CN114006585A - 射频功率放大器线性化矫正装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及数字预失真技术领域，具体涉及射频功率放大器线性化矫正装置，包括信号源、驱动部分、射频部分和数字信号处理单元，通过使用数字信号处理单元作为预失真处理的核心，信号源、驱动部分和射频部分构成射频通道，射频部分通过反馈通道将输出信号发送至数字信号处理单元中，数字信号处理单元对反馈信号进行信号归一化、模型矩阵生成、参数辨识和预失真信号生成，将生成的预失真信号对信号源进行反馈；本发明通过数字信号处理方法实现了数字信号处理单元的预失真处理，数字信号处理单元可以采用编程控制，解决了预模拟预失真技术中自适应差的问题。
Description
技术领域
本发明涉及数字预失真技术领域，具体是射频功率放大器线性化矫正装置。
背景技术
国内外对于功放线性化技术的研究由来已久，许多方法在如今的射频通信***中已经广泛应用，如图1所示，其中最主要的方法有：前馈线性化技术(FeedforwardLinearization)、反馈线性化技术(Feedback Linearization)、模拟预失真技术(AnalogPredistortion)和数字预失真技术。上述方法各有其优缺点和适用情景，图2对各方法原理和特点进行了归纳和比较。
前馈线性化技术是一种对功放非线性的后补偿方法，它引入了一个额外的前向通路，对功放引起的失真(包括线性及非线性失真)进行提取、反向放大、延迟调整，再补偿到输出波形上。由于使用单独通路在功放输出端进行补偿，前馈线性化方法具有很好的线性化效果，适用带宽宽，且不存在稳定性问题。但是，前馈法强烈依赖于两个前向通路的匹配，若误差通路与功放通路的增益、相位、延迟任何一项稍有不匹配，线性化性能就会急剧下降。另一方面，额外的前向通路也会极大地增加***的复杂度和成本。
反馈线性化技术基于自动控制理论中的负反馈原理，在功放输入输出间引入反馈通路，构造负反馈回路来抑制功放产生的非线性。反馈法结构简单，易于实现，但由于反馈的引入，功放的增益、带宽和稳定性都会受到影响。所以，反馈线性化方法应用较窄，通常仅用于低频窄带和线性要求不高的***中。
模拟预失真方法在功放输入端引入预失真器，用模拟器件构造出一个与功放压缩特性性对应的扩张特性曲线，以抵消功放增益压缩引起的非线性失真。模拟预失真方法结构简单、成本低廉，但很难精确实现功放需要的扩张曲线，线性化性能较差。同时，由于自适应性差，受元器件老化、环境变化、阻抗适配等因素影响，其线性化效果还可能进一步恶化。
数字预失真技术在原理上可以视为模拟预失真方法在数字域的延伸，但其涉及的领域更多，在功能上也要更强大。得益于功放建模和数字信号处理***的发展，在数字域对射频功放进行精确的行为级建模成为可能，数字预失真技术应运而生。通过在数字***中构造功放的等效基带模型及其逆模型，可以对有用信号预先叠加适当的失真再发送，以抵消功放产生的失真(线性及非线性失真)。数字预失真技术可以极大地发挥数字***的潜力，解决许多模拟电路难以解决的问题。其特点是配置灵活，易于集成，自适应好，很好地保证了线性化性能。
综上所述，数字预失真技术引起自身优势，在现有通信***中已经得到了广泛应用。同时，还未挖掘的潜力也使其在未来通信***中的发展前景最被看好。
从时域的角度来看，功放的输入电压到输出电压的映射可用一单调的非线性函数来描述，而单调函数存在反函数，因此，预失真技术正是基于此，调整预失真模块的输入输出的映射关系，使其正好为功放映射关系的反函数，如图3所示，最终整体的输入到输出的映射满足线性函数的关系。
从频域的角度来看，功放非线性的频域表现是带宽展宽，这是由于非线性特性使得功放产生了新的频率分量，而预失真技术则是通过预失真模块在输入信号上叠加额外的频率分量，调整这些叠加的分量的大小，使其正好与功放产生的新的频谱分量的幅度相同，相位相反，最终使这些冗余的频率分量相互抵消，功放输出仅仅保留了与原始输入同频率的线性分量，这一过程如图3所示。从频谱特性可以看出，冗余的频谱分量部分叠加在了线性频谱分量上，使得传统的射频滤波器对这些杂散无能为力，而预失真技术则可以将与输入信号同频率的杂散分量过滤除去，达到干扰消除的目的，这也是预失真技术的一大优势。
