CN111371414B - 一种非线性功放的精细数字预失真最优线性化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公布了一种非线性功放的精细数字预失真最优线性化方法。通过对功率放大器的输出有用信号和非线性失真进行微观分析，建立了功率放大器输出有用信号、功率放大器输出非线性失真和功率放大器参数之间相互关系的实用解析表达方法；提出了预失真‑功放复合体(DPD‑PA复合体)理论上所有可能输出的频谱的映射构建方法；提出了精细数字预失真最优线性化方法在符合约束条件下的解法。相比于现有采用宏观整体分析方法所提出的数字预失真方案，本发明通过解析计算或数值计算验证了多载波系统数字预失真线性化性能存在最优化理论上限。同时，在本方法的实施例中实现了此最优线性化理论上限。

Description

一种非线性功放的精细数字预失真最优线性化方法
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，涉及非线性功放系统优化与数字预失真技术，尤其涉及一种非线性功放的精细数字预失真最优线性化方法。
背景技术
现代通信市场中，对高数据速率通信的需求日益增长，同时伴随着无线终端用户数量的指数型增加。目前解决该需求的主要方案为提高通信系统载波频率，展宽信道带宽。这些倾向已引起用于高峰值平均功率比和宽信号带宽的信号一起使用的频谱高效、复杂的调制协议的发展和广泛使用。在4G场景下，主要的通信噪声之一就来源于射频功率放大器引起的非线性失真，这一问题将会延续到即将到来的5G多载波通信系统中。
数字预失真(DPD)技术是射频功率放大器线性化的重要技术。DPD技术可以降低非线性失真的强度，从而提高通信系统质量，并且可以减少射频功率放大器的回退幅度，从而提高能耗效率。
然而，现有的常规的DPD技术性能在频率更高的载波条件下，性能表现较差，难以显著抑制噪声，且对载波也有影响。如需达到先前的性能要求，载波以及非线性失真都将遭受显著的退化。这对于通信系统来说，性能并不会提升，反而会下降。因此，需要继续探索即使在频率更高的载波条件下，也能够显著抑制噪声并且对载波没有影响的DPD方法。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种基于功放输出有用信号和非线性失真微观分析的精细数字预失真最优线性化方法，该方法对带内带外非线性失真具有极佳的抑制效果，同时并不影响带内有用信号的强度，线性化性能达到预失真线性化性能的理论上限。
具体内容如下：通过对功率放大器的非线性失真进行微观分析，建立了功率放大器输出有用信号、功率放大器输出非线性失真和功率放大器模型参数之间相互关系的实用解析表达方法；提出了预失真-功放复合体(DPD-PA复合体)理论上所有可能输出频谱的映射构建方法；提出了数字预失真最优线性化方法的约束条件，以及符合约束条件的解法。相比于现有采用宏观整体分析方法所提出的数字预失真方案，本发明通过解析计算或数值计算验证了多载波系统数字预失真线性化性能存在最优化理论上限。同时，在本方法的实施例中实现了此最优线性化理论上限。
本发明提供的技术方案是：
一种非线性功放的精细数字预失真最优线性化方法，通过寻找最优DPD-PA复合体模型，实现非线性功放的精细数字预失真最优线性化，包括如下步骤：
1)确定功率放大器输入信号工作点Sin；
2)测试得到功率放大器的模型，以及对应的功放模型参数b＝[b1,b2,...,bP]，其中P为功放模型参数的数目；
3)得到功放输出有用信号能量和功放输出非线性失真能量的实用解析表达式，定义功放输出有用信号能量与非线性失真能量之比为功放输出信噪比；
4)依据输入信号、功放模型参数以及附加约束条件，寻找使功放输出信噪比为极大值的DPD-PA复合体模型，将该模型定义为最优DPD-PA复合体模型；
5)计算功放输入信号在最优DPD-PA复合体模型下的输出，记为最优线性化输出；通过逆运算计算以步骤2)得到的功放模型条件下，最优线性化输出所对应的最优线性化输入，此最优线性化输入即为数字预失真的输出信号，输入非线性功放，完成线性化过程。
优选的，步骤3)中，得到功放输出有用信号能量与非线性失真能量的实用解析表达式，定义功放输出有用信号能量与非线性失真能量之比为功放输出信噪比，具体操作为：
