RU2786412C1 - Method for compensating nonlinear distortions of high-frequency power amplifiers and a device for its implementation - Google Patents

Method for compensating nonlinear distortions of high-frequency power amplifiers and a device for its implementation Download PDF

Info

Publication number
RU2786412C1
RU2786412C1 RU2021137571A RU2021137571A RU2786412C1 RU 2786412 C1 RU2786412 C1 RU 2786412C1 RU 2021137571 A RU2021137571 A RU 2021137571A RU 2021137571 A RU2021137571 A RU 2021137571A RU 2786412 C1 RU2786412 C1 RU 2786412C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
input
output
signal
block
function
Prior art date
Application number
RU2021137571A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Сергей Викторович Воробьев
Алексей Николаевич Оболенцев
Original Assignee
Акционерное общество "ГлобалИнформСервис"
Filing date
Publication date
Application filed by Акционерное общество "ГлобалИнформСервис" filed Critical Акционерное общество "ГлобалИнформСервис"
Application granted granted Critical
Publication of RU2786412C1 publication Critical patent/RU2786412C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: radio engineering.
SUBSTANCE: invention relates to the field of radio engineering. By subtracting the input signal from the output, a distortion signal is isolated and the functional dependence of these distortions on the input signal is determined. Using this functional dependence in the form of a separate parameterized function of pre-orders, a compensating signal is synthesized, which is mixed into the input of a power amplifier. At the same time, in order to calculate the vector of coefficients of the pre-distortion function, the input signal amplitude is quantized by M levels and the coefficients for each quantization level are determined as a sample covariance coefficient normalized relative to the input signal power.
EFFECT: reducing the level of residual distortion at the output of the power amplifier.
2 cl, 1 dwg

Description

Область техникиTechnical field

Изобретение относится к области радиотехники, в частности к радиопередающим устройствам для создания усилителей мощности с низким уровнем внеполосных излучений, используемых в радиосвязи и телерадиовещании.The invention relates to the field of radio engineering, in particular to radio transmitters for creating power amplifiers with a low level of out-of-band radiation used in radio communications and television and radio broadcasting.

Уровень техникиState of the art

Интенсивное использование радиочастотного спектра обостряет проблему ЭМС радиосредств, работающих в соседних полосах частот. Основным источником помех в таких условиях являются внеполосные излучения, которые возникают, в основном, в выходных высокочастотных усилителях мощности (УМ). Пониженный уровень внеполосных излучений имеют УМ, работающие в режиме класса А, однако они имеют низкий КПД и экономически не эффективны. Энергетически эффективные УМ с высоким КПД работают в нелинейных режимах и создают недопустимый уровень внеполосных излучений. Intensive use of the radio spectrum exacerbates the EMC problem of radio equipment operating in adjacent frequency bands. The main source of interference in such conditions are out-of-band emissions, which occur mainly in the output high-frequency power amplifiers (PA). The reduced level of out-of-band radiations has PA operating in class A mode, however, they have low efficiency and are not economically efficient. Energy-efficient PAs with high efficiency operate in non-linear modes and create an unacceptable level of out-of-band emissions.

Известны способы и устройства линеаризующие такие усилители или компенсирующие внеполосные излучения. В патенте RU 2731135 "Радиопередающее устройство с цифровой коррекцией нелинейности" описано устройство минимизации амплитудных и фазовых искажений передаваемого сигнала в условиях быстро изменяющейся и априорно неопределённой нелинейности передаточной характеристики радиотракта. Устройство содержит цифровой корректор нелинейности, использующий взвешенную сумму E-полиномов, и измеритель комбинационных составляющих, вычисляющий амплитуду и фазу искажений с помощью Фурье-преобразования. Полученные амплитуды искажений нормируют к входному сигналу, а фазы поворачивают на 180º, после чего искажения поступают на цифровой корректор нелинейности, в котором с использованием Е-полиномов формируется передаточная характеристика, компенсирующая искажения, вносимые УМ. Формирование передаточной характеристики цифрового корректора проводят на тестовом (двухтоновом) сигнале при отсутствии информационного сигнала. Недостатками представленного устройства являются необходимость измерения и предварительного описания передаточной характеристики цифрового корректора нелинейности с помощью Е-полиномов, а также необходимость периодической калибровки устройства тестовым сигналом с прерыванием передачи информационного сигнала.Methods and devices are known for linearizing such amplifiers or for compensating out-of-band radiation. Patent RU 2731135 "Radio transmitting device with digital nonlinearity correction" describes a device for minimizing the amplitude and phase distortions of the transmitted signal under conditions of rapidly changing and a priori uncertain non-linearity of the radio path transfer characteristic. The device contains a digital non-linearity corrector using a weighted sum of E-polynomials, and a combinational components meter that calculates the amplitude and phase of distortion using the Fourier transform. The resulting distortion amplitudes are normalized to the input signal, and the phases are rotated by 180º, after which the distortions are fed to a digital non-linearity corrector, in which, using E-polynomials, a transfer characteristic is formed that compensates for the distortions introduced by the PA. The formation of the transfer characteristic of the digital corrector is carried out on a test (two-tone) signal in the absence of an information signal. The disadvantages of the presented device are the need to measure and preliminary describe the transfer characteristic of the digital nonlinear corrector using E-polynomials, as well as the need for periodic calibration of the device with a test signal with interruption of the transmission of the information signal.

