CN202085164U - 自适应ics直放站中提高功放效率的基带数字化的装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种自适应ICS直放站中提高功放效率的基带数字化的装置，在接收信号通道的数字下变频与发射信号通道的数字上变频之间连接有回波抵消模块和功放预失真模块，回波抵消模块的输入端与数字下变频连接，回波抵消模块的输出端与功放预失真模块输入端连接，功放预失真模块输出端与数字上变频连接。本实用新型自适应ICS直放站中提高功放效率的基带数字化的装置在数字ICS直放站中引入预失真器模块，可使功放工作于饱和工作点附近，因此可以获得最佳的功放效率，从而降低直放站系统的建设成本和运行成本。

Description

自适应ICS直放站中提高功放效率的基带数字化的装置

技术领域

本实用新型涉及地面数字电视广播系统，尤其是具有自适应回波抑制功能的直放站中的一种提高射频功率放大器效率的基带数字化装置。 

背景技术

随着我国数字地面电视广播(Digital Terrestrial Television Broadcasting，DTTB)标准的颁布，其组网模式和信号覆盖问题逐渐成为关注的话题。为了提高电视网络覆盖范围，一般采用单频网(Signal Frequency Network，SFN)作为组网模式。SFN具有覆盖范围广、少干扰、低功耗、高可靠性和频谱利用率高等优势。 

由于多种原因的影响，SFN通常不可能达到无缝覆盖。对于弱信号区和一些偏远地区或用户数不多的盲区，架设模拟或数字基站成本太高，基础设施也较复杂，基于成本和传输条件等的考虑，提供一种性能稳定可靠、低成本、架设简单、并具有小型基站功能的直放站是十分有必要的。 

对于传统的无线模拟直放站而言，如果收发天线间的隔离度不够，输出天线的部分信号会泄漏到输入天线形成回波干扰。此时如果直放站增益大于收发天线间的隔离度，将导致系统的自激；即使直放站增益小于收发天线间的隔离度，系统不产生自激，回波干扰也将影响通信质量。无线数字直放站通常也会受自激效应的影响而导致传输性能下降。为了获得较高的传输性能，通常对直放站系统的工程安装架设有较高的要求，而外界环境的变化也可能导致系统性能的下降。应用现代数字信号理论和算法构造的具有干扰抑制(Interference Cancellation System，ICS)功能的无线数字同频直放站，不仅能够自适应地估计和跟踪反馈信道的传输特性，从而有效地减弱自激效应，而且可大大降低直放站对隔离度的要求，进而极大降低工程安装的难度，大幅提高系统的稳定性。ICS无线数字同频直放站具有高增益、高功率、高稳定性和易维护性等诸多特点。 

然而，由于数字电视信号的功率会随时间呈现显著地变化(起伏)，表现为高的峰值平均功率比(PARP)，这些信号通过PA时，PA的非线性通 常会产生互调失真(IMD)，由于频谱再生而导致邻信道功率比(ACPR)下降，出现较为严重的邻信道干扰，而带内失真将降低误比特率(BER)性能。严重影响了PA的工作效率。故可以利用功放预失真技术对回波抵消后的输出数据进行处理，以提高PA的工作效率。 

通过对现有技术文献的检索，国内针对数字地面电视广播同频直放站的文献较少，中国专利申请号200810104188.9，名称为“移动多媒体广播系统直放站的回波消除器和回波消除方法”主要针对移动多媒体广播系统直放站的回波干扰消除，其采用发送训练序列的方式来估计回波信道，生成训练序列的过程较为复杂，并且需要占用大量的硬件资源；另外，由于滤波器权值更新依靠发送的训练序列，其权值更新速度有可能不能跟踪外部回波信道和干扰的变化。目前国内尚没有关于在数字地面电视的数字ICS直放站中引入功放的数字基带预失真技术的专利和文献。 

实用新型内容

本实用新型旨在克服现有技术的不足提供一种通过自适应地定量测量直放站系统回路的系统冲激响应、从而得到直放站回波抵消功能指标的有效评估的自适应ICS直放站中提高功放效率的基带数字化的装置。 

