等效採樣預失真系統及其方法
2023-04-24 12:23:06
等效採樣預失真系統及其方法
【專利摘要】本發明涉及數字預失真功放線性化技術,目的是為了解決現有功放系統中當輸入信號的頻譜較寬時需要反饋通道中模數轉換器有較高的採樣率，帶來模數轉換器電路實現困難的問題。本發明提供等效採樣預失真系統，包括：訓練序列發生器、數模轉換器、功放系統、模數轉換器、延時估計模塊及預失真器參數獲取模塊，訓練序列發生器與數模轉換器連接，數模轉換器與功放系統連接，功放系統與模數轉換器連接，延時估計模塊分別與訓練序列發生器、模數轉換器及模型參數獲取模塊連接，模型參數獲取模塊與模數轉換器及訓練序列發生器連接。本發明還提供一種等效採樣預失真方法，適用於通信系統中的信號預失真。
【專利說明】等效採樣預失真系統及其方法
【技術領域】
[0001]本發明屬於通信【技術領域】，特別涉及數字預失真功放線性化技術。
【背景技術】
[0002]在通信系統中，為了將射頻信號發送出去，射頻功率放大器是必不可少的一個器件，早期通信系統中由於採用恆定包絡調製技術，信號帶寬較窄，受射頻功率放大器非線性的影響較小。隨著現代無線通信技術的發展，頻帶資源變得越來越緊張，為此提出了WCDMA (寬帶碼分多址)及OFDM(正交頻分復用)等高頻譜利用率的傳輸和調製技術。採用這類技術所傳輸的信號具有寬頻帶及高峰均比等特點，這些特點決定了必須採用高線性度的射頻功率放大器，否則會產生嚴重的帶內和帶外失真，使通信系統的誤碼率增大，並幹擾鄰近通信信道。功率放大器的非線性是其固有的特性，目前還無法通過電路設計的方式解決該問題，於是人們提出了許多功放線性化技術，常用的功率放大器線性化技術有功率回退、前饋及預失真等，其中數字預失真技術具有穩定、高效及自適應等優勢，能達到中等程度的線性化，是目前廣泛應用的一種功放線性化技術。
[0003]數字預失真系統的基本原理是:在功率放大器之前加入一個預失真器，預失真器由數位訊號處理器件實現，數字基帶IQ信號經過預失真器進行處理後再經D/A變換、上變頻後送入功放，當預失真器的非線性特性與射頻功放相逆時，經過功率放大器後輸出為線性放大的射頻信號。為了設計出較理想的預失真器，使其非線性特性與功率放大器相逆，需要獲取功放輸出信號的失真信息，所以預失真系統需將功放輸出信號反饋回來，射頻信號經耦合衰減、下變頻、A/D變換後提供給預失真器設計模塊，預失真器設計模塊通過相應的算法設計出預失真器。
[0004]由於功放的非線性特性，會導致輸出的射頻信號頻譜擴展，如果只考慮到最高5階的功放非線性交調失真，則信號的頻譜大約會擴展至原信號帶寬的5倍，如信號帶寬為20MHz，則頻譜擴展後信號帶寬為100MHz。當待發送的信號頻譜較寬時，為了不失真的採集到反饋回來的信號，反饋通道的模數轉換器則需要較高的採樣率，根據奈奎斯特採樣定理，頻譜擴展後信號帶寬為100MHz，則需要至少200MHz的採樣率，對模數轉換器採樣率的要求會非常高，對電路設計以及硬體實現提出了較高的要求。
[0005]為了降低對反饋通道ADC採樣率的要求，有人提出了欠採樣預失真方法，經理論證明:反饋通道中的A/D採用原基帶信號帶寬兩倍以上的採樣率，如信號帶寬為20MHz，則採樣率至少為40MHz以上，同樣可以獲取到功放的非線性失真特性。該方法的提出緩解了信號頻譜較寬時對A/D採樣速率的要求。然而，隨著通信技術的發展，信號的頻譜也越來越寬，即使採用欠採樣方法仍然需要較高採樣率的模數轉換器。高速A/D採樣電路的設計、以及後續高速數位訊號的處理都增加了系統的設計和實現難度，且成本也較高。
[0006]上述方法大大降低了預失真系統的實現難度，但是當信號帶寬進一步提高時，該方法仍然需要較高的採樣速率。為此，本發明提出一種等效採樣預失真方法，可進一步降低反饋通道ADC的採樣率，並降低系統成本和實現難度。
【發明內容】
[0007]本發明的目的是為了解決現有功放預失真系統中當輸入信號的頻譜較寬時需要反饋通道中模數轉換器有較高的採樣率，帶來模數轉換器電路實現困難且成本較高的問題。
