CN201947373U - 一种高效率数字电视发射装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种高效率数字电视发射装置，涉及数字电视发射机设备。其技术要点为：包括功放预失真单元、数字上变频与数模转换单元、射频发射通道、功率放大器、反馈模块、峰值对消电路。本实用新型在现有的数字电视发射机自适应基带预失真功放线性化技术的基础上结合峰值对消电路，以进一步提高功放线性化校正的效果，提供高效率的数字电视发射装置；为了避免发射通道非线性对功放非线性特性的耦合进而影响校正效果，本实用新型还加入了通道线性化技术对发射通道进行校正。本实用新型主要用于数字电视信号发射。

Description

一种高效率数字电视发射装置

技术领域

本实用新型涉及数字电视发射机设备，特别是一种用于高功率效率的数字电视发射装置。

背景技术

文中技术术语解释：

1.带外频谱：信号频谱中有用频谱以外的频谱。

2.成形滤波器：主要作用是减小信号所占的带宽，提高频谱利用率。

3.峰均比：信号的峰值功率与平均功率的比。

4.LMS算法：Least mean square算法，即最小均方算法。

数字电视发射机是数字电视广播体系的重要组成部分，承担着数字电视与多媒体地面广播等多种广播电视相关业务的无线覆盖任务，重点解决城市移动用户和边缘地区固定用户的接收问题。随着国家加快推进三网融合，数字电视发射机将迅速朝着更宽的带宽与更多样的业务发展。

功率效率是数字电视发射机的重要指标，而功率放大器的效率是影响发射机功率效率的最重要因素，但数字电视的宽带化发展却为提高功率放大器效率带来了不利的影响。

功率放大器的输入和输出之间不可避免地存在非线性。对于恒包络调制信号，功率放大器可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传输效率。目前数字电视信号具有8MHz左右的带宽，采用的波形有多载波、QAM调制等高效波形，信号包络具有大的波动，峰均比可达9dB左右，这样的信号对功放的非线性非常敏感。若不回退，则会产生严重的带外频谱再生和带内失真，影响传输性能且造成邻道干扰，若采用功放回退技术，则会造成极大部分的功率转化为热耗。随着三网融合的深入，数字电视将更趋宽带化与业务的多样化，功放的非线性将会表现出更为严重的影响。

因此，为了确保数字电视发射机的功率效率有必要对功放进行线性化校正。基带预失真技术是目前最有前景的一种功放线性化方法，其基本原理是信号在基带先进行非线性变换，这种变换特性与功放的非线性特性互补，从而使得功放输出信号呈现为调制信号的线性放大。避免信号的带内畸变和带外频谱再生。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，所以，基带预失真技术需要具有自适应的特性。如图1所示，基带自适应功放校正系统通过耦合器引回部分功放输出信号，经由反馈通道、模数转换和数字下变频，利用得到的基带数据，以预失真器输出作为参考，自适应地更新预失真器。

在数字电视发射机领域，以德国R/S公司、法国汤姆逊公司、美国哈里斯公司和日本东芝公司等为代表的设备生产商率先推出具有功放线性校正功能的数字电视发射机，我国的设备生产商也随后推出相应产品。目前，这些产品的功放线性化校正多采用多点折线式校正技术、前馈校正技术、全数字实时预校正技术，正朝着自适应基带预失真方向发展。

但是对于峰均比大的信号，在某些时刻具有较大的功率，这些较大的功率取值会影响上述功放线性化校正的效果。

实用新型内容

本实用新型的发明目的在于：针对上述存在的问题，把削峰技术与功放非线性自适应校正技术引入到数字电视发射机中，使得信号先经过削峰处理，降低信号峰均比，再进行基带预失真处理，补偿功放的非线性，可以提供高效率的数字电视发射装置。考虑到射频发射通道往往具有非理想的频率特性，还可在基带预失真处理后，加入通道补偿滤波环节，用于射频发射通道的校正。

