CN113630134B - 一种数字前馈辅助的宽带数字预失真方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种数字前馈辅助的宽带数字预失真方法及装置，所述方法包括以下步骤：S1.构建带限数字预失真执行器模型；S2.构建功放前向模型；S3.基带信源产生信号输入带限数字预失真执行器模型中，得到第一路信号；与此同时，将基带信源产生的信号输入功放前向模型中，得到第二路信号；S4.将第一路信号进行数模转换和上变频处理后，进行带通滤波处理，然后传输给功放，由功放进行放大；将第二路信号经过高通滤波处理后，进行数模转换、上变频和调幅处理；S5.将功放放大后的信号与调幅处理得到的信号相减，得到最终的信号处理结果。本发明降低了对主发射通路的射频通道的带宽需求，且降低发射射频通路的带通滤波器对DPD线性化结果的影响。

Description

一种数字前馈辅助的宽带数字预失真方法及装置

技术领域

本发明涉及数字预失真技术，特别是涉及一种数字前馈辅助的宽带数字预失真方法及装置。

背景技术

功放通常工作在接近饱和区来提高效率。但是饱和区的增益压缩效应会导致非恒包络信号出现非线性失真。因此通常采用数字预失真技术对功放进行线性化，以同时保证功放的效率和线性度。预失真信号可以简单理解为信源信号额外添加了与功放非线性失真性质相反的失真。预失真信号通过功放，添加的失真刚好与功放引入的失真相抵消，从而实现功放输出信号的线性化。预失真信号的功率谱如图1所示。

可以看到，预失真信号的频谱与功放的非线性失真信号的频谱类似，都出现了频谱扩展现象。这种频谱扩展会增加发射射频通路的带宽需求。在5G通信以及未来的6G通信场景里，信号带宽会达到数百兆赫兹(MHz)甚至数吉赫兹(GHz)。发射射频通路的带宽需求也相应增加，此时会增加开销且难以实现。此外发射通路的信号经过DAC、上变频后通常会再通过一个带通滤波器以滤除杂散。在大带宽场景下，带通滤波器会把预失真信号频谱扩展的的带外分量也滤除掉，导致预失真无法对功放进行正常的线性化。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种数字前馈辅助的宽带数字预失真方法及装置，降低对主发射通路的射频通道的带宽需求，且降低发射射频通路的带通滤波器对数字预失真线性化结果的影响。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种数字前馈辅助的宽带数字预失真方法，包括以下步骤：

S1.构建带限数字预失真执行器模型；

S2.构建功放前向模型；

S3.基带信源产生信号输入带限数字预失真执行器模型中，得到带限数字预失真信号作为第一路信号；与此同时，将基带信源产生的信号输入功放前向模型中，得到功放前向模型输出信号作为第二路信号；

S4.将第一路信号进行数模转换和上变频处理后，进行带通滤波处理，然后传输给功放，由功放进行放大；将第二路信号经过高通滤波处理后，进行数模转换、上变频和调幅处理；

S5.将功放放大后的信号与调幅处理得到的信号相减，得到最终的信号处理结果。

进一步地，在步骤S5得到最终的信号处理结果后，将获得的信号通过天线对外发送。

进一步地，所述步骤S1中包括以下子步骤：

S101.构建带限数字预失真执行器模型：

采用MP模型作为基础模型：

其中，x(n)为模型输入，y(n)为模型输出，K为非线性阶数，Q为记忆深度，h_kq为模型系数，MP模型一共含有L＝K×Q个模型项；

将第l个模型项记为：

u_l(n)＝x(n-q)|x(n-q)|^k-1 (2)

其中，l＝1,2，...，L；

构建带限MP模型，即将MP模型的基函数u_l(n)利用一个低通滤波器进行带限滤波，所述基函数即每一个模型项；设低通滤波器截止频率为f₀，记为LF；

则带限MP模型的基函数为：

b_l(n)＝LF{u_l(n)} (3)

