專利名稱：使用分路信號的預(yù)失真的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及到固有非線性的設(shè)備的數(shù)字預(yù)失真。具體地，它涉及到將具有高解析度的寬帶數(shù)字信號實現(xiàn)為預(yù)失真信號，而不要求為了高解析度而使用很高比特數(shù)的快速D/A轉(zhuǎn)換器。
背景技術(shù)：
運營商的主要目標(biāo)之一就是能夠在網(wǎng)絡(luò)中為他們的用戶提供高容量。在蜂窩網(wǎng)絡(luò)中的信道數(shù)目方面，高容量進(jìn)而又要求緊密的頻率規(guī)劃。也就是說，在給定區(qū)域內(nèi)必須使比以前更多的頻率可用。在相同的地點，基站必須處理更多的載波。像TDMA(DAMPS)和GSM等傳統(tǒng)系統(tǒng)要求更多的信道，而像WCDMA等即將出現(xiàn)的系統(tǒng)改為要求連續(xù)的寬帶寬。這進(jìn)而又需要超線性放大器。
線性放大器被用來同時放大幾個載波，這與單獨放大每個載波、然后在例如混合組合器(hybrid-combiner)中將它們加到一起相反。諸如90°分支線型耦合器之類的混合組合器有這樣的缺點，即對于載波的每個偶極天線(doublet)有3dB的功率損耗。
典型地，線性功率放大器的效率大約為6％，但是當(dāng)加入更多載波時，它保持相對恒定的效率。而且，只必須將一個放大器用于所有的載波。功率放大器的主要問題是AM-AM的線性特性，然而混合組合器不會遭受這個問題。大多數(shù)蜂窩系統(tǒng)要求互調(diào)(IM)產(chǎn)物比載波低70dB的數(shù)量級。已經(jīng)做了廣泛的工作來線性化功率放大器，其中，前向反饋看起來是最有前途的方法?；フ{(diào)產(chǎn)物通過比較主放大器的輸入和輸出信號，而在放大器的輸出端被簡單地減去。誤差信號放大器調(diào)整互調(diào)頻率分量的電平(輸出減去輸入)。
在某種程度上，前向反饋可以改善線性，但是另一方面要實現(xiàn)完全符合線性所需的最后幾dB變得非常困難。一種進(jìn)一步線性化該放大器的方式是預(yù)失真輸入到放大器的信號，以及補(bǔ)償該非線性。對于如何實現(xiàn)這個目標(biāo)有很多種方式。一種方式是在MCPA它自己的前向反饋回路中預(yù)失真。通常，這是以模擬RF方式完成的。RF預(yù)失真(PD)也可以在整個MCPA外完成。
另一種方式是實現(xiàn)數(shù)字預(yù)失真。數(shù)字PD可以在手邊有數(shù)字組合信號的任何時候使用。所謂的軟件收發(fā)機(jī)的引入使得提取這個信號特別方便。在系統(tǒng)級將有數(shù)字軟件收發(fā)機(jī)、寬帶數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)、某些RF組件和主要連接到天線端口的RF MCPA。優(yōu)選地，數(shù)字預(yù)失真器將被放置在軟件收發(fā)機(jī)和DAC之間。
本專利提案的背景是需要將預(yù)失真用作一種手段，用于或補(bǔ)償非線性設(shè)備的典型的線性化技術(shù)。這樣的設(shè)備可以是單載波功率放大器(SCPA)或者例如是多載波功率放大器(MCPA)，或者甚至是無源設(shè)備。
因為線性化通常都實現(xiàn)用于寬帶應(yīng)用，所以，線性化要使用前向反饋技術(shù)。通過使用這種技術(shù)，通過比較非線性設(shè)備之前和之后的信號來減去不需要的信號分量是可能的。可以實現(xiàn)到某種程度的線性化，但是線性化通常以模擬方式來實現(xiàn)，其必須考慮的困難基本上在RF頻率上。
另一方面，數(shù)字預(yù)失真通常在基帶或者某些中頻(IF)上完成。本發(fā)明的思想實質(zhì)上是在對信號實現(xiàn)最佳控制以及載波頻率比實際的操作頻率低得多的地方來執(zhí)行預(yù)失真。
