CN103997301B - 功率放大器时间延迟不变的预失真方法和装置 - Google Patents

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Abstract

功率放大器时间延迟不变的预失真方法和装置是基于通过使用组合式时间延迟寻址方法的存储‑补偿或者记忆‑补偿原理，因此该装置的架构具有固有自校准时间延迟补偿功能。该架构仅使用查找表(33)来进行对功率放大器(12)的非线性响应的校正和对相同装置中呈现的任何时间延迟效应的补偿。由于时间延迟不变的特性，预失真设计具有用于无线RF信号的更宽动态范围处理优点、因此可以实施于多载波和多信道无线***中。

Description

功率放大器时间延迟不变的预失真方法和装置
相关申请
本申请是国际申请日为2008年1月28日题为“功率放大器时间延迟不变的预失真方法和装置”的专利申请第200880003130.3号的分案申请。
本申请的母案是标题为System and Method for Digital MemorizedPredistortion for Wireless Communication、提交于2005年10月27日的美国专利申请序列号11/262,079的部分继续申请，该美国专利申请又是标题为System and Method forDigital Memorized Predistortion for Wireless Communication的美国专利申请序列号10/137,556、现为美国专利第6,985,704号的继续申请，通过引用将这两个申请结合于此。本申请要求前述申请的优先权并且也要求如下申请的优先权：提交于2007年4月30日的美国专利申请序列号11/799,239及其有关的标题为High Efficiency LinearizationPower Amplifier For Wireless Communication、提交于2006年4月28日的美国临时专利申请序列号60/795,820；标题为Power Amplifier Predistortion Methods andApparatus、提交于2006年12月22日的美国临时专利申请第60/876,640号和提交于2007年12月20日的有关非临时美国专利申请11/962,025；标题为Power Amplifier Time-DelayInvariant Predistortion Methods and Apparatus、提交于2007年1月26日的美国临时专利申请序列号60/897,746；标题为Power Amplifier Time-Delay InvariantPredistortion Methods and Apparatus、提交于2007年1月29日的美国临时专利申请序列号60/898,312号，通过引用将所有这些申请结合于此。
技术领域
本发明涉及用于使用预失真将比如无线传输***中所用功率放大器(PA)这样的PA的输出线性化的***和方法。具体而言，本发明使用自适应时间延迟调节方法来校正PA的非线性。具体而言，本发明涉及使用时间延迟不变的预失真架构将无线传输***中的功率放大器(PA)的输出线性化的***和方法。
背景技术
在用于功率放大器线性化的典型的现有技术的预失真***中，该***通常包含多个信号传输路径，比如参考路径和反馈路径。在预失真线性化***中，当信号穿过不同信号传输路径如参考路径和反馈路径时，出现由不同信号路径造成的定时差异是不可避免的。通常称为时间延迟的这一差异带来与预失真校正的准确性有关的明显问题。这些问题由于时间延迟可能随着包括温度、***条件(包括信号功率电平、***老化)等变化这一事实而变得更糟。因此难以在实验室中测量这样的固有时间延迟参数，另外不能将用于校正时间延迟的参数设计为常数。在现有技术中已经付出诸多努力以补偿、减少或者消除这一时间延迟。传统上，两种方法已经使用在现有技术的预失真电路中用来解决由时间延迟造成的问题。
