CN101459636B - 自适应预失真方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自适应预失真方法，步骤包括：采集发射数据和反馈数据，并据此计算出环路时延，根据所述环路时延对输入信号进行时间对齐；根据所述环路时延来补偿所述采集到的发射数据和反馈数据的迟延，估计预失真模型参数；根据设定的所述预失真模型参数构造矩阵，并计算功率放大器对应的预失真参数，对所述预失真参数采用曲线拟合方法进行采样和量化得到LUT表，根据所述LUT表对数字预失真器中预失真参数进行更新；根据LUT地址对输入信号按照更新后的预失真参数进行数字预失真，所述LUT地址根据所述输入信号的幅度产生。本发明技术方案节省了硬件实现代价，易于在FPGA(可编程门阵列)中实现。

Description

自适应预失真方法

技术领域

本发明涉及一种用于校正射频功率放大器非线性和记忆效应的技术，具体说，涉及一种自适应预失真方法。

背景技术

目前CDMA(如WCDMA、cdma2000和TS-SCDMA)、OFDM(如WiMax和LTE)等系统为了提高频谱效率，采用了频谱利用率较高的QPSK、16QAM甚至64QAM等高阶调制技术，高阶调制的使用将产生有较大峰均比的非恒包络调制信号。为了提高通信系统的容量以及降低成本，多载波功率放大器逐步被运营商所采用，多载波技术的应用进一步增加了功率放大器输入信号的峰均比。

较大峰均比的输入信号对功率放大器提出了更高的线性要求，因为当功率放大管工作在非线性区时，将会产生严重的互调分量。该互调分量在带内会造成信号间的干扰或失真，在带外会引起频谱再生，并对带外其他系统产生干扰。线性化技术是一种用来改善功率放大器系统线性度的技术，该技术能够减小信号带内失真量、降低带外互调分量(如IMD3和IMD5等)，同时降低系统功耗和提高功放效率。

如图1所示，是传统技术中利用预失真技术来线性化功率放大器的简单框图。在无线通信系统的基站发射机中，利用线性化技术提高功率放大器(PA)的效率变得越来越重要。由于功率放大器固有的非线性和记忆效应，随着输入功率的增加会引起功率放大器的幅度和相位压缩，预失真器则先对输入信号的幅度和相位进行预校正，该幅度和相位校正量刚好抵消功率放大器引起的幅度和相位压缩，两者叠加后使得功率放大器输出不会有幅度和相位压缩现象，亦即达到线性化功率放大器的目的。

前馈技术是把主功率放大器的失真信号提取出来，并用误差环路将其放大，在功率放大器输出端进行反相功率合成，从而达到抵消主功率放大器的互调分量的效果。前馈技术已经很成熟，但其误差环路的存在，使得功率放大器整机效率比较低，一般小于10％。此外，由于技术的结构复杂，模拟器件较多，生产时需要调试的点多，所以其生产成本较高。

还有一种功率放大器线性化的方法是对输入到功率放大器的信号进行预失真，以补偿或抵消功率放大器的非线性，称为“预失真”技术。具体的实现方式有两种：一种是模拟预失真，模拟预失真是在小信号时通过模拟方法产生与功放未级失真信号相反的信号，用于抵消功率放大器所产生的失真而达到线性化功放的目的。由于模拟预失真多是开环控制，且很难产生一个与未级功放失真曲线完全相反的曲线，线性改善度不明显，功放的整机效率也不高，其生产一致性较难保证。

另一种预失真方法称之为“数字预失真”，“数字预失真”基本原理与模拟预失真相似，即在信号未进入功率放大器前，对其进行失真处理，使其失真曲线与功率放大器失真曲线相反，从而达到抵消功率放大器的失真。与模拟预失真的区别在于数字预失真对信号的预失真处理是在数字基带域，而不是在模拟域，该方法具有复杂度低、线性改善度好、高效率以及适宜大规模生产等特点。

如图2所示，为现有技术中利用自适应预失真来线性化功率放大的基本框图。数字预失真器对输入信号进行预失真，预失真后的信号经过DAC数模变换得到模拟信号，再通过上变频单元产生期望频率的射频信号，该射频信号经由功率放大器后输出信号到天线。反馈通路中，从功率放大器输出口耦合一个小信号，下变频得到低频信号，经过ADC模数变换得到数字信号。预失真适配器单元根据采集到的DAC输入和ADC输出的数字信号构造预失真模型，计算对应的预失真参数，并更新到数字预失真器单元中。

