使功率放大器线性化的数字反馈线性化设备及使用的方法.pdf

提供了一种使功率放大器(PA)线性化的数字反馈线性化设备和方法，其用以改善移动通信基站PA的线性度，更具体地，利用数字信号处理(DSP)和反馈技术使P A线性化的数字反馈线性化设备和方法，其中，通过将经由预定路径输入的输入信号与对应于PA的失真成分的反失真成分相加来产生线性化所需的预失真信号，以及，其中，通过使预失真信号经过PA来获得线性放大输出信号。

1.  一种使在移动通信基站中使用的功率放大器线性化的数字反馈线性化设备，所述数字反馈线性化设备包括：
功率放大器输入/输出信号减法装置，用于产生在功率放大器的输入信号和输出信号之间的差值；
反失真反馈信号提取装置，用于根据功率放大器输入/输出信号减法装置的输出信号和输入信号(x(t))，提取与通过预定路径输入到数字反馈线性化设备的输入信号(x(t))相对应的反失真反馈信号(e(t))；以及
信号加法装置，其通过将反失真反馈信号(e(t))与输入信号(x(t))相加来产生输入到功率放大器的预失真信号(u(t))，
其中，功率放大器利用预失真信号(u(t))作为其输入信号来使功率放大器线性化。

2.  根据权利要求1所述的数字反馈线性化设备，其特征在于所述反失真反馈信号提取装置包括由与输入信号(x(t))的幅度相对应的量化信号值构成的查询表，其以预定单位逐渐增加。

3.  根据权利要求1所述的数字反馈线性化设备，其特征在于将所述功率放大器输入/输出信号减法装置、所述反失真反馈信号提取装置、以及信号加法装置包含在数字信号处理器中。

4.  根据权利要求1所述的数字反馈线性化设备，其特征在于还包括：输出信号偏移装置，其插入在功率放大器的输出端和功率放大器输入/输出信号减法装置之间，用于控制功率放大器的输出信号的幅度。

5.  根据权利要求4所述的数字反馈线性化设备，其特征在于所述输出信号偏移装置以总增益的倒数对功率放大器的输出信号的幅度进行偏移。

6.  根据权利要求1所述的数字反馈线性化设备，其特征在于当反馈预失真信号(u(t))并将其与输入信号(x(t))相加时的增益Gu近似为“1”。

7.  一种使在移动通信基站中使用的功率放大器线性化的数字反馈线性化设备，所述数字反馈线性化设备包括：
查询表，其由与输入到数字反馈线性化设备的输入信号(x(t))的绝对值的幅度相对应的量化信号值构成；
反馈输出参考信号选择装置，用于从查询表中选择与从功率放大器反馈的输出信号有关的反馈输出参考信号(y_r(t))；以及
信号加法装置，用于通过反馈输出参考信号(y_r(t))与输入信号(x(t))相加来产生输入到功率放大器的偏差信号(x_e(t))；
其中，所述功率放大器利用偏差信号(x_e(t))作为其输入信号来使功率放大器线性化。

8.  根据权利要求7所述的数字反馈线性化设备，其特征在于还包括输出信号偏移装置，用于控制功率放大器的输出信号的幅度，并且以所述数字反馈线性化设备的总增益的倒数来偏移功率放大器的输出信号的幅度。

9.  根据权利要求7所述的数字反馈线性化设备，其特征在于当功率放大器的增益是A，由功率放大器引起的失真成分是d(t)，由反馈引起的偏移度是1/K，以及功率放大器的输出信号是y(t)时，建立了以下等式：
y(t)＝A·x_e(t)+d(t)
y r ( t ) = y ( t ) K ]]>
x_e(t)＝x(t)-y_r(t)。

