ITMI991323A1

ITMI991323A1 - Precorrezione digitale adattiva di non-linearita' introdotte da amplificatori di potenza

Info

Publication number: ITMI991323A1
Application number: IT1999MI001323A
Authority: IT
Inventors: Angelo Leva; Sergio Gulino; Gianluigi Redaelli; Arnaldo Spalvieri
Original assignee: Cit Alcatel
Priority date: 1999-06-15
Filing date: 1999-06-15
Publication date: 2000-12-15
Also published as: IT1313906B1; US6320463B1; EP1061642A2; EP1061642A3; ITMI991323A0

Description

DESCRIZIONE

La presente invenzione riguarda la precorrezione di non-linerità nei sistemi di trasmissione ed in particolare la precorrezione adattativa delle non-linearità in sistemi di trasmissione a singola portante o multiportante.

Come è noto, l’effetto finale della distorsione non lineare introdotta da un amplificatore di potenza (HPA) è la variazione delle energie spettrali in banda e la comparsa di energie fuori banda. La variazione delle energie in banda causa una distorsione del segnale trasmesso ( clustering , ogni punto della costellazione si disperde in una nuvola di punti, e .warping, traslazione dei centri di gravità dei clusters), mentre i prodotti di intermodulazione responsabili delle distorsioni fuori banda causano interferenza con i canali adiacenti. Entrambi i fenomeni determinano una riduzione delle prestazioni in termini di BER (Bit Errar Rate) e di efficienza spettrale.

Una riduzione di questi effetti si ottiene utilizzando un elevato valore di IBO (Input Back-Off), ma ciò comporta una riduzione in termini di efficienza di potenza dell’HPA. Una soluzione più efficiente consiste nell’uso di tecniche di pre-distorsione. In questo modo non solo si riescono a ridurre gli effetti dovuti alle non linearità ma si aumenta anche l’efficienza di potenza con la conseguente riduzione delle dimensioni e dei costi dei trasmettitori per broadcast.

Un pre-distorsore (PD) è un dispositivo in grado di generare una pre-distorsione atta a compensare quella introdotta dall’HPA. Il risultato finale di una simile predistorsione è valutabile con la possibilità di utilizzare lΗΡΑ a potenza più alta (IBO basso) a parità di distorsione o alla stessa potenza garantendo una distorsione più bassa.

Sono note varie tecniche di pre-distorsione: “feed-forward”, “data pre-distortion” (con o senza memoria), e “signal pre-distortion” (a RF, IF o in banda base). La tecnica feed-forward è complessa, richiede una sintonizzazione fine, una potenza aggiuntiva per le perdite introdotte sul segnale principale ed una potenza addizionale per generare la distorsione di segnale. La tecnica di data pre-distortion compensa solo la distorsione negli istanti di campionamento, non elimina le distorsioni fuori banda ed è dipendente dal tipo di modulazione. Infine, la signal pre-distortion (pre-distorsione di segnale) genera un segnale pre-distorto che dovrebbe comparire in uscita dall’HPA senza distorsione. L’effetto congiunto di un pre-distorsore di segnale ideale con un HPA è una funzione lineare fino al livello di saturazione. Per questa ragione, la pre-distorsione di segnale elimina sia le distorsioni in banda e fuori banda fin quando il segnale non supera il livello di saturazione.

Teoricamente la pre-distorsione di segnale può essere applicata a RF, IF o in Banda Base. L’approccio a RF non è desiderabile poiché teoricamente richiederebbe un circuito specifico per ogni portante eri un perfetto allineamento alle varie frequenze.

Indipendentemente dal tipo di pre-distorsione implementata, un sistema di precorrezione è costituito da un predistorsore (PD) e da imo stimatore. Il PD, sfruttando le informazioni ricevute dallo stimatore, effettua una pre-distorsione dei campioni di segnale presenti al suo ingresso. Obiettivo dello stimatore è, invece, quello di stimare le caratteristiche di fase e di ampiezza inversa dell'amplificatore. È preferibile inoltre che il sistema sia adattativo, dovendo seguire eventuali variazioni delle caratteristiche dell’amplificatore dovute a fenomeni termici o di invecchiamento, istantaneo cioè in corrispondenza ad ogni simbolo proveniente dalla sorgente in uscita dal PD si deve ottenere in tempo reale il simbolo pre-distorto da inviare all'HPA.

