CN103916088A - 一种射频信号的数字矫正装置及其矫正方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种射频信号的数字矫正装置及其矫正方法。一种射频信号的数字矫正装置，包括：射频调制模块，用于对输入的信号进行调制并输出相应的信号；矫正信息存储模块，包括：地址移位寄存器和存储器，所述存储器的地址是由一组数据寄存器构成，输入数据按串行方式送入地址移位寄存器，所述存储器的存储单元中储存的信息包括进行校正的预失真信息；矫正处理模块，用于根据所述射频调制模块和矫正信息存储模块输入的信息，进行矫正处理并输出相应的信号；以及，功率放大模块，用于将所述矫正处理模块输出的信号进行功率放大输出，并将其输出信号反馈到所述矫正信息存储模块。

Description

一种射频信号的数字矫正装置及其矫正方法

技术领域

本发明涉及一种射频信号的数字矫正装置及其矫正方法。

背景技术

现在，在无线通信发射***的传输设备中，高功率放大模块(HPA)的工作特性对整个无线通信***的性能、信号质量和成本具有决定意义。对于***设计所给定的功率和性能指标，功率放大模块的性能特性将随着输入信号线性工作范围的扩大而恶化， 且其价格也将随着其线性工作范围的扩大而显著攀升。因此，采用扩展功率放大模块线性工作范围的预失真技术取代购买更高档的HPA器件的研究意义重大。对于扩展功率放大模块线性范围的研究和应用，即采用预失真技术，在国外已经有很多成熟的芯片和算法产品，出现了很多种数字自适应预失真技术如：数字查表法、笛卡尔环法等， 虽然这些方法和技术的实际应用也在不断扩展，但实际应用的效果却不十分理想。 其原因是数字算法与无线***中所使用的不同类型的功率放大模块，在匹配和输入信号的特性存在差异，造成对非线性矫正的不同效果。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，在无线通信发射***的传输设备中能够较好的匹配适应不同类型的功率放大模块，造成对非线性矫正的效果更好。

本发明首先提供一种射频信号的数字矫正装置，包括：

射频调制模块，用于对输入的信号进行调制并输出相应的信号；

矫正信息存储模块，包括：地址移位寄存器和存储器，所述存储器的地址是由一组数据寄存器构成，输入数据按串行方式送入地址移位寄存器，所述存储器的存储单元中储存的信息包括进行校正的预失真信息；

矫正处理模块，用于根据所述射频调制模块和矫正信息存储模块输入的信息，进行矫正处理并输出相应的信号；以及，

功率放大模块，用于将所述矫正处理模块输出的信号进行功率放大输出，并将其输出信号反馈到所述矫正信息存储模块。

相应的，本发明还提供一种采用所述射频信号的数字矫正装置的矫正方法，包括如下步骤：

所述射频调制模块对输入的信号进行调制并输出相应的信号；

所述矫正信息存储模块根据分别由所述射频调制模块和功率放大模块输出的信号，输出相应的预失真信息到所述矫正处理模块；

所述矫正处理模块根据分别由所述矫正信息存储模块和射频调制模块输出的信号，进行矫正处理并输出相应的信号到所述功率放大模块进行功率放大输出。

与现有技术比较，本发明的优点在于，是采用存储记忆的预失真算法来矫正具有记忆特性的功率放大模块，而且可以将此处理直接应用在射频域内。采用数字存储记忆的预失真算法在射频领域的应用，目的是不仅达到对具有记忆功能的功率放大模块非线性特性更好的矫正，而且可将数字处理后的矫正信息直接在射频域内对射频放大器矫正。这种数字化的处理方法，在未来实现数字化射频技术和***至关重要的。

附图说明

图1是本发明射频信号的数字矫正装置一种实施例的结构框图；

图2是图1所示实施例部分模块进一步具体的结构框图；

图3是功率放大模块的非线性特性AM-AM（幅度-幅度）失真特性示意图；

图4是功率放大模块的非线性特性AM-PM（幅度-相位）失真特性示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例做进一步的说明。

