CN103066927B - 用于数字预矫正放大器的失真的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于数字预矫正放大器的失真的方法及装置，以及一种具有数字预矫正功能的放大模块。该装置包括误差产生单元以及均衡器；其中，该误差产生单元用于获取需放大的信号，获取该放大器的输出信号，并且根据该需放大的信号与该放大器的该输出信号来产生误差信号；该均衡器，用于接收该需放大的信号和该误差信号，并且根据该误差信号、基于预定的自适应标准，对该需放大的信号进行均衡，以及输出经均衡的信号以提供给该放大器。该放大模块包括该装置和放大器。本发明的实现机制相对简易，并且精确，具有自适应性，提高了实时性，以及改善了放大器的工作效率。

Description

用于数字预矫正放大器的失真的方法及装置

技术领域

本发明涉及一种数字预矫正技术，尤其涉及一种用于数字预矫正放大器的失真的方法及装置，以及一种具有数字预矫正功能的放大模块。

背景技术

为了减小放大器的失真，例如，由记忆效应和互调失真(intermodulationdistortion)所引起的失真，通常通过预先建立放大器的反模型，以减小放大器输出的失真，并且改善放大器输出的线性化程度。通常根据放大器的非线性程度、带宽以及记忆效应等，运用Volterra级数：

$F\left[x\left(n\right)\right]=\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}\underset{q=0}{\overset{Q-1}{\mathrm{\Σ}}}{a}_{\mathrm{kq}}x(n-q){\left|x(n-q)\right|}^{k-1}$

式中，K是非线性的阶数，Q是放大器的记忆深度，来建立非线性化模型，对放大器的失真进行数字预矫正(DigitalPredistortion)。可以根据放大器的输入与输出建立线性方程组，来求解Volterra级数的各项的系数，以调整该反模型，但是由于实施的复杂性，该方法需要在不同的部件，诸如FPGA、DSP或CPU等中分离地实施。

另外，该方法还存在一些缺点。对于一些非线性程度高的或宽带放大器而言，使用Volterra级数建立反模型，是非常复杂的，因为此时需要很高的Volterra级数的阶数，而Volterra级数又是多维卷积的，所以其复杂度非常高并容易受到有限字长效应的影响，在FPGA中执行时容易导致溢出。另一方面，对于每个不同的放大器，需要独立地建立各自的反模型，并重新确定Volterra级数的相应的参数，这就难以实现实时的更新，所以该方法难以实现自适应。此外，由于Volterra级数是无限的，而在建立放大器的反模型时，仅选取了Volterra级数有限的项数，所以利用Volterra级数创建的反模型，其本身就是近似的并是不精确的，容易产生误差。尤其对于非线性程度高的放大器，以及宽带放大器而言更是如此。这就降低了放大器的效率。然而，宽带放大器是如今的趋势，所以如何解决以上问题来有效地提高放大器的效率是特别关键的。

发明内容

可见，背景技术中所提到的方法存在的缺点在于复杂性较高、实时性差、非自适应、需要分离地实施、以及对于非线性严重的或宽带放大器而言，其精确度较低，这严重影响了放大器的效率。

为了解决上述技术问题，根据本发明的一个方面，本发明提供了一种用于数字预矫正放大器的失真的装置，所述装置包括：误差产生单元以及均衡器；其中所述误差产生单元，用于获取需放大的信号，获取所述放大器的输出信号，并且根据所述需放大的信号与所述放大器的所述输出信号来产生误差信号；以及所述均衡器，用于接收所述需放大的信号和所述误差信号，并且根据所述误差信号、基于预定的自适应标准，对所述需放大的信号进行均衡，以及输出经均衡的信号以提供给所述放大器。通过该装置，能够通过对放大器的失真进行数字预矫正，显著提高均衡器和放大器的综合响应幅度/幅度特性、幅度/相位特性等的线性化程度。

根据本发明的一个实施例，所述误差产生单元包括：归一化单元，用于将所述放大器的所述输出信号归一化；同步单元，用于将所述放大器的所述输出信号与所述放大器的所述输入信号同步；缓冲器，用于将所述需放大的信号缓冲预定的时间段；以及减法器，用于获得所述经缓冲的信号与经归一化且同步的信号之间的差以产生所述误差信号。优选地，所述预定的时间段等于所述需放大的信号所述均衡器、经所述放大器、所述归一化单元、所述同步单元而到达所述减法器所需的时间。

