基于DPD的NBIOT发射前端优化系统及方法与流程

本发明涉及窄带物联网(narrow-bandinternetofthings，简称“nbiot”)技术领域，特别涉及一种基于数字预失真(digitalpre-distortion，简称“dpd”)的nbiot发射前端优化系统及方法。

背景技术：

物联网的快速发展对无线通讯技术提出了更高的要求，专为低带宽、低功耗、远距离和大量连接的物联网应用而设计的低功耗广域网(lowpowerwideareanetwork，简称“lpwan”)由此而快速兴起。其中，nbiot网络制式及其基础的物联网终端产品(例如，智能水电气表、共享单车、智能停车及追踪、可穿戴设备等)在国内外快速普及和发展。

在nbiot的设计之初，无论是运营商还是各终端产品厂商，对于nbiot产品低带宽/低速率带来的功耗、成本等方面提出了较高的设计要求。因而，各芯片平台厂商在业务软件、芯片省电方面进行了大量的研发，极大的推动了nbiot技术的进一步发展。

但是，对于nbiot射频前端，因其在工作频段、前端方案、软件协议等方面沿用当前4glte的设计，且发射业务的功耗场景在整机待机功耗中所占的比重较小等因素，目前市场上仍处于沿用3g/4g制式的前端器件，其虽可满足当前产品功能设计要求，但在成本、功耗等方面仍存在较大的问题；尤其是，在很多需要干/锂电池供电的多频段nbiot应用(例如，水电气、智能城市系统等)中，成本、功耗等方面的问题尤为突出。

在成本方面，目前通常手段为在多频段需求方面采用集成功放(poweramplifier，简称“pa”)来替代分立pa，从而降低成本和节省布局面积。但是，nbiot是由运营商主导的市场，不同运营商频段不同，集成pa无法专门针对不同的运营商进行区分推广，即便不用的频段也需要考虑集成pa的成本；另外，集成pa内部仍然是多个die，nbiot并没有像lte一样规划大于5个频段的需求，nbiot通常仅同时支持1～2个频段(分为中频m和低频l)，因此，集成pa在少量频段需求情况下，成本方面的优势很有限，无法最大限度的节省前端成本。

在省电(功耗)方面，因为nbiot的峰均比(peaktoaveragepowerratio，简称“papr”)相较lte的峰均比小，通常pa的增益足够满足nbiot的最大功率需求；同时，nbiotpa工作态为线性区域，该区域pa的功放效率(poweraddedefficiency，简称“pae”)通常仅为30～35％，为进一步降低pa工作态的电流，引入平均功率追踪(averagepowertracking，简称“apt”)来对pa的vcc供电进行分档，达到不同功率下的省电目的。但是，在最大功率下，为保障指标性能，vcc供电电压降低幅度有限，且pavbat电压通常没法降低处理，仍然为3.1v～3.4v，在干电池等供电电压降低到2～3v时，整机无法继续使用，因而未能完全利用干电池等的电压供电区间，进而无法满足nbiot中如干电池/锂电池等供电方案的最低电压的范围。

图1为现有nbiot发射前端的示意图；如图1所示，在常规nbiot的硬件设计中，基带提供上下数据，经过射频收发器数模转换和上变频等处理后，输入给前端pa进行放大，经过后端的滤波器、开关等电路经由天线发射出去，而系统需要接收信号时，经由天线收到的信号经过前端开关、通道滤波器，经过射频收发器的接收通道到达数字基带处理完成解调功能。而根据需求的不同，发射和接收的通道数目会有不同，在本发明文档中，以nbiot市场运营商全覆盖的3个频段需求为例，来详细分析此技术方案，对于小于或大于该频段需求的前端设计，均按此发明分析进行拓展适用。在通常设计中，3个频段的设计需要前端3个pa，或者1个集成pa(通常也是含l/m频段的两个die)，在布局面积和成本上存在较大问题。另外，因沿用3g/4g的前端pa，其峰均比和最大输出功率要求均要比nbiot制式大，故而在pa效率和电流上未能完全符合nbiot的前端设计需求。

技术实现要素：

为了解决现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种可实现nbiot发射前端成本和功耗的优化的基于dpd的nbiot发射前端优化系统及方法。

