CN116436539A - 放大器非线性校准装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种放大器非线性校准装置及方法，涉及数据处理技术领域，包括：预失真模块、信号处理模块和误差分析模块，所述信号处理模块分别与所述预失真模块和所述误差分析模块通信连接；其中，所述预失真模块用于将输入信号进行非线性处理，输出第一信号；其中，所述信号处理模块用于对所述第一信号依次进行功率放大、功分、下变频、低通滤波和中频信号采样处理，将所述第一信号分为多个功放输出信号；其中，所述误差分析模块用于对所述输入信号和每一个所述功放输出信号的误差进行分析，得到第一权重，所述第一权重用于进行所述非线性处理。

Description

放大器非线性校准装置及方法
技术领域
本发明涉及数据处理技术领域，尤其涉及一种放大器非线性校准装置及方法。
背景技术
在相关技术中，第四代移动通信技术（4th Generation Mobile CommunicationTechnology，简称4G）、第五代移动通信技术（5th Generation Mobile CommunicationTechnology，简称5G）、WiFi等无线通信系统中，信号的峰均比（Peak to Average PowerRatio，PAPR)一般都大于10dB，这些系统发送大功率信号时，高 PAPR 特性势必会将放大器推入非线性区。因此输出信号将产生更多频谱分量，进而干扰临近频率范围的无线通信系统。
为了保证放大器输出信号的线性度，减少带外杂散，发射机往往采取各种放大器线性化技术。主流的线性化技术包括功率回退法、负反馈法、前馈法、包络跟踪法、有源负载调制技术（Doherty）和数字预失真(Digital Pre-Distortion，DPD)等。
相关技术中，数字预失真技术先进，复杂度适中，为当前的主流技术；但是数字预失真技术中，如何有效进行输入信息和功放输出信号的误差分析一直是难点。
发明内容
本发明提供一种放大器非线性校准装置及方法，用以解决现有技术中数字预失真技术中，难以有效进行输入信息和功放输出信号的误差分析的缺陷。
本发明提供一种放大器非线性校准装置，包括：预失真模块、信号处理模块和误差分析模块，所述信号处理模块分别与所述预失真模块和所述误差分析模块通信连接；
其中，所述预失真模块用于将输入信号进行非线性处理，输出第一信号；
其中，所述信号处理模块用于对所述第一信号依次进行功率放大、功分、下变频、低通滤波和中频信号采样处理，将所述第一信号分为多个功放输出信号；
其中，所述误差分析模块用于对所述输入信号和每一个所述功放输出信号的误差进行分析，得到第一权重，所述第一权重用于进行所述非线性处理。
根据本发明提供的一种放大器非线性校准装置，所述信号处理模块，具体包括：功率放大器、功分耦合器、频带分离单元、模数转换单元；其中，所述功分耦合器分别与所述功率放大器的输出端和所述频带分离单元的输入端通信连接，所述模数转换单元与所述频带分离单元的输出端通信连接；
其中，所述功率放大器用于对所述输入信号进行放大，得到功放输出信号；
其中，所述功分耦合器用于将所述功放输出信号进行功分耦合处理，输出耦合信号；
其中，频带分离单元用于将所述耦合信号分为多个子频带信号；
其中，所述模数转换单元用于对所述多个子频带信号进行中频信号采样，得到多个功放输出信号。
根据本发明提供的一种放大器非线性校准装置，所述频带分离单元，具体包括：混频器和低通滤波器；
其中，所述混频器用于将所述耦合信号进行下变频处理，所述低通滤波器用于滤除所述混频器输出信号中高频信号，通过所述混频器和所述低通滤波器将所述耦合信号分为多个子频带信号。
根据本发明提供的一种放大器非线性校准装置，所述误差分析模块，包括：误差估计模块和权重更新模块；
其中，所述误差估计模块用于分析每个所述功放输出信号与所述输入信号之间的误差，并根据各个所述误差之和确定误差度量信息；
其中，所述权重更新模块用于根据所述误差度量信息进行第一权重更新，得到最新的第一权重。