本实用新型采用的技术方案是这样的：一种高效率数字电视发射装置，包括功放预失真单元、数字上变频与数模转换单元、射频发射通道、功率放大器、反馈模块，所述功放预失真单元包括信号输入端、反馈信号输入端与输出端；功放预失真单元的输出端与数字上变频与数模转换单元的输入端连接，数字上变频与数模转换单元的输出端与射频发射通道的输入端连接，射频发射通道的输出端与功率放大器的输入端连接，所述反馈模块的输入端与功率放大器的输出端连接，反馈模块的输出端与功放预失真单元的反馈信号输入端连接，其特征在于，还包括峰值对消电路，所述峰值对消电路的输出端与功放预失真单元的信号输入端连接。

优选地，所述一种峰值对消电路包括波峰因子计算单元、延时单元、成形滤波器、乘法器、加法器一、加法器二、滤波器一；所述延时单元与波峰因子计算单元都具有基带信号输入端；波峰因子计算单元的基带信号输入端与延时单元的基带信号输入端相连，波峰因子计算单元的输出端与乘法器的第一输入端连接，乘法器的第二输入端与延时单元的基带信号输入端连接，所述乘法器的输出端与加法器一的反相输入端连接，所述加法器一的正相输入端与延时单元的基带信号输入端相连，加法器一的输出端与成形滤波器的输入端连接；所述延时单元的输出端与加法器二的正相输入端连接，所述成形滤波器的输出端与加法器二的反相输入端连接；加法器二的输出端与滤波器一的输入端连接；滤波器一的输出端与功放预失真单元的信号输入端连接。

优选地，所述滤波器一为低通滤波器。

优选地，本实用新型还包括通道补偿单元，通道补偿单元包括信号输入端、反馈信号输入端与输出端；功放预失真单元的输出端与通道补偿单元的信号输入端连接，通道补偿单元的输出端与数字上变频与数模转换单元的输入端连接，数字上变频与数模转换单元的输出端与射频发射通道的输入端连接，射频发射通道的输出端与功率放大器的输入端连接，所述反馈模块的输入端与功率放大器的输出端连接，反馈模块的输出端同时与功放预失真单元与通道补偿单元的反馈信号输入端连接。

本实用新型的有益效果是：本实用新型将基带信号中超出阈值的部分提取出来，经过成形滤波，滤除其中的带外频谱，再从原基带信号中减去经过成形滤波器处理的超出阈值的部分，最后，减去超出阈值的部分的基带信号通过第二次滤波，进一步滤除其中的带外频谱，从而在避免产生带外频谱分量的同时，实现了基带信号的限幅，有利于后续的基带预失真处理，提高了数字电视发射机的线性化校正的效果。

为了避免发射通道非线性对功放非线性特性的耦合进而影响校正效果，作为一种优选的实施方式，本实用新型还加入了通道线性化技术对发射通道进行校正，进一步提高了发射机线性化校正的效果。

本实用新型主要用于数字电视信号发射。

附图说明

图1是现有技术中在数字电视发射机中采用功放预失真技术的原理框图。

图2是本实用新型第一实施例的原理框图。

图3是本实用新型第二实施例的原理框图。

图4是功放预失真单元的原理框图。

图5是峰值对消电路的原理框图。

图6是通道补偿单元的原理框图。

图7是经本实用新型第二实施例处理后的信号功率谱、现有数字发射机输出的信号功率谱与数字电视发射机输出信号功率谱的对比情况。

具体实施方式

下面结合附图，对本实用新型作详细的说明。

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

如图2，本实用新型的第一实施例包括峰值对消电路、功放预失真单元、数字上变频与数模转换单元、射频发射通道、功率放大器、反馈模块，所述功放预失真单元包括信号输入端、反馈信号输入端与输出端；所述峰值对消电路的输出端与功放预失真单元的信号输入端连接，功放预失真单元的输出端与数字上变频与数模转换单元的输入端连接，数字上变频与数模转换单元的输出端与射频发射通道的输入端连接，射频发射通道的输出端与功率放大器的输入端连接，所述反馈模块的输入端与功率放大器的输出端有信号连接，反馈模块的输出端与功放预失真单元的反馈信号输入端连接。

