频率捷变功率放大器的自适应捷变数字预失真方法

摘要

本发明公开了一种频率捷变功率放大器的自适应捷变数字预失真方法，涉及宽带无线通信领域。本发明采用开环架构而无需反馈侦测接收通道，且采用专门的开环自适应基带处理模块，实时依据载波频率信息对DPD参数进行自适应调整，以适应因频率捷变带来的射频功放非线性特性的变化，且DPD参数调整速度远高于传统的闭环自适应DPD技术。本发明具有低成本、低功耗、低复杂度等显著优势。

说明书

技术领域

本发明涉及宽带无线通信领域，尤其涉及数字信号处理领域，更具体地说涉及一种频率捷变功率放大器的自适应捷变数字预失真方法。

背景技术

现代无线发射机往往采用更加先进的高效率射频功放设计技术(例如：Doherty)，以构建节能高效的无线发射机系统，但是在追求功放高效率的过程中往往会牺牲功放的线性度，从而使得功放效率和线性度二者之间的矛盾更加突出。为了缓解这一对矛盾，数字预失真(Digital Pre-Distortion,DPD)技术是无线通信发射机中的主流线性化技术，在无线基站中广泛应用。DPD的基本原理是：通过在数字基带构建与发射机射频功放的非线性特性呈相反关系的预失真补偿模型，从而使得预失真级联射频功放的整体输入输出关系呈线性特性，以达到对射频功放的线性化目的。

一方面，随着无线业务的日趋多样化，无线发射机正朝着多频多模的方向发展，各种多模多频的宽带射频功放层出不穷，这对射频功放在输入信号频率捷变情况下的线性高效工作提出了挑战；另一方面，传统跳频发射机系统的输入信号载波频率也将快速跳变工作，其也面临着射频功放在信号跳频过程中的线性高效工作需求。

针对以上场景，统一将该类工作方式的射频功放称为“频率捷变功放”，其典型工作特点是：射频功放本身具备足够宽的带宽以支持多频多模信号工作，工作过程中输入信号的载波频率在功放支持带宽内可以任意快速捷变，在这个过程中，射频功放的AM-AM(幅度-幅度调制)和AM-PM(幅度-相位调制)非线性特性也将随着载波频率捷变而快速变化，如图1所示。以跳频发射机为例，其频率捷变速率将在每秒上千次至上万次的量级。在这种情况下，传统的DPD技术将难以跟上功放AM-AM和AM-PM特性的快速变化，以致无法进行有效的线性化。

传统的DPD技术可分为两种工作模式：一类是开环DPD，一类是闭环自适应DPD。(1)对于传统开环DPD而言，其DPD参数仅针对特定载波频率下的特定输入信号所提取，因此，当输入信号载波频率发生变化而导致射频功放的AM-AM和AM-PM特性发生改变时，原有的开环DPD参数将不再适用，从而导致在频率捷变过程中的线性化失效；(2)对于传统闭环自适应DPD而言，尽管理论上在信号载波频率变化后，其自适应反馈侦测接收通道仍然可以跟踪这种变化，并对DPD参数做出调整，但是，现有的自适应算法收敛速度和响应速度都远慢于上面提到的每秒上千次至上万次的频率捷变速度，因此也将导致在频率捷变过程中的线性化失效；而且，传统的闭环自适应DPD技术由于强烈依赖于其反馈侦测接收通道和自适应训练算法模块，也会导致系统成本和功耗的大大增加。

发明内容

为了克服上述现有技术中存在的缺陷和不足，本发明提供了一种频率捷变功率放大器的自适应捷变数字预失真方法，本发明采用开环架构而无需反馈侦测接收通道，且采用专门的开环自适应基带处理模块，实时依据载波频率信息对DPD参数进行自适应调整，以适应因频率捷变带来的射频功放非线性特性的变化，且DPD参数调整速度远高于传统的闭环自适应DPD技术。本发明具有低成本、低功耗、低复杂度等显著优势。