根据本发明提供的一种放大器非线性校准装置，所述装置还包括：时延补偿模块，所述时延补偿模块设置于所述输入信号至所述误差估计模块之间；
其中，所述时延补偿模块用于提供时延补偿，所述时延补偿用于补偿所述输入信号和所述功放输出信号到达所述误差估计模块的路径时差。
根据本发明提供的一种放大器非线性校准装置，所述误差分析模块，还用于：
对所述第一信号与每一个所述功放输出信号的误差进行分析，得到第二权重，所述第二权重用于进行所述非线性处理。
本发明还提供一种基于上述放大器非线性校准装置的校准方法，包括：
所述信号处理模块对第一信号依次进行功率放大、功分、下变频、低通滤波和中频信号采样处理，将所述第一信号分为多个功放输出信号；
其中，所述第一信号是所述预失真模块用于将输入信号进行非线性处理后得到的；
所述误差分析模块对所述输入信号和每一个所述功放输出信号的误差进行分析，得到第一权重，所述第一权重用于进行所述非线性处理。
根据本发明提供的一种校准方法，所述误差分析模块对所述输入信号和每一个所述功放输出信号的误差进行分析，得到第一权重，具体包括：
所述误差分析模块分析每个所述功放输出信号与所述输入信号之间的误差，并根据各个所述误差之和确定误差度量信息；
根据所述误差度量信息进行第一权重更新，得到最新的第一权重。
本发明提供的一种放大器非线性校准装置及方法，通过信号处理模块，对所述第一信号依次进行功率放大、功分、下变频、低通滤波和中频信号采样处理，将功放输出信号变频到低中频，该低中频的设计可以有效降低了不理想的射频电路带来的直流偏置、IQ不平衡、高驻波比带来的自身信号反射等影响。并且将第一信号分为多个功放输出信号之后，在信号处理模块对功放输出信号进行模数转换时，可以有效降低模数转换单元的采样速率，并且将第一信号分为多个功放输出信号，依次评估各个功放输出信号的失真度，降低了反馈回路的模数转换单元采样率，可以采用廉价模数转换芯片，或者采用中低端的频谱仪/示波器，降低系统成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为相关技术中数字预失真常见的结构示意图；
图2为本申请实施例提供的放大器非线性校准装置结构示意图之一；
图3为本申请实施例提供的放大器非线性校准装置结构示意图之二；
图4为本申请实施例提供的放大器非线性校准装置结构示意图之三；
图5为本申请实施例中进行误差分析的流程示意图；
图6为本申请实施例提供的校准方法流程示意图；
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动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。
图1为相关技术中数字预失真常见的结构示意图，如图1所示，相关技术中，由于功率放大器会将原始信号的频谱展宽几倍，因此在采样功放输出信号的时候就需要速率更快的模数转换单元（Analog-Digital Converter，ADC）。因此对于5G、Wifi6等宽带系统，带宽达到160MHz，或者像信号源、频谱仪、示波器等测量设备，系统带宽达到1G甚至几十GHz，很难有几十GHz而且有效采样bit>10bit的商业ADC芯片可用。这是 DPD 应用在宽带信号场景下最大的瓶颈。
数字预失真技术的前提是对功放的准确建模。功放模型分为以下两类：
无记忆模型：
saleh模型；
无记忆多项式模型；
查找表。
有记忆模型：
Volterra级数模型；
Wiener模型；
Hammerstein模型；
记忆多项式模型。
其中，无记忆模型适用于窄带系统，比如20MHz带宽的通信系统。但是由于通信系统或者信号源的系统带宽的不断增加，功放的记忆效应变得不可忽略，无记忆预失真改善效果就变差了。这些系统的非线性功放，必须采用有记忆模型。
而相关技术中提出的标量预失真也是一种应用低速ADC的DPD方法，只需要采样反馈信号然后控制带外部分能量即可，避免了正交解调、精确时间同步等一系列问题，硬件结构得到极大简化。缺点是对记忆效应改善不好且收敛慢。