反馈模块包括射频反馈通道、模数转换与数字下变频单元。

所述反馈模块的输入端与功率放大器的输出端可以通过耦合器建立信号连接，耦合器将功率放大器输出的信号引入反馈模块。

功放预失真器：如图4，功放预失真器主要包括预失真处理器A与预失真训练器，而预失真训练器进一步可分为缓存器、数据同步器、训练运算器以及预失真处理器B。预失真处理器A与预失真处理器B电路结构完全一样，并同时接受训练运算器输出的相同的信号失真处理参数。预失真处理器A或预失真处理器B的结构或处理信号的方式由采用的功率放大器预失真模型决定，现以记忆多项式模型进行阐述。

a.预失真处理器A与预失真处理器B：预失真处理器A的输入为x(n)，输出为f(n)；预失真处理器B的输入为y(n)、输出为

二者接受来自训练运算器的相同调节，内部处理也完全一样。

其中预失真处理器A中的处理即是完成公式

$f\left(n\right)=\underset{b=1}{\overset{B}{\mathrm{\Σ}}}\underset{q=0}{\overset{Q}{\mathrm{\Σ}}}{a}_{b,q}x(n-q){\left|x(n-q)\right|}^{2(b-1)},$

式中B为多项式阶数，Q为记忆深度，各乘积项的系数

在训练运算器的控制下更新。

预失真处理器B具有与预失真处理器A完全相同的处理方式，即完成公式

$\hat{f}\left(n\right)=\underset{b=1}{\overset{B}{\mathrm{\Σ}}}\underset{q=0}{\overset{Q}{\mathrm{\Σ}}}{a}_{b,q}y(n-q){\left|y(n-q)\right|}^{2(b-1)},$

式中B为多项式阶数，Q为记忆深度，各乘积项的系数

在训练运算器的控制下更新。

b.数据同步器与缓存器：由于存在系统时延，图4中的信号y(n)与x(n)之间以及信号

与f(n)之间存在时延，缓存器与数据同步器的功能即是为了实现在预失真处理器初始化阶段完成x(n)对y(n)的同步，以及在发射过程中f(n)对的同步。

具体来说：系统计算预失真处理器A、B的参数时，缓存器缓存待传基带信号x(n)，并对数据同步器输出带有一定时延的x(n-n′₀)。然后，对x(n-n′₀)与y(n)进行互相关运算，求出系统时延n₀，将g(n)＝x(n-n₀)输出给训练运算器。

在发射机工作过程中，缓存器缓存预失真处理器A的输出信号f(n)，并对数据同步器输出带有一定时延的f(n-n′₀)。数据同步器利用在计算预失真处理器A、B的参数步骤中求出的系统时延n₀调整f(n-n′₀)的相位，将g(n)＝f(n-n₀)输出给训练运算器。

c.训练运算器：

训练运算器的输入信号为数据恢复电路输出信号y(n)、数据同步器输出信号g(n)和预失真处理器B输出信号

输出为预失真处理器A与预失真处理器B的信号失真处理参数

同步启动信号，当引入通道补偿单元的时候，训练运算器输出的信号还包括通道补偿调节启动信号。训练运算器有两个功能：①计算预失真处理器的信号失真处理参数

②在发射机工作过程中，更新预失真处理器A、B的参数

当引入通道补偿单元的时候，训练运算器还要判断是否需要重新计算通道滤波器的参数。

计算信号失真处理参数

的具体过程是：切换开关K的分刀与位1接通的情况下，训练运算器以y(n)作为输入信号，以g(n)＝x(n-n₀)作为参考信号，训练运算器采用递归最小二乘RLS算法计算信号失真处理参数

