CN1731673A - 实现记忆型功率放大器线性化的方法及其基带预失真装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实现记忆型功率放大器线性化的方法及基带预失真装置。该方法首先利用具有特定帧结构的窄带训练序列及其相应的自适应算法得到环路时延和无记忆预失真单元的参数，然后利用均衡器及其均衡算法补偿传输宽带信号时功率放大器的记忆效应。基于该方法的基带预失真装置包括窄带训练序列产生单元、自适应无记忆预失真器、自适应均衡器，该窄带训练序列产生单元的输出送入到无记忆预失真单元，通过自适应算法，修改无记忆预失真单元的参数，当该算法收敛后，将宽带信号序列输入自适应均衡器，修改均衡器的参数，以抵消功率放大器的记忆效应。本发明运算量小、易于实现，适用于校正存在记忆效应的功率放大器和普通功率放大器的非线性。

Description

实现记忆型功率放大器线性化的方法及其基带预失真装置

技术领域

本发明属于通信技术领域，涉及无线通信发射机所用的功率放大器线性化技术，具体地说是实现记忆型功率放大器线性化的方法及其基带预失真装置，用以补偿存在记忆效应的功率放大器非线性畸变。

背景技术

功率放大器是通信系统中不可缺少的部件，其输入和输出之间不可避免的存在非线性。早期的无线通信都是基于对功率放大器非线性不敏感的恒定包络调制技术，其可使功率放大器工作在具有较高效率的临近饱和区。然而恒定包络调制频带利用率低的缺点严重制约了无线通信高速数据传输的发展。各种无线通信系统为了提高系统容量，充分利用有限的频谱资源，就要采用频带利用率高的线性调制方式，而高频谱利用率的调制方式如正交振幅调制QAM、正交频分复用OFDM的包络存在较大的波动，这些非等幅的调制信号对功率放大器非线性十分敏感。在大信号下出现的非线性会产生严重的频谱泄漏和带内失真，影响了通信的质量。

早期的避免功率放大器非线性的方法是采用功率回退的办法将功率放大器的输入功率从1dB压缩点向后回退几个分贝，使其工作在线性区。功率回退法简单易行，但其致命缺点是功率放大器的效率大为降低。功率放大器的成本和体积与它的输出功率之间存在近似指数的关系，即使增加1瓦特的输出功率，其成本和体积都会急剧增加，因此使得功率回退技术逐渐退出现代无线通信的舞台。目前主要的避免功率放大器非线性的办法是采用线性化技术，即采用适当的外围电路，对包括功率放大器和外围电路的信号传输通道进行非线性校正，从而使整体上呈现对输入信号的线性放大效果，这种方法避开了难度很大的器件制造技术，可采用成本相对较低的器件，不但形式多样，而且器件的选择也较灵活。预失真技术是目前最有前景的一种线性化方法，其基本原理是在非线性功率放大器前端放置一个非线性单元，这样只要这个非线性器件的特性曲线与功率放大器的特性曲线互补，就基本可以实现功率放大器的线性化。其最初的基本思想来自于数学上的反函数思想，构造一个非线性器件，使该器件的传输特性刚好和非线性放大器的传输特性相反，信号预先经过这样的一个人为的非线性失真处理后，再经非线性放大器进行放大，由于预先进行的人为失真是可以控制的，我们可以调节使之特性刚好与非线性放大器的特性相互补，最后达到线性化放大的最终目的。该方法的工作原理正如同该方法的名字一样，对信号预先进行人为的失真处理来达到线性化的目的。由于功率放大器的特性会随着时间、温度、环境、以及信号本身的变化而变化，因此需要采用自适应控制装置来调整预失真装置的参数，使得预失真装置能够自适应跟踪放大器特性的变化，这种能跟随功率放大器特性参数变化的预失真装置称为自适应预失真装置。目前绝大部分的预失真装置都是自适应预失真装置。

预失真技术分为射频预失真和数字基带预失真两种基本类型。射频预失真由于工作频点高，一般常采用模拟电路来实现，具有电路结构简单、成本低、频带宽等优点，缺点是频谱再生分量改善较少、高阶频谱分量抵消较困难。基带预失真由于工作频率低，适合用数字电路实现，便于采用目前发展迅速的数字信号处理技术，适应性强，而且可以通过增加采样率和增大量化阶数的办法来抵消高阶互调失真。缺点是由于受DSP和A/D转换的限制，基带预失真工作带宽受到一定限制，另外DSP和A/D转换器件会消耗更多的功率，以及系统成本比较高等都是这种方法的不足之处。但是随着数字信号处理技术的发展，这些问题会得到解决。因此基带预失真被大多数人认为是最有发展前景的功率放大器线性化技术之一。

