专利名称：通过预失真的信号校正的制作方法
技术领域：
本发明涉及使到诸如移动无线电话中的功率放大器之类的一个信号处理设备的输入信号预失真，以便降低响应输入信号生成的输出信号中信号处理设备引起的失真量的设备和方法。
背景技术：
在数字领域中对功率放大器输入信号进行预失真是众所周知的。人们发现数字预失真器在使RF(射频)功率放大器线性化时越来越有用，这部分归因于最近高取样率模拟-数字转换器(ADC)和数字-模拟转换器的可用性和使这种线性化形式成为可能的数字信号处理(DSP)硬件的速度的相应提高。也归因于非恒定包络调制方案使用得越来越多和甚至非常需要增加使这种线性化形式成为人们所希望那样的放大器效率。
但是，大多数传统预失真器只对随瞬时信号幅度而变化的放大器失真加以校正。这通常被称为AM(幅度调制)到AM和AM到PM(相位调制)失真。这种形式的预失真器当用数字方法实现时，常常借助于两个查用表(例如，用于调整放大器输入信号的增益和幅度)来工作，这两个查用表按信号幅度(或输入幅度的某种函数)检索，然后，起修正施加在放大器输入端上的信号的幅度和相位以便抵消它的失真的作用。
不幸的是，许多真正的放大器都呈现出随过去，以及现有的信号而变化的失真。这些放大器被认为存在记忆。由于只能对失真中可以表达成瞬时信号幅度的函数的那个成分加以校正，当使呈现记忆的放大器线性化时，如上所述的AM-AM和AM-PM型预失真器的性能受到限制。
一般说来，放大器记忆效应随着信号带宽增加，将变得越来越显著，因此，传统AM-AM和AM-PM预失真器性能将相应地变差。由于常常存在信号带宽不断增加的趋势(尤其在移动电信领域中)，记忆效应失真的问题，以及它的校正现在正变成RF功率放大器设计的主要问题。
发明内容
本发明的目的是提供可以对诸如RF功率放大器之类的设备中的记忆效应失真加以校正的预失真技术。
根据一个方面，本发明提供了通过生成与到信号处理设备的输入信号组合在一起抵消输出信号中的记忆效应失真的抵消信号以使所述信号处理设备生成的所述输出信号线性化的设备，该设备包括处理装置，用于通过将输入信号的第一函数与第一脉冲响应特性卷积创建校正信号；和相减装置，用于在所述输入信号的当前状态下从所述校正信号中减去所述校正信号的期望值，以便生成用于创建所述抵消信号的差信号。
本发明还包括生成与到信号处理设备的输入信号组合在一起抵消所述信号处理设备的输出信号中的记忆效应失真的抵消信号的方法，该方法包括通过将所述输入信号的第一函数与第一脉冲响应特性卷积创建校正信号，和该方法还包括在所述输入信号的当前状态下从所述校正信号中减去所述校正信号的期望值，以便生成用于创建所述抵消信号的差信号。
根据本发明的预失真技术通过使记忆效应失真成分与瞬时失真成分一起得到校正，可以使放大器的线性度得到显著提高。
根据本发明的预失真技术可以为典型高功率RF设备在比没有记忆校正更宽的带宽上提供预失真校正。这是由于记忆效应往往随着带宽增加越来越占优势。
本发明生成的校正信号可以与通过“瞬时幅度”预失真技术生成的另外校正信号结合在一起使用，以便可以对信号处理设备进行瞬时效应和记忆效应的校正。这样的预失真器结构将对瞬时AM-AM和AM-PM失真成分加以校正，以及对由放大器记忆引起的失真成分加以校正。这种方案的一个优点是，预失真器的这两个方面可以保持相互独立，使得一个方面的改变不影响另一个方面。
在一个实施例中，在创建校正信号的过程中，将多个进一步的脉冲响应特性的每一个与所述输入信号的一个函数卷积。参与每一次卷积的输入信号的函数无需相同。