为实现上述目的，本发明提供一种基于dpd的nbiot发射前端优化系统，包括，耦合器、衰减器、射频收发器、功率放大器、存储模块，以及dsp处理器，其中：

所述耦合器，其将所述功率放大器放大后的信号进行耦合衰减后传送给衰减器；

所述衰减器，其将耦合的信号做衰减处理后传送给所述射频收发器；

所述射频收发器，其发送和接收上、下行通道的信号，并采集反馈通道的发射信号；

所述存储模块，其用来存储反馈通道解调后的pa特性的幅度、相位的信息，并对多次迭代的数据进行比较保存；及

所述dsp处理器，其根据存储的幅度、相位的信息对nbiot基准序列进行修正后输出至射频收发器。

可选择地，所述dsp处理器，将存储的幅度、相位的信息进行处理，得到采样幅度和相位值；依据反馈通道得到所述功率放大器的输出功率和瞬时幅值，分别对幅度和相位进行修正。

可选择地，所述反馈通道通过切换复用业务的接收通道的端口和通道。

进一步地，所述接收通道在射频发射信号之前作为反馈通道；在信令连接综测发射过程中作为接收通道。

本发明还提供一种基于dpd的nbiot发射前端优化方法，其为采用上述任一项的基于dpd的nbiot发射前端优化系统进行发射前端优化的方法，包括：

产生nbiot基准序列，并通过射频收发器的发送模块经滤波、数模转换处理、上变频、pa放大后发射；

功率放大器后级输出信号通过耦合器、衰减器，传送到射频收发器的接收模块，将am/pm信息存入至存储模块；

dsp处理器获取同步，并将ddr的反馈数据与原始数据进行估算补偿，生成多项式参数表格；

nbiot基准序列与dpd处理表格叠加混合输出信号，经发射通道正常连接发射。

可选择地，所述dpd处理表格，基于外界条件和实时测试情况针对幅度、相位的信息进行数据的多次迭代和实时反馈补偿而获得。

可选择地，所述dpd处理表格，基于直接软件查表的方式进行读取的数据而获得。

进一步地，所述接收模块，通过切换复用业务的接收通道的接收模块。

相对于现有技术，本发明的基于dpd的nbiot发射前端优化系统及方法，创新性引入dpd算法方案到nbiot制式的终端实现中，可最大化地基于现有pa，实现供电电压的持续降低，以及pa个数的极大简化，达到前端成本和功耗的优化，增加nbiot终端的使用寿命，并拓展nbiot终端的应用场景。进一步地，在传统3g/4g制式dpd架构需额外增加一路orx通道的基础上针对nbiot特性做了rx通道的复用简化，节省了芯片的设计通道，且采用闭环采集数据、开环查表的这种开闭环结合的方式，能最大化利用软件资源，利用极小代价(收敛时间变长)使nbiot的系统架构和方案设计得到进一步优化，同时对于指标方面均未见明显恶化，让nbiot的整体前端架构及软件实现难度、硬软件成本得到极大提升。这种从架构到前端做深入的优化改善，可拓展到物联网相关产品设计的硬软件实现。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，并与本发明的实施例一起，用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为现有的nbiot发射前端的示意图；

图2为本发明实施例一的基于dpd的nbiot发射前端优化系统原理框图；

图3为本发明实施例一的基于dpd的nbiot发射前端优化方法流程图；

图4为本发明实施例二的基于dpd的nbiot发射前端优化系统原理框图；

图5为本发明实施例二的基于dpd的nbiot发射前端优化方法流程图。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例一

本发明一实施例提供一种基于实时dpd的nbiot发射前端优化系统，图2为本发明实施例一的基于dpd的nbiot发射前端优化系统原理框图，如图2所示，本发明的基于dpd的nbiot发射前端优化系统，包括耦合器、衰减器、射频收发器、存储模块、dsp处理器。

耦合器可将pa放大后的信号进行耦合衰减至一反馈通道上，用于数据的搜集和反馈，且不会影响正常发射通道的指标。

衰减器将耦合的信号做进一步的衰减处理，以使到达射频收发器接收通道端口的数据能量在接收机正常线性工作的范围，从而防止信号过大对接收adc和低噪放lna等器件的损毁及饱和失真。优选地，衰减器将耦合的信号衰减到接收机指标线性度指标(接收evm/信噪比)的最佳区域。

射频收发器用于上下行通道的信号接收和发送，以及反馈通道的发射信号采集。其中，上行通道(tx通道)用于发送上行通道的信号(txsignal)，在信号发送过程中，射频信号经由数字基带芯片(dbb)提供的数字信号，经过数模转换器(adc)数模转换(da)为模拟信号，经由滤波、混频处理后上变频至所需要的频段，然后经由放大、滤波通过发射单端发送所需的射频信号。下行通道(rx通道)用于接收下行通道的信号(rxsignal)，与上行通道发送射频信号的过程基本反向。反馈通道为独立的辅助监测接收通道(observationreceiver，简称“orx”)，该orx接收通道与正常接收通道的芯片及链路设计保持一致，且其本振(lo)与上行发射的本振保持一致，以尽量减小反馈处理的相位和时序差异。应理解，在本实施例中，orx接收通道为独立的接收通道，其不会影响正常上下行的业务流程和软件实现，从而可实现实时反馈处理。

