CN1675828A - 使用交叉调制的盲线性化 - Google Patents

Abstract

接收到一经幅度调制的源信号(102)，该信号具有一源频率带宽和一源包络。计算一伪包络，如果伪包络和源包络能够组合则导出一常数。生成经幅度调制的伪信号(105)，该伪信号显示出所计算的伪信号包络，并且具有与源频率带宽不同的规定频率带宽。源信号和伪信号相加以形成一组合信号(113)，该组合信号指向非线性电路(114)的输入(114a)，非线性电路也就是显示出依赖于幅度的非线性特性的电路。从输出中滤除伪频率带宽的信号以及任何互调产物，从而提供与原始的源信号相对应的线性化输出(118)。

Description

使用交叉调制的盲线性化

背景

技术领域

本发明一般涉及强制非线性电路(也就是给定功能的应用随着输入信号幅度的变化而变化的电路)将其功能应用于经幅度调制的源信号而没有这种非线性特性的方法。这是通过把经幅度调制的源信号与一个或多个伪信号(一个伪信号用于主导的三阶非线性特性，两个伪信号用于五阶非线性特性，等等)相组合以提供能被线性对待的组合信号而完成的，而不修改电路自身的特性。然后从电路的输出中滤除伪信号以及其它由于引入伪信号而生成的信号。

背景技术

在电路无论输入信号的特征而向它们应用相同的功能时，电路是“线性的”。例如，如果电路无论输入信号具有小幅度还是大幅度都向它们应用同一功能，电路就没有依赖于幅度的非线性特性。相反，如果电路的功能按照输入信号的幅度进行变化，它就显示出依赖于幅度的非线性特性。具有依赖于幅度的非线性特性的电路一例是一放大器，该放大器把小幅度的输入信号乘以10，但随着输入信号幅度的增加，把它们依次乘以较小的数，比如9.8、9.7、9.6、9.5等等。因此，放大器的行为依赖于其输入信号的大小。

非线性特性是许多电路以及诸如晶体管等各种电路元件的固有属性，因此它在许多不同情况下甚至是期望的。然而在处理经幅度调制的通信信号时，非线性电路元件通常是不期望的。从定义上讲，经幅度调制的信号以信号包络幅度改变的方式来表示信息。由于该基于幅度的变化，非线性电路会不一致地处理经幅度调制的输入信号——并没有统一地应用同一功能。这一点的效应是输入信号的频率带宽变宽。例如，最初占据一窄频率带宽的输入信号最终会占据较宽的频率范围。因此，具有依赖于幅度的非线性特性的电路通常会提高经幅度调制的输入信号的带宽。

这一频率扩展会产生许多问题。例如，通信设备的输出信号，其由于上述该非线性效应而变宽，会与相同类型的另一设备所使用的频率信道重叠。作为一更具体的例子，一个无绳电话的信号会与另一无绳电话所使用的频率信道重叠。这称为“干扰”，并且会使其它设备的操作显著降级。此外，如果主设备正在使用为这种设备分配的频带边缘上的信道，设备的输出信号甚至能与不相关设备的频带重叠。这样，无绳电话会与甚至不是无绳电话的一个不同的设备产生干扰。

目前，工程师一般尝试通过以下技术来移除或补偿信号发射机内的非线性特性，比如限制使用非线性电路的输入信号的范围、以及过滤非线性电路的输出以移除不期望频率的信号。其它技术也是公知的，比如预失真线性化、前馈线性化以及调制反馈。

然而这些技术并不是在所有情况下都足够。例如，由于预失真要求准确的非线性模型、前馈要求准确和自适应的RF电路匹配、而调制反馈趋于不稳定，因此仍然会存在问题。

发明内容

一种对具有依赖于幅度的非线性特性的电路(“非线性电路”)进行线性化的方法使电路能没有其固有非线性特性地应用其功能，并且无须修改电路的工作特性。这通过把经幅度调制的源信号与一伪信号组合以提供能被非线性电路线性地对待的组合信号而完成。然后从电路的输出中滤除伪信号以及其它由于引入伪信号而产生的信号。

按照本发明一个较具体的方面，执行以下操作。首先，接收一经幅度调制的源信号，该信号具有一源频率带宽和一源包络。计算一伪包络，如果源包络和伪包络能够以预定的方式组合，则导出一常数。生成经幅度调制的伪信号，该伪信号显示出所计算的伪包络，并且具有与源频率带宽不同的规定频率带宽。源信号和伪信号相加以形成一组合信号，该组合信号指向非线性电路的输入。从输出中滤除伪频率带宽的信号以及其它由于引入伪信号而形成的信号，从而提供完全可归因于源信号的线性化输出。

附图说明

图1A是示例性线性化电路的硬件组件和互联的框图。

图1B是具有多个伪信号发生器的线性化电路的硬件组件和互联的框图。

图2是一示例性的数字数据处理机。

图3是一示例性的信号承载介质。

图4是示出示例性盲线性化操作序列的流程图。

图5A-5B是分别示出具有源包络的源信号和具有伪包络的伪信号的信号图。

具体实施方式

结合附图考虑以下详细描述，本发明的特征、目标和优点对于本领域的技术人员将变得更为明显。

硬件组件和互联

简介

本发明的一方面涉及线性化装置，其可由各种硬件组件和互联来体现，一个例子由图1A的信息化电路101描述。线性化电路是在示例性应用环境100中说明，该环境包括一非线性电路114。在环境100中，描述了各种输入和输出，比如102、113、114a、114b、118等。根据该环境，利用这些参考数字来表示硬件输入/输出线(“输入”和“输出”)以及这些输入/输出线上存在的输入信号和输出信号。而且，尽管术语“电路”是为了引用简便而使用，然而这里所述的电路可以用离散电子设备、印刷电路板轨迹、集成电路、固件、软件、硬件、或者上述的任何组合来实现。下面参照示例性的数字数据处理装置、逻辑电路以及信号承载介质更详细地描述了一些示例性子组件的组成。

