阅读说明：本技术 一种非线性功放的高性能数字预失真方法 (High-performance digital predistortion method of nonlinear power amplifier ) 是由 雷易鸣 郝亮 杜一鹏 金野 于 2019-01-08 设计创作，主要内容包括：本发明公布一种非线性功放的高性能数字预失真方法,包括：通过对功率放大器进行建模,采集功率放大器的输入信号,计算功放模型输出信号；进行归一化；定义功放模型输出信号放缩比；计算归一化误差向量；还原为输出端误差向量；计算消除误差向量后的功放模型输出信号,并进行限幅操作,得到高性能预失真功放模型输出信号；对功放模型进行逆运算,求解高性能预失真功放模型输出信号所对应的高性能预失真功放模型输入信号,再输入非线性功放,即完成非线性功放的数字预失真。本发明能够实现抑制功放输出信号非线性失真的高性能数字预失真,具有优异的线性化性能。(The invention discloses a high-performance digital predistortion method of a nonlinear power amplifier, which comprises the following steps: the method comprises the steps of modeling a power amplifier, collecting an input signal of the power amplifier, and calculating an output signal of a power amplifier model; carrying out normalization; defining the output signal scaling ratio of a power amplifier model; calculating a normalized error vector; reducing the error vector into an output end error vector; calculating the power amplifier model output signal after the error vector is eliminated, and carrying out amplitude limiting operation to obtain a high-performance pre-distortion power amplifier model output signal; and performing inverse operation on the power amplifier model, solving a high-performance pre-distortion power amplifier model input signal corresponding to the high-performance pre-distortion power amplifier model output signal, and inputting the high-performance pre-distortion power amplifier model input signal into the nonlinear power amplifier, namely completing the digital pre-distortion of the nonlinear power amplifier. The invention can realize high-performance digital predistortion for inhibiting the nonlinear distortion of the output signal of the power amplifier and has excellent linearization performance.)

一种非线性功放的高性能数字预失真方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，涉及非线性功放系统优化与数字预失真技术，尤其涉及一种非线性功放的高性能数字预失真方法。

背景技术

现代通信市场中，对高载波频率，宽信道带宽的通信系统需求越来越多，这类通信系统广泛使用高峰值平均功率比和宽信号带宽的信号来获得较高的频谱效率，同时也带来了更加复杂的调制解调协议。在即将到来的5G场景中，可以预见的，功率放大器的非线性失真依然会是通信系统的主要失真源。

于是数字预失真(DPD)技术应运而生，通过一个预失真元件来和功率放大器级联，产生能与功放的非线性失真相互抵消的信号，将这两个非线性失真相结合，便能够实现高度线性化、无失真的通信系统。

然而，要实现数字预失真技术是十分复杂的，在载波频率越来越高的条件下，常规数字预失真的线性化性能会逐渐变差。如若想达到先前的性能指标要求，功放输出信号将遭受非常严重的退化，这种方法可能并不会提升通信系统的性能，甚至会使性能下降。而且，目前主流的DPD技术，主要发展方向是针对功率放大器的行为进行更精准的建模。这些方法对数字预失真设备的计算量提出了很高的要求，不利于设备的微型化。因此，寻找一种方法简单，线性化性能良好的高效数字预失真方法十分必要。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种非线性功放的高性能数字预失真方法，具有线性化性能良好的优点。

本发明的目的在于对非线性功率放大器提供一种新的高性能数字预失真方法。通过对功率放大器进行建模，对功放模型输出信号的误差向量和功放特性进行分析，该方法给出了抑制功放输出信号非线性失真的高性能数字预失真方法，并给出了其实现流程。相比于目前的主流的数字预失真方法，该方法具有优异的线性化性能，是一种高性能的数字预失真方法。

本发明提供的技术方案是：

一种非线性功放的高性能数字预失真方法，包括如下步骤：

1)对功率放大器(功放，Power Amplifier，PA)进行建模，得到功放模型；

2)采集功率放大器的输入信号S_in，计算输入信号S_in对应的功放模型输出信号

3)对功放输入信号S_in和功放模型输出信号进行归一化，得到归一化功放输入信号和归一化功放模型输出信号

4)计算归一化误差向量

5)将归一化误差向量还原为输出端误差向量e_out；

6)计算消除误差向量后的功放模型输出信号之后进行限幅操作，得到期望预失真输出信号为经过高性能预失真后计算得到的PA期望的输出信号；

7)对功放模型进行逆运算，求解PA期望预失真输出信号所对应的PA高性能数字预失真输入信号即为预失真输出信号DPD_out，输入非线性功放，由此完成抑制功放输出信号非线性失真的高性能数字预失真。