Particolare cura occorre dedicare alla stima della caratteristica d'ampiezza inversa più che alla stima della caratteristica di fase. In particolare, si vorrebbe riuscire a stimare direttamente l'inverso senza dover effettuare ulteriori operazioni matematiche.

Con riferimento alla pre-distorsione di segnale in banda base, il sistema di precorrezione può essere realizzato utilizzando due differenti schemi che differiscono per gli ingressi inviati allo stimatore: in un caso (architettura “A”, Fig. la) lo stimatore riceve come ingressi i campioni di segnale presenti in ingresso al PD ( pn ) ed in uscita all'amplificatore ( Rn ) opportunamente demodulati, nell’altro caso (architettura “B”, Fig. lb) lo stimatore riceve come ingressi i campioni di segnale, opportunamente demodulati, presenti in ingresso ed in uscita dall'HPA (Rne d rn ) ed in base ad essi, come nel caso precedente, effettua la stima dello stesso.

In letteratura è in particolare noto (da G. Santella, “ Performance of Adaptive Predistorters in Presence of Orthogonal Multicarrier Modulation ”, International Conference on Telecommunications, pagine 621-626, Melbourne, Australia 2-5 Aprile, 1997) un sistema che effettua la pre-distorsione del segnale in banda base e che segue l’architettura “B” di cui sopra. Il contenuto di tale pubblicazione si ritiene incorporato nella presente descrizione come riferimento. La soluzione proposta da Santella implementa una procedura ricorsiva, dipendente dalle condizioni iniziali e dai coefficienti di “step size”, convergente al punto stabile minimizzando l’errore quadratico medio. Secondo tale .soluzione, una trasformazione viene applicata al segnale in modo tale che, quando esso viene amplificato, gli effetti delle non linearità introdotte dall’HPA vengano compensati. Tra gli inconvenienti di tale soluzione vi sono il fatto che l’algoritmo è instabile per valori dei coefficienti di “step size” maggiori di una determinata soglia, il fatto che i valori di detti coefficienti non influenzano sensibilmente la velocità di convergenza ma influenzano le oscillazioni delFerrore ed infine che affinché sia raggiunta la convergenza occorrerà spazzolare l’intera caratteristica dell’HPA almeno 3/5 volte.

Alla luce della tecnica anteriore di cui sopra, lo scopo principale della presente invenzione è quello di fornire un metodo ed un dispositivo per precorreggere le non linearità introdotte da amplificatori di potenza in sistemi di trasmissione (multiportante o a singola portante) che permettano di ridurre il tempo di stima e di effettuare un’inversione istantanea.

Questo scopo, oltre ad altri, viene ottenuto mediante un metodo ed un dispositivo secondo le rivendicazioni 1 e 9, rispettivamente. Ulteriori caratteristiche vantaggiose dell’ invenzione vengono indicate nelle rispettive rivendicazioni dipendenti.

La presente invenzione utilizza la tecnica di pre-distorsione di segnale in banda base realizzata con il secondo schema. L’idea alla base dell’invenzione consiste nell’ adottare un algoritmo non ricorsivo per il processo di stima delle caratteristiche dell’ amplificatore ed in particolare per la stima della caratteristica di ampiezza inversa.

L’invenzione verrà completamente compresa dopo aver letto la descrizione dettagliata che segue, data a puro scopo esemplificativo e non limitativo della stessa, da leggersi con riferimento alle annesse tavole di figure illustrative, in cui:

- le Figg. 1a e 1b mostrano due architetture note di sistemi di pre-correzione;

- la Fig. 2 rappresenta graficamente il principio su cui si basa la presente invenzione; - la Fig. 3 è uno schema a blocchi del predistorsore secondo l’invenzione;

- la Fig. 4 è uno schema a blocchi dello stimatore secondo l’invenzione;

- la Fig. 5 mostra graficamente l’algoritmo di precorrezione secondo l’invenzione;

- la Fig. 6 è una rappresentazione del segnale di training; e

- le Figg. 7a e 7b sono schemi a blocchi del predistorsore e dello stimatore secondo una soluzione alternativa.

