CN103401511A - 一种用于实时性***的功放预失真方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于实时性***的功放预失真方法。该方法能够对有记忆非线性功放进行很好的线性化，在已有的Hammerstein算法基础上，针对该算法计算量大和计算耗时较长的问题，结合了查找表的思想对算法进行简化。经过简化之后的算法能在基本维持原有算法性能的基础上，大大减少了计算所需的时间，使该算法能被应用于对实时性要求较高的***中。

Description

一种用于实时性***的功放预失真方法

技术领域

本发明涉及功率放大器的功放预失真技术，特别涉及了有记忆非线性功放的基带数字预失真技术。

背景技术

功率放大器作为通信***中必不可少的器件之一，它的作用是将调制信号放大至一定功率，然后在前端通过天线有效地发射出去。功放总是表现出非线性特性，且功放总是在非线性区或近饱和区时，才能达到最大的功率效率。以前的通信技术大都采用恒包络的调制技术，对功放的线性度要求不是很高。因此，功放可以工作于非线性区或近饱和区，以达到较高的功率效率。但随着通信技术的不断演变与发展，由于无线用户数量不断增加，频谱资源的严重短缺，越来越多的非恒包络调制技术如正交幅度调制（QAM），正交频分复用（OFDM）等被采用。虽然它们的应用可以达到更高的频谱效率，但是其所产生的高峰均比（PAPR）信号却对传输信道、特别是功放的非线性非常敏感。这些非恒包络调制信号经过非线性的功放时，会同时产生带内失真和带外失真。而且，在输入信号的带宽较宽时，经过功放也会产生记忆效应。因此，在没有其他技术应用的前提下，功放的高功率效率和高线性度下的较好的***性能便成为不可调和的矛盾，需要在它们之间作以折中考虑。

由于功放在无线通信***中成本较高，大量牺牲功放的效率来增加线性度和***性能的方法显然不可取。因此，可以采用一系列的线性化技术来对功放的非线性进行补偿使其线性化。预失真法便是其中的一种，它是指在非线性功放之前加上一个与之非线性特性相反的预失真电路，来补偿功放的非线性失真。即先将输入信号通过一个非线性器件（预失真器），然后再进入功放进行放大并输出，从而使整个***表现出线性特征。而在预失真法中，预失真算法便是其中的核心，通过预失真算法的计算，就可以得到输入信号在进入功放之前所需要对功放非线性作以补偿的预失真信号，该算法的精度与效率直接关系到预失真性能的好坏。本发明基于Cottais.E.的论文《Experimental results of power amplifiers linearizationusing adaptive baseband digital predistortion》中给出的Hammerstein预失真算法，针对该算法中的求根过程计算时间长的问题，用查找表的方法对求根过程进行简化，使该算法的计算时间大大缩短，使该算法可以应用在实时***中。

发明内容

本发明的主要目的是针对已有的Hammerstein算法计算量大和计算耗时较长的问题，结合了查找表的思想对算法进行简化，提供一种用于实时性***的功放预失真方法。

已有的Hammerstein算法如下所示：

根据图1，无记忆非线性模块的输出s(nT)和***输出y(nT)可分别表示为：

$s\left(\mathrm{nT}\right)={\mathrm{\Σ}}_{j=0}^N{b}_{2j+1}e\left(\mathrm{nT}\right){\left|e\left(\mathrm{nT}\right)\right|}^{2j}---\left(1\right)$

$y\left(\mathrm{nT}\right)={\mathrm{\Σ}}_{i=0}^{P-1}{h}_{i}s\left[(n-i)T\right]---\left(2\right)$

将式（2）代入式（1）可得：

$y\left(\mathrm{nT}\right)={\mathrm{\Σ}}_{i=0}^{P-1}{\mathrm{\Σ}}_{j=0}^N{a}_i{b}_{2j+1}e\left[(n-i)T\right]{\left|e\right[(n-i)T\left]\right|}^{2j}=G_{0}x\left(\mathrm{nT}\right)---\left(3\right)$

其中G0表示理想增益。

进一步，我们可将输出y(nT)分为静态s(nT)和动态d(nT)两部分，它们分别表示如下：

y(nT)＝s(nT)+d(nT)                        （4）

$s\left(\mathrm{nT}\right)=y\left(\mathrm{nT}\right){|}_{i=0}={\mathrm{\Σ}}_{j=0}^N{a}_0{b}_{2j+1}e\left(\mathrm{nT}\right){\left|e\left(\mathrm{nT}\right)\right|}^{2j}---\left(5\right)$

$d\left(\mathrm{nT}\right)={\mathrm{\Σ}}_{i=1}^{P-1}{\mathrm{\Σ}}_{j=0}^N{a}_i{b}_{2j+1}e\left[(n-i)T\right]{\left|e\right[(n-i)T\left]\right|}^{2j}---\left(6\right)$

