一种基于频带分割的开环数字基带预失真器及预失真方法

摘要

本发明涉及一种基于频带分割的开环数字基带预失真器及预失真方法，本发明中基于上下频带分割的开环数字基带预失真器是将原始的数字基带信号分两路进行预失真处理，两路预失真处理模块中LUT的系数分别由预失真系数生成模块生成，再将经预失真后的信号进行滤波合成，得到的信号经DA转换及正交上变频，最终输出给功放。采用本发明技术方案相较于一般的开环数字基带预失真方法，可以带来更优的校正效果，同时避免了自适应预失真方法中为获得预失真系数而增加的复杂的射频反馈环路和自适应迭代处理CPU等单元，大大减少了硬件上的复杂性。

说明书

技术领域

本发明涉及一种开环数字基带预失真器及实现方法，特别是涉及一种基于频带分割的开环数字基带预失真器及实现方法。

背景技术

在无线通信发展的过程中，提高传输质量和频谱利用率一直是促进无线通信技术发展的源泉，而效率较高的调制方式通常会对发端发射机的线性要求较高，这就使功放线性化技术成为宽带无线通信系统中发端发射机的关键技术之一。

在宽带无线通信系统中，随着信号带宽的增加和发射功率的增大，发射机中高功放不仅引入非线性，还表现出明显的记忆效应，主要表现为功放输出互调失真(IMD)的上下边带非对称。例如，在采用OFDM调制技术的数字电视地面广播系统中，信号具有较宽的带宽，发射机输出功率较大，功放输出的功率谱上下边带非对称现象十分明显，这说明功放具有明显的记忆效应。因此在宽带无线通信系统中采用功放线性化技术时必须考虑功放记忆效应的影响。

数字基带预失真技术以其优良的性价比和灵活性成为应用最为广泛的一种线性化技术，同时也是发射机技术研究的热点和难点。现有的开环数字基带预失真技术可以通过两种方法实现，一种是多项式方法，利用多项式函数来拟合理想复增益曲线，这种方法变量少，容易初始化及实时更新，但其适应性不强，例如对记忆效应较强的功放其校正效果并不理想；另一种是查找表(LUT)法，即构造一个预失真LUT表，根据LUT表对输入信号进行实时处理，这种方法可以应用于任意增益曲线的功放，其缺点是LUT表中的预失真系数较难调整，且同样地对记忆效应较强的功放校正效果不理想。

中国专利申请200710143574.4，基于多项式的开环数字基带预失真器的实现方法中提出了一种适用于DAB，DRM和DVB各类数字音视频广播系统的基于多项式的开环数字基带预失真器的实现方法。该方法采用各类射频功率放大器(HPA)的通用数学模型----多项式模型，生成原始数字基带信号的复系数的三次项和五次项，并通过人机接口调整复系数的幅度和相位值，以抵消末级的射频功率放大器非线性产生的三次五次项，从而改善系统线性性能。这种预失真器对记忆效应较弱的功放具有一定的校正效果，然而当功放记忆效应增强时其校正效果并不理想，不能解决功放记忆效应带来的输出功率谱上下边带非对称的问题。

现有的开环数字基带预失真方法均不能解决功放记忆效应带来的输出功率谱上下边带非对称的问题，预失真领域的另一个研究方向-自适应预失真方法可以解决这一问题，然而，其需要射频反馈环路获得功放输出信号与原始基带信号进行比对，射频反馈环路主要包括下变频、IQ解调、AD转换、滤波及预失真系数迭代算法处理CPU等单元，硬件电路较为复杂，而且存在解调误差，延时对齐等问题，从而造成实现困难。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于频带分割的的开环数字基带预失真器及其实现方法，以得到更优的校正效果，并减少硬件上的复杂性。

本发明的上述目的通过如下技术方案予以实现：

一种基于频带分割的开环数字基带预失真器，其特征在于包括一个预失真系数生成模块，m个预失真处理单元和对应的m个滤波器，一个信号合成器，其中：

预失真系数生成模块：用于生成m组预失真系数；

m个预失真处理单元：用于接收从预失真系数生成模块输出的m组预失真系数pd_coef(n)的实部pd_I(n)和虚部pd_Q(n)，并写入相应的LUT表中；将原始的数字基带信号分m路进行预失真处理，并输出m个信号；

m个滤波器：用于接收从m个预失真处理单元输出的m个信号并分别进行滤波；

信号合成器：用于对从m个滤波器输出的m个信号进行合成；

m表示预失真处理单元的个数或滤波器的个数，为≥2的正整数。

一种基于频带分割的开环数字基带预失真器，其特征在于包括一个预失真系数生成模块，两个预失真处理单元和对应的两个滤波器，一个信号合成器，其中两个预失真处理单元分别为上边带预失真处理单元与下边带预失真处理单元，两个滤波器分别为上边带滤波器与下边带滤波器。：

