CN116405352B - 一种提高分布式天线功放效率的系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于相控阵通讯技术领域，具体涉及一种提高分布式天线功放效率的系统，该系统包括有基带信号编码模块、数字预失真模块、DAC模块、上变频模块、相控阵天线单元、矩阵开关盒子、下变频模块、ADC模块、数据采集和处理单元、远场标准增益天线；基带信号编码模块、数字预失真模块、DAC模块、上变频模块、相控阵天线单元、矩阵开关盒子、下变频模块、ADC模块依次连接，相控阵天线单元、ADC模块、数字预失真模块均与数据采集和处理单元连接，相控阵天线单元还与远场标准增益天线连接。在本发明中，基于通过数字预失真模块的设计，以及其与其他模块的配合，可以实现通过DPD补偿公共通路上的失真、降低各支路之间的互扰达到集成效果天线增益更强、ACPR更优的效果。

Description

一种提高分布式天线功放效率的系统

技术领域

本发明属于相控阵通讯技术领域，具体涉及一种提高分布式天线功放效率的系统。

背景技术

5G和即将到来的6G通讯(空天地融合通信)将使用更高载波频率的无线通信系统。高方向性天线和配合有限的数字信号处理能力的模拟波束赋形正被用于高指向性通信系统。为实现高速率通信的要求，就需要非常高的通信带宽或者很高的频谱利用率。在sub6GHz频段，256QAM及更高调制方式被应用，而在毫米波频段5G所用的调制方式仅达到64QAM，在传统卫星通信应用场景，Ku和Ka频段的调制方式仅达到32QAM。目前，在Ku，Ka，mmW通信领域内，更高的调试方式的通信要求已经在规划内。

高调制方式和正交频分复用通信制式，对相控阵发射器要求更高的线性度，以实现低矢量幅度误差(EVM)。与此相反，邻道功率比在5G通信的准则要求内变宽松了。影响发射链路线性度的因素主要在于：1)共同链路部分的波束成型器的失真；2)各个分布式支路的失真；3)各支路之间的互扰失真。

因此，如何解决上述问题，十分重要。

发明内容

为了实现上述目的，本发明的目的在于提供一种提高分布式天线功放效率的系统，该系统通过DPD补偿公共通路上的失真、降低各支路之间的互扰达到集成效果天线增益更强、ACPR更优的效果。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下。

一种提高分布式天线功放效率的系统，其特征在于，该系统包括有基带信号编码模块、数字预失真模块、DAC模块、上变频模块、相控阵天线单元、矩阵开关盒子、下变频模块、ADC模块、数据采集和处理单元、远场标准增益天线；

所述基带信号编码模块、数字预失真模块、DAC模块、上变频模块、相控阵天线单元、矩阵开关盒子、下变频模块、ADC模块依次连接，相控阵天线单元、ADC模块、数字预失真模块均与数据采集和处理单元连接，所述相控阵天线单元还与远场标准增益天线连接。

在本发明中，基于通过数字预失真模块的设计，以及其与其他模块的配合，可以实现通过DPD补偿公共通路上的失真、降低各支路之间的互扰达到集成效果天线增益更强、ACPR更优的效果。

进一步的，所述相控阵天线单元包括有1：N功分网络和多路天线单元；天线单元包括有相位调节器、可调增益放大器(包含衰减器和固定增益放大器)、PA(功率放大器)、天线阵元以及天线阵元附近的馈点；所述1：N功分网络、相位调节器、可调增益放大器、PA及天线阵元依次连接。

进一步的，馈点为在靠近天线阵元附近预留的耦合反馈测试点。

进一步的，所述基带信号编码模块用于产生基带信号并进行编码映射处理生成不同调制方式的码流；基带信号如伪随机序列码等。

所述数字预失真模块将不同调制方式的码流进行数字预失真处理，补偿动态非线性失真，并输出至DAC模块；

所述DAC模块将数字预失真处理过的码流转换为基带模拟信号；

所述上变频模块将基带模拟信号上变频到相控阵天线单元所需的射频频段上；上变频模块由包括但不限于mixer/调制器、锁相环、增益模块等组成。

1：N功分网络接收上变频模块输出的射频信号，按1：N的比例平均输出给相位调节器；相位调节器对射频信号进行相位调节处理输出给可调增益放大器；可调增益放大器接收相位调节器输出的射频信号，进行增益调节，输出给PA；PA接收可调增益放大器的射频信号进行功率放大输出给天线阵元；天线阵元接收PA输出的射频信号，辐射到空间中；

