预失真分量、n路合成信号，利用波束赋形以及广义记忆多项式模型得到θ方位角处的非线性失真：
zNL|θ＝hT(z-Wx)+hTW(Γ-I)d，
其中，
Figure BDA0001919670170000041
其中hp(θ)表示的是第n个子阵在θ方向上的阵列流形；
Figure BDA0001919670170000042
zn＝[zn1 … znM]T，znm表示的是第n个子阵中第m个功放的输出；
x＝[x1 … xn]T，xn表示的是第n个子阵的基带信号；
Figure BDA0001919670170000043
其中wn＝[ωn1 … ωnM]T，ωnm表示的是第n个子阵中第m个天线的模拟波束赋形系数；
Figure BDA0001919670170000044
为待求解后加权矩阵；
I表示单位矩阵；
后加权系数矩阵单元，按照所述最大功率值最小化准则、或则功率的和最小化准则、或者固定方向上的功率最小准则，求解所述非线性失真中的后加权矩阵，使得对于任意主瓣方向φi都满足hT(φi)W(Γ-I)＝0，将求解得到的后加权矩阵系数分别对各混合波束成形子阵列中预失真器输出的预失真分量进行加权，输出加权后的预失真分量。
本发明提供一种用于数字预失真的加权装置，
该加权装置根据n路数字基带信号、来自n个混合波束成形子阵列的n路预失真分量、所述n个混合波束成形子阵列分别将m路射频信号进行组合并选择一路主瓣方向分别输出的n路合成信号，计算得到包含n个加权系数的加权矢量，分别对所述n路预失真分量用i个加权矢量进行加权。
本申请提供的一种数字预失真的实现方法，该方法包括，
采集当前数字基带信号、m路射频信号、预失真分量；
将采集的m路射频信号组合出一路主瓣方向的合成信号；
根据所述合成信号、采集的数字基带信号、预失真分量，进行i个加权系数的计算；
用所述i个加权系数分别加权当前预失真分量，得到i路加权后的预失真分量；
分别合并所述数字基带信号和i路加权后的预失真分量，得到i路预失真校正信号；
其中，i、m为自然数。
本发明基于所述数字基带信号、预失真分量、以及组合来自阵列射频信号所得到主瓣方向的合成信号所得到的加权系数来加权预失真分量，对预失分量进行了重新分配，通过对加权系数的灵活选择，确保了阵列波束主瓣方向信号的同时，抑制了阵列波束旁瓣信号，在不需要额外引入模拟器件的情形下，有利于减少设备面积以及成本，且不要求每个功率放大器拥有相似的非线性特征，使得波束成形装置具有更好的系统性能，增加覆盖范围，减少临站干扰、以及用户间的串扰。
附图说明
图1为本申请DPD电路结构的一种示意图。；
图2为本申请实施例一的混合波束成形装置一种示意图。
图3为本申请实施例二的混合波束成形装置一种示意图。
图4为本申请实施例三包括有混合波束成形子阵列的多通道波束成形装置一种示意图。
图5为本申请实施例四包括有混合波束成形子阵列的多通道波束成形装置一种示意图。
图6为本申请实施例的数字失真实现方法流程图。
图7为由3天线组成的子阵列中无加权预失真所形成的阵列波束图，
图8为由3天线组成的子阵列中有加权预失真所形成的阵列波束图。
图9为未线性化、改进前未加权的DPD、改进后加权的DPD各方向上非线性失真的抑制效果。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术手段和优点更加清楚明白，以下结合附图对本申请做进一步详细说明。
本申请通过一后加权单元以加权方式重新分配每个功率放大器的预失真分量，从而在保证混合波束成形装置的输出射频信号波束主瓣方向信号质量的前提下，同时抑制旁瓣的非线性失真。
参见图1所示，图1为本申请DPD电路结构的一种示意图。DPD中包括有预失真器、后加权计算单元、乘法器、加法器；数字基带信号(BB)输入至预失真器，预失真器根据预失真参数训练单元输出的训练后的预失真训练参数，输出预失真分量。
多路数据选择器从功率放大器输出的每路射频信号中，组合出一路主瓣方向的合成信号，该合成信号分别输入至预失真参数训练单元和后加权计算单元，其中，预失真参数训练单元根据数字基带信号和来自多路数据选择器输出的合成信号、来自预失真器输出的预失真分量进行预失真参数训练；
后加权计算单元根据所述多路数据选择器输出的合成信号、来自预失真器输出的预失真分量、数字基带信号分别进行i个加权系数配置，输出i路加权系数对预失真分量分别进行加权，以重新分配i路功率放大器的预失真分量；i路加权后的预失真分量分别与所述数字基带信号合并后得到i路预失真校正信号，并分别输出至数模转换器以将i路预失真校正数字信号转化为i路模拟射频信号，即，预失真分量、i路加权系数分别输入至i个乘法器，各乘法器输出加权后的预失真分量至各加法器，数字基带信号输入至各加法器，i个加法器分别输出i路预失真校正信号。其中，i的数量与数模转换器输出多路射频信号的数量相同。
