CN117675491A - 一种适应输入信号功率变化的预失真装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适应输入信号功率变化的预失真装置及方法，所述装置包括DPD执行器、DAC模块、功放PA、ADC模块、功率变化检测模块、切换开关、系数预提取模块和参数估计模块；所述DPD执行器包括DPD模型、第一乘法器、第二乘法器和加法器，所述DPD是指数字预失真。本发明在信号功率发生变化时，只需要调整一个称为补偿因子的参数，而不需要重新计算DPD模型系数，能够快速适应输入信号功率的变化。

Description

一种适应输入信号功率变化的预失真装置及方法

技术领域

本发明涉及数字预失真，特别是涉及一种适应输入信号功率变化的预失真装置及方法。

背景技术

随着5G通信发展，手持设备的线性需求持续增长，而针对功率变化范围大的手持设备，发射机的DPD技术设计尚未成熟，现有的方法主要集中于LUT模型来降低硬件复杂度。

然而，由于PA非线性受信号功率和负载适配影响会实时变化，不能使用静态DPD进行补偿。LUT模型一般是基于修剪的Volterra级数来开发的，要进行动态补偿的话，每次模型系数的更新和制表需要花费大量时间和计算资源，导致它无法跟踪信号功率的快速变化，不适应环境变化复杂度高的场景。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种适应输入信号功率变化的预失真装置及方法，在信号功率发生变化时，只需要调整一个称为补偿因子的参数，而不需要重新计算DPD模型系数，能够快速适应输入信号功率的变化。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种适应输入信号功率变化的功放预失真装置，包括DPD执行器、DAC模块、功放PA、ADC模块、功率变化检测模块、切换开关、系数预提取模块和参数估计模块；所述DPD执行器包括DPD模型、第一乘法器、第二乘法器和加法器，所述DPD是指数字预失真；

输入信号分别传输到DPD模型与第一乘法器的第一输入端口，DPD模型的输出端与第二乘法器的第一输入端口连接；第一乘法器的第二输入端口与第二乘法器的第二输出端口均与参数估计模块的输出端连接；第一乘法器和第二乘法器的输出端口均连接到加法器，由加法器对信号相加后经DAC传输到功放PA；

所述ADC模块的输入端与功放PA的输出端连接，ADC模块的输出端与功率变化检测模块连接，所述功率变化检测模块的输出端与切换开关连接，所述切换开关用于选择连接系数预提取模块或参数估计模块；所述系数提取模块用于进行预失真系数提取，并将提取到的系数赋予DPD模型，所述参数估计模块用于在功率变化时，接收到的信号，计算调整参数传输到第一乘法器和第二乘法器。

其中，所述功放PA用于将接收到的信号进行功率放大，并将放大后的信号传输给发射天线。

一种适应输入信号功率变化的功放预失真方法，包括以下步骤：

S1.初始状态下，在输入信号的功率保持不变时，利用系数提取模块对功放的预失真参数进行提取，并将提取到的系数赋予DPD模型；

所述步骤S1包括：

S101.参数估计模块初始化调整参数α＝1，并将切换开关切换到与系数预提取模块连接；

S102.参数估计模块将参数1-α传输到第一乘法器的第二输入端，将参数α传输到第二乘法器的第二输入端；

S103.在信号输入时，首先保持信号的功率不变，经过DPD执行器后的信号通过DAC传输给功放，然后由ADC对功放输出的信号进行采样后，将得到的信号经过功率变化检测模块和切换开关将信号传输给系数预提取模块；

S104.系数预提取模块根据原始输入信号和切换开关输出的信号，进行DPD模型的系数预提取：

设预失真模型的最大记忆深度Q和最大阶数K，预失真模型系数记为：

ω＝[ω_1,0,ω_1,1,…,ω_1,Q,ω_3,0,ω_3,1,…,ω_3,Q,...,ω_K,0,ω_K,1,…,ω_K,Q]

初始状态下，ω中的首项ω_1,0为1，其余全为0，即初始状态下信号经过DPD模型后保持不变；

设原始输入信号的长度为N，将原始输入信号记为y，将切换开关输出的信号记为X，由最小二乘法计算得到模型系数的估计值

ω_LS＝(X^HX)^-1X^Hy

其中X为N×R维矩阵，R＝(K+1)/2*(Q+1)；y为N×1维列向量，包含长度为N的原始输入信号；

其中矩阵X内部的x_i,j,i＝1,3,5,...,K；j＝0,1,2,3,...,Q为N×1维列向量，表示阶数i、记忆深度j对应的切换开关输出数据，其中，K为奇数，Q为正整数；

