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CN111082756A - 一种用于mimo发射机的数模混合预失真结构 - Google Patents

一种用于mimo发射机的数模混合预失真结构 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种用于MIMO发射机的数模混合预失真结构，属于功率放大器线性化技术领域。本发明在传统的多输入多输出发射机中采用的预失真方案的基础上，通过一个公用的数字预失真器，后面放置多个模拟预失真器，同时加上经过设计的模拟预失真一致性检测以及模拟预失真一致性调整经过功率放大器输出的反馈回路补偿到每一路的模拟预失真器上，以上单元级联可构成一种数模混合预失真结构，实现了一种低成本、线性化效果好的用于MIMO发射机的新型数模混合预失真结构。

Description

一种用于MIMO发射机的数模混合预失真结构
技术领域
本发明属于功率放大器线性化技术领域，具体设计一种用于混合波束形成MIMO发射机的新型数字和模拟混合预失真结构。
背景技术
随着时代的变更，目前无线通信技术已经进入了第五代的高速发展期。由于通信速率的提升及提升频谱利用率的需要，目前所使用的高频带利用率的调制方式往往具有高峰均比的特点，会给效率和线性度的权衡带来挑战性。而功率放大器作为通信链路当中的关键器件，其所具备的非线性特征对于通信系统的性能会产生不良影响，这就要求功率放大器输出具有更高的线性度。
目前有许多功率放大器线性化技术被提出，常见的如：前馈技术、负反馈技术、预失真技术等。预失真技术又分为数字预失真和模拟预失真。数字预失真技术具备精度高、稳定性好、成本低、性能好等特点，但其也有功率消耗大及对于宽带信号所需要的数模转换器的要求高等不利因素。而模拟预失真具备成本低高带宽等优势，同时也受到难以解决功率放大器当中由记忆效应产生的非线性失真的问题困难。
因此在多输入多输出(MIMO)发射机当中我们一般采用数字模拟混合预失真的方案来解决以上的问题。由于多路功率放大器并不总是使用相同的器件，数字预失真器(DPD)模块就需要根据每路功率放大器的特性进行单独设计，因此目前在多输入多输出发射机中普遍采用一个数字预失真器搭配一个模拟预失真器的多路预失真方案，n路就需要n个数字预失真器和n个模拟预失真器(APD)，因此实现的成本成为了最大的问题。
因此，如何权衡多输入多输出发射机当中存在的成本与性能之间的矛盾，成为了亟待解决的问题。
发明内容
针对在背景技术当中分析的目前所存在的矛盾性问题，本发明旨在提出一种用于MIMO发射机的新型数模混合预失真结构。本发明在传统的多输入多输出发射机中采用的预失真方案的基础上，通过一个公用的数字预失真器，后面放置多个模拟预失真器，同时加上经过设计的模拟预失真一致性检测以及模拟预失真一致性调整经过功率放大器输出的反馈回路补偿到每一路的模拟预失真器上，以上单元级联可构成一种数模混合预失真结构，实现了一种低成本、线性化效果好的用于MIMO发射机的新型数模混合预失真结构。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种用于MIMO发射机的数模混合预失真结构，包括：数字预编码单元、数字预失真器、一路或多路模拟预失真电路，其中模拟预失真电路包括：D/A转换、混频、模拟波束成形单元、多个模拟预失真器、多个功率放大器、PA一致性调整单元、PA一致性检测单元；模拟预失真电路中，一个模拟预失真器对应一个功率放大器；数模混合预失真结构中信号依次经过数字预编码单元、数字预失真器、D/A转换、混频、模拟波束成形单元、多个模拟预失真器、多个功率放大器后输出，所述PA一致性检测单元用于对每路功率放大器(PA)进行一致性检测，取得来自每路功率放大器的反馈信号，处理后输出给PA一致性调整单元；所述PA一致性调整单元用于将PA一致性检测得到的结果分别输出给每一路模拟预失真器；所述数字预编码单元用于将输入基带信号使用矩阵处理调制得到符号流，将不同用户及天线之间的干扰最小化；所述数字预失真器用于对于基带信号符号流进行数字预失真处理，补偿动态非线性失真，并分别输出至对应的模拟预失真电路；所述D/A转换用于将数字预失真后得到的符号数字流转换为模拟信号；所述混频用于将前面得到的模拟信号通过本振混频到射频频段；所述模拟波束成形单元用于通过移相器调整天线接收和发射信号的相位，将处理过后的信号分为多路分别输出给后级对应的模拟预失真器；所述模拟预失真器用于对前级信号进行模拟预失真处理，并接收来自PA一致性调整单元的信号。