La presente invenzione adotta un algoritmo non ricorsivo per il processo di stima delle caratteristiche dell’amplificatore ed in particolar modo per la stima della caratteristica d’ampiezza inversa. Questo permette di ridurre il tempo di stima e di effettuare un’inversione istantanea.

Il principio base utilizzato per effettuare tale operazione è di seguito riportato:

Supponiamo di avere una funzione y = f(x) continua e monotona nell’intervallo [a,b], allora la funzione x = f<~>'{y) è detta funzione inversa della y = f(x) ed è anch’essa continua e monotona dello stesso tipo in [f(α), f(b)] . Dette funzioni sono simmetriche rispetto alla bisettrice del primo e terzo quadrante. Questo può essere verificato o sfruttando le proprietà delle funzioni inverse o analiticamente.

Sotto queste condizioni, data la caratteristica d’ampiezza dell’ amplificatore con r(t) ed R (t) compresi rispettivamente fra [a,b\ ed [A(à),A(b)\ possiamo stimare la sua inversa r(t ) = A<_1>[R(t] , usando la seguente relazione:

se il punto α di coordinate (r<o >(t), A[r0(t)]) appartiene all’insieme {r(t) A[r(t]} per ogni r0(t) appartenente ad [a,b] allora il punto β di coordinate (A [r0(t),r0(t) appartiene all’insieme per ogni R0(t) appartenente ad [ A(a),A(b )] come

mostrato in Fig. 2. Quanto detto si traduce analiticamente in:

(1)

In base a quanto detto in precedenza possiamo concludere che la caratteristica d’ampiezza dell’HPA e la sua inversa sono simmetriche rispetto alla bisettrice del primo e terzo quadrante. Questo comporta che per stimare la caratteristica AM/ AM inversa basterà invertire, simbolo per simbolo, la coppia ingresso-uscita dell’amplificatore e memorizzare il punto così ottenuto in una Look-up-Table.

Nelle Fig. 3 e 4 è mostrato uno schema a blocchi dettagliato delle parti, stimatore e pre-distorsore, costituenti il sistema di pre-correzione secondo la presente invenzione. Essi sono realizzati in modo tale che il PD risulti l’inverso dell’HPA. L’adattamento consiste nella stima puntuale ed in tempo reale delle caratteristiche dell'HPA.

Per poter utilizzare una Look-up-Table occorre effettuare una quantizzazione delle caratteristiche AM/AM ed AM/PM del PD. In particolare, viene effettuata una quantizzazione uniforme del modulo d’ingresso al PD e per ogni intervallo di quantizzazione si assume costante il valore della caratteristica corrispondente, quindi le caratteristiche verranno approssimate con una gradinata.

Per quanto riguarda lo stimatore, si indichi con <ì >il segnale pre¬

sente in ingresso al il segnale in uscita dallo stesso ed inviato in ingresso all’amplificatore e con quello in uscita da quest’ultimo.

In base alla legge di quantizzazione introdotta, le caratteristiche AM/ AM ed AM/PM del PD possono essere così schematizzate:

dove T ] è l’i-esimo intervallo di quantizzazione dell’insieme dei moduli d’ingresso al l j -esimo intervallo di quantizzazione dell’insieme dei moduli predi-

storti (jy| = r) ■

In base alle relazioni precedenti, il compito dello stimatore consiste nella stima dei coefficienti che successivamente verranno memorizzati nella

Look-up-Table.

Per avere una stima puntuale della caratteristica d’ampiezza inversa, per quanto detto in precedenza, è sufficiente memorizzare invertita la coppia ingresso-uscita dell’HPA in una memoria. Questo implica una quantizzazione dell’asse dei moduli d’ingresso al pre-correttore, ovvero del modulo d’uscita dell’HPA.