В материалах симпозиума 2009 IEEE International Symposium on Radio-Frequency Integration Technology описан способ линеаризации УМ с использованием метода прямой связи (Power Amplifier Linearization Using Feedforward Technique for Wide Band Communication System). В данном способе компенсация искажений УМ осуществляют в два этапа. На первом этапе после выравнивания амплитуд, фаз и задержек входного и выходного сигналов УМ осуществляют вычитание входного сигнала из выходного в результате на выходе вычитателя выделяются искажения сигнала. На втором этапе выделенные искажения вычитают из выходного сигнала УМ, тем самым исключая их из выходного сигнала УМ. Для успешной реализации данного способа на каждом этапе необходимо точное выравнивание амплитуд, фаз и задержек взаимодействующих сигналов. Устройства, реализующие данный способ, содержат как минимум два следящих контура регулирования, обеспечивающие выравнивание параметров сигналов. В данном способе компенсация искажений происходит на выходе УМ, поэтому перед вычитанием искажения должны быть усилены до необходимого уровня линейным УМ, что приводит к снижению КПД устройства в целом. Кроме того, необходимость использования как минимум двух контуров, снижает устойчивость устройства.In the proceedings of the 2009 IEEE International Symposium on Radio-Frequency Integration Technology, a Power Amplifier Linearization Using Feedforward Technique for Wide Band Communication System is described. In this method, the PA distortion compensation is carried out in two stages. At the first stage, after equalizing the amplitudes, phases and delays of the input and output signals of the PA, the input signal is subtracted from the output signal, as a result, signal distortions are highlighted at the output of the subtractor. At the second stage, the selected distortions are subtracted from the PA output signal, thereby excluding them from the PA output signal. For the successful implementation of this method at each stage, it is necessary to accurately align the amplitudes, phases and delays of the interacting signals. Devices that implement this method contain at least two servo control loops that provide equalization of the signal parameters. In this method, distortion compensation occurs at the PA output, therefore, before subtracting, the distortion must be amplified to the required level by a linear PA, which leads to a decrease in the efficiency of the device as a whole. In addition, the need to use at least two circuits reduces the stability of the device.

Прототипом изобретения, является способ и устройство, описанные в заявке на патент 2020143494/07(081150). В соответствии с ним компенсация нелинейных искажений в УМ осуществляют в два этапа. На первом этапе после выравнивания амплитуд, фаз и задержек входного и выходного сигналов УМ вычитают входной сигнал из выходного. В результате чего выделяются искажения. Наблюдая входной сигнал и искажения, определяют функциональную зависимость сигнала искажений от входного сигнала. После того как функциональная зависимость определена, ее выделяют в виде отдельной параметризированной функции – функции предыскажений. Затем, используя в качестве аргумента этой функции амплитуду текущего входного сигнала, синтезируют компенсирующий сигнал, который является моделью искажений в усилителе мощности. На втором этапе компенсирующий сигнал вычитают из входного сигнала. The prototype of the invention is the method and device described in patent application 2020143494/07(081150). In accordance with it, the compensation of non-linear distortions in the PA is carried out in two stages. At the first stage, after equalizing the amplitudes, phases and delays of the input and output signals of the PA, the input signal is subtracted from the output. As a result, distortions are highlighted. By observing the input signal and the distortion, the functional dependence of the distortion signal on the input signal is determined. After the functional dependence is determined, it is isolated as a separate parameterized function - the predistortion function. Then, using the amplitude of the current input signal as an argument of this function, a compensating signal is synthesized, which is a model of distortion in the power amplifier. In the second step, the compensating signal is subtracted from the input signal.

Функциональную зависимость искажений un от входного сигнала xin в дискретный момент времени n аппроксимируют в виде произведения входного сигнала на параметризированную функцию от амплитуды входного сигнала f(|xin(n)|,Λ). Математически при представлении сигналов в комплексной форме это может быть представлено в виде:The functional dependence of the distortion un on the input signal xin at a discrete time n is approximated as the product of the input signal and the parameterized function of the input signal amplitude f(|xin(n)|,Λ). Mathematically, when representing signals in complex form, this can be represented as:

Figure 00000001
Figure 00000001

где u̇n – синтезированный сигнал искажений;
n - дискретный момент времени;
ẋin - входной сигнал;
f(|ẋin(n)|,Λ) – параметризированная функция (функция предыскажений), связывает сигнал искажений с амплитудой входного сигнала;
Λ - вектор-строка коэффициентов функции предыскажений.
where u̇n is the synthesized distortion signal;
n - discrete moment of time;
ẋin - input signal;
f(|ẋin(n)|,Λ) – parameterized function (pre-distortion function), relates the distortion signal to the amplitude of the input signal;
Λ - row vector of coefficients of the predistortion function.

Здесь и далее предполагается, что обработка сигнала производится в цифровой форме, например, в виде квадратурных компонентов I(t) и Q(t).Here and below, it is assumed that the signal processing is performed in digital form, for example, in the form of quadrature components I(t) and Q(t).

Функциональную зависимость в прототипе предлагают представить в виде таблицы поиска с интерполяцией степени p. При этом коэффициенты λ в таблице предлагается искать методом наименьших квадратов (МНК), решая переопределенную систему линейных уравнений видаThe functional dependence in the prototype is proposed to be presented in the form of a lookup table with interpolation of the degree p. In this case, it is proposed to search for the coefficients λ in the table by the least squares method (LSM), solving an overdetermined system of linear equations of the form

Figure 00000002
Figure 00000002

где A – матрица мгновенных значений входного сигнала;
AH –эрмитово-сопряженная матрица;
Λ=[λ1, λ2, … λm, … λM]T - вектор-столбец коэффициентов функциональной зависимости сигнала искажений от входного сигнала;
b – вектор-столбец мгновенных значений сигнала искажений.
where A is the matrix of instantaneous values of the input signal;
AH is the Hermitian conjugate matrix;
Λ=[λ1, λ2, … λm, … λM]T - column vector of coefficients of the functional dependence of the distortion signal on the input signal;
b is a column vector of instantaneous values of the distortion signal.