所述矩阵开关盒子用于切换、连接任何一路、几路或全连接多路天线单元的天线阵元附近的馈点。

所述下变频器模块将矩阵开关盒子输出的测试的射频数据下变频到零频或中频频段上；下变频模板由包括但不限于mixer/解调器、产生本振LO的锁相环、低噪声增益模块等组成。

所述ADC模块用于将零频或中频的模拟数据转换成数字信号发送给数据采集和处理单元；

所述数据采集和处理单元负责馈点和/或远场OTA测试数据采集和综合处理，对比分析采数差异，寻优拟合系数，下发预失真控制命令。

进一步的，所述数据采集和处理单元包括有数据采集单元和数据处理单元。数据采集单元等可以使用频谱仪、综测仪或示波器、上位机等装置。数据处理单元，包括数据分析工具、算法以及控制软件，控制硬件等。

进一步的，数字预失真模块由查找表或者多项式构成。

进一步的，复增益预失真法采用两张一维表，分别为一个幅度补偿表和一个相位补偿表，来查找表预失真；或者，采用分为正交分量来索引的二维表。

作为数字信号处理的一部分，预失真器选用FPGA或专用IC实现，位于基带部分，选用复增益查找表预失真器。复增益预失真法用两张一维表，分别为一个幅度补偿表和一个相位补偿表，来实现查找表预失真，有的也使用分为正交分量来索引的二维表。这种预失真器的表项比较少，查询表中存储I分量和Q分量分别补偿，构成复数增益。最后的修正信号由输入信号和表项的补偿通过复乘得到。增益法的原理图如图所示，预失真器在FPGA的基带处理中。

正交调制输入信号分成I路和Q路进行预失真的修正，数模变换将预失真信号变成预失真的模拟信号，上变频后进行功放放大，经过阵列天线发射出去；少量射频输出的功率信号经过耦合转成高中频信号，混频到低中频信号经转换后得到数字信号，成为反馈信号，根据反馈信号和原始输入信号的处理，得到误差信号，这样预失真的表项系数就可以依据误差信号和相应自适应算法进行更新。预失真器表项内初始系数均为1+j0，信号首次进入时，信号不进行相应的补偿。预失真器相应表项系数主要根据该信号的功放输出计算，表项分为幅度补偿及相位补偿。

一种提高分布式天线功放效率的校准方法，包括有以下步骤：

S101:相控阵发射机的DPD预失真校准系统按照初始频点f0及标准信号功率p0配置，预失真模块按照默认初始值配置，相控阵天线单元各模块按照初始典型值配置，各模块正常配置启动正常；

S102:矩阵开关盒子依次接通FB1、FB2……FB(n-1)、FBn的馈点提供相应的反馈通路；

S103:反馈数据采集单元(此单元是数据采集和处理单元的一部分)，根据接通反馈的FB1、FB2……FB(n-1)、FBn通路，依次采集馈点的数据，记录相应的幅度和相位信息，形成多维数据表格；

S104:数据处理单元，根据反馈数据采集单元记录，进行各射频支路的相位偏移分别记作同时，进行各射频支路增益值记录，分别记作G1、G2......G(n-1)、G(n)；

S105:使用最小二乘法，求得相位偏移均值求得各支路相位偏移和相位偏移均值的差值；并调试各支路的移相器(即为相位调节器)的相位控制寄存器，使得偏移等于或逼近相位偏移均值同理，使用最小二乘法，求得各支路增益均值G_rms；求得各支路增益和增益均值G_rms的差值；并调试各支路的衰减器的衰减控制寄存器，使得增益等于或逼近增益均值G_rms；将各支路相位补偿值、增益补偿值和对应的频率存储到相控阵发射系统的存储器中；增益补偿值即为通过最小二乘法求得。各支路增益为G1、……Gn，各支路增益差值为G1-Grms、……Gn-Grms；相位偏移和这类似。

