CN111510081A - 一种基于查找表lut的一般记忆多项式gmp数字预失真电路 - Google Patents

一种基于查找表lut的一般记忆多项式gmp数字预失真电路 Download PDF

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Abstract

本发明涉及无线通信技术领域，本发明公开了一种基于查找表LUT的一般记忆多项式GMP数字预失真电路，先将一般记忆多项式GMP预失真系统表示为u(n)＝w(n)+f(n)+b(n)，再对w(n)、f(n)和b(n)的表达式进行整理，并利用查找表函数LUT(|x(n)|)减少FPGA中乘法器的使用量。本发明利用查找表LUT来代替大量乘法运算的方式，可大大减少乘法器的使用量，且增加非线性阶数可不增加乘法器的用量，便于系统实现扩展。

Description

一种基于查找表LUT的一般记忆多项式GMP数字预失真电路
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种基于查找表LUT的一般记忆 多项式GMP数字预失真电路。
背景技术
在现代电子通信技术中，功率放大器作为发射端的重要组成部分，负责将 射频信号放大到需要的功率。由于电子元器件的固有特性，功放的输入输出信 号之间一般呈非线性关系。在一些恒包络调制信号如FM、QPSK等，在经过功 放放大后，只会产生谐波分量，而信号的质量不会受到影响。但这些恒包络调 制信号的频谱利用率不高，采用恒包络调制信号会严重限制无线通信的传输速 率。为了提高频谱利用率，充分利用有限的且极为宝贵的频谱资源，使用相同 带宽传输更多的信息量，现代通信系统会使用如正交振幅调制QAM的方式对信 源进行调制。经过这些非恒包络调制后的信号，其包络不再恒定。衡量包络不 恒定量的重要指标为峰值功率-平均功率比PAPR(Peak-to-Average Power Ratio)。 而这些非恒包络信号对功放的非线性非常敏感，其经功放放大后，不仅仅会产 生谐波信号，更会产生严重的带外频谱泄露以及带内失真，严重影响发射信号 的质量，导致临频道干扰和接收端接收门限的提高，减少传输距离。
早期应用中，为了减少功放的非线性，通常采用的方式是功率回退技术， 将功放输出功率回退若干分贝，使功放尽量工作在线性区域。但是这样会大大 降低功放的效率，增加功放热耗以及散热系统的复杂度和成本。目前，功率回 退技术已经很少采用，更多采用的是功放的线性化技术。
预失真技术是目前广泛采用的一种线性化方法，其基本思路是在信号进入 功放之前引入一个非线性变换预失真系统，该非线性变换预失真系统的特性与 功放的非线性放大特性呈反函数关系。预失真后的信号经功放放大后，输出信 号与原始信号呈线性关系。预失真技术包含射频预失真、中频预失真和基带预 失真3中方式。而基带预失真系统具有硬件电路简单，且便于数字信号处理实现， 是目前使用最广泛的预失真方式。
在基带预失真中，通常采用的实现电路有查找表、级数多项式以及神经网 络等。基于查找表方式的预失真方案通常不能补偿功放的记忆效应，而神经网 络的实现方案通常收敛速度较慢。因为级数具有记忆项的多项式可以很好补偿 功放的非线性及记忆效应且利于FPGA等数字运算器件实现等特性，目前得到了 广泛的运用。而在多项式中，一般记忆多项式GMP(General Memory Polynomial) 在系统复杂度和建模准确性方面有着很好的折中。在FPGA中，实现GMP通常需 要大量的数字乘法器。数字乘法器的使用量和非线性阶数、记忆深度以及交叉 深度有关。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出一种基于查找表LUT的一般记忆多项式 GMP数字预失真电路，实现了由查找表LUT来代替大量乘法运算的方式，可大 大减少乘法器的使用量，且增加非线性阶数可不增加乘法器的用量，便于系统 实现扩展。
一种基于查找表LUT的一般记忆多项式GMP数字预失真电路，先将一般记 忆多项式GMP预失真系统表示为：
u(n)＝w(n)+f(n)+b(n)
w(n)、f(n)和b(n)的表达式如下：
Figure BDA0002422995930000031
Figure BDA0002422995930000032
Figure BDA0002422995930000033
其中，P为非交叉项的非线性阶数，M为非交叉项的记忆深度；Pf为前向交 叉项的非线性阶数，Mf为前向交叉项的记忆深度，Cf为前向交叉项的交叉深度； Pb为后向交叉项的非线性阶数，Mb为后向交叉项的记忆深度，Cb为后向交叉项 的交叉深度；
再将上述w(n)、f(n)和b(n)的表达式进行整理，并利用查找表函数LUT(x(n)) 减少FPGA中乘法器的使用量：
Figure BDA0002422995930000034
Figure BDA0002422995930000035
Figure BDA0002422995930000036
其中：
Figure BDA0002422995930000037
Figure BDA0002422995930000038
Figure BDA0002422995930000039
进一步的，w(n)为具有非交叉记忆效应的非线性项，当前采样点的非线性只 与当前采样点有关；f(n)为具有前向交叉记忆项的非线性项，当前采样点的非线 性与之前采样点有关；b(n)为具有后向交叉记忆项的非线性项，当前采样点的非 线性与之后采样点有关。
进一步的，在FPGA中，求复数x(n)＝I+iQ的模|x(n)|需要计算