31)通过步骤2)得到的功放模型参数b＝[b1,b2,...,bP]和步骤1)得到的功率放大器输入信号工作点Sin，运用功率放大器输出有用信号和非线性失真的微观分析方法，得到功放输出有用信号能量Sout和非线性失真能量Dnon的实用解析表达式。
其中，功率放大器输出的有用信号能量Sout可以表示为式1：
Figure BDA0001920794370000021
功率放大器输出的非线性失真能量Dnon为式2：
Figure BDA0001920794370000022
式1～式2中，Dmod为功率放大器的动态范围，π为圆周率，p为功放模型参数的下标(p＝1,2,...,P)，L为输入信号的子载波数目。Jx(·)表示x阶贝塞尔函数，式1～式2的贝塞尔函数中，x＝(0,1)。
32)定义功放输出信噪比I为功率放大器输出有用信号能量Sout与非线性失真能量Dmod之比，可以表示为式3：
Figure BDA0001920794370000031
其中I是功放模型参数的多元函数。
优选的，步骤4)中，依据输入信号、功放模型参数以及附加约束条件，寻找使功放输出信噪比为极大值的DPD-PA复合体模型，将该模型定义为最优DPD-PA复合体模型，其具体操作为：
41)该方法要寻找的是PA输出的最大可实现信噪比所对应的DPD-PA复合体模型，也就是最优DPD-PA复合体模型。定义当前最大输出信噪比为寻找过程中的、能够实现的、最大的输出信噪比，定义当前最优DPD-PA复合体模型为当前最大输出信噪比所对应的DPD-PA复合体模型。在开始寻找时，初始化DPD-PA复合体模型为步骤2)得到的功放模型，初始化当前最大输出信噪比为步骤31)得到的功放输出信噪比；
42)通过在限定范围内改变DPD-PA复合体模型的参数来改变DPD-PA复合体模型，执行步骤43)检验其是否符合约束条件；
43)在计算过程中，DPD-PA复合体模型需满足如下约束条件：
a)DPD-PA复合体模型输出的有用信号能量不会减弱；
b)DPD-PA复合体模型的最大输出信号能量不大于功率放大器的最大输出信号能量；
c)DPD-PA复合体模型输出信号能量不能为负；
若当前DPD-PA复合体模型全部满足以上约束条件，执行步骤44)；若不满足以上约束条件，则返回步骤42)。
44)以步骤1)所得到的功放输入信号工作点条件下，计算步骤43)得到的符合约束条件的DPD-PA复合体模型的输出信噪比；
若在此DPD-PA复合体模型条件下，输出信噪比大于当前最大输出信噪比，说明此DPD-PA复合体模型的线性化性能优于当前最优DPD-PA复合体模型，之后，将此DPD-PA复合体模型设置为当前最优DPD-PA复合体模型，同时将此输出信噪比设置为当前最大输出信噪比；若在此DPD-PA复合体模型条件下，输出信噪比小于或等于当前最大输出信噪比，说明此DPD-PA复合体模型与当前最优DPD-PA复合体模型相比，线性化性能没有提升，故舍去，回到步骤42)。
45)判断循环是否结束；
若循环已经结束，则当前最大输出信噪比为符合约束条件的，PA输出的最大可实现信噪比，与之相对应的DPD-PA复合体模型，就是最优DPD-PA复合体模型；若循环还未结束，返回步骤42)。
优选的，步骤5)中，计算功放输入信号在最优DPD-PA复合体模型下的输出，记为最优线性化输出；通过逆运算计算以步骤2)得到的功放模型条件下的，最优线性化输出所对应的最优线性化输入，此最优线性化输入即为数字预失真的输出信号，输入非线性功放，完成线性化过程，具体操作为：
51)定义最优DPD-PA复合体模型的参数为bbest＝[bbest(1),bbest(2),...,bbest(P)]，则功放输入信号在最优DPD-PA复合体模型下的输出具体为式4：
Figure BDA0001920794370000041
其中
Figure BDA0001920794370000042
为最优线性化输出，η为输出信号微观分析的阶数；
52)依据步骤2)得到的功放模型参数，可以写出该功放的输入-输出解析表达式，具体为式5：
Figure BDA0001920794370000043
其中，Sall为功放的全部输出，是功放输出的有用信号和非线性失真之和；η为输出信号微观分析的阶数；