具体过程为求解方程组

n_bpa＜n≤n_bpa+N_itr，N_itr为迭代次数，可根据实验预先设定；n_bpa为计算开始时刻。

式中，

为待求的信号失真处理参数，

y(n-q)，y(n-q)|y(n-q)|²，...，y(n-q)|y(n-q)|^2(k-1)，。

y(n-Q)，y(n-Q)|y(n-Q)|²，...，y(n-Q)|y(n-Q)|^2(K-1)^T

在发射机工作过程中，以

作为输入，以g(n)＝f(n-n₀)作为参考信号，以预失真器A和B原系数作为初始值，利用LMS算法进行预失真处理器A和B的系数更新。

同时，训练运算器计算

若J值大于设定的门限值，则预失真训练器向通道补偿调节器发送通道补偿调节启动信号，通道补偿器重新计算通道滤波器的参数。

峰值对消电路：如图5所示，包括波峰因子计算单元、延时单元、成形滤波器、乘法器、加法器一、加法器二、滤波器一；所述延时单元与波峰因子计算单元都具有基带信号输入端；波峰因子计算单元的基带信号输入端与延时单元的基带信号输入端相连，波峰因子计算单元的输出端与乘法器的第一输入端连接，乘法器的第二输入端与延时单元的基带信号输入端连接，所述乘法器的输出端与加法器一的反相输入端连接，所述加法器一的正相输入端与延时单元的基带信号输入端相连，加法器一的输出端与成形滤波器的输入端连接；所述延时单元的输出端与加法器二的正相输入端连接，所述成形滤波器的输出端与加法器二的反相输入端连接；加法器二的输出端与滤波器一的输入端连接。

所述延时单元可以用寄存器来实现。

波峰因子计算单元的工作原理如下：令削峰门限为A，该值可以根据实际需要，通过实验调试得到。

波峰因子

${\mathrm{\δ}}^{\′}\left(n\right)=\left\{\begin{array}{c}1\left|d\left(n\right)\right|\≤A\\ \frac{A}{\left|d\left(n\right)\right|}\left|d\right|\left(n\right)>A.\end{array}\right.$

成形滤波器可采用升余弦滤波器，其滚降系数α通过仿真得到。成形滤波器用于抑制d′(n)的带外频谱。

所述滤波器一的作用是滤除减去超出阈值部分后基带信号中的带外频谱，可以根据信号的频谱特性设计，本实施例中选用的是低通滤波器，其通带带宽优选为大于(1+α)倍信号带宽。

下面再结合实施例阐述本实用新型的工作过程：基带信号d(n)同时进入延时单元，即寄存器、加法器一的正相输入端、乘法器的第二输入端与波峰因子计算单元输入端。

波峰因子计算单元根据公式

${\mathrm{\δ}}^{\′}\left(n\right)=\left\{\begin{array}{c}1\left|d\left(n\right)\right|\≤A\\ \frac{A}{\left|d\left(n\right)\right|}\left|d\right|\left(n\right)>A\end{array}\right.$

计算出波峰因子。乘法器将基带信号d(n)与波峰因子δ′(n)相乘。从公式中不难得出：当基带信号d(n)的幅值小于A时，乘法器输出为d(n)；当基带信号d(n)的幅值大于A时，乘法器输出为A。加法器一将基带信号d(n)与乘法器的输出做差，得到基带信号超出设定阈值A的部分d′(n)，成形滤波器滤除信号d′(n)中的带外频谱。

加法器二从存于寄存器中的基带信号d(n)中减去经过成形滤波器处理后的信号d′(n)，实现了对基带信号d(n)的限幅，加法器二的输出信号再次被滤除带外频谱后输出给后续电路。

作为本实用新型的第二个优选实施方式，在第一实施例的基础上，在功放预失真单元与数字上变频与数模转换单元之间接入通道补偿单元，见图3。具体而言，通道补偿单元包括信号输入端、反馈信号输入端与输出端；功放预失真单元的输出端与通道补偿单元的信号输入端连接，通道补偿单元的输出端与数字上变频与数模转换单元的输入端连接，数字上变频与数模转换单元的输出端与射频发射通道的输入端连接，射频发射通道的输出端与功率放大器的输入端连接，所述反馈模块的输入端与功率放大器的输出端通过信号耦合器连接，反馈模块的输出端同时与功放预失真单元、通道补偿单元的反馈信号输入端连接。