预失真系数生成模块：用于生成第一组预失真系数与第二组预失真系数；

上边带预失真处理单元：用于接收从预失真系数生成模块输出的第一组预失真系数pd_coef_u(n)的实部pd_I_u(n)和虚部pd_Q_u(n)，并写入相应的LUT表中；接收原始的数字基带信号中的一路信号进行预失真处理，并输出信号；

下边带预失真处理单元：用于接收从预失真系数生成模块输出的第二组预失真系数pd_coef_l(n)的实部pd_I_l(n)和虚部pd_Q_l(n)，并写入相应的LUT表中；接收原始的数字基带信号中的另一路信号进行预失真处理，并输出信号；

上边带滤波器：用于接收从上边带预失真处理单元输出的信号并进行滤波；

下边带滤波器：用于接收从下边带预失真处理单元输出的信号并进行滤波；

信号合成器：用于对上边带滤波器输出的信号与下边带滤波器输出的信号进行合成。

在上述基于频带分割的开环数字基带预失真器中，信号合成器连接外部的DA转换器，DA转换器连接正交上变频器，正交上变频器连接功放，其中DA转换器用于接收信号合成器输出的信号并进行转换；正交上变频器用于接收DA转换器输出的信号并进行正交上变频；功放用于接收正交上变频器输出的信号并放大输出。

在上述基于频带分割的开环数字基带预失真器中，预失真系数生成模块生成预失真系数pd_coef(n)的方法为：

以输入信号的平均功率的归一化输入功率为横坐标，以输入信号的预失真系数幅度值为纵坐标建立坐标系，在坐标系面内取若干个离散点，进行N点样条插值，获得N个幅度值，记为amp(n)；以输入信号的平均功率的归一化输入功率为横坐标，以输入信号的预失真系数相位值为纵坐标建立坐标系，在坐标系面内取若干个离散点，进行N点样条插值，获得N个相位值，记为pha(n)，其中n为1，2，...，N，

由此得到所需的预失真系数pd_coef(n)的求解公式为：

pd_coef(n)＝amp(n)·e^j·pha(n)

          ＝amp(n)·cos(pha(n))+j·amp(n)·sin(pha(n))

          ＝pd_I(n)+j·pd_Q(n)

其中pd_I(n)为预失真系数pd_coef(n)的实部，pd_Q(n)为预失真系数pd_coef(n)的虚部，

N为每组预失真系数中预失真系数的个数，N为自然数。

在上述基于频带分割的开环数字基带预失真器中，预失真处理单元进行预失真处理的方法为：

原始基带信号为时间离散、幅度离散的I、Q信号，以其复包络的平方值I²+Q²的量化结果为地址，查找LUT表格，获得所需要的预失真系数pd_coef(n)的实部pd_I(n)和虚部pd_Q(n)，将其与原始基带信号相乘得到输出预失真后的I′、Q′信号，即：

I′+j·Q′＝(I+j·Q)[pd_I(n)+j·pd_Q(n)]

一种基于频带分割的开环数字基带预失真器的预失真方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)由预失真系数生成模块生成m组预失真系数，分别写入m个预失真处理单元的LUT表中；

(2)原始基带信号分m路分别进入m个预失真处理单元进行预失真处理；

(3)经过m个预失真处理单元预失真处理后的信号分别进入m个滤波器进行滤波；

(4)经m个滤波器输出信号经信号合成器合成后得到的信号经DA转换器、正交上变频器后送入功放；

(5)根据功放输出信号的功率谱线，通过预失真系数生成模块分别调整步骤(1)中的m组系数，直至输出功率谱上下边带带肩最优。

m表示预失真处理单元的个数或滤波器的个数，为≥2的正整数。

一种基于上下频带分割的开环数字基带预失真器的预失真方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)由预失真系数生成模块生成第一组预失真系数与第二组预失真系数，第一组系数写入上边带预失真处理单元的LUT表中，第二组系数写入下边带预失真处理单元的LUT表中；

