CN1185785C - 信号处理 - Google Patents

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Abstract

数字发送子***包括将基带软件无线电级的同相和正交信道作为其输入的DSP(100)。同相和正交输入分别被数字化地预失真(110，120)并数字化地上变频成中频(IF)频带(128)。IF频带信号接着转换成模拟信号(130)，该模拟信号在(140)进行放大之前在(134)被上变频成射频频带，以产生用于从天线发射的RF输出信号。预失真器(110和120)为了线性化RF输出，在发送子***内预失真输入信号以抵消由上变频和放大处理产生的失真。预失真器(110，120)可以利用从位于子***输出的分离器(142)提供给DSP(100)的反馈信号进行自适应调节。反馈装置可以包括模拟相关处理，以允许使用用于向DSP(100)提供反馈的较慢的模拟-数字转换器(图4和图5)。

Description

信号处理
技术领域
本发明涉及在其中对输入信号既进行放大又进行变频的类型的信号处理设备；并且更具体地说，本发明涉及对话音信号进行放大和变频的无线通信设备。
背景技术
新兴的用于移动通信的GSM-EDGE和UMTS标准对手机的线性度，特别是对它们所提出的更宽信道带宽，提出了日益增加的严格的要求。为了实现节能手机的设计，会在手机发送器中要求某些形式的线性化，这类手机发送器应当是(i)本身是低功率的；(ii)能够宽带线性化(上至用于UMTS/ULTRA的5MHz)；(iii)具有灵活的频率，而且最好是多频带的；以及(iv)能够利用高非线性功率放大器(例如，C类)来完成并保持高电平线性度改进。
发明内容
根据一个方面，本发明在于一种对输出信号进行线性化的方法，该方法包括步骤：提供输入信号；利用多项式失真生成(polynomial distortiongeneration)数字化地预失真输入信号并连续地对其进行变频以提供预失真的、变频的信号；以及放大预失真的、变频的信号以生成输出信号。其中预失真步骤包括通过生成来自输入信号的不同阶的失真并独立地控制这些阶的失真，从输入信号产生用于引入输入信号的预失真。
基站技术的趋势趋向于采用“软件无线电(software radio)”技术，即对所有信道的全部的调制参数、锯齿化(ramping)、分帧等在基带上出现(数字化地)的结构。在适当的相互偏移的频率上，所有信道的结合是在为多载波功率放大和来自单个天线的传输而在单个块中上变频的整个频谱和基带上执行的。
但是，为了防止所不希望的相邻信道能量的辐射，上变频和功率放大必须是线性的(低失真的)，并且因此常常需要某些形式的线性化用于功率放大器。在本发明的一个实施例中，在基带信号生成子***和执行上述方法的线性化发送器子***之间，***建立了数字基带(或数字IF)接口。
利用本发明可以使发送器成为数字输入、RF输出的***，其中线性化以数字预失真的形式出现。
在一个实施例中，输入信号的预失真在其变频之前产生。变频步骤最好是上变频步骤。
输入信号可以以包括同相和正交信道的正交形式提供，并且预失真步骤可以包括独立地预失真每个信道。
预失真处理最好可以包括控制预失真的某些部分的幅值和/或相位。该处理可以包括控制预失真，以将频率连同幅值和/或相位的变化引入至少预失真的一部分。
在一个实施例中，预失真可以根据从输出信号提取的反馈信号来控制。在这个实施例中，有可能将导频信号注入输入信号并监视作为反馈的输出信号中的导频信号的失真。反馈与生成的预失真一起可以用于生成控制预失真的控制信号。这些控制信号的生成可以包括相关、或混合、带有反馈的预失真的步骤。最好可以执行使用预失真以及反馈信号的步骤，以至少部分在模拟信号域中生成用于预失真的控制信号。
预失真处理可以包括从输入信号生成失真并将生成的失真重新引入输入信号。失真信号可以通过将输入信号与其本身混合或相乘来产生。产生预失真的步骤可以包括通过将输入信号与其本身相混合不同数量的次数来生成不同阶数的失真。不同阶数的失真最好能够分别被控制。
在优选实施例中，变频和预失真的处理在数字信号处理器内产生。
上述各种方法中的任一种方法，利用在数字域中产生的并包含所希望传送的信息的输入信号，可以用于产生从天线装置发送的输出信号。