完整的带限MP模型就被记为

其中，h_l为带限MP模型的系数；得到的带限MP模型，作为系数未知的带限数字预失真执行器模型；

S102.提取带限数字预失真执行器模型的系数：

假设功放输入对应的数字信号为x(n)，功放输出对应的数字信号为y(n)，即：

对于数字信号x(n)进行数模转换和上变频后，将得到的信号送入功放，然后对功放输出的信号进行下变频和模数转换得到功放输出对应的数字信号y(n)；

考虑采集了N组输入输出数据样本，记为：

x＝[x(1)，x(2)，...，x(n)] (5)

y＝[y(1)，y(2)，...，y(n)] (6)

基于间接学习架构进行数字预失真模型系数提取：

A1首先设计低通滤波器LF,带限数字预失真线性化频带为低通滤波器的截止频率f₀控制；即，带限数字预失真线性频率范围为-f₀到f₀的频带；

A2然后对y采用LF进行滤波，即：

y＝LF{y} (7)

A3将公式(1)中的x(n)替换为y(n)，采用公式(7)所示的滤波后的样本y和用LF进行滤波后的基函数b_l(n)构造相应的数据列向量b_l。

A4根据所有数据列向量构造数据矩阵

B＝[b₁，b₂，...，b_L] (8)

A5最后根据数据矩阵B和x利用下式所示的LS算法计算得到带限数字预失真模型的系数：

h＝(B^HB)^-1B^Hx (9)

其中h为系数向量，即h＝[h₁，h₂，...，h_L]^T。

S103.将系数向量h应用到公式(4)中的带限数字预失真执行器模型中，模型构建完成，此时当信号输入时，带限数字预失真器的输出信号带宽所占的频率范围为-f₀到f₀。

进一步地，所述步骤S2包括：

S201.设功放输入输出数据对应的数字信号采用依然是公式(5)和公式(6)所示的x和y，功放模型采用公式(1)所示的MP模型；

S202.首先利用x和y中的样本，根据公式(1)构建数据矩阵X，然后用下式所示的LS算法计算功放前向模型系数

c＝(X^HX)^-1X^Hy (10)

其中c＝[c₁₀，c₁₁，...，c_K(Q-1)]^T表示功放的前向模型系数。矩阵X一共有L＝K×Q列，记为X＝[x₁，x₂，...，x_L]，每一列都对应公式(1)中的一个基函数。将构建得到的功放前向系数c应用到公式(1)所示的MP模型中，得到功放前向模型，即功放前向模型为

其中u(n)模型输出的功放信号，x(n)表示信号源的模型输入信号。

进一步地，所述步骤S4包括：

将第一路信号进行通过第一DAC模块进行数模转换，并通过第一上变频模块变频到载频为f_c的射频信号，并通过带通滤波器传输给功放进行放大；最终会在功放输出端抑制频率范围为f_c-f₀到f_c+f₀的非线性失真，其中第一DAC模块的采样率仅需要2f₀；

将第二路信号经过高通滤波器，将功放输出信号的带内失真部分滤掉，高通滤波器截止频率为f₀，只保留频率范围在一f₀到f₀之外的非线性失真；将高通滤波器输出的信号通过第二DAC模块转换为模拟信号，再并通过第二上变频模块变频到载频为f_c的射频信号，此时的射频信号中只保留f_c-f₀到f_c+f₀之外的非线性失真，通过一个射频调幅器件进行功率调整。

所述步骤S5包括：将射频调幅器件输出的信号与功放输出的信号相减，抑制掉频率范围在f_c-f₀到f_c+f₀之外的非线性失真。

一种数字前馈辅助的宽带数字预失真装置，包括：

数字预失真模型构建模块，用于构建带限数字预失真执行器模型；

功放前向模型构建模块，用于构建功放前向模型；

基带信源，用于产生基带信号，分别传输给构建的带限数字预失真执行器模型和功放前向模型进行处理，得到带限预失真信号和功放前向模型输出信号；

带限信号处理模块，用于将带限预失真信号进行数模转换和上变频处理后，经带通滤波器传输给功放，由功放进行放大；

前向信号处理模块，用于将功放前向模型输出信号经过高通滤波，再进行数模转换、上变频和调幅处理；

信号相减模块，用于将功放输出的信号和调幅处理得到的信号相减，实现带外非线性失真抑制。

本发明的有益效果是：本发明通过带限数字预失真抑制功放输出的带内非线性失真，并通过一个前馈通路抑制功放输出的带外非线性失真。该方法可以降低对主发射通路的射频通道的带宽需求，且降低发射射频通路的带通滤波器对DPD线性化结果的影响。

