一種用於非線性設備的預失真的實現方法
2023-05-10 19:27:51
專利名稱：一種用於非線性設備的預失真的實現方法
技術領域：
本發明涉及作為一種線性化固有非線性設備的方法的預失真的優化。
背景技術：
如果通過設備的信號失真要被最小化，固有非線性設備的線性化是必要的。具體地說，當涉及到在無線通信中的放大器時，在大部分情況下有必要限制帶外頻率中亂真信號的產生以及在有些情況也限制帶內頻率中亂真信號的產生。一種通常使用的技術包括通過前饋技術從所述設備的輸出中減去所述不需要的信號部分。然後從所述失真輸出信號的衰減複製中減去無失真的輸入信號，以給出對所述增加的亂真信號分量的估計，可以通過適當的放大和相位對準從所述輸出信號中再次減去所述亂真信號分量。如上面的描述所表明的一樣，該技術被稱為「前饋」技術，FF。
另一個補償不需要的信號分量的方法是找到一個數學運算符，如果將其施加到輸入信號，所述數學運算符就給出足夠的抗失真以補償所述設備本身的非線性。這個運算符如果被放置在級聯配置中將在所述非線性設備輸出處抵消所述不需要的信號分量。這個技術被稱為「預失真」技術，PD。
非線性預失真的具體應用是解決用於蜂窩式通信的功率放大器的非線性效應。由於容量將推動現存的和即將出現的標準的發展以便能夠使每頻帶寬度能提供更多數目的用戶信道，不得不以寬帶方式使用放大器。也就是說，如果被饋送通過非線性放大器，這些信道或頻率彼此將互相干擾並會在由其它網絡提供商或移動用戶所使用的其它頻帶中產生不需要的亂真信號。
一種使用先前提到的FF技術的實現方式是多載波功率放大器(MCPA)。這個設備合併了用於幅度和相位匹配的精密調諧電路以便最後從輸出信號僅僅減去失真部分。一種加強所述線性化的方式是級聯一個預失真器，或替換地線性化內部放大器本身。在這樣做的過程中，可以預期總效率也將變得更高。另一個方式是實際上取走所述FF電路並單獨依靠好的預失真器和好的內部放大器。可以相信這將有益地減少製造成本並會提供更為簡單的總體設計。
預失真的現有技術是比較在非線性設備的輸入和輸出埠處測量的信號樣本，然後通過放大或衰減特定的幅度電平進行補償。用這種方式獲得一個非線性幅度特性函數，利用該函數可以補償非線性效應。用同樣的方法可以進行相位調整。
另一個方法可以合併更詳細的算法，藉此通過諸如沃爾特拉(Volterra)級數展開的時間動態方法來追蹤所述非線性設備的特性，以便找到對於所述設備的接近的表示。然後下一步將通過相同的展開找到該函數的反函數，並且將其作為預失真器使用。
發明內容
本發明的公開內容提出一種新的用於計算並最優化預失真器的特定方法，該預失真器無需在MCPA的輸入和輸出之間進行時間對準。也就是說，直接地使用所述模擬輸出譜、以數字或模擬格式來直接地計算最優預失真器。
計算所述預失真器參數的方法通常是比較輸入信號和輸出信號，並以某種方式調整各參數以便最小化在非線性設備輸出處的失真。通常這意味著輸入信號對輸出信號的精細的時間或相位對準，這使得該方法實際實施起來是有困難的。
此外，其通常涉及結合所述功率放大器本身的、對預失真器的某種模擬。用這種方法，所述最優化程序在這點上是雙重的，即它需要在迭代程序內模擬兩個項目。可以預料的是迭代過程相當複雜，並且要花費時間去執行。
在只有輸出的方法中，它帶來了一些問題，諸如怎樣表示所述目標信號和要求解的實際數學方程式。
