专利名称：多频带宽带功率放大器数字预失真系统的制作方法
多频带宽带功率放大器数字预失真系统
相关申请
本申请要求以下申请的权益
2009年3月31日递交的、申请号为12/415，676的美国专利申请，以及申请 12/415，676延及的2008年3月31日递交的、申请号为61/041，164的美国专利申请；本申请也要求2009年4月24日递交的、申请号为61/172,642的美国临时专利申请的权益；
2009年10月21日递交的、申请号为12/603，419的美国专利申请，申请 12/603,419延及的2008年4月23日递交的、申请号为12/108，507的美国专利申请，以及申请12/108，507延及的2007年4月23日递交的、申请号为60/925，577的美国专利申请；
2008年12月8日递交的、申请号为12/330,451的美国专利申请，以及申请 12/330,451延及的2007年12月7日递交的、申请号为61/012,416的美国专利申请；
2007年12月20日递交的申请号为11/961，969的美国专利申请，申请11/961，969 延及的2006年12月26日递交的、申请号为60/877，035的美国专利申请，以及2007年4 月23日递交的、申请号为60/925，603的美国专利申请；
2008年4月23日递交的、申请号为12/108，502的美国专利申请，申请12/108，502 延及的2008年I月28日递交的、申请号为12/021,241的美国专利申请，以及申请 12/021,241延及的2007年I月26日递交的、申请号为60/897，746的美国专利申请；
2009年12月21日递交的、申请号为61/288，838、发明名称为“MULTI-BAND WIDEBAND POWER AMPLIFIER DIGITALPREDISTORTION SYSTEM AND METHOD” 且发明人为 Wan-JongKim、Kyoung-Joon Cho 和 Shawn Patrick Stapleton 的美国专利申请；
2009年12月21日递交的、申请号为61/288，840、发明名称为“REMOTE RADIO HEAD UNIT SYSTEM WITH WIDEBANDPOffER AMPLIFIER AND METHOD”且发明人为Chengxun Wang和 Shawn Patrick Stapleton 的美国专利申请;
2009年12月21日递交的、申请号为61/288，844、发明名称为“ADVANCED DIGITAL HYBRID MODE POWER AMPLIFIERSYSTEM AND METHOD” 且发明人为 Wan-Jong Kim、 Kyoung-JoonCho> Shawn Patrick Stapleton 和 Ying Xiao 的美国专利申请；
2009年12月21日递交的申请号为61/288，847、发明名称为“HIGHEFFICIENCY， REMOTELY RECONFIGURABLE REMOTE RADIOHEAD UNIT SYSTEM AND METHOD FOR WIRELESSC0MMUNICATI0NS” 且发明人为 Wan-Jong Kim、Kyoung-Joon Cho、Shawn Patrick Stapleton和Ying Xiao的美国专利申请。
针对所有目的通过引用将前述所有申请合并在本文中。技术领域
本发明总体上涉及使用复合调制技术的无线通信系统。更具体地，本发明涉及用于无线通信的功率放大器系统。
背景技术：
使用诸如宽带码分多址(WCDMA)和正交频分复用(OFDM)的复合调制技术的宽带移动通信系统具有大的峰值平均功率比(PAPR)规格，因而需要用于其射频(RF)传输的高线性功率放大器。常规的数字预失真(DPD)技术具有工作带宽限制。
常规的基于DSP的Dro方案使用FPGA、DSP或微处理器来估计、计算并校正放大器 (PA)的非线性度它们对PA系统中的信号进行快速跟踪和调节。然而，由于诸如温度的环境变化和由记忆效应导致的PA输出信号不对称失真所引起的、功率放大器在宽带宽上的线性度性能的变化对常规的基于DSP的Dro方案提出了挑战。常规的Dro算法基于宽带反馈信号，这些算法需要高速模数转换器(ADC)以捕获需要的信息。多频率带应用(或简称为多频带应用)可以使其工作频率显著间隔开。常规的Dro架构使用比输入信号的非线性失真带宽的两倍更大的ADC采样率。该采样率通常比复合调制信号的工作带宽的5倍因数的两倍更大。5倍因数导致归因于由功率放大器产生的非线性失真的频谱再生。对采样率的该约束限制了常规预失真架构对单频带应用的可行性。采样率ADC越高，则分辨率越低、消耗更多功率且更昂贵。发明内容