在本发明中，将所述放大器的所述输出信号归一化指的是消除放大器对放大器的输入信号产生的增益。例如，当放大器的增益倍数为G时，归一化单元将放大器的输出信号乘以增益的倒数，即1/G。

根据本发明的一个实施例，所述同步单元包括：粗同步单元、精同步单元以及相位同步单元。粗同步单元的同步精度达到整数采样时间；取决于过采样率，精同步单元的同步精度达到分数采样时间；相位同步单元使得放大器的输入信号和放大器的输出信号在相位上同步。

根据本发明的一个实施例，所述均衡器、所述误差产生单元是集成在一起的，从而简化了装置的整体结构，减小了装置的复杂性，降低了成本。

根据本发明的一个实施例，所述自适应标准是以下各项之一：最小均方误差算法；最小均方算法；以及递归最小二次方算法。

此外，根据本发明的另一个方面，本发明还提供了一种用于数字预矫正放大器的失真的方法，所述方法包括接收需放大的信号；获取所述放大器的输出信号；根据所述需放大的信号与所述放大器的所述输出信号来产生所述误差信号；根据所述误差信号、基于预定的自适应标准，对所述需放大的信号进行均衡；以及输出经均衡的信号以提供给所述放大器。

根据本发明的一个实施例，所述产生误差信号步骤还包括：将所述放大器的所述输出信号归一化；将所述放大器的所述输出信号与所述放大器的所述输入信号同步；将所述需放大的信号缓冲预定的时间段；以及获得所述经缓冲的信号与经归一化且同步的信号之间的差以产生所述误差信号。优选地，所述预定的时间段等于所述需放大的信号经所述均衡步骤、经所述放大器、所述归一化步骤及所述同步步骤所需的时间之和。

根据本发明的一个实施例，所述同步步骤还包括：粗同步、精同步以及相位同步。粗同步的同步精度达到整数采样时间；取决于过采样率，精同步的同步精度达到分数采样时间；相位同步使得放大器的输入信号和放大器的输出信号在相位上同步。

根据本发明的一个实施例，所述自适应标准是以下各项之一：最小均方误差算法；最小均方算法；以及递归最小二次方算法。

此外，根据本发明的又一个方面，本发明还提供了一种具有数字预矫正功能的放大模块，其包括该用于数字预矫正放大器的失真的装置，以及所述放大器。

采用本发明的提供的优选的技术方案，通过根据放大器的输入信号和输出信号，来产生误差信号。虽然该误差信号是通过时域上的相减产生的，但是由于傅里叶变换是线性的，所以该误差信号实质上反映了频域上的误差。另一方面，记忆效应和互调失真是放大器的固有属性，随时间变化非常缓慢，并且是频域上的元素。由此，该误差信号实质上包含了并反映了由放大器的记忆效应、互调失真等所引起的各种误差。因此，该误差信号包含了在所感兴趣的频带上的所有失真的元素，由此排除了现有技术中由于有限项数所引起的误差。本质上，本发明是基于频谱相减的技术。此外，均衡器由一些抽头滤波器构成，其根据该误差信号，经由不同的自适应算法，能够自适应地调节抽头滤波器的各项系数，以使得均衡器和放大器的频率响应基本恒定，由此提高了实时性，并增加了放大器自适应的能力，改善了放大器的工作效率。此外，本发明的应用领域相当广泛，可以运用在各种非线性的元件上，以提高它们的工作效率。另一方面，本发明的实现机制相对简易，并不额外地消耗过多的资源。同时，根据本发明的装置相对精确，具有自适应性，并能够被简单控制。

本发明的各个方面将通过下文中的具体实施例的说明而更加清晰。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更加明显：