S105.将预提取得到的模型系数赋予DPD模型。

S2.功率变化检测模块实时检测输入信号的功率：

当功率未发生变化时，基于DPD模型进行功放的预失真处理；

当功率发生变化时，通过参数估计模块计算调节参数，对DPD执行器进行更新，实现功率变化后的预失真处理。

所述步骤S2中，当功率未发生变化时，基于DPD模型进行功放的预失真处理过程的如下：

输入信号在第一乘法器中与参数1-α相乘，并传输给加法器；同时输入信号通过DPD模型进行预失真处理后，与在第二乘法器中与参数α相乘，并传输给加法器；加法器对接收到的信号进行相加处理后，经DAC模块进行转换，然后将转换得到的信号传输到功放PA进行功率放大，功放PA将放大后的信号传输给发射天线进行发射。

所述步骤S2中，当功率发生变化时，通过参数估计模块计算调节参数，对DPD执行器进行更新，实现功率变化后的预失真处理的过程如下：

S201.当发现功率发生变化时，将切换开关切换到与参数估计模块连接，功率变化检测模块将功率变化前后的信号功率传输给参数估计模块；

S202.参数估计模块根据功率变化前后的信号功率，计算调节参数α对DPD执行器进行更新；

S203.然后基于更新后的DPD执行器实现功率改变后下信号的预失真处理：

输入信号在第一乘法器中与更新后的参数1-α相乘，并传输给加法器；同时输入信号通过DPD模型进行预失真处理后，与在第二乘法器中与更新后的参数α相乘，并传输给加法器；加法器对接收到的信号进行相加处理后，经DAC模块进行转换，然后将转换得到的信号传输到功放PA进行功率放大，功放PA将放大后的信号传输给发射天线进行发射。

所述调节参数α计算方式如下：

其中，表示功率变化后功率变化检测模块检测到的信号功率，P_out表示初始状态下的信号功率。

本发明的有益效果是：1.在输入信号功率变化后，不需要花大量时间使用传统算法(例如LS、LMS算法等)重新计算模型系数，大大提升了效率。

2.通过反馈路测量的非线性大小，调整补偿因子，消耗的硬件资源较小，极大地降低了算法复杂度。

3.以轻量级的模型系数更新方法替代了传统笨重的动态预失真模型，能快速适应功率变化频繁的场景，有效提高了预失真模型的灵活性。

附图说明

图1为本发明的原理示意图；

图2为预失真链路的原理示意图；

图3为预失真原理的简化示意图；

图4为基于功率变化的DPD执行器原理示意图；

图5为功率变化前后的PA输出功率谱示意图。

具体实施方式

下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

本发明预失真模型系数更新架构如图1所示。

更新过程包括基础模型系数预提取、功率变化检测和更新模型系数三个步骤。

基础模型系数预提取过程如下：

在当前输入信号功率输入情况下，图中的滑动开关拨到S1，此时α＝1；由实验测试确定好基本的预失真模型的记忆深度Q和阶数K(一般保证邻道泄露比抑制能力到20dBc及以上)；

预失真模型系数记为：

ω＝[ω_1,0,ω_1,1,…,ω_1,Q,ω_3,0,ω_3,1,…,ω_3,Q,...,ω_K,0,ω_K,1,…,ω_K,Q]

初始状态下，ω中的首项ω_1,0为1，其余全为0，即初始状态下信号经过DPD模型后保持不变；

设原始输入信号的长度为N，将原始输入信号记为y，将切换开关输出的信号记为X，由最小二乘法计算得到模型系数的估计值

公式(1)ω_LS＝(X^HX)^-1X^Hy

其中X＝[x_1,0,x_1,1,…,x_1,Q,x_3,0,x_3,1,…,x_3,Q,...,x_K,0,x_K,1,…,x_K,Q]，X为N×R维矩阵，

R＝(K+1)/2*(Q+1)；y为N×1维列向量，包含长度为N的原始输入信号；

其中矩阵X内部的x_i,j,i＝1,3,5,...,K；j＝0,1,2,3,...,Q为N×1维列向量，表示阶数i、记忆深度j对应的切换开关输出数据，其中，K为奇数，Q为正整数；