早期的预失真技术主要通过模拟电路实现的，即所谓的模拟预失真技术(APD)，预失真模块由模拟非线性器件(包括二极管、三极管等)构成，通过调节模拟器件的参数来改变预失真模块的非线性响应特性，模拟电路虽然成本较低，但是预失真电路的结构复杂，调节起来不方便，特别是当功放的响应特性变化时，预失真模块却不能自适应地跟随功放特性相应地变化，这也大大限制了预失真技术的应用范围。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供射频功率放大器线性化矫正装置，能够使用数字电路替代传统的模拟预失真电路，通过编程控制，从而解决预模拟预失真技术中自适应差的问题。
本发明的射频功率放大器线性化矫正装置，包括信号源、驱动部分、射频部分和数字信号处理单元，信号源、驱动部分和射频部分依次连接，信号源与射频部分之间设有反馈通道，数字信号处理单元设置在反馈通道上；
数字信号处理单元的信号处理步骤包括：
(1)信号归一化，数字信号处理模块通过反馈通道采样得到输出的基带信号，数字信号处理模块通过输入和输出的相关性计算输出的基带信号与信号源产生的信号之间的延时，用以补偿发射通道和反馈通道造成的输出信号时间轴上的延迟，补充公式为：
其中x(n)和y(n)分别为输入和输出的基带信号，当R(n0)取最大值时对应的自变量值即为输出信号的时延；
(2)模型矩阵生成，预失真模块的行为模型为：
其中x(n)为输入信号离散序列，y(n)为功放后端采集的输出信号离散序列，p为非线性阶数，M为记忆深度；
(3)参数辨识，采用直接学习或者间接学习结构提取预失真模块的参数；
(4)预失真信号生成，根据预失真函数直接计算输出信号，或者将行为模型的输入输出的映射关系存入查找表中，预失真信号根据输入直接查表获得。
进一步地，所述间接学习结构包括顺序连接的数字预失真处理单元、发射通道和发射机，输入信号从数字预失真处理单元进行输入，并从发射机输出；数字预失真处理单元通过采集发射通道和发射机输出端中的输入信号和输出信号，根据预失真模块与功放互为反函数的关系，直接求取功放行为模型的反函数，并将求取的参数视为预失真系数。
进一步地，所述直接学习结构包括顺序连接的数字预失真处理单元、发射通道和发射机，输入信号从数字预失真处理单元进行输入，并从发射机输出，发射机的输入端与数字预失真处理单元的输入端之间设有预失真参数提取单元，预失真参数提取单元从数字预失真处理单元的输出端提取输入信号，并通过反馈通道采集发射机的输出端的输出信号；预失真参数提取单元将输入信号和输出信号发送至数字预失真处理单元，数字预失真处理单元依据输入输出信号的误差来更新预失真参数，最终使得该误差趋近于零。
进一步地，所述数字信号处理单元为FPGA可编程器件。
本发明的有益效果是：本发明的射频功率放大器线性化矫正装置，通过使用数字信号处理单元作为预失真处理的核心，信号源、驱动部分和射频部分构成射频通道，射频部分通过反馈通道将输出信号发送至数字信号处理单元中，数字信号处理单元对反馈信号进行信号归一化、模型矩阵生成、参数辨识和预失真信号生成，将生成的预失真信号对信号源进行反馈；本发明通过数字信号处理方法实现了数字信号处理单元的预失真处理，数字信号处理单元可以采用编程控制，解决了预模拟预失真技术中自适应差的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它相关的附图：
图1为本发明中背景技术中现有的的功放线性化技术的示意图；
图2为本发明中背景技术中对现有技术的特点归纳示意图；
图3为本发明中背景技术中现有技术中的映射关系示意图；
图4为本发明的硬件结构示意图；
图5为本发明的间接学习的结构示意图；
图6为本发明的直接学习的结构示意图；
图7为本发明的查表生成预失真信号的过程示意图；
图8为本发明的数字信号处理单元的内部处理流程示意图；
图9为本发明的具体演示结果示意图一；