所提出的對於上述問題的解決方法是直接使用所述輸出譜來最優化互調性能，而不是試圖匹配輸入譜和輸出譜。也就是說，所述輸出譜(除可能的增益常數外)可以被直接用為最優化過程的輸入。因為所述互調積通常具有比所述載波本身低得多的幅度，所以可以把它作為輸入譜而沒有重大的限制損失(lossof confinement)。本公開內容詳細地描述了僅使用輸出信號來實際計算適當的預失真器的數學程序。
作為第二個改進，在甚至不必用輸出信號的濾波版本來近似目標輸入信號的情況下，將所述亂真頻率分量直接抑制到零。在這種情況下，只有關於增益常數和在哪些頻率分量或哪個頻帶中預失真應獲得零值的信息。
獨立權利要求1和4闡明了一種最佳化預失真裝置的方法，而從屬權利要求2到3和5分別闡明了所述方法的其它實施例。
附圖簡述本發明以及其其它目的和優點，可以參照連同附圖所做的下列描述來最佳地理解，其中
圖1說明了具有幅度增益G、並且通過非線性運算符H0(x)被描述的放大器，所述增益G由x和y的平均功率比例關係來定義；圖2說明了在具有非線性設備的級聯配置中的預失真器，藉此所述預失真器擔當除通過設備的傳輸增益(G)之外的運算符H0(x)的逆變器(inverter)；圖3說明了第一求逆方法，其中通過使用輸出信號的濾波版本作為原始輸入信號的近似而將輸出信號求逆回輸入信號，藉此逆變器同樣試圖保持完整的所述亂真譜的帶內頻率分量；圖4說明了通過僅僅使用輸出信號來最優化預失真器，藉此將預失真器優化成只在頻率區域A+C中不產生亂真頻率分量，並且結果是在帶內頻譜中沒有亂真頻率分量被強迫保持，從而產生甚至比圖3中所示的還要「乾淨的」譜；和圖5說明了依照本發明方法的主要步驟。
具體實施例詳述最小均方方法這樣做是很吸引人的在非線性設備的輸入端處插入通用的預失真器，繼而嘗試最優化所述參數以便最小化在該設備的輸出端處的一個給定的成本函數。然而，將會證明，這樣的試圖將使得所述最優化算法找到其本身的局部最小值。通常，用這種方法很難找到對該最優化問題的好的解決辦法。另一個方式是將輸出信號求逆為例如等於輸入信號。該逆變器繼而可以直接被插入以充當所述預失真器。如上所述以及如下面將進一步描述的，對於所述對輸入信號所知很少的計算來說，只使用所述輸出信號本身也是可能的。
考慮圖1，可以寫出下列方程式，和該方程式的逆解法H0[x]＝yx＝H0-1[y] (1)同樣地，對於在圖2中的信號等式我們可以寫出H0[PD(x)]＝G·x 或PD(x)＝H0-1[G·x](2)因此，給定所述非線性設備的逆運算符就立即以直接的數學方式給出所述預失真器函數。也就是說，假定逆運算符實際上存在，這一點就嚴格成立。這樣就表明關鍵問題是求解上述方程式(1)，然後通過補償幅度增益(G)將此非線性運算符與非線性設備級聯應用。
與先估計H0然後設法求逆所述運算符相比，求解上述方程式(1)的一個簡單一點的方式是在沒有先煩瑣地正向求解的情況下，直接求解所述逆運算符。也就是說，本公開內容的一部分是求解下列方程式
H0-1[y]＝x 或 F[y]＝x(3)在所提出方法中的下一步是按照例如動態沃爾特拉級數(dynamic Volterraseries)來展開此運算符。應注意的是可能其它展開也是可以的。[1]可以說明，如果系統可以按照沃爾特拉級數描述並且如果所述逆運算符存在，那麼必然也存在等於所述逆運算符的完全沃爾特拉級數。這裡我們已經知道沃爾特拉級數隨後能直接地被施加到輸入信號，這將給出必要的預失真以便給出線性的輸入/輸出關係。