10.  一种由用于使在移动通信基站中使用的功率放大器线性化的线性化设备所实现的数字反馈线性化方法，所述数字反馈线性化方法包括：
(a)产生在功率放大器的输入信号和输出信号之间的差值；
(b)根据在步骤(a)中产生的差值和通过预定路径输入到线性化设备的输入信号(x(t))的绝对值来提取反失真反馈信号(e(t))；
(c)通过将反失真反馈信号(e(t))与输入信号(x(t))相加来产生输入到功率放大器的预失真信号(u(t))；以及
(d)利用预失真信号(u(t))作为功率放大器的输入信号来使功率放大器线性化。

11.  根据权利要求10所述的数字反馈线性化方法，其特征在于步骤(b)包括：构造由与输入信号(x(t))的幅度相对应的量化信号值组成的查询表，其以预定单位逐渐增加，以及从查询表中提取反失真反馈信号(e(t))。

12.  一种由用于使在移动通信基站中使用的功率放大器线性化的线性化设备所实现的数字反馈线性化方法，所述数字反馈线性化方法包括：
构造由与输入到线性化设备的输入信号(x(t))的绝对值的幅度相对应的量化信号值组成的查询表；
从查询表中选择与从功率放大器反馈的输出信号有关的反馈输出参考信号(y_r(t))；
通过将反馈输出参考信号(y_r(t)与输入信号(x(t))相加来产生输入到功率放大器的偏差信号(x_e(t))；
通过利用偏差信号(x_e(t))作为功率放大器的输入信号来使功率放大器线性化。

