CN109981505B

CN109981505B - 功率可扩展的波束定向数字预失真装置及方法、收发系统

Info

Publication number: CN109981505B
Application number: CN201910240322.6A
Authority: CN
Inventors: 陈文华; 刘昕; 陈龙
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2019-03-27
Filing date: 2019-03-27
Publication date: 2020-09-25
Anticipated expiration: 2039-03-27
Also published as: CN109981505A

Abstract

一种功率可扩展的波束定向数字预失真装置，包括：DPD模块，对一路输入信号进行DPD处理；分束增益模块，对DPD处理信号进行分束以及增益调节；N个功率放大器，对N路增益信号进行功率放大，确定N路功放信号；一耦合器，确定一路耦合信号；建模模块，根据功率等级、输入信号以及耦合信号确定一功率可扩展模型、根据当前输入信号和功率可扩展模型，确定N路可扩展功放信号；合束训练模块，对N路可扩展功放信号进行合束，确定合束信号；并根据合束信号进行DPD训练，更新DPD模块。本发明将功放、移相器、可变增益放大器和天线阵看作非线性系统进行整体建模，实现了主波束方向信号的线性化，克服了复杂反馈在实际系统无法实现的困难。

Description

功率可扩展的波束定向数字预失真装置及方法、收发系统

技术领域

本发明涉及移动通信技术领域，尤其涉及一种功率可扩展的波束定向数字预失真装置及方法、收发系统。

背景技术

随着通信网络的日益进步，人们对数据容量和频谱效率的需求不断增长，加速了无线网络向第五代(5G)通信的演进。5G移动通信的广泛应用需要一些关键技术的发展，其中之一是大规模MIMO技术。得益于阵列的大规模性和高度集成性，大规模MIMO系统的阵列规模可以达到当前的4G MIMO系统的几十甚至几百倍，从而支持比MIMO系统更多的空间复用流以提高传输速率。

大规模MIMO阵列需要辅以波束成形系统以实现空间复用。数字波束成形结构，作为当前4G系统中最常见的部署，需要为每个天线提供单独的发送链路，包括数模转换器(DAC)，混频器，PA等。随着天线数量的增加，在大规模MIMO场景中数字波束成形将导致难以承受的硬件成本和功耗，特别是在毫米波波段。与之相对应的，模拟波束成形系统虽然在硬件和算法能耗方面具有低成本优势，但无法支持多用户传输的缺陷限制了其在未来高数据容量、高频谱效率场景中的应用。为了减轻硬件实现成本和计算复杂性，并保证多用户传输，通过将波束成形任务分配给数字处理和RF电路，能够良好结合模拟波束成形和数字波束成形优点的混合波束成形系统已成为5G大规模MIMO发射机中最有前途的结构，其结构如图1所示。

作为射频发射机中的关键器件之一，功率放大器(PA)的特点是功耗最大的元件，其性能将直接影响射频发射机的效率。由于RF链路的大幅增加和几百兆赫兹的同时传输信号带宽的影响，在饱和区附近工作的高效率PA的非线性恶化在大规模MIMO系统中将更加严重，这将导致传输信号失真，并最终影响系统效率。

数字预失真(DPD)是基站中最广泛使用的PA线性化技术之一，它具有很强的消除失真和保持高效率的能力。传统的DPD方案需要为每个PA配置专用预失真器和反馈路径，由于在混合大规模MIMO场景中数字流的数量远小于RF链路数量，传统DPD方案面临困难。对有效的PA线性化技术的需求推动了大规模MIMO发射机中DPD方案的研究，最近的一些工作在该领域取得了一定的进展。

区别于针对单个PA进行线性化的传统DPD方案，我们曾经提出了针对阵列主波束信号进行线性化的方案。在我们以前的工作中[1]，我们提出了波束定向DPD(BO-DPD)。由于DPD系统配置在发射端，我们可以得到实时波束成形系数，根据波束成形系数，BO-DPD方案在发射端构造“虚拟”主波束响应并对其进行线性化，其结构如图2所示。实验结果表明，波束定向DPD方案的效果明显优于只针对单一PA进行线性化的传统预失真方案。