S106:分别调试各支路的PA_bias值，矩阵开关盒子依次接通FB1、FB2……FB(n-1)、FBn的馈点，由数据采集和处理单元记录P_pavsValue_{pa_bias}曲线及各支路ACPR值；Pa的值和Value的值、ACPR按业界常规测试方法即可获得。

S107:以设定的ACPR值ACPR_ref为参考，在>ACPR_ref的各支路P_{pa_max}中的最小值，作为归一化值记作P_{pa_normalized}；各支路通过设定PA_bias值等于或逼近P_{pa_normalized}，将各PA_bias的补偿值和对应频率、温度存储到系统存储器中；至此完成各支路的一致性校验；获取这些数据的方法为本领域现有技术。

S108:开关矩阵盒子切换到远场标准增益天线通路，相控阵发射系统按照相控阵天线单元和远场标准增益天线的相对位置(相对位置满足远场测试距离，并且处于相控阵天线单元波束指向可调节范围内)，下发波束指向的命令，使得发射波束信号被远场标准增益天线接收；

S109:进行预失真补偿策略估计；OTA数据采集单元采集远场测试的数据，数据处理单元根据采集数据和发送数据进行相关操作，提取相位失真信息和幅度失真信息；

S110:数据处理单元根据相位失真和幅度失真信息，进行相位补偿参数在一定范围内调试，和幅度失真补偿在一定范围内调试；实时观察相位失真和幅度失真的变化，根据幅度相位失真最小的数据，确定相位失真补偿参数以及幅度失真补偿参数，并按照和频率、温度的对应关系进行存储记录；

S111:按照步进间隔频率重复S101-S110步骤进行校准操作；

S112:在工作温度范围内，按照步进间隔温度重复S101-S110步骤进行校准操作；

S113:拟合幅度、相位失真补偿参数和频率、温度的多相式关系，选择数字预失真模块的自适应失真补偿策略。

在本发明中，在现有的电扫相控阵发射架构的基础上，通过在靠近天线阵元增加PCB耦合的天线馈点，成本显著降低，而且耦合关系固定。天线馈点替代近场探头测试降低了测试成本，测试更精确；

通过近场+远场的DPD方式更切合系统实际应用效果，测试结果更具实用性；

DPD技术使得发功更高，降低单位功率能耗，提高了功放效率。同时，信号质量IMD3改善，所有ACPR会改善，可以支持更高调制方式，提供频谱利用率，进一步的优化系统容量。

附图说明

图1是本发明的DPD预失真校准系统的系统架构框图。

图2是增益法DPD预失真校准框图。

图3是预失真补偿策略估计框图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

一种提高分布式天线功放效率的系统(即为下述的DPD预失真校准系统)，包括有相控阵天线单元，基带信号编码模块、数字预失真模块、DAC、上变频器模块、相控阵天线单元标准天线、远场标准增益天线、矩阵开关盒子、数据采集及处理单元。所述相控阵天线单元由1：N功分网络、相位调节器、可调增益放大器、PA(功率放大器)及天线阵元组成。可调增益放大器包含可调衰减器(衰减器)和固定增益放大器。其中，1：N功分网络接收上变频模块输出的射频信号，按1：N的比例平均输出给相位调节器；相位调节器对射频信号进行相位调节处理输出给可调增益放大器；可调增益放大器接收相位调节器输出的射频信号，进行增益调节，输出给PA；PA接收可调增益放大器的射频信号进行功率放大输出给天线阵元；天线阵元接收PA输出的射频信号，辐射到空间中。1：N功分网络、相位调节器、可调增益放大器、PA及天线阵元几个模块依次连接。相控阵天线单元用于将上变频模块输出的信号进行功分处理(如图1的1：N功分网络所示)经相位调节器(图1的PS所示)、可调增益放大器(图1中VGA所示)及PA(图1中PA)发送给天线阵元(图1中ATENNA所示)，其中相位调节器、可调增益放大器及PA有可能是集成于一体的多功能芯片，也可能是独立器件或一个多个功能合并或拆分的芯片集合。其中在靠近每个天线阵元附近预留耦合反馈测试点——馈点(图1中FB所示)。通过在分布式阵元附近增加PCB耦合的天线馈点，成本显著降低，而且耦合关系固定。并由矩阵开关盒子选择反馈通路，通过调整相控阵芯片的移相器和衰减器的值以及放大器的偏置校验各射频支路的一致性。再结合由标准增益喇叭天线的远场测试反馈数据的采集，通过多组的训练数据，来拟合计算数字预失真的多项式系数。通过所述数字预失真模块将不同调制方式的码流进行数字预失真处理，补偿动态非线性失真。远场标准增益天线的放置距离d需满足远场测试要求：d＞＝2D²/λ，其中D为天线阵元面的水平或垂直方向长度；λ为阵元辐射到空间的频率。