综上所述由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1.在目前的MIMO发射机的结构的基础上，使用数字预失真和模拟预失真混合结构来实现功率放大器的线性化。其中数字预失真补偿动态非线性失真，模拟预失真对于静态非线性进行补偿。
2.所提出的新型结构通过增加PA一致性检测单元和PA一致性调整单元，仅使用一个数字预失真器以及多路模拟预失真器即可实现MIMO发射机的预失真效果。可以简化系统实现方式、降低成本，减小整个MIMO发射机的体积。
附图说明
图1为仅具有单路模拟波束成型单元可用于MIMO发射机的新型数模混合预失真结构框图。
图2为具有n路模拟波束成型单元可于MIMO发射机的新型数模混合预失真结构框图。
图3为在经过不同模拟预失真器控制电压下一致性调整的AM-AM(输出信号对输入信号的幅度失真)的预失真效果图；图3中从左至右包括6条曲线，依次为PA2、PA1、ACV＝0.3v、ACV＝1.4v、ACV＝2.4v、ACV＝3.5v,其中PA1白色线条。
图4为对比功率放大器原始输出信号与没有使用本发明结构即没有加入一致性检测和调整单元的数模混合预失真结构以及使用了本发明即加入了一致性检测和调整单元后的数模混合预失真结构的功率谱密度随频率变化的参数对比图(中心频率为3.5GHz)。
图5为对比使用了本发明即加入了一致性检测和调整单元后的数模混合预失真结构和没有使用本发明结构即没有加入一致性检测和调整单元的数模混合预失真结构的邻信道功率比ACPR(Adjacent Channel Power Ratio)参数对比图(单位：dBm)。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合实施方式和附图，对本发明作进一步地详细描述。
一种用于MIMO发射机的新型数模混合预失真结构，包括数字预编码单元、数字预失真器、D/A转换、混频、模拟波束成形单元、模拟预失真器、PA一致性检测单元、PA一致性调整单元。所述数字预编码单元用于将输入基带信号使用矩阵处理调制得到符号流，将不同用户及天线之间的干扰最小化。所述数字预失真器用于对于基带信号符号流进行数字预失真处理，输出给D/A转换。所述D/A转换用于将数字预编码后得到的符号数字流转换为模拟信号。所述混频用于将前面得到的模拟信号通过本振混频到射频频段。所述模拟波束成形单元用于通过移相器调整天线接收和发射信号的相位，将处理过后的信号分为几路分别输出给后级对应的模拟预失真器。所述模拟预失真器用于对前级信号进行模拟预失真处理，并接收来自PA一致性调整单元的信号。所述PA一致性检测单元用于对每路功率放大器(PA)进行一致性检测，取得来自每路功率放大器的反馈信号，处理后输出给PA一致性调整单元。所述PA一致性调整单元用于将PA一致性检测得到的结果分别输出给每一路模拟预失真器。
如图1所示为仅具有单路模拟波束成型单元可用于MIMO发射机的新型数模混合预失真结构框图。主要功能是将输入基带信号经过数字预编码矩阵处理调制得到符号流输入到数字预失真器对其进行数字预失真处理，补偿动态非线性失真，再把经过数字预失真处理后的数字信号转换为模拟信号，经过本振混频到射频频段后经过一个模拟波束成形单元调整天线接收和发射信号的相位，将处理过后的信号分为多路分别输出给后级对应的模拟预失真器，模拟预失真器接收到来自前级的信号以及接收来自PA一致性调整单元的信号，最终信号分别输出到各个PA。
如图2所示为具有n路模拟波束成型单元可于MIMO发射机的新型数模混合预失真结构框图。主要功能是将输入基带信号经过数字预编码矩阵处理调制得到符号流输入到数字预失真器对其进行数字预失真处理，补偿动态非线性失真，再把经过数字预失真处理后的多路数字信号分别转换为多路模拟信号，多路模拟信号分别经过本振混频到射频频段后经过对应的n个模拟波束成形单元调整天线接收和发射信号的相位，将处理过后的信号分为多路分别输出给后级对应的模拟预失真器，对应的模拟预失真器接收到来自前级的信号以及接收来自PA一致性调整单元的信号，最终信号分别输出到各个PA。
实施例1
一种用于MIMO发射机的新型数模混合预失真结构，仅具有单路模拟波束成型单元，其结构框图如图1所示，主要有八个模块构成：
数字预编码：主要功能为在下行链路的发射端利用杂波抑制干涉测量CSI(Clutter Suppression Interferometry)对发送信号使用预编码矩阵处理调制的符号流，并输入到数字预失真器当中。