Устройство, реализующее описанный в прототипе способ, содержит включенные последовательно первый сумматор и УМ. Вход сумматора является входом устройства, а выход УМ – выходом устройства. Устройство также содержит контур регулирования для взаимного выравнивания амплитуд, фаз и задержки входного и выходного сигналов. При этом один вход контура регулирования подключен к выходу устройства, а другой - ко входу устройства. Устройство содержит второй сумматор, вычитающий вход которого подключен, к первому выходу контура регулирования, а другой вход сумматора подключен ко второму выходу контура регулирования. При этом соответственно на первом и втором выходах контура регулирования формируется входной и выходной сигналы УМ, сбалансированные по амплитуде, фазе и задержке. Устройство также содержит последовательно включенные блок расчета параметров функции предыскажений, ключ, блок функции предыскажений и блок выравнивания фазы. При этом выход блока выравнивания фазы подключен ко второму входу первого сумматора. Второй вход блока функции предыскажений подключен ко входу устройства. Первый вход блока расчета параметров функции предыскажений подключен к первому выходу контура регулирования, а второй вход – к выходу второго сумматора.The device that implements the method described in the prototype contains the first adder and PA connected in series. The input of the adder is the input of the device, and the output of the PA is the output of the device. The device also contains a control loop for mutual equalization of the amplitudes, phases and delays of the input and output signals. In this case, one input of the control loop is connected to the output of the device, and the other - to the input of the device. The device contains a second adder, the subtractive input of which is connected to the first output of the control loop, and the other input of the adder is connected to the second output of the control loop. In this case, respectively, at the first and second outputs of the control loop, the input and output signals of the PA are formed, balanced in amplitude, phase and delay. The device also contains a block for calculating the parameters of the pre-distortion function, a key, a block for the pre-distortion function and a phase equalization block connected in series. In this case, the output of the phase alignment unit is connected to the second input of the first adder. The second input of the predistortion function block is connected to the input of the device. The first input of the block for calculating the parameters of the predistortion function is connected to the first output of the control loop, and the second input is connected to the output of the second adder.

В устройстве после выравнивания в контуре регулирования амплитуд, фаз и задержек входного и выходного сигналов, они поступают на второй сумматор, на выходе которого выделяется сигнал искажений. Используя сигнал искажений и входной сигнал, в блоке расчета параметров функции предыскажений вычисляют вектор Λ, содержащий коэффициенты функциональной зависимости сигнала искажений от входного сигнала, который передают через замкнутый ключ в блок вычисления параметризированной функции. В этом блоке вычисляется параметризированная функция f(|xin(n)|,Λ) для действующего в данный момент времени значения амплитуды входного сигнала и на выходе блока формируется значение синтезированного сигнала искажений в соответствии с выражением (1). Затем в блоке выравнивания фазы изменяется фаза синтезированного сигнала искажений так, чтобы в первом сумматоре компенсирующий сигнал вычитался из входного сигнала устройства. Вводя на входе УМ синтезированные предыскажения в противофазе ожидаемым искажениям в УМ, осуществляют компенсацию искажений на его выходе, что соответствует повышению линейности амплитудной и фазо-амплитудных характеристик УМ.In the device, after equalization in the loop for regulating the amplitudes, phases and delays of the input and output signals, they go to the second adder, at the output of which a distortion signal is allocated. Using the distortion signal and the input signal, in the block for calculating the parameters of the predistortion function, a vector Λ is calculated containing the coefficients of the functional dependence of the distortion signal on the input signal, which is transmitted through a closed key to the block for calculating the parameterized function. In this block, the parameterized function f(|xin(n)|,Λ) is calculated for the current value of the input signal amplitude, and the value of the synthesized distortion signal is formed at the output of the block in accordance with expression (1). Then, in the phase equalization block, the phase of the synthesized distortion signal is changed so that in the first adder the compensating signal is subtracted from the input signal of the device. By introducing synthesized pre-distortions at the PA input in antiphase to the expected distortions in the PA, the distortions are compensated at its output, which corresponds to an increase in the linearity of the amplitude and phase-amplitude characteristics of the PA.

Таким образом, для выполнения операций преобразования сигналов по способу, описанному в прототипе при определении коэффициентов функциональной зависимости сигнала искажений от входного сигнала, необходимо решение переопределенной системы уравнений в матричной форме, что требует больших вычислительных, временных и энергетических затрат. Thus, to perform signal conversion operations according to the method described in the prototype when determining the coefficients of the functional dependence of the distortion signal on the input signal, it is necessary to solve an overdetermined system of equations in matrix form, which requires large computational, time and energy costs.

Раскрытие сущности изобретенияDisclosure of the essence of the invention

В соответствии с предлагаемым способом, компенсацию нелинейных искажений в УМ выполняют в два этапа. На первом этапе после выравнивания амплитуд, фаз и задержек входного и выходного сигналов выполняют вычитание входного сигнала из выходного. В результате этого выделяется сигнал искажений. Наблюдая входной сигнал и сигнал искажений, определяют функциональную зависимость искажений от входного сигнала. После того как функциональная зависимость определена, ее выделяют в виде отдельной параметризированной функции. Затем, используя в качестве аргумента этой функции амплитуду текущего входного сигнала, синтезируют компенсирующий сигнал, который является моделью искажений в усилителе мощности. На втором этапе компенсирующий сигнал вычитают из входного сигнала. При этом предлагаемый способ отличается от прототипа тем, что для вычисления вектора коэффициентов параметризированной функции, проводят квантование амплитуды входного сигнала |xin| на интервале от нуля до максимального значения |xin|max на M уровней, и определяют коэффициент параметризированной функции, для каждого уровня квантования из выражения:In accordance with the proposed method, the compensation of non-linear distortions in the PA is performed in two stages. At the first stage, after equalizing the amplitudes, phases and delays of the input and output signals, the input signal is subtracted from the output signal. As a result, a distortion signal is emitted. By observing the input signal and the distortion signal, the functional dependence of the distortion on the input signal is determined. After the functional dependence is defined, it is isolated as a separate parameterized function. Then, using the amplitude of the current input signal as an argument of this function, a compensating signal is synthesized, which is a model of distortion in the power amplifier. In the second step, the compensating signal is subtracted from the input signal. In this case, the proposed method differs from the prototype in that to calculate the vector of coefficients of the parameterized function, quantize the amplitude of the input signal |xin| on the interval from zero to the maximum value |xin|max on M levels, and determine the coefficient of the parameterized function, for each quantization level from the expression:

