RU2782406C1

RU2782406C1 - Method for compensation of non-linear distortions of high-frequency power amplifiers and device for its implementation

Info

Publication number: RU2782406C1
Application number: RU2021139643A
Authority: RU
Inventors: Сергей Викторович Воробьев; Алексей Николаевич Оболенцев
Original assignee: Акционерное общество "ГлобалИнформСервис"
Filing date: 2021-12-29
Publication date: 2022-10-26

Abstract

FIELD: radio engineering.

SUBSTANCE: invention relates to the field of radio engineering. To achieve the effect, by subtracting the input signal from the output, a distortion signal is isolated and the functional dependence of these distortions on the input signal is determined. Using this functional dependence in the form of a separate parameterized predistortion function, a compensating signal is synthesized, which is mixed into the input of the power amplifier. At the same time, to calculate the coefficient vector of the predistortion function, the input signal amplitude is quantized into M levels and the coefficients for each quantization level are determined as the sum of the products of the distortion signal and the input signal limited in amplitude. In this case, the compensating signal is formed by product of the pre-distortion function by the amplitude-limited input signal.

EFFECT: reducing the level of residual distortion at the output of the power amplifier.

2 cl, 1 dwg

Description

Область техникиTechnical field

Изобретение относится к области радиотехники, в частности к радиопередающим устройствам, и предназначено для создания усилителей мощности с низким уровнем внеполосных излучений, используемых в радиосвязи и телерадиовещании.The invention relates to the field of radio engineering, in particular to radio transmitting devices, and is intended to create power amplifiers with a low level of out-of-band radiation used in radio communications and television and radio broadcasting.

Уровень техникиState of the art

Интенсивное использование радиочастотного спектра обостряет проблему ЭМС радиосредств, работающих в соседних полосах частот. Основным источником помех в таких условиях являются внеполосные излучения, которые возникают, в основном, в выходных высокочастотных усилителях мощности (УМ). Пониженный уровень внеполосных излучений имеют УМ, работающие в режиме класса А, однако они имеют низкий КПД и экономически не эффективны. Энергетически эффективные УМ с высоким КПД работают в нелинейных режимах и создают недопустимый уровень внеполосных излучений. Intensive use of the radio spectrum exacerbates the EMC problem of radio equipment operating in adjacent frequency bands. The main source of interference in such conditions are out-of-band emissions, which occur mainly in the output high-frequency power amplifiers (PA). The reduced level of out-of-band radiations has PA operating in class A mode, however, they have low efficiency and are not economically efficient. Energy-efficient PAs with high efficiency operate in non-linear modes and create an unacceptable level of out-of-band emissions.

В материалах симпозиума 2009 IEEE International Symposium on Radio-Frequency Integration Technology описан способ линеаризации УМ с использованием метода прямой связи (Power Amplifier Linearization Using Feedforward Technique for Wide Band Communication System). В данном способе компенсация искажений УМ осуществляют в два этапа. На первом этапе после выравнивания амплитуд, фаз и задержек входного и выходного сигналов УМ осуществляют вычитание входного сигнала из выходного в результате на выходе вычитателя выделяются искажения сигнала. На втором этапе выделенные искажения вычитают из выходного сигнала УМ, тем самым исключая их из выходного сигнала УМ. Для успешной реализации данного способа на каждом этапе необходимо точное выравнивание амплитуд, фаз и задержек взаимодействующих сигналов. Устройства, реализующие данный способ, содержат как минимум два следящих контура регулирования, обеспечивающие выравнивание параметров сигналов. В данном способе компенсация искажений происходит на выходе УМ, поэтому перед вычитанием искажения должны быть усилены до необходимого уровня линейным УМ, что приводит к снижению КПД устройства в целом. Кроме того, необходимость использования как минимум двух контуров, снижает устойчивость устройства.In the proceedings of the 2009 IEEE International Symposium on Radio-Frequency Integration Technology, a Power Amplifier Linearization Using Feedforward Technique for Wide Band Communication System is described. In this method, the PA distortion compensation is carried out in two stages. At the first stage, after equalizing the amplitudes, phases and delays of the input and output signals of the PA, the input signal is subtracted from the output signal, as a result, signal distortions are highlighted at the output of the subtractor. At the second stage, the selected distortions are subtracted from the PA output signal, thereby excluding them from the PA output signal. For the successful implementation of this method at each stage, it is necessary to accurately align the amplitudes, phases and delays of the interacting signals. Devices that implement this method contain at least two servo control loops that provide equalization of the signal parameters. In this method, distortion compensation occurs at the PA output, therefore, before subtracting, the distortion must be amplified to the required level by a linear PA, which leads to a decrease in the efficiency of the device as a whole. In addition, the need to use at least two circuits reduces the stability of the device.

В патенте 2020143494/07(081150) описан способ и устройство для его осуществления, в котором путем вычитания входного сигнала из выходного выделяют сигнал искажений УМ и определяют функциональную зависимость этих искажений от входного сигнала. Используя эту функциональную зависимость в виде отдельной функции предыскажений, синтезируют компенсирующий сигнал, который подмешивают на вход УМ. Значения функции предыскажений могут быть вычислены с использованием таблицы поиска (LUT). Patent 2020143494/07(081150) describes a method and a device for its implementation, in which, by subtracting the input signal from the output signal, the PA distortion signal is isolated and the functional dependence of these distortions on the input signal is determined. Using this functional dependence in the form of a separate pre-distortion function, a compensating signal is synthesized, which is mixed into the PA input. The predistortion function values can be calculated using a lookup table (LUT).

Устройство содержит контур регулирования для взаимного выравнивания входного и выходного сигналов по амплитуде, времени и фазе, сумматор для выделения сигнала искажений, блок расчета параметров функции предыскажений, ключ, блок функции предыскажений, на выходе которого синтезируется компенсирующий сигнал. Этот сигнал после выравнивания фазы поступает на вход УМ, тем самым компенсируя его искажения.The device contains a control loop for mutual alignment of the input and output signals in amplitude, time and phase, an adder for extracting a distortion signal, a block for calculating the parameters of the predistortion function, a switch, a block for the predistortion function, at the output of which a compensating signal is synthesized. This signal, after phase alignment, enters the input of the PA, thereby compensating for its distortion.