图1示出了根据本发明的一个实施例的用于数字预矫正放大器的失真的装置100；

图2和图3示出了减法器1340的两个输入端上的信号的示例性频谱；以及

图4示出了误差信号的示例性频谱。

在图中，贯穿不同的示图，相同或类似的附图标记表示相同或相对应的部件或特征。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的一个实施例的用于数字预矫正放大器的失真的装置100。该装置100包括均衡器110和误差产生单元130，其中该误差产生单元130包括缓冲器1310、归一化单元1320、同步单元1330以及减法器1340，并且该同步单元1330包括粗同步单元1331、精同步单元1332以及相位同步单元1333。在放大器120的输入端设置有数模转换器(未示出)，在放大器120的输出端设置有模数转换器(未示出)。

如图1所示，误差产生单元130中的缓冲器1310用于获取需放大的信号，即该缓冲器1310获取均衡器110的输入。

均衡器110接收需放大的信号，对其进行均衡(即预矫正)，并将其输出——即经均衡的信号——作为放大器120的输入信号提供给放大器120。例如，均衡器110的输出信号能够经由数模转换器被输送至放大器120的输入端。放大器120的输出信号经由模数转换器进入误差产生单元130中的归一化单元1320。在该单元中，将放大器120的输出信号归一化。然后经归一化的输出信号进入同步单元1330。在同步单元1330中，将放大器120的输出信号与其输入信号同步。具体地，该信号接连进入粗同步单元1331、精同步单元1332以及相位同步单元1333。粗同步单元1331的同步精度达到整数采样时间；取决于过采样率，精同步单元1332的同步精度达到分数采样时间；相位同步单元1333使得放大器120的输入信号和放大器120的输出信号在相位上同步。

误差产生单元130中的缓冲器1310将所接收的需放大的信号缓冲预定的时间段，该预定的时间段等于需放大的信号经均衡器110、放大器120、归一化单元1320、同步单元1330而到达减法器1340所需的时间。缓冲器1310的输出以及相位同步单元1333的输出被分别连接到减法器1340的两个输入端。可见，缓冲器1310以及同步单元1330使得放大器120的输出信号与放大器120的输入信号同步，确保了减法器1340的两个输入端上的信号对应于相同的需放大的信号。

减法器1340将获得的经缓冲的需放大的信号与经归一化且同步的放大器120的输出信号相减，以获得它们之间的差作为误差信号。减法器1340的输出与均衡器110连接。也就是说，减法器1340的输出，即误差信号，作为控制信号被输送至均衡器110。均衡器110接收需放大的信号和作为控制信号的误差信号，并且根据误差信号、基于预定的自适应标准，对需放大的信号进行均衡，以及将经均衡的信号提供给放大器120的输入端。优选地，该自适应标准包括最小均方误差算法、最小均方算法以及递归最小二次方算法。

根据本发明的一个实施例，均衡器110能够是由一系列的抽头滤波器构成的。具体地，均衡器110能够基于该误差信号运用自适应标准，例如最小均方误差算法、最小均方算法以及递归最小二次方算法等对抽头滤波器的各项系数进行调节，以使得均衡器110和放大器120的频率响应基本恒定，改善均衡器110和放大器120的综合响应幅度/幅度特性、幅度/相位特性的线性化程度，从而减小误差信号，实现对放大器120的失真的数字预矫正。

该装置100施行的是反复迭代的过程，实现了实时的数字预矫正的更新以及自适应性。同时，根据不同的要求，也可以调节均衡器的项数。经过一段时间的迭代，该装置100能够自动地实现对任意放大器和/或非线性部件的失真的数字预矫正。此外，该装置100计算相对简单，能够集成在一起，例如集成在现场可编程门阵列FPGA(Field-ProgrammableGateArray)中，从而简化了装置的复杂性，降低了成本。

图2和图3示出了减法器1340两个输入端上的信号的示例性频谱，其纵坐标的单位为dB，横坐标的单位为Hz。

图4示出了误差信号的示例性频谱，即图2和图3中减法器1340两个输入端上的信号的频谱差，其纵坐标的单位为dB，横坐标的单位为Hz。

由图可见，图2示出了经缓冲的需放大的信号的频谱，而图3示出了经过放大器处理后的，具有各种失真的信号的频谱。

虽然减法器1340施行的是时域上的信号的相减，但由于傅里叶变换是线性的，所以由减法器1340所得出的误差信号可以完全表示频域上的减法器1340的两个输入信号的误差。另一方面，记忆效应和互调失真是放大器的固有属性，随时间变化非常缓慢，并且是频域上的元素，所以只需选择适合的频带，以此来包含在所感兴趣的频带上所有可能由记忆效应和互调失真等所引起的放大器的各种失真。因此，由减法器1340所得出的误差信号可以表示由记忆效应和互调失真等所引起的放大器的各种失真。因而，本发明实质上是基于频谱相减来实现对放大器的失真的数字预矫正。通过该方法，可以避免了采用Volterra级数的方案中由于Volterra级数有限的项数而引起的不精确性，并且实现起来相对简易。

