专利名称：一种具有预失真器的无线发射设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种具有预失真器的无线发射设备。
背景技术：
功率放大器(PA)是无线通信系统中必不可少的部件之一，其功效的提高对于无 线通信设备，尤其是对便携移动终端的节能减耗意义重大。无线通信运营商所采用的基站、 直放站、广播电视发射塔以及用户所使用的手机、移动电视、微型通信设备等移动终端都涉 及功率放大器的功效问题。功率放大器的非线性特性所导致的传输信号畸变，是导致功率放大器功效降低的 重要原因之一，因此，对功率放大器进行线性化处理以提高其功效对于无线通信的发展至
关重要。功率放大器的线性化处理一般包括功率回退技术、包络消除和恢复技术、笛卡尔 环路后馈技术、前馈线性化技术、非线性器件线性化技术以及数字预失真技术等，其中，数 字预失真技术具有稳定性高、适用带宽宽、精度高、实现成本较低等优点，目前被广泛使用。功率放大器数字预失真技术有基于查找表和基于多项式两类方法。基于查找表的 方法需要大量的存储单元，估计及收敛速度慢；基于多项式的预失真方法相对于查找表方 法而言，可以省去大量的RAM (Random Access Memory)存储单元，而且有很快的收敛速度。 基于多项式的预失真方法的基本思想是通过调节多项式系数拟合PA逆的复增益曲线。在基于多项式的功率放大器预失真技术中，当预失真器所用多项式阶数较高时， 系统复杂度呈指数增加，相应地使功率放大器预失真器的硬件复杂度及实现难度大大增 加，进而导致预失真器的稳定性变差。此外，在设计预失真器时，多项式的阶决定了功率放 大器中滤波器的通带范围设计和线性化效果。在当前的基于多项式的功率放大器预失真技术中，要使预失真效果明显，通常会 导致较高的预失真器的计算复杂度；而要降低复杂度，又须减少多项式阶数，从而降低了预 失真效果。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有预失真器的无线发射设备，其在保证预失真性能的 同时降低基于多项式的功率放大器预失真器的复杂度，进而保证基于多项式的功率放大器 预失真器具有更好的收敛性和稳定性。为此，本发明提供了一种具有预失真器的无线发射设备，其特征在于，包括基于多 项式的预失真器和有效阶估计器，其中，所述预失真器将多项式发送给所述有效阶估计器 并接收所述有效阶估计器反馈的多项式的有效阶；所述有效阶估计器与所述预失真器相 连，从所述预失真器接收所述多项式并确定所述多项式的有效阶，以及将所述多项式的有 效阶反馈至所述预失真器。根据本发明，通过估计出多项式的有效阶数，在确保一定的良好预失真效果的前提下，使预失真复杂度大大降低，进而确保了预失真的稳定性。
图1为本发明多项式有效阶估计方法实施例的流程示意图。图2描述有效阶估计器的组成部分。图3为本发明中逼近单元的第一种实现方式。图4为本发明中逼近单元的第二种实现方式。图5为本发明无线发射方法实施例的流程示意图。图6为本发明具有预失真功能的无线发射装置实施例的组成示意图。
具体实施例方式为使本发明的技术方案和有益效果更加清楚，以下结合附图及实施例对本发明作 进一步的详细说明，以使本发明的实现过程能被充分理解并据以实施。本发明的基本思路是利用奇异值分解技术对多项式的有效阶进行估计，将估计 出的有效阶数作为预失真器的多项式阶数，使得在使预失真器的计算复杂度降低的同时， 确保预失真器的优越性能。在该有效阶数下的多项式预失真器能得到足够好的预失真效 果。若不进行有效阶的估计，则会带来使高阶多项式预失真器实现复杂度高和稳定性差的 问题。预失真器的多项式z(n)可表示为z{n)=∑ak(x(n))(1 )上述表达式(1)为一个基于多项式的预失真器的表达式；其中k表示多项式阶数的序列号；ak表示多项式系数；ctk(x(n))表示对应于第k阶多项式的预失真函数；x(n)表示预失真器的输入数据序列；n表示输入数据序列的序列号；K表示多项式的最大阶数。