“频谱外推”也是一种应用低速ADC的DPD方法，在反馈回路使用带限滤波器虑除功放输出带外信息再采样，然后通过算法恢复功放输出信号再进行自适应学习。但由于需要多次迭代计算FFT和IFFT,运算量太大，不利于工程实现。而且至少需要1倍系统带宽的采样率，不能使用0.5倍系统带宽的采样率。
图2为本申请实施例提供的放大器非线性校准装置结构示意图之一，如图2所示，包括：预失真模块11、信号处理模块12和误差分析模块13，所述信号处理模块12分别与所述预失真模块11和所述误差分析模块13通信连接；
其中，所述预失真模块11用于将输入信号进行非线性处理，输出第一信号；
其中，所述信号处理模块12用于对所述第一信号依次进行功率放大、功分、下变频、低通滤波和中频信号采样处理，将所述第一信号分为多个功放输出信号；
其中，所述误差分析模块13用于对所述输入信号和每一个所述功放输出信号的误差进行分析，得到第一权重，所述第一权重用于进行所述非线性处理。
在本申请实施例中，输入信号在进入预失真模块后，预失真模块会根据权重来对输入信号进行非线性处理，输出非线性处理后的第一信号，其具体的处理函数为上述功放模型的逆系统，从而达到整体补偿功放非线性的目的。
在本申请实施例中，信号处理模块12中具体会包括：功率放大器、功分耦合器、频带分离单元、模数转换单元；
本申请实施例中，预失真模块输出的第一信号会进入功率放大器进行放大，然后输出功放输出信号，并将功放输出信号传输到功分耦合器。
本申请实施例中，功分耦合器具体可以是功分和耦合电路，其具体可以将所述功放输出信号进行功分耦合处理，将功放输出信号的一小部分功率反馈到频带分离单元中的混频器电路，即向频带分离单元反馈耦合信号。
在本申请实施例中，通过功分耦合器，减少了功放输出性能的损失，同时还提高了输出到校准电路的隔离度，减少功放输出的放大信号对校准电路的串扰影响。
本申请实施例中，耦合性信号会传输到频带分离单元中的混频器，该混频器可以实现耦合信号的下变频处理，其具体可以是首先根据模数转换单元采样速率的能力，划分多个小频带，然后混频器根据划分的多个小频带，将耦合信号依次转换为各个子频带信号。
本申请实施例中，不同于常规的直接变频到基带信号，通过低中频的设计，降低了不理想的射频电路带来的直流偏置、IQ不平衡、高驻波比带来的自身信号反射等影响。
本申请实施例中，频带分离单元中的低通滤波器会滤除混频器输出信号中的高频成分，最终得到多个子频带信号，通过低通滤波器处理后的子频带信号可以有效满足模数转换单元的采样的抗混叠要求。同时降低了系统噪声，提高校准性能。
在本申请实施例中，模数转换单元对多个子频带信号的中频信号采样，得到多个功放输出信号。
在本申请实施例中，模数转换单元在得到多个功放输出信号后，会将各个功放输出信号依次输出到误差估计模块中，误差估计模块可以具体比较每个功放输出信号与输入信号之间的误差，得到多个误差，然后在比较完所有功放输出信号与输出信号之间的误差之后，可以将这些误差进行求和，最终得到误差度量信息E[n]。
在一个可选地实施，每个功放输出信号与输入信号之间的误差，具体为：
在该功放输出信号对应的第s段频谱位于信号系统带宽外时：
Figure SMS_1
当该功放输出信号对应的频谱第s段频谱位于信号系统带宽内时：
Figure SMS_2
当该功放输出信号对应的第s段频谱宽度小于信号带宽时，可以对输入信号
Figure SMS_3
进行适当滤波，以匹配功放输出信号/>
Figure SMS_4
的带宽。
其中，
Figure SMS_5
为第s频段、第n次测量的误差度量值，s为第s频段，n为第n次测量（因为是校准过程是个迭代过程，所以测量将会执行多次，最终收敛到最优解），k为第n测量的数据索引，N为每次测量时，采集数据的固定数据量大小（即每次测量所采集的数据个数），
Figure SMS_6
为第n次测量，功放输出信号的第k个数据，/>
Figure SMS_7
为第n次测量，输入信号的第k个数据。
总的误差度量信息为：
Figure SMS_8
其中，S_total为划分的子频带信号的数量。
在本申请实施例中，在确定误差度量信息之后，可以该误差度量信息传输到权重更新模块，权重更新模块可以通过输入的误差信息E[n]，通过RLS、LMS等自适应算法，训练出权重值W[n]。
