TWI760716B - 用於極座標傳送器中進行非線性失真估計與補償的裝置以及方法 - Google Patents

用於極座標傳送器中進行非線性失真估計與補償的裝置以及方法 Download PDF

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Abstract

本發明揭露一種用於對一極座標傳送器進行失真估計與補償的裝置，該裝置包含：一混頻單元、一訊號處理單元、一估計單元以及一補償單元。該混頻單元用以將該極座標傳送器之一測試輸出訊號與一降頻訊號進行混頻，以產生一混頻後訊號。該訊號處理單元用以對該混頻後訊號進行訊號處理以產生一處理後訊號。該估計單元用以根據該處理後訊號進行失真估計以產生一失真估計結果。該補償單元用以根據該估計結果以對該極座標傳送器的輸入訊號進行預失真補償。

Description

用於極座標傳送器中進行非線性失真估計與補償的裝置以及 方法
本發明係關於極座標調變通訊系統，尤指一種用於極座標傳送器中進行非線性失真估計與補償的裝置以及方法。
在極座標傳送器(polar transmitter)中，I/Q通道上的同相/正交訊號被轉換成振幅與相位訊號，並且透過功率放大器將兩個訊號結合，進行傳送。這種架構的傳送器優點在於可以使用全數位(all digital)電路來實現，相較於以類比電路實現的傳送器，具有特定的優勢。然而，功率放大器本身具有非線性失真的特性，因此會造成通訊品質的下降。第1圖繪示了極座標傳送器中的功率放大器造成的非線性失真，其中包含了振幅調變對振幅調變(amplitude modulation to amplitude modulation,AM-AM)失真，以及振幅調變對相位調變(amplitude modulation to phase modulation,AM-PM)失真。如圖所示，當輸入訊號的振幅高於一定值之後，輸出振幅與輸入振幅之間失去了先前的線性關係。同樣的，輸出相位也會在輸入訊號的振幅高於一定值之後失真。這些失真都是由功率放大器不佳的非線性特性所導致的。因此，為了提升通訊品質，有必要提供一種失 真估計以及補償機制來解決上述問題。
為解決現有極座標傳送器中功率放大器的非線性失真問題，本發明提供一種失真估計與補償裝置以及方法。其中，在本發明所提出的非線性失真估計架構中，利用了降頻技巧，使得功率放大器的輸出訊號易於觀察，並且透過一系列的訊號處理技巧，從而估計出功率放大器的振幅調變對振幅調變失真，以及振幅調變對相位調變失真等特性。之後，透過失真估計結果，對極座標傳送器的輸入訊號進行預失真補償，從而克服功率放大器的非線性缺陷。
本發明之一實施例提供一種用於對一極座標傳送器進行失真估計與補償的裝置。該裝置包含：一混頻單元、一訊號處理單元、一估計單元以及一補償單元。該混頻單元用以將該極座標傳送器之一測試輸出訊號與一降頻訊號進行混頻，以產生一混頻後訊號。該訊號處理單元耦接於該混頻單元，用以對該混頻後訊號進行訊號處理以產生一處理後訊號。該估計單元耦接於該訊號處理單元，用以根據該處理後訊號進行失真估計以產生一失真估計結果。該補償單元耦接於該估計單元以及該極座標傳送器的輸入端，用以根據該估計結果以對該極座標傳送器的輸入訊號進行預失真補償。
本發明之一實施例提供一種用於對一極座標傳送器進行失真估計與補償的方法。該方法包含：將該極座標傳送器之一測試輸出訊號與一降頻訊號進行混頻，以產生一混頻後訊號；對該混頻後訊號進行訊號處理以產生一處理後訊號；根據該處理後訊號進行失真估計以產生一失真估計結果；以及根據該失真估計結果以對該極座標傳送器的輸入訊號進行預失真補償。
100:失真估計與補償裝置
110:測試輸入單元
120:混頻單元
125、224:訊號產生裝置
130:訊號處理單元
132:濾波器
134:類比至數位轉換器
136:快速傅立葉轉換單元
140:估計單元
150:補償單元
200:極座標傳送器
205:座標旋轉數字計算處理器
210:振幅調變路徑
220:相位調變路徑
260:功率放大器
I、Q:同相/正交訊號
A、P:振幅/相位訊號
S_AMP:振幅訊號
S_PHA:振盪訊號
TS_OUTK:測試輸出訊號
S_MIXED:混頻後訊號
S_DOWN:降頻訊號
S_FIL:濾波後訊號
S_CONV:轉換後訊號
S_PROC:處理後訊號
DIS_INFO:失真估計結果
S_IN1K、S_IN2:測試輸入訊號
S_IN3:控制訊號
第1圖繪示極座標傳送器的非線性失真。
第2圖為本發明實施例之失真估計與補償裝置的架構與應用示意圖。
第3圖為本發明實施例之失真估計與補償方法的流程圖。
在以下內文中，描述了許多具體細節以提供閱讀者對本發明實施例的透徹理解。然而，本領域的技術人士將能理解，如何在缺少一個或多個具體細節的情況下，或者利用其他方法或元件或材料等來實現本發明。在其他情況下，眾所皆知的結構、材料或操作不會被示出或詳細描述，從而避免模糊本發明的核心概念。