如图1和图2所示，一种射频信号的数字矫正装置，包括：

射频调制模块，用于对输入的信号进行调制并输出相应的信号；

矫正信息存储模块，包括：地址移位寄存器和存储器，所述存储器的地址是由一组数据寄存器构成，输入数据按串行方式送入地址移位寄存器，所述存储器的存储单元中储存的信息包括进行校正的预失真信息；

矫正处理模块，用于根据所述射频调制模块和矫正信息存储模块输入的信息，进行矫正处理并输出相应的信号；以及，

功率放大模块，用于将所述矫正处理模块输出的信号进行功率放大输出，并将其输出信号反馈到所述矫正信息存储模块。

优选的，所述矫正信息存储模块中，所述预失真信息对应所述功率放大模块的非线性特征，并根据由所述射频调制模块所输入信号，完成地址对相对应信息的映射。

其中，所述矫正信息存储模块中的预失真信息包括第一矫正分量（PD-I in）和第二矫正分量（PD-Q in）；

所述矫正处理模块包括：

正交调制器，用于将由所述射频调制模块输入的信号进行角度转换；

第一乘法器，用于将所述第一矫正分量（PD-I in）与由所述射频调制模块输入的信号进行乘法处理并输出；

第二乘法器，用于将所述第二矫正分量（PD-Q in）与由所述正交调制器输入的信号进行乘法处理并输出；和，

信号合成器，用于将所述第一乘法器和第二乘法器输出的信号合成并输出到所述功率放大模块。

相应的，采用所述射频信号的数字矫正装置的矫正方法，包括如下步骤：

所述射频调制模块对输入的信号进行调制并输出相应的信号；

所述矫正信息存储模块根据分别由所述射频调制模块和功率放大模块输出的信号，输出相应的预失真信息到所述矫正处理模块；

所述矫正处理模块根据分别由所述矫正信息存储模块和射频调制模块输出的信号，进行矫正处理并输出相应的信号到所述功率放大模块进行功率放大输出。

在实施例中，采用数字预失真方法的目的，是要改善功率放大模块的线性度。而对功放线性度的评估是用ACPR这个指标进行评估的。因此，数字预失真目的就是改善功放的ACPR指标。分析功放的非线性特性，就是衡量其各种失真特性，主要集中在AM-AM（幅度-幅度）失真特性和AM-PM（幅度-相位）失真特性，如图3和图4 所示。其中, AM-AM幅度-幅度失真特性就是放大器的增益压缩现象, 产生了AM-AM失真。其特性可以采用非线性的多项式来表征放大器的这种特性：

                                                                     (1)

式中的输出信号Y的数值，是由输入信号的幅度(AM)决定。在射频增益一定的条件下,中,可根据输入信号的幅度(功率)，通过一个多项式可计算出此种非线性失真分量。 对于幅度-相位的AM-PM失真特性，与AM-AM失真有诸多相似之处,也是由输入信号的幅度决定。如图3所示假设输入信号为: 

 

加上AM-AM失真时,则可表示为：

                    （2）

其中ωm为调制信号角频率。

近年来发展的宽带高速无线通信***对功率放大模块的特性和***的整体性能提出了更加严格的要求。为了有效地利用宝贵的频谱资源,功率放大模块既要保证高线性度以减小带外发射功率以及信号接收的误码率,又要有较高的效率以减少电源消耗。特别是近年来发展的高效线性调制技术如QPSK、QAM及OFDM等多载波调制方式等尽管能提供良好的频谱效率，但由于发射机中的高功率放大模块（HPA）的非线性，调制后产生的波动包络信号能引起随后的HPA产生各类互调失真，互调失真多呈现出邻频干扰、带内干扰现象。为了确保HPA的线性特性，需要使用预失真技术。传统的预失真方法是在调制器的基带部分加入一个非线性的数字处理单元，也就是作为非线性矫正的器件数字预失真(DPD)，使得预失真器和功率放大模块作为一个整体。 这样，发射通路的整体增益特性为线性的了。