然而，BO-DPD方案仍然存在若干缺陷。首先，由于需要得到每个PA的输出信息，该方案都需要为每个PA配置专门的反馈回路，或者至少在PA和天线之间预留出耦合器接口。在某些紧凑的大规模MIMO发射机中，尤其是5G毫米波场景下，天线和PA通常会集成在同一芯片上，因此该方案成本昂贵甚至是不可行的。其次，即使在某些场景下能够获取每个PA的输出，在快速波束跟踪时，波束成形系数改变很快，为了合成实时的主波束信号仍然需要快速切换反馈通道已得到各个PA的输出信息，这将给反馈回路带来巨大的压力。

实质上，在基本的BO-DPD中，资源成本反馈配置是必不可少的，因为我们需要得到所有PA的输出来合成主波束信号，而用某些PA的输出很难预测其他的非线性输出。幸运的是，得益于工艺水平和电路设计的进步，我们可以假设子阵列中的所有PA都会产生类似的非线性。这个合理的假设提供了解决BO-DPD中难以实现的复杂反馈的方案，因为理论上通过观察一个PA的非线性行为我们可以预测其他PA的非线性。然而，由于在波束成形系统中，每个之路的幅度是可调的，意味着阵列中的PA将工作在不同的功率水平下，因此各个PA产生的实时非线性仍然不能被认为是相同的。这表明即使假设类似的PA，最简单的针对单个PA进行线性化的方案仍将是无效的。

可见，现有技术中针对基本BO-DPD方案中存在大量无法实现的复杂反馈问题。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的在于提供一种功率可扩展的波束定向数字预失真装置及方法、收发系统，以解决上述的至少一项技术问题。

(二)技术方案

本发明实施例提供了一种功率可扩展的波束定向数字预失真装置，包括：

DPD模块，用于对一路输入信号进行DPD处理，确定DPD处理信号；

分束增益模块，用于对所述DPD处理信号进行分束以及增益调节，确定N路增益信号；

N个功率放大器，用于对所述N路增益信号进行功率放大，确定N路功放信号；

一耦合器，连接一路功放信号，确定一路耦合信号；

建模模块，用于根据分束增益模块中的不同的增益确定的功率等级、所述输入信号以及所述耦合信号进行建模，确定一功率可扩展模型；并根据当前输入信号和所述功率可扩展模型，确定N路可扩展功放信号；

合束训练模块，用于对所述N路可扩展功放信号进行合束，确定合束信号；并根据所述合束信号进行DPD训练，更新所述DPD模块。

在本发明的一些实施例中，还包括：

数模转换模块，用于将模拟信号形式的所述DPD处理信号转化为数字信号形式的DPD处理信号。

在本发明的一些实施例中，其中，所述分束增益模块包括：

第一变频器，用于对所述数字信号形式的DPD处理信号进行本振频率的变频，确定第一变频信号，并将所述第一变频信号分束成N路分束信号；

N个移相器，对所述N路分束信号进行移相，确定N路移相信号；

N个可变增益放大器，用于对所述N路移相信号进行增益调节，确定N路增益信号。

在本发明的一些实施例中，还包括：

第二变频器，用于对所述耦合器输出的耦合信号进行本振频率的变频，确定第二变频信号；

滤波器，对所述第二变频信号进行滤波，确定滤波后的信号；

数模转换器，用于对所述滤波后的信号进行数模转换，确定数字信号形式的滤波后的信号，并将所述数字信号形式的滤波后的信号输出至所述功率可扩展模型。

在本发明的一些实施例中，所述功率可扩展模型包括：

一个通用模型，用于对所述数字信号形式的滤波后的信号进行训练，输出一路训练后的信号；

Q个功率等级下的微调模型，根据各个支路的波束成形幅度调节系数，选择对应的微调模型，计算并输出所述N路可扩展功放信号，Q为所述增益的数目。

在本发明的一些实施例中，所述通用模型是通过对所述输入信号和预定功率等级的所述数字信号形式的滤波后的信号进行建模得到的；所述微调模型是根据所述输入信号和所述分束增益模块中的Q个不同的增益进行建模得到的。