53)依据步骤51)得到的最优线性化输出，带入步骤52)得到的功放输入-输出解析表达式，通过逆运算计算最优线性化输出所对应的最优线性化输入，该最优线性化输入即为数字预失真的输出信号，输入非线性功放，完成线性化过程。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提出了一种非线性功放的精细数字预失真最优线性化方法。通过对功放输出的有用信号和非线性失真进行微观分析，得到功放输入信号-输出有用信号，功放输入信号-输出非线性失真的实用解析表达式。进一步的，提出了DPD-PA复合体理论上所有可能输出的频谱映射构建方法，揭示了功率放大器数字预失真线性化效果存在理论上限。该方法提出了在功率放大器约束条件下所能达到的线性化性能的理论上限，以及实现方法。
附图说明
图1为本发明具体实施方式所采用的非线性功放的精细数字预失真最优线性化具体实现方法的流程框图。
图2为本发明的预失真方法的实现结构组成模块框图。
图3为本发明具体实施方式中不采用数字预失真、采用主流数字预失真和采用本发明的精细线性化数字预失真的功放输出有用信号与非线性失真对比；
其中，上图为不采用数字预失真情况下，三阶和五阶非线性失真能量与有用信号能量关系图；中图为采用主流数字预失真情况下，三阶和五阶非线性失真能量与有用信号能量关系图；下图为应用最优线性化数字预失真后，三阶和五阶非线性失真能量与有用信号能量关系图。
图4为本发明具体实施方式输出信号频谱对比图；
其中，上图为功率放大器输入信号归一化功率谱密度；中上图为不采用数字预失真的功率放大器输出信号归一化功率谱密度；中下图为采用主流数字预失真方法的功率放大器输出信号归一化功率谱密度；下图为采用本发明描述的最优线性化数字预失真方法的功率放大器输出信号归一化功率谱密度。
具体实施方式
下面结合附图，通过实施例进一步描述本发明，但不以任何方式限制本发明的范围。
本发明提供一种精细数字预失真最优线性化方法，对非线性功率放大器，提出了数字预失真最优线性化的实现流程。通过对功率放大器输出的有用信号和非线性失真进行微观分析，建立了功率放大器输出有用信号、功率放大器非线性失真和功放参数相互关系的实用解析表达方法；提出了预失真-功放复合体理论上所有可能输出的频谱的映射构建方法；揭示了功率放大器数字预失真线性化效果存在理论上限；提出了符合功率放大器实际约束条件下的，达到线性化理论上限的实现方法。
本发明中，用于参数提取以及预失真性能验证的数据是从2.15GHz、170W横向扩散金属氧化物半导体(LDMOS)功率放大器进行测量的，并且测试信号使用4G正交频分复用接入规范(OFDMA)，测试信号包含64个子载波。一般的，在实施例中功率放大器的输入输出功率均以LDMOS功率放大器的1dB补偿点作为参考点。需要注意的是，本发明所描述的精细数字预失真最优线性化方法，适用于多载波通信系统；本实施例仅针对特定功放，特定调制方式进行说明，但不以任何方式限制本发明的应用范围。
本发明是一种非线性功放的精细数字预失真最优线性化方法，采用如图1所示的本发明方法流程，包括如下步骤：
步骤A：测量功率放大器输入信号工作点Sin。
步骤B：测试得到功率放大器的模型，以及对应的功放模型参数b＝[b1,b2,...,bP]，其中P为功放模型参数的数目。
相应的，在此实施例中，经过测试，LDMOS功率放大器的功放模型参数为：
Figure BDA0001920794370000061
步骤C：得到功放输出有用信号能量Sout和功放输出非线性失真能量Dnon的实用解析表达式，定义功放输出有用信号能量与非线性失真能量之比为功放输出信噪比；
步骤C-1：通过步骤B得到的功放模型参数b＝[b1,b2,...,bP]和步骤A测量得到的功率放大器输入点Sin，运用功率放大器输出有用信号和非线性失真的微观分析方法，可以得到功放输出有用信号能量Sout和功放输出非线性失真能量Dnon进行实用解析表达。
其中，功率放大器输出的有用信号能量Sout可以表示为：
Figure BDA0001920794370000062
功率放大器输出的非线性失真能量Dnon可以表示为：
Figure BDA0001920794370000063