图10为本发明的具体演示结果示意图二；
图11为本发明的具体演示结果示意图三。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
如图4所示：本实施例的射频功率放大器线性化矫正装置，硬件方面主要包括信号源、驱动部分、射频部分和数字信号处理单元，其中信号源、驱动部分和射频部分顺序连接；
驱动部分主要为射频驱动器；射频驱动器(RF driver)是采用石英晶体振荡器，能够输出高稳定性和高精确性的固定射频信号的驱动器；驱动部分用于产生振荡信号，从而驱动信号源产生的基带信号在特定频率的网络中传输；
射频部分采用ADI最先进的RFTransceiverAD9009射频收发IC，整个RF部分具有超高的集成度和灵活高性能的特点。该芯片支持接收100MHz、发射250MHz的带宽以及300MHz到6GHz的RF接收发射频率范围。
射频部分通过射频通道与驱动部分连接，射频通道中包括低噪声放大器LNA、数字步进衰减器DSA、滤波器和射频增益放大器GAINBLOCK，射频收发IC与射频通道的配合使得本实施例中的射频部分具有优异的射频性能，同时也可通过MMCX射频接口直接评估射频部分的射频性能。开发板预留DPD反馈通道(O，方便开发DPD算法。反馈端的射频开关用于启用芯片的外部校正功能，能够获得更好的本振校正性能。
数字信号处理单元采用Xilinx新一代的Zynq-7系列FPGA，具有丰富的DSP与Logic资源，方便根据具体项目情况进行选择。相关可变参数(包括FPGA内各个模块的功能选择，***DSA芯片衰减，射频收发芯片频点等)，可通过串口在上位机上直接修改。
数字信号处理单元通过预留的DPD反馈通道与射频部分进行连接，具体地，反馈通道中还包括滤波器、LC滤波器、模数转换器ADC等，为现有技术，故不赘述，数字信号处理器从反馈通道中获取信号源经过驱动器、射频通道和射频部分处理后的输出信号，数字信号对输出信号进行处理生成预处理信号，对信号源的信号进行DPD算法矫正，从而解决输出信号失真的问题；
处理方法主要包括信号归一化、模型矩阵生成、参数辨识和预失真信号生成四个步骤，具体处理过程如下：
S1：信号归一化，数字信号处理模块通过反馈通道采样得到输出的基带信号，数字信号处理模块通过输入和输出的相关性计算输出的基带信号与信号源产生的信号之间的延时，用以补偿发射通道和反馈通道造成的输出信号时间轴上的延迟，补充公式为：
公式(1)中，x(n)和y(n)分别为输入和输出的基带信号，当R(n0)取最大值时对应的自变量值即为输出信号的时延。
S2：模型矩阵生成，通常预失真模块的行为模型与功放的行为模型形式相似，因此，数字预失真技术的模型研究主要研究功放的非线性行为模型，为了提高DPD技术的实用性，数字预失真技术中功放行为模型应该满足的约束条件：为了便于预失真模块使用数字电路实现，功放行为模型的输入和输出必须是离散信号；由于功放的非线性失真既包含了静态非线性，也包含了动态非线性，因此行为模型中也必须包含这两部分的分量；通常情况下，功放的输入基带信号为包含I/Q两路信号的复数信号，因此，行为模型应该可以用复数信号描述；为了便于使用最小二乘法提取模型参数，模型输出应该与模型参数之间满足线性关系关系。功放的行为特性可以抽象为一个非线性记忆***，在信号处理领域，非线性记忆***通常用Volterra级数来描述，但是完备的Volterra级数非常复杂，Anding Zhu etal.对Volterra级数进行了化简，提出了DDR模型：
式(2)为DDR模型的实数表达形式，其中x(n)为输入信号离散序列，y(n)为功放后端采集的输出信号离散序列，p为非线性阶数，M为记忆深度。
实际应用中常需要复数表达形式，式(3)为根据(2)得到的一阶DDR模型的复包络形式：
除了DDR模型外，基于简化Volterra级数的功放行为模型还包括MP模型、GMP模型等，在功放建模中比较常用，基于这些模型以及输入信号序列，则可以生成模型矩阵用于功放行为模型的参数辨识。