为了解决上述现有技术中存在的问题，本发明是通过下述技术方案实现的：

频率捷变功率放大器的自适应捷变数字预失真方法，其特征在于：对于给定的射频功放电路，在给定的射频工作电路的工作频率范围[ω₁,ω₂]内进行扫描测试，在该工作频率范围内均匀选定有限个频点[ω₁,ω₁+Δω,ω₁+2Δω,...,ω₂]，在每个工作频点上通过所测得的输入输出信号进行DPD模型参数提取，并通过对所有频点上的DPD模型参数进行以频率为边梁的多项式拟合，得到捷变频DPD的模型参数发生器；当射频功放频率捷变到[ω₁,ω₂]内任意射频载波频率ω₀上时，通过捷变频DPD的模型参数发生器计算得到该频率下的DPD模型参数，将该组DPD模型参数代入所使用的DPD模型中得到射频载波频率ω₀下的DPD信号，并对射频功放在射频载波频率ω₀下的非线性进行线性化处理，使得输出信号带外频率得到抑制。

所述捷变频DPD模型是在传统DPD模型的模型系数中引入射频频率作为其自变量得到的，捷变频DPD模型是输入基带信号和载波频率的函数，以记忆多项式模型为基础，可表示为：

其中，K和M分别是非线性阶数和记忆深度，a_km(ω)是随载波频率变化的模型参数，x(n)为原始输入基带信号，ω是射频载波频率信息。

所述捷变频DPD模型的模型参数是由捷变频DPD的模型参数发生器生成的，捷变频DPD的模型参数发生器可表示为：

其中，P为非线性阶数，为给定的k和m情况下的模型参数。

所述在每个工作频点上通过所测得的输入输出信号进行DPD模型参数进行提取是通过最小二乘法算法进行提取的。

通过最小二乘法在[ω₁,ω₂]范围内的N个频点[ω₁,ω₁+Δω,ω₁+2Δω,...,ω₁+(N-2)Δω,ω₂]上，分别采用记忆多项式模型得到的记忆多项式模型DPD参数分别为：

对于每一组(k,m)角标值下的上述N个DPD参数通过以频率为自变量进行P阶多项式拟合得到式(2)中的

与现有技术相比，本发明所带来的有益的技术效果表现在：

1、相比于传统的开环DPD技术，本发明的虽然也是开环实现的DPD，但是由于引入了频率捷变的模型参数，从而具有自适应频率捷变的优点；相比于传统的闭环自适应DPD，本发明的自适应捷变频DPD无需实施配备反馈侦测接收通道，从而大大节省的DPD运算时间、成本及功耗；传统的DPD技术均无法有效解决频率捷变功放的线性化问题，本发明有效地解决了这一难题。

2、本技术可支持每秒上千跳甚至上万跳的跳频发射机的线性化，可为跳频或捷变频通信系统应用中，采用高频谱效率的高阶体制调制信号奠定基础，对于宽带高速跳频或捷变频系统具有重要意义。

附图说明

图1为频率捷变功率放大器的工作模式及非线性变化示意图；

图2为本发明自适应捷变频数字预失真原理框图；

图3为本发明自适应捷变频数字预失真工作流程图；

图4为本发明自适应捷变频数字预失真方法对一款射频功放进行测试得到的效果对比图。

具体实施方式

实施例1

作为本发明一较佳实施例，参照说明书附图1-3，本实施例公开了：

频率捷变功率放大器的自适应捷变数字预失真方法，对于给定的射频功放电路，在给定的射频工作电路的工作频率范围[ω₁,ω₂]内进行扫描测试，在该工作频率范围内均匀选定有限个频点[ω₁,ω₁+Δω,ω₁+2Δω,...,ω₂]，在每个工作频点上通过所测得的输入输出信号进行DPD模型参数提取，并通过对所有频点上的DPD模型参数进行以频率为边梁的多项式拟合，得到捷变频DPD的模型参数发生器；当射频功放频率捷变到[ω₁,ω₂]内任意射频载波频率ω₀上时，通过捷变频DPD的模型参数发生器计算得到该频率下的DPD模型参数，将该组DPD模型参数代入所使用的DPD模型中得到射频载波频率ω₀下的DPD信号，并对射频功放在射频载波频率ω₀下的非线性进行线性化处理，使得输出信号带外频率得到抑制，使得带内失真得到改善。