如图1所示为一种提高分布式天线功放效率的系统的结构框图。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，经过上变频器到射频频段后进入相控阵单元，在相控阵单元内完成幅度、相位等一致性调整、反馈检测，最终信号分别有各个阵元发射出去。

具体的，一种提高分布式天线功放效率的系统，仅具有单路数字基带处理单元公共电路，其结构框图如图1所示，主要有10个模块构成：

基带信号编码模块：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(cluttersuppressioninterferometry)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DAC模块。

DAC模块：由数模转换器DAC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，形成基带模拟信号，输出至上变频器当中。

上变频器：由生成本振信号的PLL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，输出至相控阵单元。

相控阵天线单元：由移相器和功分器、衰减器、放大器及天线阵元以及天线附近的馈点等构成，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，通过衰减器进行幅度调整，通过放大器的偏置调整射频信号，达到调整天线发射信号相位的目的，主要能量通过天线阵元辐射出去，小部分能量通过馈点反馈通过矩阵开关至数据采集电路，用于校准各支路的一致性问题。

远场标准增益天线：用于OTA远场测试固定增益天线，反馈远场综合波束的效果。天线到阵面的距离满足远场测试的要求，和测试频段强相关，一般选用产品的低频段进行计算确定。

矩阵开关盒子：具有可以切换和连接任何一路、几路或全连接天线馈点的装置。

下变频器模块：将电子开关输出的测试的射频数据下变频到零频或中频频段上，包括但不限于mixer/调制器、锁相环、低噪声增益模块等。

ADC模块：将零频或中频的模拟数据转换成数字信号发送给数据采集和处理单元。采样率按照发射信号带宽的6倍及以上考虑。

数据采集和处理单元：负责馈点(近场)、远场OTA测试等数据采集和综合处理，对比分析采数差异，寻优拟合系数，下发预失真控制命令。数据采集等可以使用频谱仪、综测仪或示波器、上位机等装置。数据处理单元，包括数据分析工具、算法以及控制软件，控制硬件等。近场馈点用于校验N条射频支路的一致性问题，进行补偿调整。OTA远场测试用于消除公共路以及各射频支路互扰的影响。

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。

本实施例中还提供一种提高分布式天线功放效率的校准方法，包括有以下步骤：

S101:相控阵发射机的DPD预失真校准系统(如图1所示)按照初始频点f0及标准信号功率p0配置，预失真模块按照默认初始值配置，相控阵天线单元各模块按照初始典型值配置(PA使能打开、PA偏置、移相器、衰减器按照默认值配置)，各模块正常配置启动正常。

S102:矩阵开关盒子依次接通FB1、FB2……FB(n-1)、FBn的馈点提供相应的反馈通路；

S103:反馈数据采集单元(此单元是数据采集和处理单元的一部分)，根据接通反馈的FB1、FB2……FB(n-1)、FBn通路，依次采集馈点的数据，记录相应的幅度和相位信息，形成多维数据表格。

S104:数据处理单元(此单元是数据采集和处理单元的一部分)，根据反馈数据采集单元记录，进行各射频支路的相位偏移分别记作 同时，进行各射频支路增益值记录，分别记作G1、G2......G(n-1)、G(n)；

S105:使用最小二乘法，求得相位偏移均值求得各支路相位偏移和相位偏移均值的差值。并调试各支路的移相器的相位控制寄存器，使得偏移等于或逼近相位偏移均值同理，使用最小二乘法，求得各支路增益均值G_rms；求得各支路增益和增益均值G_rms的差值。并调试各支路的衰减器的衰减控制寄存器，使得增益等于或逼近增益均值G_rms；将各支路相位补偿值、增益补偿值和对应的频率存储到相控阵发射系统的存储器中。