Quindi lo stimatore, data la coppia ingresso-uscita dell’HPA, effettuerà una quantizzazione del modulo d’uscita ed il corrispondente valore del modulo d’ingresso verrà memorizzato nella locazione di memoria il cui indice è dato dalla cardinalità dell’intervallo di quantizzazione 7] cui appartiene il modulo d’uscita.

Per quanto riguarda la stima della caratteristica AM/PM, verrà effettuata la quantizzazione del modulo d’ingresso deiramplificatore ed il valore della fase d’uscita verrà memorizzato nella locazione di memoria il cui indirizzo è determinato dall’intervallo di quantizzazione T} cui appartiene il modulo d’ingresso.

Dette operazioni verranno effettuate in corrispondenza ad ogni campione di segnale inviato all’HPA ed in tal modo si otterrà il continuo adattamento delle caratteristiche del PD a quelle dell’HPA.

Lé caratteristiche così memorizzate dallo stimatore verranno utilizzate dal PD. In particolare, quest’ultimo riceve i campioni del segnale in banda base espressi in coordinate polari, effettua una quantizzazione del modulo presente al suo ingresso ed in base aH’intervallo 7} di appartenenza determina l’indirizzo da cui leggere il valore del modulo pre-distorto che verrà inviato, da una parte, all’HPA e dall’altra ad un circuito in grado di determinare l’indirizzo di memoria j da cui leggere il valore della distorsione di fase introdotta dall’HPA in corrispondenza a detto modulo. Tale distorsione verrà quindi sottratta alla fase del campione di segnale, opportunamente ritardato, presente aH’ingresso.

Per descrivere formalmente gli algoritmi utilizzati dallo stimatore e dal precorrettore si utilizza la notazione introdotta nel paragrafo precedente e si schematizza la Look-up-Table mediante due memorie //*(<■>) ed Hg{) da /V celle, in cui verranno memorizzati gli N valori della caratteristica AM/ AM inversa e della caratteristica AM/PM rispettivamente, come mostrato in Figura 5.

Per stimare la caratteristica d’ampiezza inversa lo stimatore deve determinare l’indirizzo di memoria i in cui memorizzare il Ivi = r . Detto indirizzo verrà determinato calcolando la parte intera della seguente divisione:

Determinato i, lo stimatore memorizzerà il valore di r nella casella

Per stimare la curva AM/PM, l’indice j verrà determinato in base al modulo del segnale presente in ingresso all’HPA, procedendo come fatto in precedenza

Nelle (3) e (4) 1/N rappresenta l’ampiezza del generico intervallo di quantizzazione poiché stiamo supponendo che gli intervalli [a, b] e [A(a), A(b)] siano normalizzati fra [0, 1]. Nel caso generico, in cui detta ipotesi non sia verificata, occorre sostituire ad 1/N l’ampiezza effettiva del corrispondente intervallo di quanti zzazione preso in esame.

I valori così memorizzati verranno utilizzati dal pre-correttore, il quale determinerà i valori pre-distorti da inviare all’HPA ed allo stimatore in base alle seguenti relazioni:

( r

Dallo schema di Fig. 5 si evince che il valore pre-distorto della fase da inviare all’HPA viene determinato non in base al modulo generato pn ma in funzione del modulo pre-distorto rn . Questo poiché la distorsione di fase introdotta dall’ amplificatore dipende dal modulo del segnale presente al suo ingresso che è rn .

La Look-up-Table è quindi costituita dalle due memorie HR ed Hg, la cui dimensione dipende dal numero di intervalli di quanti zzazione (A), determinato in funzione dell’errore di quantizzazione voluto. È opportuno osservare che la soglia dell’errore di quantizzazione dipende dal BER che ci si prefigge di ottenere e dal tipo di amplificatore utilizzato.

Nello schema proposto sono state utilizzate due memorie indipendenti in cui memorizzare i valori reali rappresentativi delle caratteristiche di fase e di ampiezza inversa, in alternativa è possibile utilizzare un’unica memoria in cui memorizzare dei valori complessi espressi in coordinate polari. Lo stimatore ed il PD vedranno modulo e fase comò due entità indipendenti da aggiornare e da leggere utilizzando le relazioni viste in precedenza.