实施例2

作为本发明又一较佳实施例，参照说明书附图1-3，本实施例公开了：

频率捷变功率放大器的自适应捷变数字预失真方法，对于给定的射频功放电路，在给定的射频工作电路的工作频率范围[ω₁,ω₂]内进行扫描测试，在该工作频率范围内均匀选定有限个频点[ω₁,ω₁+Δω,ω₁+2Δω,...,ω₂]，在每个工作频点上通过所测得的输入输出信号进行DPD模型参数提取，并通过对所有频点上的DPD模型参数进行以频率为边梁的多项式拟合，得到捷变频DPD的模型参数发生器；当射频功放频率捷变到[ω₁,ω₂]内任意射频载波频率ω₀上时，通过捷变频DPD的模型参数发生器计算得到该频率下的DPD模型参数，将该组DPD模型参数代入所使用的DPD模型中得到射频载波频率ω₀下的DPD信号，并对射频功放在射频载波频率ω₀下的非线性进行线性化处理，使得输出信号带外频率得到抑制，使得带内失真得到改善。

所述捷变频DPD模型是在传统DPD模型的模型系数中引入射频频率作为其自变量得到的，捷变频DPD模型是输入基带信号和载波频率的函数，以记忆多项式模型为基础，可表示为：

其中，K和M分别是非线性阶数和记忆深度，a_km(ω)是随载波频率变化的模型参数，x(n)为原始输入基带信号，ω是射频载波频率信息。

所述捷变频DPD模型的模型参数是由捷变频DPD的模型参数发生器生成的，捷变频DPD的模型参数发生器可表示为：

其中，P为非线性阶数，为给定的k和m情况下的模型参数。

在本实施例中，所述在每个工作频点上通过所测得的输入输出信号进行DPD模型参数进行提取是通过最小二乘法算法进行提取的；通过最小二乘法在[ω₁,ω₂]范围内的N个频点[ω₁,ω₁+Δω,ω₁+2Δω,...,ω₁+(N-2)Δω,ω₂]上，分别采用记忆多项式模型得到的记忆多项式模型DPD参数分别为：

对于每一组(k,m)角标值下的上述N个DPD参数通过以频率为自变量进行P阶多项式拟合得到式(2)中的

实施例3

作为本发明又一较佳实施例，参照说明书附图1-4，本实施例公开了：

捷变频DPD模型是将DPD模型的模型系数通过载波频率函数进行替换，得到捷变频DPD模型，捷变频DPD模型是输入基带信号和载波频率的函数，以记忆多项式模型为基础，可表示为：

其中，K和M分别是非线性阶数和记忆深度，a_km(ω)是随载波频率变化的模型参数，x(n)为原始输入基带信号，ω是射频载波频率信息；所述捷变频DPD模型的模型参数是由捷变频DPD参数发生器生成，捷变频DPD模型的模型参数可表示为：

其中，P为非线性阶数，为给定的k和m情况下的模型参数；首先，对给定的射频功放和带宽范围，进行扫频测试和参数提取，即对于给定的射频功放电路，在给定的射频工作电路的工作频率范围[ω₁,ω₂]内进行扫描测试，在该工作频率范围内均匀选定有限个频点[ω₁,ω₁+Δω,ω₁+2Δω,...,ω₂]，在每个工作频点上通过所测得的输入输出信号进行DPD模型参数提取；并通过对所有频点上的DPD模型参数进行以频率为边梁的多项式拟合，得到捷变频DPD的模型参数发生器；此后，对模型参数发生器的内部多项式参数进行固化，在任意输入载波频率下，即可首先通过该内部多项式参数和式(2)计算得到捷变频DPD的模型参数a_km(ω)，再通过式(1)计算得到该射频载波频率下的DPD信号z(n)，并成功对射频功放在该射频载波频率下的非线性进行线性化。可见，以上过程并不再需要反复对载波频率改变后的射频功放非线性再进行模型参数提取和建模，而是可以直接通过已经固化的“捷变频DPD参数发生器”即可快速响应得到相应载波频率下的DPD信号，从而满足快速捷变频下的自适应DPD。

如图4所示，是采用本发明的技术对一款WLAN射频功放在100MHz带宽内进行载波频率捷变测试得到的结果,通过仅采用一组固定的捷变频DPD模型参数，即实现了从2.4GHz至2.5GHz之间11组输入频率下的线性化，ACPR均能达到-50dBc以上。证明了本发明的有效性和优势。