S106:分别调试各支路的PA_bias值，矩阵开关盒子依次接通FB1、FB2……FB(n-1)、FBn的馈点，由数据采集和处理单元记录P_pavsValue_{pa_bias}曲线及各支路ACPR值。

S107:以设定的ACPR值ACPR_ref为参考，在>ACPR_ref的各支路P_{pa_max}中的最小值，作为归一化值记作P_{pa_normalized}。各支路通过设定PA_bias值等于或逼近P_{pa_normalized}，将各PA_bias的补偿值和对应频率、温度存储到系统存储器中。至此完成各支路的一致性校验。

S108:开关矩阵盒子切换到远场标准增益天线通路，相控阵发射系统按照相控阵天线单元和远场标准增益天线的相对位置(相对位置满足远场测试距离，并且处于相控阵天线单元波束指向可调节范围内)，下发波束指向的命令，使得发射波束信号被远场标准增益天线接收。

S109:进行预失真补偿策略估计，如图3。OTA数据采集单元采集远场测试的数据，数据处理单元根据采集数据和发送数据进行相关操作，提取相位失真信息和幅度失真信息。

S110:数据处理单元根据相位失真和幅度失真信息，进行相位补偿参数在一定范围内调试，和幅度失真补偿在一定范围内调试。实时观察相位失真和幅度失真的变化，根据幅度相位失真最小的数据，确定相位失真补偿参数以及幅度失真补偿参数，并按照和频率、温度的对应关系进行存储记录。

S111:按照步进间隔频率重复S101-S110步骤进行校准操作。

S112:在工作温度范围内，按照步进间隔温度重复S101-S110步骤进行校准操作。

S113:拟合幅度、相位失真补偿参数和频率、温度的多相式关系，选择数字预失真模块的自适应失真补偿策略。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种提高分布式天线功放效率的系统，其特征在于，该系统包括有基带信号编码模块、数字预失真模块、DAC模块、上变频模块、相控阵天线单元、矩阵开关盒子、下变频模块、ADC模块、数据采集和处理单元、远场标准增益天线；

所述基带信号编码模块、数字预失真模块、DAC模块、上变频模块、相控阵天线单元、矩阵开关盒子、下变频模块、ADC模块依次连接，相控阵天线单元、ADC模块、数字预失真模块均与数据采集和处理单元连接，所述相控阵天线单元还与远场标准增益天线连接；

所述相控阵天线单元包括有1：N功分网络和多路天线单元；天线单元包括有相位调节器、放大器、衰减器、天线阵元以及天线阵元附近的馈点；所述1：N功分网络、相位调节器、放大器、衰减器及天线阵元依次连接；

所述基带信号编码模块产生基带信号并进行编码映射处理生成不同调制方式的码流；

所述数字预失真模块将不同调制方式的码流进行数字预失真处理，补偿动态非线性失真，并输出至DAC模块；

所述DAC模块将数字预失真处理过的码流转换为基带模拟信号；

所述上变频模块将基带模拟信号上变频到相控阵天线单元所需的射频频段上；

1：N功分网络接收上变频模块输出的射频信号，按1：N的比例平均输出给相位调节器；相位调节器对射频信号进行相位调节处理输出给放大器；放大器接收相位调节器输出的射频信号，进行增益调节，输出给衰减器；衰减器接收放大器的射频信号进行功率放大输出给天线阵元；天线阵元接收衰减器输出的射频信号，辐射到空间中；

所述矩阵开关盒子切换、连接任何一路、几路或全连接多路天线单元的天线阵元附近的馈点；

所述下变频器模块将矩阵开关盒子输出的测试的射频数据下变频到零频或中频频段上；

所述ADC模块用于将零频或中频的模拟数据转换成数字信号发送给数据采集和处理单元；

所述数据采集和处理单元负责馈点和/或远场OTA测试数据采集和综合处理，对比分析采数差异，寻优拟合系数，下发预失真控制命令。

2.根据权利要求1所述的一种提高分布式天线功放效率的系统，其特征在于，馈点为在靠近天线阵元附近预留的耦合反馈测试点。

3.根据权利要求1所述的一种提高分布式天线功放效率的系统，其特征在于，所述数据采集和处理单元包括有数据采集单元和数据处理单元。

4.根据权利要求1所述的一种提高分布式天线功放效率的系统，其特征在于，数字预失真模块由查找表或者多项式构成。