在一个实施例中，生成校正信号的过程涉及到生成卷积信号(通过将脉冲响应特性与输入信号卷积生成)的函数。在生成几个卷积信号的情况下，可以生成每个卷积信号的各自函数，或者，可以将卷积信号组合在一起，然后，生成作为组合卷积信号的函数的信号。当然，可以设想出组合卷积信号的其它方式，从而生成作为卷积信号的某种函数的信号。
在一个实施例中，用在一次或多次卷积中的脉冲响应特性具有指数衰减的形式。
在一个实施例中，用在一次或多次卷积中的输入信号的函数是所述输入信号的非线性函数。非线性信号可以是，例如，输入信号的平方，或输入信号的当前值。
在一个实施例中，在生成抵消信号的过程中，差信号用于调制所述输入信号的极坐标参数(幅度或相位)。在一个优选实施例中，在生成所述抵消信号的过程中，生成两个差信号，一个用于调制所述输入信号的相位，另一个用于调制所述输入信号的幅度。
在一个可替代实施例中，在生成所述抵消信号的过程中，差信号用于调制输入信号的直角坐标分量。在一个优选实施例中，在生成所述抵消信号的过程中，生成两个差信号，用于调制输入信号的各个直角坐标分量。
在本发明的优选实施例中，本发明的线性化技术赖以实现的信号处理设备是一个功率放大器或几个这样功率放大器的组合。
现在参照附图，只通过举例的方式描述本发明的某些实施例，在附图中图1是示出现有技术的预失真器的基本结构的方块图；图2是示出根据本发明实施例的预失真器的基本结构的方块图；图3是示出要线性化的放大器中的信号的矢量图；图4是更详细地示出图2的预失真器的直角坐标形式的结构的方块图；图5是更详细地示出图2的预失真器的极坐标形式的结构的方块图；图6是示出用在图4和5中的函数f1和f2的通用形式的方块图；图7示出了在图6中给出的函数f1和f2的结构的一种变型；和图8示出了在图7中给出的函数f1和f2的结构的另一种变型。
具体实施例方式
现有技术的预失真器的基本积木式部件显示在图1中。这种形式的预失真器常常借助于两个查用表(例如，用于调整放大器输入信号的增益和幅度)来工作，这两个查用表按信号幅度，或输入幅度的某种函数检索，然后，起修正施加在放大器输入端上的信号的幅度和相位以便抵消它的失真的作用。但是，这种形式的预失真器只对随输入信号的瞬时幅度而变化的放大器失真加以校正。这样的失真通常被称为AM(幅度调制)到AM和AM到PM(相位调制)失真，和在本文中被称瞬时失真。
不幸的是，许多真正的放大器都呈现出随过去，以及现在的信号而变化的失真，这些放大器被认为存在“记忆”。当使呈现出这种记忆效应的放大器线性化时，如上所述的现有技术中已知的“瞬时失真”型预失真器的性能受到限制。
在图1中，到放大器A的RF输入信号RF1如果有必要则被下变降，然后，在A/D部件中被转换成数字信号S1。将S1供应给预失真器功能件B，以及供应给控制部件C。预失真器B将S1改变成S3，S3随后在D/A部件中经受回到模拟域的转换，并且，如果有必要，在供应给放大器A之前，经受上变频。然后，控制部件C利用适当的A/D转换，如果有必要则进行下变频，将放大器A的线性化输出RF2取样成信号S2。部件C将信号S1和S2相比较，并且，将结果用于调整预失真器B的操作，以便使RF2的线性化达到最佳。
图2例示了合并对瞬时失真信号和记忆失真信号两者的校正的改进数字预失真器(B)的基本结构。
可以看出，进行记忆失真校正的对预失真器的改进涉及到将功能部件J正好放在AM-AM和AM-PM预失真器之前。换句话说，没有要求对AM-AM和AM-PM预失真器部件加以改变。这提供了借助于根据本发明实施例的记忆效应预失真器可以以相对简单方式翻新现有预失真器产品的优点。
在部件J中，延迟器1补偿部件D和E中的延迟，T是取样周期，MT是对Vm的贡献(可归因于记忆效应的输出信号误差成分)不能忽略不计的最大时间间隔。