注意，現在我們還在討論輸入-輸出的關係。在本公開內容的推導的幾個步驟之內，我們將略去這個差別以便展現出只用於輸出信號最優化的所想要的方法。
繼續預失真器的推導，我們可以推斷出例如對每個時間樣本′k′滿足上述方程式(3)的下列形式的沃爾特拉級數展開式 應當提到的是，所述沃爾特拉級數可以不是所述預失真器的唯一可能的描述。對所屬領域內的熟練設計者來說，顯然其它函數或函數的線性組合也是可以的。具體地說，上述方程式(4)的解可以按多種方式獲得。在本公開內容中，我們將使用最小均方解法(LMS)，但用其它方法也是可以的。此外，使用用於基函數的符號來代替各個沃爾特拉項，我們得到矩陣形式的下列方程式Bk,1Bk,2Bk,3Bk,4.....b1b2b3-xk---(5)]]>例如在上述方程式中，B＝yk-nyk-myk-p並且各個b相當於上述方程式(4)中的各個a。從方程式(5)中也可以清楚的看出B可以是任何的基函數，當被線性地組合時，所述基函數可以近似所述預失真器的特性。如果對於每個時間樣本k的情況，分別地計算及測量所述基函數Bk和所述xk值的新值，我們得到B1,1B1,2B1,3B2,1B2,2B2,3B3,1B3,2B3,3B4,1B4,2B4,3B5,1B5,2B5,3b1b2b3=x1x2x3---(6)]]>上述矩陣方程式是過確定(over-determined)的，這意味著不能僅從求逆所述矩陣獲得所述解，因為只有二次矩陣可被求逆。對此的解決方法是使用LMS解法，所述LMS解法是眾所周知的並且已被用於許多其它應用。步驟描述如下
B·b＝x (7)左乘以BH(複數轉置矩陣(complex transpose))BH·B·b＝BH·x (8)這給出了下列解法a＝[BH·B]-1·BH·x (9)給定方程式(9)的係數b並將其插入到方程式(4)中，組成用於所述非線性設備的完全預失真器。這是一個僅僅由線性方法獲得的、對於固有非線性問題的解決方法。下面給出怎樣只使用所述輸出信號的具體方法，所述輸出信號可以被使用來進一步增強性能，以在保持帶內信號不變的同時抑制亂真頻率。需要進一步注意的是，方程式(9)合併了輸入和輸出兩種信號。
LMS方法的頻率版本也可以使用此方法(如上所述)的頻率版本。考慮到方程式(6)的每一列構成用於特定基函數(沃爾特拉項)的時間掃描，我們可以在這些列上分別執行傅立葉變換，以及執行右手列的傅立葉變換。現在我們有方程式(6)的頻率版本，所述方程式可以按如上所述的相同LMS程序求解出來。其結果應該符合方程式(9)所示出的解，其表示了時間域的這個方程式。
傅立葉變換方法的程序描述如下。假定如上述方程式(6)中相同的方程式。以更清楚的方式寫這個方程式，我們可以將它寫成為時間的函數，即
B1,2(t1)B1,2(t1)B1,3(t1)B2,1(t2)B2,2(t2)B2,3(t2)B3,1(t3)B3,2(t3)B3,3(t3)B4,1(t4)B4,2(t24)B4,3(t24)B5,1(t5)B5,2(t5)B5,3(t5)b1b2b3x1(t1)x2(t2)x3(t3)time---(10)]]>現在，對方程式(10)中的每一列進行傅立葉變換得到下列方程式 或以緊湊形式BF·a＝xF (12)方程式(11)是所述原始方程式(6)的頻率版本。以與在方程式(9)中所示解相同的方式，我們可以直接寫下對如上述方程式(11)描述的頻率版本的LMS解法a＝[BFH·BF]-1·BFH·xF(13)頻率加權對該解法的進一步的改進是乘以對應於特定頻率的方程式(10)的特定行，以便獲得這些特定頻率響應的加權。亂真頻率分量在特定頻帶內可以被給予比其它頻帶更高的重要性。這個程序將改進所述解法以給出更好的預失真性能。
