數字預失真分數時延估計與信號對齊算法及實現的製作方法
2023-07-09 18:03:11 1
專利名稱：數字預失真分數時延估計與信號對齊算法及實現的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種數位化預失真系統的信號時延估計方法與一種數位化預失真系統的信號插值對齊方法，屬於通信信號數字處理技術領域。
背景技術：
數字預失真(DPD)是功率放大器(PA)線性化校正的主流方法，其性能一直受困於信號對齊精度。由於，Dro系統需考慮PA帶寬幾個以上的失真，所以採樣速率非常高，需要有性能良好的時延估計算法與信號插值對齊算法保障該系統的實現。
目前，關於Dro系統中信號的時延估計算法主要有五種。一，迭代法時延估計算法。利用信號間存在一定線性關係，通過迭代方法實現Dro輸出與PA反饋輸出對齊。實踐證明該方法穩定性受迭代步長影響，延時估計精度差。二，延時鎖定環(DLL)算法。利用環路鑑相器給出的誤差信號控制環路中的壓控振蕩器VCO的輸出時鐘，實現PA反饋迴路的採樣脈衝的脈位變化達到信號對齊的目的。實踐證明該算法的實現複雜、收斂速度慢。三， 相關函數法。又分幅度差相關函數法和幅度相關函數法兩種。前者對輸入信號和反饋信號的對應樣點取幅度差，然後對差求互相關。再通過最大值估計信號間的整數(倍Ts)時延； 與下面要討論的幅度相關函數信號時延估計方法相比，增加了求插值過程。後者是最流行的信號同步方法，也是利用相關函數的最大值位置實現信號時延的估計，同樣也實現整數 (倍Ts)時延估計。實踐中，為了採用該方法實現對分數時延的估計，需要對DPD的輸入信號或者對PA的反饋輸出信號進行高倍插值，再按插前間隔抽取，構成多路後，再與未進行插值操作的信號分別相關，然後取各路相關結果的峰值，再將這些峰值放在一起比較，取其中取最大的峰值，其對應的抽取信號即認為與另一相關信號是對齊的。該方法雖具有很多優點，但是缺點也相當明顯(I)不能從根本上消除時延的模糊問題；(2)運算量過大，DPD 系統不能跟隨PA參數的變化速度。為了保證DH)的性能，一般需要32或64倍甚至更高倍數的插值再抽取。四，基於小波分析時延估計方法。通過對信號的幅度相關函數做小波分析後，實現對信號時延的估計的。這種基於全局的尋找最優解過程運算量也不小。五，基於黃金分割法實現時延的估計。首先假設時延範圍為[a，b]，採用黃金分割法在[a，b]中尋優。具體過程為利用黃金分割方法，令利[a，b]中一點T1，並用其對升餘弦補償器的係數進行估計，再講估計出係數的濾波器與PA的反饋輸出卷積得到輸出V (η)，再將V (η)與PA 反饋輸出信號相關運算，重複上述這個過程，直到I Tk-T1^l小於設定的一個小常數ε，此時即得到同步輸出Vk (η)。可見對DH)系統的時延範圍有先驗知識決定了系統的運算複雜性。其實質是一種窮舉方法，且在這一系列的運算過程中，難免出現算法的數值計算問題。
實現信號的對齊方法主要有三種方法一，基於重採濾波器法。採因速度問題或硬體消耗問題不適合於Dro系統。二，基於多項式近似法。利用了一個低階的多項式在一定區域對插值濾波器係數進行估計，以適應信號的變化。其實質為一個時變濾波器，該方法所實現的濾波器的新係數的誤差取決於插值算法與老係數的量化精度；三。基於FRROW濾波器法。該方法是將多項式係數作為濾波器係數與輸入卷積後，再與時間偏差卷積實現信號對齊，運算過程中也需要對濾波器權值修正，存在的數值計算問題也會影響到Dro系統的性能。