附图说明

图1为预失真信号的功率谱示意图；

图2为本发明的方法流程图；

图3为本发明的装置原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

如图2所示，一种数字前馈辅助的宽带数字预失真方法，包括以下步骤：

S1.构建带限数字预失真执行器模型；

S2.构建功放前向模型；

S3.基带信源产生信号输入带限数字预失真执行器模型中，得到带限数字预失真信号作为第一路信号；与此同时，将基带信源产生的信号输入功放前向模型中，得到功放前向模型输出信号作为第二路信号；

S4.将第一路信号进行数模转换和上变频处理后，进行带通滤波处理，然后传输给功放，由功放进行放大；将第二路信号经过高通滤波处理后，进行数模转换、上变频和调幅处理；

S5.将功放放大后的信号与调幅处理得到的信号相减，得到最终的信号处理结果。

进一步地，在步骤S5得到最终的信号处理结果后，将获得的信号通过天线对外发送。

进一步地，所述步骤S1中包括以下子步骤：

S101.构建带限数字预失真执行器模型：带限数字预失真基于带限Volterra级数模型。带限Volterra级数模型是在传统的Volterra级数模型基础上，对每一个模型项进行带限滤波处理。例如，采用传统的Volterra级数模型的一个简化版本的MP模型；

采用MP模型作为基础模型：

其中，x(n)为模型输入，y(n)为模型输出，K为非线性阶数，Q为记忆深度，h_kq为模型系数，MP模型一共含有L＝K×Q个模型项；

将第l个模型项记为：

u_l(n)＝x(n-q)|x(n-q)|^k-1 (2)

其中，l＝1,2，...，L；

构建带限MP模型，即将MP模型的基函数u_l(n)利用一个低通滤波器进行带限滤波，所述基函数即每一个模型项；设低通滤波器截止频率为f₀，记为LF；

则带限MP模型的基函数为：

b_l(n)＝LF{u_l(n)} (3)

完整的带限MP模型就被记为

其中，h_l为带限MP模型的系数；得到的带限MP模型，作为系数未知的带限数字预失真执行器模型；

S102.带限数字预失真提取模块采用间接学习架构提取带限数字预失真执行器模型的系数：

假设功放输入对应的数字信号为x(n)，功放输出对应的数字信号为y(n)，即：

对于数字信号x(n)进行数模转换和上变频后，将得到的信号送入功放，然后对功放输出的信号进行下变频和模数转换得到功放输出对应的数字信号y(n)；

考虑采集了N组输入输出数据样本，记为：

x＝[x(1)，x(2)，...，x(n)] (5)

y＝[y(1)，y(2)，...，y(n)] (6)

基于间接学习架构进行数字预失真模型系数提取：

A1首先设计低通滤波器LF,带限数字预失真线性化频带为低通滤波器的截止频率f₀控制；即，带限数字预失真线性频率范围为-f₀到f₀的频带；例如，假如f₀＝10MHz，则带限数字预失真部分线性化频率范围为-10MHz到10MHz的频带。

A2然后对y采用LF进行滤波，即：

y＝LF{y} (7)

A3将公式(1)中的x(n)替换为y(n)，采用公式(7)所示的滤波后的样本y和用LF进行滤波后的基函数b_l(n)构造相应的数据列向量b_l。

A4根据所有数据列向量构造数据矩阵

B＝[b₁，b₂，...，b_L] (8)

A5最后根据数据矩阵B和x利用下式所示的LS算法计算得到带限数字预失真模型的系数：

h＝(B^HB)^-1B^Hx (9)

其中h为系数向量，即h＝[h₁，h₂，...，h_L]^T。

S103.将系数向量h应用到公式(4)中的带限数字预失真执行器模型中，模型构建完成，此时当信号输入时，带限数字预失真器的输出信号带宽所占的频率范围为-f₀到f₀。