如图3所示，为现有方法中预失真模型估计的一种基本结构，该方法根据功率放大器的输入和输出信号先估计功率放大器模型参数，由功率放大器模型反转后得到所要的预失真模式。下面假设功率放大器模型是记忆多项式模型为例子，详细描述图3中是如何先求得预失真模型。

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

式1为准无记忆功率放大器模型的扩展表达式，称之为“记忆多项式”功率放大器模型，关键是要根据y(n)的N个采样点和x(n)的N+Q个采样点来检测或估计参数b_kq，这里y(n)和x(n)分别为功率放大器的输出和输入采样。为了表述方便，进行如下假设：

Y＝[y(Q)y(Q+1)...y(Q+N)]^T            (式2)

B＝[b₀₀b₁₀b₂₀b₃₀...b_K0b₁₀b₁₁b₂₁b₃₁...b_K1...b_0Qb_1Qb_2Qb_3Q...b_KQ]^T   (式3)

$X_j=\left[\begin{array}{cccc}x\left(j\right)& x\left(j\right){\left|x\left(j\right)\right|}^1& ...& x\left(j\right){\left|x\left(j\right)\right|}^K\\ ...& ...& ...& ...\\ ...& ...& ...& ...\\ x(j+N)& x(j+N){\left|x(j+N)\right|}^1& ...& x(j+N){\left|x(j+N)\right|}^K\end{array}\right]$ (式4)

(式5)

式2为功率放大器输出采样矢量，式3为要估计的功率放大器模型参数矢量，式4和式5则根据N+Q个x(n)采样点构造得到的输入信号矩阵，X。因此，式1可以改写成：

Y＝XB                                (式6)

给定观察值X和Y，功率放大器模型参数B最小二乘解可估计为：

B＝(X^HX)^-1X^HY                        (式7)

对估计到的参数B求逆，则得到预失真模型参数A，A＝B^-1。

中国专利申请号200480043072.9的发明专利属于数字预失真技术，该发明采集发射和反馈数据，通过PA模型适配器估计出PA模型，预失真适配器则对估计的PA模型求逆得到所要的预失真模型。该技术方案的求逆过程容易出现PA模型参数不可逆的情况，从而导致预失真模型不稳定，甚至不收敛。此外，求逆过程需要消耗较多的时间得收敛速度比较慢，更多的硬件逻辑资源使得实现难度增加。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种自适应预失真方法，节省了硬件实现代价，易于在FPGA(可编程门阵列)中实现。

为了解决上述问题，本发明提供了自适应预失真方法，步骤包括：

(1)采集发射数据和反馈数据，并据此计算出环路时延，根据所述环路时延对输入信号进行时间对齐；

(2)根据所述环路时延来补偿所述采集到的发射数据和反馈数据的迟延，估计预失真模型参数；

(3)根据设定的所述预失真模型参数构造矩阵，并计算功率放大器对应的预失真参数，对所述预失真参数进行采样和量化得到LUT表，根据所述LUT表对数字预失真器中预失真参数进行更新；

(4)根据LUT地址对所述输入信号按照更新后的预失真参数进行数字预失真。

进一步，步骤(1)中，环路延迟计算操作中，对所述反馈信号进行希尔伯特变换、滤波器和移频处理；对发射和变换后的反馈信号进行相关，并计算其整数延迟和小数延迟，其中计算小数延迟操作还包括对信号的插值和滤波处理，以提高延迟估计精度。

进一步，步骤(3)中，根据估计到的延迟参数来补偿所述发射数据和反馈数据的延迟，按照功率放大器或预失真模型来构造矩阵，基于LS算法估计预失真参数，以及对所述预失真参数的采样和量化操作。

进一步，步骤(3)中，对所述预失真参数的采样和量化采用曲线拟合方法，该方法包括拉格朗日多项式、切比雪夫多项式或者厄密多项式。

进一步，步骤(3)中，将当前采样的预失真表与上一次的预失真表进行合并，以得到更新的预失真表，将更新的预失真表写到对应的硬件处理单元中。

进一步，步骤(4)中，复数乘法模块对补偿延迟后的输入信号与更新后LUT表中的预失真参数进行复数乘运算，完成对输入信号的预失真处理。

进一步，步骤(4)中，幅度计算与地址产生模块计算输入信号的幅度，并产生数字预失真所用的所述LUT的地址。

从本发明的技术方案可以看出，本发明根据发射和反馈数据直接估计预失真模型，而不是先估计功率放大器模型，再对功率放大器模型进行反转得到预失真模型，所以本发明的实现更简单、有效，且不会遇到功率放大器模型反转过程中可能出现奇异值而导致估计的预失真参数错误或不收敛的问题。