綜上所述，提出基於「三點二次」插值法的Dro信號時延精確估計方法與基於窗函數法的信號「前」插濾波器法實現信號的對齊具有一定的實際意義。經分析，Dro與PA構成的信道近似符合高斯白噪的萊斯信道模型。高速率採樣時其互相關在其最大值附近具有二次函數特徵。當所取信號長度合適時，互相關函數是單峰的，為最優化方法估計信號時延提供了條件。同時，結合多速率數位訊號處理技術，可用窗法求實現的插值濾波器與輸入卷積後可實現信號的對齊。發明內容
本發明旨在為解決Dro系統的信號時延估計(精確部分)與信號對齊問題。
關於時延估計問題的解決思路與它數字系統類似，DPD系統中也存在採樣模糊問題。在詳細分析了基於DPD的PA信道模型後認為JiDPD的高速採樣而言，可利用互相關函數在峰值點附近具有二次函數特徵，取其最大值與次大值三個點，可採用「三點二次」 插值算法估計出小於採樣間隔的信號時延，徹底解決離散相關函數與連續相關函數峰值間因採樣造成的偏差問題。
關於信號的插值對齊問題的解決思路在獲得了信號的精確時延信息後，根據多速率數位訊號處理技術，採用窗函數方法對PA反饋輸出進行「前插」遞推，實現Dro系統中的信號的對齊。
解決問題的方法與步驟
(I)對PA反饋信號y(n)與DTO輸入信號d(n)進行相同速率採樣，並同時分別取 N點(L = 2M彡N，M e Z+)，將其暫存到雙口 RAM中；
(2)採樣2L點FFT計算y (η)與d(n)的互相關；並提取r (η)中取最大值與兩個次大值；
(3)按照優化理論估計y(n)與d(n)之間的分數間隔時延τ ；
(4)按照hw(n) = win (η) · sa( τ -n)計算插值濾波器係數；
(5)按照_ =[燦+ _)實現信號前插。
結束。
本發明所述算法具有以下顯著特點
(I)DPD的信號時延估計時運算量低。具體的講分數倍採樣間隔時間的估計算法僅需要通過三次移位、三次加減運算與兩次乘法運算就可以完成。
(2)算法使用了互相關函數幅度值，信道中的高斯噪聲不影響時間的估計精度。按照最優化理論方法，本發明所述的分數倍採樣間隔時延估值就是Dro系統中的信號時延小數部分的真值。
(3)基於窗函數方法的sa ( ·) 「向前」插值信號對齊方法，同樣具有複雜度低性， 且繼承了 FIR濾波器各種優點。
(4)本發明所論述的算法可以為Dro系統提供的對齊信號性能良好。
圖I為基於直接學習方式的Dro系統電路結構原理示意圖。其中，圖I中虛框部分涉及了本發明所述的算法。
圖2為本發明所述算法的整體實現方案示意方框圖。
圖3為本發明所述算法實現的信號對齊器的內部結構示意方框圖。
圖4為本發明在DPD系統中的使用流程結構示意方框圖。
圖5為本發明所述算法中的信號互相關運算流程示意圖。
圖6為本發明所述算法中的分數時延估計算法實現流程示意圖。
圖7為本發明所述算法中的信號「前」插對齊算法實現流程示意圖。
圖中I.數字預失真器(Dro)，2.數模轉換器(DAC)，3.上變混頻器，4.功率放大器 (PA)，5.天線，6.衰減器，7.本地振蕩器，8.延時估計器(T)，9.前插濾波器，10.模數轉換器，11.下變混頻器，12.控制器，13.存儲器，14.信號相關器。其中前插濾波器(9)由三部分構成，它們是91.濾波器係數計算器，92.加窗器，93.前插濾波器；其中加窗器(92)由兩部分構成，它們是921.窗函數係數存儲器，922.乘法器。
具體實施方式