Figure 00000003
Figure 00000003

где λ̇m - коэффициент параметризированной функции, для m-го уровня;
km –количество значений сигналов на m-ом уровне квантования за время наблюдения n;
ẋmb – входной сигнал на m-ом уровне квантования, сбалансированный по амплитуде, фазе и задержке с выходным сигналом усилителя мощности;
- - знак комплексного сопряжения числа;
ẏmb – сигнал искажений на m-том уровне квантования.
where λ̇m is the parameterized function coefficient, for the m-th level;
km is the number of signal values at the m-th quantization level during the observation time n;
ẋmb is the input signal at the m-th quantization level, balanced in amplitude, phase and delay with the output signal of the power amplifier;
- - sign of complex conjugation of a number;
ẏmb is the distortion signal at the m-th quantization level.

Или Or

Figure 00000004
Figure 00000004

гдеwhere

Figure 00000005
Figure 00000005

Rmn(ẋmb,ẏmb) – выборочный коэффициент ковариации соответствующих сигналов на n-ном шаге для m-го уровня квантования;Rmn(ẋmb,ẏmb) is the sample covariance coefficient of the corresponding signals at the n-th step for the m-th quantization level;

Figure 00000006
Figure 00000006

что соответствует средней мощности входного сигнала на m-том уровне квантования.which corresponds to the average power of the input signal at the m-th quantization level.

Таким образом, для формирования вектора Λ коэффициентов параметризированной функции, на интервале наблюдения n, для каждого уровня квантования m определяют коэффициент λm, путем вычисления выборочного коэффициента ковариации между сбалансированными по амплитуде, фазе и задержке входным сигналом xmb и сигналом искажений ymb, с последующей его нормировкой относительно мощности указанного входного сигнала xmb. Полученные коэффициенты записывают как элемент вектора Λ в позиции m. Thus, to form the vector Λ of coefficients of the parameterized function, on the observation interval n, for each quantization level m, the coefficient λm is determined by calculating the sample covariance coefficient between the input signal xmb balanced in amplitude, phase and delay and the distortion signal ymb, with its subsequent normalization relative to the power of the specified xmb input signal. The resulting coefficients are written as an element of the vector Λ in position m.

Данный способ не требует решения переопределенной системы уравнений в матричной форме, и тем самым в практическом плане снижает вычислительные, временные и энергетические затраты. Устройство, осуществляющее данный способ, может быть построено на основе типовых функциональных звеньев и блоков электронного оборудования.This method does not require the solution of an overdetermined system of equations in matrix form, and thus, in practical terms, reduces computational, time and energy costs. The device that implements this method can be built on the basis of typical functional units and blocks of electronic equipment.

Устройство для осуществления данного способа (см. фигуру) содержит как минимум последовательно включенные первый сумматор (1) и УМ (2). Вход сумматора (1) является входом устройства, а выход УМ (2) – выходом устройства. Устройство также содержит контур регулирования (3) для взаимного выравнивания амплитуд, фаз и задержки входного и выходного сигналов. При этом один вход контура регулирования (3) подключен к выходу устройства, а другой - ко входу устройства. Устройство содержит второй сумматор (4), вычитающий вход которого подключен, к первому выходу контура регулирования (3), а другой вход сумматора (4) подключен ко второму выходу контура регулирования (3). При этом соответственно на первом и втором выходах контура регулирования (3) формируются входной и выходной сигналы УМ, сбалансированные по амплитуде, фазе и задержке. Устройство также содержит последовательно включенные блок расчета параметров функции предыскажений (5), ключ (6) (необязательный элемент), блок функции предыскажений (7) и блок выравнивания фазы (8). При этом вход блока выравнивания фазы (8) подключен к первому выходу блока функции предыскажений (7), а его выход – ко второму входу первого сумматора (1). Второй вход блока функции предыскажений (7) подключен ко входу устройства. Первый вход блока расчета параметров функции предыскажений (5) подключен к первому выходу контура регулирования (3), а второй вход – к выходу второго сумматора (4). The device for implementing this method (see figure) contains at least the first adder (1) and PA (2) connected in series. The input of the adder (1) is the input of the device, and the output of the PA (2) is the output of the device. The device also contains a control loop (3) for mutual equalization of amplitudes, phases and delays of the input and output signals. In this case, one input of the control loop (3) is connected to the output of the device, and the other - to the input of the device. The device contains a second adder (4), the subtractive input of which is connected to the first output of the control loop (3), and the other input of the adder (4) is connected to the second output of the control loop (3). In this case, respectively, at the first and second outputs of the control loop (3), the input and output signals of the PA are formed, balanced in amplitude, phase and delay. The device also contains a block for calculating the parameters of the predistortion function (5), a key (6) (an optional element), a block for the predistortion function (7) and a phase equalization block (8) connected in series. In this case, the input of the phase equalization block (8) is connected to the first output of the predistortion function block (7), and its output is connected to the second input of the first adder (1). The second input of the predistortion function block (7) is connected to the input of the device. The first input of the block for calculating the parameters of the predistortion function (5) is connected to the first output of the control loop (3), and the second input is connected to the output of the second adder (4).