BF1,1(1)BF1,2(1)BF1,3(1)C1BF2,1(2)C1BF2,2(2)C1BF2,3(2)C2BF3,1(3)C2BF3,2(3)C2BF3,3(3)BF4,1(4)BF4,2(4)BF4,3(4)BF5,1(5)BF5,2(5)BF5,3(5)b1b2b3=xF1(1)C1xF2(2)C2xF3(3)--(14)]]>然後如上所述，按照最小均方精確求解此方程式。
僅有輸出的LMS如前所述，通過僅僅提取輸出信號來計算所述預失真器也是可能的。現在我們假定限制所述非線性以便在所述輸出信號中只出現較小的非線性。隨後我們可以用放大器信號「y」的濾波版本來代替方程式(4)-(9)中的信號「x」。所述濾波器可以粗糙到只要丟棄在給定的主頻帶外面的亂真發射即可。那麼其與原始輸入信號的差異是所述帶內失真，這通常是可以接受的。此外，事實表明原來使帶外失真最小化同樣對帶內頻率有影響。按照所述途徑，對方程式(15)的近似解可被描述為方程式(16)。
a＝[B(y)H·B(y)]-1·B(y)H·x (15)a~=[B(y)HB(y)]-1B(y)Hfilt{y}--------(16)]]>其中filt{y}≈x是輸出信號y的濾波版本(參見圖3)。我們可以假定，如果所述失真足夠小，則所述輸出信號的濾波版本可以近似所述輸入信號。對於所述輸入信號唯一需要知道的是同所述輸出信號的平均功率關係，以及所述輸出信號複製應該被濾波到什麼程度。例如僅僅要求互調積(或亂真頻率響應)應該為在某一預定的閾值電平下的零值，就可以滿足後一問題。即便此輸出信號的濾波版本真的包含帶內失真分量；假定這個電平足夠低從而不會引入大的錯誤。通常，用於放大信號的設備從一開始就是相對線性的，由此自動地滿足上述足夠低的失真。
如果所述非線性設備是頻率依賴的，那麼可以通過在所述設備輸入端處添加預置頻率均衡器來改進所述預失真器功能。
亂真頻率的直接抑制通過只考慮亂真頻率來抑制所述輸出譜的亂真頻率分量同樣是可能的。也就是說，在不直接建立任何求逆方程式的情況下，我們可以直接地抑制所述不需要的譜。舉例來說，在沒有記憶效應的情況下，讓我們以簡單的多項式形式使用所述逆變器的沃爾特拉級數展開，並且剛好設置所述亂真頻率為零 在方程式(18)中，我們僅僅使用通常矩陣中的那些行，所述行對應於我們想讓所述譜為零的那些特定頻率(參見圖4中的A和C部分)。正如所看到那樣，方程式(18)的右手邊包含明顯未知的係數a0。然而，當我們知道通過系統的放大時，我們同樣知道這個係數。因此清楚地，我們又有了一個可以通過LMS算法來求解的線性方程組。後面方法的明顯的好處是我們不再使用所述帶內信號的替代物以用於最佳化。這避免了LMS方法試圖在所需要的頻率區域內精確地保持所述輸出信號，而是在此頻帶內也試圖恢復所述輸入信號。
還要注意，所需要的帶內譜沒有被用於所述公式中。這表明我們實際上不能控制帶內向量誤差。然而，像在圖4中的區域A和C中所不需要的頻率分量被抑制一樣，繼而所述帶內亂真頻率分量也同樣被高可信度地抑制。
同樣在此情況下，如果所述非線性設備是頻率依賴的，可以通過在所述設備輸入端處添加預置頻率均衡器來改進所述預失真器功能。
本發明公開內容的優點之一是可以將線性方法應用於固有的非線性問題。以傳統的方式用最小均方解法來直接提取基函數的線性組合的係數。舉例來說，可以用這種方法容易地應用及求解沃爾特拉級數的係數。