I. 一種用於數字預失真(DPD)系統的信號分數倍採樣間隔時延估計算法和一種結合窗函數與Nyquist插值濾波器(sin (x)/x)設計的信號「前插」濾波器實現信號對齊的方法。本發明所述算法適用於基於DH)技術的功率放大器(PA)線性化校正。其中DH)的輸入信號與的PA反饋輸出信號的採樣速率相同。算法的基本的特徵在於首先，對DH)與 PA的輸出N點信號進行相關。然後，由該相關函數值的最大值及兩個次大值採用「三點二次」方法估計信號分數倍採樣間隔時延。最後，採用窗函數實現PA反饋輸出信號「前」插濾波器完成DF1D輸入信號與PA反饋輸出信號的對齊。
2. 一種用於權利I所述算法的實現方案。其基本的特徵在於在控制器同步下， 同時截取Dro輸入與PA的反饋輸出各N點，放到兩個獨立的存儲器中；相關器對兩個獨立的存儲器中的數據做互相關運算，輸出結果中的兩個次大值與最大值到延時估計器；延時估計器根據輸入信號採用「三點二次」插值算法估計信號的分數倍採樣間隔時延；插值濾波器係數計算器根據延時估計器的輸出計算數字插值濾波器係數到加窗器；由加窗器對插值濾波器係數加窗處理，並將結果送到「前」插值濾波器與PA反饋輸出信號進行卷積運算，輸出一個Dro輸入信號對齊的結果。上述操作均在控制器的參與下工作；控制器受總線控制。
3按照權利I所述算法的實現，其特徵在於所使用的互相關算法包括如下步驟
3a截取具有相同採樣速率的DH)的輸入基帶信號d(n)與PA反饋輸出信號y (η) 各N個點，其中N為正整數。
3b按照互相關理論,計算d (η)與y(n)的(2N_1)點的時域互相關r(n)。
4按照權利I所述算法的實現，其特徵在於所使用的分數倍採樣間隔時延估計算法包括如下步驟根據步驟3提供的互相關函數r (η)，提取其的最大值與次大值；再按照 「三點二次」插值算法估計分數倍採樣間隔時延(τ )，並輸出。
5.按照權利I所述算法的實現，其特徵在於所使用的「前」插值對齊算法包括如下步驟
5a根據步驟4的分數倍採樣間隔時延(τ )，採用抽樣函數計算插值濾波器係數h (η)，並對h (η)加長為M的窗函數，求得插值濾波器係數hw(η)。
5b根據步驟5a提供的「前」插值濾波器係數匕(η)與PA反饋輸出信號y (η)卷積和，輸出與DF1D輸入信號對齊的信號。
6根據權利I所述算法的實現，其特徵在於採用「三點二次」算法實現信號分數倍採樣間隔時延(O的估計與信號「前」插值對齊方法包括如下步驟
6a.根據步驟3a所述截取信號的方法，其特徵在於所述步驟3a按照如下方式進行同時讀取DH)輸入信號d (η)與PA反饋輸出信號y(n)各N個點，並將其分別放到深度為L = 2m，其中(m e Z，L > 2N)個單元，d(n)與y(n)分別按照式(I)，「00401 Mn) = d,(n) + jdQ(n)⑴_0」 _ = _ + Κ(η)⑴
操作。
6b.按照步驟3b所述計算兩個有限長數據的互相關的方法，其特徵在於所述步驟3b按照如下方式進行按照圓周相關計算線性相關算法，同時或分別做d(n)與y(n)的 2L = 2m+1 點 FFT 分別記為 D2l (k)與 Ya(k)，(k = 0，1，2，... 2L-1)。並按照式(2)，
R2l (k) = D2L(k)Y*2L(k)(2)
進行，再按照式(3)，
r2L (η) = 1/2N · iFFT2L(R(k))(3)
進行操作。其中，n= 0，l，...2L-1。
6c.按照步驟4所述的估計信號分數倍採樣間隔時延的方法，其特徵在於所述步驟4按如下操作進行取{|r(n) }的最大值記為，次大值分別記為f2、f3，再按式(4)，
T_4f2-2f1-2f3 ·'⑷
估計分數倍採樣間隔時延。設信號的整數時延為Γ，按照式(5)，