图1为自适应基带数字预失真装置的典型结构框图。由图1可见，预失真装置的核心包括：预失真单元、环路延迟单元、误差检测单元及自适应算法单元。其工作过程如下：输入信号经过无记忆预失真单元后产生预失真信号，经过数字模拟变换、上变频器送入功率放大器，预失真装置所产生的非线性与功率放大器的非线性进行抵消，从而达到改善线性校正的目的。为了消除温度、器件老化等因素的影响，引入反馈支路，其中包括衰减器、下变频器以获得反映功率放大器线性度状态的信息。通过误差信号检测单元获得误差偏移量，自适应算法单元根据误差偏移量对预失真装置的参数进行修改，直到误差信号小到满足要求。

合理有效的基带预失真装置往往要与功率放大器模型相联系。早期人们建立起来的功率放大器模型都是窄带模型，其特点是功率放大器当前的输入只和当前的输入有关。然而随着通信带宽的增加，功率放大器的输出不仅仅是输入信号功率的即时函数，其一定程度上取决于上一个短暂的历史包络电平，即当前的输出不但跟当前的输入有关，还跟以前的输入和输出有关，这种效应称之为功率放大器的记忆效应。如果不考虑功率放大器的记忆效应，当其放大宽带信号时，预失真装置的线性校正效果会大大降低。为表述方便，这里将不考虑记忆效应的预失真装置称为无记忆预失真装置，而考虑记忆效应的预失真装置称为记忆预失真装置。目前针对宽带功率放大器记忆效应的对记忆预失真装置的研究取得了一些可喜的进展。其中代表性的一种预失真装置是基于存在输入信号延迟项的多项式模型(“A Robust Digital Baseband Predistorter Constructed using Memory Polynomials”IEEETransactions on Communications Vol.52，No.1 Jan.2004.)，它是Volterra预失真装置的一种简化形式，仿真实验和理论推导证明基于此模型的预失真装置可应用于如Winner-Hammerstein等多种不同模型的功率放大器。该预失真装置的输入和输出关系为：

$z\left(n\right)=\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}\underset{q=0}{\overset{Q}{\mathrm{\Σ}}}{a}_{\mathrm{kq}}x(n-q){\left|x(n-q)\right|}^{k-1}---\left(1\right)$

，其中x(n)为输入，z(n)为输出，K为多项式的阶数，Q为延迟单元数，实现该预失真函数需要K(Q+1)阶的横向滤波器。该基带预失真装置存在明显的缺点：低阶多项式对一些功率放大器的特性不能取得很好的校正，尤其是信号的相位特性，在这些情况下基于高阶多项式的预失真装置不可避免，而每增加一阶，横向滤波器的阶数增加Q+1个，这使得预失真装置的实现变得复杂；另一方面该自适应预失真装置中的自适应迭代算法需要进行矩阵的求逆运算，矩阵的阶数为预失真装置需要估计的参数，即K(Q+1)，当采用高阶多项式时，自适应算法的运算量将变得极为巨大。因此基于此多项式模型的预失真装置实现复杂度高，参数估计涉及的运算量大。运算量大和复杂度高的缺点严重限制了其实际应用。

发明的内容

本发明的目的在于克服上述已有技术的不足，提供一种简单有效的基于数字预失真技术实现记忆型功率放大器线性化的方法及其基带预失真装置，以解决在传输宽带信号时存在记忆效应的功率放大器的带外频谱泄漏和带内失真问题，提高功率放大器的效率。

本发明的目的是这样实现的：

实现本发明记忆型功率放大器线性化的方法，首先由窄带训练序列获得环路时延和无记忆预失真单元的参数；然后通过一个自适应均能衡器补偿由于功率放大器的记忆效应对宽带信号传输的影响，其步骤如下：

(1)将帧周期为M+N的窄带训练序列经过无记忆预失真处理，得到窄带的预失真序列，其中每帧的帧头是长度为N的巴克码，M为增长的阶梯序列；

(2)该窄带预失真序列通过功率放大器，抵消其非线性，得到非线性校正后的窄带信号；

(3)将该非线性校正后的信号与窄带训练序列进行滑动相关处理后，得到传输时延，并通过自适应迭代算法修改无记忆预失真单元的参数，得到能够补偿功率放大器非线性的无记忆预失真单元参数；