表达式(1)可利用矩阵方式表示为z = Oxa (2)上述表达式(2)中z = [z(0), ... , z(N-l)]T，表示预失真器的多项式矩阵，由N个元素z(0)，...， z(N-l)构成；其中，上标T表示矩阵的转置。a =[ ，...，aK]T，表示K个多项式系数 ，...， 构成的系数矩阵；Ox= [(^⑴，…，(K(x)]，表示由K个预失真函数构成的预失真矩阵；x = [x (0)，. . .，x (N-l) ]T，表示由预失真器的N个输入数据序列x (0)，. . .，x (N-1) 构成的输入矩阵；cK(x) = [cK(x(0))，…，(K (x (N-l))]T，表示由N个预失真器输入数据序列构成的预失真函数矩阵。需要说明的是，cK(x)表示对应于第k阶多项式的预失真函数构成 的矩阵，而上面的。x则表示由多个预失真函数构成的预失真矩阵。这样，寻求预失真器的多项式的有效阶的问题，可以转换为寻求预失真矩阵。x的 有效秩的问题。本发明给出两种实施方式来寻求预失真矩阵①x的有效秩。其中第一种实 施方式是寻求KXN阶的预失真矩阵在弗罗贝纽斯(Frobenius)范数下的最佳逼近务，， 根据该最佳逼近来获得预失真矩阵的有效秩并最终获得多项式的有效阶；第二种实 施方式是利用归一化奇异值来获得预失真矩阵。x的有效秩并最终获得多项式的有效阶。在第一种实施方式，即寻求KXN阶的预失真矩阵在弗罗贝纽斯(Frobenius) 范数下的最佳逼近的问题中，K表示多项式的最大阶数，N表示预失真器输入数据序列的 个数。对预失真矩阵进行奇异值分解，Ox = UE VH，得到奇异值矩阵E，它实质上是一个 包含了奇异值信息的矩阵。其中，u是一个KXK的矩阵，V是一个NXN的矩阵，E则是一个 KXN的矩阵，矩阵E的对角线元素diag( E ) = (on, o22,……，0ltk)，奇异值0ltk是经 过奇异值分解后得到的矩阵E的第k行第k列上的对角线元素，k的取值范围为(l，min(K， N)),K,N分别表示预失真矩阵的行数和列数。奇异值0 kk包含了预失真矩阵。x的秩 的特性的有用信息。通过保留矩阵E的前k个奇异值不变并将其他奇异值置零，得到的矩阵E k，E k称 为E的秩k逼近矩阵。得到如下所示的表达式(3)。= uzy
(3)其中，Ox(k)表示预失真矩阵的秩k逼近预失真矩阵；U为K阶(KXK)酉矩阵； V为N阶(NXN)酉矩阵。上述逼近的效果可以用如下述表达式(4)所示的矩阵差Ox_Ox(k)(也可以称之为
(k)
来衡量。
逼近误差向量)的Frobenius范数| | -① 效果越好。t/szl.对于K阶酉矩阵U和N阶酉矩阵V，其范数分别为
越小，则逼近的
(4) 因此，上述表达式(4)可以简化为
(5)
(6) 由表达式(7)可见，秩k逼近预失真矩阵Ox(k)对于预失真矩阵(^的逼近精确度， 取决于被置零的那些奇异值的平方和。 根据表达式(7)显然，若k越大，则-O
= min(K,N)时趋向于零。将能够达到预定逼近效果的最小的整数p称为预失真矩阵^！^的 有效秩。例如，当k取值p时，逼近误差向量①x-Ox(k)的Frobenius范数小于预定阈值，表明已经达到预定逼近效果，并且当k > p时，逼近效果并无明显提高，则可以将p确定为预 失真矩阵。x的有效秩。因此，寻求多项式有效阶转化为寻求预失真矩阵的有效秩。通过秩k逼近预 失真矩阵Ox(k)对预失真矩阵的逼近效果，来确定预失真矩阵的有效秩。也就是说， 此处的预失真矩阵的有效秩表示对所述预失真矩阵的逼近能够达到预定逼近效果的逼近 预失真矩阵的最小秩。下面详细说明如何获得预失真矩阵的有效秩。例如，设置第一阈值￡l，使得当| -吣(k)| |F小于第一阈值h时，可以达到 预定的逼近效果。计算||F，判断| ！①^吣” |F是否小于第一阈值ei，将使