在本申请的另一些实施例中，还可以预先离线训练好预失真模型，这样就可以省略预失真系数的提取过程，直接基于功率检测来更新模型系数。这种情况下就不需要配一个高精度的ADC，因为后续只需要检测功率变化，ADC精度要求较低，以达到节省成本的目的。

功率变化检测和更新模型系数过程如下：

检测到功率变化后，滑动开关拨到S2，并开始计算模型调整因子α；

将α更新到提出的DPD执行器，实现功率变化场景下的模型自适应。

其中，补偿因子α和提出的DPD执行器更新包括一下多个子步骤：

一般的预失真链路可以由图2表示，其中

公式(2)

公式(3)

公式(2)和公式(3)可以表示为：

其中λ(x(n))表示DPD模型的补偿，包含了非线性带外扩展，则表示PA引入的峰值压缩影响。结合公式(4)和公式(5)，PA输出信号可以表示为

由于λ(x)的功率跟输入信号x(n)比起来几乎可以忽略不记，因此公式(6)可以简化为公式(7)y₂(n)≈x(n)+λ(x)+δ(x)

因为DPD的作用就是为了抵消PA产生的非线性，故目的是使

公式(8)λ(x)+δ(x)＝0

可以把公式(7)简单表示为图3：

当输入信号x(n)的功率由减少到px(n)(0＜p＜1)，PA产生的非线性也随之减弱。因为在计算DPD模型系数时进行了功率归一化，我们可以假设PA的响应改变为：

公式(9)

其中为功率衰减因子，为功率补偿因子。这种假设是合理的，考虑下面一个简单的PA模型：

公式(10)δ(x(n))＝x(n)|x(n)|²

则PA对px(n)的响应可以表示为

公式(11)

在这种情况下，α＝p²。当δ(x(n))变得更为复杂时，补偿因子α可以通过计算PA输出信号的功率谱(PSD)得出。根据公式(9)，PA的非线性变为αδ(x(n))，为了维持公式(8)，预失真的非线性补偿也需要乘以α。由此，预失真信号被改正为：

根据公式(12)，整个基于功率变化的DPD执行器可由图4表示：

估计补偿因子α和模型系数更新具体计算步骤如下：

ADC采集功放输出的数据，当功率变化后，首先把输出信号的功率归一化到基础点的功率上，然后计算功率谱的非线性区功率变化程度，如图5所示：

一般非线性区的功率计算范围为其中B表示信号带宽。根据上边带或者下边带非线性区功率的变化率，α计算公式如下：

得到α后，发送的预失真信号由原来的改变为(1-α)x(n)+αg(x(n)，由此实现基于功率变化的动态模型校正。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型。例如，基础的预失真模型可以是MP，ML，GMP模型等；计算初始模型系数的LS算法可以替换成LMS算法、神经网络训练等；检测输出信号的非线性区功率变化由FFT计算的功率谱得出，可以替换成滤波器滤除带内信号，再计算带外信号功率变化率。本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.一种适应输入信号功率变化的功放预失真装置，其特征在于：包括DPD执行器、DAC模块、功放PA、ADC模块、功率变化检测模块、切换开关、系数预提取模块和参数估计模块；所述DPD执行器包括DPD模型、第一乘法器、第二乘法器和加法器，所述DPD是指数字预失真；

输入信号分别传输到DPD模型与第一乘法器的第一输入端口，DPD模型的输出端与第二乘法器的第一输入端口连接；第一乘法器的第二输入端口与第二乘法器的第二输出端口均与参数估计模块的输出端连接；第一乘法器和第二乘法器的输出端口均连接到加法器，由加法器对信号相加后经DAC传输到功放PA；

所述ADC模块的输入端与功放PA的输出端连接，ADC模块的输出端与功率变化检测模块连接，所述功率变化检测模块的输出端与切换开关连接，所述切换开关用于选择连接系数预提取模块或参数估计模块；所述系数提取模块用于进行预失真系数提取，并将提取到的系数赋予DPD模型，所述参数估计模块用于在功率变化时，接收到的信号，计算调整参数传输到第一乘法器和第二乘法器。