(4)将宽带信源的输出宽带信号序列通过自适应均衡器，使用均衡算法补偿传输宽带信号时功率放大器的记忆效应。

实现上述方法的基带预失真装置，包括窄带训练序列产生单元、自适应无记忆预失真器、自适应均衡器，该窄带训练序列产生单元的输出送入到无记忆预失真单元，通过自适应迭代算法，修改无记忆预失真单元的参数，以抵消功率放大器的非线性，当该算法收敛后，将宽带信号序列输入自适应均衡器，通过自适应迭代算法对自适应均衡器的参数进行修改，以抵消功率放大器的记忆效应。

上述宽带信号序列为需要预失真校正的用户信号。

上述窄带训练序列的带宽与功率放大器的传输带宽之比小于1/10。

上述基带预失真装置，其中所述的自适应无记忆预失真器包括无记忆预失真单元、误差预测单元1和自适应迭代算法单元1，窄带训练序列产生单元的输出分成两路：一路通过导向开关K₁和K₂，送入无记忆预失真单元得到窄带预失真序列；另一路与该窄带预失真序列在反馈支路通过导向开关K₃和延迟单元的输出一起送入误差预测单元1得到误差信号，该误差信号输入自适应迭代算法单元1对无记忆预失真单元的参数进行修改，直到误差预测单元的输出小于某一预先设定的值。

上述基带预失真装置，其中所述的自适应均衡器以输入的宽带信号序列当作目标函数，将包括基带预失真装置和功率放大器的信号通道总特性均衡为δ(t)函数，其中

$\mathrm{\δ}\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}1,& t=0\\ 0,& t\≠0\end{array}\right..$

上述基带预失真装置，其中所述的自适应均衡器包括横向滤波器单元、误差预测单元2和自适应迭代算法单元2，该宽带信号序列分成两路：一路通过导向开关K₁、K₂和横向滤波器单元送入无记忆预失真单元得到宽带预失真序列，另一路与该宽带预失真序列在反馈支路通过导向开关K₃和延迟单元的的输出一起送入误差预测单元2得到误差信号，该误差信号输入自适应迭代算法单元2以修改横向滤波器单元的参数。

本发明具有如下优点：

(1)本发明记忆型功率放大器线性化的方法由于采用首先通过窄带训练序列获得环路时延和无记忆预失真单元的参数；然后通过一个自适应均能衡器补偿由于功率放大器的记忆效应对宽带信号传输的影响，因而极大的减少了补偿功率放大器非线性和记忆效应信号处理过程中的运算量；

(2)本发明基带预失真装置由于采用通过自适应迭代算法先后修改无记忆预失真单元的参数和自适应均衡器的参数，大大降低了基带预失真装置的实现复杂度。

附图说明

图1普通预失真装置的原理框图

图2本发明中的预失真装置原理框图

具体实施方式

实施例1

下面结合附图2对本发明的具体实施方式进行详细描述。

本发明所提出的基带预失真装置包括：窄带训练序列产生单元、横向滤波器单元、无记忆预失真单元、延迟单元、误差预测单元1、误差预测单元2、自适应迭代算法单元1、自适应迭代算法单元2、误差预测单元输出控制的导向开关K₁、K₂和K₃，其中无记忆预失真单元、误差预测单元1和自适应迭代算法单元1构成了一个自适应无记忆预失真器，横向滤波器单元、误差预测单元2和自适应迭代算法单元2构成了一个自适应均能衡器。

采用本发明提出的预失真方法，图2所示基带预失真装置的实现步骤如下：

(1)首先导向开关K₁、K₂和K₃与管脚1连通，窄带训练序列产生单元产生帧周期为M+N的窄带训练序列x(n)，其每帧中的帧头是长度为N的巴克码序列，其余为线性增长的阶梯序列，此时x(n)＝x₁(n)；

(2)x(n)通过无记忆预失真单元，得到预失真信号z(n)，并将其依次通过DAC、上变频器、功率放大器、衰减器、下变频器、ADC和延迟单元，得到输出y(n)，此时y(n)＝y₁(n)；

(3)误差信号检测单元1通过x₁(n)和y₁(n)的相关运算 $R\left(n\right)=\underset{i=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{x}_1\left(i\right)y_1(n+i),$ 根据帧头巴克码相关峰的位置估计传输时延，并将其送入延迟单元中作为其采用的延迟值；随后其分别计算x₁(n)和y₁(n)的幅度误差E₀(n)＝|x₁(n)|-|y₁(n)|和相位误差E_p(n)＝∠x₁(n)-∠y₁(n)，并将它们送入自适应算法单元1。