I ^x-Ox(k) I |F小于第一阈值￡ i的最小整数k确定为矩阵叱的有效秩p(即预失真器的 多项式的有效阶)。在获得奇异值矩阵E后，本发明也可以利用归一化奇异值来判断逼近效果，因此， 也可以利用归一化奇异值的方法来确定预失真矩阵。x的有效秩。具体来说，可以采用如 下所示的表达式(8)来获得归一化奇异值
de f= / ，1 彡 k 彡 min (K，N) (8)显然5^=1。设置一个接近于零的正数￡ 2作为第二阈值，使得按如下方式确定矩阵的有 效秩时，可以达到预定的逼近效果计算归一化奇异值^ ，判断归一化奇异值是否大于 第二阈值￡2，将使归一化奇异值大于第二阈值e2的最大整数k取为矩阵①.的有效秩 P (即预失真器的多项式的有效阶)。采用逼近误差向量Ox_Ox(k)的Frobenius范数来进行逼近与采用归一化奇异值 进行逼近为两种并行的确定有效阶的方法。图1为本发明多项式有效阶估计方法实施例的流程示意图，本方法实施例以上述 第一种逼近方式举例说明。如图1所示，该估计方法主要包括如下步骤步骤S110，接收预失真器的多项式z⑷=⑷)，将预失真器的多项式z(n)
k=\
转换为矩阵z =①力，获得预失真矩阵=[小(x)，. . .，(x)]，预失真矩阵①x由K个 预失真函数构成，其中，6k(x)表示对应于第k阶多项式的预失真函数构成的矩阵；步骤S120，对预失真矩阵0\进行奇异值分解= U E VH，得到奇异值矩阵E。 奇异值矩阵E的对角线元素diag( E ) = (on, o22,……，0ltk)，奇异值0ltk是经过奇异 值分解后得到的奇异值矩阵E的第k行第k列上的对角线元素；步骤S130，根据该E获得E的秩k逼近矩阵E k，并根据该秩k逼近E k获得预失 真矩阵的秩k逼近预失真矩阵Ox(k)，其中，保留E的前k个奇异值不变，同时将其他奇 异值置零，据此获得奇异值E的秩k逼近矩阵E k，该Ox(k)的获取请参阅上述表达式(3)；步骤S140，判断逼近效果，可以采用矩阵差①x_。x(k)的Frobenius范数
If的大小来衡量上述逼近效果，其中| ！①厂①^)! |F请参阅上述表达式⑷至
表达式(7)；步骤S150，根据该逼近效果获得预失真矩阵的有效秩p，有效秩p即为多项式 的有效阶。图2为本发明多项式有效阶估计器实施例的组成示意图。结合图1所示的方法实施例，图2所示的该估计模块主要包括转换单元210、分解单元220以及逼近单元230，其 中转换单元210，用于接收预失真器的多项式z(n)，其中z(…=，并根据
该多项式z(n)获得一预失真矩阵；将上述多项式z(n)转换为矩阵z = ，获得上述 矩阵分解单元220，用于对预失真矩阵进行奇异值分解，Ox = UE VH，得到奇异值矩阵 E ；其中，U是一个KXK的矩阵，V是一个NXN的矩阵，E则是一个KXN的矩阵，K，N分别 表示预失真矩阵。x的行数和列数；逼近单元230，用于根据奇异值矩阵E以及预设的逼近阈值，获得预失真矩阵 的有效秩，预失真矩阵。x的有效秩为多项式z(n)的有效阶。图3为本发明中逼近单元230的第一种实现方式，如图3所示，该第一种实现方式 中的逼近单元230主要包括第一运算子单元310、第二运算子单元320以及第三运算子单元 330，其中第一运算子单元310，用于保留奇异值矩阵的前k个奇异值，并将其余奇异值置 零，得到奇异值矩阵的秩k逼近矩阵；第二运算子单元320，用于根据秩k逼近矩阵获得预失真矩阵的秩k逼近预失真矩 阵；第三运算子单元330，计算预失真矩阵与秩k逼近预失真矩阵之差的弗罗贝纽斯 范数的大小；确定子单元340，用于根据秩k逼近预失真矩阵对预失真矩阵的逼近效果来确定 预失真矩阵的有效秩；其中第一阈值为逼近阈值，采用预失真矩阵与秩k逼近预失真矩阵 之差的弗罗贝纽斯范数的大小来衡量逼近效果，假定当预失真矩阵与秩k逼近预失真矩阵 之差的弗罗贝纽斯范数小于第一阈值时，达到逼近效果，则当预失真矩阵与秩P逼近预失 真矩阵之差的弗罗贝纽斯范数小于等于第一阈值，且预失真矩阵与秩k(k<p)逼近预失真 矩阵之差的弗罗贝纽斯范数均大于第一阈值时，将P确定为预失真矩阵。