S3：参数辨识，预失真模块的行为模型同样可由DDR、MP、GMP等模型来描述，根据数字预失真技术的原理，预失真模块的参数应使其响应为功放行为模型的反函数，该参数可用直接学习结构或间接学习结构两种方式提取：
如图5所示，间接学习结构包括顺序连接的数字预失真处理单元、发射通道和发射机，输入信号从数字预失真处理单元进行输入，并从发射机输出；
数字预失真处理单元通过采集发射通道和发射机输出端中的输入信号和输出信号，根据预失真模块与功放互为反函数的关系，直接求取功放行为模型的反函数，并将求取的参数视为预失真系数；间接学习方法计算方便，不需要迭代，实时性较好，但是对反馈信号的信噪比要求较高。
如图6所示，直接学习结构包括顺序连接的数字预失真处理单元、发射通道和发射机，输入信号从数字预失真处理单元进行输入，并从发射机输出，发射机的输入端与数字预失真处理单元的输入端之间设有预失真参数提取单元，预失真参数提取单元从数字预失真处理单元的输出端提取输入信号，并通过反馈通道采集发射机的输出端的输出信号；预失真参数提取单元将输入信号和输出信号发送至数字预失真处理单元，直接学习结构基于自适应滤波理论，数字预失真处理单元依据输入输出信号的误差来更新预失真参数，最终使得该误差趋近于零。
S4：预失真信号生成，数字预失真技术的最终目的是求取预失真信号后作为功放的输入，在获得预失真模块的参数后，有两种方式计算预失真信号，一种是根据预失真函数直接计算输出信号，另一种是将行为模型的输入输出的映射关系存入查找表中(如图7所示)，预失真信号可以根据输入直接查表获得，前一种方法加法和乘法运算会明显增加时间复杂度，而后一种方法虽然增加了存储资源，但是查表操作花费时间较少，在工程实际中应用更广。
如图8所述，数字信号处理单元进行预失真信号生成的流程中，多阶非线性处理中，每一阶中的输入信号都要经过去绝对值(IMC)和查表(LUT)操作后与各自的输入信号一同经过复数乘法器CM的处理，最后输出至累加器ACC中，累加器ACC输出输出信号Yn。
根据数字预失真框架可看出，在原有的发射机基础上，数字预失真技术在模拟域和数字域都需要添加额外的模块，因此数字预失真技术的成本也包括模拟部分和数字部分，此外，模拟电路和数字电路都会产生额外的功率消耗，这也是数字预失真技术的开销，下面详细介绍这几部分的成本开销来源。
模拟部分，反馈通道是数字预失真硬件成本的主要来源。功放非线性导致输出信号的带宽展宽，通常情况下第三邻道以外(7阶非线性以上)的失真分量功率较低，因此反馈通道需要无失真地采集5阶以下的非线性分量，此时反馈带宽至少为原始输入信号的5倍以上，这将给反馈通道上的ADC、混频器等器件造成较大的成本压力，预失真信号的带宽同样也会展宽，因此DAC的速率也要求达到原始信号带宽的5倍以上，这同样会增加数字预失真技术的硬件成本。
参数提取通常使用最小二乘法来完成，其时间复杂度与模型参数个数的三次方成正比，因此，参数提取将消耗ARM模块较大的时间资源，另外，预失真信号的生成同样也会消耗一定的时间资源，若采用查找表实现，则需要消耗一定的存储器资源。
从功耗的角度来看，数字预失真技术的根本目的也是为了减少射频电路的功率损耗，使直流功率能够尽可能多地转化为射频功率发射出去，因此，在衡量数字预失真技术的成本收益时，其消耗的功率也应该考虑进去。数字预失真产生的额外功耗主要来源于ADC和DAC两个器件，由于反馈通道是额外引入的，ADC采集信号产生的直流功耗应该全部当作数字预失真的功耗开销；虽然原始的发射机电路中就包含DAC器件，但是应用预失真技术后，由于预失真信号的带宽相较原始通信信号的带宽展宽了，这就要求DAC的采样速率也成倍地增加，而DAC速率越高，其功耗也越大，因此数字预失真技术也使DAC产生了额外的功率消耗，此外，延时对齐、参数提取等过程也会产生一定的数字功耗。
具体演示效果如下：
如图9-图11所示，自动的数字预失真的校准，双音信号(间隔5MHz)在各自非线性出产生的交调分量明显得到了抑制，通过一次DPD迭代，交调分量可以从初始的-34dBc降低到-70dBc，矫正效果较好。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (4)