通常，输入信号(比如102)直接输入一非线性电路(比如114)，非线性电路仅仅处理该输入信号并提供其输出(在114b处)。取代这个把输入信号102直接提供给非线性电路114的已知方法，本发明的一方面把输入信号102重定向到一线性化电路101，线性化电路101产生一经调节的信号113，经调节的信号113取代输入信号102被输入非线性电路114。而且，取代把非线性电路114的输出114b视为最终输出，线性化电路101的附加组件用来进一步处理该输出114b以提供最终线性化的输出118。线性化输出118没有电路114的非线性效应，而如果把输入信号102直接提供给电路114则会在114b存在所述非线性效应。

非线性电路

非线性电路114在其输入114a处向信号应用一给定的功能，并在114b处产生所产生的输出。然而，由于给定的功能随着到达114a的信号的幅度而改变，因此电路114是非线性的。作为一简单的例子，电路114会设法使其输入信号114a的幅度翻倍。该情况下，如果输入信号为2mV，则电路114的输出为4mV。然而，继续该例子，电路114的性能开始随着输入信号的幅度增大而降级。取代把输入信号乘以2，电路114开始把输入信号乘以1.95、然而对于较大幅度的输入信号乘以1.9、然后是1.85、1.8、依此类推。因此，电路114显示出依赖于幅度的非线性特性，因为它所应用的功能根据输入信号幅度的变化而变化。

最好是，本发明可无须知道电路114的非线性特性的程度、行为或其它具体特征而实现。从这一点上来说，本发明的一方面是“盲”线性化。仅需知道电路114的非线性类别，尤其是电路显示出依赖于幅度的非线性特性。这样，电路114产生AM-AM和AM-PM失真，意味着输入信号的幅度调制(AM)引起输出信号的非线性幅度调制、以及/或者输入信号的幅度调制引起输出信号的非线性相位调制(PM)。

不加任何限制，非线性电路114的一些例子包括放大器、滤波器、隔离器、RF元件、混频器等等。

线性化电路

线性化电路101与非线性电路114结合用来强制电路114提供一线性输出。非线性电路101预先处理输入102并把经预处理的输入113提供给非线性电路114，而不是把源信号102直接提供给非线性电路114；线性化电路101还对非线性电路的输出114b进行后处理，，最终提供线性化的输出118。因而，线性化电路101包括驻留在非线性电路114和输入102之间的一些预处理组件104、112、以及驻留在非线性电路114和最终输出118之间的一些后处理组件116。

如上所述，输入102和非线性电路114之间有各种预处理组件。这包括补码发生器104和加法器112。补码发生器104包括包络检测器106、包络补码计算器108以及伪信号发生器110。包络检测器106度量、量化、估计、计算或确定到达输入102处的信号的包络。这称为源包络。包络检测器106可以通过各种广泛公知的包络检测器来实现，比如一个或多个二极管、电容器、电阻器等电路结构。或者，在包络信息已知的应用中，源包络描述从另一个信源(未示出)到达补码发生器104，例如以数字形式。

包络补码计算器108计算与源包络互补的“伪包络”。从广义上来说，计算伪包络，使得如果伪包络与源包络相加，结果会是一常数。这样，在一种基本实现中，任何时刻伪包络的值都是通过从一常数中减去源包络而计算的。下面更详细地描述了伪包络的计算。

在一例中，补码计算器108可以使用晶体管这样的离散电路来构造。或者，补码计算器108可以用软件来实现，尤其在包络检测器106缺省且源包络描述以数字形式到达的情况下。

伪信号发生器110对载波信号的幅度进行调制以提供由伪包络表征的伪信号。作为一代表性的例子，不加任何限制，伪信号发生器110可包括振荡器和乘法器，其中乘法器计算载波与108所计算的伪包络之积。这可以用例如极化调制来实现。在一不同的例子中，伪信号发生器110可包括一正交调制器，包括基于所计算的伪包络来计算I和Q分量的电路、以及计算这些I和Q分量之积的乘法器。无论哪种调制方案，伪信号105都在一个或多个频率(频率“带宽”)上出现，所述一个或多个频率故意与源频率带宽不同，以便帮助从最终输出118中移除伪信号，如下详细所述。

因此，105处补码发生器104的输出包括一伪信号，其包络由伪包络描述。该信号的频率带宽由伪信号发生器110确定。加法器112把伪信号105与原始的源信号102组合。然后，如上所述，组件104、112组成预处理组件，它们在源信号102到达非线性电路114前对其进行调节。预处理组件的输出是一经调节的输出113。该信号被馈入非线性电路114，非线性电路114处理其输入114a并且在114b处提供一输出。

如上所述，线性化电路101还包括非线性电路114和最终输出118之间的各个后处理组件。也就是，滤波器116用来移除任何“互调产物”，互调产物是指具有伪频率带宽的信号以及由于输入信号和具有非线性特性的伪信号的接合交互而产生的信号。这样，最终输出118仅包含可归因于源信号102的信号。滤波器116可包括例如一个或多个基带滤波器。

多补码发生器

任选的是，构想了不同结构的线性化电路101a来实现图1B所示的多个伪信号发生器110a、110b。就电路101a的组件不同于电路101(图1A)的组件来说，它们被赋予不同的参考数字，如下讨论。包络检测器106在图1A和1B中执行相同的功能。也就是，包络检测器106度量、量化、估计、计算或确定源包络。