后加权计算单元所配置的加权系数，可以通过最小最大值优化、或者总功率最小化等不同优化准则进行选取，其中，最小最大值优化(Min-Max Optimization)为：选取一组系数，在保证主瓣方向信号质量的前提下使得非线性失真分量在其他方向的最大功率值最小化。总功率最小化(Total Power Minimization)为：选取一组系数，在保证主瓣方向信号质量的前提下使得非线性失真分量在所有方向上功率的和最小化。此外，还可以通过改变准则灵活适应不同的场景配置，例如在某些固定无线连接场景中准则可为：选取一组系数，在保证主瓣方向信号质量的前提下使得非线性失真分量在某固定方向上的功率最小。
实施例一：
参见图2所示，图2为本申请实施例一的混合波束成形装置一种示意图。其中，包括DPD、波束成形阵列、预失真参数训练单元、反馈通道；数字基带信号依次经过DPD、波束成形阵列后，由天线阵列发射出去；反馈通道采集波束成形阵列中每路功率放大器输出的射频信号，组合其中射频信号得到主瓣方向的合成信号，并分别反馈给DPD、和预失真参数训练单元。
其中，DPD包括预失真器、后加权计算单元、乘法器、加法器；数字基带信号(BB)输入至预失真器，预失真器根据预失真参数训练单元输出的训练后的预失真训练参数，输出预失真分量。
反馈通道中的多路数据选择器从波束成形阵列中的每个功率放大器输出的射频信号中，组合出一路主瓣方向的合成信号，经正交逆调制器逆调制后输出逆调制信号，并分别输入至预失真参数训练单元和后加权计算单元，其中，预失真参数训练单元根据数字基带信号和来自正交逆调制器输出的逆调制信号、来自预失真器输出的预失真分量进行预失真参数训练；
后加权计算单元根据所述来自正交逆调制器输出的逆调制信号、来自预失真器输出的预失真分量、数字基带信号进行加权系数配置，输出加权系数对预失真分量进行加权，以重新分配功率放大器的预失真分量；加权后的预失真分量与所述数字基带信号合并后得到预失真校正信号，并输出至波束成形阵列中的正交调制器，即，预失真分量、加权系数输入至乘法器，乘法器输出加权后的预失真分量至加法器，数字基带信号输入至加法器，加法器输出预失真校正信号至波束成形阵列。后加权计算单元所配置的加权系数，可以通过最小最大值优化、或者总功率最小化等不同优化准则进行选取，其中，最小最大值优化(Min-Max Optimization)为：选取一组系数，在保证主瓣方向信号质量的前提下使得非线性失真分量在其他方向的最大功率值最小化。总功率最小化(Total Power Minimization)为：选取一组系数，在保证主瓣方向信号质量的前提下使得非线性失真分量在所有方向上功率的和最小化。此外，还可以通过改变准则灵活适应不同的场景配置，例如在某些固定无线连接场景中准则可为：选取一组系数，在保证主瓣方向信号质量的前提下使得非线性失真分量在某固定方向上的功率最小。
波束成形阵列包括正交调制器、模拟波束成形器、功率放大器，DPD输出的预失真校正信号输入至正交调制器，经过正交调制器调制后输出调制信号至模拟波束成形器，模拟波束成形器将输入的调制信号转换为多路射频信号，每路射频信号分别输入至各功率放大器进行放大后再通过天线阵列发射。
本实施例通过重新分配功率放大器的预失真分量，从而在保证主瓣方向信号质量的前提下同时抑制旁瓣的非线性失真，以达到扩大线性化角度，增加覆盖范围，减少临站干扰的目的。
实施例二：
参见图3所示，图3为本申请实施例二的混合波束成形装置一种示意图。其中，DPD输出i路预失真校正信号分别给波束成形阵列中的各i个正交调制器，各正交调制器分别进行调制后输出调制信号，i路调制信号分别输入至模拟波束成形器，经模拟波束成形器处理后输出m路射频信号经功率放大器放大后输出。其中，m、i为大于1的自然数，i小于或等于m。本实施例中以i为3为例。
反馈通道中还包括正交逆调制器，来自多路数据选择器输出的合成信号经过正交逆调制器进行逆调制后输出逆调制信号分别给预失真参数训练单元、后加权计算单元。
DPD中的后加权计算单元根据所述来自多路数据选择器输出的合成信号、来自预失真器输出的预失真分量、以及数字基带信号进行加权系数配置，输出i路加权系数对所述预失真分量分别进行加权，以重新分配每个功率放大器的预失真分量；i路加权后的预失真分量与所述数字基带信号分别合并后，得到i路预失真校正信号，即，共得到i路预失真校正信号分别输出至波束成形阵列。在电路结构上，具体为：预失真分量、各加权系数输入至各乘法器，各乘法器输出加权后的预失真分量至各加法器，数字基带信号输入至各加法器，各加法器输出各预失真校正信号至波束成形阵列，换言之，i个乘法器分别对预失真分量进行加权、i个加法器分别将数字基带信号与i个乘法器输出的i路加权后的预失真分量合并，得到i路预失真校正信号。后加权计算单元所配置的加权系数，同样地，可以通过最小最大值优化、或者总功率最小化等不同优化准则进行选取。
所述加权计算的过程如下：
假设预失真器在第t时刻的输出为d(t)，第i路的加权系数为γi，ωi是第i路的模拟波束赋形系数(根据混合波束赋形理论有|ωi|＝1)，则利用广义记忆多项(GeneralMemory Polynomial)模型可以得到在方位角θ处发射阵列信号的合成信号为：
Figure BDA0001919670170000081