如果断开预失真器(使它起线性增益级作用)，那么，任何时刻出现在放大器输出端上的信号可以用如图3所示的矢量图上的相位和幅度表示。
在图3中示出了如下矢量Vw是理想、无失真放大器输出的线性放大输出。
Vins是仅仅随瞬时输入信号幅度而变化的失真矢量(这代表AM-AM和AM-PM失真)。称此为瞬时失真矢量。
Vm是随过去，以及现在的输入信号而变化的失真矢量。称此为记忆失真矢量。
Vn是由系统噪声指数、数字量化噪声、增益和相位脉动、无用假信号等引起的错误矢量。这个误差矢量不能通过预失真加以消除，它代表已经应用了传统预失真和记忆补偿之后仍然保留的残余失真。
Verror是将所有有贡献错误矢量都考虑进来的总错误矢量。
|V1|是输入信号幅度，因此，我们可以写成Vins＝fins(|V1|)。
此外，Vm可以更精确地表达成Vm＝fm(V1(t)，V1(t-δt)，V1(t-2δt)...V1(t-M.δt))limδt→0……(1)其中，M.δt是记忆持续时间，即，对Vm的贡献不能忽略不计的最长时间间隔。
Vm具有当在任何输入幅度上进行估计时，它的期望值都是0的特性。这可以表达成E{Vm}|V1|=0......(2)]]>函数E{V}|v1|是当在某个幅度|V1|上进行估计时，V的期望值或平均值。
预失真器的用途是使放大器输入端上的信号(或矢量)失真，使得在放大器输出端上的信号存在与放大器生成的总失真矢量大小相等和方向相反的附加矢量，这样，出现在放大器输出端上的净失真矢量是零(理想情况)。
由于瞬时失真矢量Vins可以定义成只是瞬时输入幅度|V1|的函数，即，Vins＝f(|V1|)，由此得出，为了使这个矢量预失真和在放大器输出端上消除这个矢量，我们需要也是瞬时输入幅度的函数的预失真器。如果在任何时刻的V1被表达成复数V1＝A1exp(jθ1)，其中A1＝|V1|那么，预失真器输出V3可以写成V3＝GP(A1).A1exp(jθ1+jPP(A1))……(3)其中，GP(A1)和PP(A1)代表预失真器的幅度相关增益和相移。
如果我们还将放大器幅度相关增益和相移表示成GA(A1)和PA(A1)，那么，当放大器输出可以写成V2＝GA(GP(A1).A1).GP(A1).A1.exp(jθ1+jPP(A1)+jGA(GP(A1).A1))……(4)时，预失真最适合瞬时失真矢量(Vins＝0)，其中，
GA(GP(A1).A1).GP(A1)＝G0＝常数 ……(5)，PP(A1)+GA(GP(A1).A1)＝Θ0＝常数(为了简单起见，＝0)……(6)，实现对Vins的预失真器校正的通用方式是利用满足方程5和6的GP(A1)和PP(A1)的查用表。可选地，如果利用直角坐标信号实现预失真器，我们利用查用表LI(A1)和LQ(A1)，以便V3＝{LI(A1)+J.LQ(A1)}.A1.exp(jθ1) ……(7)，和其中，GP(A1)＝{LI(A1)2+LQ(A1)2}1/2……(8)，PP(A1)＝tan-1(LQ(A1)/LI(A1))……(9)。
从放大器输出中消除记忆失真矢量Vm可以通过将信号矢量Vm1/G0加入预失真器输入信号V1中来实现。这样，当预失真器查用表GP和PP(或LI和LQ)满足方程5和6时放大器的输出是V2＝G0.V1+Vm1+V`m+Vn……(10)其中，V`m是由于V1的预失真，现在与Vm稍有不同的记忆失真矢量。但是，V`m仍然具有与方程1相同的形式和满足方程2。
如果将Vm1选择成Vm1＝-V`m，那么，我们留下V2＝G0.V1+Vn……(11)。