Устройство отличается тем, что в блок расчета параметров функции предыскажений (5) введены функциональный делитель (9), выход которого является выходом блока (5), а также две одинаковые цепи (10) и (11), каждая из которых содержит включенные последовательно умножитель сопряженных квадратурных компонентов сигналов (12, 13), сумматор (14, 15), оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) (16, 17) на M ячеек памяти. Выход ОЗУ (16, 17) соединен со вторым входом сумматора (14, 15) в соответствующих цепях (10, 11) и является выходом этих цепей. Первые входы с умножителей сопряженных квадратурных компонентов сигналов (12, 13) являются комплексно сопрягаемыми (помечены точкой на фигуре) и соответствуют первым входам, а их вторые входы - вторым входам цепей (10, 11). Входы первой цепи (10) объединены между собой и с первым входом второй цепи (11) и являются первым входом блока расчета параметров функции предыскажений (5). Второй вход второй цепи (11) является вторым входом блока расчета параметров функции предыскажений (5). Вход знаменателя (делителя) функционального делителя (9) подключен к выходу первой цепи (10), а вход делимого – к выходу второй цепи (11). The device differs in that a functional divider (9) is introduced into the block for calculating the parameters of the predistortion function (5), the output of which is the output of the block (5), as well as two identical circuits (10) and (11), each of which contains a multiplier connected in series conjugate quadrature signal components (12, 13), adder (14, 15), random access memory (RAM) (16, 17) for M memory cells. The RAM output (16, 17) is connected to the second input of the adder (14, 15) in the corresponding circuits (10, 11) and is the output of these circuits. The first inputs from the multipliers of the conjugate quadrature components of the signals (12, 13) are complex conjugate (marked with a dot in the figure) and correspond to the first inputs, and their second inputs correspond to the second inputs of the circuits (10, 11). The inputs of the first circuit (10) are combined with each other and with the first input of the second circuit (11) and are the first input of the block for calculating the parameters of the predistortion function (5). The second input of the second circuit (11) is the second input of the block for calculating the parameters of the predistortion function (5). The input of the denominator (divider) of the functional divider (9) is connected to the output of the first circuit (10), and the input of the dividend is connected to the output of the second circuit (11).

Для управления процессами записи-чтения в ОЗУ (16, 17) в состав блока расчета параметров функции предыскажений (5) введены включенные последовательно вычислитель амплитуды сигнала (18), квантователь амплитуды (19) и формирователь адреса (20). При этом вход вычислителя амплитуды сигнала (18) соединен с первым входом первой цепи (10), а выход формирователя адреса (20) – со входами управления (адресными входами) ОЗУ (16, 17). Квантователь (19) квантует диапазон амплитуды входного сигнала на M уровней, формирователь адреса (20) перекодирует квантованные уровни амплитуды в адреса ячеек памяти ОЗУ (16, 17). Таким образом каждое ОЗУ содержит M ячеек памяти.To control the writing-reading processes in the RAM (16, 17), the block for calculating the parameters of the predistortion function (5) includes a signal amplitude calculator (18), an amplitude quantizer (19), and an address generator (20) connected in series. In this case, the input of the signal amplitude calculator (18) is connected to the first input of the first circuit (10), and the output of the address generator (20) is connected to the control inputs (address inputs) of the RAM (16, 17). The quantizer (19) quantizes the range of the input signal amplitude into M levels, the address shaper (20) recodes the quantized amplitude levels into the addresses of the RAM memory cells (16, 17). Thus, each RAM contains M memory cells.

Устройство работает следующим образом. После выравнивания амплитуд, фаз и задержек входного и выходного сигнала в контуре регулирования (3), они поступают на второй сумматор (4), на выходе которого формируется сигнал искажений yb. Входной сигнал после выравнивания в контуре регулирования (3) xb поступает на входы первой цепи (10) и на первый вход второй цепи (11), на второй вход которой поступает сигнал искажений yb. На выходе умножителя сопряженных квадратурных компонентов сигналов (12) вычисляется квадрат амплитуды (т.е. мощность) мгновенного значения входного сигнала в дискретный момент времени n, а на выходе умножителя квадратурных компонентов сигналов (13) – значение текущего слагаемого в выборочном коэффициенте ковариации в момент времени n (см. выражение 5). Одновременно с этим из амплитуды входного сигнала, полученной на выходе вычислителя амплитуды сигнала (18), в цепи из квантователя (19) и формирователя адреса (20) формируется адрес ячеек памяти m в ОЗУ (16, 17), из которых в момент времени n считываются значения мощности входного сигнала, накопленные в ОЗУ (16), и значения произведений входного сигнала и искажений, накопленные в ОЗУ (17) (в соответствии со знаменателем в выражении 3). На входах сумматоров (14, 15) первой и второй цепей (10, 11) получают новые значения этих величин и ими обновляют значения в m-ных ячейках ОЗУ (16, 17). Порядок управления процессом чтения-записи данных в ОЗУ определяется особенностями его реализации и не является предметом защиты данного изобретения. На выходе функционального делителя (9) формируется m-й коэффициент параметризированной функции в n-й дискретный момент времени, который передают через замкнутый ключ (6) в блок функции предыскажений (7). Процесс передачи коэффициентов параметризированной функции λ̇m в блок функции предыскажений (7) может осуществляться различными способами, например непрерывно, последовательно или периодически путем опроса ячеек ОЗУ (16, 17) или др. способом. Организация этого процесса не является предметом защиты данного изобретения. Ключ (6) используют в соответствии с выбранным вариантом обновления вектора параметров в блоке функции предыскажений. The device works as follows. After equalizing the amplitudes, phases and delays of the input and output signals in the control loop (3), they go to the second adder (4), at the output of which a distortion signal yb is formed. The input signal after equalization in the control loop (3) xb is fed to the inputs of the first circuit (10) and to the first input of the second circuit (11), the second input of which receives the distortion signal yb. At the output of the multiplier of the conjugate quadrature signal components (12), the square of the amplitude (i.e., power) of the instantaneous value of the input signal at a discrete time n is calculated, and at the output of the multiplier of the quadrature signal components (13), the value of the current term in the sample covariance coefficient at the time time n (see expression 5). At the same time, from the amplitude of the input signal obtained at the output of the signal amplitude calculator (18), the address of the memory cells m in the RAM (16, 17) is formed in the circuit from the quantizer (19) and the address generator (20), of which at time n the values of the input signal power accumulated in the RAM (16) and the values of the products of the input signal and distortions accumulated in the RAM (17) are read (in accordance with the denominator in expression 3). At the inputs of the adders (14, 15) of the first and second circuits (10, 11), new values of these quantities are obtained and they update the values in the m-th RAM cells (16, 17). The order of managing the process of reading-writing data in RAM is determined by the features of its implementation and is not the subject of protection of this invention. At the output of the functional divider (9), the m-th coefficient of the parameterized function is formed at the n-th discrete time moment, which is transmitted through the closed key (6) to the predistortion function block (7). The process of transferring the coefficients of the parameterized function λ̇m to the predistortion function block (7) can be carried out in various ways, for example, continuously, sequentially or periodically by polling RAM cells (16, 17) or in other ways. The organization of this process is not the subject of protection of this invention. The key (6) is used in accordance with the selected option for updating the parameter vector in the predistortion function block.