尽管包络补码发生器108a以和图1的计算器108相似的方式进行，计算器108包括一些附加的功能。也就是，包络补码计算器108a计算两个伪包络(而不是一个)，其中这些伪包络是与源包络互补组合的。下面更详细地讨论已知用于产生多个伪包络的示例性方法。

图1B中，有多个伪信号发生器110a、110b。每个伪信号发生器110a、110b都对一个不同的载波信号进行调制以提供一伪信号，该伪信号显示出一个不同的所计算的伪包络(下面示出为A_de1和A_de2)。像单伪信号发生器110一样，图1B实施例中的每个伪信号发生器110a、110b都会利用例如极化或正交调制。

伪信号发生器110a、110b在线105a、105b上含有伪信号，所述发生器的输出被指引到加法器112。加法器112把伪信号105、106a与源信号102组合。因而，加法器112提供一经调节的输出113，经调节的输出113有一恒定或近似恒定的包络。该信号113在114a处被馈入非线性电路114。电路114处理输入114a并且在114b处提供输出。

像图1A的滤波器116一样，滤波器116a从非线性电路的输出114b中移除伪信号(以及由于输入信号和伪信号的接合交互而产生的信号)。然而，由于线性化电路101a利用多个伪信号105a、105b，因此滤波器116a被配置成移除每个伪频率带宽的信号以及这些信号的任何互调产物。

示例性的数字数据处理装置

如上所述，数据处理实体可以用各种形式来实现，所述实体诸如包络检测器、包络补码计算器、伪信号发生器、加法器、滤波器或者任一个或多个它们的子组件。一个例子是数字数据处理装置，它通过图2的数字数据处理装置的硬件组件和互联来例示。

装置200包括与存储器204耦合的处理器202，比如微处理器、个人电脑、工作站、控制器、微控制器、状态机或者其它处理机。在本例中，存储器204包括快速存取存储器206以及非易失性存储器208。快速存取存储器206可包括随即存取存储器(“RAM”)，它可用于保存处理器202所执行的编程指令。非易失性存储器208可包括例如电池备份RAM、EEPROM、快闪PROM、诸如“硬驱”、磁带驱动器等一个或多个磁性数据存储盘、或者任何其它适当的存储设备。装置200还包括一输入/输出210，比如线路、总线、电缆、电磁链路或者其它使处理器202与装置200外的其它硬件交换数据的装置。

尽管有上述具体的描述，然而本领域的普通技术人员(受益于本发明)会认识到，上述装置可以用不同构造的机器来实现，这不背离本发明的范围。举一个具体的例子，可以删除组件206、208之一；而且，存储器204、206和/或208能集成在处理器202上，或甚至被提供在装置200外。

逻辑电路

与上述数字数据处理装置相反，本发明的一个不同的实施例使用逻辑电路而不是计算机执行的指令来实现上述的各种处理实体。根据在速度、费用、工具成本等领域的应用的特定要求，该逻辑可以通过构造有几千个微型集成晶体管的专用集成电路(ASIC)来实现。这一ASIC可以用CMOS、TTL、VLSI或另一适当构造来实现。其它替代包括数字信号处理芯片(DSP)、离散电路(比如电阻器、电容器、二极管、电导器和晶体管)、现场可编程门阵列(FPGA)、可编程逻辑阵列(PLA)、可编程逻辑设备(PLD)等等。

操作

描述了本发明的结构特征后，现在将描述本发明的各个运作方面。如上所述，本发明的运行方面一般包括强制非线性电路将其功能以线性方式应用于经幅度调制的源信号的方法。如果不修改电路自身的特性，这是通过把经幅度调制的源信号与一伪信号组合以提供会被线性对待的组合信号来完成的。然后，从电路的输出中滤除伪信号以及任何互调产物。下面进一步讨论这些操作。

信号承载介质

只要本发明的任何功能是用一个或多个机器可执行程序序列实现的，这些序列就能体现在各种形式的信号承载介质中。在图2的环境中，这一信号承载介质可包括例如存储器204或另一信号承载介质，比如磁性数据存储盘300(图3)，它可由处理器202直接或间接地访问。无论是包含在存储器206、磁盘300还是其它地方，指令都可以被保存在多种机器可读数据存储介质上。一些示例包括直接存取存储器(例如常规的“硬驱”、冗余廉价磁盘阵列(“RAID”)或其它直接存取存储设备(“DASD”))、诸如磁带或光带这样的串行存取存储器、电子非易失性存储器(例如ROM、RPROM、快闪PROM或EEPROM)、电池备份RAM、光学存储器(例如CD-ROM、WORM、DVD、数字光带)、纸“打孔”卡、或者包括模拟或数字传输介质以及模拟和通信链路和无线通信在内的其它适当信号承载介质。在本发明一说明性实施例中，机器可读的指令可包括从诸如汇编语言、C语言等语言中编译的软件对象代码。

逻辑电路

与上述信号承载介质相反，本发明的一些或全部功能可以用逻辑电路来实现，而不是用处理器执行指令来实现。这种逻辑电路因此被配置成执行操作以实现本发明的方法方面。如上所述，逻辑电路可以用许多不同类型的电路来实现。

总操作序列

图4示出说明本发明的运作方面的序列400。为说明简便，但不加限制，图4的示例是在上述图1A的环境100的上下文中描述的。

步骤402中，线性化电路101在输入端102上接收源信号。源信号还去往加法器112。源信号不去往非线性电路114，因为线性化电路101被设计成执行特定的预处理任务以帮助非线性电路114以线性方式处理源信号。