换句话说，放大器非线性信号已经被消除了，我们在放大器输出端上还有线性放大输入信号和噪声。
因此，要在图2的部件D中估计的函数具有如下形式fm(V1(t)，V1(t-δt)，V1(t-2δt)…V1(t-Mδt))limδt→0并且，必须满足条件E{fm()}|V1|=0.]]>函数fm()一般说来将是线性过程和非线性过程的混合，这个函数的一些特定实施例总结如下。
一般说来，函数fm()，即，通过图2的部件D实现的函数将是线性过程和非线性过程的混合，它的详细实现随使用的特定放大器件的特性而改变。在图4和5中，以在FPGA(现场可编程门阵列)或ASIC(专用集成电路)中便于实现的形式示出了fm()。
在图4中给出了fm()的通用直角坐标实现，它足够一般性地涵盖大多数放大器件。函数E{V}|V1|是当在输入幅度|V1|上进行估计时，V的期望值或平均值。取决于fm()的形式，为了易于计算，可以将E{V14I}|V1|和E{V14Q}|V1|表达成V1的相应简单函数。从f1中减去E{V14I}|V1|生成第一差信号和从f2中减去E{V14Q}|V1|生成第二差信号。量E{V14I}|V1|和E{V14Q}|V1|的减去保证了如要求的那样，E{Vm}|V1|=0,]]>或E{f()}|V1|=0.]]>将在f1路径中生成的差信号与V1经过部件D的形式相乘。将在f2路径中生成的差信号与V1已经偏移了90°的形式相乘。然后，将两个相乘过程的输出相加生成Vm1。
在图5中给出了fm()的通用极坐标实现，它足够一般性地涵盖大多数放大器件。E{V14I}|V1|和E{V14P}|V1|的减去保证了如要求的那样，E{Vm}|V1|=0,]]>或E{f()}|V1|=0.]]>在f2路径中生成的差信号用于调制V1经过部件D的形式的相位。让在f1路径中生成的差信号偏移+1，然后用于调制V1经过部件D的形式的幅度。
应该注意到，可以对以实数形式或以复数形式表示的信号实施在图4和5中进行的计算。为了示范后一种情况，可以将图4中的信号表示成具有实部和虚部两者的复数。
显然，如果除去V1的直通路径对功能部件J(图2)加以修改，那么，在fm()的这个实施例中，正好在输出Vm1之前减去V1就没有必要了。
现在参照图6、7和8更详细讨论应用在图4和5中的函数f1和f2的性质。
图6示出了用于函数f1和f2两者的一般形式。将V1供应给进行信号处理的许多条路径的每一条。然后，相加这些路径的输出以生成信号V14。可以有与所需一样多的路径。每条路径对V1进行运算，最初生成是V1函数的信号，例如，V121，然后，将其与滤波器脉冲响应，例如，H1(t)卷积，生成进一步的信号，例如，V131，接着又对其处理，以便那个信号的函数，例如，fn21从该路径发送到求和点。显而易见，f1不需要与f2相同，例如，f1的fn11和f2不需要相同。
如果我们作出与放大器记忆效应的物理原因有关的许多假设，可以使函数f1和f2的优选通用实施例显著简化。如果我们假设记忆效应是由信号的幅度或相位的调制引起的和调制与单个物理变量(譬如，器件温度或偏压)的值成正比，和如果我们假设物理变量是流过放大器件的平均电流(Im)的函数，那么，函数f1和f2可以简化成如图7所示的那样。
在许多情况下，使Im(t)≈|V1(t)|2是良好近似，并且，应该注意到，一般说来，时间常数τ和系数b1对于函数f1和f2是不同的。