(2)原始基带信号分两路分别进入上边带预失真处理单元和下边带预失真处理单元进行预失真处理；

(3)经过上边带预失真处理单元预失真处理后的信号进入上边带滤波器进行滤波，经过下边带预失真处理单元预失真处理后的信号进入下边带滤波器进行滤波；

(4)上边带滤波器输出的信号和下边带滤波器输出信号经信号合成器合成后得到的信号经DA转换器、正交上变频器后送入功放；

(5)根据功放输出信号的功率谱线，通过预失真系数生成模块调整步骤(1)中的第一组预失真系数，直至输出功率谱上边带带肩最优，同理调整第二组预失真系数，直至输出功率谱下边带带肩最优。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

(1)本发明开环数字基带预失真器的预失真系数通过上位PC中的预失真系数生成模块获得，且进行频带分割可以解决因记忆效应带来的输出功率谱上下边带不对称问题，相较于一般的开环数字基带预失真方法，它可以带来更优的校正效果，特别是采用上下频带分割更好的解决了因记忆效应带来的输出功率谱上下边带不对称的问题。

(2)本发明技术方案相较于自适应预失真方法，它在保证相当校正效果的同时，避免了自适应预失真方法中为获得预失真系数而增加的复杂的射频反馈环路和自适应迭代处理CPU等单元，大大减少了硬件上的复杂性。

附图说明

图1为本发明基于上下频带分割的开环数字基带预失真器实施例的结构示意图；

图2为本发明预失真系数幅度曲线与相位曲线；

a预失真系数幅度曲线

b预失真系数相位曲线

图3为本发明基于LUT的预失真方法的原理框图；

图4为本发明实施例FIR滤波器的频域响应图；

a上边带滤波器幅频特性曲线；

b下边带滤波器幅频特性曲线；

图5为本发明实施例预失真器与现有技术预失真器的预失真效果比较图，

a无预失真时功放输出功率谱；

b一般开环数字基带预失真器进行预校正时功放输出功率谱；

c本发明预失真器进行预校正时功放输出功率谱；

图6为本发明包括m个预失真处理单元的预失真器的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图以包括上边带预失真处理单元和下边带预失真处理单元两个预失真处理单元的基于上下频带分割的开环数字基带预失真器对本发明作进一步的详细描述：

如图1所示为本发明基于上下频带分割的开环数字基带预失真器的结构示意图，包括预失真系数生成模块，上边带预失真处理单元和下边带预失真处理单元两个预失真处理单元，对应的上边带滤波器和下边带滤波器两个滤波器，以及信号合成器，信号合成器连接外部的DA转换器，DA转换器连接正交上变频器，正交上变频器连接功放。其中预失真系数生成模块生成两组预失真系数pd_coef_u(n)和pd_coef_l(n)并写入两个预失真处理单元；两个预失真处理单元用于将原始的数字基带信号分两路进行预失真处理；两个滤波器用于对从两个预失真处理单元输出的信号和分别进行滤波得到信号和；信号和经过信号合成器的合成后得到信号，输出给外部的DA转换器，其中信号合成器执行对信号的简单加和，可以选择加法器；DA转换器接收合成后得到的信号并进行转换；正交上变频器用于接收DA转换器输出的信号并进行正交上变频；功放用于接收正交上变频器输出的信号并放大输出。

本实施例的具体实施步骤如下：

步骤一：E模块为预失真系数生成模块，由该模块生成系数pd_coef_u(n)和pd_coef_l(n)，将系数pd_coef_u(n)的实部pd_I_u(n)和虚部pd_Q_u(n)通过串口写入上边带预失真单元中LUT_U表，将pd_coef_l(n)的实部pd_I_l(n)和虚部pd_Q_l(n)通过串口写入下边带预失真单元中LUT_L表，其中预失真系数生成模块生成预失真系数的方法如下：

如图2所示为本发明预失真系数幅度曲线与相位曲线，其中a)为预失真系数幅度曲线，其横坐标为相对于平均功率的归一化输入功率，纵坐标为相应的预失真系数的幅度值，在坐标面内取若干个离散点(图中菱形标志)，进行N点样条插值，获得N个幅度值，记为amp(n)，其中n为1，2，...，N。b)为预失真系数相位曲线，其横坐标为相对于平均功率的归一化输入功率，纵坐标为相应的预失真系数的相位值，在坐标面内取若干个离散点(图中菱形标志)，进行N点样条插值，获得N个幅度值，记为pha(n)，其中n为1，2，...，N，N为每组预失真系数中预失真系数的个数，N为自然数。