γ = Γ + τ(5)
估計信號的總時延值Y。
6d.按照步驟5a所述的計算插值濾波器係數的方法，其特徵在於所述步驟5a按如下操作進行採用窗函數法計算「前」插對齊濾波器係數hw。設窗的長度為M點，按式(6)，
hw(n) = Window(k) X sin ( y -KTs) / ( y -kTs), k = 0,1, ...Μ(6)
進行。其中hw可以是對稱的，也可以是非對稱的。
6e.按照步驟5b所述的「前」插對齊算法，其特徵在於所述步驟5b按如下操作進行將PA反饋輸出信號y (η)作為按步驟5d所述實現的「前插」數字濾波器的輸入信號，該濾波器輸出按式(7),
d(n) = J]y(i + n) hw(i), η = 0,1,2,.·.,Ν-1(7)i=0
進行。「前插」數字濾波器可輸出與DF1D輸入信號d(n)對齊的信號 (η)。
7.根據權利要求2所述算法的實現方法，其特徵在於所述算法的實現按如下步驟進行d(n)與y(n)接存儲器13，存儲器13接信號相關器14，信號相關器14接延時估計器8，延時估計器8接前插濾波器係數計算器91，前插濾波器係數計算器91接加窗器92，加窗器92接前插濾波器93，前插濾波器93接信號y (η)與加窗器92，前插濾波器93輸出信號 (η)。插值對齊算法採用如下所述的功能單元前插值濾波器係數計算計算器(91)、加窗器(92)、前插值濾波器(93)與控制器12相連接。控制器12提供外部訪問接口功能與邏輯控制。
按照本發明所述算法，已經實現了一套基於基帶數字預失真器的功放原型機。多次測試結果表明採用本發明所述的算法能為Dro系統提供一個性能優良的時間對齊信號。本發明所述算法運算量小，實現結構簡單，算法在運行過程中未發現有任何收斂問題與穩定問題出現。
權利要求
1.一種用於數字預失真(DPD)系統的信號分數倍採樣間隔時延估計算法和一種結合窗函數與Nyquist插值濾波器(sin (x)/x)設計的信號「前插」濾波器實現信號對齊的方法。本發明所述算法適用於基於DH)技術的功率放大器(PA)線性化校正。其中DPD的輸入信號與的PA反饋輸出信號的採樣速率相同。算法的基本的特徵在於首先，對DH)與PA的輸出N點信號進行相關運算。然後，由該相關函數值的最大值及兩個次大值採用「三點二次」方法估計信號分數倍採樣間隔時延。最後，採用窗函數實現PA反饋輸出信號「前」插濾波器完成DF1D輸入信號與PA反饋輸出信號的對齊。
2.一種用於權利I所述算法的實現方案。其基本的特徵在於在控制器同步下，同時截取DH)輸入與PA的反饋輸出各N點，放到兩個獨立的存儲器中；相關器對兩個獨立的存儲器中的數據做互相關運算，輸出運算結果中的兩個次大值與最大值到延時估計器；延時估計器根據輸入信號採用「三點二次」插值算法估計信號的分數分數倍採樣間隔時延；插值濾波器係數計算器根據延時估計器的輸出計算數字插值濾波器係數到加窗器；由加窗器對插值濾波器係數加窗處理，並將結果送到「前」插值濾波器作為該濾波器的支路權係數；「前」插值濾波器與PA反饋輸出信號進行卷積運算，輸出一個DH)輸入信號對齊的結果。上述操作均在控制器的參與下工作；控制器受總線控制。
3.按照權利I所述算法的實現，其特徵在於所使用的互相關算法包括如下步驟 3a截取具有相同採樣速率的DH)的輸入基帶信號d(n)與PA反饋輸出信號y (η)各N個點，其中N為正整數。
3b按照互相關理論,計算d (η)與y(n)的(2N-1)點的時域互相關r (η)。