图5A描述一代表性的源信号502。源信号502包括单一频率的经幅度调制的信号，尽管本发明的技术可用于多种频率/相位调制的源信号。源信号被称为具有一源频率带宽，其包含了单一频率或多个频率。

步骤403中，包络检测器106计算一代表源信号102的源包络。图5A描述了504处源信号502的包络。包络检测器116通过度量、量化、估计、计算或确定到达输入102处的信号的包络进行工作。检测器106的输出被称为“源包络”，并用于以模拟波形、数字信息或任何其它数据来描述包络504，所使用的数据取决于实现检测器106和/或补码计算器108的方式。

然而，步骤403是任选的，因为在包络信息已知的情况下可能省略包络检测器106。例如，根据应用，描述包络的数据和/或信号可能已经从计算机、模拟电路或与线性化电路101分开的其它信源可用。该情况下，输入102无须耦合到补码发生器104，因为源包络描述直接从其分开信源的点到达补码计算器108。

步骤404中，包络检测器106根据包络检测器106(步骤403)所计算的或是从另一信源点接收到的源包络504来计算一伪包络。宽泛地说，计算伪包络，以便如果源包络504和伪包络在任何时刻以特定的方式组合，则导出一预定的常数。图5B示出一示例性的伪包络508，伪包络508是基于源包络504而计算的。

作为一更具体的例子，计算伪信号包络，使得在源包络和伪包络以预定的公式(下面描述)被处理并且把经处理的信号相加时，总是会导出预定的常数。这一预定公式的一个实施例由以下的公式1和公式2来表示。

公式1              K＝A_se ²+2^*A_de ²

其中：K＝一常数。

      A_se＝源包络的幅度。

      A_de＝伪包络的幅度。

换言之，该实施例中的包络补码计算器108计算伪包络的幅度以满足以下公式2。

公式2                      A_de＝sqrt[0.5^*(K-A_se ²)]

步骤406中，伪信号发生器110调制一载波信号以提供表现所计算的伪包络的伪信号。在当前示出的例子中，图5B把伪信号示出为506。发生器110可以产生载波信号，例如用振荡器来产生，或者它可能从其它地方接收载波信号。载波信号的频率带宽(表示其单一频率、或如果使用频率/相位调制则表示频率范围)不同于源信号102的频率带宽。载波信号的频率带宽称为“伪频率”。此外，下游滤波器(下面讨论)的操作可以通过事先选择载波信号的频率带宽以便从源信号102中容易辨别出后非线性电路产物来简化。为了进一步简化稍后从非线性电路114的输出114b中删除伪信号的人造产物的过程，一种方法是避免载波信号的任何频率/相位调制。

步骤406的载波调制会通过正交调制、极化调制或者对于本领域普通技术人员熟悉的许多技术之一来实现。

步骤408中，加法器112把源信号502(存在于输入端102上)与伪信号506(存在于伪信号发生器110的输出105上)相加。加法器112的输出也可以称为“经调节的”信号113，或是“组合”信号。由于其幅度现在是规定的，因此信号113准备好被非线性电路114处理。因而在步骤410中，加法器112把经调节的输出发送到非线性电路114。

步骤411中，非线性电路114将其功能应用于其输入114a，也就是经调节的信号113。例如，如果电路114是一放大器，它就放大输入114a。如果电路114是一滤波器，它就过滤输入114a。然而，由于源信号502已经通过伪信号506的加法而被调节，因此阻止电路114产生任何依赖于幅度的变化(“非线性特性”)。这样，电路114的输出114b被线性化。

然而，输出114b仍包含伪信号506的人造产物。这样在步骤412中，滤波器116用于移除输出114b中与发生器110的载波信号相对应的任何信号，也就是伪信号506。滤波器还移除任何“互调产物”，这是指由于输入信号与具有非线性特性的伪信号的接合交互而产生的信号。这样在，在滤波后，输出118中仅剩的信号可归因于源信号102。然而，由于源信号102(与伪信号组合)由电路114线性处理，因此输出118被线性化。滤波器116的输出118表示线性化电路101最终的线性化输出。

多伪信号的实施例

上述技术中添加了单个伪信号，其针对主要是三阶的非线性特征。偶数阶的非线性特性(例如二、四、六等等)不成问题。然而，对于五阶非线性特性，使用线性化电路101a，因为它包括两个伪信号发生器。非线性特性阶数越高，例如七阶、九阶，就会使用越多数目的伪信号发生器。

为了操作线性化电路101a，如上所述执行许多相同的操作400。下面说明从它们出现和要求描述的角度说明其差异。首先，尽管包络补码计算器108a以基本类似于图1A的计算器108的方式来执行步骤404，然而计算器108执行附加的责任。也就是，包络补码计算器108a在步骤404中计算两个伪包络(而不是一个)，其中这两个伪包络的组合与源包络504互补。这一概念可扩展到三个、四个或任意数量的与源信号102互补的伪包络。在以下包括的附录中将更详细地说明多伪包络计算，示出的例子为两个伪包络。

多伪信号实施例中的另一差异在步骤406中。也就是，每个发生器110a、110b(图1B)调制一不同的载波信号以提供表示所计算的伪包络(A_de1和A_de2)之一的伪信号。发生器110a、110b的载波信号具有彼此不同的频率带宽，因为它们俩的包络在公共的频率上相加，而该应用调用两个不同的信号(具有规定的包络)进行相加。每个载波信号的频率(或者如果使用相位调制则是多个频率)都不同于源信号102的频率带宽，以简化随后的相应伪信号的移除。为了进一步简化从非线性电路114的输出114b中移除伪信号的人造产物的过程，每个载波信号可以出现在单个频率上，也就是，不进行任何相位调制。像单伪信号实施例一样，每个伪信号发生器110a、110b都会利用诸如极化或正交调制这样的调制。