根据另一方面，本发明涉及用于线性化输出信号的设备，该设备包括用于利用多项式预失真生成数字化地预失真输入信号的预失真装置，和连续地在输入信号上进行运算以提供预失真的、变频的信号的变频装置，该设备还包括用于放大预失真的、变频的信号以产生输出信号的放大装置，以及用于放大预失真的、变频的信号以产生输出信号的放大装置。其中预失真装置通过生成来自输入信号的不同阶数的失真并独立地控制这些阶数的失真，从输入信号中产生用于引入输入信号的预失真。
附图说明
现在参照附图，仅以示例的方式，对本发明的某些实施例进行描述，其中：
图1是描述数字发送子***线性化方法的图；
图2是预失真器的图；
图3是非线性生成电路的图；
图4是描述数字发送子***线性化方法的图；
图5是描述数字发送子***线性化方法的图；以及
图6是描述预失真电路的图。
具体实施方式
图1描述了采用基于多项式的预失真器的基本数字发送器线性化***。***的基带、数字输入信号是由诸如“软件无线电”结构提供的，在此结构中对所有信道的全部的调制参数、锯齿化、分帧等在基带上数字化地出现。图1的发送器***的输入形式是分别以数字同相和正交信道输入，I和Q，的形式提供的，这些输入被提供给数字信号处理器(DSP)100。
同相信道输入信号是利用同相信道多项式预失真器110来数字化地预失真的，而正交信道输入信号是利用正交信道多项式预失真器120来数字化地预失真的。利用混合器122和124，采用正交分离器128的方式，将来自预失真器110和120的输出分别混入分别来自本地振荡器126的同相和正交形式(version)的信号。来自混合器122和124的输出然后数字化地结合以生成中频(IF)频带输出信号，该信号由数字-模拟转换器130转换成模拟信号。模拟IF输出信号接着在132进行带通滤波，并且随后利用混合器134，与来自本地振荡器136的输出进行混合以生成上变频成射频(RF)频带的信号。此RF信号然后在被非线性RF功率放大器140放大之前在138进行带通滤波，放大器140将***输出提供给，例如手机或者基站的天线。在DSP 100中的预失真器110和120的目的是为了线性化整个发送器***的响应，补偿RF功率放大器(PA)140的非线性特性，并且还可能补偿上变频处理的非线性特性。
预失真器110和120通过将预失真分别施加于I和Q输入信道来工作的，此预失真用于补偿由PA 140(而且还可能由上变频处理)引起的失真。在110和120施加的预失真的特性是根据利用分离器142从PA 140的输出中提取的反馈信号来控制的。从该分离器反馈的部分PA输出通过将其与本地振荡器136的输出混合被相应地下变频，其中本地振荡器136用于在主信号路径中上变频IF信号。发生在混合器144的该混合处理的结果在148被转换成数字信号之前在146进行滤波，此数字信号是为了向预失真器110和120提供反馈控制而提供给DSP 100的。
图1的发送器***能够以许多方式被应用。例如，为了提供与模拟基带级(stage)而不是与上述的“软件无线电”结构的兼容性，DSP 100可以在同相和正交信道的输入上配备有模拟-数字转换器。而且，到DSP 100的输入可以是数字或模拟的IF频带输入信号，该信号可以在按照参照图1的上述描述对其进行处理之前在DSP中被数字化地正交下变频(在任何必要的模拟-数字转换之后)。而且还能够进行修改。例如，能够采用从IF到RF频带的多级上变频，并/或能够使用幅值和相位多项式模型以替换在图1中使用的同相和正交(笛卡尔)模型。预失真的信号上变频成IF频带及更高频带能够发生在模拟信号域中。
图2描述了图1***中预失真器110和120中的每一个所采用的预失真电路的形式。同相的或者，正如该例所示，正交信道的输入信号提供给分离器200，分离器200将其分配给预失真器的各个分量以产生不同阶数的失真(后面将会解释)。例如，来自分离器200的输入信号在提供给组合器21 6之前，提供给第三阶非线性发生器210以生成分别在212和214进行增益和相位调整的第三阶非线性。任何附加阶数的失真，例如第五阶、第七阶和第n阶，以类似的方式被产生和调整，并提供给组合器216。
在组合器216中，调整过的非线性与到分离器200的并经过延迟元件218传递到组合器216的输入信号重新组合，延迟元件218对输入信号进行补偿由生成不同阶数失真的路径的非线性中的信号所经历的延迟。因此，从组合器216输出到混合器122的，或者本例情况输出到混合器124中的信号包括预失真器输入信号与单独调整和生成的各阶失真的和。