Figure BDA0002422995930000041
此时 直接用|x(n)|2来进行查表以节省求平方根的操作，则查找表可变化为：
Figure BDA0002422995930000042
进一步的，按照上述整理前的w(n)、f(n)和b(n)的表达式，若用FPGA实现 所述一般记忆多项式GMP，则一共需要以下个数的复数乘法器：
GM＝(P+1)×(M+1)+(Pf+1)×(Mf+1)×Cf+(Pb+1)×(Mb+1)×Cb。
进一步的，按照上述整理后的w(n)、f(n)和b(n)的表达式，若用FPGA实现 所述一般记忆多项式GMP，则一共需要以下个数的复数乘法器：
GL＝(M+1)+(Mf+1)×Cf+(Mb+1)×Cb。
进一步的，若P＝Pf＝Pb＝6，M＝2，Mf＝Mb＝1，Cb＝Cf＝2，分别按照上述 整理前、后的w(n)、f(n)和b(n)的表达式，则整理前一共需要77个复数乘法器， 而整理后仅需要11个复数乘法器。
本发明的有益效果在于：本发明利用查找表LUT来代替大量乘法运算的方 式，可大大减少乘法器的使用量，且增加非线性阶数可不增加乘法器的用量， 便于系统实现扩展。
附图说明
图1是本发明的一般记忆多项式GMP数字预失真项示意图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现说明本发明 的具体实施方式。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并 不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全 部的实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的 前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一般记忆多项式GMP预失真系统可用以下表达式表示
u(n)＝w(n)+f(n)+b(n)
其中，w(n)为具有非交叉记忆效应的非线性项，且当前采样点的非线性只与 当前采样点有关；f(n)为具有前向交叉记忆项的非线性项，当前采样点的非线性 与之前采样点有关；b(n)为具有后向交叉记忆项的非线性项，当前采样点的非线 性与之后采样点有关。
w(n)、f(n)和b(n)表达如下：
Figure BDA0002422995930000051
Figure BDA0002422995930000052
Figure BDA0002422995930000053
其中，P为非交叉项的非线性阶数，M为非交叉项的记忆深度；Pf为前向交 叉项的非线性阶数，Mf为前向交叉项的记忆深度，Cf为前向交叉项的交叉深度； Pb为后向交叉项的非线性阶数，Mb为后向交叉项的记忆深度，Cb为后向交叉项 的交叉深度。
按照上述一般记忆多项式的表达，如用FPGA实现，一共需要以下个数的 复数乘法器：
GM＝(P+1)×(M+1)+(Pf+1)×(Mf+1)×Cf+(Pb+1)×(Mb+1)×Cb
具体的，若P＝Pf＝Pb＝6，M＝2，Mf＝Mb＝1，Cb＝Cf＝2，则所需复数 乘法器个数为77个。
将上述w(n)、f(n)和b(n)的表达式整理后可得：
Figure BDA0002422995930000061
Figure BDA0002422995930000062
Figure BDA0002422995930000063
其中：
Figure BDA0002422995930000064
Figure BDA0002422995930000065
Figure BDA0002422995930000066
本实施例的预失真项如图1所示，按照上述整理后的表达式，如用FPGA实 现该一般记忆多项式GMP，一共需要以下个数的复数乘法器：
GL＝(M+1)+(Mf+1)×Cf+(Mb+1)×Cb
具体的，若M＝2，Mf＝Mb＝1，Cb＝Cf＝2，则所需复数乘法器个数为11 个，因此可以大大减少复数乘法器的使用。
因此，从整理后的表达式可以看到，乘法器的使用量与非线性阶数无关， 增加非线性阶数P只会增加查找表函数LUT(|x(n)|)的表项计算的复杂度，不会增 加FPGA实现时使用的乘法器个数。
此外，在FPGA中，求复数x(n)＝I+iQ的模|x(n)|需要计算
Figure BDA0002422995930000067
其中求平 方根的操作会占用较多的逻辑资源，且运行速度较慢。
在本发明的另一个优选实施例里，直接用|x(n)|2来进行查表，以节省求平方 根的操作，这样，查找表可变化为：
Figure BDA0002422995930000071
综上所述，采用以上实现方式，即用查找表LUT来代替大量乘法运算的方 式，可大大减少乘法器的使用量，且增加非线性阶数可不增加乘法器的用量， 便于系统实现扩展。此外，根据查找表函数LUT(|x(n)|)，直接用|x(n)|2来进行查表， 可以节省求平方根的操作，从而降低复杂度。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所 披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改 和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知 识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围， 则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (6)