[0008]為達到上述目的，本發明提供一種等效採樣預失真方法，該方法用於射頻功率放大器中，其包括:
[0009]訓練序列發生器，用於產生周期性的訓練序列；
[0010]數模轉換器，用於將訓練序列發生器產生的訓練序列轉換成模擬信號；
[0011]功放系統，用於將數模轉換器轉換得到的模擬信號依次進行上變頻、功率放大、耦合衰減及下變頻處理；
[0012]模數轉換器，將功放系統輸出後反饋回的模擬信號轉換為數位訊號；
[0013]延時估計模塊，用於將訓練序列與模數轉換器輸出的反饋序列進行延時估計；
[0014]模型參數獲取模塊，根據訓練序列、延時估計得到的延時及反饋序列獲取預失真器的模型參數；
[0015]所述訓練序列發生器與數模轉換器連接，所述數模轉換器與功放系統連接，所述功放系統與模數轉換器連接，所述延時估計模塊分別與訓練序列發生器、模數轉換器及模型參數獲取模塊連接，所述模型參數獲取模塊與模數轉換器及訓練序列發生器連接。
[0016]具體地，所述功放系統包括上變頻模塊、功率放大器、衰減器及下變頻模塊，分別用於對模擬信號進行上變頻處理、功率放大、衰減及下變頻處理。功放輸出的射頻信號經天線後發射出去，少部分反饋回來。
[0017]具體地，所述模數轉換器中的工作頻率為數模轉換器工作頻率的1/(N+1)。
[0018]較佳地，反饋序列的採樣點數至少為訓練序列點數的2倍。
[0019]本發明還提供一種等效採樣預失真方法，包括如下步驟:
[0020]A.將周期性的訓練序列送到數模轉換器，信號經過功放系統進行等效採樣後反饋到模數轉換器；
[0021]B.利用等效採樣得到的反饋數據序列與訓練序列進行延時估計，利用延時估計得到的延時將反饋數據序列和訓練序列在時域上對齊；
[0022]C.利用基於模式識別的學習結構得到預失真器的模型參數。
[0023]利用上述方法得到的模型參數可設計出等效採樣預失真系統，具體地，步驟A中，模數轉換器的工作頻率為數模轉換器工作頻率的1/(N+1)，所述反饋序列的採樣點數至少為訓練序列點數的2倍。
[0024]與現有技術相比，本發明的有益效果是:本發明提出的等效採樣預失真方法，可進一步降低對反饋通道模數轉換器的採樣率的要求，並降低系統成本和實現難度。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0025]圖1為本發明的等效採樣預失真系統的原理框圖。
【具體實施方式】
[0026]下面結合附圖及實施例對本發明的技術方案作進一步描述，實施例僅僅是為了幫助讀者更好地理解本發明技術方案的思路，並不用以限制本發明權利要求的保護範圍。
[0027]本發明針對現有功放系統中當輸入信號的頻譜較寬時需要反饋通道中模數轉換器有較高的採樣率，帶來模數轉換器電路實現困難的問題，提供一種等效採樣預失真系統，該系統用於射頻功率放大器中，如圖1所示，其包括:
[0028]訓練序列發生器，用於產生周期性的訓練序列；
[0029]數模轉換器，用於將訓練序列發生器產生的訓練序列轉換成模擬信號；
[0030]功放系統，用於將數模轉換器轉換得到的模擬信號依次進行上變頻、功率放大、耦合衰減及下變頻處理；
[0031]模數轉換器，將功放系統輸出的反饋序列的模擬信號轉換為數位訊號；
[0032]延時估計模塊，用於將訓練序列與模數轉換器輸出的反饋序列進行延時估計；
[0033]預失真器參數獲取模塊，根據訓練序列、延時估計得到的延時及反饋序列獲取預失真器的模型參數；
[0034]所述訓練序列發生器與數模轉換器連接，所述數模轉換器與功放系統連接，所述功放系統與模數轉換器連接，所述延時估計模塊分別與訓練序列發生器、模數轉換器及預失真器參數獲取模塊連接，所述預失真器參數獲取模塊與模數轉換器及訓練序列發生器連接。
[0035]實施例
[0036]採用等效採樣技術可以極大的降低對模數轉換器採樣率的要求，但要求待採樣信號具有一定周期性，而實際的通信系統通常發送的都是非周期信號，為了使用等效採樣技術對反饋信號進行採樣，本發明採用周期性訓練序列的方式，結合等效採樣技術來設計失真器。