說明書中提到的「一實施例」意味著該實施例所描述的特定特徵、結構或特性可能被包含於本發明的至少一個實施例中。因此，本說明書中各處出現的「在一實施例中」不一定意味著同一個實施例。此外，前述的特定特徵、結構或特性可以以任何合適的形式在一個或多個實施例中結合。
請參考第2圖，該圖為本發明實施例之失真估計與補償裝置的架構以及應用示意圖。如圖所示，本發明之失真估計與補償裝置100用於對極座標傳送器200的非線性失真特性進行估計與補償。極座標傳送器200包含有座標旋轉數字計算(Coordinate Rotation Digital Computer,Cordic)處理器205、振幅調變路徑210、相位調變路徑220以及功率放大器260。極座標傳送器200用以根據一組 輸入同相(I)/正交(Q)訊號進行極座標調變以及傳送。請注意，在極座標傳送器200的振幅調變路徑210以及相位調變路徑220上，可能還有其他用於進行極座標調變的元件或裝置，但在此為了維持說明內容的簡單扼要，故忽略不提。座標旋轉數字計算處理器205用以將一組I/Q訊號進行轉換，從而得到對應的極座標訊號A/P，極座標訊號A/P將分別被傳送至振幅調變路徑210以及相位調變路徑220，透過振幅調變路徑210以及相位調變路徑220的處理，最終傳送至功率放大器260。功率放大器260將對振幅調變路徑210以及相位調變路徑220上的訊號進行整合，從而輸出極座標調變後的結果。
本發明的失真估計與補償裝置100包含(但不限定於)：耦合器105、測試輸入單元110、混頻單元120、訊號處理單元130、估計單元140以及補償單元150。耦合器105可為一具有可變電容值的衰減電容，用於對功率放大器260輸出的訊號進行適度的衰減，並將其耦合至失真估計與補償裝置100。在本發明部分實施例中，耦合器105可以忽略。測試輸入單元110用以提供測試輸入訊號至極座標傳送器200，以使極座標傳送器200產生測試輸出訊號TS_OUT。其中，測試輸入單元110提供一數位的測試輸入訊號S_IN1K至極座標傳送器200的振幅調變路徑210上，使得振幅調變路徑210輸出一振幅訊號S_AMP。並且，測試輸入單元110提供一固定的測試輸入訊號S_IN2至極座標傳送器200的相位調變路徑220上，相位調變路徑220上的訊號產生裝置224(在一實施例中，訊號產生裝置224可為一鎖相迴路)據此產生一頻率為f1的振盪訊號S_PHA。振幅調變路徑210以及相位調變路徑220上的訊號S_AMP以及訊號S_PHA會使功率放大器260產生測試輸出訊號TS_OUTK，其中，測試輸出訊號TS_OUTK可表示為AKcos(2πf1t+θK)。
指標K代表進行失真估計的進行序次，本發明係透過輸入不同的測試 輸入訊號S_IN1K，觀察功率放大器260產生的測試輸出訊號TS_OUTK，從而估計出功率放大器260的非線性特性。AK為功率放大器260因應輸入訊號S_AMP所產生的振幅、θK則是功率放大器260因應輸入訊號S_AMP與S_PHA所產生的相位。
混頻單元120則用於將測試輸出訊號TS_OUTK與一降頻訊號S_DOWN進行混頻，以產生一混頻後訊號S_MIXED。其中，降頻訊號S_DOWN由訊號產生裝置125(在一實施例中，訊號產生裝置125可為一鎖相迴路)所產生。訊號產生裝置125受控於控制訊號S_IN3，產生頻率大致固定為f2的降頻訊號S_DOWN，其中降頻訊號S_DOWN可表示為Bcos(2πf2t+φ)。如此一來，經過混頻處理後產生的混頻後訊號S_MIXED將包含頻率為(f1+f2)的訊號成分，以及頻率為(f1-f2)的訊號成分。再者，訊號處理單元130用以對混頻後訊號S_MIXED進行一系列的訊號處理，繼而產生一處理後訊號S_PROC。訊號處理單元130包含(但不限定於)：濾波器132、類比至數位轉換器134以及快速傅立葉轉換(Fast Fourier Transform)單元136。濾波器132用以對混頻後訊號S_MIXED進行一濾波處理，以產生一濾波後訊號S_FIL。其中，濾波器132可為一低通濾波器，所以混頻後訊號S_MIXED中較高頻的訊號成分將被濾波器132所濾除，如頻率為(f1+f2)的高頻訊號成分，以保留頻率為(f1-f2)的低頻訊號成分。因此，濾波後訊號S_FIL可被表示為：BAKcos(2π(f1-f2)t+θK-φ)
類比至數位轉換器134用以對濾波後訊號S_FIL進行一類比至數位轉換，以產生一轉換後訊號S_CONV。快速傅立葉轉換處理單元136用以對轉換後 訊號S_CONV進行一快速傅立葉轉換，以產生處理後訊號S_PROC，其中，快速傅立葉轉換處理單元136可從轉換後訊號S_CONV中擷取出包含有振幅值MK以及相位值PK的資訊，並透過處理後訊號S_PROC，將這些資訊輸出給估計單元140。其中，振幅值MK對應於濾波後訊號S_FIL的振幅BAK，而相位值PK則對應於濾波後訊號S_FIL的相位(θk-φ)。