因此，考虑到以上问题完成了本发明，本发明的目的是提供一种用于多频率带宽带通信系统应用的、具有高线性度和高效率的功率放大器系统的高性能且成本有效的方法。本公开内容能够使功率放大器系统现场可重构并在非常宽的带宽上支持同一 PA系统上的多工作频率带。另外，本发明支持多调制方案(调制未知(agnostic))、多载波和多信道。
为了实现以上目的，根据本发明，该技术基于使RF功率放大器线性化的自适应数字预失真的方法。本发明基于使用不同频率的不同信号(多频带信号)。这些多频带信号将通过功率放大器经历失真并产生以近似为多频带信号的各个带宽的5倍的每个载波为中心的非线性失真。来自功率放大器的反馈信号被下转换成中频(IF)，中频(IF)确保在ADC 中采样之后基波带宽不会相互混叠。本发明可以适应各个载波的非线性失真的混叠。
公开了本发明的各种实施方式。在一个实施方式中，在PA系统内使用了峰值因数缩减(CFR)、DB)、功率效率提升技术和系数自适应算法的组合。在另一实施方式中，为了增强性能，还使用模拟正交调制器(AQM)补偿结构。
本发明的一些实施方式能够监测功率放大器特性的波动并能够借助自适应算法进行自调节。目前公开的一种这样的自适应算法被称作自适应Dro算法，其在数字域中实现并在通过引用合并在本文中并作为附录附上的申请中给出了示教。
本发明的应用适于与所有无线基站、接入点、移动装备无线终端、便携式无线设备、以及诸如微波和卫星通信的其它无线通信系统一起使用。
根据结合附图进行的以下详细描述可以更充分地理解本发明的另外的目的和优点，在附图中
图I是示出数字预失真功率放大器系统的基本形式的框图。
图2是示出根据本发明的一个实施方式的、用于功率放大器系统的简单数字预失真框图的框图。
图3是示出本发明的基于多项式的预失真器的框图。
图4是应用于本发明的数字预失真功率放大器系统中的自适应的数字预失真直接学习算法的框图。
图5是应用于本发明的数字预失真功率放大器系统中的自适应的数字预失真间接学习算法的框图。
图6是混叠数字预失真系统中存在的频域信号的图示。
图7是正交调制器补偿块架构的实施方式。
术语表
ACLR相邻信道泄漏比
ACPR相邻信道功率比
ADC模数转换器
AQDM模拟正交解调器
AQM模拟正交调制器
AQDMC模拟正交解调校正器
AQMC模拟正交调制校正器
BPF带通滤波器
CDMA码分多址
CFR峰值因数缩减
DAC数模转换器
DET检测器
DHMPA数字混合模式功率放大器
DDC数字下变频器
DNC下变频器
DPADoherty功率放大器
DPD数字预失真
DQDM数字正交解调器
DQM数字正交调制器
DSP数字信号处理
DUC数字上变频器
EER包络消除和恢复
EF包络跟随
ET包络跟踪
EVM误差矢量幅度
FFLPA前馈线性功率放大器
FIR有限脉冲响应
FPGA现场可编程门阵列
GSM全球移动通信系统
I-Q同相_正交
IF中频
LlNC使用非线性部件的线性放大
LO本地振荡器
LPF低通滤波器
MCPA多载波功率放大器
MDS多方向搜索
OFDM正交频分复用
PA功率放大器
PAPR峰值平均功率比
PD预失真
PLL锁相环
QAM正交幅度调制
QPSK正交相移键控
RF射频
SAff表面声波滤波器
UMTS通用移动通信系统
UPC上变频器
WCDMA宽带码分多址
WLAN无线局域网具体实施方式
本发明为使用自适应数字预失真算法的新的多频带预失真系统。本发明为数字模块和模拟模块的混合系统。混合系统的数字模块和模拟模块的相互作用使频谱再生线性化且增强PA的功率效率，同时保持或增大宽的带宽。因此，本发明实现了同时在多个不同频率带上工作的宽带复合调制载波的更高的效率和更高的线性度。