При этом для определения коэффициентов функциональной зависимости сигнала искажений от входного сигнала, необходимо решение переопределенной системы уравнений в матричной форме, что требует больших вычислительных, временных и энергетических затрат.At the same time, to determine the coefficients of the functional dependence of the distortion signal on the input signal, it is necessary to solve an overdetermined system of equations in matrix form, which requires large computational, time and energy costs.

Прототипом изобретения, является способ и устройство, описанные в заявке на патент 2021137571. В соответствии с ним компенсация нелинейных искажений в УМ осуществляют в два этапа. На первом этапе после выравнивания амплитуд, фаз и задержек входного и выходного сигналов УМ вычитают входной сигнал из выходного. В результате чего выделяются искажения. Наблюдая входной сигнал и искажения, определяют функциональную зависимость сигнала искажений от входного сигнала. После того как функциональная зависимость определена, ее выделяют в виде отдельной параметризированной функции – функции предыскажений. Затем, используя в качестве аргумента этой функции амплитуду текущего входного сигнала, синтезируют компенсирующий сигнал, который является моделью искажений в усилителе мощности. На втором этапе компенсирующий сигнал вычитают из входного сигнала. The prototype of the invention is the method and device described in patent application 2021137571. In accordance with it, the compensation of non-linear distortions in the MIND is carried out in two stages. At the first stage, after equalizing the amplitudes, phases and delays of the input and output signals of the PA, the input signal is subtracted from the output. As a result, distortions are highlighted. By observing the input signal and the distortion, the functional dependence of the distortion signal on the input signal is determined. After the functional dependence is determined, it is isolated as a separate parameterized function - the predistortion function. Then, using the amplitude of the current input signal as an argument of this function, a compensating signal is synthesized, which is a model of distortion in the power amplifier. In the second step, the compensating signal is subtracted from the input signal.

Функциональную зависимость искажений u _n от входного сигнала x _in в дискретный момент времени n аппроксимируют в виде произведения входного сигнала на параметризированную функцию от амплитуды входного сигнала f(|x _in (n)|, Λ ). Математически при представлении сигналов в комплексной форме это может быть представлено в виде:Functional dependence of distortionu _n from the input signalx _in at a discrete timen approximated as the product of the input signal by the parameterized function of the amplitude of the input signalf(|x _in (n)|, Λ ). Mathematically, when representing signals in complex form, this can be represented as:

где u̇ _n – синтезированный сигнал искажений;where u̇ _n is the synthesized distortion signal;

n - дискретный момент времени; n - discrete moment of time;

ẋ _in - входной сигнал; ẋ _in - input signal;

f(|ẋ _in (n)|, Λ) – параметризированная функция (функция предыскажений), связывает сигнал искажений с амплитудой входного сигнала; f(|ẋ _in (n)|, Λ ) – parameterized function (pre-distortion function), relates the distortion signal to the amplitude of the input signal;

Λ=[λ ₁ λ ₂ … λ _m …λ _M] - вектор-строка коэффициентов функции предыскажений. Λ= [ λ ₁ λ ₂ … λ _m …λ _M ] - row vector of coefficients of the pre-emphasis function.

Здесь и далее предполагается, что обработка сигнала производится в цифровой форме, например, в виде квадратурных компонентов I(n) и Q(n).Here and below, it is assumed that the signal processing is performed in digital form, for example, in the form of quadrature components I(n) and Q(n) .

Параметризированную функцию f(|ẋ _in (n)|, Λ) в прототипе представляют в виде таблицы поиска (LUT) с интерполяцией степени p. Для вычисления коэффициентов λ в векторе-строке Λ, проводят квантование амплитуды входного сигнала |x _in | на интервале от нуля до максимального значения |x _in | _max на M уровней. На интервале наблюдения n, для каждого уровня квантования m определяют коэффициент λ _m, путем вычисления выборочного коэффициента ковариации между сбалансированными по амплитуде, фазе и задержке входным сигналом x _m _b и сигналом искажений y _m _b, с последующей его нормировкой относительно мощности указанного входного сигнала x _m _b. Эту операцию можно представить в виде:The parameterized function f(|ẋ _in (n)|, Λ ) in the prototype is represented as a lookup table (LUT) with power p interpolation. To calculate the coefficients λ in the row vector Λ , the amplitude of the input signal |x _in | on the interval from zero to the maximum value |x _in | _max on M levels. On the observation interval n , for each quantization level m , the coefficient λ _m is determined by calculating the sample covariance coefficient between the input signal x _m _b balanced in amplitude, phase and delay and the distortion signal y _m _b , with its subsequent normalization relative to the power of the specified input signal x _m _b . This operation can be represented as:

где

– коэффициент параметризированной функции, для m-го уровня;where

– coefficient of the parameterized function, for the m -th level;

– выборочный коэффициент ковариации соответствующих сигналов на n-м шаге для m-го уровня квантования;

is the sample covariance coefficient of the corresponding signals at the n -th step for the m -th quantization level;

σ ² – средняя мощность входного сигнала на m-м уровне квантования; σ ² - the average power of the input signal at the m -th quantization level;

– входной сигнал на m-м уровне квантования, сбалансированный по амплитуде, фазе и задержке с выходным сигналом усилителя мощности;

– input signal at the m -th quantization level, balanced in amplitude, phase and delay with the output signal of the power amplifier;

– сигнал искажений на m-м уровне квантования.

is the distortion signal at the m -th quantization level.

Выборочный коэффициент ковариации сигналов на n-м шаге для m-го уровня квантования имеет вид The sample coefficient of signal covariance at the nth step for the mth quantization level has the form

где k _m –количество значений сигналов на m-м уровне квантования за время наблюдения n;
_* - знак комплексного сопряжения числа;where k _m is the number of signal values at the m -th quantization level during the observation time n ;
_* - sign of complex conjugation of a number;

что соответствует средней мощности входного сигнала на m-м уровне квантования.which corresponds to the average power of the input signal at the m -th quantization level.

Подставляя

и Substituting

and

в in

получим we get

Полученные коэффициенты λ _m записывают как элементы вектора Λ в позиции m.The obtained coefficients λ _m are written as elements of the vector Λ in position m .