其中，π为圆周率，p为功放模型参数的下标(p＝1,2,...,P)，L为输入信号的子载波数目。Jx(·)表示x阶贝塞尔函数，上式的贝塞尔函数中，x＝(0,1)。Dmod为功率放大器的动态范围，可以通过功率放大器的工作范围以及输入功率放大器信号的子载波数量求得，具体可表示为：
Figure BDA0001920794370000071
其中，maxin是功率放大器工作范围内的最大输入能量。L为输入功率放大器信号的子载波数目。该实施例中，LDMOS功率放大器工作范围内的最大输入能量为1.93×10-2dB，输入信号的子载波数量为64个。相应的，功率放大器的模型动态范围约为Dmod≈26.6667
步骤C-2:定义功放输出信噪比I为功率放大器输出有用信号能量Sout与非线性失真能量Dmod之比，可以表示为：
Figure BDA0001920794370000072
其中，I为关于功放模型参数的多元函数，可以表示为：
Figure BDA0001920794370000073
步骤D：依据输入信号、功放模型参数以及附加约束条件，寻找使功放输出信噪比为极大值的DPD-PA复合体模型，将该模型定义为最优DPD-PA复合体模型，其具体步骤为：
步骤D-1：本实施例采用随机梯度下降算法求解多元函数I(b1,b2,...,bP)的极大值点。为方便理解，定义Imax为当前最大输出信噪比，定义bbest＝[bbest(1),bbest(2),...,bbest(P)]为当前最大输出信噪比对应的DPD-PA复合体模型的参数。同时，初始化DPD-PA复合体模型的参数为步骤B得到的功放参数，即令bbest＝[b1,b2,...,bP]；初始化当前最大输出信噪比为步骤C-2得到的功放输出信噪比，即令Imax＝I。
步骤D-2：通过在限定范围内改变DPD-PA复合体模型的参数，来改变DPD-PA复合体模型。定义此时的DPD-PA复合体模型的参数为
Figure BDA0001920794370000074
进行步骤D-3，检验该DPD-PA复合体模型是否符合约束条件；
步骤D-3：在计算过程中，DPD-PA复合体模型需满足如下约束条件：
a)DPD-PA复合体模型输出的有用信号能量不会减弱，即：
Figure BDA0001920794370000081
相应的，在本实施例中，该约束条件的意义在于确保DPD-PA复合体模型在抑制功率放大器输出的非线性失真时，不会抑制有用信号能量。
b)DPD-PA复合体模型的最大输出信号能量不大于LDMOS功率放大器的最大输出信号能量，即：
Figure BDA0001920794370000082
相应的，在该实施例中，LDMOS功率放大器的最大输出信号能量为1.2760dB。即DPD-PA复合体模型的最大输出信号能量不能超过1.2760dB。
c)DPD-PA复合体模型输出信号能量不能为负，即：
Figure BDA0001920794370000083
若当前DPD-PA复合体模型满足以上约束条件，执行步骤D-4；若不满足以上约束条件，则返回步骤D-2。
步骤D-4：在步骤A取得的功放输入信号工作点条件下，计算步骤D-3得到的符合约束条件的DPD-PA复合体模型的输出信噪比，记为
Figure BDA0001920794370000084
若在此DPD-PA复合体模型条件下，输出信噪比
Figure BDA0001920794370000085
大于当前最大输出信噪比Imax，即
Figure BDA0001920794370000086
则说明此时的DPD-PA复合体模型线性化性能是优于当前最优DPD-PA复合体模型的，故将此DPD-PA复合体模型设置为当前最优DPD-PA复合体模型，即令
Figure BDA0001920794370000087
同时将该输出信噪比设置为当前最大输出信噪比，即令
Figure BDA0001920794370000088
若在此DPD-PA复合体模型条件下，输出信噪比
Figure BDA0001920794370000089
小于或等于当前最大输出信噪比Imax，即
Figure BDA00019207943700000810
则说明该DPD-PA复合体模型与当前最优DPD-PA复合体模型相比，线性化效果并没有提升，故舍去，回到步骤D-2。