在本发明的一些实施例中，所述合束训练模块包括主波束合成单元，用于将所述功率可扩展模型输出的N个支路的输出信号，合成发射机主波束信号。

在本发明的一些实施例中，还包括：

线性化模块，用于根据所述发射机主波束信号和所述输入信号，进行预失真信号计算，并将生成的预失真信号对所述主波束信号进行线性化。

一种收发系统，其中，包括前述的功率可扩展的波束定向数字预失真装置；以及N个发射天线，用于发射所述的功率可扩展的波束定向数字预失真装置输出的N路功放信号；接收天线，用于接收所述N路功放信号。

一种功率可扩展的波束定向数字预失真方法，采用前述的功率可扩展的波束定向数字预失真装置，对输入信号进行波束定向数字预失真处理。

(三)有益效果

本发明的功率可扩展的波束定向数字预失真装置及方法、收发系统，相较于现有技术，至少具有以下优点：

1、本发明基于波束定向DPD(数字预失真)的思想并对其进行了改进，一改传统对单一功放建模的思路，将功放、移相器、可变增益放大器和天线阵看作非线性系统进行整体建模，从而实现了主波束方向信号的线性化，同时能够克服复杂反馈在实际系统无法实现的困难；

2、本发明的功率可扩展模型能够有效降低实际系统中的计算复杂度，同时还具有较强的鲁棒性，以便利用有限的反馈信息估计所有PA的输出；

3、本发明的DPD模块和功率可扩展模型都需要更新，但由于DPD模块使用估计的输出更新，而功率可扩展模型提取基于实时捕获信号，因此不会出现冲突，具有较强的普适性，确保了本发明的连续运行。

附图说明

图1为现有技术基于混合波束成形的大规模MIMO架构示意图；

图2为现有技术波束定向DPD(BO-DPD)架构示意图；

图3为本发明实施例的功率可扩展的波束定向数字预失真装置的结构示意图；

图4为本发明实施例的级联的功率可扩展模型的示意图；

图5为现有技术的传统的每个功率等级专用模型的示意图。

具体实施方式

现有技术的波束定向DPD技术一般基于对单一功放建模的思路，但这样存在大量无法实现的复杂反馈问题。有鉴于此，针对基本BO-DPD方案中无法实现的复杂反馈问题，本发明提出了一种实用的功率可扩展的波束定向DPD(PSBO-DPD)方案，以进一步改进以前的BO-DPD技术。基于PA一致性假设，所提出的DPD可以在子阵列中仅用一个反馈路径(一个耦合器以及该耦合器之后的器件)来节省硬件资源，并弥补当前BO-DPD的不足。此外，采用功率可选择的级联的功率可扩展模型，以便利用有限的反馈信息估计所有PA的输出，更具实用价值。以及通过将功放、移相器、可变增益放大器和天线阵看作非线性系统进行整体建模，从而实现了主波束方向信号的线性化。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

本发明实施例提供了一种功率可扩展的波束定向数字预失真装置，针对基本波束定向DPD方案中复杂且不可实现的反馈路径配置问题，本发明提出了功率可扩展的波束定向DPD方案。因此，所提出的方案应该具备利用有限的反馈来预测所有PA的非线性失真的能力。受益于半导体工艺和电路设计的进步，子阵列中的PA将具有相似的非线性行为的假设变得合理，这表明在子阵列中仅留下一个反馈路径就足够了。然而，尽管我们假设了PA一致性很好，但由于PA工作不同的功率水平下，每个PA仍然会产生不同的非线性失真。为了仍然能够有效合成主波束信号，应该利用子阵列中唯一的反馈路径来提取不同功率水平时的PA功率可扩展模型。