其中，I为总通道数，h(θ)＝[h1(θ) … hI(θ)]T表示的是发射天线在θ方位角的阵列流形，zi(t)为第i路发射通道在t时刻的输出(第i路PA的等效基带输出)。当在主瓣方向(θ＝θ0)时，即hi(θ0)ωi＝1时，如果∑iγi＝I，则
Figure BDA0001919670170000082
与传统统波束导向DPD结果相同。因此，在选择不同的{γi}时，只要满足约束条件∑iγi＝I，就可以保证主瓣方向的合成信号质量与传统波束导向DPD一致。为了抑制旁瓣信号的非线性失真，则可以通过求解以下优化问题得到{γi}。
设：
Figure BDA0001919670170000091
表示θ方向上的非线性失真，则：
方式一，按照最小最大值优化(Min-Max Optimization)准则，
Figure BDA0001919670170000092
Figure BDA0001919670170000093
其中θ1…θQ为不同的采样角度。
方式二，按照总功率最小化(Total Power Minimization)准则，
Figure BDA0001919670170000094
方式三，固定无线连接方向优化准则
Figure BDA0001919670170000095
Figure BDA0001919670170000096
本实施例通过重新分配每个功率放大器的预失真分量而得以为每个正交调制器输入预失真校正信号，从而在保证主瓣方向信号质量的前提下同时抑制旁瓣的非线性失真，以达到扩大线性化角度，增加覆盖范围，减少临站干扰的目的。
实施例三：
参见图4所示，图4为本申请实施例三包括有混合波束成形子阵列的多通道波束成形装置一种示意图。该多通道混合波束成形装置包括有n个混合波束成形子阵列、以及为各个混合波束成形子阵列中的DPD提供加权后的预失真分量的加权单元。其中，n大于主瓣方向的信号数量。
一个混合波束成形子阵列构成一个通道。任一通道中的混合波束成形子阵列包括DPD、预失真参数训练单元、波束成形子单元、反馈通道；所述DPD包括将数字基带信号按照预失真参数训练单元输出的训练后的预失真参数进行预失真处理得到预失真分量的预失真器、以及将数字基带信号与加权后的预失真分量进行合并而得到预失真校正信号的加法器；所述波束成形子单元包括将来自DPD的预失真校正信号进行正交调制的正交调制器、将调制信号进行模拟波束成形、且输出多路射频信号的模拟波束成形器、以及将所述各路射频信号分别进行放大的功率放大器。在该实施方式中，正交调制器的数量为1。
对于任一通道中的混合波束波形子阵列：一路数字基带信号经过DPD输出预失真校正信号至波束成形子单元，通过波束成形子单元处理为射频信号发射；反馈通道中的多路数据选择器从波束成形子单元的每个功率放大器输出的射频信号中，组合出一路主瓣方向的合成信号分别输出至预失真参数训练单元和加权单元，加权单元根据输入该混合波束波形子阵列的数字基带信号、DPD中预失真器输出预失真分量、以及来自多路数据选择器的合成信号，计算出加权后的预失真分量，并输出至DPD中的加法器；所述预失真参数训练单元根据数字基带信号、多路数据选择器输出的合成信号、以及预失真器输出的预失真分量训练预失真参数。
对于加权单元，来自各通道的数字基带信号、预失真器输出的预失真分量、多路数据选择器输出的合成信号分别输入至加权计算单元，加权计算单元按照最小最大值优化、或者总功率最小化等不同优化准则为各个通道进行选取出加权系数，用各通道的加权系数加权对应通道的预失真分量，得到各通道的加权后的预失真分量，分别输出至各通道中的加法器。
实施方式之一，所述加权计算单元包括加权矩阵计算单元、后加权系数矩阵单元，
考虑一般情况下由n个子阵，每个子阵M根天线组成的阵列形式。其后加权矩阵为一个n×n的复矩阵。第n个子阵失真模块在t时刻的输出记做dn(t)。另设第n个子阵其对应的后加权系数(加权矢量)记做γn，则经过后加权矩阵后，第n个子阵的DPD模块输出为
Figure BDA0001919670170000101
其中xn(t)是第n个子阵的基带信号，矢量d(t)＝[d1(t) … dp(t)]T。
加权矩阵计算单元，根据输入的n路数字基带信号、来自n个混合波束成形子阵列的n路预失真分量、n路合成信号，利用波束赋形以及广义记忆多项式模型得到θ方位角处的非线性失真：利用波束赋形理论以及广义记忆多项式模型可以得到在θ方位角处的非线性失真为
zNL|θ＝hT(z-Wx)+hTW(Γ-I)d
为了简化表述，上式中省略了时间标记t。式中各个符号的含义如下：
1.
Figure BDA0001919670170000102
其中hp(θ)表示的是第n个子阵在θ方向上的阵列流形；
2.
Figure BDA0001919670170000103
zn＝[zn1 … znM]T，znm表示的是第n个子阵中第m个功放的输出；
3.x＝[x1 … xn]T，xn表示的是第n个子阵的基带信号；
4.
Figure BDA0001919670170000111
其中wn＝[ωn1 … ωnM]T，ωnm表示的是第n个子阵中第m个天线的模拟波束赋形系数；
5.