多伪信号实施例中的另一差异出现在步骤408。这里，加法器112把来自多个不同伪信号发生器110a、110b的输出105a、105b与源信号102组合。另一差别在于，步骤412中滤波器必须滤除所有的伪信号，也就是，来自各个发生器110a、110b的各个频率的伪信号。根据单伪信号的实施例，还过滤任何可应用的互调产物。

其它实施例

本领域的技术人员可以理解，信息和信号可以用多种不同技术和工艺中的任一种来表示。例如，上述说明中可能涉及的数据、指令、命令、信息、信号、比特、码元和码片可以用电压、电流、电磁波、磁场或其粒子、光场或其粒子或它们的任意组合来表示。

本领域的技术人员能进一步理解，结合这里所公开的实施例所描述的各种说明性的逻辑块、模块和算法步骤可以作为电子硬件、计算机软件或两者的组合来实现。为了清楚说明硬件和软件间的互换性，各种说明性的组件、框图、模块、电路和步骤一般按照其功能性进行了阐述。这些功能性究竟作为硬件或软件来实现取决于整个系统所采用的特定的应用程序和设计。技术人员可以认识到在这些情况下硬件和软件的交互性，以及怎样最好地实现每个特定应用程序的所述功能。技术人员可能以对于每个特定应用不同的方式来实现所述功能，但这种实现决定不应被解释为造成背离本发明的范围。

结合这里所描述的实施例来描述的各种说明性的逻辑块、模块和算法步骤的实现或执行可以用：通用处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、场可编程门阵列(FPGA)或其它可编程逻辑器件、离散门或晶体管逻辑、离散硬件组件或者为执行这里所述功能而设计的任意组合。通用处理器可能是微处理器，然而或者，处理器可以是任何常规的处理器、控制器、微控制器或状态机。处理器也可能用计算设备的组合来实现，如，DSP和微处理器的组合、多个微处理器、结合DSP内核的一个或多个微处理器或者任意其它这种配置。

结合这里所公开实施例描述的方法或算法的步骤可能直接包含在硬件中、由处理器执行的软件模块中或在两者当中。软件模块可能驻留在RAM存储器、闪存、ROM存储器、EPROM存储器、EEPROM存储器、寄存器、硬盘、可移动盘、CD-ROM或本领域中已知的任何其它形式的存储介质中。示例性存储介质与处理器耦合，使得处理器可以从存储介质读取信息，或把信息写入存储介质。或者，存储介质可以与处理器整合。处理器和存储介质可能驻留在ASIC中。

上述优选实施例的描述使本领域的技术人员能制造或使用本发明。这些实施例的各种修改对于本领域的技术人员来说是显而易见的，这里定义的一般原理可以被应用于其它实施例中而不使用创造能力。因此，本发明并不限于这里示出的实施例，而要符合与这里揭示的原理和新颖特征一致的最宽泛的范围。

这里使用的单词“示例性”意指“充当示例、实例或说明”。这里描述为“示例性”的任何实施例都不必被视为比其它实施例更为优选或有利。

附录

1.实行总结

在电路增益取决于信号幅度时，电路增加信号的带宽。把幅度相关但相位不相关的线性化信号与输入相加会降低该相关性。由于相位是不相关的，因此线性化信号会处在任何方便的频率上。线性化信号引起互调产物，但如果很好地选择信号频率则能滤除这些互调产物。该方法是“盲的”，因为除了通常的AM-AM(幅度调制到幅度调制)和AM-PM(幅度调制到相位调制)假设以外，没有假定任何非线性特性。

该报告检验了基本原理。考虑到实践方面，并不强调详细的实施问题。

2.简介

考虑一个到非线性电路(例如一发射机放大器)的输入信号，给出如下：

         x＝A(t)cos(φ(t)+ω₀t).                   (1)

这里，A(t)是幅度调制，φ(t)是相位调制，ω₀是中心频率。使用复低通形式可得出：

$\tilde{x}=A\left(t\right)\mathrm{expi\φ}\left(t\right).---\left(2\right)$

输出信号给出如下：

         y＝G(A)A(t)cos(φ(t)+ω₀t+γ(A))，    (3)

这里，G(A)支配幅度响应(AM-AM)，而γ(A)支配相位响应(AM-PM)。输出以复低通形式可表示为：

$\tilde{y}=G\left(A\right)\exp \left(i\mathrm{\γ}\left(A\right)\tilde{x}\right),---\left(4\right)$

其中复增益为：

        CG＝G(A)expiγ(A).                     (5)

复增益可以用一简单的多项式(基函数可能应该相对于输入信号而选择[Blachman79])来表示：

$\mathrm{CG}=k_1+k_3{\left|\tilde{x}\right|}^2+k_5{\left|\tilde{x}\right|}^4+...+k_N{\left|\tilde{x}\right|}^{N-1}.---\left(6\right)$

这里k₁、k₃和k₅与增益G(dB)以及输出的三阶和五阶截点(对于单位为伏特的x，单位为dB)相关：

            |k₁|＝10^G/20，                     (7)