使功率放大器线性化的数字反馈线性化设备及使用的方法
本申请要求在2003年10月10日于韩国知识产权局递交的韩国专利申请NO.2003-70639的优先权，其内容一并在此作为参考。
技术领域
本发明涉及一种使功率放大器(PA)线性化的数字反馈线性化设备和方法，以改善移动通信基站PA的线性度，更具体地，涉及一种利用数字信号处理(DSP)和反馈技术使PA线性化的数字反馈线性化设备和方法，其中，通过将经由预定路径输入的输入信号添加到与PA的失真成分相对应的反失真成分来产生线性化所需的预失真信号，以及在其中，通过使预失真信号通过PA来获得线性放大输出信号，从而有效地改善PA的线性度。
此外，本发明涉及一种数字反馈线性化设备和方法，其中，通过从预先形成和存储的查询表(lookup table)中获得与输入信号的幅度相对应的反失真成分来产生针对输入信号的最佳预失真信号。
背景技术
如本领域的技术人员所公知的那样，移动基站功率放大器最好输出无失真的高功率信号。相反，由于宽带码分多址(WCDMA)技术采用多载波(MC)发送，线性度标准变得越来越重要。为了保证较高的线性度，已经使用了各种线性化技术和采用这样技术的设备，例如，模拟前置补偿器、模拟反馈线性化电路、前馈线性化电路、以及数字前置补偿器。
在这些线性化设备之中，模拟前置补偿器和模拟反馈线性化电路具有窄带频率特性和在使输入信号线性化到目标值方面存在困难。前馈线性化电路迄今为止已经得到了非常普遍的使用，并且具有优良的线性化特性，但是存在诸如较低的成本竞争力、高散热、和大尺寸的问题。
为了解决以上问题，已经开发了数字前置补偿器，该数字前置补偿器使用数字信号处理，具有宽频带，表现出较好的线性度改善，具有较高的成本和尺寸竞争力，以及非常适合于基站线性化电路。然而，如果数字前置补偿器自身存在许多差错，在其中使用了该数字前置补偿器的PA的容错并不大，结果，难以如标准所需要的那样来消除PA的失真。
用作图1所示的PA的线性电路的传统模拟反馈前置补偿器可以有效提取预失真信号，在消除失真信号方面具有非常大的容错。参考图1，传统模拟反馈前置补偿器包括馈入模块(feeding block)2、消除模块4、主放大器模块6、以及矢量调制器(VM)3和5。在消除模块4中，从主PA10的输出信号y(t)中消除了主PA10的输入信号u(t)，并提取反失真成分e(t)。在馈入模块2中，通过反馈环将反失真成分e(t)添加到输入信号x(t)中。在图1中，矢量调制器3和5对各个输入信号的相位进行适当地调制。
从图1的传统模拟反馈前置补偿器中输出的输出信号y(t)的频率域信号Y(f)表示如下：
Y = X ( 1 - Gu ) / Gm - Gy + ( 1 - Gu ) · Xd 1 - Gu - Gy · Gm - - - ( 1 . a ) ]]>
Y ≈ X Gy - ( 1 - Gu ) · Xd Gy · Gm - - - ( 1 . b ) ]]>
其中，Gm、Gu和Gy分别表示图1所示的每一个路径的增益，X表示频率域的输入信号，以及Xd表示由主PA10产生的互调(IM)信号。
等式1.a的第一项表示放大的主信号，以及第二项表示被消除的IM信号。为了完全消除IM信号，应该使第二项近似于“0”。为此，需要将Gu设置为“1”。假设Gu近似于“1”，等式1.a可以表达为近似等式1.b，近似等式1.b清晰地示出了反馈操作。通过反馈环的增益来确定模拟反馈前置补偿器的总增益G_PD，并且该总增益等于-1/Gy。将IM成分除以由于负反馈操作的闭环增益Gy·Gm(.1)。如果按照Gy·Gm远大于“1”的方式来设计图1的模拟反馈前置补偿器，使失真成分的消除最大，并增加了失真消除容错。
然而，由于反馈特性，传统模拟反馈失真放大器具有较窄的工作频带，并且不稳定地操作，导致了较高的振荡可能性。
发明内容
本发明提供了一种利用数字信号处理(DSP)和反馈技术的使PA线性化的数字反馈线性化设备和方法，其中，通过将经由预定路径输入的输入信号与对应于PA的失真成分的反失真成分相加来产生线性化所需的预失真信号，并且在其中，通过使预失真信号经过PA来获得线性放大输出信号，从而有效地改善PA的线性度。
此外，本发明还提供了一种数字反馈线性化设备和方法，其通过从预先形成和存储的查询表中获得与输入信号的幅度相对应的反失真成分来产生针对输入信号的最佳预失真信号。