图I为示出基本系统架构的高层级框图，至少对于一些实施方式，可以认为该基本系统架构包括数字模块和模拟模块以及反馈路径。数字模块为包括Dro算法、其它辅助 DSP算法和相关数字电路的数字预失真控制器101。如在通过引用被合并的申请中另外论述的，模拟模块为主功率放大器102、诸如DPA的其它辅助模拟电路和整个系统的相关外围模拟电路。本发明为“黑盒子”、即插即用型系统，这是因为其接受RF调制的信号100作为其输入，并提供基本相同但放大的RF信号103作为其输出，因此，其为RF入/RF出。根据本发明的一个实施方式，可以将基带调制信号直接地应用于数字预失真器控制器。根据本发明的一个实施方式，可以将基带输入信号直接施加于数字预失真器控制器。根据本发明的一个实施方式，可以将光学输入信号直接施加于数字预失真器控制器。反馈路径实质上向预失真控制器101提供输出信号的表示。
在任一输入模式下，通过图2的DPD 201中的自适应算法204来补偿由于自加热产生的记忆效应、偏置网络和有源设备的频率依赖性。在图2中，将多频带RF输入x[n]提供给DPD 201和DI3D算法逻辑204。将DPD 201的输出ζ [η]提供给DAC 202和逻辑204。 DAC 202的输出端向功率放大器203提供输入。通过反馈样本y (t)来感测PA的失真特性，反馈样本y(t)在ADC 206中被转换成数据ya [η]并被提供给对准逻辑205。在对准后，数据ya[n]向算法逻辑204提供反馈数据。
通过使来自反馈路径的宽带捕获混叠输出多频带信号ya[n](采样反馈混叠信号) 与参考多频带信号x[n](输入信号)同步，来调节DPD的系数。DH)算法执行同步和补偿。 该同步使参考信号与对准块中的混叠反馈信号对准。在DH)算法的一个实施方式中，将参考信号和混叠的采样反馈混叠信号ya [η]用在直接学习自适应算法中。在DH)算法的另一个实施方式中，将混叠预失真信号za[n](预失真输出混叠信号)和采样反馈混叠信号ya[n] 用在间接学习自适应算法中。
在一些实施方式中，在利用一个数字处理器中的自适应算法进行Dro之前应用峰值因数缩减(CFR)，以降低PAPR、EVM和ACPR并补偿记忆效应和由于PA的温度变化导致的线性度的变化。数字处理器可以采取几乎任意形式；为了方便，通常使用FPGA实现，但是在许多实施方式中通用处理器也是可接受的。在实施方式的数字模块中实现的CFR基于如下专利申请中所提出的成比例迭代脉冲消除(scaled iterative pulse cancellation) 该专利申请为2008年3月31日递交的、发明名称为“An Efficient Peak Cancellation Method For Reducing The Peak-To-Average Power Ratio In Wideband Communication Systems”的US61/041，164，其通过引用合并在本文中。包括CFR以增强性能，并且因而CFR 是可选的。可以从实施方式中删除CFR而不影响整体功能性。
在所有实施方式中，通过DPD中的自适应算法来补偿由于自加热产生的记忆效应、偏置网络和有源设备的频率依赖性。通过使来自反馈路径的宽带捕获输出信号与参考信号同步来调节DH)的系数。数字预失真算法执行同步和补偿。预失真信号通过DQM以生成实信号，然后经由DAC被转换成IF模拟信号。在所有实施方式中，不需要或根本不需要在FPGA中实施DQM。如果在FPGA中不使用DQM，则可以利用两个DAC实施AQM实现以分别生成实信号和虚信号。
图3是示出本发明的Dro系统中的预失真(PD)部分的框图。本发明中的ro—般使用基于多项式的自适应数字预失真系统。ro的另一个实施方式使用基于LUT的数字预失真系统。更具体地，图3中示出的ro在数字处理器中由如下自适应算法进行处理该自适应算法是在申请号为11/961，969、发明名称为“A Method for Baseband Predistortion Linearization in Multi-Channel Wideband Communication Systems”的美国专利申请中提出的。图3中的H)系统的H)具有多个有限脉冲响应(FIR)滤波器，S卩，FIR1301、FIR2303、 FIR3305、和FIR4307。PD还包含三阶乘积生成块302、五阶乘积生成块304和七阶乘积生成块306。来自FIR滤波器的输出信号在求和块308中被合并。通过数字预失真算法更新多个FIR滤波器的系数。
数字预失真器算法
数字预失真(DPD)为用于线性化功率放大器(PA)的技术。图2示出数字预失真 PA系统的框图。在DH)块中，使用记忆多项式模型作为预失真函数(图3)。n-lk—1.