数字预失真器：由查找表或者多项式构成，主要功能为将经过预编码矩阵处理过后的信号进行再次处理，用来补偿功率放大器的动态非线性失真，输出至D/A转换。
D/A转换：由数模转换器DAC(digital analog converter)构成，主要功能为将数字预失真器的输出信号进行数字到模拟的转换，输出至混频当中。
混频：由本振和混频器构成，主要功能为将D/A转换输出的模拟信号进行混频搬移到射频频段，输出至模拟波束成形单元。
模拟波束成型单元：由移相器和功分器等构成，主要功能为将混频的输出信号通过移相器进行相位的调整，达到调整天线接收和发射信号相位的目的，输出至n路模拟预失真器(APD0-APDn)。
PA一致性检测单元：基于交叉归一化均方误差CNMSE(Crossed Normalized MeanSquare Error)算法所构成，主要功能为对n路模拟预失真器后的n路功率放大器PA(PA0-PAn)的反馈信号进行接收，每路分别进行一致性检测，输出至PA一致性调整单元。
PA一致性调整单元：由基于一致性调整算法构成，主要功能为对n路不同的功率放大器PA(PA0-PAn)前的n路模拟预失真器(APD0-APDn)进行一致性的补偿调整。主要功能为补偿n路模拟预失真器后PA的不一致性。输出至n路模拟预失真器(APD0-APDn)。
模拟预失真器，由n路构成(APD0-APDn)，主要功能为对模拟波束成形单元经过相位调整以后的信号进行静态非线性补偿，其中包括对于PA一致性调整的补偿。经过二者补偿以后的信号输出至n路功率放大器PA(PA0-PAn)。
最终输出信号通过理论分析可以补偿功率放大器的动态非线性失真和静态非线性失真。
实施例2
一种用于MIMO发射机的新型数模混合预失真结构，具有n路模拟波束成型单元，其结构框图如图2所示，主要有八个模块构成：
数字预编码：主要功能为在下行链路的发射端利用杂波抑制干涉测量CSI(Clutter Suppression Interferometry)对发送信号使用预编码矩阵处理调制的符号流，并输入到数字预失真器当中。
数字预失真器：由查找表或者多项式构成，主要功能为将经过预编码矩阵处理过后的信号进行再次处理，用来补偿功率放大器的动态非线性失真，输出至D/A转换。
D/A转换：由数模转换器DAC(digital analog converter)构成，主要功能为将数字预失真器的输出信号进行数字到模拟的转换，输出至混频当中。
混频：由本振和混频器构成，主要功能为将D/A转换输出的模拟信号进行混频搬移到射频频段，输出至模拟波束成形单元。
模拟波束成型单元：由移相器和功分器等构成，同时由n路模拟波束成型单元构成。主要功能为将混频的输出信号通过移相器进行相位的调整，达到调整天线接收和发射信号相位的目的，每一路模拟波束成型单元输出至n路模拟预失真器(APD0-APDn)。
PA一致性检测单元：基于交叉归一化均方误差CNMSE(Crossed Normalized MeanSquare Error)算法所构成，主要功能为对n路模拟预失真器后的n路功率放大器PA(PA0-PAn)的反馈信号进行接收，每路分别进行一致性检测，输出至PA一致性调整单元。
PA一致性调整单元，由基于一致性调整算法构成，主要功能为对n路不同的功率放大器PA(PA0-PAn)前的n路模拟预失真器(APD0-APDn)进行一致性的补偿调整。主要功能为补偿n路模拟预失真器后PA的不一致性。输出至n路模拟预失真器(APD0-APDn)。
模拟预失真器，由n路构成(APD0-APDn)，主要功能为对模拟波束成形单元经过相位调整以后的信号进行静态非线性补偿，其中包括对于PA一致性调整的补偿。经过二者补偿以后的信号输出至n路功率放大器PA(PA0-PAn)。
最终输出信号通过理论分析可以补偿功率放大器的动态非线性失真和静态非线性失真。