[0037]等效採樣預失真方法分為兩個階段:設計階段和實時工作階段。在設計階段，預失真器的輸出用訓練序列發生器取代，訓練序列發生器產生的周期性訓練序列經過功放非線性系統後，在反饋迴路中用等效採樣的方式採集回來，然後根據功放非線性系統的輸入和輸出採用適當的算法就可設計出預失真器，首先識別出功放的非線性模型，然後得到逆模型參數；而在預失真器實時工作階段，預失真器的輸出數據實時的送到功放非線性系統，若預失真器設計合理，則功放非線性系統的輸出相對於預失真器的輸入信號是線性放大的。
[0038]實現數字預失真的一個重點是通過適當的算法獲取預失真器的模型參數，為了獲取預失真器的參數，本發明採用基於模型識別的學習結構通過使用兩次自適應學習算法獲取到預失真器模型參數，其優點是能克服功放非線性系統加性噪聲的影響。考慮到等效採樣是利用多個周期採樣得到的數據重構出實時採樣數據，不同周期中採樣時刻可能出現誤差，導致重構出的採樣數據產生新的噪聲。為了克服等效採樣引入的噪聲所帶來的不利影響，本發明採用基於模型識別的學習結構。
[0039]下面將通過理論推導來分析該學習結構的抗噪聲特性。
[0040]X (η)表示D/A轉換前的數位訊號，功放非線性系統涵蓋D/A變換、上變頻、功率放大、耦合反饋、下變頻、A/D變換整個過程，功放非線性系統的輸出y(n)表示反饋信號進行A/D變換後的數位訊號，y(n)是一個關於x(n)的非線性函數，Iitl(η)表示加性噪聲，包括A/D量化噪聲、外部幹擾噪聲、等效採樣所引入的新噪聲。功放模型的輸出可以表示為:
[0041]ζ (η) = W11X (η) (I)
[0042]其中，χ(η)是由輸入信號χ(η)構成的向量，具體形式與功放模型有關，W為功放模型參數向量，H表示取共軛轉置，功放模型識別的代價函數可以表示為:
[0043]J(w) = E(|e(n) I2)
[0044]= E (I y (η) +η0-ζ (η) |2) (2)
[0045]= E(y (η) +n0-wHX (η)) (y (η) +n0-wHX (η)) *)
[0046]= E (I y (η) 12) -PHw-wHP+wHRw+ δ 2
[0047]其中
[0048]R = Ε(Χ(η)ΧΗ(η)) (3)
[0049]P = E (X (η) y (η) *) (4)
[0050]該代價函數是一個關於模型參數向量W的二次性能函數，故存在唯一的WO使該代價函數的值最小。對該代價函數求偏導並令偏導數為0，則可得功放模型參數的最佳解(即維納解)為:
[0051]Wtl = IT1P (5)
[0052]從式(2)、式(5)可以看出，加性噪聲ηθ(η)會影響代價函數的J(W)極值，但是不會影響最佳解，即採用該方法得到的功放系統的模型參數是不受加性噪聲影響的，相應地，採用逆模型算法所得到的預失真器模型參數也不受此加性噪聲影響的。
[0053]順序等效採樣在具體電路中實現時，控制多周期採樣中的採樣點與觸發點的時間間隔是一個關鍵，為此需要設計一個精確的延時單元，使下一次採樣相對於本次採樣延遲一個採樣點的時間。此外，在實際的預失真系統中，D/A輸出的信號經過功放系統反饋回來後會存在一個延時，這也是在等效採樣時需要考慮的一個問題。若在預失真系統中按照常規的等效採樣方法來實現則會使設計複雜化，為此本發明提出了一種簡易的等效採樣實現方案。該方法步驟如下:
[0054]Α.將周期性的訓練序列送到D/A器，信號經過功放系統進行等效採樣後反饋到A/D器；
[0055]B.利用等效採樣得到的反饋數據序列與訓練序列進行延時估計，利用延時估計得到的延時將反饋數據序列和訓練序列在時域上對齊；
[0056]C.利用基於模式識別的學習結構得到預失真器的模型參數。
[0057]下面將說明等效採樣的實現原理:
[0058]設D/A轉換器的工作頻率為f，周期性訓練序列一個周期中包含的採樣點數為