进一步地，所述步骤S2包括：

S201.设功放输入输出数据对应的数字信号采用依然是公式(5)和公式(6)所示的x和y，功放模型采用公式(1)所示的MP模型；

S202.首先利用x和y中的样本，根据公式(1)构建数据矩阵X，然后用下式所示的LS算法计算功放前向模型系数

c＝(X^HX)^-1X^Hy (10)

其中c＝[c₁₀，c₁₁，...，c_K(Q-1)]^T表示功放的前向模型系数。

矩阵X一共有L＝K×Q列，记为X＝[x₁，x₂，...，x_L]，每一列都对应公式(1)中的一个k,q取不同值时的基函数；在本申请的实施例x₁对应公式(1)中的k＝1，q＝0的基函数，即x₁＝[x(1)，x(2)，...，x(N)]，其中x₂对应公式(1)中的k＝1，q＝1的基函数；x_L对应k＝K，q＝Q-1的基函数，即x_L＝[x(1-Q+1)|x(1-Q+1)|^K-1，x(2-Q+1)|x(2-Q+1)|^K-1，...，x(N-Q+1)|x(N-Q+1)|^K-1]

将构建得到的功放前向系数c应用到公式(1)所示的MP模型中，得到功放前向模型，即功放前向模型为

其中u(n)模型输出的功放信号，x(n)表示信号源的模型输入信号。

进一步地，所述步骤S4包括：

将第一路信号进行通过第一DAC模块进行数模转换，并通过第一上变频模块变频到载频为f_c的射频信号，并通过带通滤波器传输给功放进行放大；最终会在功放输出端抑制频率范围为f_c-f₀到f_c+f₀的非线性失真，其中第一DAC模块的采样率仅需要2f₀；

将第二路信号经过高通滤波器，将功放输出信号的带内失真部分滤掉，高通滤波器截止频率为f₀，只保留频率范围在-f₀到f₀之外的非线性失真；将高通滤波器输出的信号通过第二DAC模块转换为模拟信号，再并通过第二上变频模块变频到载频为f_c的射频信号，此时的射频信号中只保留f_c-f₀到f_c+f₀之外的非线性失真，通过一个射频调幅器件(如采用小功率功放)进行功率调整。

所述步骤S5包括：将射频调幅器件输出的信号与功放输出的信号相减(功放输出的信号减去射频调幅器件输出的信号)，抑制掉频率范围在f_c-f₀到f_c+f₀之外的非线性失真。

如图3所示，一种数字前馈辅助的宽带数字预失真装置，包括：

数字预失真模型构建模块，用于构建带限数字预失真执行器模型；

功放前向模型构建模块，用于构建功放前向模型；

基带信源，用于产生基带信号，分别传输给构建的带限数字预失真执行器模型和功放前向模型进行处理，得到带限预失真信号和功放前向模型输出信号；

带限信号处理模块，用于将带限预失真信号进行数模转换和上变频处理后，经带通滤波器传输给功放，由功放进行放大；

前向信号处理模块，用于将功放前向模型输出信号经过高通滤波，再进行数模转换、上变频和调幅处理；

信号相减模块，用于将功放输出的信号和调幅处理得到的信号相减，实现带外非线性失真抑制。

综上，本发明带限数字预失真部分通路的第一DAC模块的采样率的要求相对于传统的全频段数字预失真的DAC采样率要求可以降低。本发明可以对功放进行全频段的非线性失真进行抑制，即降低功放输出信号K倍(K为非线性阶数，例如K＝5)于信号带宽的宽带范围内的非线性失真，并可以降低对主发射通路的射频带宽要求。

在申请的实施例中：假设信源信号带宽是500MHz，即信源宽带信号占据的频率范围为-250MHz到250MHz。考虑f_c＝4000MHz载波，且发射通道的带通滤波器通带为3700MHz到4300MHz。此时，可以将带限数字预失真中的低通滤波器LF的截止频率设为例如f₀＝300MHz。带限数字预失真通路的第一DAC模块采样率只需要600MHz，且带限数字预失真抑制3700MHz到4300MHz频率范围的非线性失真。前馈辅助通路的高通滤波截止频率为300MHz，并且前馈富足通路抑制频率范围在3700MHz到4300MHz之外的非线性失真。