现在将参照图3说明产生用于单独控制的不同阶失真的处理。基本上，每阶的失真是通过将输入信号(即，输入到预失真器110和120中的分离器200的同相或正交数字输入信道)与其自身相乘来产生的。此处理在UK专利申请9804745.9中有详细的说明。在图3中，输入信号除了提供给图2中的延迟元件218之外，还提供给执行图2中的分离器200的功能的分离器300。
很显然，混合器310用于对输入信号求平方并且第三阶的失真信号是通过将混合器310的输出与混合器312的输入信号相混合(相乘)产生的，从而有效地形成了输入信号的立方形式。同样地，第四阶信号是通过在混合器314中对混合器310的输出求平方产生的。第五阶失真信号是通过在混合器316中将来自分离器300的输入信号混入混合器314的输出产生的。在混合器318中，来自混合器310的平方过的输入信号被混入来自混合器314的第四阶信号，以产生第六阶信号，第六阶信号随后在混合器320中被混入来自分离器300的输入信号以产生第七阶失真信号。
很显然对于专业人员而言，该方案能够扩展到所述任何阶生成的失真。而且还要注意，第二、第四和第六阶的失真信号能够分别从接头(tap)322、324和326上提取，并且这些偶数阶的失真信号可以按预失真控制的形式来使用。
图3中的各种DC输入(DC1、DC2等)用于通过注入适当的DC信号电平来从各种输出中消除所不希望的阶的失真，这里在考虑DSP实现的情况下，注入DC信号电平等效于固定数量的适当信号(+/-)的相加。而且还可以按照另外一种装置(mechanism)直接减去所不希望的信号来实现同样的目标。
这种预失真生成的方法的优点在于处理十分简单，其中每个混合器块(310、320等)简单地相当于在多数DSP中仅包括单独指令循环的乘法。与某些传统形式的基带预失真生成不同，预失真生成装置直接在300提供的输入上进行运算，因此不需要存储器来存储系数，而这些传统形式的基带预失真生成中存储器需求较大，或者如果减少存储器需求，就必须执行实时内插计算，从而增加了处理功率的需求。
在图1的实施例中，可能需要高速模拟-数字转换器来取样IF频带反馈信号。图4中的实施例通过使用DSP外部的相关处理器作为简单地减少模拟-数字转换器的所需的取样频率的方法，避免了使用源漏极(resource-draining)快速模拟-数字转换器。在每个到同相和正交信道预失真器(相关器410和412)的反馈路径中仅示出了单个相关器(混合器)，但是正如后面参照图5所要描述的，该原理可以扩展到许多个相关器以及许多阶的失真。在其它方面，图4的实施例与图1的实施例相似。
本技术通过在频率偏移上变频成IF频带和数字-模拟转换(416、418)之后，将有关的基带失真分量(例如，第三阶)的形式与来自放大器输出的下变频(在414中)的反馈信号相关来运行的。控制信号在最小化放大器输出中的残余失真时，用于最小化该相关结果。当上变频失真分量时使用小的频率偏移保证了所希望的IF频带相关器的结果处于适当(音频)的频率上，因此消除了任何有关在相关器输出上的DC偏移的问题。音频频率相关结果随后可以由低取样频率转换器(420、422)来取样，并在DSP内被检测，这样消除了DC漂移的可能性。
应当理解，尽管此方法使用了高取样频率数字-模拟转换器(416、418)来提供偏移基带失真输出，但是该解决方法将占用比在图1的实施例中向DSP提供反馈信号时使用的高取样频率模拟-数字转换器更低的成本和更低的功率消耗(即使考虑到低取样频率模拟-数字转换器420、422的额外成本和功率消耗)。数字-模拟转换器416和418所需的动态范围(比特位数)还将大大小于在图1实施例的反馈路径的模拟-数字转换器中所需的动态范围。这样导致了进一步节省成本和功率。
现在将参照图5解释这些相关处理和展开成多个失真阶的操作。在该图所示的实施例中，I和Q信道数字输入提供给数字信号处理器500，处理器500包括分别在I和Q信道输入上进行运算的两个独立的预失真器510和512。预失真器510和512分别如参照图2和3所述组成的。上变频器514对I和Q预失真的信号进行上变频以提供IF频带信号，IF频带信号然后通过数字-模拟转换器516传输到电路的模拟部分。除了I和Q反馈路径在输送相关处理的分离器518和520中终止之外，***的模拟部分以图1的实施例所述的相同方式运行。
控制处理是单独地对I和Q信道进行的，因而提供了独立的放大器特性的正交多项式模型。因为对于预失真器510和512中的每个预失真器而言控制方法基本上是相同的，所以现在将仅说明在正交信道数字输入信号上执行的预失真器512的控制方法。