ζ( ) = Xx,{n - i){T (η -i)|y)/二 O片 O
其中，Bij为Dro系数。
在Dro估计器块中，使用最小二乘法来求Dro系数au，然后将Dro系数au发送至7Dro块。图4和图5示出详细的Dro算法。在Dro估计块中使用QR RLS自适应算法来获得这些系数。
图4示出多频带数字预失真器的一个实施方式。直接学习自适应算法具有两个输入进入Dro估计器。Dro估计器使用混叠采样多频带信号xa[n](采样输入混叠信号)作为参考并使用采样反馈混叠信号ya [η]作为输入。因此，χ(η)信号被提供给DPD 400和频率变换/混叠逻辑420。DH)输出信号ζ(η)，同时混叠逻辑420输出xa (η)并将xa(n)提供给整数延迟逻辑402，然后整数延迟逻辑402向分数延迟逻辑402和多路复用器414提供信号，多路复用器414还接收逻辑402的输出。多路复用器还接收来自延迟估计器406的控制信号并向块xa’404提供输出，块404确定xa’(n_m)。多路复用器的输出还被提供给数据缓冲器405，数据缓冲器405将其输出提供给DH)估计器412并将控制信号提供给相移块410和增益校正块411。反馈信号y(t)和采样频率Fs被提供给ADC 421，其中，Fs被选择成产生混叠信号的适当奈奎斯特(Nyquist)区。ADC输出被提供给反馈数据缓冲器408, 来自块407的ya(n)数据也被提供给反馈数据缓冲器408。数据缓冲器408向延迟估计器 406提供数据，也向移相器410从而向增益校正块411提供该数据。增益校正被提供给DH) 估计器，该增益校正与401中示出的已在内存中的预失真系数一起被多路复用而返回Dro 400。
图5示出多频带数字预失真器的另一个的实施方式。图5的间接学习自适应算法具有两个输入进入DH)估计器。DH)估计器使用预失真输出混叠信号za[n]作为参考并使用采样反馈混叠信号ya[n]作为输入，而在其它方面与图4非常相似，因而不另外进行说明。
图6示出频谱域图的图示。参考输入信号X[η]示出中心频率为FdP Fb的两个不同的频带。各个载波的工作带宽与载波之间的频率间隔相比很小。功率放大器中的非线性度将引起如在模拟反馈多频带信号y(t)(模拟反馈信号)中示出的频谱再生。模拟反馈信号被下转换成中频Fi，中频Fi被选择成处于如在图6中示出的第一奈奎斯特区。频率Fi的选择依赖于使用的ADC采样率或Fs、载波的工作带宽和载波之间的频率间隔(Fa-Fb)。ADC 采样率Fs通常为Fi选择时的限制因数。对于两载波系统，在至少一些实施方式中，Fa位于第一奈奎斯特区且Fb位于第二奈奎斯特区，然而取决于具体的实现，信号Fa或Fb可以位于第三、第四或第η奈奎斯特区。基本要求只是这两个信号位于不同的奈奎斯特区。Fi选择限制Fa和Fb可以相互分开多远。
对模拟反馈信号y(t)的采样生成如采样反馈混叠信号ya[n]的频谱中示出的图像。允许来自各个载波的非线性失真相互混叠，只要信号的混叠部分不会不利地影响原始多频带信号即可。直接学习算法使用xa[n]和ya[n]之间的差来使所得到的误差信号最小化。在DH)估计器中，QR RLS算法使用该误差来调节预失真器系数。间接学习算法首先使用预失真输出混叠信号za[n]和采样反馈混叠信号ya [η]来对功率放大器建模。然后，使用建模的功率放大器系数来计算预失真器系数。