Per migliorare la velocità di convergenza del PD si può utilizzare una tecnica di apprendimento detta di "broadcasting". In particolare, si suppone di raggruppare gli intervalli di quantizzazione in gruppi da M e di aggiornare simultaneamente i contenuti degli indirizzi di memoria appartenenti allo stesso insieme ogni volta che uno di loro è indirizzato. M sarà scelto relativamente grande all'inizio della fase di apprendimento, ottenendo in un tempo sufficientemente breve una stima grossolana delle caratteristiche dell’HPA, a questo punto M verrà gradualmente ridotto ad 1 per ottenere una stima accurata.

Un'altra importante tecnica per minimizzare il tempo di stima consiste nell'utilizzare una quantizzazione non uniforme e dipendente dalla distribuzione di probabilità dei campioni del segnale generato. Ad esempio si potrebbero scegliere intervalli di quantizzazione di ampiezza inversamente proporzionale alla frequenza di accesso e quindi alla distribuzione di probabilità relativa al modulo del segnale d’ingresso all’HPA.

Poiché il sistema secondo l’invenzione riesce a stimare le caratteristiche dell’HPA dopo una sola scansione dell’insieme degli intervalli di quantizzazione, per minimizzare il tempi di stima si potrebbe inviare all’HPA un segnale di training, opportunamente realizzato, all’inizio della trasmissione o negli istanti di pausa. Un segnale che permetterebbe di ottenere il risultato voluto nel minor tempo possibile è un dente di sega di ampiezza pari alla dinamica d’ingresso dell’HPA, come mostrato in Fig. 6.

Utilizzando la stessa architettura e lo stesso principio di simmetria di una funzione e della sua inversa è possibile realizzare il sistema di pre-distorsione utilizzando delle Reti Neurali.

In<' >base ad una proprietà universale di approssimazione, secondo la quale con una Rete Neurale multistrato del tipo 1- N-l è possibile approssimare qualunque funzione non lineare' purché il numero di neuroni N sia scelto sufficientemente grande, per realizzare il sistema di pre-distorsione è stata scelta, come struttura base, una rete neurale di detto tipo.

Per stimare la caratteristica di ampiezza inversa, sfruttando la proprietà di simmetria descritta, basterà inviare in ingresso alla rete neurale il modulo d’uscita dell’HPA ed utilizzare il modulo d’ingresso per valutare Terrore utilizzato dalTalgoritmo di backpropagation per l’aggiornamento dei pesi sinapsici. Per quanto detto in precedenza lo stimatore ed il PD sono implementati come mostrato in Figura 7.

In particolare, lo stimatore utilizza due Reti Neurali, una per stimare la caratteristica AM/PM e l’altra per la AM/ AM inversa. La prima riceve in ingresso il modulo del segnale pfe-distorto rn ed utilizza la fase del segnale presente all’uscita delTamplificatore Ψη per valutare Terrore utilizzato dalTalgoritmo di Back Propagation per T aggiornamento dei pesi. La seconda riceve in ingresso il modulo del segnale amplificato Rn ed utilizza il modulo del segnale pre-distorto rn per valutare il segnale errore. I pesi sinapsici così determinati verranno memorizzati in una Look-up-Table per essere utilizzati dal PD.

Anche il PD è costituito da due reti neurali, identiche a quelle utilizzate nello stimatore, queste però non effettuano l’aggiomamento dei pesi poiché utilizzano i valori memorizzati nella Look-up-Table.

II modulo del segnale generato dalla sorgente p n viene inviato alla rete neurale che simula la caratteristica d’ampiezza inversa deU’amplificatore, ottenendo alla sua uscita il modulo pre-distorto <r>n . Questo viene inviato da una parte all’HPA ed allo stimatore, dall’altra, poiché la distorsione di fase introdotta daU’amplificatore dipende dal modulo del segnale presente al suo ingresso <n >, alla rete neurale che simula la caratteristica AM/PM per ottenere la corrispondente distorsione di fase. Quindi la fase del seg

gnale pre-distorto Θ sarà ottenuta come differenza tra la fase del segnale generato dalla sorgente e la corrispondente distorsione di fase ξη.