Из

видно, что для вычисления коэффициентов λ _m необходимо определение мощности сигнала

и нормирование относительно ее текущего значения выборочного коэффициента ковариации.From

It can be seen that in order to calculate the coefficientsλ _m it is necessary to determine the signal strength

and normalizing with respect to its current value of the sample covariance coefficient.

Устройство, реализующее описанный в прототипе способ, содержит включенные последовательно первый сумматор и УМ. Вход сумматора является входом устройства, а выход УМ – выходом устройства. Устройство также содержит контур регулирования для взаимного выравнивания амплитуд, фаз и задержки входного и выходного сигналов. При этом один вход контура регулирования подключен к выходу устройства, а другой - к входу устройства. Устройство содержит второй сумматор, вычитающий вход которого подключен к первому выходу контура регулирования, а другой вход сумматора подключен ко второму выходу контура регулирования. При этом соответственно на первом и втором выходах контура регулирования формируется входной и выходной сигналы УМ, сбалансированные по амплитуде, фазе и задержке. The device that implements the method described in the prototype contains the first adder and PA connected in series. The input of the adder is the input of the device, and the output of the PA is the output of the device. The device also contains a control loop for mutual equalization of the amplitudes, phases and delays of the input and output signals. In this case, one input of the control loop is connected to the output of the device, and the other - to the input of the device. The device contains a second adder, the subtractive input of which is connected to the first output of the control loop, and the other input of the adder is connected to the second output of the control loop. In this case, respectively, at the first and second outputs of the control loop, the input and output signals of the PA are formed, balanced in amplitude, phase and delay.

Устройство также содержит последовательно включенные блок расчета параметров функции предыскажений, ключ (необязательный элемент), блок функции предыскажений и блок выравнивания фазы. При этом выход блока выравнивания фазы подключен ко второму входу первого сумматора. Второй вход блока функции предыскажений подключен к входу устройства. Первый вход блока расчета параметров функции предыскажений подключен к первому выходу контура регулирования, а второй вход – к выходу второго сумматора.The device also contains a block for calculating the parameters of the pre-distortion function, a key (optional element), a block for the pre-distortion function, and a phase equalization block, connected in series. In this case, the output of the phase alignment unit is connected to the second input of the first adder. The second input of the predistortion function block is connected to the input of the device. The first input of the block for calculating the parameters of the predistortion function is connected to the first output of the control loop, and the second input is connected to the output of the second adder.

Блок функции предыскажений содержит соединенные последовательно вычислитель амплитуды сигнала, блок вычисления параметризированной функции и умножитель, выход умножителя является выходом блока функции предыскажений, а второй вход умножителя соединен с входом вычислителя амплитуды сигнала и является вторым входом блока функции предыскажений, при этом первым входом блока функции предыскажений является второй вход блока вычисления параметризированной функции.The predistortion function block contains a signal amplitude calculator connected in series, a parameterized function calculation block and a multiplier, the output of the multiplier is the output of the predistortion function block, and the second input of the multiplier is connected to the input of the signal amplitude calculator and is the second input of the predistortion function block, while the first input of the predistortion function block is the second input of the parameterized function evaluation block.

Блок расчета параметров функции предыскажений содержит функциональный делитель, выход которого является выходом блока, а также две одинаковые цепи, каждая из которых содержит включенные последовательно умножитель сопряженных квадратурных компонентов сигналов, сумматор, оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) на M ячеек памяти. Выход ОЗУ соединен со вторым входом сумматора в соответствующих цепях и является выходом этих цепей. Первые входы с умножителей сопряженных квадратурных компонентов сигналов являются комплексно сопрягаемыми и соответствуют первым входам, а их вторые входы - вторым входам цепей. Входы первой цепи объединены между собой и с первым входом второй цепи и являются первым входом блока расчета параметров функции предыскажений. Второй вход второй цепи является вторым входом блока расчета параметров функции предыскажений. Вход знаменателя (делителя) функционального к выходу первой цепи, а вход делимого – к выходу второй цепи. The block for calculating the parameters of the predistortion function contains a functional divider, the output of which is the output of the block, as well as two identical circuits, each of which contains a multiplier of conjugate quadrature signal components connected in series, an adder, a random access memory (RAM) for M memory cells. The RAM output is connected to the second input of the adder in the respective circuits and is the output of these circuits. The first inputs from the multipliers of the conjugate quadrature signal components are complex conjugate and correspond to the first inputs, and their second inputs correspond to the second inputs of the circuits. The inputs of the first circuit are combined with each other and with the first input of the second circuit and are the first input of the block for calculating the parameters of the predistortion function. The second input of the second circuit is the second input of the block for calculating the parameters of the predistortion function. The input of the denominator (divider) of the functional to the output of the first circuit, and the input of the dividend - to the output of the second circuit.

Для управления процессами записи чтения в ОЗУ в состав блока расчета параметров функции предыскажений введены включенные последовательно вычислитель амплитуды сигнала, квантователь амплитуды и формирователь адреса. При этом вход вычислителя амплитуды сигнала соединен с первым входом первой цепи, а выход формирователя адреса – с входами управления (адресными входами) ОЗУ. Квантователь квантует диапазон амплитуды входного сигнала на M уровней, формирователь адреса перекодирует квантованные уровни амплитуды в адреса ячеек памяти ОЗУ. Таким образом, первая цепь осуществляет вычисление и накопление в ячейках ОЗУ мощности сигнала соответствующей m-му уровню квантования, что соответствует знаменателю в To control the processes of writing reading to RAM, the block for calculating the parameters of the predistortion function includes a signal amplitude calculator, an amplitude quantizer and an address generator connected in series. In this case, the input of the signal amplitude calculator is connected to the first input of the first circuit, and the output of the address generator is connected to the control inputs (address inputs) of the RAM. The quantizer quantizes the input signal amplitude range into M levels, the address shaper recodes the quantized amplitude levels into addresses of RAM memory cells. Thus, the first circuit calculates and accumulates in the RAM cells the signal power corresponding to the m -th quantization level, which corresponds to the denominator in

Во второй цепи осуществляется вычисление числителя в In the second chain, the numerator is calculated in

Значение коэффициентов параметризированной функции формируется на выходе функционального делителя.The value of the coefficients of the parameterized function is formed at the output of the functional divider.