存储模块优选为双倍速率同步动态随机存储器(ddr)，其用来存储pa放大级耦合过来的信号、经由orx通道解调后的幅度(am/am)、相位(am/pm)的信息，并对多次迭代的数据进行比较保存。在数字基带侧内的ddr存储器内具有独立的一块区域，用于存储orx通道解调处理后的pa特征的幅度、相位信息。

dsp处理器用于获取每个采样的幅度和相位值，且对幅度、相位进行修正后输出至射频收发器，经由发射通道发送至射频前端；即经过dsp读取相应的数据进行同步，并和输入的原始数据估计失真状态，利用dpd的软件算法，针对幅度、相位进行反向补偿因pa非线性导致的失真压缩，使pa输出后的数据类似线性增益放大特性。应理解，dsp处理器将存储的pa特性的幅度相位信息进行处理转换，通常是将输入i/q信号转化为极坐标，以得到每个采样的幅度和相位值。可选择地，将输入i/q信号转化为极坐标由坐标旋转数字计算方法(coordinaterotationdigitalcomputer，简称“cordic”)实现。应理解，对幅度进行修正(am/am)、对相位进行修正(am/pm)是基于反馈通道得到的pa输出功率和瞬时幅值。由于tx信号在数字基带芯片已经进行了非线性处理，tx信号在通带外发生扩展，例如当考虑3次失真时，带宽至少扩展3倍，然后根据输入发射功率/计算即时信号幅度，分别查找am/am和am/pm表格或曲线，进行幅度和相位的修正后输出至射频收发器，最后经由发射通道输出至射频前端。

在上述基于实时dpd的nbiot发射前端优化系统中，正常发送上行数字信号经过数字基带芯片(dbb)后，在射频收发器内部经dac后，通过放大、模拟滤波、上变频、pa后，由天线口发送出去。其中上变频引入了dc、iq-mismatch等非理想因素，如果数字前端信号过大，会使得pa工作在非线性区，这对信号质量的影响较大，会影响aclr、evm等指标。当pa工作在非线性状态时，pa特性的am/am、am/pm会存在一定的压缩失真，导致指标恶化，此时可通过在射频前端将pa或者天线处的发射放大的信号通过耦合电路以及衰减器后采集送入接收支路，经过下行下变频、adc等处理得到返回的基带接收信号，由下行链路估计收发的定时延迟并补偿，在线估计pa特性的逆曲线，在数字基带进行算法的采集、反过来进行am/am、am/pm的补偿，再和发射源数据一起通过上行通道输入到pa输入源处。因进行反向补偿非线性失真的特性，故而可在一定程度上克服非线性区域带来的失真压缩，使pa的线性度和效率最大化。同时，结合nb-iot带宽窄(200k)以及papr低(最多12个子载波)，其pa表现无记忆行为的特性，可针对传统4g的dpd算法模型简化为仅进行am/am以及am/pm的预失真补偿处理。

图3为本发明实施例一的基于dpd的nbiot发射前端优化方法流程图，如图3所示，该软硬件实现的流程主要包括：

步骤s101：系统上电。

步骤s102：产生nbiot基准序列。

由算法产生nbiot基准序列，并将其灌到zsp芯片里，通过接口总线送到芯片处理器进行处理。

步骤s103：通过射频收发器的tx模块(dfe_tx)经滤波、数模转换(da)处理、上变频经pa放大。

将处理后的nbiot基准序列送至射频收发器的tx模块，经由滤波、da处理之后再上变频，由pa功率放大发送。

步骤s104：pa后级通过耦合器、衰减器，经接收通道到达射频收发器的rx模块(rx_dfe)，将am/pm信息存入至存储模块(ddr)。

应理解，正常情况下，nbiot处于线性区域，当将pa的工作态电压从3.4v降低到3v甚至更低时，pa处于非线性区域；或者，当将射频端口的发射频率从如700m修改至1.5g左右时，pa特征参数将产生变化，并由此导致指标恶化，此时，通过pa发送出去的pa处于非线性失真压缩的特征数据经过一个耦合电路以及一个衰减器之后送到接收端，经过下变频、模数转换(ad)处理后送到接收(rx)模块，通过从接口总线送给存储模块(ddr)，再由软件读取到zsp中进行同步，并和输入的原始数据估计预失真器来进行反向补偿非线性的特征。