第一种方法是通过测量和计算穿过不同传输路径的相同信号的差异来制作特殊时间延迟线缆以便补偿时间延迟效应，比如模拟前馈预失真***中的处理。这一方式受困于如下限制：时间延迟线缆施加固定的时间延迟，因此在实际***的操作期间自然出现信号和环境的改变时，该固定的时间延迟却不能进行调节。
第二种方法是使用特殊数字信号处理(DSP)算法和电路来计算并且自适应地调节穿过不同传输路径的相同信号的时间差异、然后使用所得到的时间延迟信息来校正功率放大器的非线性。这一方式通常实施于数字反馈方式和无线环境中。然而，需要通常为锁存器的额外电路和相关联算法，并且时间延迟计算的准确性也与算法的收敛速率有关。
发明内容
下一代无线通信***将需要用于各种宽带和多媒体服务的改进的发送信号质量和改进的整体RF发送器***性能。对高级RF发送器***的这些需求将至少部分地由具有比当前可获得的更高的功率效率和频谱效率的功率放大器来满足。为了获得更好的预失真结果，本发明将时间延迟参数作为由特殊算法和电路估计和计算的变量来评估。
具体而言，本发明在一种实施中使用一种组合的预失真和时间延迟查找表结构来为PA的非线性失真和***的时间延迟提供校正因子。这允许本发明的***和方法成为一种用于无线RF发送器***中的性能改进和非线性校正的自校准解决方案。
这一设计可以由优良简易电路结构便利地实施并且可以用于几乎所有无线射频(RF)传输***以改进功率效率和频谱效率。一些适用的RF传输***的例子包括无线基站、接入点、移动手机(包括但不限于蜂窝和GPRS协议)、移动无线终端、便携无线设备和其它无线通信***如微波和卫星通信。
这里呈现的新型时间延迟不变的方法使用如下组合：(i)自适应时间延迟调节方法用于处理PA的非线性；并且同时(ii)时间延迟补偿而无需针对特殊时间延迟调节而定制的附加电路和/或算法。这一新颖的基于算法的方法可以由预失真处理单元实施，该单元包括可以存储和记忆PA的非线性、时间延迟信息和***中的其它干扰如噪声的时间延迟寻址查找表。
根据结合附图进行的下文具体描述实施可以更好地理解本发明的这些和其它方面。
附图说明
图1图示了根据本发明的***和装置；
图2以简化形式图示了用于查找表串行寻址以及将积累的历史录入到查找表中的一种实施；
图3以简化形式图示了不同于图2中所示的一种查找表并行寻址实施。
具体实施方式
在本发明的一种实施中，根据在通过引用均结合于此并且作为附录A和B来附带的未决的、提交于2005年10月27日的美国专利申请序列号11/262,079和提交于2007年4月30日的美国专利申请序列号11/799,239中描述的技术来开发用于查找表的条目。本领域技术人员将理解在现实***中出现的误差范围是有界的；也就是说，有具有最小值和最大值的范围，并且在几乎所有的境况中在任何给定样本的时间适用的校正因子将落在该范围内。通过选择适当大小的查找表并且用如由上述专利中的方法确定的适当值(这些值是在PA和相关联***的整个操作频谱内选择的)来填充查找表，适合于输入信号各采样的校正因子将是查找表中已有的值之一。因此，一旦已经完全地填充查找表，本发明的校正因子不会随时间变化；也就是说，它们是不随时间变化的。虽然查找表的大小可以随着特定实施而明显地变化并且对于一些***可以如十六个条目一样小，但是对于更复杂的实施，比如适合于无线RF传输***的实施，该表将具有级别为212个或者更多的条目而且可以根据可允许的功率消耗、成本和有关***因素而具有明显更多的条目。对于某些实施，已经发现在212个与214个条目之间的表大小是可接受的。
在一种实施中，预失真处理单元或者预失真器的查找表通过可以由移位寄存器构造的与时间有关的地址集来寻址，尽管如下文具体讨论的那样可以在一些方案中实施并行寻址。出于当前目的，将使用移位寄存器技术进行说明。查找表的寻址是基于如下存储-补偿或者记忆-补偿原理，该原理通过矢量形式在不同时间存储信息并且将输入矢量映射到查找表中的条目之一。查找表中的寻址条目集将得到如下输出信号，该输出信号是对应输入矢量的映射函数。由于输入地址矢量包括不同时间信号，所以查找表的输出信号实际上与不同时间信息相关，包括当前信号和先前N个发送信号，其中N＞1并且N为整数。结果可以将查找表的各条目中所存储的信号视为所有以往发送信号的组合而不是当前输入信号的仅有响应。通常，查找表中的地址矢量的位长度确定待覆盖的时间延迟信号的持续时间。