为了实现上述目的，本实用新型设计出一种自适应ICS直放站中提高功放效率的基带数字化的装置，在接收信号通道的数字下变频与发射信号通道的数字上变频之间连接有回波抵消模块和功放预失真模块，回波抵消模块的输入端与数字下变频连接，回波抵消模块的输出端与功放预失真模块输入端连接，功放预失真模块输出端与数字上变频连接。 

所述的回波抵消模块包括有信道估计器和FIR滤波器，所述的信道估计器与FIR滤波器连接，信道估计器和FIR滤波器的一端分别与接收信号通道连接，信道估计器和FIR滤波器的另一端分别与参考信号产生回路连接。 

本实用新型自适应ICS直放站中提高功放效率的基带数字化的装置在数字ICS直放站中引入预失真器模块，可使功放工作于饱和工作点附近，因此可以获得最佳的功放效率，从而降低直放站系统的建设成本和运行成本。 

与传统直放站的干扰抑制技术不同，在发明中，包括干扰抑制等在内的核心功能完全采用数字基带处理，性能可靠稳定、抗干扰能力强，可保 证高质量的数据传输；设计灵活、集成度和性价比高，建设、运营、维护和升级成本低廉。 

附图说明：

图1是本实用新型自适应ICS直放站中提高功放效率的基带数字化的装置的原理方框图； 

图2是本实用新型自适应ICS直放站中提高功放效率的基带数字化的装置的原理示意图； 

图3是本实用新型自适应ICS直放站中提高功放效率的基带数字化的装置的回波抵消器图的原理方框图。 

具体实施方式

为了便于本领域技术人员的理解，下面将结合具体实施例及附图对本实用新型的结构原理作进一步的详细描述： 

如图1所示，一种自适应ICS直放站中提高功放效率的基带数字化的装置，在接收信号通道的数字下变频与发射信号通道的数字上变频之间连接有回波抵消模块和功放预失真模块，回波抵消模块的输入端与数字下变频连接，回波抵消模块的输出端与功放预失真模块输入端连接，功放预失真模块输出端与数字上变频连接。 

如图3所示，所述的回波抵消模块包括有信道估计器和FIR滤波器，所述的信道估计器与FIR滤波器连接，信道估计器和FIR滤波器的一端分别与接收信号通道连接，信道估计器和FIR滤波器的另一端分别与参考信号产生回路连接。 

如图1、图2所示，本实用新型自适应ICS直放站中提高功放效率的基带数字化的装置的工作过程的具体步骤如下： 

(1)接收天线接收到的数字电视信号经由射频滤波器、低噪放大器(LNA)和模拟下变频器等变换为模拟中频(IF)信号。 

(2)利用模数转换(A/D)将射频接收子系统输出中频信号通过采样量化后转换为数字中频信号，通过数字下变频(DDC)将数字中频信号转换为数字基带信号r(n)。 

(3)在系统开始工作之前，开关K1和K2都切换至2端，即断开回波抵消模块并且引入基带训练信号，同时功放输出信号并不通过天线发 出，而是耦合回功放预失真模块，功放预失真模块进入学习过程，如图2所示。功放预失真模块从发出信号和经过功放后的接收信号中提取功放的特征信息，确定预失真模型中的系数，从而建立起对应此功放的预失真查找表。 

(4)开始回波干扰抑制的工作过程，如图2所示，此发明的一个关键技术为在数字基带采用LMS方法对回波干扰进行抑制。回波干扰抑制的方法是利用自适应有限长冲激响应(FIR)滤波器来模拟地面数字广播电视发射天线到接收天线之间的耦合信道。应用LMS算法实现该FIR滤波器的抽头系数的自适应更新，可跟踪收发天线间耦合信道的变化；而滤波器的输出能有效跟踪接收到的回波干扰信号，从而可以从接收信号中减去滤波器输出的回波干扰信号估计，达到抑制回波干扰的目的。 