4.按照權利I所述算法的實現，其特徵在於所使用的分數倍採樣間隔時延估計算法包括如下步驟根據步驟3提供的互相關函數r (η)，提取其的最大值與次大值；再按照「三點二次」插值算法估計分數倍採樣間隔時延(τ )，並輸出。
5.按照權利I所述算法的實現，其特徵在於所使用的「前」插值對齊算法包括如下步驟 5a根據步驟4的分數倍採樣間隔時延(τ )，採用Nyquist插值濾波器係數h (η)，並對h(n)加長為M的窗函數，求得插值濾波器係數匕(η)。
5b根據步驟5a提供的「前」插值濾波器係數hw (η)與PA反饋輸出信號y(n)卷積和，輸出與DF1D輸入信號對齊的信號。
6.根據權利I所述算法的實現，其特徵在於採用「三點二次」算法實現信號分數倍採樣間隔時延(O的估計與信號「前」插值對齊方法包括如下步驟 6a.根據步驟3a所述截取信號的方法，其特徵在於所述步驟3a按照如下方式進行同時讀取DH)輸入信號d (η)與PA反饋輸出信號y (η)各N個點，並將其分別放到深度為L=2m,其中(m e Z, L > 2N)個單元，d(n)與y(n)分別按照式(I)， |d(n) = d丨(n) + jdQ(n)⑴極作 ly(n) = y|(n) + j-yQ(n)⑴ 作。
6b.按照步驟3b所述計算兩個有限長數據的互相關的方法，其特徵在於所述步驟3b按照如下方式進行按照圓周相關計算線性相關算法，同時或分別做d(n)與y(n)的2L =2m+1點FFT分別記為D2Jk)與Ya(k)，(k = O，1，2，…2L-1)。並按照式⑵， R2L(k) = D2l(k)Y2；(k)(2)進行，再按照式⑶，r2L(n) = 1/2N* iFFT2L(R(k))(3) 進行操作。其中，n = 0，l，-2L-10 6c.按照步驟4所述的估計信號分數倍採樣間隔時延的方法，其特徵在於所述步驟4按如下操作進行取{Ir(η) }的最大值記為，次大值分別記為f2、f3，再按式(4)，
7.根據權利要求2所述算法的實現方法，其特徵在於所述算法的實現按如下步驟進行d(n)與y(n)接存儲器13，存儲器13接信號相關器14，信號相關器14接延時估計器8，延時估計器8接前插濾波器係數計算器91，前插濾波器係數計算器91接加窗器92，加窗器92接前插濾波器93,前插濾波器93接信號y (η)與加窗器92,前插濾波器93輸出信號次η)。插值對齊算法採用如下所述的功能單元前插值濾波器係數計算計算器(91)、加窗器(92)、前插值濾波器(93)與控制器12相連接。控制器12提供外部訪問接口功能與邏輯控制。
全文摘要
公開了基於「三點二次」算法實現數字預失真(DPD)系統信號分數倍採樣間隔時延的估計方法。公開了一種結合窗函數與Nyquist插值濾波器設計「前插」濾波器以實現信號對齊的方法。首先，同時截取具有相同速率的DPD輸入信號與PA反饋輸出信號各N點做相關運算。其次，由互相關值的最大模值位置估計信號的整數時延間隔，同時取兩個次大值。再次，採用「三點二次」算法估計兩個信號的分數倍採樣間隔時延。最後，根據總時延，結合窗函數法完成PA反饋輸出信號「前插」對齊。本發明所述算法的實現結果表明能為DPD系統提供一個性能優良的對齊信號；與系統現使用的各算法相比，具有計算量小，易於數位化實現等優點。同時公開了本發明所述算法的實現方案。
文檔編號H04L25/02GK102984099SQ20121048396
公開日2013年3月20日 申請日期2012年11月23日 優先權日2012年11月23日
發明者趙林軍, 張海林, 梁芳, 楊棟, 任智源, 武德斌 申請人:陝西理工學院, 西安電子科技大學