在基本的波束定向DPD方案中，由于仅考虑了一个数据流和移相器作为模拟波束形成器的单用户场景，它的架构比实际混合大规模MIMO发射机中的情况要简略许多。实际上，混合架构的大规模MIMO系统通常用于多用户场景，其中数字波束成形由基带中的数字预编码器完成，以优化数据容量并减轻用户之间的干扰，而模拟波束成形通过移相器和可变增益放大器(VGA)的协作产生复系数。功率可扩展BO-DPD架构基于更实际的混合架构大规模MIMO系统，考虑多用户和可调幅的模拟波束成形。

如图3所示，该装置包括：

一耦合器，连接一路功放信号，确定一路耦合信号；

在基本的波束定向DPD结构中，必须实时获取每个PA的输出信号。因此，必须为每个PA部署专用的观察路径，或者至少通过分时收集反馈信号。无论哪种方式都需要在PA和天线之间级联耦合器，然而糟糕的是，每个PA的耦合器在5G毫米波场景中实现是不可行的，因为PA和天线通常直接集成在芯片上。因此，必须研究在反馈限制下混合大规模MIMO中有效的PA线性化方案。

本发明应该具备利用有限的反馈来预测所有PA的非线性失真的能力。受益于半导体工艺和电路设计的进步，子阵列中的PA将具有相似的非线性行为的假设变得合理，这表明在子阵列中仅留下一个反馈路径就足够了。然而，尽管我们假设了PA一致性很好，但由于PA工作不同的功率水平下，每个PA仍然会产生不同的非线性失真。为了仍然能够有效合成主波束信号，应该利用子阵列中唯一的反馈路径来提取不同功率水平时的功率可扩展模型。

由于输入信号是数字信号，而分束增益模块针对的是模拟信号，因此该装置还包括一数模转换模块，用于将模拟信号形式的所述DPD处理信号转化为数字信号形式的DPD处理信号。

在得到数字信号形式的DPD处理信号之后，所述分束增益模块中的各个单元对该数字信号形式的DPD处理信号进行以下处理：

第一变频器L1，用于对所述数字信号形式的DPD处理信号进行本振频率的变频，确定第一变频信号，并将所述第一变频信号分束成N路分束信号；

此外，由于功率可扩展模型主要针对的是模拟信号，因此，该装置还包括：

第二变频器L2，用于对所述耦合器输出的耦合信号进行本振频率的变频，确定第二变频信号；

与BO-DPD相比，PSBO-DPD通过功率可扩展PA正向建模解决了阵列单元全反馈这一不可实现的硬件问题；换句话说，在一致性假设下，我们利用估计的PA输出代替实际捕获的PA输出。这种方案的缺陷体现在计算量的增加上。在传统思想中，PA输出应该通过几个复杂的行为模型来估计(一个模型专门针对一个功率级别)，这导致系数和计算的存储量的显着增加。为了克服这个缺点，我们在提出了低复杂度级联功率可扩展模型和具有较强鲁棒性的建模方法。其中，任一路功率放大器将功放信号输出至与之连接的耦合器，用于通过该路功放信号估计全部功放信号。

请参照图4所示的功率可扩展模型，建立并存储一些功率下的功放模型，根据各个支路的波束成形系数(幅度)，选择对应于该PA功率等级的模型并估计此时的PA输出。

在本发明的一些实施例中，所述功率可扩展模型包括：

Q个功率等级下的微调模型，根据各个支路的波束成形幅度调节系数，选择对应的微调模型，计算并输出N路可扩展功放信号，Q为所述增益的数目。其中图4中的选择器由图3中的N个VGA控制，用于选择各个支路的波束成形幅度调节系数。