本发明可以根据实际通信系统设计中的硬件资源和性能要求进行适当的修改和裁剪。本发明提供的方案，涉及到的曲线拟合，对预失真参数进行采样和量化，从而将其预失真参数表变换为一维表，其仅需要一个复数乘法运算，节省了硬件实现代价，易于在FPGA(可编程门阵列)中实现。

附图说明

图1是现有技术中预失真系统的示例性结构图；

图2是现有技术中自适应数字预失真系统的基本结构图；

图3是现有技术中预失真模型估计的基本结构图；

图4是本发明中用于线性化功率放大器的自适应预失真的基本结构图；

图5是本发明中的估计预失真模型的示例性结构图；

图6是本发明中的自适应预失真方法的处理流程图。

具体实施方式

本发明技术方案适用于无线通信系统中的功率放大器的线性化，下面参照附图，对本发明的优选实施例做详细描述。

如图4所示，是本发明中用于线性化功率放大器的自适应预失真的基本结构图。与图2所示的现有技术相比较，通过适当的时钟选择、频率规划和数字移频，使用一个射频本振就可以满足系统的射频频率输出、发射和反馈信号的频率要求，从而节省了一个射频本振。该方案还可以避免图2中因为两个射频本振之间相位噪声特性不一致所引起的相位误差。图4中数字预失真器410包括幅度计算与地址产生模块411、延迟模块412、LUT(查找表)模块413和复数乘法模块414。幅度计算与地址产生模块411计算输入信号的幅度，并产生数字预失真所用LUT的地址；LUT模块413用于存储预失真适配器421得到的参数表；延迟模块412的作用是补偿因为幅度计算引入的时延，以确保预失真时查找到LUT表对应的参数与待预失真输入信号的时间完全对齐；复数乘法模块414则实现延迟的输入信号与LUT表对应参数的复数乘运算，完成对输入信号的预失真处理。图4中的参数估计模块420包括环路延迟计算模块422和预失真适配器421，环路延迟计算模块422采集发射和反馈数据，计算由于数模转换器(DAC)430、模数转换器(ADC)440、射频通路、功率放大器450等引入的环路时延。预失真适配器421先根据环路延迟计算模块422得到的延迟，对采集的发射和反馈数据进行延迟补偿或时间对齐，再根据设定的预失真模型基本参数构造矩阵，并计算功率放大器450对应的预失真参数，对预失真参数进行采样和量化以得到定点化的LUT表，将该表写入数字预失真器410中的LUT单元413。

如图5所示，是本发明中估计预失真模型的示例性结构图，该技术方案和图3示例相比较省去了功率放大器模型估计的步骤，根据功率放大器510的输出和输入采样直接估计预失真模型参数。本发明中采用的直接估计预失真模型方法，不仅可以提高预失真的收敛速度，而且还能避免因为图3所示中模型反转引起的奇异解或不稳定。

本发明的预失真模型估计方法不同点在于构造矩阵X和Y的方法恰好相反，亦即：

X＝[x(Q)x(Q+1)...x(Q+N)]^T                  (式8)

A＝[a₀₀a₁₀a₂₀a₃₀...a_K0a₁₀a₁₁a₂₁a₃₁...a_K1...a_0Qa_1Qa_2Qa_3Q...a_KQ]^T  (式9)

$Y_j=\left[\begin{array}{cccc}y\left(j\right)& y\left(j\right){\left|y\left(j\right)\right|}^1& ...& y\left(j\right){\left|y\left(j\right)\right|}^K\\ ...& ...& ...& ...\\ ...& ...& ...& ...\\ y(j+N)& y(j+N){\left|y(j+N)\right|}^1& ...& y(j+N){\left|y(j+N)\right|}^K\end{array}\right]$ (式10)

(式11)

因此，预失真模型估计表达可以写为：

X＝YA                          (式12)

式12中的A为预失真模型参数，同样A可利用LS算法估计得到：

A＝(Y^HY)^-1Y^HX                  (式13)