$\left|k_3\right|=\frac{2}{3R_0}{10}^{3G/20-\mathrm{IP}3/10},---\left(8\right)$

$\left|k_5\right|=\frac{2}{5R_0}{10}^{G/4-\mathrm{IP}5/5},---\left(9\right)$

其中R₀是输入/输出阻抗[Ha81]。可以导出较高阶截点的类似关系式。该模型假设增益和非线性特性不是频率的函数——只要所涉及的频率不太广泛，这就是合理的假设。

3.互调所进行的线性化

这一章节中将说明怎样通过在非线性特性的输入处把一个或多个线性化信号相加，从而对期望信号T(t)的增益进行线性化。线性化信号在幅度上与T(t)相关，但在相位上不相关。而且，假设所相加的信号在频率上的位置能够滤除各种互调产物——即使T(t)不受影响。

对于这里讨论的大多数情况，三个信号的合成组成了非线性特性的输入。首先， $\tilde{T}\left(t\right)=A_T\left(t\right)\mathrm{expi}{\mathrm{\φ}}_T\left(t\right)$ 是期望线性放大的信号。其次， $\tilde{L}\left(t\right)=A_L\left(t\right)\mathrm{expi}{\mathrm{\φ}}_L\left(t\right)$ 是用于线性化放大过程的信号——原理上降低三阶非线性特性。最后，可以加上 $\tilde{M}\left(t\right)=A_M\left(t\right)\mathrm{expi}{\mathrm{\φ}}_M\left(t\right)$ 以便降低三阶和五阶的非线性特性。这样，

$\tilde{x}=A_T\left(t\right)\mathrm{expi}{\mathrm{\φ}}_T\left(t\right)+A_L\left(t\right)\mathrm{expi}{\mathrm{\φ}}_L\left(t\right)+A_M\left(t\right)\mathrm{expi}{\mathrm{\φ}}_M\left(t\right).---\left(10\right)$

使用公式(6)，三阶输出项(忽视系数k₃)为：

实施T(t)的放大的项是exp(iφ_T)的系数-没有exp(iφ_L)或exp(iφ_M)。此时设A_M＝0，因此T(t)的复增益为：

$C{G}_T=k_1+k_3(A_T^2+2A_L^2).---\left(12\right)$

A_L(t)的作用由于互调而引起。为了线性化T(t)的增益，设：

$A_T^2+2A_L^2=K_1=\mathrm{cons}\tan t.---\left(13\right)$

这一过程是“盲的”，因为不需要知道三阶非线性特性系数k₃。

虽然公式(13)消除了k₃对三阶非线性特性输出的效应，然而它也扩大了其它系数的影响，因此T(t)的新复增益(例如对于N＝7)为

$C{G}_T=k_1^{*}+k_3^{*}{A}_T^2+k_3^{*}{A}_T^4+k_7^{*}{A}_T^6,---\left(14\right)$

其中，

$k_1^{*}=k_1+K_1{k}_3+\frac{3}{4}{K}_1^2{k}_5+\frac{1}{2}{K}_1^3{k}_7,---\left(15\right)$

$k_3^{*}=\frac{3}{2}{K}_1{k}_5+3K_1^2{k}_7,---\left(16\right)$

$k_5^{*}=\frac{-5}{4}{k}_5-\frac{3}{2}{K}_1{k}_7,---\left(17\right)$

$k_7^{*}=-k_7.---\left(18\right)$

公式(15)中的新线性增益k₁′受到所有原始系数k₁、k₃、k₅、k₇的影响。新三阶系数k₃′不受原始三阶系数k₃的影响，但受k₅、k₇影响。类似地，k₅′现在受k₇作用。新的七阶系数k₇′除了符号以外不受影响。

为使该方法能改进线性特性，尽管较高阶系数K₁增加的影响程度应该尽可能小，然而非线性特性应该主要为三阶。

例如，考虑以下经常引用的非线性特性[Saleh81]：

$\mathrm{CG}=\frac{k_1}{1+A_T^2}\exp \left(j\frac{\mathrm{\π}}{3}\frac{A_T^2}{1+A_T^2}\right).---\left(19\right)$

CG的增益和相位出现在图1(a)和2(a)中。在泰勒级数展开时大约A_T＝0，线性增益为15dB，可以得出：

             k₁＝5.623

             k₃＝-5.623+j5.888

             k₅＝2.540-j11.777

             k₇＝3.627+j16.589                (20)

这里假设K₁＝0.2，其对应于A_T的最大峰值幅度0.447伏特。

图1复增益大小：(a)公式(19)，(b)五阶非线性特性从公式(15)到(18)可得出修改后的非线性系数为：

$k_1^{*}=4.589+j0.891$

$k_3^{\′}=1.197-j1.542$

$k_5^{*}=-4.263+j9.744$

$k_7^{*}=-3.627-j16.589$ (21)

对于有增益压缩的非线性特性，所添加的线性化信号的次数降低了总的增益。因此，|k₁′|略小于|k₁|。直接计算出三阶截点的改进为6.2dB。为了确保在改进三阶非线性特性时其它项被过度恶化，用IS-95 CDMA波形来模拟公式(19)的非线性特性。

图2复增益相移：(a)公式(19)，(b)线性相位。

考虑一种典型的数字无线发射机结构。随机二进制数据被映射为码元，经滤波、转换成模拟信号。尽管为该发射机信号使用率OQPSK，然而该技术可应用于任何信令格式。长度为2¹⁹-1的独立“m”序列提供原始的同相和正交二进制数据。数据被映射到OQPSK星座图，然后通过“脉冲整形”滤波器(为了简便采纳自TIA-EIAIS-95“Mobile Station-Base Station Compatibility Standard for Dual-ModeWideband Spread-Spectrum Cellular Systems”，电信工业联盟1993年7月)以输入速率的四倍被内插。零阶保持(ZOH)跟随着每“保持”128个采样，以表示模拟波形。ZOH的输出被传送到重构滤波器(Chebyshev，II型5阶，停止带比采样频率的3/256低80dB)。