本发明实施例的功率可扩展BO-DPD方案的结构如图4所示，与先前的BO-DPD(如图5所示)不同，PSBO-DPD的发送(TX)路径利用不同功率水平的功率可扩展模型，可以根据模拟波束成形的幅度权重，利用子阵列的输入信号计算每个PA的输出。之后，主波束组合模块将通过简单地对这些估计的输出信号求和来合成子阵列响应。反馈路径收集必要的非线性观察数据，以更新不同功率水平下的功率可扩展模型。由于子阵列中所有PA的一致性假定为良好，因此只有一个反馈是足够的。

通常情况下，由于PA非线性特性直接受输出功率影响，即使相同的PA也会在不同的功率水平下表现处不同的非线性。因此，在传统思路中，针对每个功率等级建立专用的功率可扩展模型是最简单和直观的建模方案，如图5所示。然而，为了尽可能准确地描述PA的动态非线性特性，每个功率下专用的功率可扩展模型往往是非常复杂的，因此该方案将不可避免地引入相当大的计算量和存储量。在5G宽带场景中，信号带宽通常高达几百兆赫兹，此时这种不利的特性甚至会恶化。

本发明采用功率可选的级联的功率可扩展模型来降低传统专用PA建模处理过程的复杂性。如图4所示，完整的功率可选模型由共享的通用模型和一系列微调模型构成。通用模型是从特定功率水平下PA输出的中很好地提取的(我们在这里使用功率水平，为此，它应该是一个复杂的模型，以全面描述静态非线性和记忆效应)。举例来说，所述通用模型是通过对所述输入信号和预定功率等级的所述数字信号形式的滤波后的信号进行建模得到的；所述微调模型是根据所述输入信号和所述分束增益模块中的Q个不同的增益进行建模得到的。

一般由输入信号平均功率或幅度波束形成权重进行索引，通用模型的输出将经过相应的微调模型，该模型级联在通用模型之后并且应该仅包括简单的低阶基函数。因此，通过通用模型和微调模型的级联(即功率可扩展模型)，可以很好地预测一定功率范围内的PA非线性行为。注意尽管对于单个PA，所提出的级联模型的复杂性尚未降低，但其总体计算确实小于传统专用PA模型，因为对于一个子阵而言，每个分支的激励信号是相同的。

如上所述，所提出的级联模型的优点反映在总计算的减少上，因为需要估计所有PA的输出，而不是单独一个PA。假设每个子阵列都配备有P个天线，并且每个PA工作在不同的功率级别(一共Q个级别)。在传统的专用PA建模方案中，需要储存P个复杂专用模型的系数并且需要占用大量计算资源以得到每个PA的输出。而在提出的级联功率可扩展模型，只需要一个复杂模型和P个低阶微调模型，对于估计所有PA输出的计算过程，只需要计算复杂模型一次，其余的则是需要通过微调模型来计算，因此不仅储存量大大降低，计算量也能得到节省。

也就是说，与BO-DPD相比，PSBO-DPD通过功率可扩展PA正向建模解决了阵列单元全反馈这一不可实现的硬件问题；换句话说，在一致性假设下，我们利用估计的PA输出代替实际捕获的PA输出。这种方案的缺陷体现在计算量的增加上。在传统思想中，PA输出应该通过几个复杂的行为模型来估计(一个模型专门针对一个功率级别)，这导致系数和计算的存储量的显着增加。为了克服这个缺点，我们在提出了低复杂度级联PA模型和具有较强鲁棒性的建模方法。此外，所述合束训练模块包括主波束合成单元，用于将所述功率可扩展模型输出的N个支路的输出信号，合成发射机主波束信号。

更具体地，功率可扩展模型的构建过程为：

1：利用仅有的反馈通道采集功放在某特定功率等级时的输出；

2：使用原始输入信号和采集的输出正向建模，提取通用模型；

3：改变输入信号功率并收集相应的输出；

4：采用正向建模，利用通用模型的输出和各功率等级的输出识别微调模型。

为了保证该装置的发射信号的线性度，该装置还包括：线性化模块，用于根据所述发射机主波束信号和所述输入信号，进行预失真信号计算，并将生成的预失真信号对所述主波束信号进行线性化。