优选的，步骤3)中，对功放输入信号S_in和功放模型输出信号进行归一化，得到归一化功放输入信号和归一化功放模型输出信号具体操作方法为：

计算归一化功放输入信号：

计算归一化功放模型输出信号：

另外，定义功放模型输出信号放缩比为：

优选的，步骤4)中，计算归一化误差向量具体操作为：

归一化误差向量为归一化功放输入信号与归一化功放模型输出信号的向量差，表示功放模型的输入输出信号之间的误差向量，表示为：

优选的，步骤5)中，将归一化误差向量还原为输出端误差向量e_out，具体为：

将步骤4)得到的归一化误差向量还原为输出端误差向量，还原过程为：

其中，α为步骤3)中得到的功放模型输出信号放缩比。

优选的，步骤6)中，计算消除误差向量后的模型输出信号之后进行限幅操作，得到期望预失真输出信号具体操作为：

61)去掉功放模型输出信号中的误差向量，得到消除误差向量后的功放模型输出信号；具体操作为：

其中，为消除误差向量后的功放模型输出信号，为功放模型输出信号与输出端误差向量e_out的向量和。

62)依据步骤1)得到的功放模型，求出功放最大输出幅度，记为S_sa。

63)对进行限幅操作；

若其中S_sa为功放最大输出幅度，取对进行限幅处理；若则不对进行限幅处理。

64)通过对消除误差向量后的功放模型输出信号的进行限幅操作得到期望预失真输出信号可以表示为：

其中，表示向量的相位。

优选的，步骤7)中，对功放模型进行逆运算，求解期望预失真输出信号所对应的PA高性能数字预失真输入信号该信号即为预失真输出信号DPD_out，输入非线性功放，完成预失真，具体操作为：

对步骤1)得到的功放模型求逆，得到功放输出-输入信号关系表达式，之后将步骤6)得到的期望预失真输出信号带入功放模型的逆中，求解PA高性能数字预失真输入信号 即为预失真输出信号DPD_out，将DPD_out输入非线性功放，即可完成预失真。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提出了一种非线性功放的高效数字预失真方法。在该方法中，根据功放模型的输入信号和输出信号，对功放模型输出信号的误差向量和功放特性进行分析，求解功放的归一化误差向量，之后在功放模型输出中去除该误差向量，实现了高效的数字预失真，对设备微型化生产具有深远的意义。此外，相较于现有传统数字预失真技术线性化效果不理想等缺点，本方法实现简单，具有优异的线性化效果。

附图说明

图1为本发明的非线性功放的高性能数字预失真方法的实现结构组成模块框图；

图2为本发明具体实施采用的LDMOS功放的AM-AM曲线以及采用的两种主流数字预失真方法的AM-AM曲线；

其中，两种主流数字预失真方法分别为纯线性的数字预失真方法以及硬限幅的数字预失真方法。

图3为本发明

具体实施方式

输入信号与纯线性数字预失真输出信号归一化功率谱密度对比图；

其中，上图为功率放大器输入信号的归一化功率谱密度；下图为采用纯线性数字预失真方法的功率放大器输出信号归一化功率谱密度。

图4为本发明具体实施方式采用硬限幅数字预失真方法与采用本发明的高性能数字预失真方法的输出信号归一化功率谱密度对比图；

其中，上图为采用硬限幅数字预失真方法的功率放大器输出信号归一化功率谱密度；下图为采用本发明的高性能数字预失真方法的功率放大器输出信号归一化功率谱密度。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例进一步描述本发明，但不以任何方式限制本发明的范围。

本发明提供一种非线性功放的高性能数字预失真方法。通过对功率放大器进行建模，对功放模型的输入信号和输出信号进行归一化求解误差向量，提出了一种抑制功率放大器非线性失真的高效方法。