(5)如果需要重新配置DPD查找表，则开关K1和K2都切换至2端，重复预失真学习过程；预失真配置结束，开关K1和K2都切换至1端，进入ICS工作过程。 

(6)回波干扰抑制模块开始工作后，将经过数字功放预失真处理后的信号进行数模转换，数模转换子系统包括数字上变频器(DUC)和数模转换(D/A)。DUC将基带数字信号处理子系统输出的数字基带信号上变频为中频数字信号，利用D/A将数字中频信号转换为模拟中频信号。 

(7)射频发射子系统由射频上变频器、射频滤波器和功率放大器(PA)等组成，其主要功能时把中频信号上变频为射频信号，经功率放大后重新发射。利用射频上变频器将数模转换子系统输出的中频信号上变频为射频信号，并通过带通滤波器抑制上变频产生的带外干扰，采用功率放大器对其放大后重新发射。 

在步骤3中，具体步骤如下： 

3.1通过迭代计算的方法获得预失真器对应的记忆多项式系数。训练信号通过整个数字和射频回路后得到相应的数字基带接收信号，应用环路延迟估计算法得到环路延迟估计，完成收发数据的延迟调整，使其数据互相对齐，随后进行数字预失真器的参数计算。训练信号可由系统内部产生，也可以直接使用直放站的接收信号。 

步骤1：设初始条件为：系数向量 

逆矩阵C(0)＝δI，δ是一个很小的正数，I为单位矩阵。C和I都是L×L维矩阵，L＝(Q+1)(K+1)/2是预 失真器多项式系数h的长度。遗忘因子λ一般取接近于1的数，如λ＝0.98； 

步骤2：在n＝1，2，3，...，N时刻，系数向量的更新迭代过程为： 

1)首先取得预失真器期望输出z(n)和用于训练的采样数据向量u(n)，其中u(n)＝y^T(n)，y(n)是Y的第n行，即y(n)＝[y₁₀(n)，y₃₀(n)，…，y_K0(n)，…，y_1Q(n)，…，y_KQ(n)] 

2)更新增益矢量 

μ(n)＝u^H(n)C(n)u(n)                  (1) 

$g\left(n\right)=\frac{C(n-1)u\left(n\right)}{\mathrm{\λ}+\mathrm{\μ}\left(n\right)}---\left(2\right)$

3)更新预失真器多项式系数 

$\mathrm{\ξ}=z\left(n\right)-u^H\left(n\right)\hat{h}(n-1)---\left(3\right)$

$\hat{h}\left(n\right)=\hat{h}(n-1)+g\left(n\right){\mathrm{\ξ}}^{*}---\left(4\right)$

4)更新逆矩阵 

C(n)＝λ^-1[C(n-1)-g(n)u^H(n)C(n-1)]    (5) 

步骤3：使n＝n+1，转向步骤2的迭代过程。 

预失真器记忆多项式的系数h的估计后，即可得到相应的记忆多项式数字预失真器。 

3.2由预失真器对应的记忆多项式系数得到对应的查找表(LUT)，并将预失真器查找表存入FPGA的RAM中。 

3.3预失真器学习过程结束时，开关K1和K2都切换至1端，即预失真模块的反馈回路断开，并将回波抵消后的输出接入预失真模块。 

在步骤4中的方法的包括如下具体步骤： 

4.1从数字基带耦合参考信号x(n)送入自适应滤波器中，可得到回波估计信号w^H(n)x(n)，其中w(n)是FIR滤波器的权向量； 

4.2从接收到的数字基带信号r(n)中减去回波估计信号w^H(n)x(n)，得到误差信号e(n)，即 

e(n)＝r(n)-w^H(n)x(n)                  (6) 

4.3将误差信号e(n)和数字参考信号x(n)送入信道估计器中，提取误差数据e(n)的符号，采用简化的最小均方(LMS)算法对信道估计权向量进行更新，即 

w(n+1)＝w(n)+μx(n)e^*(n)        (7) 