x的有效秩，即多 项式的有效阶。对预失真矩阵与秩k逼近预失真矩阵之差的弗罗贝纽斯范数的计算，请参 阅上述表达式(4)至表达式(7)。图4为本发明中逼近单元230的第二种实现方式，如图4所示，该第二种实现方式 中的逼近单元230主要包括归一化子单元410以及确定子单元420，其中归一化值计算子单元410，用于根据奇异值矩阵中第一行第一列的元素对奇异值 矩阵中的奇异值okk进行归一化，获得奇异值okk的归一化值确定子单元420，采用归一化值来判断逼近效果，假定当归一化奇异值大于 第二阈值￡ 2时，不能达到逼近效果，则根据第二阈值及归一化值，获得预失真矩阵的有效 秩，具体地，如果归一化奇异值^^大于等于第二阈值，且均小于第二 阈值￡2，则可以将整数P取为矩阵的有效秩，其中第二阈值为逼近阈值。采用了如上所述的有效阶估计处理的功率放大技术，可以保证预失真器在低复杂 度下的优越性能，从而可以有效提高功率放大器的功率效率。图5为本发明无线发射方法实施例的流程示意图。结合图1所示的有效阶估计方法实施例以及图2所示的有效阶估计器实施例，图5所示的功率放大方法实施例主要包括 如下步骤步骤S510，基于多项式的预失真器接收耦合数据，获得预失真器的多项式；步骤S520，对该多项式进行有效阶估计，获得该多项式的有效阶；步骤S530，滤波器接收基于有效阶的多项式的预失真数据，并对该预失真数据进 行一定变换，改变信号频谱，使之更适合于信道传输；步骤540，上变频及D/A模块将基带信号进行上变频处理，使之变为射频信号；步骤S550，对变频处理结果即射频信号进行放大，获得放大结果并输出。上述步骤S520中对该多项式进行有效阶估计，并获得该有效阶的过程，请参照如 图1所示的有效阶估计方法实施例进行理解，此处不再赘述。图6为具有预失真功能的无线发射装置实施例的组成示意图。结合图1所示的有 效阶估计方法实施例、图2所示的有效阶估计器实施例以及图5所示的具有预失真功能的 无线通信发射方法实施例，图6所示的具有预失真功能的无线发射装置主要包括预失真器610，用于接收耦合并经过基带解调的数据，获得多项式并发送给有效阶 估计器620，接收有效阶估计器620反馈的多项式的有效阶，并将有效阶作为多项式阶数发 送给滤波器630 ；有效阶估计器620，与预失真器610相连，用于对多项式进行有效阶估计，获得多 项式的有效阶；滤波器630，与预失真器610相连，用于接收基于有效阶多项式的预失真数据，并 对预失真数据进行滤波，将滤波后的结果输入D/A及上变频模块650 ；D/A及上变频模块650，对滤波器630的输出结果进行数模转换及上变频处理，得 到变频处理结果，即射频数据；功率放大器640，与D/A及上变频模块650相连，对该射频数据进行放大，获得放大 结果并输出；下变频及A/D模块660，对耦合回的数据序列进行下变频以及模数转换，并将转换 结果输出至延迟估计模块670 ；延迟估计模块670，对经过延迟的原输入数据序列和耦合回并经解调的基带的数 据序列进行对比，分析耦合回并经解调的基带的数据序列和原数据(即理想数据)的差别， 以便对预失真器610进行调整。上述有效阶估计器620对该多项式进行有效阶估计，并获得该有效阶的过程，请 参照如图1所示的有效阶估计方法实施例以及图2所示的有效阶估计模块进行理解，此处 不再赘述。图6中，“延迟估计”模块位于“左”端，进行数据对比。本发明中的有效阶估计技术使得预失真器在确保预失真效果的前提下，大大降低 系统开销和实现复杂度，且由于降低了多项式阶数，使得预失真器的收敛性和稳定度提高。本发明实现的预失真器具有复杂度低、稳定性高以及收敛速度快的优点，可以适 用于大型通信设备的基站、直放站、广播电视塔等通信网络设备以及手机、移动电视等便携 式移动终端。虽然本发明的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明，并非用以限定本发明。本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的 前提下，可以在实施的具体形式及细节上作任何的修改与变化，但这些修改与变化均应包 含在本发明的专利保护范围之内。