現(xiàn)有技術(shù)基本上從開始放大電信號時的點開始，設(shè)計者就已經(jīng)開始工作于線性化了。作為對線性化技術(shù)中現(xiàn)有技術(shù)的描述，一種方式是直接在非線性設(shè)備前面、在模擬RF以模擬的方式來實現(xiàn)預(yù)失真?？商鎿Q地，它可以合并到MCPA自己(如果那是非線性設(shè)備)的前向反饋回路中去。有些想法已經(jīng)提出如在圖7中指出的還在數(shù)字基帶放置該預(yù)失真器。數(shù)字信號通過數(shù)字預(yù)失真器復(fù)制和饋送，然后在它被饋送到D/A轉(zhuǎn)換器之前再次加到原始數(shù)字信號。該校正完全對該數(shù)字信號進(jìn)行。
例如，在專利號為5,598,436的美國專利中描述了使用預(yù)失真的數(shù)字傳輸系統(tǒng)。但是該電路對相位和幅度分別使用不同的量化級。
專利號為6,172,562的另一個美國專利描述了用于控制相位和幅度從而線性化一個非線性設(shè)備的預(yù)失真器。該文檔討論了當(dāng)使用高精度數(shù)字電路時需要高帶寬的問題。然后將相位和幅度校正分為兩個并行的分支從而解決這個問題。
在Electronics Letters 1997年第33卷第11期中題為“用于寬帶數(shù)字預(yù)失真RF功率放大器線性化的芯片(Chip for wideband digitalDre-distortion RF power amplifier linearization)”的文章中公開了一種用于數(shù)字預(yù)失真的定制芯片，其中，前向通路和適配/控制通路以不同的速度工作于14比特的標(biāo)準(zhǔn)解析度。該文章指出，線性化必須以采樣頻率工作，典型地，該采樣頻率比信號帶寬高4到8倍。
問題因此，目前的解決方案的缺陷是，必須是相當(dāng)大的帶寬與失真信號相關(guān)。因為大多數(shù)非線性設(shè)備可以被模型化為冪級數(shù)(見圖2)，所以，非常明顯，其頻率是原始頻率的線性組合的信號分量會在輸出信號中出現(xiàn)。例如，如果主要的非線性是x3分量，那么就會出現(xiàn)占用原始信號3倍寬帶寬的頻率(

圖1和圖2)。同樣地，由于非線性，將會出現(xiàn)具有x5分量的頻率，這實際上將導(dǎo)致出現(xiàn)5倍大的帶寬。相同的論點可以用于更高的分量。
正如可以從上面的討論得出結(jié)論的，有必要將這樣一個信號饋送到設(shè)備中，該信號自己具有與希望被改善的已失真信號相同的要求帶寬。因為在D/A轉(zhuǎn)換器的動態(tài)范圍(比特數(shù)、或者解析度)和采樣頻率之間實際上存在關(guān)系，所以，同樣非常明顯的是實現(xiàn)預(yù)失真信號更高的帶寬也需要更好的D/A轉(zhuǎn)換器。低解析度D/A轉(zhuǎn)換器可以以非常高的采樣速率工作，但是相反地，在同樣高的采樣速率上設(shè)計高解析度的D/A轉(zhuǎn)換器是很困難的。
對該問題的另一個觀點是，如果人們使用太低的采樣速率，則在頻譜中就可能發(fā)生混疊(周期性的復(fù)制)。所以，在原始信號中加入預(yù)失真信號將會導(dǎo)致重疊的信號頻譜，如圖6所示。原始(模擬)信號再也不能正確地唯一地濾波出來而不遭受混疊效應(yīng)。執(zhí)行D/A轉(zhuǎn)換基本上就意味著圖3中的原始頻譜應(yīng)該可能在如圖4所示的數(shù)字表示中被正確地濾波出來。如果從開始起采樣速率相對于信號帶寬就太低，那么就會發(fā)生如圖5所示的混疊效應(yīng)。

發(fā)明內(nèi)容
對上述問題的解決方案要給兩個信號，也就是原始的數(shù)字消息信號(圖8中的A分支)以及預(yù)失真數(shù)字信號部分(圖8中的B分支)使用不同的D/A轉(zhuǎn)換器。換句話說，我們建議使用與通常所使用的以及現(xiàn)有技術(shù)中使用的相同的解析度以及適度采樣頻率的D/A轉(zhuǎn)換器，但是對于加上的預(yù)失真信號使用有更高采樣速率的低解析度D/A。這兩個信號然后就在其模擬域組合起來。因此，就避免了同時對兩個信號要求高的采樣速率。當(dāng)然了，還得注意保證兩個相加的信號具有正確的時間對齊或相位對齊。