估計單元140用以根據快速傅立葉轉換處理單元136提供的處理後訊號S_PROC進行失真估計，以產生失真估計結果DIS_INFO。其中，估計單元140會記錄每一組測試輸入訊號S_IN1K被輸入至極座標傳送器200時，所得到的振幅值MK以及相位值PK。透過進一步的分析，估計單元140可以從中得到功率放大器260在不同輸入振幅下，所產生的輸出訊號的振幅AK以及相位θK，如此便可估計出功率放大器260的振幅調變對振幅調變(amplitude modulation to amplitude modulation,AM-AM)失真以及振幅調變對相位調變(amplitude modulation to phase modulation,AM-PM)失真等特性(如第1圖所示)。在分析完成後，失真估計結果DIS_INFO會被送至補償單元150，補償單元150將會基於失真估計結果DIS_INFO，分別對極座標傳送器200的振幅調變路徑210以及相位調變路徑220上的輸入訊號進行預失真(Pre-distortion)補償(根據反函數關係)，從而抵銷由功率放大器260的非線性特性所造成的AM-AM失真以及AM-PM失真。
第3圖係為本發明實施例之失真估計方法的流程圖。首先，在步驟300中，設定指標值K為初始值。在步驟310中，根據當前指標值K決定測試輸入，並將測試輸入訊號S_IN1K提供給振幅調變路徑210得到訊號S_AMP，以及提供測試輸入訊號S_IN2給相位調變路徑220，使得相位調變路徑220上的訊號產生裝置224產生頻率為f1的訊號S_PHA，進而讓功率放大器260產生測試輸出訊號 TS_OUT。在步驟320中，對測試輸出訊號TS_OUT以及降頻訊號S_DOWN進行混頻，得到混頻後訊號S_MIXED。在步驟330中，對混頻後訊號S_MIXED進行訊號處理，得到處理後訊號S_PROC。在步驟340中，根據處理後訊號S_PROC，得到當前指標值K所對應的振幅值MK與相位值PK。在步驟350中，判斷是否指標值K為最大值；若否，則進入步驟355，遞增指標值K，並回到步驟310；若是，則進入步驟360，根據振幅值MK與相位值PK產生失真估計結果，並且據此進行預失真補償。
總結來說，本發明的失真估計與補償裝置以及方法可以有效地解決習知極座標傳送器中功率放大器的非線性失真問題。其中，在本發明所提出的非線性失真估計架構中，利用了降頻技巧，使得功率放大器的輸出訊號處於更容易觀察的頻段。接著，透過一系列的訊號處理技巧，從而估計出振幅調變對振幅調變失真，以及振幅調變對相位調變失真。基於以上的失真估計結果，對極座標傳送器進行有效的預失真補償，從而克服功率放大器的非線性缺陷。
本發明之實施例可使用硬體、軟體、韌體以及其相關結合來完成。藉由適當之一指令執行系統，可使用儲存於一記憶體中之軟體或韌體來實作本發明的實施例。就硬體而言，則是可應用下列任一技術或其相關結合來完成：具有可根據資料信號執行邏輯功能之邏輯閘的一個別運算邏輯、具有合適的組合邏輯閘之一特定應用積體電路(application specific integrated circuit,ASIC)、可程式閘陣列(programmable gate array,PGA)或一現場可程式閘陣列(field programmable gate array,FPGA)等。
說明書內的流程圖中的流程和方塊示出了基於本發明的各種實施例 的系統、方法和電腦軟體產品所能實現的架構，功能和操作。在這方面，流程圖或功能方塊圖中的每個方塊可以代表程式碼的模組，區段或者是部分，其包括用於實現指定的邏輯功能的一個或多個可執行指令。另外，功能方塊圖以及/或流程圖中的每個方塊，以及方塊的組合，基本上可以由執行指定功能或動作的專用硬體系統來實現，或專用硬體和電腦程式指令的組合來實現。這些電腦程式指令還可以存儲在電腦可讀媒體中，該媒體可以使電腦或其他可編程數據處理裝置以特定方式工作，使得存儲在電腦可讀媒體中的指令，實現流程圖以及/或功能方塊圖中的方塊所指定的功能/動作。以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。
100:失真估計與補償裝置
110:測試輸入單元
120:混頻單元
125、224:訊號產生裝置
130:訊號處理單元
132:濾波器
134:類比至數位轉換器
136:快速傅立葉轉換單元
140:估計單元
150:補償單元
200:極座標傳送器
205:Cordic處理器
210:振幅調變路徑
220:相位調變路徑
260:功率放大器
I、Q:同相/正交訊號
A、P:振幅/相位訊號
S_AMP:振幅訊號
S_PHA:振盪訊號
TS_OUTK:測試輸出訊號
S_MIXED:混頻後訊號
S_DOWN:降頻訊號
S_FIL:濾波後訊號
S_CONV:轉換後訊號
S_PROC:處理後訊號
DIS_INFO:失真估計結果
S_IN1K、S_IN2:測試輸入訊號
S_IN3:控制訊號