预失真分为模拟预失真和数字预失真，都是对功率放大模块的包络进行调节。模拟预失真出现比较早，且技术比较成熟。模拟技术成本相对较低， 只需人工调整的中频预失真电路可以工作的较好。而数字预失真技术是随着传输数字信号的应用，不断扩展的基础上逐步发展起来的，用自适应的数字预失真技术来抑制HPA的失真，可以起到比模拟方法更好的效果。在众多功放线性化高效率技术中,数字预失真技术被认为是最有效的解决方案,受到越来越多的关注。

然而， 目前在无线通信领域中使用的预失真技术及其产品，对于实际功率放大模块存在的特性，需要引入记忆算法对功率放大模块进行处理，然而由于记忆算法的复杂性增大，又造成了处理时的计算量明显增大，由此造成此类预失真方法在的实际应用中造成的运算量、器件成本极其功耗之间的矛盾。 本专利提出的方法，就是针对目前存在的问题，提出一种解决在算法运算量、器件从成本和***功率消耗之间的矛盾。

本实施例是基于传统的数字预失真原理， 在数字处理的方法上加入了记忆功能， 以解决功率放大模块的记忆特性造成的非线性失真。这种记忆预失真算法中的及特性来自于***中的信息表，该表中存储和读出的预失真分量具有记忆特性。这些信息与当前输入的信息和以前若干时刻输入的信息组合构成，因此形成了一种有记忆特点的信息映射。由此形成的预失真单元的输出信号具有了记忆的功效。下面介绍这种记忆效应的生成机理。

功率放大模块输出信号的复包络可以表示为

                              (3)

这里 vQ 是正交调制器的输出，vp 是预失真信号，H假定是正交调制器的传输函数，G是功率放大模块的增益。因此，记忆数字预失真***的输出可以表示为下面的方程式

                                             (4)

其中，F 是预失真表的映射函数，它可以把 N 维矢量Vm映射成一个实数输出 vr，vm是输入的RF射频复信号。从功放的非线性对射频***的影响分析，IM3和IM5对高功放的影响比较大，而IM3(三次互调分量)和IM5可由IM2与IM4与原基带信号调制产生， 因此只要控制预失真器产生的逆向非线性的特性，使其与高功放和原基带信号调制产生的IM3和IM5相位相反，可以很大或完全地取消整体的IM3和IM5，使高功放呈现线性化，从而大幅度抑制带外发射、减少带内失真。

      为了矫正功率放大模块的非线性，可以首先由一个存储记忆信息表，将功率放大模块的非线性特徵提取并记忆起来，然后根据输入信号，完成地址对相对应信息的映射。在存储记忆数字表中存储的非线性信息，是通过算法的运算获得并及时更新，并通过算法将像样的信息读出，用来补偿和更正功率放大模块的输入信号，从而使功率放大模块的非线性特性得到校正。

     对于记忆功能的预失真***而言，记忆表的地址是由输入数据所生成，存储记忆数字表不同于传统的预失真查表法。数字表引入的存储与记忆功能，是由数字表的串行信号输入结构决定的。构成存储记忆表地址的信息对应的每一个输出信号，不仅包括当前的输入符号，而且包含了前面若干个输入信息，因此是一个N维矢量。这就意味着，每一个对功率放大模块非线性进行矫正的校正信号，并不是仅仅由当前时刻的输入信号决定，而是由前若干时刻的输入信号的组合决定的。这样构成的存储记忆数字表，不仅引入存储和记忆机制，而且大大提高了整个预失真***的动态效应。这个 N 维输入信号矢量也就是预失真表的一组 N 比特地址码，并且可以表示为

                                          (5)

该矢量中的每一个符号 sgi  都可由下式定义

                                (6)