Figure BDA0001919670170000112
为待求解后加权矩阵；
6.I表示单位矩阵。
考虑到多波束的情况，如果对于任意主瓣方向φi都有
hT(φi)W(Γ-I)＝0
则可以保证在任意主瓣方向的合成信号质量与传统波束导向DPD一致。Γ矩阵的求取可采用以下方式：
方式1，Min-Max Optimization准则
Figure BDA0001919670170000113
Figure BDA0001919670170000114
其中θ1…θQ为不同的采样角度，I表示总波束数量
方式2，总功率最小(Total Power Minimization)原则，
Figure BDA0001919670170000115
Figure BDA0001919670170000116
方式3，固定无线连接方向优化准则
Figure BDA0001919670170000117
Figure BDA0001919670170000118
基于此，后加权系数矩阵单元，按照所述最大功率值最小化准则、或则功率的和最小化准则、或者固定方向上的功率最小准则，求解所述非线性失真中的后加权矩阵，使得对于任意主瓣方向φi都满足hT(φi)W(Γ-I)＝0，将求解得到n*i个加权矢量，每个加权矢量包含n个加权系数；所述加权矢量即为后加权矩阵系数。分别对各混合波束成形子阵列中预失真器输出的预失真分量进行加权，输出加权后的预失真分量，这样，每一路的后加权输出都是所有n路预失真分量的加权组合。
本实施例通过重新分配每个通道中的功率放大器的预失真分量，从而在保证各通道主瓣方向信号质量的前提下同时抑制旁瓣的非线性失真，以达到扩大线性化角度，增加覆盖范围，减少临站干扰的目的。
实施例四：
参见图5所示，图5为本申请实施例四包括有混合波束成形子阵列的多通道波束成形装置一种示意图。该多通道混合波束成形装置包括有n个混合波束成形子阵列，其中，作为一种实施方式，任一混合波束成形子阵列中具有i个加法器、i个正交调制器、以及为各个混合波束成形子阵列中的DPD提供i路加权后的预失真分量的加权计算单元。n为大于主瓣方向的信号数量的自然数，i为大于1的自然数，当i为1时，则对应为实施例三。
一个混合波束成形子阵列构成一个通道。任一通道中的混合波束成形子阵列包括DPD、预失真参数训练单元、波束成形子单元、反馈通道；所述DPD包括将数字基带信号按照预失真参数训练单元输出的训练后的预失真参数进行预失真处理得到预失真分量的预失真器、以及将数字基带信号与i路加权后的预失真分量分别进行合并而分别得到i路预失真校正信号的加法器，例如，对应有i个加法器；所述波束成形子单元包括将来自DPD的i路预失真校正信号分别进行正交调制分别得到i路调制信号的正交调制器，例如，对应有i个正交调制器；将i路调制信号分别输入模拟波束成形器以进行模拟波束成形、且输出多路射频信号的模拟波束成形器、以及将所述各路射频信号分别进行放大的功率放大器。
对于任一通道中的混合波束波形子阵列：一路数字基带信号经过DPD分别输出i路预失真校正信号至波束成形子单元，通过波束成形子单元处理为射频信号发射；反馈通道中的多路数据选择器从波束成形子单元的每个功率放大器输出的射频信号中，组合出一路主瓣方向的合成信号分别输出至预失真参数训练单元和加权计算单元，加权计算单元根据输入该混合波束波形子阵列的数字基带信号、DPD中预失真器输出预失真分量、以及来自多路数据选择器的合成信号，分别计算出i路加权后的预失真分量，并分别输出至DPD中的加法器，例如，将i路加权后的预失真分量分别输出至i个加法器；所述预失真参数训练单元根据数字基带信号、多路数据选择器输出的合成信号、以及预失真器输出的预失真分量训练预失真参数。
对于加权计算单元，来自各通道的数字基带信号、预失真器输出的预失真分量、多路数据选择器输出的合成信号分别输入至加权计算单元，加权计算单元按照最小最大值优化、或者总功率最小化等不同优化准则，计算得到n*i个加权矢量，每个加权矢量包含n个加权系数，即所述加权矢量即为后加权矩阵系数；用后加权矩阵系数分别加权n路预失真分量，得到各通道的i路加权后的预失真分量，分别输出至各通道中的加法器，这样，每一路的后加权输出都是所有n路预失真分量的加权组合。从加权计算单元的输入、输出的数量来看，则共有n*3个输入信号，n*i个输出信号。
所述加权计算单元的具体计算与实施例4相同，不再赘述。
本实施例通过重新分配每个通道中每个功率放大器的预失真分量，从而在保证各通道主瓣方向信号质量的前提下同时抑制旁瓣的非线性失真，以达到扩大线性化角度，增加覆盖范围，减少临站干扰的目的。
本申请还提供了一种数字预失真的实现方法，参见图6所示，图6示出了本申请实施例的数字失真实现方法流程图。
步骤101，采集当前数字基带信号、混合波束成形装置输出的m路射频信号、预失真分量；其中，m为自然数；
步骤102，将采集的m路射频信号组合出一路主瓣方向的合成信号；如果m为1，则将该路射频信号中波束为主瓣方向的信号作为合成信号；