如图3所示为在经过不同模拟预失真器控制电压下一致性调整的AM-AM(输出信号对输入信号的幅度失真)的预失真效果图。横坐标表示归一化输入信号幅度，纵坐标表示归一化输出信号幅度，图中从左至右包括6条曲线，依次为PA2、PA1、ACV＝0.3v、ACV＝1.4v、ACV＝2.4v、ACV＝3.5v,PA1白色线条。其中PA1指向较细的曲线为没有加入一致性检测和调整单元的功率放大器1的输出信号对输入信号的幅度失真曲线，PA2指向较粗的曲线为没有加入一致性检测和调整单元的功率放大器2的输出信号对输入信号的幅度失真曲线，ACV(APD Control Voltage，模拟预失真器控制电压)＝0.3指向的曲线为加入了一致性检测和调整单元后，当一致性调整控制电压为0.3V时功率放大器1和2的输出信号对输入信号的幅度失真曲线，ACV＝1.4指向的曲线为加入了一致性检测和调整单元后，当一致性调整控制电压为1.4V时功率放大器1和2的输出信号对输入信号的幅度失真曲线，ACV＝2.4指向的曲线为加入了一致性检测和调整单元后，当一致性调整控制电压为2.4V时功率放大器1和2的输出信号对输入信号的幅度失真曲线，ACV＝3.5指向的曲线为加入了一致性检测和调整单元后，当一致性调整控制电压为3.5V时功率放大器1和2的输出信号对输入信号的幅度失真曲线。从图中可以看到ACV为0.3v、1.4v、2.4v、3.5v时的功率放大器1和2的输出信号对输入信号的幅度失真曲线基本上近似于一条直线代表着线性化效果较好，因此加入了一致性检测和调整单元后的数模混合预失真结构可以较好的将信号线性化，从而补偿功率放大器的非线性失真，从一定程度上抑制AM-AM曲线的离散度，大大改善功率放大器的线性度。
如图4所示，对比功率放大器原始输出信号与没有使用本发明结构即没有加入一致性检测和调整单元的数模混合预失真结构以及使用了本发明即加入了一致性检测和调整单元后的数模混合预失真结构的功率谱密度随频率变化的参数对比图(中心频率为3.5GHz)。其中图5的横坐标表示频率(单位为GHz)，纵坐标为功率谱密度(单位dBm/Hz)。其中PA1 Original指向的曲线表示没有加入一致性检测和调整单元的也没有使用传统数模混合预失真结构的功率放大器1的原始输出信号功率谱密度随频率变化的关系，PA1 w A-DPD指向的曲线表示没有加入一致性检测和调整单元但使用了传统数模混合预失真结构的功率放大器1输出信号功率谱密度随频率变化的关系，PA1 w A2-DPD指向的曲线表示加入了一致性检测和调整单元后的数模混合预失真结构的功率放大器2输出信号功率谱密度随频率变化的关系。其中PA2Original指向的曲线表示没有加入一致性检测和调整单元的也没有使用传统数模混合预失真结构的功率放大器2的原始输出信号功率谱密度随频率变化的关系，PA2 w A-DPD指向的曲线表示没有加入一致性检测和调整单元但使用了传统数模混合预失真结构的功率放大器2输出信号功率谱密度随频率变化的关系，PA2 w A2-DPD指向的曲线表示加入了一致性检测和调整单元后的数模混合预失真结构的功率放大器2输出信号功率谱密度随频率变化的关系。将PA1 Original与PA1 w A2-DPD以及PA1 w A-DPD曲线对比可知，经过加入一致性检测和调整单元的新型数模混合预失真结构能够获得比未加预失真模块以及未加入一致性检测和调整单元的传统数模混合预失真结构更好的线性化效果。将PA2 Original与PA2 w A2-DPD以及PA2 w A-DPD曲线对比可知，经过加入一致性检测和调整单元的新型数模混合预失真结构能够获得比未加预失真模块以及未加入一致性检测和调整单元的传统数模混合预失真结构更好的线性化效果。具体测量参数结果见图5。
如图5所示，对比使用了本发明即加入了一致性检测和调整单元后的数模混合预失真结构和没有使用本发明结构即没有加入一致性检测和调整单元的数模混合预失真结构的邻信道功率比ACPR(Adjacent Channel Power Ratio)参数对比图(单位：dBm)。图4当中第一行表示分别表示Alt lower(次邻信道功率比最低处最差的数据)、Adj lower(邻信道功率比最低处最差的数据)、Adj higher(邻信道功率比最高处最差的数据)、Alt higher(邻信道功率比最低处最差的数据)。第二行表明下面三行数据都是功率放大器1的Altlower、Adj lower、Adj higher、Alt higher数据指标结果。第三行表示没有加入一致性检测和调整单元的也没有使用传统数模混合预失真结构的功率放大器1原始输出信号(PAOriginal)的Alt lower、Adj lower、Adj higher、Alt higher数据指标结果。第四行表示没有加入一致性检测和调整单元但使用了传统数模混合预失真结构的(With A-DPD)功率放大器1输出信号的Alt lower、Adj lower、Adj higher、Alt higher数据指标结果。