(4)自适应算法单元1通过自适应迭代算法，修改无记忆预失真单元的参数。无记忆预失真单元的功能由查表法实现，其中表的更新算法可描述为：

$d_i\left(n\right)=d_i\left(n\right)+\mathrm{Sa}\·\mathrm{Ea}\left(n\right)\·\frac{\left|\right|x_1\left(n\right)|-r_i|}{r_{i+1}-r_i}---\left(2\right)$

${\mathrm{\θ}}_i\left(n\right)={\mathrm{\θ}}_i\left(n\right)+\mathrm{Sp}\·\mathrm{Ep}\left(n\right)\·\frac{\left|\right|x_1\left(n\right)|-r_{i+1}|}{r_{i+1}-r_i}---\left(3\right)$

，S_a和S_p为常数。假如|x(n)|介于r_i和r_i+1之间，则表的输出z(n)：

$\left|z\left(n\right)\right|=d_i\left(n\right)+\frac{d_{i+1}\left(n\right)-d_i\left(n\right)}{r_{i+1}-r_i}\left(\right|x\left(n\right)|-r_i)---\left(4\right)$

$\∠z\left(n\right)={\mathrm{\θ}}_i\left(n\right)+\frac{{\mathrm{\θ}}_{i+1}\left(n\right)-{\mathrm{\θ}}_i\left(n\right)}{r_{i+1}-r_i}\left(\right|x\left(n\right)|-r_i)+\∠x\left(n\right)---\left(5\right)$

如此重复步骤1～4，直到误差信号检测单元1送出的幅度误差和相位误差小于预先设定的值为止。当误差收敛后误差信号检测单元1控制导向开关K₁、K₂和K₃与管脚2连通，然后转入步骤5

(5)宽带信源为用户接口单元，其产生的宽带信号x(n)通过导向开关K₁、K₂送入横向滤波器单元；

(6)横向滤波器单元的输出进入无记忆预失真单元得到失真信号z(n)，并将其依次通过DAC、上变频器、功率放大器、衰减器、下变频器、ADC和延迟单元，得到输出y(n)，此时y(n)＝y₂(n)；

(7)误差信号检测单元2计算x₂(n)和y₂(n)的差值e(n)＝x₂(n)-y₂(n)，并将差值送入应自适应算法单元2；

(8)自适应算法单元2通过自适应迭代算法，修改横向滤波器单元的权值，自适应算法可描述为：

ω(n+1)＝ω(n)+μe^H(n)x₂(n)                        (6)

其中ω＝[ω₁ω₂Kω_L]，L是横向滤波器的阶数，μ是常数，′H′为共轭转置。如此重复步骤5～8，直到与横向滤波器相对应误差信号检测单元送出的误差小于小于预先设定的值为止，至此完成记忆性功率放大器的非线性校正。若预失真误差信号检测单元2送出的误差不断增大并大于某一预先设定的值时，控制导向开关K₁、K₂和K₃与管脚1连通，并转入步骤1。

实施例2

实施例1步骤4中无记忆预失真单元的功能还可采用多项式方法实现，其幅度预失真函数F(r)和相位预失真函数Ψ(r)为

F(r)＝f₁r+f₃r³+f₅r⁵+L+f_lr^l＝V^TR_f                 (7)

Ψ(r)＝₀+₁r²+₃r⁴+L+_mr^m＝P^TR_p             (8)

其中r＝|x₁(n)|， $R_f=\left[\begin{array}{c}r\\ r^3\\ r^5\\ M\\ r^i\end{array}\right],$ $R_p=\left[\begin{array}{c}1\\ r^2\\ r^4\\ M\\ r^m\end{array}\right],$ $V=\left[\begin{array}{c}{f}_1\\ f_3\\ f_5\\ M\\ f_i\end{array}\right],$

l和m分别为幅度预失真函数F(r)和相位预失真函数Ψ(r)多项式的阶数，修改F(r)和Ψ(r)参数的自适应迭代算法可描述为：

V(n+1)＝V(n)+μ_VR_f(n)e_V(n)                        (9)

P(n+1)＝P(n)+μ_PR_p(n)e_P(n)                       (10)

其中

e_V(n)＝α·r-A[V^T(n)R_f(n)]                       (11)