本发明中，用于线性化测试及预失真性能验证的数据是从2.15GHz的横向扩散金属氧化半导体(LDMOS)功率放大器进行测量的。一般的，在实施例中，功率放大器的输入输出功率均以横向扩散金属氧化半导体(LDMOS)功率放大器的1dB输出回退点作为参考点，相应的，图2中三种数字预失真方法的AM-AM曲线均按照参考点进行了归一化。

实施例描述的功放数据来源于LDMOS的实际测试，另外两种对比方法，是基于测试功放进行模拟。另外，测试信号使用双音信号。这些设定都是对功放进行线性化研究的通用方法。

本发明是一种非线性功放的高性能数字预失真方法，采用如图1所示的本发明方法流程，包括如下流程：

步骤A：对功率放大器进行建模，得到功放模型；

步骤B：采集功率放大器的输入信号S_in，计算输入信号S_in对应的功放模型输出信号

步骤C：对功放输入信号S_in和功放模型输出信号进行归一化，得到归一化功放输入信号和归一化功放模型输出信号

步骤C-1：计算归一化功放输入信号可以表示为：

步骤C-2：计算归一化功放模型输出信号可以表示为：

步骤C-3：定义功放模型输出信号放缩比为α，其可以表示为：

步骤D：计算归一化误差向量具体操作为；

归一化误差向量为归一化功放输入信号与归一化功放模型输出信号的向量差，表示功放模型的输入输出信号之间的误差向量，表示为：

步骤E：将归一化误差向量还原为输出端误差向量e_out，具体操作为；

将步骤D得到的归一化误差向量还原为输出端误差向量e_out，其还原过程为：

其中，α为步骤C-3得到的功放模型输出信号放缩比。

步骤F：计算消除误差向量后的功放模型输出信号之后进行限幅操作，得到期望预失真输出信号

步骤F-1：计算消除误差向量后的功放模型输出信号其可以表示为：

其中为消除误差向量后的功放模型输出信号，为功放模型输出信号与输出端误差向量e_out的向量和。

步骤F-2：依据步骤A采集的功放模型，求出功放最大输出幅度，记为S_sa。

步骤F-:3：对进行限幅操作，其具体操作为；

若其中，表示消除误差向量后的模型输出信号的向量幅值，S_sa为功放最大输出幅度，令对进行限幅处理；若则不对进行限幅处理。

步骤F-4：通过对消除误差向量后的模型输出信号进行限幅，得到期望预失真输出信号可以表示为：

其中，表示向量的相位。

步骤G：对功放模型进行逆运算，求解期望预失真输出信号所对应的PA高性能数字预失真输入信号该信号即为预失真输出信号DPD_out，将DPD_out输入非线性功放，完成预失真，具体操作为：

对步骤A得到的功放模型求逆，得到功放输出-输入信号关系表达式，之后将步骤F-3得到的期望预失真输出信号带入功放模型的逆中，求解PA高性能数字预失真输入信号即为预失真输出信号DPD_out，将DPD_out输入非线性功放，完成预失真。

经过实施例实验，不同数字预失真方法下的功率放大器输出信号归一化功率谱密度对比图如图3所示，该实施例测试信号为双音信号，非线性失真表现为其他频段的谱线。可以看出：

硬限幅数字预失真方法，在饱和工作点下输入双音信号，输出信号的三阶交调项与有用信号功率相差17dB，这个线性化程度可以满足正交相移键控(QPSK)调制等低速率传输的要求，但无法满足高速率正交振幅调制(QAM)调制传输的要求。

与硬限幅数字预失真方法相比，采用高性能数字预失真线性化方法的实例，在饱和工作点下输入双音信号，输出信号的三阶交调项与有用信号功率相差37.8dB，有用输出信号能量衰减0dB，这个结果的线性化程度可以满足高速率正交振幅调制(QAM)调制传输的要求，同时用信号输出功率没有衰减。

纯线性数字预失真方法，虽然输出信号中没有非线性失真，但其输出的有用信号能量相比于高性能数字预失真方法衰退了9.4dB，有用信号的衰减幅度过大。故本发明提出的高性能数字预失真方法是一种高效的，具有优异线性化性能的数字预失真方法。

需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。