步骤D-5:判断循环是否结束；
若循环已经结束，则当前最大输出信噪比Imax为符合约束条件的，PA输出的最大可实现信噪比，同时，与之对应的DPD-PA复合体模型，就是最优DPD-PA复合体模型，其模型参数为bbest＝[bbest(1),bbest(2),...,bbest(P)]；若循环还未结束，则返回步骤D-2。
相应的，在此实施例中，经过随机梯度下降，最大输出信噪比Imax以及DPD-PA复合体最优模型的参数分别为：
Imax＝0.84382×103
Figure BDA0001920794370000091
步骤E：计算功放输入信号在最优DPD-PA复合体模型下的输出，记为最优线性化输出
Figure BDA0001920794370000092
通过逆运算计算以步骤B得到的功放模型条件下的，最优线性化输出
Figure BDA0001920794370000093
所对应的最优线性化输入
Figure BDA0001920794370000094
Figure BDA0001920794370000095
即为数字预失真的输出信号，输入非线性功放，完成线性化过程，具体为操作：
步骤E-1：依据步骤D-5得到的最优DPD-PA复合体模型，可以得到功放输入信号在最优DPD-PA复合体模型下的输出具体为式4：
Figure BDA0001920794370000096
其中bbest(p)为步骤D-5得到的最优DPD-PA复合体模型的参数；
Figure BDA0001920794370000097
为最优线性化输出；η为输出信号微观分析的阶数；
步骤E-2：通过步骤B得到的功放模型参数b＝[b1,b2,...,bP]，得到该功放的输入-输出解析表达式，具体为：
Figure BDA0001920794370000098
其中bp为功放模型参数；Sall为功放的全部输出，是功放输出的有用信号和非线性失真之和；η为输出信号微观分析的阶数；
步骤E-3：将步骤E-1得到的最优线性化输出
Figure BDA0001920794370000101
带入到步骤E-1得到的功放输入-输出解析表达式的输出信号中，通过逆运算计算最优线性化输出
Figure BDA0001920794370000102
所对应的最优线性化输入
Figure BDA0001920794370000103
Figure BDA0001920794370000104
即为数字预失真的输出信号，将该信号输入非线性功放，完成线性化过程。
经过实施例实验，不同数字预失真方法下的功率放大器输出有用信号和非线性失真对比图如图3所示，经过精细线性化数字预失真之后，功率放大器输出的非线性失真相比于没有经过数字预失真的情况，非线性失真能量下降了近20dB左右；相比于主流数字预失真方法，非线性失真能量下降了7dB左右。功率放大器的输出信号频谱对比图如图4所示，可以看出，该方法相比于主流数字预失真方法，带内信号的衰减极小，几乎可以忽略不计；对带内及带外的非线性失真的抑制效果极佳，功放输出信噪比接近30dB。该方法达到了线性化性能的理论极限，在高效抑制非线性失真的同时，对带内信号无衰减。
需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (4)

1.一种非线性功放的精细数字预失真最优线性化方法，通过寻找最优DPD-PA复合体模型，实现非线性功放的精细数字预失真最优线性化；包括如下步骤：
1)确定功率放大器输入信号工作点Sin；
2)测试得到功率放大器的模型，以及对应的功放模型参数b＝[b1,b2,...,bP]，其中P为功放模型参数的数目；
3)得到功放输出有用信号能量和功放输出非线性失真能量的实用解析表达式，定义功放输出有用信号能量与非线性失真能量之比为功放输出信噪比；具体操作为：
31)通过步骤2)得到的功放模型参数b＝[b1,b2,...,bP]和步骤1)得到的功率放大器输入信号工作点Sin，运用功率放大器输出有用信号和非线性失真的微观分析方法，得到功放输出有用信号能量Sout和非线性失真能量Dnon的实用解析表达式为式1和式2：
Figure FDA0003208235560000011