步骤s105：dsp获取同步，并将ddr的反馈数据与原始数据进行估算补偿，生成多项式参数表格。

可选择地，采用自适应迭代方法求解dpd获取近似最优的结果，具体为，使用dpd多项式的记忆算法方式，为简化模型，一般转化为表格数据进行存储。

步骤s106：表格数据增益归一化处理，规则筛选。

应理解，为了计算的数值稳定性，需要对数据做有效性筛选，目的是尽量删除幅度过大和过小的数据。一般情况下，当dpd表格补偿的增益过大时，dpd表格稳定性较差，因此，当dpd表格的最大增益补偿量超过门限时优选重新采数制作dpd表格；另外，在得到dpd表格后，可对其检验后在使用。由于数据过dpd前后，需对dpd表格进行增益归一化处理。如果数据过dpd前后功率变化较大(即筛选不满足时)则重新采集数据制作dpd表格。

步骤s107：基准数据与dpd处理表格叠加混合输出信号，经发射通道正常连接发射。

经过筛选确认正常后的数据与nbiot的基准序列进行混合叠加处理，然后按照正常的上行发射流程进行发射。

步骤s108：实时反馈处理。

反馈处理是指解调幅度、相位的信息。

应理解，dpd处理表格的准确程度将影响dpd的效果，且pa的温度对pa非线性产生影响，因而需要基于外界条件(例如温度变化)和实时测试情况(例如功率值发射变化)针对幅度、相位的信息进行数据的多次迭代和实时反馈补偿，以达到pa输出口线性的特征，即实时反馈处理。另外，dpd的算法和迭代已经将pa非线性特征的特性进行了反向补偿，因而，到达pa放大压缩后，正好拉平了压缩失真的特性，导致pa输出表现出线性增益的特性，指标也没有恶化，这样就可以根据射频的指标余量，进一步降低pa的工作电压区间，从而降低整个系统的供电电压，达到省电的目的；同时也可以根据频率拓展的指标余量，将多个pa直接更换为一个频段pa以覆盖l/m的全部频段的电路设计，对于该pa推荐频率范围外的，均通过dpd的方式来改善指标，从而降低设计复杂度，器件数量减少的同时印刷电路板(pcb)面积亦可减小，节省成本；另外，在利用dpd保证指标的前提下，尽可能降低pa的工作态电压(vbat/vcc)，在降低pa工作态的功耗，达到省电的目的同时，也能拓展整机工作的电压范围区间，使例如干电池供电的应用得到极大拓展，提升供电使用的寿命，进而最大化的节省前端pa的成本和布局面积。

本发明的实时dpd的nbiot发射前端优化系统及方法，针对pa非线性的失真的幅度和相位的信息可以在工作态过程中得到实时的收集、反馈、处理和收敛，故在对应pa一致性和温度特性的变化过程中带来pa特征参数的变化，可以通过实时收敛的速度得到实时的改善调整。但是由于是实时dpd方案，收集处理信号的通道不能和接收通道有冲突干扰，需要各自独立的通道和模块，故而在射频收发器芯片内部需要增加一个orx通道，其虽使芯片设计的复杂度和成本会有所增加，但是带来省电(物理地址扩展pae至少改善15％，供电电压可从3.4v降低到2.8v，vcc电压降低到1v左右)和前端pa成本降低的优势(pa个数省掉2/3)，因而，其具有明显的可操作性并可达到节省成本、省电等效果。

实施例二

在本发明另一实施例中，考虑到nbiot其本身的特性：papr相较于lte小，为1rb；带宽仅为180khz，pa仿真模型可近似认为为无记忆特性，因而dpd架构的软件处理模块和仿真模型相较于3g/4g要更为简单；同时天线口功率在23dbm时，通常nbiotpa工作在25～26dbm(lte峰均比高，pa工作在27.5dbm左右)时，指标和线性度指标余量都要比传统3g/4g要大；因此，在上述实施例的基础上，本发明提供另一实施例非实时开闭环结合dpd的nbiot发射前端优化系统的优化方案，其结合nbiot的特性，在传统3g/4g制式dpd架构增加一路orx通道的基础上可进一步进行rx通道的复用简化处理，即采用开环、闭环结合的方式，在基本不牺牲指标的前提下，使nbiot发射前端得到进一步简化，从而在实现难度和成本上得到更大的优化。