通道补偿器：如图6所示，通道补偿器包括通道补偿滤波器与通道补偿调节器，其中通道补偿调节器又包括通道补偿数据缓存器、通道补偿数据同步器、通道补偿运算器。通道补偿滤波器接收功率预失真单元的输出信号f(n)，并向通道补偿数据缓存器输出信号u(n)。当训练运算器发出通道补偿调节启动信号的同时，切换开关K的分刀3与位2接通，通道补偿数据缓存器向通道补偿数据同步器输出具有一定时延的信号u(n-m′₀)，通道补偿数据同步器对u(n-m′₀)与数据恢复电路输出信号y(n)进行互相关运算，求出u(n)的系统时延m₀，利用系统时延m₀调节信号u(n-m′₀)的相位，使其与信号y(n)同步，得到信号u(n-m′₀)同步后的信号u(n-m₀)。

通道补偿运算器利用信号u(n-m₀)与信号y(n)，通过LMS算法计算通道补偿滤波器系数

为M维列矢量，M为通道补偿滤波器阶数。具体过程为求解方程组

n_bch≤n≤n_bch+N_ch，n_bch为运算开始时刻，N_ch为迭代次数。

通道补偿运算器将求得的通道补偿滤波器的抽头系数

输出给通道补偿滤波器。在数字电视发射机工作时，通道补偿滤波器起到均衡的作用，对发射通道的非理想频率特性进行补偿。

接下来参照图2阐述本实用新型第一实施例的工作过程：

系统初始化

步骤0：信号d(n)通过峰值对消，输出x(n)。

步骤1：旁路掉预失真处理器A。

步骤2：反馈模块从功放输出信号耦合回反馈信号。接着如图4所示，训练运算器发送启动同步信号，在数据同步器中通过互相关提取系统时延n₀，数据同步器的输出g(n)＝x(n-n₀)，以y(n)作为输入，以g(n)＝x(n-n₀)作为参考信号，以任意系数作为初始值，利用LMS算法计算预失真处理器A和B的系数，并对预失真处理器A和B进行初始设置，随后接入预失真处理器A，发射机进入正常工作状态。

发射机工作过程中的自适应

经过初始化后，发射机处于正常工作状态。自适应过程在发射机工作过程中一直在进行，接下来阐述该过程。

步骤0：数据d(n)通过峰值对消，输出x(n)。

步骤1：从功放输出信号耦合回反馈信号，得到反馈信号的时间序列y(n)。

步骤2：如图6所示，以

作为输入，以g(n)＝f(n-n₀)作为参考信号，以预失真器A和B原系数作为初始值，利用LMS算法进行预失真处理器A和B的系数更新。

重复步骤2直到发射机停止工作。

参照图3阐述本实用新型第二实施例的工作过程：

系统初始化：

步骤0：信号d(n)通过峰值对消，输出x(n)。

步骤1：旁路掉预失真处理器A，通道补偿滤波器初始设置为低通滤波器。

步骤2：开关K切换到2，功率放大器的输出信号耦合进入反馈模块。接着如图6所示，通道补偿调节器接收u(n)与y(n)，二者通过互相关求出u(n)相对与y(n)的相位差m₀，得到u(n-m₀)，然后以u(n-m₀)为参考信号，以y(n)作为输入，进行LMS运算，得到通道补偿滤波器的更新系数，并对其进行更新。