在预失真器512中产生的奇数阶的失真522、524、526、528中的每个失真提供给各自的混合器530、532、534、536的输入，这些混合器的另一个输入提供有来自发生器538的正交移位的、偏移本地振荡器信号。应当理解，正交分离器540将偏移本地振荡器信号的相应的同相形式提供给用于预失真器510的控制装置。返回到预失真器512的控制装置，混合器530、532、534、536的输出表示了在预失真器512内产生的由偏移本地振荡器信号上变频的各个阶的失真。这些信号转换成模拟信号并提供给混合器542、544、546、548的输入。这些混合器使偏移上变频的失真阶数与提供给分离器520的反馈信号相关。
结果的音频范围信号由一组模拟-数字转换器取样并提供给DSP内的另外一组相关混合器550、552、554、556。从在560中偏移本地振荡器538的输出与来自本地振荡器558(在上变频器514中)的信号的相关结果中提取的信号提供给这些混合器中的每个混合器的另一个输入。LO 558和538分别具有频率70MHz和70.001MHz，混合器560的输出是1KHz的偏移频率。
接着对相关器550、552、554、556的输出进行积分以提供用于预失真器512的幅值调整元件的控制信号(已参照图2进行了说明)。同样的，由积分器产生的控制信号能够用于控制预失真器512的相位调整元件。以这种方式，完成了预失真器510和512的反馈控制。因为数字化地出现了积分和向前的相关，所以消除了任何降低失真(相互调制)电平的DC漂移或偏移的可能性。为了使处理保持一致，对于DSP时钟和RF本地振荡器而言有必要从相同的来源提取，或者以某种方式相位锁定。实现此的最简单的方法是从相同的晶体参照振荡器中即提取DSP时钟又提取本地振荡器。
应当注意，***能够采用极坐标(幅值和相位)的形式执行，以替代前述的笛卡尔(I和Q)的形式。
在预失真器中可以包括自适应滤波以产生相对于生成的每一阶的失真的频率特性的任意幅值和/或相位。这能够对否则要经过不平衡相互调制失真的输出信号进行线性化。如图6所示，基本的预失真方法，如图2所述，能够通过在产生不同阶的失真的路径中的每个路径中包含自适应滤波器610等来进行改装。这些滤波器能够数字化地实现，并能够是递归或非递归类型，而且可以利用来自RF功率放大器的输出的反馈信号进行改进。基本***还可以改进成在上变频和放大之前使用注入到主信号路径的导频信号。导频音调应当在DSP内产生(例如，使用数值控制的振荡器)并在I和Q输入信号的上变频之前叠加到IF频带。导频信号将在上变频和放大处理的适当期间完全经过来自输入信号的交叉调制失真，并且这种交叉调制失真能够从RF功率放大器的输出反馈以控制预失真器，如UK专利申请9814391.0所述。干扰导频信号的交叉调制分量能够利用反馈控制装置进行最小化，由于相互调制处理该控制装置依次使主信号的相关失真最小化。

Claims (39)

1.一种对输出信号进行线性化的方法，该方法包括步骤：提供输入信号；利用多项式失真生成数字化地预失真输入信号并连续地对其进行变频以提供预失真的、变频的信号；以及放大预失真的、变频的信号以产生输出信号，其中预失真步骤包括通过生成来自输入信号的不同阶的失真并独立地控制所述阶的失真，从输入信号中产生用于引入输入信号的预失真。
2.根据权利要求1所述的方法，其中输入信号的预失真在其变频之前发生。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中变频步骤是上变频步骤。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其中输入信号采用的是包括同相和正交信道的正交形式，并且预失真步骤包括独立地对每个信道进行预失真的步骤。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其中预失真步骤包括控制预失真的幅值和/或相位的步骤。
6.根据权利要求1或2所述的方法，其中预失真步骤包括控制预失真以将频率连同幅值和/或相位的变化引入预失真的步骤。
7.根据权利要求1或2所述的方法，包括根据从输出信号提取的反馈信号控制预失真的步骤。
8.根据权利要求7所述的方法，包括将导频信号引入输入信号的步骤，并且其中根据反馈信号控制预失真的步骤包括监视输出信号中的导频信号的失真的步骤。