На выходе блока функции предыскажений (7) синтезируется сигнал искажений в соответствии с выражением (1). Затем в блоке выравнивания фазы (8) изменяется фаза синтезированного сигнала искажений так, чтобы в первом сумматоре (1) компенсирующий сигнал вычитался из входного сигнала устройства. Вводя на входе УМ синтезированные предыскажения в противофазе ожидаемым искажениям в УМ, осуществляют компенсацию искажений на его выходе, что соответствует повышению линейности амплитудной и фазо-амплитудных характеристик УМ.At the output of the predistortion function block (7), a distortion signal is synthesized in accordance with expression (1). Then, in the phase equalization block (8), the phase of the synthesized distortion signal is changed so that in the first adder (1) the compensating signal is subtracted from the input signal of the device. By introducing synthesized pre-distortions at the PA input in antiphase to the expected distortions in the PA, the distortions are compensated at its output, which corresponds to an increase in the linearity of the amplitude and phase-amplitude characteristics of the PA.

Краткое описание чертежейBrief description of the drawings

На фигуре показана функциональная схема устройства, осуществляющего способ компенсации нелинейных искажений высокочастотных усилителей мощности.The figure shows a functional diagram of a device that implements a method for compensating for non-linear distortions of high-frequency power amplifiers.

Осуществление изобретенияImplementation of the invention

Изобретение может быть осуществлено в соответствии со схемой, представленной на фигуре. В устройстве для формирования коэффициентов параметризированной функции используются типовые функциональные элементы цифровой обработки сигналов, такие как сумматоры, перемножители, ОЗУ и др. Функциональные операции преобразования сигналов могут быть выполнены в цифровой форме в основной полосе (baseband) с представлением сигналов в виде квадратурных компонент (Ричард Лайонс. Цифровая обработка сигналов: Второе издание. Пер. с англ. – М.: ООО "Бином-Пресс", 2006г.-656, стр. 351 – 356). The invention can be carried out in accordance with the diagram shown in the figure. The device for forming the coefficients of the parameterized function uses typical functional elements of digital signal processing, such as adders, multipliers, RAM, etc. Functional signal conversion operations can be performed digitally in the baseband (baseband) with the representation of signals in the form of quadrature components (Richard Lyons, Digital Signal Processing: Second Edition, Translated from English - M.: OOO "Binom-Press", 2006-656, pp. 351 - 356).

Примерами осуществления процедуры выравнивания амплитуд, фаз и задержек входного и выходного сигнала в контуре регулирования (3) могут быть устройства автоматической регулировки усиления, фазовой автоподстройки частоты и регулируемые линии задержки.Examples of the implementation of the procedure for equalizing the amplitudes, phases and delays of the input and output signals in the control loop (3) can be devices for automatic gain control, phase locked loop and adjustable delay lines.

Блоки функции предыскажений (7) и расчета параметров функции предыскажений (5) могут быть выполнены, например (но не ограничиваясь), на основе программируемой логической интегральной схемы (ПЛИС), цифрового сигнального процессора (DSP-процессора), компьютера и прочих вычислительных устройств. Blocks of the pre-distortion function (7) and calculation of the parameters of the pre-distortion function (5) can be performed, for example (but not limited to), based on a programmable logic integrated circuit (FPGA), a digital signal processor (DSP processor), a computer and other computing devices.

Блок для вычисления функции предыскажений в выражении (1) может быть реализован различными способами, например, как таблица поиска с интерполяцией степени p. Тогда вектор параметров Λ представляет собой вектор длиной M, элементы которого являются значениями функции f в M точках аргумента функции f, обычно (но не всегда) равномерно распределённых по области определения функции f, т.е. на интервале от нуля до максимального значения амплитуды входного сигнала |xin|max. The block for calculating the pre-emphasis function in expression (1) can be implemented in various ways, for example, as a lookup table with power p interpolation. Then the parameter vector Λ is a vector of length M whose elements are the values of the function f at M points of the argument of the function f, usually (but not always) uniformly distributed over the domain of the function f, i.e. on the interval from zero to the maximum value of the input signal amplitude |xin|max.