基於无线移动通信***的正交信号结构，分别对应于I 和 Q 两路的预失真表可映射所有的二进制输入数据矢量到信号输出的I分量和Q分量，并可以表示为：

                                  (7)

预失真记忆表的结构

     预失真记忆表是由地址移位寄存器和存储器构成，存储器的地址是由一组数据寄存器构成，输入数据按串行方式送入地址移位寄存器。地址移位寄存器形成的地址则确定了相应的记忆表元素，也就是存储器单元中储存的信息，即对功率放大模块的非线性进行校正的预失真信息。假定每一个预失真表地址是一个N -比特寄存器，那么预失真表就包含了个存储单元。显然，预失真表的每一个输出，是过去N 个所传输数据的函数的组合。也就是说，预失真表中可以存储的非线性校正信息量为个。而对应用每一个输入，则仅有选中一个预失真估值作为输出来校正功率放大模块的非线性特性。基於上面的描述，我们可以用如下的数学表达式的说明。首先，将第 k时刻预失真表的地址矢量表示为：

                                   (8)

那么表中对应于M个预失真表存储单元的所有输入地址矢量可表示为

　　　　　                      (9)

相当于预失真表中存储的矫正信息为

                     (10)

在每一实时处理的时刻，有一个预失真估值从表中读出，即

              （11)

式中，下标 iq(k)=Vm(k) 表示由 N 个如入二进制符号所确定的地址。预失真表的映射函数F便可表示为

                    (12)

    传统的数字预失真处理是在***的基带进行信号处理， 因此在基带数字***中形成的预失真矫正信号还必须要进行模拟上变频处理，并送到功率放大模块进行发射。本专利提出的方法是，将数字域实现的数字预失真处理信号，直接来矫正射频功率放大模块的输入信号。

进入功放的射频信号是由量部分构成， 一部分设高频载波信号，一部分是调制信息构成的信号包络。用基带的预失真信号来矫正功率放大模块的输入射频信号，实质上就是矫正射频信号中的调制包络。将数字预失真的处理直接搬移到射频域的优点是，为射频***的数字化和数字预失真处理在射频域的组合提供很大的方便。同时，具有记忆特性的预失真结构具有更大动态范围的失真校正和信号控制，更适合对多信道、多载波无线信号传输的应用。

传统的数字预失真处理是在***的基带进行信号处理， 因此在基带数字***中形成的预失真矫正信号还必须要进行模拟上变频处理，并送到功率放大模块进行发射。本专利提出的方法是，将数字域实现的数字预失真处理信号，直接来矫正射频功率放大模块的输入信号。

图1和图2示出了射频预失真的矫正方法的硬件框图。图中，将数字预失真的处理放在射频前端，数字预失真处理后的基带信号矫正信号，直接与射频功率放大模块输入的模拟信号相乘，以调整射频输入信号的包络。

 

射频调制模块，用于对输入的信号进行调制并输出相应的信号；

矫正信息存储模块，包括：地址移位寄存器和存储器，所述存储器的地址是由一组数据寄存器构成，输入数据按串行方式送入地址移位寄存器，所述存储器的存储单元中储存的信息包括进行校正的预失真信息；

矫正处理模块，用于根据所述射频调制模块和矫正信息存储模块输入的信息，进行矫正处理并输出相应的信号；以及，

功率放大模块，用于将所述矫正处理模块输出的信号进行功率放大输出，并将其输出信号反馈到所述矫正信息存储模块。

信号PD_i in 和PD_q in 分别表示预失真已经存储表中的信息，此信号从存储表中读出后，分别送到矫正处理模块AM/AM、AM/BM矫正单元，对输入的射频信号进行矫正；

其中，的各个信号分量均对应于图1 的信号分量。需要说明的是，输入的射频信号RFin 在进入乘法器之前，先分成I分量和Q分量，并与预失真记忆表的信号分量PD_i和PD_q相乘，构成预失真之后的复信号复，并输入到功率放大模块中。这种记忆预失真方法和结构可以用软件和硬件的方法实现，并与现有的无线通信***结合在一起，构成一个完整的无线信号的发射***。