9.根据权利要求7所述的方法，还包括利用预失真以及反馈信号以生成用于预失真步骤的控制信号的步骤。
10.根据权利要求9所述的方法，其中利用预失真以及反馈信号以生成控制信号的步骤包括将预失真与反馈信号相关的步骤。
11.根据权利要求10所述的方法，包括在相关步骤之前对预失真进行变频的步骤。
12.根据权利要求11所述的方法，其中对预失真进行变频的步骤包括将预失真与第一频率的第一信号混合的步骤。
13.根据权利要求12所述的方法，其中对输入信号进行变频的步骤包括将其与第二频率的信号混合的步骤，并且相关步骤包括将变频的预失真与反馈混合以产生中间信号的步骤。
14.根据权利要求13所述的方法，其中相关步骤包括将中间信号与频率为第一和第二频率的差值的信号相关的步骤。
15.根据权利要求9所述的方法，其中利用预失真以及反馈信号以生成控制信号的步骤是至少部分在模拟信号域中执行的。
16.根据权利要求1或2所述的方法，其中预失真步骤包括将输入信号与其本身混合或相乘以生成失真信号。
17.根据权利要求1或2所述的方法，其中预失真步骤包括通过将输入信号与其本身重复地混合来生成不同阶的失真。
18.根据权利要求1或2所述的方法，其中输入信号的变频发生在数字域中。
19.一种以无线方式发送信息的方法，包括为了生成用于发送的输出信号，处理信息以产生输入信号并通过前述权利要求1所述的方法来处理输入信号的步骤。
20.对输出信号进行线性化的设备，包括用于利用多项式预失真生成数字化地对输入信号进行预失真的预失真装置，和连续地在输入信号上进行运算以提供预失真的、变频的信号的变频装置，以及用于放大预失真的、变频的信号以产生输出信号的放大装置，其中预失真装置通过生成来自输入信号的不同阶数的失真并独立地控制所述阶数的失真，从输入信号产生用于引入输入信号的预失真。
21.根据权利要求20所述的设备，其中预失真装置在变频装置之前在输入信号上进行运算。
22.根据权利要求20或21所述的设备，其中变频装置包括上变频装置。
23.根据权利要求20或21所述的设备，其中输入信号采用的是包括同相和正交信道的正交形式，并且预失真装置包括独立地对每个信道进行预失真的装置。
24.根据权利要求20或21所述的设备，其中预失真装置包括控制预失真的幅值和/或相位的装置。
25.根据权利要求20或21所述的设备，其中预失真装置包括控制预失真以将频率连同幅值和/或相位的变化引入预失真的装置。
26.根据权利要求20或21所述的设备，包括根据从输出信号提取的反馈信号控制预失真的控制装置。
27.根据权利要求26所述的设备，包括将导频信号引入输入信号的***装置，并且其中控制装置包括监视输出信号中的导频信号的失真的装置。
28.根据权利要求26所述的设备，还包括利用预失真以及反馈信号以生成用于预失真装置的控制信号的控制信号生成装置。
29.根据权利要求28所述的设备，其中控制信号生成装置包括将预失真与反馈信号相关的相关装置。
30.根据权利要求29所述的设备，包括在其由相关装置进行的相关之前对预失真进行变频的预失真变频装置。
31.根据权利要求30所述的设备，其中预失真变频装置包括将预失真与第一频率的第一信号混合的预失真混合装置。
32.根据权利要求31所述的设备，其中对输入信号进行变频的变频装置包括将其与第二频率的信号混合的装置，并且相关装置包括将变频的预失真与反馈混合以产生中间信号的装置。
33.根据权利要求32所述的设备，其中相关装置包括将中间信号与频率为第一和第二频率的差值的信号相关的装置。
34.根据权利要求29所述的设备，其中控制信号生成装置是至少部分在模拟信号域中执行的。
35.根据权利要求20或21所述的设备，其中预失真装置包括将输入信号与其本身混合或相乘以生成失真信号的装置。
36.根据权利要求20或21所述的设备，其中预失真装置包括通过将输入信号与其本身重复地混合来生成不同阶的失真的阶生成装置。
37.根据权利要求20或21所述的设备，其中预失真装置是由数字信号处理器实现的。
38.根据权利要求20或21所述的设备，其中对输入信号进行变频的装置是在数字域中运行的。
39.以无线方式发送信息的设备，包括为了生成用于从天线装置发送的输出信号，处理信息以产生输入信号并通过权利要求20所述的设备来处理输入信号的装置。
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