此时，反馈通路(对功放输出的信号进行下变频和模数转换得到功放输出对应的数字信号y(n)的通路)的ADC模块采样率可以设置为不同大小。例如这里列举了三种技术下的采样率：(1)采用一片全采样率的ADC，并考虑基带采样定理将该ADC采样率设置为全采样率，即覆盖信号所占据的所有带宽的采样率。例如，考虑K＝5倍的信号频谱拓展时，拓展后的信号占据的频率范围为2500MHz，此时ADC可以采用2500MHz采样率。

(2)采用一片ADC，利用基于带限方法的采样率，即采样率与DAC1的采样率相等，如一片600MHz采样率的ADC。此时公式(9)所示的预失真系数提取不变，公式(10)所示的功放模型系数提取需要采用与公式(9)类似的带限方法提取系数。

(3)采用多片ADC的，每片ADC采样率都比较低，然后将多片ADC采集的数据恢复成高采样率的数据。如5片500MHz采样率的ADC，将5片ADC采集的500MHz数据再恢复成2500MHz采样率的数据

其他基于不同技术的不同采样率也可以作为这里使用的方法。

此时，前馈通路(前向信号处理模块)的第二DAC模块的采样率可以通过不同的方法设置为不同大小。例如这里列举了两种技术下的采样率：

(1)采用一片DAC，并考虑基带采样定理将该DAC采样率设置为全采样率，即覆盖信号所占据的所有带宽的采样率。例如，考虑K＝5倍的信号频谱拓展时，拓展后的信号占据的频率范围为2500MHz，此时DAC可以采用2500MHz采样率。

(2)采用多片DAC，每一片DAC的采样率都比较低，每一片DAC都只将频谱的一部分转化为模拟信号，再利用每一片DAC输出的模拟信号，对消对应部分的非线性失真。其他基于不同技术的不同采样率也可以作为这里使用的方法。

上述说明示出并描述了本发明的一个优选实施例，但如前所述，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，并能够在本文所述发明构想范围内，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)

1.一种数字前馈辅助的宽带数字预失真方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1.构建带限数字预失真执行器模型；

S2.构建功放前向模型；

S3.基带信源产生信号输入带限数字预失真执行器模型中，得到带限数字预失真信号作为第一路信号；与此同时，将基带信源产生的信号输入功放前向模型中，得到功放前向模型输出信号作为第二路信号；

S4.将第一路信号进行数模转换和上变频处理后，进行带通滤波处理，然后传输给功放，由功放进行放大；将第二路信号经过高通滤波处理后，进行数模转换、上变频和调幅处理：

将第一路信号进行通过第一DAC模块进行数模转换，并通过第一上变频模块变频到载频为f_c的射频信号，并通过带通滤波器传输给功放进行放大；最终会在功放输出端抑制频率范围为f_c-f₀到f_c+f₀的非线性失真，其中第一DAC模块的采样率仅需要2f₀；

将第二路信号经过高通滤波器，将功放输出信号的带内失真部分滤掉，高通滤波器截止频率为f₀，只保留频率范围在-f₀到f₀之外的非线性失真；将高通滤波器输出的信号通过第二DAC模块转换为模拟信号，再并通过第二上变频模块变频到载频为f_c的射频信号,此时的射频信号中只保留f_c-f₀到f_c+f₀之外的非线性失真，通过一个射频调幅器件进行功率调整；

S5.将功放放大后的信号与调幅处理得到的信号相减，得到最终的信号处理结果。

2.根据权利要求1所述的一种数字前馈辅助的宽带数字预失真方法，其特征在于：在步骤S5得到最终的信号处理结果后，将获得的信号通过天线对外发送。

3.根据权利要求1所述的一种数字前馈辅助的宽带数字预失真方法，其特征在于：所述步骤S1中包括以下子步骤：

S101.构建带限数字预失真执行器模型：

采用MP模型作为基础模型：

其中，x(n)为模型输入，y(n)为模型输出，K为非线性阶数，Q为记忆深度，h_kq为模型系数，MP模型一共含有L＝K×Q个模型项；

将第l个模型项记为：

u_l(n)＝x(n-q)|x(n-q)|^k-1 (2)