在一个可选地实施例中，RLS算法具体可以为包括初始化阶段和迭代运算阶段；
在初始化阶段：
Figure SMS_9
；
其中，
Figure SMS_10
可以是输入信号功率估计的倒数，I为N维单位矩阵， N为每次运算时，参与运算的数据长度， />
Figure SMS_11
为协方差矩阵的逆矩阵的近似矩阵，在以下运算中进行迭代更新，将逐渐逼近真实的协方差逆矩阵，避免了直接求矩阵逆的大运算量；
Figure SMS_12
；
在迭代运算阶段：
当n≥0时，计算
先验误差E[n]=Y[n]-X[n]W[n-1]；
Figure SMS_13
；
Figure SMS_14
；
λ为学习速率，0<λ<1；
Figure SMS_15
是为了方便运算而定义的一个中间符号，可以使得上面表达式更加简洁。
更新第一权重：
Figure SMS_16
；
图3为本申请实施例提供的放大器非线性校准装置结构示意图之二，如图3所示，在输入信号到误差估计模块的链路中加入时延补充，通过该时延补偿可以补偿输入信号功放输出信号到达所述误差估计模块的路径时差。
图4为本申请实施例提供的放大器非线性校准装置结构示意图之三，如图4所示，在一个可选地实施例中，可以将误差估计模块的输入由输入信号调整为第一信号，此时误差估计模块可以根据第一信号与每一个所述功放输出信号的误差进行分析，得到第二权重，然后通过第二权重来进行非线性处理。
图5为本申请实施例中进行误差分析的流程示意图，如图5所示，包括：首先将系统监控带宽划分为
Figure SMS_17
段，编号从1,2…/>
Figure SMS_18
，然后对于这些带宽，从编号1的带宽开始，调整LO（t）到第s段本振频率，然后采集第s段低中频信号/>，在采集后，进行数字下变频处理，然后计算第s段的误差度量M[s,n]，令S=S+1，若其并未大于/>
Figure SMS_20
，则重新回到调整LO（t）到第s段本振频率的步骤，直至S大于或者等于/>
Figure SMS_21
，然后计算/>
Figure SMS_22
，根据
Figure SMS_23
进行权重更新。
Figure SMS_24
；
在本申请实施例中，通过信号处理模块，对所述第一信号依次进行功率放大、功分、下变频、低通滤波和中频信号采样处理，将功放输出信号变频到低中频，该低中频的设计可以有效降低了不理想的射频电路带来的直流偏置、IQ不平衡、高驻波比带来的自身信号反射等影响。并且将第一信号分为多个功放输出信号之后，在信号处理模块对功放输出信号进行模数转换时，可以有效降低模数转换单元的采样速率，并且将第一信号分为多个功放输出信号，依次评估各个功放输出信号的失真度，降低了反馈回路的模数转换单元采样率，可以采用廉价模数转换芯片，或者采用中低端的频谱仪/示波器，降低系统成本。
图6为本申请实施例提供的校准方法流程示意图，如图6所示，包括：
步骤610，所述信号处理模块对第一信号依次进行功率放大、功分、下变频、低通滤波和中频信号采样处理，将所述第一信号分为多个功放输出信号；
其中，所述第一信号是所述预失真模块用于将输入信号进行非线性处理后得到的；
步骤620，所述误差分析模块对所述输入信号和每一个所述功放输出信号的误差进行分析，得到第一权重，所述第一权重用于进行所述非线性处理。
所述误差分析模块对所述输入信号和每一个所述功放输出信号的误差进行分析，得到第一权重，具体包括：
所述误差分析模块分析每个所述功放输出信号与所述输入信号之间的误差，并根据各个所述误差之和确定误差度量信息；
根据所述误差度量信息进行第一权重更新，得到最新的第一权重。
上文对本发明提供的校准方法进行描述，与上文描述的放大器非线性校准装置可相互对应参照，此处不再赘述。