Claims (8)

  1. 一種用於對一極座標傳送器進行失真估計與補償的裝置，包含：一混頻單元，用以將該極座標傳送器之一測試輸出訊號與一降頻訊號進行混頻，以產生一混頻後訊號；一訊號處理單元，耦接於該混頻單元，用以對該混頻後訊號進行訊號處理以產生一處理後訊號；一估計單元，耦接於該訊號處理單元，用以根據該處理後訊號進行失真估計以產生一失真估計結果；一補償單元，耦接於該估計單元以及該極座標傳送器，用以根據該失真估計結果，對該極座標傳送器的輸入訊號進行預失真補償；以及一測試輸入單元，用以提供一第一測試輸入訊號以及一第二測試輸入訊號至該極座標傳送器，其中該第一測試輸入訊號被提供至極座標傳送器的一振幅調變路徑，以及該第二測試輸入訊號被提供至該極座標傳送器的一相位調變路徑，以使該極座標傳送器中之一功率放大器輸出該測試輸出訊號。
  2. 如請求項1所述之裝置，其中該訊號處理單元包含：一濾波器，用以對該混頻後訊號進行一濾波處理，以產生一濾波後訊號；一類比至數位轉換器，耦接於該濾波器，用以對該濾波後訊號進行一類比至數位轉換，以產生一轉換後訊號；以及一快速傅立葉轉換(Fast Fourier Transform)處理單元，耦接於該類比至數位轉換器，用以對該轉換後訊號進行一快速傅立葉轉換，以產生該處理後訊號。
  3. 如請求項1所述之裝置，其中該相位調變路徑上包含有一第一訊號產生裝置，該第一訊號產生裝置根據該第二測試輸入訊號產生具有一第一頻率的一振盪訊號。
  4. 如請求項3所述之裝置，另包含：一第二訊號產生裝置，耦接於該混頻單元，用以產生具有一第二頻率的該降頻訊號，其中該第二頻率不同於該第一頻率。
  5. 一種用於對一極座標傳送器進行失真估計與補償的方法，包含：將該極座標傳送器之一測試輸出訊號與一降頻訊號進行混頻，以產生一混頻後訊號；對該混頻後訊號進行訊號處理以產生一處理後訊號；根據該處理後訊號進行失真估計以產生一失真估計結果；根據該失真估計結果，對該極座標傳送器的輸入訊號進行預失真補償；以及提供一第一測試輸入訊號至極座標傳送器的一振幅調變路徑，以及提供一第二測試輸入訊號至該極座標傳送器的一相位調變路徑，以使該極座標傳送器中之一功率放大器輸出該測試輸出訊號。
  6. 如請求項5所述之方法，其中對該混頻後訊號進行訊號處理的步驟包含：對該混頻後訊號進行一濾波處理，以產生一濾波後訊號；對該濾波後訊號進行一類比至數位轉換，以產生一轉換後訊號；以及對該轉換後訊號進行一快速傅立葉轉換，以產生該處理後訊號。
  7. 如請求項5所述之方法，其中產生該測試輸出訊號的步驟包含：根據該第二測試輸入訊號，於該相位調變路徑上產生具有一第一頻率的一振盪訊號。
  8. 如請求項7所述之方法，其中將該測試輸出訊號與該降頻訊號進行混頻的步驟包含：產生具有一第二頻率的該降頻訊號，其中該第二頻率不同於該第一頻率。
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