2.根据权利要求1所述的一种适应输入信号功率变化的预失真装置，其特征在于：所述功放PA用于将接收到的信号进行功率放大，并将放大后的信号传输给发射天线。

3.一种适应输入信号功率变化的功放预失真方法，采用权利要求1～2中任意一项所述的预失真装置，其特征在于：包括以下步骤：

S1.初始状态下，在输入信号的功率保持不变时，利用系数提取模块对功放的预失真参数进行提取，并将提取到的系数赋予DPD模型；

S2.功率变化检测模块实时检测输入信号的功率：

当功率未发生变化时，基于DPD模型进行功放的预失真处理；

当功率发生变化时，通过参数估计模块计算调节参数，对DPD执行器进行更新，实现功率变化后的预失真处理。

4.根据权利要求3所述的一种适应输入信号功率变化的预失真方法，其特征在于：所述步骤S1包括：

S101.参数估计模块初始化调整参数α＝1，并将切换开关切换到与系数预提取模块连接；

S102.参数估计模块将参数1-α传输到第一乘法器的第二输入端，将参数α传输到第二乘法器的第二输入端；

S103.在信号输入时，首先保持信号的功率不变，经过DPD执行器后的信号通过DAC传输给功放，然后由ADC对功放输出的信号进行采样后，将得到的信号经过功率变化检测模块和切换开关将信号传输给系数预提取模块；

S104.系数预提取模块根据原始输入信号和切换开关输出的信号，进行DPD模型的系数预提取：

设预失真模型的最大记忆深度Q和最大阶数K，预失真模型系数记为：

ω＝[ω_1,0,ω_1,1,…,ω_1,Q,ω_3,0,ω_3,1,…,ω_3,Q,...,ω_K,0,ω_K,1,…,ω_K,Q]

初始状态下，ω中的首项ω_1,0为1，其余全为0，即初始状态下信号经过DPD模型后保持不变；

设原始输入信号的长度为N，将原始输入信号记为y，将切换开关输出的信号记为X，由最小二乘法计算得到模型系数的估计值

ω_LS＝(X^HX)^-1X^Hy

其中X＝[x_1,0,x_1,1,…,x_1,Q,x_3,0,x_3,1,…,x_3,Q,...,x_K,0,x_K,1,…,x_K,Q]，X为N×R维矩阵，

R＝(K+1)/2*(Q+1)；y为N×1维列向量，包含长度为N的原始输入信号；

其中矩阵X内部的x_i,j,i＝1,3,5,...,K；j＝0,1,2,3,...,Q为N×1维列向量，表示阶数i、记忆深度j对应的切换开关输出数据，其中，K为奇数，Q为正整数；

S105.将预提取得到的模型系数赋予DPD模型。

5.根据权利要求3所述的一种适应输入信号功率变化的预失真方法，其特征在于：所述步骤S2中，当功率未发生变化时，基于DPD模型进行功放的预失真处理过程的如下：

输入信号在第一乘法器中与参数1-α相乘，并传输给加法器；同时输入信号通过DPD模型进行预失真处理后，与在第二乘法器中与参数α相乘，并传输给加法器；加法器对接收到的信号进行相加处理后，经DAC模块进行转换，然后将转换得到的信号传输到功放PA进行功率放大，功放PA将放大后的信号传输给发射天线进行发射。

6.根据权利要求3所述的一种适应输入信号功率变化的预失真方法，其特征在于：所述步骤S2中，当功率发生变化时，通过参数估计模块计算调节参数，对DPD执行器进行更新，实现功率变化后的预失真处理的过程如下：

S201.当发现功率发生变化时，将切换开关切换到与参数估计模块连接，功率变化检测模块将功率变化前后的信号功率传输给参数估计模块；

S202.参数估计模块根据功率变化前后的信号功率，计算调节参数α对DPD执行器进行更新；

S203.然后基于更新后的DPD执行器实现功率改变后下信号的预失真处理：

输入信号在第一乘法器中与更新后的参数1-α相乘，并传输给加法器；同时输入信号通过DPD模型进行预失真处理后，与在第二乘法器中与更新后的参数α相乘，并传输给加法器；加法器对接收到的信号进行相加处理后，经DAC模块进行转换，然后将转换得到的信号传输到功放PA进行功率放大，功放PA将放大后的信号传输给发射天线进行发射。

7.根据权利要求6所述的一种适应输入信号功率变化的预失真方法，其特征在于：所述调节参数α计算方式如下：

其中，表示功率变化后功率变化检测模块检测到的信号功率，P_out表示初始状态下的信号功率。