本申请实施例通过信号处理模块，对所述第一信号依次进行功率放大、功分、下变频、低通滤波和中频信号采样处理，将功放输出信号变频到低中频，该低中频的设计可以有效降低了不理想的射频电路带来的直流偏置、IQ不平衡、高驻波比带来的自身信号反射等影响。并且将第一信号分为多个功放输出信号之后，在信号处理模块对功放输出信号进行模数转换时，可以有效降低模数转换单元的采样速率，并且将第一信号分为多个功放输出信号，依次评估各个功放输出信号的失真度，降低了反馈回路的模数转换单元采样率，可以采用廉价模数转换芯片，或者采用中低端的频谱仪/示波器，降低系统成本。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备（可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等）执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种放大器非线性校准装置，其特征在于，包括:预失真模块、信号处理模块和误差分析模块，所述信号处理模块分别与所述预失真模块和所述误差分析模块通信连接；
其中，所述预失真模块用于将输入信号进行非线性处理，输出第一信号；
其中，所述信号处理模块用于对所述第一信号依次进行功率放大、功分、下变频、低通滤波和中频信号采样处理，将所述第一信号分为多个功放输出信号；
其中，所述误差分析模块用于对所述输入信号和每一个所述功放输出信号的误差进行分析，得到第一权重，所述第一权重用于进行所述非线性处理。
2.根据权利要求1所述的放大器非线性校准装置，其特征在于，所述信号处理模块，具体包括：功率放大器、功分耦合器、频带分离单元、模数转换单元；其中，所述功分耦合器分别与所述功率放大器的输出端和所述频带分离单元的输入端通信连接，所述模数转换单元与所述频带分离单元的输出端通信连接；
其中，所述功率放大器用于对所述输入信号进行放大，得到功放输出信号；
其中，所述功分耦合器用于将所述功放输出信号进行功分耦合处理，输出耦合信号；
其中，频带分离单元用于将所述耦合信号分为多个子频带信号；
其中，所述模数转换单元用于对所述多个子频带信号进行中频信号采样，得到多个功放输出信号。
3.根据权利要求2所述的放大器非线性校准装置，其特征在于，所述频带分离单元，具体包括：混频器和低通滤波器；
其中，所述混频器用于将所述耦合信号进行下变频处理，所述低通滤波器用于滤除所述混频器输出信号中高频信号，通过所述混频器和所述低通滤波器将所述耦合信号分为多个子频带信号。
4.根据权利要求2所述的放大器非线性校准装置，其特征在于，所述误差分析模块，包括：误差估计模块和权重更新模块；
其中，所述误差估计模块用于分析每个所述功放输出信号与所述输入信号之间的误差，并根据各个所述误差之和确定误差度量信息；
其中，所述权重更新模块用于根据所述误差度量信息进行第一权重更新，得到最新的第一权重。
5.根据权利要求4所述的放大器非线性校准装置，其特征在于，所述装置还包括：时延补偿模块，所述时延补偿模块设置于所述输入信号至所述误差估计模块之间；
其中，所述时延补偿模块用于提供时延补偿，所述时延补偿用于补偿所述输入信号和所述功放输出信号到达所述误差估计模块的路径时差。
6.根据权利要求1所述的放大器非线性校准装置，其特征在于，所述误差分析模块，还用于：
对所述第一信号与每一个所述功放输出信号的误差进行分析，得到第二权重，所述第二权重用于进行所述非线性处理。
7.一种基于上述权利要求1-6任一项所述放大器非线性校准装置的校准方法，其特征在于，包括：
所述信号处理模块对第一信号依次进行功率放大、功分、下变频、低通滤波和中频信号采样处理，将所述第一信号分为多个功放输出信号；
其中，所述第一信号是所述预失真模块用于将输入信号进行非线性处理后得到的；
所述误差分析模块对所述输入信号和每一个所述功放输出信号的误差进行分析，得到第一权重，所述第一权重用于进行所述非线性处理。
8.根据权利要求7所述的校准方法，其特征在于，所述误差分析模块对所述输入信号和每一个所述功放输出信号的误差进行分析，得到第一权重，具体包括：
所述误差分析模块分析每个所述功放输出信号与所述输入信号之间的误差，并根据各个所述误差之和确定误差度量信息；
根据所述误差度量信息进行第一权重更新，得到最新的第一权重。
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