静态部分s(nT)仅仅取决于当前时刻nT的输入，动态部分d(nT)取决于除当前以外之前的输入。

根据式（3），式（4），式（5），我们可以得到：

$s\left(\mathrm{nT}\right)={\mathrm{\Σ}}_{j=0}^N{a}_0{b}_{2j+1}e\left(\mathrm{nT}\right){\left|e\left(\mathrm{nT}\right)\right|}^{2j}=G_{0}x\left(\mathrm{nT}\right)-d\left(\mathrm{nT}\right)---\left(7\right)$

将预失真信号e(nT)替换为e(nT)＝|e(nT)|e^jArg(e(nT))，则式（7）可写成：

$e^{\mathrm{jArg}\left(e\left(\mathrm{nT}\right)\right)}{\mathrm{\Σ}}_{j=0}^N{a}_0{b}_{2j+1}{\left|e\left(\mathrm{nT}\right)\right|}^{2j+1}=G_{0}x\left(\mathrm{nT}\right)-d\left(\mathrm{nT}\right)---\left(8\right)$

在nT时刻，***输入x(nT)和由之前输入决定的d(nT)都已知，所以相应的等式左边每一个e(nT)可以计算出来。整个过程可分如下步骤：

第一步：计算出e(nT)的幅度。可对式（9）求最小正实根，计算结果即为|e(nT)|。

$F_a\left(n\right)=\left|{\mathrm{\Σ}}_{j=0}^N{a}_0{b}_{2j+1}{\left|e\left(\mathrm{nT}\right)\right|}^{2j+1}\right|=|G_{0}x\left(\mathrm{nT}\right)-d\left(\mathrm{nT}\right)|---\left(9\right)$

第二步：根据式（10）计算出e(nT)的相位。

$\mathrm{Arg}\left(e\left(\mathrm{nT}\right)\right)=\mathrm{Arg}\left\{\frac{G_{0}x\left(\mathrm{nT}\right)-d\left(\mathrm{nT}\right)}{{\mathrm{\Σ}}_{j=0}^N{a}_0{b}_{2j+1}{\left|e\left(\mathrm{nT}\right)\right|}^{2j+1}}\right\}---\left(10\right)$

本发明的目的通过如下技术方案实现：

一种用于实时性***的功放预失真方法，其实现包括如下步骤：

步骤（1）：在输入信号进入Hammerstein预失真***时，根据输入信号先建立一个查找表，这个查找表的输入和输出端分别存储着已知算法中方程 $F_a\left(n\right)=\left|{\mathrm{\Σ}}_{j=0}^N{a}_0{b}_{2j+1}{\left|e\left(\mathrm{nT}\right)\right|}^{2j+1}\right|=|G_{0}x\left(\mathrm{nT}\right)-d\left(\mathrm{nT}\right)|$ 的方程右端的值和根|e(nT)|。

步骤（2）：输入信号进入预失真***时不用对该方程求根，只需查询这个表便可以找出所求的方程根，即预失真信号的幅度|e(nT)|。

步骤（3）：根据在查找表中查询到的预失真信号|e(nT)|，根据公式 $\mathrm{Arg}\left(e\left(\mathrm{nT}\right)\right)=\mathrm{Arg}\left\{\frac{G_{0}x\left(\mathrm{nT}\right)-d\left(\mathrm{nT}\right)}{{\mathrm{\Σ}}_{j=0}^N{a}_0{b}_{2j+1}{\left|e\left(\mathrm{nT}\right)\right|}^{2j+1}}\right\}$ 计算出预失真信号的相位。

步骤（4）：根据公式e(nT)＝|e(nT)|e^jArg(e(nT))便可以求出预失真信号，对输入信号进行调整后的预失真信号进入功放可以使有记忆非线性功放表现为线性的。

上述方法中，步骤（1）所述的在输入信号进入Hammerstein预失真***时，通过一个根据输入信号建立的查找表来替代原有算法中的求根过程，使已有算法中最为耗时的求根过程得以简化，预失真信号的计算时间也会大大缩减，改进后的Hammerstein预失真算法可以应用于对实时性要求较高的***中。

与现有技术相比，本发明有如下优点和有益效果：

更快的计算时间：通过一个根据输入信号建立的查找表来替代原有算法中的求根过程，使已有算法中最为耗时的求根过程得以简化，该方法在基本维持了原有算法性能的基础上，大大缩减了预失真信号的计算时间。

附图说明

图1是数字预失真的原理图。

图2是Hammerstein预失真原理图。

图3是查找表原理图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明，但本发明要求保护的范围并不局限于实施方式表述的范围。