根据本发明的一个方面，提供了一种使在移动通信基站中使用的功率放大器线性化的数字反馈线性化设备，该数字反馈线性化设备包括：功率放大器输入/输出信号减法装置、反失真反馈信号提取装置、以及信号加法装置。该功率放大器输入/输出信号减法装置产生在功率放大器的输入信号和输出信号之间的差值；该反失真反馈信号提取装置根据功率放大器输入/输出信号减法装置的输出信号和输入信号(x(t))，提取与通过预定路径输入到数字反馈线性化设备的输入信号(x(t))相对应的反失真反馈信号(e(t))；信号加法装置通过将反失真反馈信号(e(t))与输入信号(x(t))相加来产生输入到功率放大器的预失真信号(u(t))。功率放大器利用预失真信号(u(t))作为其输入信号来使功率放大器线性化。
优选地，该反失真反馈信号提取装置包括由与输入信号(x(t))地幅度相对应的量化信号值构成的查询表，其以预定单位逐渐增加。
根据本发明的另一方面，提供了一种使在移动通信基站中使用的功率放大器线性化的数字反馈线性化设备，该数字反馈线性化设备包括查询表、反馈输出参考信号选择装置、以及信号加法装置。查询表由与输入到数字反馈线性化设备的输入信号(x(t))的绝对值的幅度相对应的量化信号值构成。反馈输出参考信号选择装置从查询表中选择与从功率放大器反馈的输出信号有关的反馈输出参考信号(y_r(t))。信号加法装置通过将反馈输出参考信号(y_r(t))与输入信号(x(t))相加来产生输入到功率放大器的偏差信号(x_e(t))。功率放大器利用偏差信号(x_e(t))作为其输入信号来使功率放大器线性化。
优选地，当功率放大器的增益是A，由功率放大器引起的失真成分是d(t)，由反馈引起的偏移度是1/K，以及功率放大器的输出信号是y(t)时，建立了以下等式：
y(t)＝A·x_e(t)+d(t)
y r ( t ) = y ( t ) K ]]>
x_e(t)＝x(t)-y_r(t)
根据本发明的另一个方面，提供了一种由用于使在移动通信基站中使用的功率放大器线性化的线性化设备所实现的数字反馈线性化方法。该数字反馈线性化方法包括：(a)产生在功率放大器的输入信号和输出信号之间的差值；(b)根据在步骤(a)中产生的差值和通过预定路径输入到线性化设备的输入信号(x(t))的绝对值来提取反失真反馈信号(e(t))；(c)通过将反失真反馈信号(e(t))与输入信号(x(t))相加来产生输入到功率放大器的预失真信号(u(t))；以及(d)通过利用预失真信号(u(t))作为功率放大器的输入信号来使功率放大器线性化。
优选地，步骤(b)包括：构造由与输入信号(x(t))的幅度相对应的量化信号值组成的查询表，其以预定单位逐渐增加，以及从查询表中提取反失真反馈信号(e(t))。
根据本发明的另一方面，一种由用于使在移动通信基站中使用的功率放大器线性化的线性化设备所实现的数字反馈线性化方法。该数字反馈线性化方法包括：构成由与输入到线性化设备的输入信号(x(t))的绝对值的幅度相对应的量化信号值组成的查询表；从查询表中选择与从功率放大器反馈的输出信号有关的反馈输出参考信号
(y_r(t))；通过将反馈输出参考信号(y_r(t))与输入信号(x(t))相加来产生输入到功率放大器的偏差信号(x_e(t))；以及利用偏差信号(x_e(t))作为功率放大器的输入信号来使功率放大器线性化。
附图说明
通过参考附图详细描述本发明的典型实施例，本发明的上述和其它方面和优点将变得更加明显，
图1示出了用作使PA线性化的线性化电路的传统模拟反馈前置补偿器；
图2示出了根据本发明的第一实施例，使PA线性化的数字反馈线性化设备；
图3是用于说明根据本发明的第一实施例，由图2的数字反馈线性化设备实现的数字反馈线性化方法的流程图；
图4示出了根据本发明的第二实施例，使PA线性化的数字反馈线性化设备；
图5是用于说明根据本发明的第二实施例，由图4的数字反馈线性化设备实现的数字反馈线性化方法的流程图；
图6是用于说明根据本发明的第一实施例的数字反馈线性化设备的工作原理的视图；
图7是示出了在传统数字前置补偿器和根据本发明的数字反馈线性化设备的收敛速度的仿真结果之间比较的曲线图；以及
图8A和8B是示出了在由传统数字前置补偿器和根据本发明的数字反馈线性化设备执行输出信号线性化之后的失真的仿真结果之间比较的曲线图。
具体实施方式
现在，将参考其中示出了本发明的实施例的附图对本发明进行更全面地描述。在所有附图中，相同的参考数字用于表示相同的组件。