需要说明的是，上述实施例仅是示范性的，而非对本发明的限制。任何不背离本发明精神的技术方案均应落入本发明的保护范围之内，这包括使用在不同实施例中出现的不同技术特征，装置方法可以进行组合，以取得有益效果。此外，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求；“包括”一词不排除其他权利要求或说明书中未列出的装置或步骤；装置前的“一个”不排除多个这样的装置的存在；在包含多个装置的设备中，该多个装置中的一个或多个的功能可由同一个硬件或软件模块来实现。

Claims (12)

1.一种用于预矫正放大器的输入的数字预矫正装置，所述数字预矫正装置包括：

误差产生单元，用于：

-获取需放大的信号，获取所述放大器的输出信号；并且

-根据所述需放大的信号与所述放大器的所述输出信号来产生误差信号，其中所述误差信号表示频域上的所述需放大的信号与所述放大器的所述输出信号之间的误差；以及均衡器，其通信地耦合至所述误差产生单元，用于：

-基于所述误差信号和预定的自适应标准，对所述需放大的信号进行均衡；以及

-输出经均衡的信号至所述放大器。

2.根据权利要求1所述的数字预矫正装置，其特征在于，所述误差产生单元包括：

归一化单元，用于将所述放大器的所述输出信号归一化；

同步单元，用于将所述放大器的所述输出信号与所述放大器的输入信号同步；

缓冲器，用于将所述需放大的信号缓冲预定的时间段；以及

减法器，用于获得经缓冲的信号与经归一化且同步的信号之间的差以产生所述误差信号。

3.根据权利要求2所述的数字预矫正装置，其特征在于，所述预定的时间段等于所述需放大的信号经所述均衡器、所述放大器、所述归一化单元、所述同步单元而到达所述减法器所需的时间。

4.根据权利要求2所述的数字预矫正装置，其特征在于，所述同步单元包括：粗同步单元、精同步单元以及相位同步单元。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的数字预矫正装置，其特征在于，所述均衡器、所述误差产生单元是集成在一起的。

6.根据权利要求1所述的数字预矫正装置，其特征在于，所述自适应标准是以下各项之一：最小均方误差算法；最小均方算法；以及递归最小二次方算法。

7.一种用于预矫正放大器的输入的数字预矫正方法，所述方法包括以下步骤：

A.接收需放大的信号；

B.获取所述放大器的输出信号；

C.根据所述需放大的信号与所述放大器的所述输出信号来产生误差信号，其中所述误差信号表示频域上的所述需放大的信号与所述放大器的所述输出信号之间的误差；

D.根据所述误差信号、基于预定的自适应标准，对所述需放大的信号进行均衡；以及

E.输出经均衡的信号以提供给所述放大器。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述步骤C进一步包括：

C1.将所述放大器的所述输出信号归一化；

C2.将所述放大器的所述输出信号与所述放大器的输入信号同步；

C3.将所述需放大的信号缓冲预定的时间段；以及

C4.获得经缓冲的信号与经归一化且同步的信号之间的差以产生所述误差信号。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述预定的时间段等于所述需放大的信号经过所述步骤D处理、经过所述放大器、经过所述步骤C1处理及经过所述步骤C2处理所需的时间之和。

10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述步骤C2还包括：粗同步、精同步以及相位同步。

11.根据权利要求7至10中任一项所述的方法，其特征在于，所述自适应标准是以下各项之一：最小均方误差算法；最小均方算法；以及递归最小二次方算法。

12.一种具有数字预矫正功能的放大模块，所述模块包括：

根据权利要求1-6中任一项所述的数字预矫正装置；以及所述放大器。