步骤103，根据所述合成信号、采集的当前数字基带信号、预失真分量进行预失真参数训练，并按照最小最大值优化、或者总功率最小化等不同优化准则进行加权系数的选取，还可以通过改变准则灵活适应不同的场景配置，例如在某些固定无线连接场景中准则可为：选取一组系数，在保证主瓣方向信号质量的前提下使得非线性失真分量在某固定方向上的功率最小。所选取的加权系数的数量与待进行预失真校正信号的数量相同，例如，输入至混合波束成形装置的输入信号(即，预失真校正信号)有i路，则加权系数的数量为i个；
步骤104，将训练后的预失真参数更新当前预失真参数，将得到的加权系数更新当前的加权系数；
步骤105，用步骤103所计算的加权系数加权当前预失真分量；
在该步骤中，还可以根据更新后的(训练后的)预失真参数得到第一预失真分量，用更新后的加权系数(即，步骤103计算得到的加权系数)加权所述第一预失真分量；以得到更好的系统性能；
步骤106，合并加权后的第一预失真分量和当前数字基带信号，得到预失真校正信号；
步骤107，将预失真校正信号依次进行正交调制、模拟波束成形、功率放大，得到m路射频信号，经过天线阵列发射。
返回至步骤101，进入下一轮的更新，以跟踪系统随时间的变化。
在本申请的实施例中，当加权系数全部为1时，各实施例等效于传统波束导向数字预失真，因此，当DPD出现异常时刻将加权系数置为1，从而增加了系统的健壮性。
为更好地说明本申请实施例的改进效果，参见图7、图8所示，图7为由3天线组成的子阵列中无加权预失真所形成的阵列波束图，图8为有加权预失真所形成的阵列波束图。其中实线表示理想无失真情况下的阵列波束，黑色虚线表示经过功放线性化后所形成的阵列波束，而灰色点划线表示的是各个方向上非线性失真分量的功率。从上图中可以看出，经过后加权处理后，不仅限于主瓣方向，其他各个方向的信号质量都有改善，波束零点得以恢复。
参见图9所示，图9为未线性化、改进前未加权的DPD、改进后加权的DPD各方向上非线性失真的抑制效果。可以看出波束导向数字预失真仅在主瓣方向附件(0°角)对非线性失真有较好抑制，然而在其他方向甚至产生了恶化。而后加权数字预失真则在所有角度都能较好的抑制失真。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。

Claims (33)

1.一种数字预失真DPD装置，其特征在于，所述数字预失真DPD装置：
将数字基带信号根据预失真参数处理得到的预失真分量，根据i个加权系数分别加权得到i路加权后的预失真分量，
分别合并所述数字基带信号以及所述i路加权后的预失真分量，得到i路预失真校正信号，
其中，
所述加权系数根据所述数字基带信号、预失真分量、以及组合来自阵列射频信号所得到主瓣方向的合成信号进行计算，并以如下方式选取：
按照保证主瓣方向信号质量的前提下使得非线性失真分量在除主瓣方向之外的其他方向的最大功率值最小化选取所述加权系数；或者，
按照保证主瓣方向信号质量的前提下使得非线性失真分量在所有方向上功率的和最小化选取所述加权系数；或者，
按照保证主瓣方向信号质量的前提下使得非线性失真分量在一固定方向上的功率最小选取所述加权系数；
i为自然数。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述数字预失真DPD装置包括，
预失真器，将所述数字基带信号根据预失真参数处理得到预失真分量，
加权单元，将i个加权系数分别加权来自预失真器的预失真分量，得到i路加权后的预失真分量，分别合并所述数字基带信号以及所述i路加权后的预失真分量，得到i路预失真校正信号输出。
3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述加权单元包括，
后加权计算单元，根据所述数字基带信号、来自预失真器输出的预失真分量、以及所述合成信号，配置所述加权系数；
乘法器，将所述加权系数与预失真分量相乘，得到加权后的预失真分量；
加法器，将所述加权后的预失真分量与所述数字基带信号合并，得到所述预失真校正信号。
4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述后加权计算单元包括：
按照保证主瓣方向信号质量的前提下使得非线性失真分量在除主瓣方向之外的其他方向的最大功率值最小化选取所述加权系数；或者，
按照保证主瓣方向信号质量的前提下使得非线性失真分量在所有方向上功率的和最小化选取所述加权系数；或者，
按照保证主瓣方向信号质量的前提下使得非线性失真分量在一固定方向上的功率最小选取所述加权系数。
5.如权利要求3或4所述的装置，其特征在于，所述乘法器的数量为i个，加法器的数量为i个；
所述后加权计算单元输出的i路加权系数信号分别输入至i个乘法器；
i个乘法器分别将i个加权系数与所述预失真分量相乘后输出i路加权后的预失真分量至i个加法器；
i个加法器分别将i路加权后的预失真分量与所述数字基带信号相加后，输出i路预失真校正信号。
6.如权利要求2、3或4所述的装置，其特征在于，所述预失真参数由预失真参数训练单元根据数字基带信号、预失真分量、以及所述合成信号对预失真参数进行训练后输出至所述预失真器。
7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述合成信号由反馈通道中的多路数据选择器将来自波束成形阵列中每路功率放大器的射频信号进行组合、并选择一路主瓣方向的合成信号输出至所述预失真参数训练单元和后加权计算单元。