如图6所示，是自适应预失真方法的处理流程图，下面结合图4对本发明的工作过程做详细说明。

步骤S601，采集数据。对DAC430输入的发射数据和ADC440输出的反馈数据的采集，并进行希尔伯特变换、移频、滤波等处理。

环路延迟计算操作中，对反馈信号进行希尔伯特变换、滤波器和移频等处理；对发射和变换后的反馈信号进行相关，并计算其整数延迟(对于数据速率)和小数延迟，其中计算小数延迟操作还包括对信号的插值和滤波处理，以提高延迟估计精度。

步骤S602，计算环路延迟。系统上电、并检测到有信号后，根据采样后的发射数据和反馈数据进行系统环路的延迟，其延迟精度可以根据需要到1/8、甚至更高的精度。

由于系统上电后，硬件环路的延迟是固定的，因此计算环境延迟步骤只执行一次，此后预失真参数估计步骤中均该步骤计算得到的延迟参数来补偿发射和反馈数据之间的延迟，以进行时间对齐。

步骤S603，估计预失真模型。根据估计到的延迟参数来补偿发射数据和反馈数据的延迟，按照预期的功率放大器450或预失真模型来构造X和Y矩阵，基于LS算法(最小二乘算法)估计预失真参数A，以及对参数A的采样和量化操作。

本发明中参数A的采样和量化采用曲线拟合方法，具体涉及的方法有拉格朗日多项式(Legendre polynomial)、切比雪夫多项式(Chebyshevpolynomial)和厄密多项式(Hermite polynomial)等。

步骤S604，更新预失真参数。该步骤用于完成采样和量化后的预失真模型参数的拷贝功能。

将当前采样的预失真表与之前的(上一次的)预失真表进行合并，以得到更新的预失真表；将更新的预失真表写到对应的硬件处理单元LUT单元413中。根据LUT地址对输入信号进行数字预失真，该LUT地址是根据计算输入信号的幅度所产生的数字预失真所用的LUT地址。如果输入信号是IQ信号(基带信号)，首先计算输入的IQ信号(基带信号)的幅度产生地址；对输入IQ信号进行延迟处理，在乘法运算时以保证根据地址查找到的预失真参数与IQ数据时间对齐；根据查找到的更新后的预失真参数，对延迟后的信号进行乘法运算(即数字预失真)。

与同类预失真技术相比较，本发明采样的直接估计预失真模型和曲线拟合技术，使用更少的硬件资源并获得相同的线性化效果，更容易取得较高的功放效率。这里已经通过具体的实施例子对本发明进行了详细描述，提供上述实施例的描述使本领域的技术人员容易制造或使用本发明技术方案，这些实施例的各种修改对于本领域的技术人员来说是容易理解的。

Claims (6)

1.一种自适应预失真方法，步骤包括：

(1)采集发射数据和反馈数据，并据此计算出用于进行时间对齐的环路时延；

(2)根据所述环路时延来补偿采集到的发射数据和反馈数据的迟延，按照功率放大器或预失真模型来构造矩阵，基于LS算法估计预失真参数，以及对所述预失真参数进行采样和量化操作，得到当前采样后的LUT表；

(3)根据所述当前采样后的LUT表对数字预失真器中预失真参数进行更新；

(4)根据LUT地址查找到更新后的预失真参数，对输入信号按照更新后的预失真参数进行数字预失真。

2.如权利要求1所述的自适应预失真方法，其特征在于，步骤(1)中，计算出环路延迟具体包括：对所述反馈数据进行希尔伯特变换、滤波器和移频处理；对发射和变换后的反馈数据进行相关，并计算其整数延迟和小数延迟，其中计算小数延迟操作还包括对数据的插值和滤波处理，以提高延迟估计精度。

3.如权利要求1所述的自适应预失真方法，其特征在于，对所述预失真参数进行采样和量化操作采用曲线拟合方法，该曲线拟合方法为拉格朗日多项式、切比雪夫多项式或者厄密多项式。

4.如权利要求1所述的自适应预失真方法，其特征在于，步骤(3)具体包括：将当前采样后的LUT表与上一次的LUT表进行合并，以得到更新后的LUT表，将更新后的LUT表写到对应的硬件处理单元中。

5.如权利要求1所述的自适应预失真方法，其特征在于，步骤(4)中所述对输入信号按照更新后的预失真参数进行数字预失真具体包括：对补偿延迟后的输入信号与更新后的LUT表中的预失真参数进行复数乘运算，完成对输入信号的预失真处理。

6.如权利要求1所述的自适应预失真方法，其特征在于，步骤(4)中，所述LUT地址由计算输入信号的幅度得到。

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