Claims (2)

1. Способ компенсации нелинейных искажений высокочастотного усилителя мощности включает процесс выделения искажений усилителя мощности путем вычитания входного сигнала из выходного после их выравнивания по амплитудам, фазам и задержкам, содержит процесс формирования компенсирующего сигнала, соответствующего выделенным искажениям, и его подмешивания в противофазе к входному сигналу усилителя мощности, при этом, наблюдая входной сигнал и искажения, аппроксимируют функциональную зависимость искажений от входного сигнала в виде произведения входного сигнала на параметризированную функцию от амплитуды входного сигнала, выделяют эту функциональную зависимость в виде отдельной функции предыскажений и, используя в качестве аргумента этой функции входной сигнал, синтезируют компенсирующий сигнал, способ отличается тем, что для вычисления вектора коэффициентов параметризированной функции проводят квантование амплитуды входного сигнала на M уровней и определяют коэффициент параметризированной функции для каждого уровня квантования путем вычисления нормированного относительно мощности входного сигнала, выборочного коэффициента ковариации входного сигнала и сигнала искажений.1. The method for compensating for non-linear distortions of a high-frequency power amplifier includes the process of extracting distortions of the power amplifier by subtracting the input signal from the output signal after their alignment in amplitudes, phases and delays, contains the process of generating a compensating signal corresponding to the selected distortions, and mixing it in antiphase to the input signal of the amplifier power, while observing the input signal and distortions, approximate the functional dependence of distortions on the input signal in the form of the product of the input signal by the parameterized function on the amplitude of the input signal, select this functional dependence in the form of a separate predistortion function and, using the input signal as an argument of this function , a compensating signal is synthesized, the method differs in that to calculate the coefficient vector of the parameterized function, the input signal amplitude is quantized into M levels and the parameterized func coefficient is determined. fractions for each quantization level by calculating the power-normalized input signal, the sample covariance of the input signal, and the distortion signal. 2. Устройство для осуществления способа по п.1 содержит последовательно включенные первый сумматор и высокочастотный усилитель мощности, при этом первый вход сумматора является входом устройства, а выход усилителя мощности – выходом устройства, устройство содержит контур регулирования для взаимного выравнивания амплитуд, фаз и задержки входного и выходного сигналов, при этом один вход контура регулирования подключен к выходу устройства, а другой - ко входу устройства, также устройство содержит второй сумматор, вычитающий вход которого подключен к первому выходу контура регулирования, а другой вход сумматора подключен ко второму выходу контура регулирования, при этом соответственно на первом и втором выходах контура регулирования формируются входной и выходной сигналы усилителя мощности, сбалансированные по амплитуде, фазе и задержке, также устройство содержит последовательно включенные блок расчета параметров функции предыскажений, блок функции предыскажений и блок выравнивания фазы, при этом блок расчета параметров функции предыскажений и блок функции предыскажений соединены напрямую или через ключ, выход блока выравнивания фазы подключен ко второму входу первого сумматора, второй вход блока функции предыскажений подключен ко входу устройства, первый вход блока расчета параметров функции предыскажений подключен к первому выходу контура регулирования, а второй вход – к выходу второго сумматора, при этом выход блока расчета параметров функции предыскажений соединен с первым входом блока функции предыскажений непосредственно, тем самым функция предыскажений обновляется непрерывно, или они соединены через ключ, тем самым функция предыскажений обновляется при замыкании ключа, при этом устройство отличается тем, что в блок расчета параметров функции предыскажений введены функциональный делитель, выход которого является выходом этого блока, а также две одинаковые цепи, каждая из которых содержит включенные последовательно умножитель сопряженных квадратурных компонентов сигналов, сумматор и оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) на M ячеек памяти, при этом выход каждого ОЗУ соединен со вторым входом сумматора соответствующей цепи и является выходом этой цепи, первые входы умножителей сопряженных квадратурных компонентов сигналов являются комплексно сопрягаемыми и соответствуют первым входам, а их вторые входы - вторым входам цепей, входы первой цепи объединены между собой и с первым входом второй цепи и являются первым входом блока расчета параметров функции предыскажений, второй вход второй цепи является вторым входом блока расчета параметров функции предыскажений, при этом вход знаменателя (делителя) функционального делителя подключен к выходу первой цепи, а вход делимого – к выходу второй цепи, для управления процессом записи чтения в ОЗУ в состав блока расчета параметров функции предыскажений введены включенные последовательно вычислитель амплитуды сигнала, квантователь и формирователь адреса, при этом вход вычислителя амплитуды сигнала соединен с первым входом первой цепи, а выход формирователя адреса с адресными входами ОЗУ, квантователь квантует диапазон амплитуды входного сигнала на M  уровней, а формирователь адреса перекодирует квантованные уровни амплитуды в адреса ячеек памяти ОЗУ, таким образом каждое ОЗУ содержит M ячеек памяти.2. The device for implementing the method according to claim 1 contains a first adder and a high-frequency power amplifier connected in series, while the first input of the adder is the input of the device, and the output of the power amplifier is the output of the device, the device contains a control loop for mutual alignment of the amplitudes, phases and delay of the input and output signals, while one input of the control loop is connected to the output of the device, and the other to the input of the device, the device also contains a second adder, the subtracting input of which is connected to the first output of the control loop, and the other input of the adder is connected to the second output of the control loop, with at the same time, respectively, at the first and second outputs of the control loop, the input and output signals of the power amplifier are formed, balanced in amplitude, phase and delay, and the device also contains a block for calculating the parameters of the pre-distortion function, a block of the pre-distortion function and a phase equalization block connected in series, In this case, the block for calculating the parameters of the predistortion function and the block for the predistortion function are connected directly or through a switch, the output of the phase equalization block is connected to the second input of the first adder, the second input of the block for the predistortion function is connected to the input of the device, the first input of the block for calculating the parameters of the predistortion function is connected to the first output of the circuit regulation, and the second input - to the output of the second adder, while the output of the block for calculating the parameters of the predistortion function is directly connected to the first input of the block of the predistortion function, thereby the predistortion function is updated continuously, or they are connected through a key, thereby the predistortion function is updated when the key is closed, at the same time, the device differs in that a functional divider is introduced into the block for calculating the parameters of the predistortion function, the output of which is the output of this block, as well as two identical circuits, each of which contains a multiplier of conjugate quadrature components connected in series signals, an adder and a random access memory (RAM) for M memory cells, while the output of each RAM is connected to the second input of the adder of the corresponding circuit and is the output of this circuit, the first inputs of the multipliers of the conjugate quadrature signal components are complex conjugate and correspond to the first inputs, and their the second inputs - to the second inputs of the circuits, the inputs of the first circuit are combined with each other and with the first input of the second circuit and are the first input of the block for calculating the parameters of the predistortion function, the second input of the second circuit is the second input of the block for calculating the parameters of the predistortion function, while the input of the denominator (divider) of the functional the divider is connected to the output of the first circuit, and the input of the dividend is connected to the output of the second circuit, to control the process of writing reading to the RAM, the signal amplitude calculator, the quantizer and the address generator connected in series are introduced into the block for calculating the parameters of the predistortion function, while the input of the signal amplitude calculator is connected with the first input of the first circuit, and the output of the address shaper with the address inputs of the RAM, the quantizer quantizes the range of the input signal amplitude into M levels, and the address shaper recodes the quantized amplitude levels into addresses of RAM memory cells, thus each RAM contains M memory cells.
RU2021137571A 2021-12-17 Method for compensating nonlinear distortions of high-frequency power amplifiers and a device for its implementation RU2786412C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2786412C1 true RU2786412C1 (en) 2022-12-21