8.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述后加权计算单元根据预失真器在第t时刻的输出d(t)，第i路的加权系数γi，第i路的模拟波束赋形系数ωi，利用广义记忆多项模型可以得到在方位角θ处发射阵列信号的合成信号为：
Figure QLYQS_1
其中，I为总通道数，h(θ)＝[h1(θ) … hI(θ)]T表示的是发射天线在θ方位角的阵列流形，zi(t)为第i路发射通道在t时刻的输出；θ方向上的非线性失真为：
Figure QLYQS_2
按照所述最大功率值最小化准则、或者功率的和最小化准则、或者固定方向上的功率最小准则，求解所述非线性失真中的{γi}使得满足∑iγi＝I。
9.一种混合波束成形装置，包括，
对数字基带信号进行预失真处理、输出i路预失真校正信号的数字预失真DPD装置，
对所述i路预失真校正信号进行模拟波束成形后输出m路射频信号、并分别进行功率放大的波束成形阵列，
为数字预失真DPD装置提供预失真参数的预失真参数训练单元，
将所述波束成形阵列输出的所述m路射频信号进行组合、选择一路主瓣方向的合成信号输出至所述预失真参数训练单元的反馈通道，
其特征在于，
所述数字预失真DPD装置将所述数字基带信号根据预失真参数处理得到的预失真分量，根据i个加权系数分别加权得到i路加权后的预失真分量，分别合并所述数字基带信号以及所述i路加权后的预失真分量，得到所述i路预失真校正信号，
其中，
所述加权系数根据所述数字基带信号、预失真分量、以及所述合成信号进行计算，并以如下方式选取：
按照保证主瓣方向信号质量的前提下使得非线性失真分量在其他方向的最大功率值最小化选取所述加权系数；或者，
按照保证主瓣方向信号质量的前提下使得非线性失真分量在所有方向上功率的和最小化选取所述加权系数；或者，
按照保证主瓣方向信号质量的前提下使得非线性失真分量在某固定方向上的功率最小选取所述加权系数；
i、m为自然数。
10.如权利要求9所述的装置，其特征在于，所述数字预失真DPD装置包括，
预失真器，将所述数字基带信号根据所述预失真参数训练单元输出的训练后的预失真参数处理，得到所述预失真分量，
加权单元，将所述i个加权系数分别加权来自预失真器的预失真分量，得到i路加权后的预失真分量；分别合并所述数字基带信号以及所述i路加权后的预失真分量，得到i路预失真校正信号输出。
11.如权利要求10所述的装置，其特征在于，所述加权单元包括，
后加权计算单元，根据所述数字基带信号、来自预失真器输出的预失真分量、以及所述合成信号，配置所述加权系数；
乘法器，将所述加权系数与预失真分量相乘，得到加权后的预失真分量；
加法器，将所述加权后的预失真分量与所述数字基带信号合并，得到所述预失真校正信号。
12.如权利要求11所述的装置，其特征在于，所述后加权计算单元包括：
按照保证主瓣方向信号质量的前提下使得非线性失真分量在其他方向的最大功率值最小化选取所述加权系数；或者，
按照保证主瓣方向信号质量的前提下使得非线性失真分量在所有方向上功率的和最小化选取所述加权系数；或者，
按照保证主瓣方向信号质量的前提下使得非线性失真分量在某固定方向上的功率最小选取所述加权系数。
13.如权利要求11所述的装置，其特征在于，所述乘法器的数量为i个，加法器的数量为i个；
所述后加权计算单元输出的i路加权系数信号分别输入至i个乘法器；
i个乘法器分别将i个加权系数与所述预失真分量相乘后输出i路加权后的预失真分量至i个加法器；
i个加法器分别将i路加权后的预失真分量与所述数字基带信号相加后，输出i路预失真校正信号。
14.如权利要求10所述的装置，其特征在于，所述预失真参数训练单元根据数字基带信号、预失真分量、以及所述合成信号对预失真参数进行训练后输出至所述预失真器。
15.如权利要求11所述的装置，其特征在于，所述反馈通道包括多路数据选择器，将来自波束成形阵列中每路功率放大器的射频信号进行组合、并选择一路主瓣方向的合成信号输出至所述预失真参数训练单元和后加权计算单元。
16.如权利要求15所述的装置，其特征在于，所述反馈通道还包括，正交逆调制器，将来自多路数据选择器输出的合成信号进行正交逆调制，将逆调制信号输出至所述预失真参数训练单元和后加权计算单元。
17.如权利要求9所述的装置，其特征在于，所述波束成形阵列包括，
i个正交调制器，分别将来自数字预失真DPD装置的i路预失真校正信号进行正交调制、并分别输出i路数字调制信号，
模拟波束成形器，将所述i路数字调制信号进行数模转换、模拟波束成形处理后分别输出所述m路射频信号；
m路功率放大器，将所述m路射频信号进行功率放大。
18.如权利要求12所述的装置，其特征在于，所述后加权计算单元根据预失真器在第t时刻的输出d(t)，第i路的加权系数γi，第i路的模拟波束赋形系数ωi，利用广义记忆多项模型可以得到在方位角θ处发射阵列信号的合成信号为：
Figure QLYQS_3
其中，I为总通道数，h(θ)＝[h1(θ) … hI(θ)]T表示的是发射天线在θ方位角的阵列流形，zi(t)为第i路发射通道在t时刻的输出；θ方向上的非线性失真为：
Figure QLYQS_4