Figure FDA0003208235560000012
式1～式2中，Dmod为功率放大器的动态范围，π为圆周率；L为输入信号的子载波数目；Jx(·)表示x阶贝塞尔函数，式1～式2的贝塞尔函数中，x＝(0,1)；η为输出信号微观分析的阶数；
32)定义功放输出信噪比I为功率放大器输出有用信号能量Sout与非线性失真能量Dmod之比，可以表示为：
Figure FDA0003208235560000013
其中I是功放模型参数的多元函数；
4)依据输入信号、功放模型参数以及附加约束条件，寻找使功放输出信噪比为极大值的DPD-PA复合体模型，将该模型定义为最优DPD-PA复合体模型；执行如下操作：
41)定义当前最大输出信噪比为寻找过程中能够实现的最大的输出信噪比；定义当前最优DPD-PA复合体模型为当前最大输出信噪比所对应的DPD-PA复合体模型；在开始寻找时，初始化DPD-PA复合体模型为步骤2)得到的功放模型，初始化当前最大输出信噪比为步骤31)得到的功放输出信噪比；
42)通过改变DPD-PA复合体模型的参数来改变DPD-PA复合体模型，执行步骤43)检验其是否符合约束条件；
43)在计算过程中，设定DPD-PA复合体模型需满足的约束条件；
若当前DPD-PA复合体模型满足全部约束条件，执行步骤44)；若不满足全部约束条件，则返回步骤42)；
44)以步骤1)所得到的功放输入信号工作点条件下，计算步骤43)得到的符合约束条件的DPD-PA复合体模型的输出信噪比；
若在DPD-PA复合体模型的约束条件下，输出信噪比大于当前最大输出信噪比，则此DPD-PA复合体模型的线性化性能优于当前最优DPD-PA复合体模型，之后，将此DPD-PA复合体模型设置为当前最优DPD-PA复合体模型，同时将输出信噪比设置为当前最大输出信噪比；若在此DPD-PA复合体模型的约束条件下，输出信噪比小于或等于当前最大输出信噪比，则此DPD-PA复合体模型与当前最优DPD-PA复合体模型相比，线性化性能没有提升，则舍去，回到步骤42)；
45)判断循环是否结束；
若循环已经结束，则当前最大输出信噪比为符合约束条件的，PA输出的最大可实现信噪比，与之相对应的DPD-PA复合体模型，就是最优DPD-PA复合体模型；若循环还未结束，则返回步骤42)；
5)计算功放输入信号在最优DPD-PA复合体模型下的输出，记为最优线性化输出；通过逆运算计算以步骤2)得到的功放模型条件下的，最优线性化输出所对应的最优线性化输入，此最优线性化输入即为数字预失真的输出信号，输入非线性功放，完成线性化过程；执行如下操作；
51)定义最优DPD-PA复合体模型的参数为bbest＝[bbest(1),bbest(2),...,bbest(P)]，则功放输入信号在最优DPD-PA复合体模型下的输出具体为式4：
Figure FDA0003208235560000021
其中
Figure FDA0003208235560000022
为最优线性化输出；
52)依据步骤2)得到的功放模型参数，能够写出该功放的输入-输出解析表达式为式5：
Figure FDA0003208235560000031
其中，Sall为功放的全部输出，是功放输出的有用信号和非线性失真之和；η为输出信号微观分析的阶数；
53)依据步骤51)得到的最优线性化输出，带入步骤52)得到的功放输入-输出解析表达式，通过逆运算计算最优线性化输出所对应的最优线性化输入，该最优线性化输入即为数字预失真的输出信号，输入非线性功放，完成线性化过程。
2.如权利要求1所述非线性功放的精细数字预失真最优线性化方法，其特征是，步骤43)约束条件具体为：
a)DPD-PA复合体模型输出的有用信号能量不会减弱；
b)DPD-PA复合体模型最大输出信号能量不大于功率放大器最大输出信号能量；
c)DPD-PA复合体模型输出信号能量不能为负。
3.如权利要求1所述非线性功放的精细数字预失真最优线性化方法，其特征是，所述方法应用于多载波通信系统。
4.如权利要求3所述非线性功放的精细数字预失真最优线性化方法，其特征是，通信系统所采用的功率放大器为任意非线性功率放大器。
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