μ_V＝2μ·A′[V^T(n)R_f(n)]                        (12)

e_P(n)＝-P^T(n)-Φ[V^T(n)R_f(n)]                    (13)

μ_P＝2μ                                           (14)

μ为常数，′T′为转置。

实施例1中步骤8修改横向滤波器单元权值的迭代算法还可为RLS算法：

ω(n+1)＝ω(n)+μk(n)ξ^*(n)                      (15)

其中

ξ(n)＝x₂(n)-ω^H(n)y₂(n)                         (16)

$k\left(n\right)=\frac{\mathrm{\π}\left(n\right)}{\mathrm{\λ}+{y_2}^H\left(n\right)\mathrm{\π}\left(n\right)}--\left(17\right)$

π(n)＝P(n-1)y₂(n)                                  (18)

P(n)＝λ^-1P(n-1)-λ^-1k(n)y₂ ^H(n)P(n-1)             (19)

λ为常数，′H′为共轭转置。

上面结合附图2对本发明的具体实施例进行了详细说明，但本发明并不限于上述实例，如自适应算法单元1和自适应算法单元2还可采用其他的自适应迭代算法，无记忆预失真单元采用的预失真模型还可采用除查表和多项式两种方式之外的其他模型。因此在不脱离本发明权利要求范围的情况下，本领域的技术人员可作出各种修改或改型。

Claims (7)

1.一种实现记忆型功率放大器线性化的方法，首先由窄带训练序列获得环路时延和无记忆预失真单元的参数；然后通过一个自适应均衡器补偿由于功率放大器的记忆效应对宽带信号传输的影响，其步骤如下：

(1)将帧长为M+N的窄带周期训练序列经过无记忆预失真处理，得到窄带的预失真序列，其中帧头是长度为N的巴克码，M为增长的阶梯序列；

(2)该窄带预失真序列通过功率放大器，抵消其非线性，得到非线性校正后的窄带信号；

(3)将该非线性校正后的信号与窄带训练序列进行滑动相关处理后，得到传输时延，并通过自适应迭代算法修改无记忆预失真单元的参数，得到能够补偿功率放大器非线性的无记忆预失真单元参数；

(4)将宽带信号序列通过自适应均衡器，使用均衡算法补偿传输宽带信号时功率放大器的记忆效应。

2.根据权利要求1所述的预失真方法，其中宽带信号序列为需要预失真校正的用户信号。

3.根据权利要求1所述的预失真方法，其中窄带训练序列的带宽与功率放大器的传输带宽之比小于1/10。

4.实现权利要求1方法的基带预失真装置，包括窄带训练序列产生单元、自适应无记忆预失真器、自适应均衡器，该窄带训练序列产生单元的输出送入到无记忆预失真单元，通过自适应迭代算法，修改无记忆预失真单元的参数，以抵消功率放大器的非线性，当该算法收敛后，将宽带信号序列输入自适应均衡器，通过自适应迭代算法对自适应均衡器的参数进行修改，以抵消功率放大器的记忆效应。

5.根据权利要求4所述的基带预失真装置，其中所述的自适应无记忆预失真器包括无记忆预失真单元、误差预测单元1和自适应迭代算法单元1，窄带训练序列产生单元的输出分成两路：一路通过导向开关K₁和K₂，送入无记忆预失真单元得到窄带预失真序列；另一路与该窄带预失真序列在反馈支路通过导向开关K₃和延迟单元的输出一起送入误差预测单元1得到误差信号，该误差信号输入自适应迭代算法单元1对无记忆预失真单元的参数进行修改，直到误差预测单元的输出小于某一预先设定的值。

6.根据权利要求4所述的基带预失真装置，其中所述的自适应均衡器以输入的宽带信号序列当作目标函数，将预失真器和功率放大器所组成的信号通道总特性均衡为δ(t)函数，其中 $\mathrm{\δ}\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}1,& t=0\\ 0,& t\≠0\end{array}\right..$

7.根据权利要求4或6所述的基带预失真装置，其中所述的自适应均衡器包括横向滤波器单元、误差预测单元2和自适应迭代算法单元2，该宽带信号序列分成两路：一路通过导向开关K₁、K₂和横向滤波器单元送入无记忆预失真单元得到宽带预失真序列，另一路与该宽带预失真序列在反馈支路通过导向开关K₃和延迟单元的的输出一起送入误差预测单元2得到误差信号，该误差信号输入自适应迭代算法单元2以修改横向滤波器单元的参数。

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