1.一种基于查找表LUT的一般记忆多项式GMP数字预失真电路，其特征在于，先将一般记忆多项式GMP预失真系统表示为：
u(n)＝w(n)+f(n)+b(n)
w(n)、f(n)和b(n)的表达式如下：
Figure FDA0002422995920000011
Figure FDA0002422995920000012
Figure FDA0002422995920000013
其中，P为非交叉项的非线性阶数，M为非交叉项的记忆深度；Pf为前向交叉项的非线性阶数，Mf为前向交叉项的记忆深度，Cf为前向交叉项的交叉深度；Pb为后向交叉项的非线性阶数，Mb为后向交叉项的记忆深度，Cb为后向交叉项的交叉深度；
再将上述w(n)、f(n)和b(n)的表达式进行整理，并利用查找表函数LUT(x(n))减少FPGA中乘法器的使用量：
Figure FDA0002422995920000014
Figure FDA0002422995920000015
Figure FDA0002422995920000016
其中：
Figure FDA0002422995920000017
Figure FDA0002422995920000018
Figure FDA0002422995920000021
2.根据权利要求1所述的一种基于查找表LUT的一般记忆多项式GMP数字预失真电路，其特征在于，w(n)为具有非交叉记忆效应的非线性项，当前采样点的非线性只与当前采样点有关；f(n)为具有前向交叉记忆项的非线性项，当前采样点的非线性与之前采样点有关；b(n)为具有后向交叉记忆项的非线性项，当前采样点的非线性与之后采样点有关。
3.根据权利要求1所述的一种基于查找表LUT的一般记忆多项式GMP数字预失真电路，其特征在于，在FPGA中，求复数x(n)＝I+iQ的模|x(n)|需要计算
Figure FDA0002422995920000022
此时直接用|x(n)|2来进行查表以节省求平方根的操作，则查找表可变化为：
Figure FDA0002422995920000023
4.根据权利要求1所述的一种基于查找表LUT的一般记忆多项式GMP数字预失真电路，其特征在于，按照上述整理前的w(n)、f(n)和b(n)的表达式，若用FPGA实现所述一般记忆多项式GMP，则一共需要以下个数的复数乘法器：
GM＝(P+1)×(M+1)+(Pf+1)×(Mf+1)×Cf+(Pb+1)×(Mb+1)×Cb。
5.根据权利要求4所述的一种基于查找表LUT的一般记忆多项式GMP数字预失真电路，其特征在于，按照上述整理后的w(n)、f(n)和b(n)的表达式，若用FPGA实现所述一般记忆多项式GMP，则一共需要以下个数的复数乘法器：
GL＝(M+1)+(Mf+1)×Cf+(Mb+1)×Cb。
6.根据权利要求5所述的一种基于查找表LUT的一般记忆多项式GMP数字预失真电路，其特征在于，若P＝Pf＝Pb＝6，M＝2，Mf＝Mb＝1，Cb＝Cf＝2，分别按照上述整理前、后的w(n)、f(n)和b(n)的表达式，则整理前一共需要77个复数乘法器，而整理后仅需要11个复数乘法器。
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