为了根据本发明利用查找表单元在时间延迟环境中校正PA的非线性而不利用锁存器或者其它辅助校正电路，预失真算法利用函数来并入时间延迟信号组合。查找表将从PA导出的非线性信息与由不同信号传输路径造成的时间延迟因子一起存储。通过响应于样本对查找表适当地进行寻址，查找表提供既包括适当的预失真校正也包括适当的时间延迟补偿的校正因子。查找表的输出然后与原始输入信号相组合以向PA提供输入而该PA获得线性化输出而基本上无时间延迟误差。
由于查找表的记忆和存储功能，PA的将由查找表校正的非线性特性不受基于时间的数据限制。查找表的自适应处理的与时间无关的特性是查找表的寻址布置的至少一些实施的一个益处。通过包括当前输入信号以及先前N个输入信号的N位矢量数据的集来实施查找表的寻址。因此，查找表的地址是长度为N的连串输入序列的组合。查找表的地址越长(因此查找表越大)，***可以容纳的时间延迟信息的范围越宽、即***可以容许的时间延迟效应的持续时间越长。然而，尽管更大的表可以允许存储更多信息，但是条目在某一点变为重复，从而更大的表赋予递减边际回报、浪费存储器资源并且不必要地增加功率消耗。
预失真处理器的查找表是基于将输入矢量集映射到实际信号输出的存储-补偿原理。由于查找表的地址包含从不同时间存储的输入信息，所以由查找表生成的各输出信号与发送的多信号组合密切相关。因此，基于查找表的布置，表更新条目也与从不同时间点存储的输入信号的组合信息密切有关。
接着参照图1，可以具体地理解本发明的一个实施例。具体而言，图示的实施例包括模拟乘法器11，该乘法器从基站的RF调制器部分10接收调制的RF信号vRF并且也从查找表和可以广义地描述为预失真处理器(下文具体讨论)的有关部件接收预失真校正信号vp。一般而言，预失真处理器可以视为在ADC21和25与DAC30之间的所有部件。模拟放大器11的输出作为输入Vin提供给功率放大器(PA)12，该PA又将输出信号Vo发送到天线13。RF调制器10虽然并非必然但是通常为正交调制器。将理解乘法器11可以实施为各自与一个或者多个正交信号相关联的多个乘法器。
输入下变频转换器电路20从基站中的调制器接收理想化的参考信号VRF并且由本地振荡器40进行偏置，从而它将输出Vd提供给模拟到数字转换器21。ADC21将信号Vd转换成数字形式(作为I和Q信号)，其中它作为一对输入提供给数字预失真处理器并且具体地分别提供给变量22I和22Q。
也由本地振荡器40偏置的反馈下变频转换器电路26从PA的输出接收原始反馈信号Vo(t)并且将反馈信号Vf提供给反馈ADC25。该ADC25的数字输出然后将第二输入、即反馈信号提供给数字预失真处理器并且具体地提供给变量24I和24Q。下文具体讨论的数字预失真将数字输出信号Vr提供给DAC30，该DAC30将数字信号转换成模拟形式，其中它在乘法器11中与调制的RF信号组合。
如图1中所示，地址数据形成器32I-32Q从ADC21I/Q接收输入并且被设计成生成用于查找表33I/Q的所需信号格式。数据形成器32I/Q对查找表33I/Q内的记忆单元进行寻址，其中查找表将单独I和Q输出提供给加法器31。将理解查找表33可以实施为一个或者多个查找表。由地址形成器32I-32Q提供的地址可以视为查找表关键字或者地址。
预失真控制器查找表33I-33Q是设计成存储用于高功率放大器线性化的预失真信号的记忆单元。表中的预失真信号是基于通过比较理想信号vd和反馈信号vf来生成的误差以及呈现的自适应算法。存储于表33I-Q中的数据可以通过如下文所述自适应迭代来更新并且形成反映功率放大器非线性特性的数字索引的数据。
通过在理想化信号VRF(t)与反馈信号Vo(t)之间的AM-AM和AM-PM信息比较，数字预失真处理器计算由高功率放大器12的非线性传输特性造成的输出信号Vo(t)的幅度和相位分量的误差。
基于由前述比较获得的误差信息，预失真处理器基于在美国专利第6,985,704，号中公开的查找表算法来计算并且自适应地生成具有与PA12的变换函数相反的特性的补偿信号以预失真由PA12造成的AM-AM和AM-PM失真。