图中示出了非线性特性的线性化输出和非线性化输出。两者情况下的输出功率都是11dBm。对于线性化的情况，输入功率被提高了1dB，因为线性化信号降低了非线性特性的增益。线性化信号的输出功率为15.2dBm。第一相邻信道中的功率改进了10-15dB，而第二相邻信道中的功率降级了4-5dB。实践中，这是否有益会取决于相邻信道中的非线性特性以及要求。

图4示出功率谱密度的扩展视图。线性化信号(“L”)被置于相对接近期望的信号(“T”)，以便使模拟的采样要求最小。实践中，应该选择线性化信号的频率以便于过滤要求。

图3具有和没有添加的线性化信号时，非线性特性输出的功率谱密度。

图4非线性特性输出的功率谱密度：示出期望信号(T)和线性化信号(L)的宽视图。

根据第二线性化信号的帮助，M(t)＝A_M(t)expiφ_M(t)，可能进一步改进线性特性。正如第一添加信号消除了三阶系数的作用，也可以添加第二添加信号以消除五阶系数的效应。

公式(13)对A_L和A_M都产生约束：

$A_T^2+2(A_L^2+A_M^2)=K_1.---\left(22\right)$

为了消除五阶系数k₅的作用，要求

$A_T^4+6A_T^2(A_L^2+A_M^2)+3{(A_L^2+A_M^2)}^2+6A_L^2{A}_M^2=K_2.---\left(23\right)$

公式(22)和(23)必须同时满足。为此可以方便地定义

$P_1=A_L^2+A_M^2=\frac{1}{2}(K_1-A_T^2),---\left(24\right)$

$P_2=A_L^2{A}_M^2=\frac{1}{6}(-A_T^4-6A_T^2{P}_1-3{P_1}^2+K_2),---\left(25\right)$

从中能解出两个线性化信号

$A_L^2=\frac{P_1}{2}\±\sqrt{\frac{{P_1}^2}{4}-P_2},---\left(26\right)$

$A_M^2=P_1-A_L^2.---\left(27\right)$

由于A_L和A_M必须任何时刻都大于或等于零，因此还要求：

$\frac{{P_1}^2}{4}>P_2---\left(28\right)$

以及

                   P₂＞0                   (29)

从中还能导出

$A_T^4-\frac{6}{7}{K}_1{A}_T^2-\frac{9}{7}{K}_1^2+\frac{8}{7}{K}_2<0---\left(30\right)$

以及

$A_T^4-\frac{6}{5}{K}_1{A}_T^2-\frac{3}{5}{K}_1^2+\frac{4}{5}{K}_2>0---\left(31\right)$

其对于所有的A_T值都必须成立。满足公式(30)和(31)的一组K₁、K₂的解为：

$K_1=\frac{\max \left(A_J^2\right)}{\frac{3}{5}-\sqrt{\frac{21}{350}}}---\left(32\right)$

$K_2=\frac{63}{56}{K}_1^2---\left(33\right)$

该方法适合于具有增益扩展的非线性特性，同样适合具有功率压缩的非线性特性，L(t)和M(t)中的功率(由K₁和K₂确定)降低了总增益、并且降低了输出功率。如果提高输入功率以进行补偿，则增益还能进一步降低。

图5有两个相加串行信号的非线性特性的功率谱密度：期望信号的特写

图5示出在非线性特性输出处的功率谱密度，其中在输入端加上了L(t)和M(t)两者。期望信号的功率为12dBm。线性化信号L(t)和M(t)未示出，但输出功率分别为16.6dBm和20.6dBm。该情况下，非线性特性(图1(b)和图2(b)所示)仅有一阶、三阶和五阶项——因此线性化频谱近乎理想。公式(19)的复增益未使用，因为既有高阶的非线性特性又有三个频率下的输入信号，因此互调产物非常广泛，并且难以在所限制的模拟带宽内管理。因此，图5是理想的，因为它不包括七阶和更高阶项的影响。

从原理上说，添加了更多信号以实现更高阶的补偿。然而，该好处会迅速消失，因为线性化信号所需的功率会增加。

4.结论

已经介绍了一种通过添加一个或多个信号而线性化一电路的技术。该方法假设不知道非线性特性的强度。然而，实践中仍会需要对非线性特性的适当约束(使它主要是三阶)。

5.索引

[Blachman79]，Blachman，N.M.，“The Output Signals and Noise from aNonlinearity with Amplitude-Dependent Phase Shift”，IEEE信息理论期刊，Vol.IT-25，1979年1月第一号，第77-79页。

[Ha81]，Ha，T.T.，“Solid State Microwave Amplifier Design”，John Wileyand Sons出版社，1981。

[Oppenheim89]，Oppenheim，A.V.和Schafer，R.W.，“Discrete-Time Signalprocessing”，Prentice-Hall出版社，1989。

[Saleh81]，Saleh，A.A.M.，“Frequency Independent and Frequency-dependent models of TWT amplifiers”，IEEE。

Claims (17)

1.一种线性化方法，包括以下操作：

接收具有源频率带宽并显示出源包络的经幅度调制的源信号；

计算一伪包络，在源包络和伪包络组合时会导出一预定的常数；

产生一显示伪包络并出现在伪频率带宽上的经幅度调制的伪信号，所述伪频率带宽不同于所述源频率带宽；

把所述源信号与所述伪信号相加以形成一组合信号；

把所述组合信号指引到一处理模块，该处理模块的输出显示出依赖于幅度的非线性特性；

从所述输出中滤除包括具有伪频率带宽的信号在内的信号以提供一线性化输出。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述计算操作包括：计算一伪包络，如果所述源包络和伪包络组合则会导出一预定的常数。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述计算操作包括：计算一伪包络，如果所述源包络和伪包络要由预定的公式处理并且把经处理的包络相加时，则导出一预定的常数。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述预定的公式包括：