其他需要说明的是：

1. 上述实施例提出的设计思想适合于所有的无线通讯***，该方法与***的调制方式(如QAM，QPSK，OFDM 及其它调制方式)和所使用的功率放大模块无关。

2. 上述实施例主要优点是，将存储补偿功能引入预失真***。这样，预失真将带有存储记忆功能，从而可在更宽的动态范围内调节各类放大器的非线性失真。

3. 上述实施例中关于预失真的存储记忆方法是，每一个预失真的输出校正信号不仅仅是由当前输入所决定，它是由当前和过去多个输入信号组合的产物。

4. 上述实施例中关于预失真方法和结构，可以在射频域内直接矫正功率放大模块的输入信号，以实现对功率放大模块的非线性与矫正。

以上内容是结合具体的实施例对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种射频信号的数字矫正装置，其特征在于，包括：

射频调制模块，用于对输入的信号进行调制并输出相应的信号；

矫正信息存储模块，包括：地址移位寄存器和存储器，所述存储器的地址是由一组数据寄存器构成，输入数据按串行方式送入地址移位寄存器，所述存储器的存储单元中储存的信息包括进行校正的预失真信息；

矫正处理模块，用于根据所述射频调制模块和矫正信息存储模块输入的信息，进行矫正处理并输出相应的信号；以及，

功率放大模块，用于将所述矫正处理模块输出的信号进行功率放大输出，并将其输出信号反馈到所述矫正信息存储模块。

2.如权利要求1所述的射频信号的数字矫正装置，其特征在于，所述矫正信息存储模块中，所述预失真信息对应所述功率放大模块的非线性特征，并根据由所述射频调制模块所输入信号，完成地址对相对应信息的映射。

3.如权利要求1所述的射频信号的数字矫正装置，其特征在于，

所述矫正信息存储模块中的预失真信息包括第一矫正分量（PD-I in）和第二矫正分量（PD-Q in）；

所述矫正处理模块包括：

正交调制器，用于将由所述射频调制模块输入的信号进行角度转换；

第一乘法器，用于将所述第一矫正分量（PD-I in）与由所述射频调制模块输入的信号进行乘法处理并输出；

第二乘法器，用于将所述第二矫正分量（PD-Q in）与由所述正交调制器输入的信号进行乘法处理并输出；和，

信号合成器，用于将所述第一乘法器和第二乘法器输出的信号合成并输出到所述功率放大模块。

4.一种采用如权利要求1所述射频信号的数字矫正装置的矫正方法，其特征在于，包括如下步骤：

所述射频调制模块对输入的信号进行调制并输出相应的信号；

所述矫正信息存储模块根据分别由所述射频调制模块和功率放大模块输出的信号，输出相应的预失真信息到所述矫正处理模块；

所述矫正处理模块根据分别由所述矫正信息存储模块和射频调制模块输出的信号，进行矫正处理并输出相应的信号到所述功率放大模块进行功率放大输出。

5.如权利要求4所述的矫正方法，其特征在于，所述矫正信息存储模块中，所述预失真信息对应所述功率放大模块的非线性特征，并根据由所述射频调制模块所输入信号，完成地址对相对应信息的映射。

6.如权利要求4所述的矫正方法，其特征在于，

所述矫正信息存储模块中的预失真信息包括第一矫正分量（PD-I in）和第二矫正分量（PD-Q in）；

所述矫正处理模块包括：

正交调制器，用于将由所述射频调制模块输入的信号进行角度转换；

第一乘法器，用于将所述第一矫正分量（PD-I in）与由所述射频调制模块输入的信号进行乘法处理并输出；

第二乘法器，用于将所述第二矫正分量（PD-Q in）与由所述正交调制器输入的信号进行乘法处理并输出；和，

信号合成器，用于将所述第一乘法器和第二乘法器输出的信号合成并输出到所述功率放大模块。