权利要求
一种具有预失真器的无线发射设备，其特征在于，包括基于多项式的预失真器和有效阶估计器，其中，所述预失真器将多项式发送给所述有效阶估计器并接收所述有效阶估计器反馈的多项式的有效阶；所述有效阶估计器与所述预失真器相连，从所述预失真器接收所述多项式并确定所述多项式的有效阶，以及将所述多项式的有效阶反馈至所述预失真器。
2.根据权利要求1所述的无线发射设备，其特征在于，所述有效阶估计器包括 转换单元，用于接收预失真器的多项式，将所述多项式转换为矩阵表示，获得由K个预失真函数构成的预失真矩阵；K表示所述多项式的最大阶数；分解单元，用于对所述预失真矩阵进行奇异值分解，得到奇异值矩阵； 逼近单元，用于根据所述奇异值矩阵，获得所述预失真矩阵的有效秩，所述预失真矩阵 的有效秩为所述多项式的有效阶，其中，所述预失真矩阵的有效秩是对所述预失真矩阵的逼近能够达到预定逼近效果的逼近 预失真矩阵的最小秩，所述逼近预失真矩阵是对所述预失真矩阵进行逼近的矩阵。
3.根据权利要求2所述的无线发射设备，其特征在于，所述转换单元包括 接收子单元，用于接收所述多项式 转换子单元，用于将所述多项式ζ (η)转换为矩阵表示为Z = φρ ； 输出子单元，用于输出所述预失真矩阵Φχ ； 其中k表示所述多项式阶数的序列号； ak表示所述多项式的系数；Φ^χΟΟ)表示对应于第k阶所述多项式的预失真函数； χ (η)表示所述预失真器的输入数据序列； η表示所述输入数据序列的序列号； 表示所述预失真器的多项式矩阵，由N个元素ζ (0)，...， ζ (N-I)构成； 表示K个多项式系数 ，...，aK构成的系数矩阵； 表示由K个预失真函数矩阵构成的所述预失真矩阵； χ = [χ (0)，...，χ (N-I) ]τ表示由N个预失真器输入数据序列 构成 的输入矩阵； 表示由N个输入数据序列构成的所述预失真 函数矩阵。
4.根据权利要求2所述的无线发射设备，其特征在于，所述逼近单元还执行如下操作 保留所述奇异值矩阵的前k个奇异值，并将其余奇异值置零，得到所述奇异值矩阵的秩k逼近奇异值矩阵；根据所述秩k逼近奇异值矩阵来获得所述预失真矩阵的所述逼近预失真矩阵； 当所述预失真矩阵与所述逼近预失真矩阵之差的弗罗贝纽斯范数小于等于第一阈值 时，判断为所述逼近预失真矩阵能够达到预定逼近效果。
5.根据权利要求2所述的无线发射设备，其特征在于，所述逼近单元执行如下操作基于所述奇异值矩阵中第一行第一列的元素对所述奇异值矩阵中奇异值ο kk进行归一化处理，获得奇异值σ ρρ的归一化值,以及如果所述归一化值大于等于第二阈值， 则判断为秩为P的所述逼近预失真矩阵能够达到预定逼近效果，其中，1 < P < K。
6.根据权利要求2所述的无线发射设备，其特征在于，如果对于任一满足ρ< k≤ K的 k值，均小于所述第二阈值，则ρ是对所述预失真矩阵的逼近能够达到预定逼近效果的逼 近预失真矩阵的最小秩。
全文摘要
一种具有预失真器的无线发射设备，其特征在于，包括基于多项式的预失真器和有效阶估计器，其中，所述预失真器将多项式发送给所述有效阶估计器并接收所述有效阶估计器反馈的多项式的有效阶；所述有效阶估计器与所述预失真器相连，从所述预失真器接收所述多项式并确定所述多项式的有效阶，以及将所述多项式的有效阶反馈至所述预失真器。本发明在保证预失真性能的同时降低基于多项式的功率放大器预失真器的复杂度，进而保证基于多项式的功率放大器预失真器具有更好的收敛性和稳定性。
文档编号H04B1/04GK101841501SQ201010140850
公开日2010年9月22日 申请日期2010年4月2日 优先权日2010年4月2日
发明者朱刚, 艾渤, 钟章队 申请人:北京交通大学