由此得到所需的预失真系数pd_coef(n)的求解公式为：

pd_coef(n)＝amp(n)·e^j·pha(n)

          ＝amp(n)·cos(pha(n))+j·amp(n)·sin(pha(n))

          ＝pd_I(n)+j·pd_Q(n)

其中pd_I(n)为预失真系数pd_coef(n)的实部，pd_Q(n)为预失真系数pd_coef(n)的虚部。

根据上述公式可以得到基于上下频带分割的预失真器中的预失真系数pd_coef_u(n)和pd_coef_l(n)分别为：

pd_coef_u(n)＝pd_I_u(n)+j·pd_Q_u(n)

pd_coef_l(n)＝pd_I_l(n)+j·pd_Q_l(n)

步骤二：原始基带信号分两路进行预失真处理，模块A为上边带预失真单元，对进行预失真处理后得到信号、模块B为下边带预失真单元，对进行预失真处理后得到信号；

本实施例采用图3给出的基于LUT的预失真方法对信号进行预失真处理，原始基带信号为时间离散、幅度离散的I、Q信号，以其复包络的平方值(I²+Q²)的量化结果为地址，查找LUT表格，获得所需要的预失真系数pd_coef(n)的实部pd_I(n)和虚部pd_Q(n)，将其与原始基带信号相乘得到输出预失真后的I′、Q′信号。即：

I′+j·Q′＝(I+j·Q)[pd_I(n)+j·pd_Q(n)]

根据上述公式得到经上边带预失真单元处理后的信号为：

$I_u^{\prime }+j·Q_u^{\prime }=(I+j·Q)[\mathrm{pd}\_I_u\left(n\right)+j·\mathrm{pd}\_Q_u\left(n\right)]$

经下边带预失真单元处理后的信号为：

$I_l^{\prime }+j·Q_l^{\prime }=(I+j·Q)[\mathrm{pd}\_I_l\left(n\right)+j·\mathrm{pd}\_Q_l\left(n\right)]$

步骤三：本发明中采用FIR滤波器，图1中模块C为上边带滤波器，模块D为下边带滤波器，由模块A输出的信号经模块C处理后得到信号，由模块B输出的信号经模块D处理后得到信号；

本实施例利用FIR滤波器进行上下频带分割，一般地，升余弦滚降滤波函数定义为：

$H_{\mathrm{rc}}\left(2\mathrm{\pi f}\right)=\left(\begin{array}{cc}1& \left|f\right|<f_N(1-\alpha )\\ \{\frac{1}{2}+\frac{1}{2}\sin \frac{\pi }{{2f}_N}\left[\frac{f_N-\left|f\right|}{\alpha }\right]\}& f_N(1-\alpha )\le \left|f\right|\le f_N(1+\alpha )\\ 0& \left|f\right|\ge f_N(1+\alpha )\end{array}\right)$

其中f_N为Nyquist采样频率，α为滚降系数。其时域响应为：

$g_{\mathrm{rc}}\left(t\right)=\frac{\sin 2\mathrm{\pi t}{f}_N\cos 2\mathrm{\alpha \pi t}{f}_N}{\mathrm{\pi t}[1-4{\left({2\mathrm{\alpha tf}}_N\right)}^2]}$

如果将频域的升余弦滚降窗平移至f_c处，则平移后的频域和时域响应分别是：

$H_{\mathrm{rc}}^{f_c}\left(2\mathrm{\pi f}\right)=H_{\mathrm{rc}}\left[2\pi (f-f_c)\right]$

$g_{\mathrm{rc}}^{f_c}\left(t\right)=g_{\mathrm{rc}}\left(t\right)e^{j2\pi f_{c}t}$

设宽带信号分布在f∈[-B，B]的带宽内，频谱记为H(ω)。如果采用如下的两个滤波器对原信号进行滤波：

$H_{\mathrm{rc}}^{f_c}\left(2\mathrm{\pi f}\right)=H_{\mathrm{rc}}\left[2\pi (f-f_c)\right]$