為了闡明上述建議，我們可能會認(rèn)識到，對信號的失真影響僅僅具有我們希望減去的失真水平量級的信號分量。例如，在非線性設(shè)備的輸出端，如果諧波方面的失真比載波電平低50dB，那么，我們只需要看我們必須具有什么解析度來達(dá)到我們期望的水平。假設(shè)期望的電平是比載波電平低80dB，那么就很清楚需要一個動態(tài)范圍，其等于(80-50＝)30dB。在D/A轉(zhuǎn)換器的比特數(shù)方面，這等于30/6＝5比特的解析度，其中，6dB[20log(2)]解釋每個附加比特。
獨立權(quán)利要求1闡述了一種將依賴于有限解析度的預(yù)失真用于饋送到MCPA的數(shù)字預(yù)失真部分的方法，而從屬權(quán)利要求2到4闡述了另外的實施例。
附圖簡述通過參照隨后的描述以及附圖，本發(fā)明與它進(jìn)一步的目的和優(yōu)點可以得到最好的理解，在附圖中圖1是其中帶寬為B而幅度為恒定的輸入頻譜的實例，即G(v)＝G0·v；圖2是輸入頻譜連同在第3階非線性輸出處測量出的失真分量的實例，因此該失真的帶寬比該信號的原始輸入頻譜大3倍；圖3是用其負(fù)頻率部分和正頻率部分表示的模擬輸入頻譜，因此，低頻和高頻端點fL和fH分別指示該帶寬；圖4圖示了以采樣速率fS采樣的圖3的模擬信號，該頻譜以距離fs周期性地重復(fù)，因此該采樣過程在負(fù)頻率部分和正頻率部分都重復(fù)；圖5圖示了用過低的采樣速率來采樣信號，因此，混疊效應(yīng)將破壞通過濾波而重構(gòu)該原始模擬信號的可能性；圖6圖示了如果采樣速率過低，則該預(yù)失真信號部分所需的額外帶寬將與其它重復(fù)的頻譜相重疊，因而不可能恢復(fù)預(yù)失真所需的3倍(或更多)寬的帶寬的信號；圖7圖示了傳統(tǒng)的數(shù)字預(yù)失真，其中，部分原始信號被預(yù)失真，然后再重新插入到該信號中去，該信號在被饋送到非線性設(shè)備之前被D/A轉(zhuǎn)換，該解決方案的缺陷是D/A轉(zhuǎn)換器所固有的帶寬缺乏(在特定的采樣速率和動態(tài)范圍上)；
圖8圖示了使用本發(fā)明提議的分路到單獨的低解析度D/A轉(zhuǎn)換器的新方法的預(yù)失真實例，因此，就今天的制造標(biāo)準(zhǔn)來說，這個D/A轉(zhuǎn)換器可以以高得多的采樣速率運行；圖9a顯示了沒有預(yù)失真的來自MCPA的輸出頻譜，例如，當(dāng)4音載波集合體(4-tone carrier ensemble)通過非線性設(shè)備饋送時；圖9b顯示了當(dāng)載波自己被抑制從而突出失真本身時的MCPA的輸出頻譜；圖10a顯示了通過其特征在于等式(2)的非線性預(yù)失真設(shè)備饋送以及饋送到如等式(3)所述的非線性設(shè)備MCPA的、具有規(guī)則頻率間隔的四個相等的CW載波的信號頻譜，在此，預(yù)失真部分已經(jīng)以3比特的解析度計算出來，而載波部分以15比特的解析度計算出來；圖10b顯示了圖10a的相應(yīng)的圖，只是兩個信號部分都使用15比特的全解析度；圖11a顯示了如圖10a的相同的頻譜，其中，載波已被減去以便突出該失真的頻譜部分；圖11b顯示了如圖10b的相同的頻譜，其中，載波已被減去以便突出該失真的頻譜部分；圖12a顯示了通過其特征在于等式(2)的非線性預(yù)失真設(shè)備饋送以及饋送到如等式(3)所述的非線性設(shè)備MCPA的、具有規(guī)則頻率間隔的四個相等的CW載波的信號頻譜，在此，預(yù)失真部分已經(jīng)以7比特的解析度計算出來；圖12b顯示了圖12a的相應(yīng)頻譜，但是兩個信號部分都使用15比特的全解析度，圖示了與圖12a相比幾乎可以忽略的差異；圖13a顯示了除了載波部分以外與圖12a相同的頻譜，該載波已經(jīng)被減去以便突出該失真的頻譜；和圖13b顯示了除了載波部分以外與圖12b相同的頻譜，該載波已經(jīng)被減去以便突出該失真的頻譜。