N，所以輸出的訓練序列的周期為N/f。根據訓練序列的周期性X(N+n) =χ(η)，其中n =
1,2,…，N。若A/D轉換器的採樣頻率為f/(N+l)，也即周期為(N+l)/f，則採樣周期與訓練序列的周期相比，增加了一個採樣點的時間，這樣經過連續的N次採樣後可得到如式(6)所示的採樣序值。
(V- = ν.Ν-1； = v(i；
J: = O I:； = x(2；
[0059](fi):? =.W』
V ν,.—V ^ iq * r.,'■ 一 s，-
[0060]由於採樣周期為(N+l)/f，所以相對於周期為N/f的訓練序列，每次得到的採樣點都後推一個採樣步進，步進為Ι/f，這樣經過N次採樣後得到的採樣值(yi，y2，y3，…，yN)進行順序組合後就可以恢復出信號一個完整的等效採樣周期。
[0061]在數字預失真系統中，A/D轉換器和D/A轉換器的工作時鐘可以由一個統一的參考時鐘來提供，使用FPGA等可編程器件可以非常精確、方便的控制A/D和D/A的採樣時鐘，由以上分析得出的A/D轉換器的工作頻率為D/A轉換器工作頻率的1/(N+1)，即經過N+1分頻即可。式￠)中是連續N個採樣點的示例，若連續採樣M*N個採樣點，則順序組合得到的採樣序列為連續M個周期的訓練序列。
[0062]由於預失真系統中反饋迴路存在一定的延時，所以，等效採樣得到的採樣序列與原周期性序列相比有一個固定的延時，在使用模型識別算法之前需要將等效採樣得到的反饋信號與輸出信號在時間上對齊，這裡我們可以採用相關算法對該延時進行估計。
【權利要求】
1.等效採樣預失真系統，其特徵在於，包括: 訓練序列發生器，用於產生周期性的訓練序列； 數模轉換器，用於將訓練序列發生器產生的訓練序列轉換成模擬信號； 功放系統，用於將數模轉換器轉換得到的模擬信號依次進行上變頻、功率放大、耦合衰減及下變頻處理； 模數轉換器，將功放系統輸出的反饋序列的模擬信號轉換為數位訊號； 延時估計模塊，用於將訓練序列與模數轉換器輸出的反饋序列進行延時估計； 預失真器參數獲取模塊，根據訓練序列、延時估計得到的延時及反饋序列獲取預失真器的模型參數； 所述訓練序列發生器與數模轉換器連接，所述數模轉換器與功放系統連接，所述功放系統與模數轉換器連接，所述延時估計模塊分別與訓練序列發生器、模數轉換器及預失真器參數獲取模塊連接，所述預失真器參數獲取模塊與模數轉換器及訓練序列發生器連接。
2.如權利要求1所述的等效採樣預失真系統，其特徵在於，所述功放系統包括上變頻模塊、功率放大器、衰減器及下變頻模塊，分別用於對模擬信號進行上變頻處理、功率放大、衰減及下變頻處理。
3.如權利要求1所述的等效採樣預失真系統，其特徵在於，所述模數轉換器中的工作頻率為數模轉換器工作頻率的1/(N+1)，周期性訓練序列一個周期中包含的採樣點數為N。
4.如權利要求1至3任意一項所述的等效採樣預失真系統，其特徵在於，所述反饋序列的採樣點數至少為訓練序列點數的2倍。
5.等效採樣預失真方法，其特徵在於，包括如下步驟: A.將周期性的訓練序列送到數模轉換器，數模轉換得到的模擬信號經過功放系統進行等效採樣後反饋到模數轉換器； B.利用等效採樣得到的反饋數據序列與訓練序列進行延時估計，利用延時估計得到的延時將反饋序列和訓練序列在時域上對齊； C.利用基於模型識別的學習結構，根據訓練序列、反饋序列延時估計得到的延時獲取預失真器的模型參數。
6.如權利要求5所述的等效採樣預失真方法，其特徵在於，步驟A中，模數轉換器的工作頻率為數模轉換器工作頻率的1/(N+1)，周期性訓練序列一個周期中包含的採樣點數為N0
7.如權利要求5所述的等效採樣預失真方法，其特徵在於，步驟B中，所述反饋序列的採樣點數至少為訓練序列點數的2倍。
【文檔編號】H04L25/49GK104301269SQ201410584418
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2014年10月27日 優先權日:2014年10月27日
【發明者】蔡順燕 申請人:成都師範學院