1.射频功率放大器线性化矫正装置，其特征在于：包括信号源、驱动部分、射频部分和数字信号处理单元，信号源、驱动部分和射频部分依次连接，信号源与射频部分之间设有反馈通道，数字信号处理单元设置在反馈通道上；
数字信号处理单元的信号处理步骤包括：
(1)信号归一化，数字信号处理模块通过反馈通道采样得到输出的基带信号，数字信号处理模块通过输入和输出的相关性计算输出的基带信号与信号源产生的信号之间的延时，用以补偿发射通道和反馈通道造成的输出信号时间轴上的延迟，补充公式为：
其中x(n)和y(n)分别为输入和输出的基带信号，当R(n0)取最大值时对应的自变量值即为输出信号的时延；
(2)模型矩阵生成，预失真模块的行为模型为：
其中x(n)为输入信号离散序列，y(n)为功放后端采集的输出信号离散序列，p为非线性阶数，M为记忆深度；
(3)参数辨识，采用直接学习或者间接学习结构提取预失真模块的参数；
(4)预失真信号生成，根据预失真函数直接计算输出信号，或者将行为模型的输入输出的映射关系存入查找表中，预失真信号根据输入直接查表获得。
2.根据权利要求1所述的射频功率放大器线性化矫正装置，其特征在于：所述间接学习结构包括顺序连接的数字预失真处理单元、发射通道和发射机，输入信号从数字预失真处理单元进行输入，并从发射机输出；数字预失真处理单元通过采集发射通道和发射机输出端中的输入信号和输出信号，根据预失真模块与功放互为反函数的关系，直接求取功放行为模型的反函数，并将求取的参数视为预失真系数。
3.根据权利要求1所述的射频功率放大器线性化矫正装置，其特征在于：所述直接学习结构包括顺序连接的数字预失真处理单元、发射通道和发射机，输入信号从数字预失真处理单元进行输入，并从发射机输出，发射机的输入端与数字预失真处理单元的输入端之间设有预失真参数提取单元，预失真参数提取单元从数字预失真处理单元的输出端提取输入信号，并通过反馈通道采集发射机的输出端的输出信号；预失真参数提取单元将输入信号和输出信号发送至数字预失真处理单元，数字预失真处理单元依据输入输出信号的误差来更新预失真参数，最终使得该误差趋近于零。
4.根据权利要求1所述的射频功率放大器线性化矫正装置，其特征在于：所述数字信号处理单元为FPGA可编程器件。
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114553247A (zh) * | 2022-04-08 | 2022-05-27 | 上海星思半导体有限责任公司 | 一种射频电路、数字预失真系数集合的确定方法及装置 |
| CN114650073A (zh) * | 2022-04-15 | 2022-06-21 | 成都信息工程大学 | 一种射频接收机的线性化校正方法及装置 |
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2021
- 2021-11-02 CN CN202111290160.0A patent/CN114006585A/zh active Pending
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114553247A (zh) * | 2022-04-08 | 2022-05-27 | 上海星思半导体有限责任公司 | 一种射频电路、数字预失真系数集合的确定方法及装置 |
| CN114553247B (zh) * | 2022-04-08 | 2023-07-28 | 上海星思半导体有限责任公司 | 一种射频电路、数字预失真系数集合的确定方法及装置 |
| CN114650073A (zh) * | 2022-04-15 | 2022-06-21 | 成都信息工程大学 | 一种射频接收机的线性化校正方法及装置 |
| CN114650073B (zh) * | 2022-04-15 | 2023-05-16 | 成都信息工程大学 | 一种射频接收机的线性化校正方法及装置 |
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