按照所述最大功率值最小化准则、或功率的和最小化准则、或者固定方向上的功率最小准则，求解所述非线性失真中的{γi}使得满足∑iγi＝I。
19.一种多通道混合波束成形装置，其特征在于，该装置包括，
n个混合波束成形子阵列，分别将n路数字基带信号依次经过数字预失真DPD装置、波束成形子单元处理后进行发射，
加权单元，为所述n个混合波束成形子阵列分别提供i路加权后的预失真分量；
所述各波束成形子阵列包括，
对数字基带信号进行预失真处理、输出i路预失真校正信号的数字预失真DPD装置，
对i路预失真校正信号进行模拟波束成形后输出m路射频信号、并分别进行功率放大的波束成形子单元，
为数字预失真DPD装置提供预失真参数的预失真参数训练单元，
将所述波束成形子单元输出的所述m路射频信号进行组合、选择一路主瓣方向的合成信号输出至所述预失真参数训练单元的反馈通道；
所述数字预失真DPD装置将所述数字基带信号分别合并来自加权单元输出的i路加权后的预失真分量，得到所述i路预失真校正信号，
其中，
第i路加权后的预失真分量由所述加权单元根据输入该波束成形子阵列的数字基带信号、来自所述数字预失真DPD装置的预失真分量、以及所述合成信号计算得到的包含n个加权系数的加权矢量，分别对来自n路数字预失真DPD装置的预失真分量进行加权而获得；
所述加权系数以如下方式选取：
按照保证主瓣方向信号质量的前提下使得非线性失真分量在其他方向的最大功率值最小化选取所述加权系数；或者，
按照保证主瓣方向信号质量的前提下使得非线性失真分量在所有方向上功率的和最小化选取所述加权系数；或者，
按照保证主瓣方向信号质量的前提下使得非线性失真分量在某固定方向上的功率最小选取所述加权系数；
i、m、n为自然数。
20.如权利要求19所述的装置，其特征在于，所述数字预失真DPD装置包括，
预失真器，将所述数字基带信号根据所述预失真参数训练单元输出的训练后的预失真参数处理，得到所述预失真分量输出至所述加权单元，
加法器，合并所述数字基带信号和来自加权单元输出的加权后的预失真分量后，输出预失真校正信号。
21.如权利要求20所述的装置，其特征在于，所述加法器的数量为i个；i个加法器分别将i路加权后的预失真分量与所述数字基带信号相加后，输出i路预失真校正信号。
22.如权利要求19至20任一所述的装置，其特征在于，所述加权单元分别根据输入的n路数字基带信号、来自n个混合波束成形子阵列的n路预失真分量、n路合成信号，分别为所述n个混合波束成形子阵列中的数字预失真DPD装置提供所述加权后的预失真分量。
23.如权利要求19所述的装置，其特征在于，所述加权单元按照保证主瓣方向信号质量的前提下使得非线性失真分量在除主瓣方向之外的其他方向的最大功率值最小化选取所述加权系数；或者，
按照保证主瓣方向信号质量的前提下使得非线性失真分量在所有方向上功率的和最小化选取所述加权系数；或者，
按照保证主瓣方向信号质量的前提下使得非线性失真分量在一固定方向上的功率最小选取所述加权系数。
24.如权利要求23所述的装置，其特征在于，所述加权单元包括，
加权矩阵计算单元，根据输入的n路数字基带信号、来自n个混合波束成形子阵列的n路预失真分量、n路合成信号，利用波束赋形以及广义记忆多项式模型得到θ方位角处的非线性失真：
zNL|θ＝hT(z-Wx)+hTW(Γ-I)d，
其中，
Figure QLYQS_5
其中hp(θ)表示的是第n个子阵在θ方向上的阵列流形；
Figure QLYQS_6
zn＝[zn1 … znM]T，znM表示的是第n个子阵中第M个功放的输出；
x＝[x1 … xn]T，xn表示的是第n个子阵的基带信号；
Figure QLYQS_7
其中wn＝[ωn1 … ωnM]T，ωnM表示的是第n个子阵中第M个天线的模拟波束赋形系数；
Figure QLYQS_8
Γ为待求解后加权矩阵；
I表示单位矩阵；
后加权系数矩阵单元，按照所述最大功率值最小化准则、或则功率的和最小化准则、或者固定方向上的功率最小准则，求解所述非线性失真中的后加权矩阵，使得对于任意主瓣方向φi都满足hT(φi)W(Γ-I)＝0，将求解得到的后加权矩阵系数分别对各混合波束成形子阵列中预失真器输出的预失真分量进行加权，输出加权后的预失真分量。
25.一种用于数字预失真的加权装置，其特征在于，
该加权装置根据n路数字基带信号、来自n个混合波束成形子阵列的n路预失真分量、所述n个混合波束成形子阵列分别将m路射频信号进行组合并选择一路主瓣方向分别输出的n路合成信号，计算得到包含n个加权系数的加权矢量，分别对所述n路预失真分量用i个加权矢量进行加权；
其中，
所述加权系数以如下方式选取：
按照保证主瓣方向信号质量的前提下使得非线性失真分量在其他方向的最大功率值最小化选取所述加权系数；或者，
按照保证主瓣方向信号质量的前提下使得非线性失真分量在所有方向上功率的和最小化选取所述加权系数；或者，
按照保证主瓣方向信号质量的前提下使得非线性失真分量在某固定方向上的功率最小选取所述加权系数。
26.如权利要求25所述的加权装置，其特征在于，所述加权装置按照保证主瓣方向信号质量的前提下使得非线性失真分量在除主瓣方向之外的其他方向的最大功率值最小化选取所述加权系数；或者，