图4为本发明实施例二的基于dpd的nbiot发射前端优化系统原理框图，如图4所示，本发明的基于dpd的nbiot发射前端优化系统，包括，耦合器、衰减器、射频收发器、ddr存储模块、dsp处理器。各耦合器、衰减器、射频收发器、ddr存储模块、dsp处理器其与上述实施例的nbiot发射前端中的耦合器、衰减器、射频收发器、ddr存储模块、dsp处理器的结构及功能大体相同，区别在于：orx通道(反馈通道)与业务的接收通道(rx)采用复用端口和通道，即orx通道与业务的接收通道采用复用接收模块，在基带处理方面通过软开关去切换状态，即dpd的反馈通道复用接收通道，在射频发射信号之前作为反馈通道；而在信令连接综测发射过程中，作为接收通道。

图5为本发明实施例二的基于dpd的nbiot发射前端优化方法流程图，如图5所示，在本发明基于dpd的nbiot发射前端优化方法中，在系统上电、业务开始之前采用单发模式先进行数据的发射和数据采集，经过rx通道进行解调和预失真算法实现，即实现解调和预失真算法的接收模块通过切换复用业务的rx通道的接收模块，其软件实现方式和上述实时闭环dpd的nbiot发射前端的软件实现流程基本一致，此时收集数据、处理、迭代仍然是闭环路径，以保证数据的准确性。但是，当迭代数据生成表格筛选完成后，对应的dpd非线性的失真表格放在ddr里面后，开始正常的上下行业务流程，此时orx通道的数据采集功能通道被切断，切换为正常上下行业务接收通道。此时，对于dpd处理表格采用开环的方式，直接软件查表的方式进行读取数据，进行非实时反馈处理(步骤s108a：重新收集数据进行反馈更新)；即，在该闭环和开环结合的nbiot发射前端的软硬件实现流程中，采用非实时反馈补偿处理替代实时闭环dpd的nbiot发射前端优化系统的软硬件实现流程中的实时反馈补偿处理。应理解，在业务过程中，无法对pa的特征参数进行实时的提取，而是在pa空闲(idle)态，没有下行通道或者下一个软件协议流程切换没有下行通道数据时，切换至单发模式进行重新的采集和迭代过程，修正之前可能产生的一些误差和指标恶化。应理解，因为nbiot的制式数据不是常发，而是间歇性的进行数据发送同步，且每次数据同步时间很短(ms级)，大部分的时间都处于idle态或sleep等态中，因而，在发送过程中采用这种开环、闭环结合的非实时反馈补偿不会对补偿效果有明显恶化。

基于这种开闭环结合的dpd架构，带来的问题就是，需要在上电开始业务前，闭环方式采集数据迭代补偿，因为业务过程中无法实时更新，故在开始迭代保证精确度的过程的时间要比实时dpd初始的时间要长，在1s左右(实时dpd可以做到几十到几百ms)，但当进入idle态第二次更新表格时，这个收敛迭代的速度就可以和实时dpd时间基本一致。同时，由于无法做到实时反馈，就需要考虑pa一致性、温度特性制备采集多个表格，那么对于dpd处理表格存放的空间就会要稍大。但是，相对于传统3g/4g的实时dpd的nbiot发射前端优化系统，采用开、闭环结合的dpd的nbiot发射前端优化系统，在nbiot使用时，会节省一个独立的orx通道，芯片成本得到进一步的优化；同时，不需要实时处理，对dsp、软件系统处理的代价和压力要小得多，其在实现的架构、难易程度上都要有明显地优化，即利用闭环采集数据、开环dpd表格测试性能的方式，在成本、架构、省电上都要更为优化。

本发明的基于dpd的nbiot发射前端优化系统及方法，创新性引入dpd算法方案到nbiot制式的终端实现中，可最大化地基于现有pa，实现供电电压的持续降低，以及pa个数的极大简化，达到前端成本和功耗的优化，增加nbiot终端的使用寿命，并拓展nbiot终端的应用场景。进一步地，在传统3g/4g制式dpd架构需额外增加一路orx通道的基础上针对nbiot特性做了rx通道的复用简化，节省了芯片的设计通道，且采用闭环采集数据、开环查表的这种开闭环结合的方式，能最大化利用软件资源，利用极小代价(收敛时间变长)使nbiot的系统架构和方案设计得到进一步优化，同时对于指标方面均未见明显恶化，让nbiot的整体前端架构及软件实现难度、硬软件成本得到极大提升。这种从架构到前端做深入的优化改善，可拓展到物联网相关产品设计的硬软件实现。

本领域普通技术人员可以理解：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。