Family

ID=

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2172552C1 (en) * 1998-08-06 2001-08-20 Самсунг Электроникс Ко., Лтд. Device and method for linearizing power amplifier in mobile radio communication system
US7023273B2 (en) * 2003-10-06 2006-04-04 Andrew Corporation Architecture and implementation methods of digital predistortion circuitry
RU2336628C2 (en) * 2004-01-16 2008-10-20 Квэлкомм Инкорпорейтед Device and method of amplifier pre-distortion and autocalibration
RU2761856C1 (en) * 2020-12-28 2021-12-13 Акционерное общество "ГлобалИнформСервис" Method for increasing the linearity of high-frequency power amplifiers and apparatus for implementation thereof

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2172552C1 (en) * 1998-08-06 2001-08-20 Самсунг Электроникс Ко., Лтд. Device and method for linearizing power amplifier in mobile radio communication system
US7023273B2 (en) * 2003-10-06 2006-04-04 Andrew Corporation Architecture and implementation methods of digital predistortion circuitry
RU2336628C2 (en) * 2004-01-16 2008-10-20 Квэлкомм Инкорпорейтед Device and method of amplifier pre-distortion and autocalibration
RU2761856C1 (en) * 2020-12-28 2021-12-13 Акционерное общество "ГлобалИнформСервис" Method for increasing the linearity of high-frequency power amplifiers and apparatus for implementation thereof

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101286483B1 (en) An amplifier and a method for amplifying a signal
CA2555988C (en) Digital predistortion system and method for linearizing an rf power amplifier with nonlinear gain characteristics and memory effects
KR100338230B1 (en) Adaptive digital predistortion linearization and feed-forward correction of rf power amplifier
CN100566133C (en) Be used to amplify the equipment and the method for input signal with input signal power
EP1560329B1 (en) Digital predistorter using power series model
FI105366B (en) Linearization procedure and amplifier arrangement
KR100739356B1 (en) A method and apparatus for reducing adjacent channel power in wireless communication systems
CN101425782A (en) Predistorter
CN101911477A (en) Predistorter
Faig et al. Dimensions-reduced volterra digital pre-distortion based on orthogonal basis for band-limited nonlinear opto-electronic components
KR101122911B1 (en) Predistorter, predistortion method, and predistortion system
Ghannouchi et al. Distortion and impairments mitigation and compensation of single‐and multi‐band wireless transmitters
Schoukens et al. Obtaining the preinverse of a power amplifier using iterative learning control
Jin et al. Mitigation methods for passive intermodulation distortion in circuit systems using signal compensation
JP2022502885A (en) Baseband linearization systems and methods for Class G high frequency power amplifiers
RU2786412C1 (en) Method for compensating nonlinear distortions of high-frequency power amplifiers and a device for its implementation
CN100471045C (en) An implementation method for pre-distortion of non-linear devices
Landin et al. RF PA modeling considering odd-even and odd order polynomials
RU2782406C1 (en) Method for compensation of non-linear distortions of high-frequency power amplifiers and device for its implementation
CN109565482B (en) Transmitter and digital predistortion calibration method
JP2020072306A (en) Amplifier circuit and antenna device
Zhang et al. A complexity-reduced band-limited memory polynomial behavioral model for wideband power amplifier
RU2761856C1 (en) Method for increasing the linearity of high-frequency power amplifiers and apparatus for implementation thereof
Averina et al. Two-block model of a digital corrector for linearization of an analog radio channel
GB2381682A (en) An amplifier pre-distorter method and apparatus