所用输入信号为经过16QAM调制的WCDMA信号。如图1，虚线表示了所期望得到的功放的线性响应，实线表示了实际的功放非线性。我们假设点A表示平均输入功率为P1时的输入信号，那么P3便是输出信号的平均功率。而实际上平均输入功率为P1时我们所期望的平均输出功率为P4，因此从输出功率的角度来看，我们所需要的预失真后的信号应该为点B，其相对应的平均输入功率为P2。不过在点B超出功放非线性特性曲线的饱和区后，数字预失真便无法完全修正非线性了。且随着点A由左向右的移动，由于功放的非线性，点B与点A的输入功率比P2/P1也会逐渐增加。

如图2的Hammerstein预失真原理图。记忆功放用Wiener模型来建模，即用一个线性记忆模块（FIR）后面级联上一个无记忆非线性模块来表示有记忆非线性功放。然后我们就可以用与Wiener模型级联顺序相反的Hammerstein模型来对功放进行预失真。预失真模块和功放可以表现出互逆的特性，使整个***表现为线性的。

具体实施包括如下步骤：

步骤（1）：根据输入的WCDMA信号，先构建一个代替已有算法求根过程的查找表。该查找表的输入列为F_a(n)＝|G₀x(nT)-d(nT)|的值，输出列为|e(nT)|。根据图1原理图，可以计算出|e(nT)|的变化范围为[0,min(1.9max(|x(nT)|),V_{in_sat})]，其中V_{in_sat}为达到饱和时的输入电压。将|e(nT)|在它的变化范围内均匀分配1000个单元后存储在查找表的输出列LUT_out中，再根据公式 $F_a\left(n\right)=\left|{\mathrm{\Σ}}_{j=0}^N{a}_0{b}_{2j+1}{\left|e\left(\mathrm{nT}\right)\right|}^{2j+1}\right|=|G_{0}x\left(\mathrm{nT}\right)-d\left(\mathrm{nT}\right)|$ 计算出相应的F_a值存储在查找表的输入列LUT_in中，所建查找表如图3。

步骤（2）：输入信号进入预失真***时不用对该方程求根，只需查询这个表便可以找出所求的方程根，即预失真信号的幅度|e(nT)|。

步骤（3）：根据在查找表中查询到的预失真信号|e(nT)|，根据公式 $\mathrm{Arg}\left(e\left(\mathrm{nT}\right)\right)=\mathrm{Arg}\left\{\frac{G_{0}x\left(\mathrm{nT}\right)-d\left(\mathrm{nT}\right)}{{\mathrm{\Σ}}_{j=0}^N{a}_0{b}_{2j+1}{\left|e\left(\mathrm{nT}\right)\right|}^{2j+1}}\right\}$ 计算出预失真信号的相位。

步骤（4）：根据公式e(nT)＝|e(nT)|e^jArg(e(nT))便可以求出预失真信号，对输入信号进行调整后的预失真信号进入功放可以使有记忆非线性功放表现为线性的。

采用改进方法相比原来的Hammerstein算法，邻道功率比上升0.3dB，对***性能影响不大，但是耗时量却从原先的1.9秒左右缩短到0.5秒左右，大大增强了***的实时性能，使该算法可以应用在实时***之中。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并非用以限定本发明的范围，任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所做出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。

Claims (2)

1.一种用于实时性***的功放预失真方法，在Hammerstein预失真***中，应用已有的预失真算法对预失真信号进行计算时，对该算法中的求根过程用查找表来代替。

2.一种用于实时性***的功放预失真方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤（1）：在输入信号进入Hammerstein预失真***时，根据输入信号先建立一个查找表，这个查找表的输入和输出端分别存储着已知算法中方程 $F_a\left(n\right)=\left|{\mathrm{\Σ}}_{j=0}^N{a}_0{b}_{2j+1}{\left|e\left(\mathrm{nT}\right)\right|}^{2j+1}\right|=|G_{0}x\left(\mathrm{nT}\right)-d\left(\mathrm{nT}\right)|$ 的方程右端的值和根|e(nT)|。

步骤（2）：输入信号进入预失真***时不用对该方程求根，只需查询这个表便可以找出所求的方程根，即预失真信号的幅度|e(nT)|。

步骤（3）：根据在查找表中查询到的预失真信号|e(nT)|，根据公式 $\mathrm{Arg}\left(e\left(\mathrm{nT}\right)\right)=\mathrm{Arg}\left\{\frac{G_{0}x\left(\mathrm{nT}\right)-d\left(\mathrm{nT}\right)}{{\mathrm{\Σ}}_{j=0}^N{a}_0{b}_{2j+1}{\left|e\left(\mathrm{nT}\right)\right|}^{2j+1}}\right\}$ 计算出预失真信号的相位。

步骤（4）：根据公式e(nT)＝|e(nT)|e^jArg(e(nT))求出预失真信号，对输入信号进行调整后的预失真信号进入功放使有记忆非线性功放表现为线性的。

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