В устройстве после выравнивания в контуре регулирования амплитуд, фаз и задержек входного и выходного сигналов, они поступают на второй сумматор, на выходе которого выделяется сигнал искажений. Используя сигнал искажений и входной сигнал, в блоке расчета параметров функции предыскажений в соответствии с выражением In the device, after equalization in the loop for regulating the amplitudes, phases and delays of the input and output signals, they go to the second adder, at the output of which a distortion signal is allocated. Using the distortion signal and the input signal, in the block for calculating the parameters of the predistortion function in accordance with the expression

вычисляют коэффициенты функции предыскажений λ _m , которые передают через замкнутый ключ в блок вычисления параметризированной функции. В этом блоке вычисляется параметризированная функция f(|x _in (n)|, Λ) для действующего в данный момент времени значения амплитуды входного сигнала и на выходе блока формируется значение синтезированного сигнала искажений в соответствии с выражениемcalculate the coefficients of the pre-distortion function λ _m , which are transmitted through a closed key to the calculation block of the parameterized function. In this block, the parameterized function f(|x _in (n)|, Λ ) is calculated for the current value of the input signal amplitude, and the value of the synthesized distortion signal is formed at the output of the block in accordance with the expression

Затем в блоке выравнивания фазы изменяется фаза синтезированного сигнала искажений так, чтобы в первом сумматоре компенсирующий сигнал вычитался из входного сигнала устройства. Вводя на входе УМ синтезированные предыскажения в противофазе ожидаемым искажениям в УМ, осуществляют компенсацию искажений на его выходе, что соответствует повышению линейности амплитудной и фазо-амплитудной характеристик УМ.Then, in the phase equalization block, the phase of the synthesized distortion signal is changed so that in the first adder the compensating signal is subtracted from the input signal of the device. By introducing synthesized pre-distortions at the PA input in antiphase to the expected distortions in the PA, the distortions are compensated at its output, which corresponds to an increase in the linearity of the amplitude and phase-amplitude characteristics of the PA.

Таким образом, для выполнения операций преобразования сигналов по способу, описанному в прототипе при определении коэффициентов λ _m, необходимо проведение процедур вычисления средней мощности сигнала и нормирования выборочного коэффициента ковариации сигналов, что требует больших вычислительных, временных и энергетических затрат.Thus, to perform signal conversion operations according to the method described in the prototype when determining the coefficients λ _m , it is necessary to carry out procedures for calculating the average signal power and normalizing the sample signal covariance coefficient, which requires large computational, time and energy costs.

Раскрытие сущности изобретенияDisclosure of the essence of the invention

В соответствии с предлагаемым способом, компенсацию нелинейных искажений в УМ выполняют в два этапа. На первом этапе после выравнивания амплитуд, фаз и задержек входного и выходного сигналов выполняют вычитание входного сигнала из выходного. В результате этого выделяется сигнал искажений. Наблюдая входной сигнал и сигнал искажений определяют функциональную зависимость искажений от входного сигнала. Эта функциональная зависимость содержит отдельную параметризированную функцию (функцию предыскажений), аргументом которой является амплитуда входного сигнала. Затем, используя эту функцию синтезируют компенсирующий сигнал, который представляет собой модель искажений в усилителе мощности. На втором этапе компенсирующий сигнал вычитают из входного сигнала.In accordance with the proposed method, the compensation of non-linear distortions in the PA is performed in two stages. At the first stage, after equalizing the amplitudes, phases and delays of the input and output signals, the input signal is subtracted from the output signal. As a result, a distortion signal is emitted. By observing the input signal and the distortion signal, the functional dependence of the distortion on the input signal is determined. This functional dependency contains a separate parameterized function (pre-distortion function), whose argument is the amplitude of the input signal. Then, using this function, a compensating signal is synthesized, which is a model of distortion in the power amplifier. In the second step, the compensating signal is subtracted from the input signal.

Для вычисления вектора коэффициентов параметризированной функции, проводят квантование амплитуды входного сигнала |x _in | на интервале от нуля до максимального значения |x _in | _max на M уровней, и определяют коэффициент параметризированной функции, для каждого уровня квантования. To calculate the vector of coefficients of the parameterized function, the amplitude of the input signal |x _in | on the interval from zero to the maximum value |x _in | _max on M levels, and determine the coefficient of the parameterized function, for each quantization level.

При этом предлагаемый способ отличается тем, что функциональную зависимость искажений от входного сигнала представляют как произведение функции предыскажений на ограниченный по амплитуде входной сигнал, а коэффициенты функции предыскажений вычисляют на интервале времени наблюдения как сумму произведений сигнала искажений на ограниченный по амплитуде входной сигнал.At the same time, the proposed method differs in that the functional dependence of distortion on the input signal is represented as the product of the predistortion function and the input signal limited in amplitude, and the coefficients of the predistortion function are calculated over the observation time interval as the sum of the products of the distortion signal and the input signal limited in amplitude.

Функциональные преобразования сигналов в данном способе могут быть описаны математически следующим образом. Представим

The functional transformations of the signals in this method can be described mathematically as follows. Imagine

в показательной формеin demonstrative form

где |…| - амплитуда сигнала;where |…| - signal amplitude;

ϕ _mb – фаза входного сигнала; ϕ _mb is the phase of the input signal;

ϑ _mb - фаза сигнала искажений. ϑ _mb - phase of the distortion signal.

Интервалы квантования амплитудной характеристики УМ выбирают таким образом, чтобы изменения амплитудной характеристики УМ в пределах интервала были несущественны, тогда The quantization intervals of the amplitude characteristic of the PA are chosen in such a way that changes in the amplitude characteristic of the PA within the interval are insignificant, then

и

and

можно представить в видеcan be represented as

гдеwhere

- среднее значение величины.

- the average value of the quantity.