图7是示出模拟正交调制器补偿结构的框图。模拟正交调制器将从DAC输出的基带信号变换成RF频率。输入信号被分成同相分量X1和正交分量XQ。模拟正交调制器补偿结构包括四个实滤波器{gll、gl2、g21、g22}和两个DC偏置补偿参数Cl、c2。AQM中的DC 偏置将通过参数cl、c2来补偿。AQM的频率依赖性将通过滤波器{gll、gl2、g21、g22}来补偿。实滤波器的阶数依赖于所需要的补偿水平。输出信号Y1和Yq将被呈给AQM的同相端口和正交端口。
总之，本发明的多频带宽带功率放大器预失真系统可以显著降低反馈ADC采样率需求。这将能够实现多频带宽带应用并降低功率消耗和成本。该系统也是可重构并现场可编程的，这是因为可以在数字处理器中在任意时间像软件一样来调节算法和功率效率增强特征，这一点在通过引用被合并且作为附录附上的申请中作了更详细地论述。
此外，多频带宽带Dro系统不需要知道诸如在CDMA、GSM、WCDMA、CDMA2000和无线 LAN系统中的QPSK、QAM、OFDM等的调制方案。这意味着DTO系统能够支持多调制方案、多载波和多信道。DH)系统的其它益处包括在不具有容易获得的必要基带信号信息的中继器或室内覆盖系统中对PA非线性度的校正。
尽管已参照优选实施方式描述了本发明，但是应当理解本发明不限于优选实施方式中所描述的细节。在之前的描述中已建议了各种替换和修改，而本领域的普通技术人员会想到其它的替换和修改。因此，所有这样的替换和修改意在包括在如在所附权利要求中限定的本发明的范围内。
权利要求
1.一种数字预失真系统，包括射频输入信号；功率放大器，用于提供包括失真特性的放大输出；从所述放大输出导出的反馈信号，所述反馈信号包括所述失真特性的至少一部分的表示；以及对所述反馈信号和所述输入信号做出响应的预失真逻辑，所述预失真逻辑用于生成所述输入信号的混叠表示并且基于所述混叠信号导出预失真系数。
2.一种多频带数字预失真系统，包括多频带输入信号，其中，各频带以间隔开的频率为中心，并且每个频带的带宽远低于频带之间的频率间隔；至少一个功率放大器，用于提供包括失真特性的放大输出；输入混叠逻辑，用于产生每个频带的混叠图像，其中，第一频带的图像处于第一奈奎斯特区，并且第二频带的图像处于不同的奈奎斯特区；从所述放大输出导出的反馈信号，所述反馈信号包括所述失真特性的至少一部分的表示；以及对所述混叠图像做出响应的预失真逻辑，所述预失真逻辑用于生成使所述功率放大器的输出线性化的预失真系数。
全文摘要
公开了一种用于多频率带宽带通信系统应用的、具有高线性度和高效率的RF数字混合模式功率放大器系统的高性能且成本有效的方法。本公开内容能够使功率放大器系统现场可重构并在非常宽的带宽上支持同一PA系统上的多个工作频率带。另外，本发明支持多调制方案(调制未知)、多载波和多信道。
文档编号H04B1/04GK102939716SQ201080064338
公开日2013年2月20日 申请日期2010年12月21日 优先权日2009年12月21日
发明者金万容, 曹敬俊, 肖恩·帕特里克·斯特普尔顿 申请人:大理系统有限公司