把源信号包络平方；

把伪信号包络平方然后把平方后的伪信号包络翻倍。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于：

计算伪包络的操作包括计算多个包括，在所述源包络和所有伪包络要组合时导出一预定的常数；

产生经幅度调制的伪信号的操作包括：产生多个经幅度调制的伪信号，它们各显示出多个伪包络中相应的一个，每个伪包络都以不同于源频率带宽的伪频率带宽出现；

所述相加操作包括把源信号与所有伪信号相加以形成组合信号；

所述滤波操作包括从所述输出中滤除包括具有所有伪频率带宽的信号在内的信号以提供线性化输出。

6.一种包括多个互联导电元件的电路的装置，所述导电元件被配置成执行操作以便对具有依赖于幅度的非线性特性的处理模块的输出进行线性化，所述操作包括：

接收具有源频率带宽且显示出源包络的经幅度调制的源信号；

计算一伪包络，如果所述源包络和伪包络要组合则导出一预定的常数；

产生一显示出伪包络并出现在伪频率带宽上的经幅度调制的伪信号，所述伪频率带宽不同于所述源频率带宽；

把所述源信号与所述伪信号相加以形成组合信号；

把所述组合信号指引到一处理模块的输入端，所述处理模块的输出显示出依赖于幅度的非线性特性；

从所述输出中滤除包括具有伪频率带宽的信号在内的信号以提供线性化输出。

7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述计算操作包括计算一伪包络，如果所述源包络和伪包络要相加，则导出一预定的常数。

8.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述计算操作包括计算一伪包络，如果所述源包络和伪包络要由预定的公式处理并且要把经处理的包络相加，则导出一预定的常数。

9.如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述预定的公式包括：

把所述源信号包络平方；

把所述伪信号包络平方然后使平方后的伪信号包络翻倍。

10.如权利要求6所述的装置，其特征在于：

计算伪包络的操作包括计算多个伪包络，当所述源包络和所有伪包络要组合时会导出一预定的常数；

产生经幅度调制的伪信号的操作包括：产生多个经幅度调制的伪信号，所述各个伪信号显示出多个伪包络中相应的一个，所述每个伪包络都出现在不同于源频率带宽的伪频率带宽上；

所述相加操作包括把所述源信号和所有伪信号相加以形成组合信号；

所述滤波操作包括从输出中滤除包括具有所有伪频率带宽的信号在内的信号以提供线性化输出。

11.一种处理信号输入的线性化装置，所述信号输入是具有源频率带宽且显示出源包络的经幅度调制的源信号，所述装置包括：

包络计算器，其利用源信号来计算一伪包络，在所述源包络和伪包络要组合时会导出一预定的常数；

伪信号发生器，其提供显示所计算的伪包络的经幅度调制的伪信号，其中所述伪信号出现在一个或多个预定的伪频率处，所述预定的频率不同于所述源频率带宽；

与信号输入和伪信号发生器耦合的加法器，用于把所述源信号和所述伪信号相加以形成一组合信号，该组合信号可供具有依赖于幅度的非线性特性的模块进行处理；

至少一个滤波器，用于从所述模块的输出中滤除包括具有伪频率带宽的信号在内的信号以提供线性化输出。

12.如权利要求11所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：

所述模块；

其中所述模块耦合到加法器以接收组合信号作为输入，并且提供显示出依赖于幅度的非线性特性的输出。

13.如权利要求11所述的装置，其特征在于，所述包络计算器被配置成使得计算操作包括计算一伪包络，在所述源包络和伪包络要相加时会导出一预定的常数。

14.如权利要求11所述的装置，其特征在于，所述包络计算器被配置成使得计算操作包括计算一伪包络，在所述源包络和伪包络要由预定的公式处理并且把经处理的包络相加时导出一预定的常数。

15.如权利要求14所述的装置，其特征在于，所述预定的公式包括：

把所述源信号包络平方；

把所述伪信号包络平方然后使平方后的伪信号包络翻倍。

16.如权利要求11所述的装置，其特征在于：

包络计算器计算多个伪包络，在所述源包络和所有伪包络要组合时会导出一预定的常数；

所述伪信号发生器包括用于产生多个经幅度调制的伪信号的多个伪信号发生器，所述多个伪信号显示出多个伪包络中相应的一个，每个所述伪包络都出现在不同于所述源频率带宽的伪频率带宽处；

所述加法器耦合到每个伪信号发生器；

所述滤波器从所述输出中滤除包括具有伪频率带宽的信号在内的信号。

17.一种用于处理经幅度调制的源信号的线性化装置，所述经幅度调制的源信号具有一源频率带宽并显示出源信号包络，所述装置包括：

包络计算装置，其利用源信号来计算一伪包络，在所述源包络和伪信号包络要组合时会导出一预定的常数；

伪信号发生装置，用于产生显示出所计算的伪包络的经幅度调制的伪信号，所述伪信号出现在不同于源频率带宽的伪频率带宽上；

相加装置，用于把所述源信号和伪信号相加以形成一组合信号，所述组合信号可供具有依赖于幅度的非线性特性的模块进行处理；

滤波装置，用于从所述模块的输出中滤除包括具有伪频率带宽的信号在内的信号以提供线性化输出。

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