第五行表示加入了一致性检测和调整单元后的数模混合预失真结构的(With A2-DPD)功率放大器1输出信号的Alt lower、Adj lower、Adj higher、Alt higher数据指标结果。第六行表明下面三行数据都是功率放大器2的Alt lower、Adj lower、Adj higher、Alt higher数据指标结果。第七行表示没有加入一致性检测和调整单元的也没有使用传统数模混合预失真结构的功率放大器2原始输出信号(PA Original)的Alt lower、Adj lower、Adj higher、Althigher数据指标结果。第八行表示没有加入一致性检测和调整单元但使用了传统数模混合预失真结构的(With A-DPD)功率放大器2输出信号的Alt lower、Adj lower、Adj higher、Alt higher数据指标结果。第九行表示加入了一致性检测和调整单元后的数模混合预失真结构的(With A2-DPD)功率放大器2输出信号的Alt lower、Adj lower、Adj higher、Althigher数据指标结果。
从图5的表中可以看出将功率放大器1原始信号(PA Original)与使用传统数模混合预失真结构(With A-DPD)以及使用本发明的新型数模混合预失真结构(With A2-DPD)处理后得到的信号相比较，PA1经过传统数模混合预失真结构后Alt lower、Adj lower、Adjhigher、Alt higher分别达到了-59.6dBm、-47.9dBm、-47.1dBm、-60.0dBm，分别改善了12.9dBm、17.6dBm、17.0dBm、12.2dBm，PA1经过本发明新型数模混合预失真结构后Altlower、Adj lower、Adj higher、Alt higher分别达到了-59.6dBm、-47.9dBm、-47.1dBm、-60.0dBm，分别改善了12.3dBm、20.7dBm、21.5dBm、12.7dBm。将功率放大器2原始信号(PAOriginal)与使用传统数模混合预失真结构(With A-DPD)以及使用本发明的新型数模混合预失真结构(With A2-DPD)处理后得到的信号相比较，PA2经过传统数模混合预失真结构后Alt lower、Adj lower、Adj higher、Alt higher分别达到了-58.7dBm、-48.1dBm、-48.0dBm、-59.2dBm，分别改善了9.9dBm、18.4dBm、17.8dBm、9.4dBm，PA1经过本发明新型数模混合预失真结构后Alt lower、Adj lower、Adj higher、Alt higher分别达到了-50.4dBm、-51.1dBm、-52.6dBm、-58.3dBm，分别改善了1.6dBm、21.4dBm、22.4dBm、8.5dBm。将参数对比可看出同传统数模混合预失真结构相比本发明能够具备同等水平的功率放大器预失真效果。

Claims (1)

1.一种用于MIMO发射机的数模混合预失真结构，包括：数字预编码单元、数字预失真器、一路或多路模拟预失真电路，其中模拟预失真电路包括：D/A转换、混频、模拟波束成形单元、多个模拟预失真器、多个功率放大器、PA一致性调整单元、PA一致性检测单元；模拟预失真电路中，一个模拟预失真器对应一个功率放大器；数模混合预失真结构中信号依次经过数字预编码单元、数字预失真器、D/A转换、混频、模拟波束成形单元、多个模拟预失真器、多个功率放大器后输出，所述PA一致性检测单元用于对每路功率放大器进行一致性检测，取得来自每路功率放大器的反馈信号，处理后输出给PA一致性调整单元；所述PA一致性调整单元用于将PA一致性检测得到的结果分别输出给每一路模拟预失真器；所述数字预编码单元用于将输入基带信号使用矩阵处理调制得到符号流，将不同用户及天线之间的干扰最小化；所述数字预失真器用于对于基带信号符号流进行数字预失真处理，补偿动态非线性失真，并分别输出至对应的模拟预失真电路；所述D/A转换用于将数字预失真后得到的符号数字流转换为模拟信号；所述混频用于将前面得到的模拟信号通过本振混频到射频频段；所述模拟波束成形单元用于通过移相器调整天线接收和发射信号的相位，将处理过后的信号分为多路分别输出给后级对应的模拟预失真器；所述模拟预失真器用于对前级信号进行模拟预失真处理，并接收来自PA一致性调整单元的信号。
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