按照保证主瓣方向信号质量的前提下使得非线性失真分量在所有方向上功率的和最小化选取所述加权系数；或者，
按照保证主瓣方向信号质量的前提下使得非线性失真分量在一固定方向上的功率最小选取所述加权系数。
27.如权利要求26所述的加权装置，其特征在于，该装置包括，
加权矩阵计算单元，根据n路数字基带信号、来自n个混合波束成形子阵列的n路预失真分量、所述n路合成信号，利用波束赋形以及广义记忆多项式模型得到θ方位角处的非线性失真：
zNL|θ＝hT(z-Wx)+hTW(Γ-I)d，
其中，
Figure QLYQS_9
其中hp(θ)表示的是第n个子阵在θ方向上的阵列流形；
Figure QLYQS_10
zn＝[zn1 … znM]T，znM表示的是第n个子阵中第M个功放的输出；
x＝[x1 … xn]T，xn表示的是第n个子阵的基带信号；
Figure QLYQS_11
其中wn＝[ωn1 … ωnM]T，ωnM表示的是第n个子阵中第M个天线的模拟波束赋形系数；
Figure QLYQS_12
，Γ为待求解后加权矩阵；
I表示单位矩阵；
后加权系数矩阵单元，按照所述最大功率值最小化准则、或则功率的和最小化准则、或者固定方向上的功率最小准则，求解所述非线性失真中的后加权矩阵，使得对于任意主瓣方向φi都满足hT(φi)W(Γ-I)＝0，将求解得到的后加权矩阵系数分别对各混合波束成形子阵列中预失真器输出的预失真分量进行加权，输出加权后的预失真分量。
28.一种数字预失真的实现方法，其特征在于，该方法包括，
采集当前数字基带信号、m路射频信号、预失真分量；
将采集的m路射频信号组合出一路主瓣方向的合成信号；
根据所述合成信号、采集的数字基带信号、预失真分量，进行i个加权系数的计算；
用所述i个加权系数分别加权当前预失真分量，得到i路加权后的预失真分量；
分别合并所述数字基带信号和i路加权后的预失真分量，得到i路预失真校正信号；
其中，
所述加权系数以如下方式选取：
按照保证主瓣方向信号质量的前提下使得非线性失真分量在其他方向的最大功率值最小化选取所述加权系数；或者，
按照保证主瓣方向信号质量的前提下使得非线性失真分量在所有方向上功率的和最小化选取所述加权系数；或者，
按照保证主瓣方向信号质量的前提下使得非线性失真分量在某固定方向上的功率最小选取所述加权系数；
i、m为自然数。
29.如权利要求28所述方法，其特征在于，该方法还包括，
将i路预失真校正信号依次进行正交调制、模拟波束成形、功率放大，得到i路射频信号，经过天线阵列发射。
30.如权利要求28所述方法，其特征在于，该方法还包括，
根据所述合成信号、采集的当前数字基带信号、预失真分量进行预失真参数训练，并将训练后的预失真参数更新当前预失真参数；
根据更新后的预失真参数对所述数字基带信号进行预失真处理，得到第一预失真分量；
将所述第一预失真分量作为当前预失真分量。
31.如权利要求28所述方法，其特征在于，所述加权系数按照保证主瓣方向信号质量的前提下使得非线性失真分量在除主瓣方向之外的其它方向的最大功率值最小化选取；或者，
按照保证主瓣方向信号质量的前提下使得非线性失真分量在所有方向上功率的和最小化选取；或者，
按照保证主瓣方向信号质量的前提下使得非线性失真分量在一固定方向上的功率最小选取。
32.如权利要求31所述方法，其特征在于，所述加权系数计算包括，
根据预失真器在第t时刻的输出d(t)，第i路的加权系数γi，第i路的模拟波束赋形系数ωi，利用广义记忆多项模型可以得到在方位角θ处发射阵列信号的合成信号为：
Figure QLYQS_13
其中，I为总通道数，h(θ)＝[h1(θ) … hI(θ)]T表示的是发射天线在θ方位角的阵列流形，zi(t)为第i路发射通道在t时刻的输出；θ方向上的非线性失真为：
Figure QLYQS_14
按照所述最大功率值最小化准则、或功率的和最小化准则、或者固定方向上的功率最小准则，求解所述非线性失真中的{γi}使得满足∑iγi＝I。
33.如权利要求31所述方法，其特征在于，所述加权系数计算包括，
根据输入的n路数字基带信号、来自n个混合波束成形子阵列的n路预失真分量、n路合成信号，利用波束赋形以及广义记忆多项式模型得到θ方位角处的非线性失真：
zNL|θ＝hT(z-Wx)+hTW(Γ-I)d，
其中，
Figure QLYQS_15
其中hp(θ)表示的是第n个子阵在θ方向上的阵列流形；
Figure QLYQS_16
zn＝[zn1 … znM]T，znM表示的是第n个子阵中第M个功放的输出；
x＝[x1 … xn]T，xn表示的是第n个子阵的基带信号；
Figure QLYQS_17
其中wn＝[ωn1 … ωnM]T，ωnM表示的是第n个子阵中第M个天线的模拟波束赋形系数；
Figure QLYQS_18
Γ为待求解后加权矩阵；
I表示单位矩阵；
按照所述最大功率值最小化准则、或则功率的和最小化准则、或者固定方向上的功率最小准则，求解所述非线性失真中的后加权矩阵，使得对于任意主瓣方向φi都满足hT(φi)W(Γ-I)＝0，得到n*i个加权矢量，每个加权矢量包含n个加权系数。
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