线性化具体过程如下：

1：将输入信号注入系统；

2：根据幅度波束成形权重通过预先储存的PA功率可扩展模型估算每个PA的输出信号；

3：将各个功放的输出加起来构造主波束信号；

4：根据原始输入信号和主波束信号，利用间接学习结构计算分束增益模块的系数，并产生DPD信号；

5：将DPD信号注入系统；

6：观察远场的信号线性度。

此外，本发明中DPD模块和功率可扩展模型(PA模型)都需要更新，不同之处在于DPD模块仅在子阵列中任何PA的操作功率等级改变时更新，而PA模型的更新频率取决于工作环境。为了更新PA模型，一个实用的方案是在PA建模期间瞬间用不同功率水平的输入信号激励观察PA，然后提取相应的微调模型。此外，尽管两种更新在算法中共存，但由于DPD模块使用估计的输出更新而PA模型提取基于实时捕获信号，因此不会出现冲突，这确保了算法可以连续运行。

最后，为了验证本发明提出的DPD方案的性能，我们进行了半实物平台的宽带测试，激励信号为100MHz带宽的64QAM调制信号。任意选择波束成形系数，该方案都能成功对主波束信号进行线性化，表1和表2是部分测试结果。宽带测试中表现出的良好性能验证了本发明提出的DPD方案的适用性。

表1

表2

本发明实施例的另一方面，还提供了一种收发系统，其中，包括前述的功率可扩展的波束定向数字预失真装置；以及N个发射天线，用于发射所述的功率可扩展的波束定向数字预失真装置输出的N路功放信号；接收天线，用于接收所述N路功放信号。

本发明实施例的再一方面，还提供了一种功率可扩展的波束定向数字预失真方法，采用前述的功率可扩展的波束定向数字预失真装置，对输入信号进行波束定向数字预失真处理。

综上，本发明基于波束定向DPD(数字预失真)的思想并对其进行了改进，一改传统对单一功放建模的思路，将功放、移相器、可变增益放大器和天线阵看作非线性系统进行整体建模，从而实现了主波束方向信号的线性化，同时能够克服复杂反馈在实际系统无法实现的困难。

除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本发明的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到“约”的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。

再者，“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。

说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，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，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种功率可扩展的波束定向数字预失真装置，包括：

一耦合器，连接一路功放信号，确定一路耦合信号；

2.根据权利要求1所述的功率可扩展的波束定向数字预失真装置，其中，还包括：

3.根据权利要求2所述的功率可扩展的波束定向数字预失真装置，其中，所述分束增益模块包括：

4.根据权利要求3所述的功率可扩展的波束定向数字预失真装置，其中，还包括：

5.根据权利要求4所述的功率可扩展的波束定向数字预失真装置，其中，所述功率可扩展模型包括：

6.根据权利要求5所述的功率可扩展的波束定向数字预失真装置，其中，所述通用模型是通过对所述输入信号和预定功率等级的所述数字信号形式的滤波后的信号进行建模得到的；所述微调模型是根据所述输入信号和所述分束增益模块中的Q个不同的增益进行建模得到的。

7.根据权利要求6所述的功率可扩展的波束定向数字预失真装置，其中，所述合束训练模块包括主波束合成单元，用于将所述功率可扩展模型输出的N个支路的输出信号，合成发射机主波束信号。

8.根据权利要求7所述的功率可扩展的波束定向数字预失真装置，还包括：

9.一种收发系统，其中，包括如权利要求1-8中任一所述的功率可扩展的波束定向数字预失真装置；以及N个发射天线，用于发射所述的功率可扩展的波束定向数字预失真装置输出的N路功放信号；接收天线，用于接收所述N路功放信号。

10.一种功率可扩展的波束定向数字预失真方法，采用如权利要求1至8中任一所述的功率可扩展的波束定向数字预失真装置，对输入信号进行波束定向数字预失真处理。