预失真查找表33I-33Q的输出vp在加法器31和数字到模拟转换器30之后馈送到乘法器11以修改来自调制器10的调制的RF信号。乘法器的输出是用以向高功率放大器的输入产生预补偿的、其非线性与功率放大器12的非线性相反的所需预失真信号vin(k)。
本领域技术人员将理解当理想信号vRF和反馈信号Vo(t)这两个信号到达预失真控制器时在这些信号之间可能有信号差异。时间差异归因于由各自在去往控制器时行进的不同路径造成的在两个信号之间的时间延迟差异。这一信号时间延迟可以基于电路和部件的参数以及其它环境因素而随机地变化。结果是难以估计、计算和调节现场应用环境中这样的信号差异。为了克服这一问题，本发明通过使用由先前引用的美国专利第6,985,704号教导的一种算法来自适应地调节这一时间延迟。
对查找表33的使用允许将记忆函数引入到本发明的至少一些实施例中。预失真控制器的查找表是基于将输入数据集映射到数字输出并且自适应更新的存储补偿原理。基于存储的函数，查找表的各输出信号实际上与当前和先前发送信号均有关、因此具有以下记忆功能：其不仅补偿PA的非线性并且避免了对于比如现有技术中通常使用的特殊时间延迟补偿电路的需要。
基于图1中所示预失真架构，功率放大器的非线性由预失真处理器的输出信号vp校正。信号vp与调制的RF信号相乘以生成预失真信号作为功率放大器的输入。实际上，功率放大器的输入信号是可以在幅度/包络方面可控而在相位方面可调的复增益信号。输入和输出的关系可以描述为以下复增益表达式：
vin＝vRFvp＝vRFF(V) (1)
其中vp是由查找表的映射函数F生成的预失真处理器输出。通常，映射函数F未知并且难以用数学方式表达。然而，可以通过根据自适应算法更新查找表中的条目以实现与{0，1}N→vp这些关系对应的所有可能映射来自适应地确定F。
查找表因此将各N位输入地址矢量集V映射到实际输出vp。事实上，N维地址矢量代表由下式表达的从当前时间到先前N个时间的经过功率放大器的发送信号序列：
V(k)＝(d1(k)，d2(k)，...，dN(k))T (2)
其中上述矢量V中的各数据di是表达如下的1或者0：
di(k)＝0或者1，其中1≤i≤N (3)
在图2中所示一种实施中，查找表200的地址由在预失真过程期间对查找表的各对应条目进行寻址的串行移位寄存器205形成。由于寻址的信息与当前和先前N个发送信号有关，所以查找表的输出信号210可以视为最后N个发送数据的函数、因此并入时间延迟校正要素。通过在组合器225中组合自适应误差215和查找表更新220来自适应地更新查找表。即使当相同信号穿过不同传输路径时呈现时间延迟效应，配置为预失真处理器的查找表的布置仍然可以将组合的校正信号***地用于PA的非线性校正和时间延迟补偿的处理。
对具有组合的预失真和时间延迟校正的查找表进行使用的技术使得没有必要使用附加时间延迟处理和相关的电路。由于查找表的地址包含当前和先前发送的校正信息，所以来自查找表的各输出信号固有地是包含从当前时间到先前N个时间的丰富信号分量的多时间信息组合。结果预失真算法具有用以补偿信号延迟效应的内置机制。这获得一种比传统解决方案明显更简易和更有效的预失真处理结构。
在如图1和图2中所示具有查找表的预失真架构中，记忆表由它的地址寄存器寻址。移位寄存器的位数长度确定查找表的大小并且因此确定覆盖的时间延迟范围、即时间延迟效应的最大限制。查找表中存储的各数据集具有唯一的地址索引。数据集的这一地址索引对应于数据集的输入数据采样时间点。然后利用地址索引作为用于PA的非线性误差校正计算的时间校准这一目的的时间戳。换而言之，在各预失真计算时间点，预失真算法选择来自具体寻址条目的仅一个数据集作为查找表的输出以供进一步PA的非线性误差校正处理。如果所选输出信号仅与当前时间发送信号有关而与其它发送信号无关，则在预失真处理期间必须考虑由通过不同传输路径的当前发送信号造成的时间延迟以便提供参考与反馈信号之间的准确信号匹配。
将由查找表覆盖的时间延迟范围与地址寄存器的位数有关。对于具有N位地址寄存器的查找表，查找表条目的大小为M＝2N-1。这意味着在查找表中有M个条目并且存储于条目中的所有数据是覆盖当前时间k到先前k-M+1个时间的地址矢量的函数。输入地址矢量集A可以表达为：