Подставим

и

в

Substitute

and

in

в

in

Учитывая, что интервалы квантования амплитудной характеристики УМ выбраны таким образом, что изменения амплитудной характеристики УМ в пределах интервала несущественны, можно принять, что Taking into account that the intervals of quantization of the amplitude characteristic of the PA are chosen in such a way that changes in the amplitude characteristic of the PA within the interval are insignificant, we can assume that

Подставив

в

Substituting

in

получим we get

ПримемAccept

Таким образом из

видно, что при сделанных допущениях вектор-строка Λ представляет собой набор значений функции предыскажений в узловых точках

умноженный на коэффициент пропорциональности G. Для других значений аргумента |ẋ _in (n)| функция предыскажений f(|ẋ _in (n)|, Λ ) может быть определена интерполяцией, например (но не ограничиваясь) ступенчатой, кусочно-линейной, полиномиальной и др. При этом функциональная зависимость искажений u _n от входного сигнала x _in описывается произведением функции предыскажений на ограниченный по амплитуде входной сигнал:Thus from

it can be seen that, under the assumptions made, the row vector Λ is a set of values of the predistortion function at the nodal points

multiplied by the proportionality factor G. For other values of the argument |ẋ _in (n)| the pre-distortion function f(|ẋ _in (n)|, Λ ) can be determined by interpolation, for example (but not limited to) stepwise, piecewise linear, polynomial, etc. In this case, the functional dependence of distortions u _n on the input signal x _in is described by the product of the function pre-emphasis on an amplitude-limited input signal:

Таким образом данный способ позволяет найти коэффициенты функции предыскажений не прибегая к вычислению средней мощности сигнала в интервалах квантования амплитудной характеристики УМ, а для синтеза компенсирующего сигнала достаточно использовать информацию только о мгновенной фазе входного сигнала.Thus, this method makes it possible to find the coefficients of the predistortion function without resorting to calculating the average signal power in the quantization intervals of the amplitude characteristic of the PA, and to synthesize the compensating signal, it is sufficient to use information only about the instantaneous phase of the input signal.

Устройство для осуществления данного способа содержит (см. чертеж), как минимум, последовательно включенные первый сумматор (1) и УМ (2). Вход сумматора (1) является входом устройства, а выход УМ (2) – выходом устройства. Устройство также содержит контур регулирования (3) для взаимного выравнивания амплитуд, фаз и задержки входного и выходного сигналов. При этом один вход контура регулирования (3) подключен к выходу устройства, а другой - к входу устройства. Устройство содержит второй сумматор (4), вычитающий вход которого подключен, к первому выходу контура регулирования (3), а другой вход сумматора (4) подключен ко второму выходу контура регулирования (3). При этом соответственно на первом и втором выходах контура регулирования (3) формируются входной и выходной сигналы УМ, сбалансированные по амплитуде, фазе и задержке. The device for implementing this method contains (see the drawing), at least the first adder (1) and PA (2) connected in series. The input of the adder (1) is the input of the device, and the output of the PA (2) is the output of the device. The device also contains a control loop (3) for mutual equalization of amplitudes, phases and delays of the input and output signals. In this case, one input of the control loop (3) is connected to the output of the device, and the other - to the input of the device. The device contains a second adder (4), the subtractive input of which is connected to the first output of the control loop (3), and the other input of the adder (4) is connected to the second output of the control loop (3). In this case, respectively, at the first and second outputs of the control loop (3), the input and output signals of the PA are formed, balanced in amplitude, phase and delay.

Устройство также содержит последовательно включенные блок расчета параметров функции предыскажений (5), ключ (6) (необязательный элемент), блок функции предыскажений (7) и блок выравнивания фазы (8). При этом выход блока выравнивания фазы (8) подключен ко второму входу первого сумматора (1). Второй вход блока функции предыскажений (7) подключен ко входу устройства. Первый вход блока расчета параметров функции предыскажений (5) подключен к первому выходу контура регулирования (3), а второй вход – к выходу второго сумматора (4). The device also contains a block for calculating the parameters of the predistortion function (5), a key (6) (an optional element), a block for the predistortion function (7) and a phase equalization block (8) connected in series. In this case, the output of the phase equalization block (8) is connected to the second input of the first adder (1). The second input of the predistortion function block (7) is connected to the input of the device. The first input of the block for calculating the parameters of the predistortion function (5) is connected to the first output of the control loop (3), and the second input is connected to the output of the second adder (4).

Блок функции предыскажений (7) содержит соединенные последовательно вычислитель амплитуды сигнала (9), блок вычисления параметризированной функции (10) и умножитель (11), выход умножителя является выходом блока функции предыскажений (7), при этом первым входом блока функции предыскажений (7) является второй вход блока вычисления параметризированной функции (10), а вторым входом – вход вычислителя амплитуды сигнала (9).The predistortion function block (7) contains a signal amplitude calculator (9), a parameterized function calculation block (10) and a multiplier (11) connected in series, the output of the multiplier is the output of the predistortion function block (7), while the first input of the predistortion function block (7) is the second input of the block for calculating the parameterized function (10), and the second input is the input of the signal amplitude calculator (9).

Блок расчета параметров функции предыскажений (5) содержит включенные последовательно умножитель сопряженных квадратурных компонентов сигналов (12), сумматор (13), оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) (14) на M ячеек памяти. Выход ОЗУ (14) соединен со вторым входом сумматора (13) и является выходом блока расчета параметров функции предыскажений (5). Первый вход умножителя сопряженных квадратурных компонентов сигналов (12) является комплексно сопрягаемым (помечен точкой на чертеже), а его второй вход является вторым входом блока параметров функции предыскажений (5).The block for calculating the parameters of the predistortion function (5) contains a multiplier of conjugate quadrature signal components (12), an adder (13), a random access memory (RAM) (14) for M memory cells connected in series. The RAM output (14) is connected to the second input of the adder (13) and is the output of the block for calculating the parameters of the predistortion function (5). The first input of the multiplier of the conjugate quadrature signal components (12) is complex conjugate (marked with a dot in the drawing), and its second input is the second input of the parameter block of the predistortion function (5).

Для управления процессами записи - чтения в ОЗУ (14) блок расчета параметров функции предыскажений (5) содержит включенные последовательно вычислитель амплитуды сигнала (15), квантователь (16) и формирователь адреса (17). При этом вход вычислителя амплитуды сигнала (15) является первым входом блока расчета параметров функции предыскажений (5). Выход формирователя адреса (17) соединен с входом управления (адресным входом) ОЗУ (14). Квантователь (16) квантует диапазон амплитуды входного сигнала на M уровней, формирователь адреса (17) перекодирует квантованные уровни амплитуды в адреса ячеек памяти ОЗУ (14).To control the processes of writing - reading in RAM (14), the block for calculating the parameters of the predistortion function (5) contains a signal amplitude calculator (15), a quantizer (16) and an address generator (17) connected in series. In this case, the input of the signal amplitude calculator (15) is the first input of the block for calculating the parameters of the predistortion function (5). The output of the address generator (17) is connected to the control input (address input) of the RAM (14). The quantizer (16) quantizes the range of the input signal amplitude into M levels, the address shaper (17) recodes the quantized amplitude levels into the addresses of the RAM memory cells (14).