步骤3：开关K切换到1，反馈模块从功放输出信号耦合回反馈信号。接着如图4所示，训练运算器发送启动同步信号，在数据同步器中通过互相关实现x(n)相对于y(n)的时延n₀，数据同步器的输出g(n)＝x(n-n₀)，以y(n)作为输入，以g(n)＝x(n-n₀)作为参考信号，以任意系数作为初始值，利用递归RLS算法计算预失真处理器A和B的系数，并对预失真处理器A和B进行初始设置，随后接入预失真处理器A，发射机进入正常工作状态。

发射机工作过程中的自适应：

经过初始化后，发射机处于正常工作状态。自适应过程在发射机工作过程中一直在进行，接下来阐述该过程。

步骤0：数据d(n)通过峰值对消，输出x(n)。

步骤1：从功放输出信号耦合回反馈信号，得到反馈信号的时间序列y(n)。

步骤2：如图6所示，以

作为输入，以g(n)＝f(n-n₀)作为参考信号，以预失真器A和B原系数作为初始值，利用LMS算法进行预失真处理器A和B的系数更新。

同时，训练运算器实时计算

若值大于某门限，则发送通道补偿调节信号，回到系统初始化中的步骤2。

以16QAM信号为输入例，预失真处理器采用式(1)即：

记忆多项式模型，式中的K＝3，Q＝2，即最高非线性项为5阶，最大延时为2，图7显示了第二实施例中发射机输出射频信号与现有数字发射机输出的信号功率谱与理想数字电视发射机输出信号功率谱的对比情况。

从图中可见，无基带校正处理的功放输出信号功率谱在-102dB处产生带肩，本实例的功放输出信号功率谱在-119dB处产生带肩，本实用新型的预失真处理将带肩下降了-17dB。

可见，本实用新型是一种有效的高效数字电视发射装置。以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种高效率数字电视发射装置，包括功放预失真单元、数字上变频与数模转换单元、射频发射通道、功率放大器、反馈模块，所述功放预失真单元包括信号输入端、反馈信号输入端与输出端；功放预失真单元的输出端与数字上变频与数模转换单元的输入端连接，数字上变频与数模转换单元的输出端与射频发射通道的输入端连接，射频发射通道的输出端与功率放大器的输入端连接，所述反馈模块的输入端与功率放大器的输出端有信号连接，反馈模块的输出端与功放预失真单元的反馈信号输入端连接，其特征在于，还包括峰值对消电路，所述峰值对消电路的输出端与功放预失真单元的信号输入端连接。

2.根据权利要求1所述的一种高效率数字电视发射装置，其特征在于，所述一种峰值对消电路包括波峰因子计算单元、延时单元、成形滤波器、乘法器、加法器一、加法器二、滤波器一；所述延时单元与波峰因子计算单元都具有基带信号输入端；波峰因子计算单元的基带信号输入端与延时单元的基带信号输入端相连，波峰因子计算单元的输出端与乘法器的第一输入端连接，乘法器的第二输入端与延时单元的基带信号输入端连接，所述乘法器的输出端与加法器一的反相输入端连接，所述加法器一的正相输入端与延时单元的基带信号输入端相连，加法器一的输出端与成形滤波器的输入端连接；所述延时单元的输出端与加法器二的正相输入端连接，所述成形滤波器的输出端与加法器二的反相输入端连接；加法器二的输出端与滤波器一的输入端连接；滤波器一的输出端与功放预失真单元的信号输入端连接。

3.根据权利要求2所述的一种高效率数字电视发射装置，其特征在于，所述滤波器一为低通滤波器。

4.根据权利要求1或2或3所述的一种高效率数字电视发射装置，其特征在于，还包括通道补偿单元，通道补偿单元包括信号输入端、反馈信号输入端与输出端；功放预失真单元的输出端与通道补偿单元的信号输入端连接，通道补偿单元的输出端与数字上变频与数模转换单元的输入端连接，数字上变频与数模转换单元的输出端与射频发射通道的输入端连接，射频发射通道的输出端与功率放大器的输入端连接，所述反馈模块的输入端与功率放大器的输出端连接，反馈模块的输出端同时与功放预失真单元、通道补偿单元的反馈信号输入端连接。

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