本公開內容的第二個優點是，可以獲得成本函數的頻率加權，以便表示有利於其它頻帶的特定頻率區域。應注意到，所述數學公式表示仍然是線性的，並且沒有使用迭代搜尋算法來尋找該問題的最優解。
本發明的第三個優點是，可以通過僅從輸出信號和諸如所需要的頻帶和功率放大等一些次要知識再現輸入信號特性，來有效地使用僅關於輸出的最優化。
第四個優點是，所建議的僅抑制所述不需要的頻率分量的改進給出了對非線性設備進行預失真的能力，結果產生沒有向量誤差的輸出信號。也就是說，後面的改進致力於單純地最小化不需要的頻率分量。
參考文獻[1]V.John Mathews，Giovanni L.Sicuranza，「Polynomial Signal Processing」，ISBN 0471-03414-權利要求
1.一種用於非線性設備預失真最優化的方法，其特徵在於該方法包括以下步驟求解用於所述非線性設備的輸出信號的線性展開表達式的係數；將逆變器輸出信號表示為基函數的線性組合，其等同於所述非線性設備的輸入信號，藉此用於所述線性展開表達式的係數的解直接給出一個預失真器函數，所述預失真器函數是所述非線性設備的逆運算符。
2.根據權利要求1所述的用於最優化的方法，其特徵在於還包括以下步驟僅僅使用所述非線性設備的輸出信號作為所述非線性設備的目標輸入信號的近似；濾出亂真頻率分量，藉此用於濾波的參數是低於預設閾值的頻率分量，並且通過測量所述非線性設備的線性增益來調整目標輸入信號電平。
3.根據權利要求1所述的用於最優化的方法，其特徵在於還包括步驟通過在頻率域內直接地抑制亂真頻率譜從而僅僅使用所述非線性設備輸出信號，藉此所述非線性設備的目標輸入信號被認為在所需譜之外具有零幅度頻率分量。
4.根據權利要求3所述的用於最優化的方法，其特徵在於還包括以下步驟通過級數表示展開所述輸出信號，對將輸出信號表示成時間函數的矩陣方程式的每一列進行傅立葉變換，以將時間問題轉換到頻率域，給所述展開的一個線性部分分配一個係數以滿足增益要求，對於剩餘的係數制定最小均方方法或等效方法。
5.根據權利要求4所述的用於最優化的方法，其特徵在於還包括步驟對於所述級數表示使用動態沃爾特拉級數展開。
6.一種對非線性放大器之後的後置失真器(post-distorter)進行最優化的方法，其特徵在於該方法包括步驟在某些頻帶內最小化後置失真器的輸出信號譜，而不使用放大器輸入信號。
7.如權利要求6所述的方法，其特徵在於還包括步驟在不同頻帶中應用不同的加權因子。
全文摘要
本發明提出了一種新的用於計算並最優化預失真器的具體方法，而無需在所述放大器的輸入和輸出之間進行時間對準。也就是說，直接地使用所述模擬輸出譜以數字或模擬格式來計算最優的預失真器。所提出的解決方法直接使用所述輸出譜來最優化互調性能，而不是試圖匹配輸入譜和輸出譜。也就是說，所述輸出譜(除可能的增益常數外)可以被直接用為最優化程序的輸入。因為所述互調積通常具有比所述載波本身低得多的幅度，所以可以把它作為輸入譜而沒有重大的限制損失。本公開內容詳細地描述了僅僅使用輸出信號來實際計算適當的預失真器的數學程序。
文檔編號H03F1/32GK1643782SQ03806237
公開日2005年7月20日 申請日期2003年3月14日 優先權日2002年3月19日
發明者T·尼格倫, L·雷克斯貝裡 申請人:艾利森電話股份有限公司