Устройство от прототипа отличается тем, что в блоки расчета параметров функции предыскажений (5) и функции предыскажений (7) введены по ограничителю амплитуды (18, 19 соответственно). При этом вход соответствующего ограничителя амплитуды (18, 19) соединен со входом вычислителя амплитуды сигнала (15, 9) в соответствующих блоках расчета параметров функции предыскажений (5) и функции предыскажений (7). При этом выход ограничителя амплитуды сигнала (18) в блоке расчета параметров функции предыскажений (5) соединен с первым входом умножителя сопряженных квадратурных компонентов сигналов (12), а выход ограничителя амплитуды сигнала (19) в блоке функции предыскажений (7) соединен со вторым входом умножителя (11).The device differs from the prototype in that the blocks for calculating the parameters of the predistortion function (5) and the predistortion function (7) are introduced by the amplitude limiter (18, 19, respectively). At the same time, the input of the corresponding amplitude limiter (18, 19) is connected to the input of the signal amplitude calculator (15, 9) in the respective blocks for calculating the parameters of the pre-distortion function (5) and the pre-distortion function (7). In this case, the output of the signal amplitude limiter (18) in the block for calculating the parameters of the predistortion function (5) is connected to the first input of the multiplier of conjugate quadrature signal components (12), and the output of the signal amplitude limiter (19) in the block of the predistortion function (7) is connected to the second input multiplier (11).

Устройство работает следующим образом. После выравнивания амплитуд, фаз и задержек входного и выходного сигнала в контуре регулирования (3), они поступают на второй сумматор (4), на выходе которого формируется сигнал искажений ẏ _b. Входной сигнал после выравнивания в контуре регулирования (3) поступает на ограничитель амплитуды (18), на выходе которого формируется сигнал с постоянной амплитудой, описываемый выражением:The device works as follows. After equalizing the amplitudes, phases and delays of the input and output signals in the control loop (3), they go to the second adder (4), at the output of which a distortion signal ẏ _b is formed. The input signal after equalization in the control loop (3) enters the amplitude limiter (18), at the output of which a signal with a constant amplitude is formed, described by the expression:

где ϕ _in – фаза сигнала.where ϕ _in is the phase of the signal.

На выходе умножителя квадратурных компонентов сигналов (12) вычисляется значение текущего слагаемого в

в момент времени n:At the output of the quadrature signal components multiplier (12), the value of the current term in

at time n :

Одновременно с этим из амплитуды входного сигнала, полученной на выходе вычислителя амплитуды сигнала (15), в цепи из квантователя (16) и формирователя адреса (17) формируется адрес ячейки памяти m в ОЗУ (14), из которой считывается значение коэффициента функции предыскажений λ̇ _m, накопленное к моменту времени n. На выходе сумматора (13) получают новое значение коэффициента функции предыскажений λ̇ _m в момент времени n и записывают его в ячейку памяти ОЗУ (14) по адресу m. At the same time, from the amplitude of the input signal obtained at the output of the signal amplitude calculator (15), in the circuit from the quantizer (16) and the address generator (17), the address of the memory cell m in RAM (14) is formed, from which the value of the coefficient of the predistortion function λ̇ is read _m , accumulated by time n . At the output of the adder (13), a new value of the coefficient of the pre-distortion function λ̇ _m is obtained at time n and written to the RAM memory cell (14) at the address m .

Порядок управления процессом чтения-записи данных в ОЗУ определяется особенностями его реализации и не является предметом защиты данного изобретения.The order of managing the process of reading-writing data in RAM is determined by the features of its implementation and is not the subject of protection of this invention.

На выходе ОЗУ (14) формируется m-й коэффициент параметризированной функции в n-й дискретный момент времени, который передают через замкнутый ключ (6) в блок функции предыскажений (7). Процесс передачи коэффициентов параметризированной функции λ̇ _m в блок функции предыскажений (7) может осуществляться различными способами, например непрерывно, последовательно или периодически путем опроса ячеек ОЗУ (14) или др. способом. Организация этого процесса не является предметом защиты данного изобретения. Ключ (6) используют в соответствии с выбранным вариантом обновления вектора параметров в блоке функции предыскажений (7). At the output of the RAM (14), the m -th coefficient of the parameterized function is formed at the n -th discrete time moment, which is transmitted through the closed key (6) to the predistortion function block (7). The process of transferring the coefficients of the parameterized function λ̇ _m to the predistortion function block (7) can be carried out in various ways, for example, continuously, sequentially or periodically by polling RAM cells (14) or in other ways. The organization of this process is not the subject of protection of this invention. The key (6) is used in accordance with the selected parameter vector update option in the predistortion function block (7).

На второй вход блока функции предыскажений (7) поступает входной сигнал, по которому осуществляется вычисление значения функции предыскажений в данный момент времени в соответствии с выражением The second input of the pre-distortion function block (7) receives an input signal, which is used to calculate the value of the pre-distortion function at a given time in accordance with the expression

Это происходит путем умножения в умножителе (11) входного сигнала устройства, ограниченного по амплитуде в ограничителе амплитуды (19), на значение параметризированной функции f(|ẋ _in (n)|, Λ ), получаемого из блока вычисления этой функции (10). При этом вычисление параметризированной функции f(|ẋ _in (n)|, Λ ) осуществляется для действующего в данный момент времени значения амплитуды входного сигнала, получаемого из вычислителя амплитуды сигнала (9) .This occurs by multiplying in the multiplier (11) the input signal of the device, limited in amplitude in the amplitude limiter (19), by the value of the parameterized function f(|ẋ _in (n)|, Λ ) obtained from the calculation block of this function (10). In this case, the calculation of the parameterized function f(|ẋ _in (n)|, Λ ) is carried out for the current value of the input signal amplitude obtained from the signal amplitude calculator (9) .