具體描述下面將討論用于實現(xiàn)具有高解析度的寬帶信號作為預(yù)失真信號、而在該同一設(shè)備中不需要具有這些屬性的D/A轉(zhuǎn)換器的方法。該討論將利用頻譜來圖示本發(fā)明的方法。
假設(shè)我們有如下面等式(1)所述的4音(4-tone)CW信號。這個信號將被饋送通過例如具有如等式3所述非線性特性的MCPA的非線性設(shè)備。這個等式描述了對非線性函數(shù)的多項式盡似，并且該等式還可以擴(kuò)展為包括作為幅度函數(shù)的相位變化。為了抵銷這個設(shè)備的非線性行為，設(shè)計了預(yù)失真器以便最小化該設(shè)備輸出中的失真或互調(diào)產(chǎn)物。此預(yù)失真器被發(fā)現(xiàn)如下面等式(3)所述的一樣。我們用來找到這個特定函數(shù)及其系數(shù)的設(shè)計過程被從這個專利提案中省去，因為它對于理解或驗證本發(fā)明不是特別重要的。讓我們僅僅認(rèn)識到這一點，即這個特定的選擇對于突出該過程是一好的實例。
信號a(t)＝sin(2·πf1·t)+sin(2·πf2·t)+sin(2·πf3·t)+sin(2·πf4·t)(1)失真信號α＝0.005g(t)＝a(t)·1+α·a(t)3(2)通過MPCA發(fā)送的預(yù)失真信號β＝-0.00005MPCA(t)＝g(t)-α·g(t)3-β·g(t)5(3)如果等式(1)中的信號被饋送到由等式(3)中的MCPA特性例示的非線性設(shè)備，那么我們將得到圖9所述的失真信號頻譜。應(yīng)該注意，我們尚未應(yīng)用預(yù)失真。所以，我們可以看到，對于非線性函數(shù)的這個特定選擇，我們有在這種情況下只比載波電平低大約30dB的失真電平(或者如果愿意，可稱為互調(diào)電平)。
圖12顯示了組合的預(yù)失真器和非線性設(shè)備(例如，MCPA)的輸出頻譜。這兩個圖顯示了使用全解析度(比特數(shù))與僅僅對B分支使用例如7比特的解析度之間的比較，該B分支是分路部分。正如可以看到的，在兩個曲線之間幾乎沒有明顯的差異。通過提取出載波部分，通過觀察圖13，這將更明顯。這兩個圖顯示了與前面的圖相同的信號頻譜，只是載波已被取出而僅僅留下失真?？梢钥闯?，對于系數(shù)的這個特定選擇，互調(diào)已經(jīng)改善了30dB左右。
作為進(jìn)一步的實例，我們可以將解析度中的比特數(shù)減少到只有3比特(包括符號比特)。這個結(jié)果以及如果我們在A分支和B分支中都具有15比特的全解析度的同樣的輸出在圖10中顯示出來?，F(xiàn)在有更顯著的差異，但是參見其中載波已被消除的圖11，失真/互調(diào)的電平仍然降低了30dB。在這種情況下的唯一差別是可以看到寄生信號(spurioussingnal)的很寬的頻帶，而在前面使用7比特解析度的實例中沒有寄生信號。
可以得出結(jié)論，根據(jù)在本申請中的仿真結(jié)果，所提議的為A分支和B分支使用兩個分離的D/A轉(zhuǎn)換器的方法仍將在互調(diào)電平方面給出非常好的結(jié)果。
所提議的發(fā)明的價值在于，在原始信號中不需要實現(xiàn)采樣速率的改變以提供寬帶的預(yù)失真信號。需要預(yù)失真部分的寬帶信號以便對例如MCPA等非線性設(shè)備的輸入信號實行預(yù)失真。但是，因為這個寬帶信號在D/A轉(zhuǎn)換后在模擬信號域被加上，所以對原始信號的采樣速率沒有限制。只有該信號的分路失真部分必須以高采樣速率來實現(xiàn)。這個建議的實際好處在于，此分路D/A轉(zhuǎn)換器不需要是高解析度的D/A，而可以是任何普通的低成本、但具有高采樣速率的D/A。因此，當(dāng)連接到諸如MCPA之類的非線性設(shè)備時，可以使用現(xiàn)有D/A轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)數(shù)字預(yù)失真而沒有性能的損失。