$H_{\mathrm{rc}}^{-f_c}\left(2\mathrm{\pi f}\right)=H_{\mathrm{rc}}\left[2\pi (f+f_c)\right]$

则当f_c满足f_c＝B/(2-α)，并且f_N＝f_c时，有如下关系成立：

$H_{\mathrm{out}}\left(\omega \right)=H\left(\omega \right)H_{\mathrm{rc}}^{f_c}\left(\omega \right)+H\left(\omega \right)H_{\mathrm{rc}}^{{-f}_c}\left(\omega \right)$

即原始基带信号可以通过一组升余弦滚降滤波器分割为上下两个频带信号，二者可以无失真的合成出原信号。

上述原理分析是在连续时间和频率域中描述的。若时域是离散采样的，采样周期是T_s，记滤波器的离散域冲击响应为h_rc(nT_s)，则

h_rc(nT_s)＝T_sg_rc(nT_s)，n为整数

给定α、B、系统采样间隔T_s等参数，则可得到相应的升余弦滚降时域冲击响应。在允许一定截断误差的条件下，可以将h_rc(nT_s)截断为有限冲击响应序列，即可以用一组FIR结构的滤波器实现分频带滤波，图4给出了本实施例中FIR滤波器的频域响应，包括a)上边带滤波器的幅频响应与b)下边带滤波器的幅频响应，图4可见，该滤波器组在中心频率处表现出很好的互补特性，其合成特性相当于一个全通滤波器，原始基带信号通过滤波器组进行频带分割为上下两个频带信号，二者可以无失真的合成出原信号。

步骤四：信号与合成得到信号，该信号经DA转换器的转换及正交上变频，最终输出给功放；

步骤五：观察功放输出信号的功率谱线，通过预失真系数生成模块调整pd_coef_u，直至输出功率谱上边带带肩最优，通过预失真系数生成模块调整pd_coef_l，直至输出功率谱下边带带肩最优。

调整方法为：调整预失真系数生成模块中曲线上的点(图2中菱形标志)，预失真系数生成模块将自动进行曲线拟合获得预失真系数并将其下载至LUT表格，同时观察输出功率谱带肩，直至最优。

本实施例通过仿真验证了基于上下频带分割的预失真方法的正确性，该模块的主要功能是将原始的数字基带信号分两路进行预失真处理，两路预失真处理模块中LUT的系数分别由预失真系数生成模块生成；再将经预失真后的信号进行滤波合成，得到的信号经DA转换及正交上变频，最终输出给功放。该模块在CMMB发射系统中进行了实测，测试结果表明当发射系统的功放因记忆效应带来输出功率谱上下边带带肩出现明显的非对称时，上下频带分割的预失真器在抑制带外谱扩展和降低带内失真方面能够取得比一般的开环数字基带预失真器更好的性能。

图5给出了本发明实施例与现有技术预失真器的预失真效果比较图，其中a)表示无预失真时功放输出功率谱，b)表示一般开环数字基带预失真器进行预校正时功放输出功率谱，c)表示本发明实施例预失真器进行预校正时功放输出功率谱，图5中曲线a)可以看出，功放输出功率谱上下边带存在不对称，上下边带带肩相差达10dB；曲线b)可见，一般开环数字基带预失真器进行校正时，功放输出带肩有一定改善，但输出功率谱仍然存在明显的不对称；而曲线c)表明，采用本发明实施例预失真器进行预校正时，由于进行了频带分割，上下边带带肩可以单独进行校正，从而在功放输出带肩明显改善的同时，解决了功放输出功率谱上下边带不对称问题。

以上描述仅为本发明基于上下频带分割的开环数字基带预失真器的实施例，对于多频带分割同样适用，同样可以解决因记忆效应带来的输出功率谱上下边带不对称的问题，达到更优的校正效果，其工作原理和流程同上下频带分割的预失真器，以m频带分割为例(m为大于2的正整数)，如图6所示，由预失真系数生成模块生成m组预失真系数，分别写入m个预失真处理单元的LUT表中；原始基带信号分m路分别进入m个预失真处理单元进行预失真处理；经过m个预失真处理单元预失真处理后的信号分别进入m个滤波器进行滤波；经m个滤波器输出信号经信号合成器合成后得到的信号经DA转换器、正交上变频器后送入功放；观察功放输出信号的功率谱线，通过预失真系数生成模块分别调整上述m组系数，直至输出功率谱上下边带带肩最优。

以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。