В блоке выравнивания фазы (8) изменяется фаза синтезированного сигнала искажений так, чтобы в первом сумматоре (1) компенсирующий сигнал вычитался из входного сигнала устройства. Вводя на входе УМ синтезированные предыскажения в противофазе ожидаемым искажениям в УМ, осуществляют компенсацию искажений на его выходе, что соответствует повышению линейности амплитудной и фазо-амплитудных характеристик УМ.In the phase equalization block (8), the phase of the synthesized distortion signal is changed so that in the first adder (1) the compensating signal is subtracted from the input signal of the device. By introducing synthesized pre-distortions at the PA input in antiphase to the expected distortions in the PA, the distortions are compensated at its output, which corresponds to an increase in the linearity of the amplitude and phase-amplitude characteristics of the PA.

Краткое описание чертежейBrief description of the drawings

На чертеже показана функциональная схема устройства, осуществляющего способ компенсации нелинейных искажений высокочастотных усилителей мощности.The drawing shows a functional diagram of a device that implements a method for compensating for non-linear distortions of high-frequency power amplifiers.

Осуществление изобретенияImplementation of the invention

Изобретение может быть осуществлено в соответствии со схемой, представленной на чертеже. В устройстве для формирования коэффициентов функции искажений используются типовые функциональные элементы цифровой обработки сигналов, такие как сумматоры, умножители, ОЗУ и др. Функциональные операции преобразования сигналов могут быть выполнены в цифровой форме в основной полосе (baseband) с представлением сигналов в виде квадратурных компонент (Ричард Лайонс. Цифровая обработка сигналов: Второе издание. Пер. с англ. – М.: ООО "Бином-Пресс", 2006г.-656, стр. 351–356). The invention can be carried out in accordance with the diagram shown in the drawing. The device for forming coefficients of the distortion function uses typical digital signal processing functional elements, such as adders, multipliers, RAM, etc. Lions, Digital Signal Processing: Second Edition, Translated from English - M.: OOO Binom-Press, 2006-656, pp. 351–356).

Ограничители амплитуды (18, 19) и вычисление амплитуды сигнала в блоках (9, 15) могут быть выполнены с использованием известных алгоритмов цифровой обработки сигналов, например, алгоритма CORDIC (А.В. Захаров, В.М. Хачумов. Алгоритмы CORDIC. Современное состояние и перспективы. Программные системы: теория и приложения. Переславль-Залесский, 2004 г. стр. 356-357).The amplitude limiters (18, 19) and the calculation of the signal amplitude in blocks (9, 15) can be performed using well-known digital signal processing algorithms, for example, the CORDIC algorithm (A.V. Zakharov, V.M. Khachumov. CORDIC algorithms. Modern state and prospects, Program Systems: Theory and Applications, Pereslavl-Zalessky, 2004, pp. 356-357).

Примерами осуществления процедуры выравнивания амплитуд, фаз и задержек входного и выходного сигнала в контуре регулирования (3) могут быть устройства автоматической регулировки усиления, фазовой автоподстройки частоты и регулируемые линии задержки. Examples of the implementation of the procedure for equalizing the amplitudes, phases and delays of the input and output signals in the control loop (3) can be devices for automatic gain control, phase locked loop and adjustable delay lines.

Блоки функции предыскажений (7) и расчета параметров функции предыскажений (5) могут быть созданы, например (но не ограничиваясь), на основе программируемой логической интегральной схемы (ПЛИС), цифрового сигнального процессора (DSP-процессора), компьютера и прочих вычислительных устройств. Blocks of the pre-distortion function (7) and calculation of the parameters of the pre-distortion function (5) can be created, for example (but not limited to), based on a programmable logic integrated circuit (FPGA), a digital signal processor (DSP processor), a computer and other computing devices.

Блок вычисления функции предыскажений (10) представляет собой таблицу поиска (LUT) на M ячеек, в которые записаны коэффициенты λ̇. Значения функции предыскажений в промежуточных точках интерполируются, при этом может использоваться ступенчатая, кусочно-линейная, полиномиальная и др. способы интерполяции.The block for calculating the pre-emphasis function (10) is a lookup table (LUT) for M cells, in which the coefficients λ̇ are written. The values of the pre-distortion function at intermediate points are interpolated, while stepwise, piecewise linear, polynomial, and other interpolation methods can be used.

Claims

1. Способ компенсации нелинейных искажений высокочастотного усилителя мощности включает процесс выделения искажений усилителя мощности путем вычитания входного сигнала из выходного после их выравнивания по амплитудам, фазам и задержкам, содержит процесс формирования компенсирующего сигнала, соответствующего выделенным искажениям, и его подмешивания в противофазе к входному сигналу усилителя мощности, при этом в процессе формирования компенсирующего сигнала, наблюдая входной сигнал и сигнал искажений, определяют функциональную зависимость искажений от входного сигнала, эта функциональная зависимость содержит отдельную функцию предыскажений, аргументом которой является амплитуда входного сигнала, при этом для вычисления коэффициентов функции предыскажений проводят квантование амплитуды входного сигнала на M уровней и определяют коэффициент функции предыскажений для каждого уровня квантования, отличающийся тем, что компенсирующий сигнал формируют путем произведения функции предыскажений на ограниченный по амплитуде входной сигнал, а коэффициенты функции предыскажений вычисляют за время наблюдения как сумму произведений сигнала искажений на ограниченный по амплитуде входной сигнал.1. The method for compensating for non-linear distortions of a high-frequency power amplifier includes the process of extracting distortions of the power amplifier by subtracting the input signal from the output signal after their alignment in amplitudes, phases and delays, contains the process of generating a compensating signal corresponding to the selected distortions, and mixing it in antiphase to the input signal of the amplifier power, while in the process of forming a compensating signal, observing the input signal and the distortion signal, determine the functional dependence of distortion on the input signal, this functional dependence contains a separate predistortion function, the argument of which is the amplitude of the input signal, while to calculate the coefficients of the predistortion function, amplitude quantization is carried out of the input signal into M levels and determine the coefficient of the pre-distortion function for each quantization level, characterized in that the compensating signal is formed by product of the pre-distortion function n and the amplitude-limited input signal, and the coefficients of the pre-distortion function are calculated over the observation time as the sum of the products of the distortion signal and the amplitude-limited input signal.