Riassumendo, per realizzare la pre-distorsione occorre memorizzare i pesi sinapsici di due reti neurali ed il loro aggiornamento viene effettuato solo nello stimatore, il PD è istantaneo ed infine il sistema è adattativo.

Saranno a questo punto chiari i vantaggi ottenuti dalla presente invenzione utilizzando la tecnica di pre-distorsione di segnale in banda base realizzata con il secondo schema (Fig. lb): a) maggiore flessibilità riguardo alle possibili tecniche di precorrezione utilizzabili (pre-distorsione dati; pre-distorsione di segnale a IF, RF o in banda base); b) maggiore flessibilità riguardo alle possibili strutture base utilizzabili per la realizzazione del PD (Look-up-Table; Reti Neurali); e c) diversi algoritmi possono essere adottati per la stima della caratteristica d’ampiezza inversa (interpolazione polinomiale; inversione matematica della caratteristica diretta; e inversione istantanea o mediante algoritmi ricorsivi). Inoltre, la tecnica scelta riesce a cancellare sia le distorsioni in banda e fuori banda, fin tanto che il segnale non eccede il livello di saturazione. Può, inoltre, essere implementata completamente con dispositivi digitali e risulta indipendente dal tipo di modulazione, sia essa a singola (N-QAM) o multi portante (OFDM).

È evidente che alle forme di realizzazione illustrate e descritte in dettaglio potranno essere apportate numerose modificazioni, adattamenti e varianti senza peraltro fuoriuscire dall’ambito di protezione definito dalle seguenti rivendicazioni.

Claims

RIVENDICAZIONI 1) Metodo per stimare almeno la caratteristica di ampiezza inversa in un amplificatore per sistemi di trasmissione, in cui la stima viene effettuata da mezzi stimatori che ricevono come ingressi i campioni di segnale, eventualmente demodulati, presenti in ingresso ed in uscita dall’ amplificatore, caratterizzato dal fatto che la stima della caratteristica di ampiezza inversa avviene attraverso un algoritmo non ricorsivo.
2) Metodo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto algoritmo non ricorsivo può essere tradotto analiticamente in:
3) Metodo secondo la rivendicazione 1 o 2, caratterizzato dal fatto che per stimare la caratteristica AM/ AM inversa si inverte, simbolo per simbolo, la coppia ingressouscita dell’ amplificatore e si memorizza il punto così ottenuto in mezzi di memoria.
4) Metodo secondo la rivendicazione 3, caratterizzato dal fatto che viene effettuata una quantizzazione uniforme del modulo d’ingresso al predistorsore e, per ogni intervallo di quantizzazione, si assume costante il valore della caratteristica corrispondente.
5) Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che la velocità di convergenza del predistorsore viene incrementata raggruppando gli intervalli di quantizzazione in gruppi da M elementi e aggiornando simultaneamente i contenuti degli indirizzi di memoria appartenenti allo stesso insieme ogni volta che uno di loro è indirizzato.
6) Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che la velocità di convergenza del predistorsore viene incrementata utilizzando una quantizzazione non uniforme e dipendente dalla distribuzione di probabilità dei campioni di segnale generato.
7) Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che i tempi di stima vengono minimizzati inviando airamplificatore un segnale di training all’inizio della trasmissione e/o negli istanti di pausa, detto segnale di training preferibilmente essendo un dente di sega di ampiezza pari alla dinamica d’ingresso deH’amplificatore.
8) Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che vengono utilizzate reti neurali.
9) Dispositivo per stimare almeno la caratteristica di ampiezza inversa in un amplificatore per sistemi di trasmissione, comprendente mezzi atti ad eseguire il metodo secondo una o più delle rivendicazioni precedenti.
10) Linearizzatore comprendente un dispositivo secondo la rivendicazione 9.
11) Metodo e dispositivo sostanzialmente come mostrato nelle annesse figure e come descritto nell’allegata descrizione.