其中μ为步长因子。 

式(2)中x(n)＝[x(n)，x(n-1)，…x(n-L+1)]^T，L为自适应滤波器的长度，与基带采样率有关，同频直放站回波有效路径的最大延时不超过1.5μs，因此，对于10MSPS的基带数据率，L设置为16就能满足要求。 

4.5将误差信号e(n)通过延迟t后作为信道更新的参考信号e(n-τ)，延迟的时间为t微秒，延迟t表示回波信道第一条有效路径的延迟，可将误差信号e(n)和接收信号r(n)作滑动相关运算获得该延迟。 

现以一个实例解释本发明创造。 

首先，直放站接收天线接收到约710MHz左右的射频电视信号，其带宽为8MHz，将接收到的信号进行低噪放大，射频滤波，减小临信道的干扰，然后通过模拟下变频到60MHz模拟中频。 

采用14位的A/D将60MHz的模拟中频信号通过采样量化后转换为60MHz的数字中频信号，然后通过数字下变频将中频信号变换到基带，并通过抽取使数据率为10MSPS，可以针对该数字基带信号进行回波干扰抑制。 

将回波抑制后的误差信号通过延迟t微秒的延迟模块形成参考信号，参考信号送入长度为L＝16的自适应滤波器形成回波干扰估计，将回波干扰估计送入直放站接收端进行回波干扰采用抑制，同时信道估计器采用LMS方法对估计权向量进行更新。步长μ＝2^-7。 

将经回波干扰抑制后的信号送入数字功放预失真模块。回波抑制模块与数字功放预失真模块可能出现数据率不匹配的问题，则需要利用抽取或者内插来解决。 

计算预失真多查找表的过程是功放预失真的学习过程中得出的，之后将所得查找表值填入FPGA中所对应的RAM查找表中。 

将通过数字功放预失真的信号进行数字上变频处理，先将数字功放预失真模块的输出内插至180MSPS后，然后将基带信号上变频至60MHz，最 后通过D/A将60MHz的数字中频信号转换为模拟中频信号。最后将该模拟中频信号进行模拟上变频和功率放大器处理，得到710MHz左右的重发射频模拟信号，将该射频模拟信号通过发射天线发出。 

可能存在的技术方案： 

(1)回波干扰抑制实现方式 

自适应信道估计器与FIR滤波器可同时采用单片FPGA(或DSP)芯片实现；也可以将信道估计器在一片DSP芯片中实现，而FIR滤波器在一片FPGA芯片中实现；也可以将信道估计器在一片FPGA芯片中实现，而FIR滤波器在一片DSP芯片中实现。 

(2)数字功放预失真实现方式 

数字预失真器的自适应学习算法复杂可以在DSP或者FPGA的嵌入式DSP核中进行；或者在FPGA中进行。根据不同的功放，可以采用其他专用的数字预失真结构和模型以达到更优的效果。 

(3)数字上/下变频实现方式 

数字下变频可采用一片有模数转换和数字下变频的专用芯片实现，数字上变频可采用一片有数模转换和数字上变频的专用芯片实现。 

数字上/下变频也可在FPGA或DSP芯片中实现。 

(4)回波抵消自适应滤波器更新方式 

回波抵消自适应滤波器可以根据信道估计器计算出的信道估计权向量连续更新，也可以定时更新，还可以设置更新条件，当满足更新条件时滤波器更新，否则滤波器不更新。 

Claims (2)

1.一种自适应ICS直放站中提高功放效率的基带数字化的装置，其特征在于：在接收信号通道的数字下变频与发射信号通道的数字上变频之间连接有回波抵消模块和功放预失真模块，回波抵消模块的输入端与数字下变频连接，回波抵消模块的输出端与功放预失真模块输入端连接，功放预失真模块输出端与数字上变频连接。

2.根据权利要求1所述的自适应ICS直放站中提高功放效率的基带数字化的装置，其特征在于：所述的回波抵消模块包括有信道估计器和FIR滤波器，所述的信道估计器与FIR滤波器连接，信道估计器和FIR滤波器的一端分别与接收信号通道连接，信道估计器和FIR滤波器的另一端分别与参考信号产生回路连接。 

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