2. Устройство для осуществления способа по п.1, содержащее последовательно включенные первый сумматор и высокочастотный усилитель мощности, при этом первый вход сумматора является входом устройства, а выход усилителя мощности – выходом устройства, устройство содержит контур регулирования для взаимного выравнивания амплитуд, фаз и задержки входного и выходного сигналов, при этом один вход контура регулирования подключен к выходу устройства, а другой – к входу устройства, также устройство содержит второй сумматор, вычитающий вход которого подключен к первому выходу контура регулирования, а другой вход сумматора подключен ко второму выходу контура регулирования, при этом соответственно на первом и втором выходах контура регулирования формируются входной и выходной сигналы усилителя мощности, сбалансированные по амплитуде, фазе и задержке, также устройство содержит последовательно включенные блок расчета параметров функции предыскажений, блок функции предыскажений и блок выравнивания фазы, при этом блок расчета параметров функции предыскажений и блок функции предыскажений соединены напрямую или через ключ, выход блока выравнивания фазы подключен ко второму входу первого сумматора, второй вход блока функции предыскажений подключен к входу устройства, первый вход блока расчета параметров функции предыскажений подключен к первому выходу контура регулирования, а второй вход – к выходу второго сумматора, при этом выход блока расчета параметров функции предыскажений соединен с первым входом блока функции предыскажений непосредственно, тем самым функция предыскажений обновляется непрерывно, или они соединены через ключ, тем самым функция предыскажений обновляется при замыкании ключа, блок функции предыскажений содержит соединенные последовательно вычислитель амплитуды сигнала, блок вычисления функции предыскажений и умножитель, выход умножителя является выходом блока функции предыскажений, при этом первым входом блока функции предыскажений является второй вход блока вычисления функции предыскажений, а вторым входом – вход вычислителя амплитуды сигнала, блок расчета параметров функции предыскажений содержит включенные последовательно умножитель сопряженных квадратурных компонентов сигналов, сумматор, оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) на M ячеек памяти, выход ОЗУ соединен со вторым входом сумматора и является выходом блока расчета параметров функции предыскажений, при этом первый вход умножителя сопряженных квадратурных компонентов сигналов является комплексно-сопрягаемым, а его второй вход является вторым входом блока параметров функции предыскажений, для управления процессами записи - чтения в ОЗУ блок расчета параметров функции предыскажений содержит включенные последовательно вычислитель амплитуды сигнала, квантователь и формирователь адреса, при этом вход вычислителя амплитуды сигнала является первым входом блока расчета параметров функции предыскажений, выход формирователя адреса соединен с адресным входом ОЗУ, квантователь квантует диапазон амплитуды входного сигнала на M уровней, формирователь адреса перекодирует квантованные уровни амплитуды в адреса ячеек памяти ОЗУ, отличающееся тем, что в блок расчета параметров функции предыскажений и блок функции предыскажений введены по ограничителю амплитуды, при этом вход соответствующего ограничителя амплитуды соединен с входом вычислителя амплитуды сигнала в соответствующих блоках расчета параметров функции предыскажений и функции предыскажений, а выход ограничителя амплитуды сигнала в блоке расчета параметров функции предыскажений соединен с первым входом умножителя сопряженных квадратурных компонентов сигналов, и выход ограничителя амплитуды сигнала в блоке функции предыскажений соединен со вторым входом умножителя, расположенного в этом блоке.2. A device for implementing the method according to claim 1, containing a first adder and a high-frequency power amplifier connected in series, while the first input of the adder is the input of the device, and the output of the power amplifier is the output of the device, the device contains a control loop for mutual alignment of amplitudes, phases and delay input and output signals, while one input of the control loop is connected to the output of the device, and the other to the input of the device, the device also contains a second adder, the subtracting input of which is connected to the first output of the control loop, and the other input of the adder is connected to the second output of the control loop, at the same time, respectively, at the first and second outputs of the control loop, the input and output signals of the power amplifier are formed, balanced in amplitude, phase and delay, the device also contains a block for calculating the parameters of the pre-distortion function, a block of the pre-distortion function and a phase equalization block connected in series, in this case, the block for calculating the parameters of the pre-distortion function and the block of the pre-distortion function are connected directly or through a switch, the output of the phase equalization block is connected to the second input of the first adder, the second input of the block of the pre-distortion function is connected to the input of the device, the first input of the block for calculating the parameters of the pre-distortion function is connected to the first output of the circuit regulation, and the second input - to the output of the second adder, while the output of the block for calculating the parameters of the predistortion function is directly connected to the first input of the block of the predistortion function, thereby the predistortion function is updated continuously, or they are connected through a key, thereby the predistortion function is updated when the key is closed, the predistortion function block contains a signal amplitude calculator connected in series, a predistortion function calculation block and a multiplier, the output of the multiplier is the output of the predistortion function block, while the first input of the predistortion function block is the second input of the calculation block predistortion function, and the second input is the input of the signal amplitude calculator, the block for calculating the parameters of the predistortion function contains a multiplier of conjugate quadrature signal components connected in series, an adder, random access memory (RAM) for M memory cells, the RAM output is connected to the second input of the adder and is the output of the block calculating the parameters of the predistortion function, while the first input of the multiplier of the conjugate quadrature components of the signals is complex-conjugated, and its second input is the second input of the parameter block of the predistortion function, to control the processes of writing - reading in the RAM, the block for calculating the parameters of the predistortion function contains a signal amplitude calculator connected in series , quantizer and address generator, while the input of the signal amplitude calculator is the first input of the block for calculating the parameters of the predistortion function, the output of the address generator is connected to the address input of the RAM, the quantizer quantizes the amp range amplitude of the input signal to M levels, the address shaper recodes the quantized amplitude levels into addresses of RAM memory cells, characterized in that the block for calculating the parameters of the predistortion function and the block of the predistortion function are introduced according to the amplitude limiter, while the input of the corresponding amplitude limiter is connected to the input of the signal amplitude calculator in the respective blocks for calculating the parameters of the predistortion function and the predistortion function, and the output of the signal amplitude limiter in the block for calculating the parameters of the predistortion function is connected to the first input of the multiplier of the conjugate quadrature signal components, and the output of the signal amplitude limiter in the predistortion function block is connected to the second input of the multiplier located in this block.