A＝{V(k)，V(k-1)，...，V(k-M+1)} (4)
其中V(k)是在时间k的输入地址矢量，该矢量记录针对PA非线性的M个可能预失真信息而各信息记录当前发送的信号和时间延迟信号分量。
基于记忆-补偿原理，组合的时间延迟查找表结构涉及到用以捕获穿过不同传输路径的信号时间延迟的简易逻辑运算和信号处理。具体而言，由于时间延迟不变的特性，这一预失真架构可以在更宽的动态范围内并且无需附加电路和算法来处理和校正PA非线性。
本领域技术人员也将理解对于一些实施例，通常是查找表更大而采样率相对更高的实施例，可以使用并行寻址方案，比如图3中所示并行寻址方案，该方案除了使用向查找表的并行输入300之外实质上与图2相同。如果一起接近地取得采样的数据点(即比较快的采样率)，从而用于样本t和样本t+1的校正因子有效地变得相同，则可以使用并行寻址方式对查找表进行寻址。在一些实施例中，如果查找表的大小充分地大并且满足计算能力和其它设备问题，则并行寻址方式可以在使用很快采样率的环境中赋予较串行寻址方式而言更佳的性能。
已经具体地完全描述包括若干实施例和替代实施例的本发明，本领域技术人员将理解存在着在本发明的范围内的诸多其它替代和等效实施例。因此本发明并非将由上述描述而实际上仅由所附权利要求来限制。

Claims (13)

1.一种操作功率放大器的方法，所述方法包括：
初始化所述功率放大器；
在查找表中存储非线性信息和时间延迟因子；
维持所述查找表；
接受反映待传送的信息的原始输入信号；
基于所述原始输入信号生成查找表键值；
使用所述查找表键值从所述查找表获取用于所述原始输入信号的对应的非线性信息和时间延迟因子；
基于所述对应的非线性信息和时间延迟因子对所述原始输入信号进行失真，以获得预失真校正信号，从而预补偿所述功率放大器的非线性特性；
组合所述预失真校正信号和所述原始输入信号以生成组合信号；以及
向所述功率放大器提供所述组合信号。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述功率放大器是移动设备的组件。
3.一种操作功率放大器用于信号的无线传输的方法，所述方法包括：
维持查找表，所述查找表包含非线性信息和时间延迟因子；
接受反映将传送的信息的原始输入信号；
基于所述原始输入信号生成查找表键值；
使用所述查找表键值，从所述查找表获取用于所述输入信号的对应的非线性信息和时间延迟因子；
基于所述对应的非线性信息和时间延迟因子对所述原始输入信号进行失真，以获得预失真校正信号，从而预补偿所述功率放大器的非线性特性；
组合所述预失真校正信号和所述原始输入信号以生成组合信号；以及
向所述功率放大器提供所述组合信号。
4.根据权利要求3所述的方法，其中维持所述查找表包括：
通过生成RF调制信号和反馈信号之间的差异，来建立所述非线性信息和时间延迟因子，所述反馈信号代表所述功率放大器的输出；以及
在所述查找表中存储所述非线性信息。
5.根据权利要求3所述的方法，其中所述非线性信息和时间延迟因子是通过自适应迭代而被获得的。
6.根据权利要求3所述的方法，其中所述功率放大器是移动设备的组件。
7.根据权利要求3所述的方法，其中所述非线性信息落在由所述查找表的大小所确定的范围。
8.根据权利要求3所述的方法，其中组合所述原始输入信号和所述预失真校正信号包括将所述原始输入信号和所述预失真校正信号相乘。
9.根据权利要求3所述的方法，还包括：
向地址形成器提供所述原始输入信号，其中所述地址形成器形成所述查找表键值。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述地址形成器包括移位寄存器。
11.根据权利要求3所述的方法，其中所述非线性信息是时间不变的。
12.根据权利要求3所述的方法，其中所述非线性信息是非线性的。
13.根据权利要求4所述的方法，其中所述时间延迟因子补偿所述RF调制信号和所述反馈信号之间归因于不同的传输路径的时间延迟。
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