如果我们假设放大器记忆效应是由信号的幅度或相位的调制引起的和调制与几个物理变量(譬如，器件温度、偏压等)的值成正比，和如果我们假设这些物理变量是流过放大器件的平均电流(Im)的独立函数和这些函数具有形式e-t/τ的脉冲响应，那么，f()的形式可以简化成如图8所示的那样。假设平均电流是在比载波周期长得多和比最大调制信号的周期短得多的时间间隔上求平均的。取决于放大器件，使Im(t)近似等于|V1(t)|2也许再次有效。
尤其，当记忆矢量由时间常数不同的许多记忆效应构成时，可以发生在前一段中假定的情况。这很有可能是对于大多数功率放大器，记忆效应来源于功率器件中的发热和通常用在，例如，FET(场效应管)器件的栅极和漏极上的许多去耦电容器之间的相互偏置作用的情况。这些因素(热量和多个基于电容器的时间常数)的每一种都将导致时间常数不同的记忆矢量。
权利要求
1.一种通过生成与到信号处理设备的输入信号组合在一起抵消输出信号中的记忆效应失真的抵消信号以使所述信号处理设备生成的所述输出信号线性化的设备，该设备包括处理装置，用于通过将第一脉冲响应特性与输入信号的第一函数卷积以生成卷积信号来创建校正信号；和相减装置，用于在所述输入信号的当前状态下从所述校正信号中减去所述校正信号的期望值，以便生成用于创建所述抵消信号的差信号。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述处理装置还被安排成在创建所述校正信号的过程中，将多个进一步的脉冲响应特性的每一个与所述输入信号的一个函数卷积，以生成各自的进一步的卷积信号。
3.根据权利要求1或2所述的设备，其中，所述处理装置在生成所述校正信号的过程中，被安排成随至少一个卷积信号变化。
4.根据权利要求1、2或3所述的设备，其中，用在所述一次卷积或数次卷积中的脉冲响应特性是指数衰减的。
5.根据权利要求1到4任何一项所述的设备，其中，用在所述一次卷积或数次卷积中的所述输入信号的函数是所述输入信号的非线性函数。
6.根据权利要求1到5任何一项所述的设备，其中，用在所述一次卷积或数次卷积中的所述输入信号的函数是所述输入信号的平方或电流。
7.根据权利要求1到6任何一项所述的设备，进一步包括调制装置，用于在生成抵消信号的过程中，利用所述差信号来调制所述输入信号的极坐标参数。
8.根据权利要求1到7任何一项所述的设备，进一步包括调制装置，用于在生成所述抵消信号的过程中，利用所述差信号来调制所述输入信号的直角坐标分量。
9.一种包括抵消信号处理设备的输出信号中的瞬时失真的线性化器和根据前述任何一项权利要求的、抵消所述输出信号中的记忆效应失真的设备的设备。
10.一种生成与到信号处理设备的输入信号组合在一起抵消所述信号处理设备的输出信号中的记忆效应失真的抵消信号的方法，该方法包括通过将所述输入信号的第一函数与第一脉冲响应特性卷积创建校正信号，该方法进一步包括在所述输入信号的当前状态下从所述校正信号中减去所述校正信号的期望值，以便生成用于创建所述抵消信号的差信号。
11.一种通过生成与到信号处理设备的输入信号组合在一起抵消输出信号中的记忆效应失真的抵消信号以使所述信号处理设备生成的所述输出信号线性化的设备，该设备基本上像在本文中参照图4或5，以及图6、7或8所述的那样。
12.一种生成与到信号处理设备的输入信号组合在一起抵消所述信号处理设备的输出信号中的记忆效应失真的抵消信号的方法，该方法基本上像在本文中参照图4或5，以及图6、7或8所述的那样。
全文摘要
数字预失真器包括针对功率放大器内的记忆效应失真，生成与功率放大器的输入信号组合在一起校正功率放大器的输出的抵消信号V
文档编号H03F1/32GK1666409SQ03816131
公开日2005年9月7日 申请日期2003年5月22日 优先权日2002年5月24日
发明者安东尼·J·史密森 申请人:安德鲁公司