根據(jù)本發(fā)明，在不偏離本發(fā)明的范圍和精神的情況下，可以以多種方式實施對從這樣的固有非線性的設(shè)備輸出的信號進(jìn)行線性化，即該非線性設(shè)備在其輸出信號中產(chǎn)生作為輸入信號響應(yīng)的互調(diào)產(chǎn)物，本發(fā)明的范圍和精神由所附的權(quán)利要求來限定。
權(quán)利要求
1.一種依靠數(shù)字預(yù)失真而線性化來自固有非線性的設(shè)備輸出的信號的方法，該非線性設(shè)備在其輸出信號中產(chǎn)生互調(diào)或非線性產(chǎn)物，所述方法的特征在于以下步驟對原始信號以給定采樣速率用高比特數(shù)進(jìn)行采樣，用于一個獲得的數(shù)字原始信號消息的期望的信號解析度；對該原始信號以幾倍高的采樣速率用較小的比特數(shù)重新采樣，以便創(chuàng)建要被加到所述獲得的數(shù)字原始信號消息的數(shù)字預(yù)失真信號，由此在數(shù)模轉(zhuǎn)換后形成要被饋送到該固有非線性的設(shè)備的數(shù)字預(yù)失真信號。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于如下的進(jìn)一步的步驟根據(jù)奈奎斯特定理，為第一高解析度數(shù)字信號使用對應(yīng)于期望的原始信號消息帶寬的至少兩倍最高頻率的采樣速率；為第二數(shù)字信號使用對應(yīng)于至少期望B分支誤差消息帶寬的高采樣速率，由此該原始數(shù)字消息的以比特計的解析度通過低于以分貝計的載波電平ADB的期望動態(tài)范圍來定義，且要加上的預(yù)失真數(shù)字信號的以比特數(shù)計的解析度被定義為至少(ADB-BDB)/6，其中，BDB是要消除的、以分貝計的低于載波的諧波電平。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其特征在于如下的進(jìn)一步的步驟為第一高解析度數(shù)字信號選擇16比特的A/D轉(zhuǎn)換；和為第二低解析度數(shù)字信號選擇8比特的、但是具有例如3倍于第一高解析度數(shù)字信號采樣頻率的采樣頻率的A/D轉(zhuǎn)換。
4.根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其特征在于如下的進(jìn)一步的步驟為該第一高解析度數(shù)字信號選擇16比特的A/D轉(zhuǎn)換；和為該第二低解析度數(shù)字信號選擇6比特的、以甚至更高的采樣的A/D轉(zhuǎn)換，例如具有5倍于該第一高解析度數(shù)字信號采樣頻率的采樣頻率。
全文摘要
本發(fā)明方法公開了一種解決方案，它解決必須將相當(dāng)大的帶寬與用于預(yù)失真的失真信號聯(lián)系在一起的問題。根據(jù)本公開內(nèi)容，該方法將不同的D/A轉(zhuǎn)換器應(yīng)用于涉及到的兩個信號，也就是原始數(shù)字消息信號(A分支)和預(yù)失真數(shù)字信號部分(B分支)。換句話說，它建議使用與根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)所通常使用的相同的高解析度和適度采樣頻率的D/A轉(zhuǎn)換器，但是為加上的預(yù)失真信號使用具有更高采樣速率的低解析度D/A。兩個信號然后在它們的模擬域組合起來。因此，避免了同時對兩個信號要求很高的采樣速率。當(dāng)然，還得注意保證該兩個相加的信號具有正確的時間對齊或相位對齊。
文檔編號H03F1/32GK1516921SQ02811887
公開日2004年7月28日 申請日期2002年5月5日 優(yōu)先權(quán)日2001年6月14日
發(fā)明者L·雷克斯貝里, B·約翰松, L 雷克斯貝里, 菜 申請人:艾利森電話股份有限公司