其中，l＝1,2,...,L；

构建带限MP模型，即将MP模型的基函数u_l(n)利用一个低通滤波器进行带限滤波，所述基函数即每一个模型项；设低通滤波器截止频率为f₀，记为LF；

则带限MP模型的基函数为：

b_l(n)＝LF{u_l(n)} (3)

完整的带限MP模型就被记为

其中，h_l为带限MP模型的系数；得到的带限MP模型，作为系数未知的带限数字预失真执行器模型；

S102.提取带限数字预失真执行器模型的系数：

假设功放输入对应的数字信号为x(n)，功放输出对应的数字信号为y(n)，即：

对于数字信号x(n)进行数模转换和上变频后，将得到的信号送入功放，然后对功放输出的信号进行下变频和模数转换得到功放输出对应的数字信号y(n)；

考虑采集了N组输入输出数据样本，记为：

x＝[x(1),x(2),...,x(n)] (5)

y＝[y(1),y(2),...,y(n)] (6)

基于间接学习架构进行数字预失真模型系数提取:

A1首先设计低通滤波器LF,带限数字预失真线性化频带为低通滤波器的截止频率f₀控制；即，带限数字预失真线性频率范围为-f₀到f₀的频带；

A2然后对y采用LF进行滤波，即:

y1＝LF{y} (7)

A3将公式(1)中的x(n)替换为y(n)，采用公式(7)所示的滤波后的样本y1和用LF进行滤波后的基函数b_l(n)构造相应的数据列向量b_l；

A4根据所有数据列向量构造数据矩阵

B＝[b₁,b₂,...,b_L] (8)

A5最后根据数据矩阵B和x利用下式所示的LS算法计算得到带限数字预失真模型的系数:

h＝(B^HB)^-1B^Hx (9)

其中h为系数向量，即h＝[h₁,h₂,...,h_L]^T；

S103.将系数向量h应用到公式(4)中的带限数字预失真执行器模型中，模型构建完成，此时当信号输入时，带限数字预失真器的输出信号带宽所占的频率范围为-f₀到f₀。

4.根据权利要求2所述的一种数字前馈辅助的宽带数字预失真方法，其特征在于：所述步骤S2包括：

S201.设功放输入输出数据对应的数字信号采用依然是公式(5)和公式(6)所示的x和y，功放模型采用公式(1)所示的MP模型；

S202.首先利用x和y中的样本，根据公式(1)构建数据矩阵X，矩阵X一共有L＝K×Q列，记为X＝[x₁,x₂,…,x_L]，每一列都对应公式(1)中的一个基函数；然后用下式所示的LS算法计算功放前向模型系数

c＝(X^HX)^-1X^Hy (10)

其中c＝[c₁₀,c₁₁,…,c_K(Q-1)]^T表示功放的前向模型系数；将构建得到的功放前向系数c应用到公式(1)所示的MP模型中，得到功放前向模型，即功放前向模型为

其中u(n)模型输出的功放信号，x(n)表示信号源的模型输入信号。

5.根据权利要求4所述的一种数字前馈辅助的宽带数字预失真方法，其特征在于：所述步骤S5包括：将射频调幅器件输出的信号与功放输出的信号相减，抑制掉频率范围在f_c-f₀到f_c+f₀之外的非线性失真。

6.一种数字前馈辅助的宽带数字预失真装置，基于权利要求1～5中任意一项所述的方法，其特征在于：包括：

数字预失真模型构建模块，用于构建带限数字预失真执行器模型；

功放前向模型构建模块，用于构建功放前向模型；

基带信源，用于产生基带信号，分别传输给构建的带限数字预失真执行器模型和功放前向模型进行处理，得到带限预失真信号和功放前向模型输出信号；

带限信号处理模块，用于将带限预失真信号进行数模转换和上变频处理后，经带通滤波器传输给功放，由功放进行放大；

前向信号处理模块，用于将功放前向模型输出信号经过高通滤波，再进行数模转换、上变频和调幅处理；

信号相减模块，用于将功放输出的信号和调幅处理得到的信号相减，实现带外非线性失真抑制。

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