参考图2，根据本发明的第一实施例的数字反馈线性化设备100包括：PA输入/输出信号减法单元112，用于产生在PA10的输入信号和输出信号之间的差值；用作反失真反馈信号提取单元的查询表114，用于根据PA输入/输出信号减法单元112的输出信号和经由预定路径输入到数字反馈线性化设备100的输入信号x(t)的绝对值，提取与输入信号x(t)相对应的反失真反馈信号e(t)；信号加法单元116，用于通过将反失真反馈信号e(t)与输入信号x(t)相加来产生输入到PA10的预失真信号u(t)；以及输出信号偏移单元118，其插入在PA10的输出端和输入/输出信号减法单元112之间，并且用于根据总增益G_PD的倒数，对PA10的输出信号y(t)的幅度进行偏移。该数字反馈线性化设备100利用失真信号u(t)作为其输入信号。
如图2所示，可以将本发明的输入/输出信号减法单元112、用作反失真反馈信号提取单元的查询表114，以及信号加法单元116包含在数字信号处理器110中。用作反失真反馈信号提取单元的查询表114包含与输入信号x(t)的幅度相对应的量化的信号值，其以预定单位例如1逐步地增加。数字反馈线性化设备100具有近似为“1”的增益Gu。如图2所示，当对预失真信号u(t)进行反馈并与输入信号x(t)相加时，产生了增益Gu。
参考图4，根据本发明的第二实施例的数字反馈线性化设备200包括：查询表214，所述查询表由与输入到数字反馈线性化设备200的输入信号x(t)的绝对值相对应的量化信号值构成；反馈输出参考信号选择单元215，从查询表214中选择与从PA10中反馈的输出信号有关的反馈输出参考信号y_r(t)；信号加法单元216，通过将反馈输出参考信号y_r(t)与输入信号x(t)相加来产生输入到PA10的偏差信号x_e(t)；输出信号偏移单元(offset unit)218，用于根据数字反馈线性化设备200的总增益K的倒数，对PA10的输出信号的幅度进行偏移。数字反馈线性化设备200利用偏差信号x_e(t)作为输入信号，使PA10线性化。
在图4所示的本发明的实施例中，让PA10的增益等于A，由PA10引起的失真成分等于d(t)，由反馈引起的偏移度等于1/K，以及PA10的输出信号等于y(t)。则建立了以下等式。
y(t)＝A·x_e(t)+d(t)     .................(2)
y r ( t ) = y ( t ) K - - - ( 3 ) ]]>
x_e(t)＝x(t)-y_r(t)       .................(4)
y ( t ) = K ( Ax ( t ) + d ( t ) ) K + A - - - ( 5 ) ]]>
y ( t ) = Kx ( t ) + Kd ( t ) A - - - ( 6 ) ]]>
通过假设在等式5中A＞＞K来获得等式6。
图3是用于说明根据本发明的第一实施例，由图2的数字反馈线性化设备100实现数字反馈线性化方法的流程图。参考图3，本发明的数字反馈线性化方法包括：产生PA10的输入信号和输出信号之间的差值D(S100)；从根据步骤S100中产生的差值D和输入到数字反馈线性化设备100的输入信号x(t)的绝对值构成的查询表114中提取反失真反馈信号e(t)(S110)；通过将反失真反馈信号e(t)与输入信号x(t)相加来产生输入到PA10的预失真信号u(t)(S120)；以及由PA10利用预失真信号作为其输入信号来使PA10线性化(S130)。
图5是用于说明根据本发明的第二实施例，由图4的数字反馈线性化设备200实现的数字反馈线性化方法的流程图。参考图5，数字反馈线性化方法包括：构成由与输入到数字反馈线性化设备200的输入信号x(t)的绝对值相对应的量化信号值组成的查询表214(S200)；从查询表214中选择与从PA10中反馈的输出信号有关的反馈输出参考信号y_r(t)(S210)；通过将反馈输出参考信号y_r(t)与输入信号x(t)相加来产生输入到PA10的偏差信号x_e(t)(S220)；以及由PA10利用偏差信号x_e(t)作为其输入信号来使PA10线性化(S230)。
将参考图2到8来描述根据本发明的实施例的数字反馈线性化设备100和200的操作。
用于使PA10线性化的数字反馈线性化设备100的工作原理与参考图1描述的模拟反馈前置补偿器的工作原理类似，但是与其不同处在于：设备100的反失真反馈信号e(t)包含在查询表114中。此外，在本发明中，由DSP110控制现有技术的偏移路径的增益Gu和反馈路径的增益Gy。
使用查询表114能够增大PA10的操作范围和消除PA10的振荡可能性。因此，根据本发明的第一实施例的用于使PA10线性化的数字反馈线性化设备100具有与传统数字前置补偿器相同的优点，例如，较高的线性度、较低的价格、有竞争力的尺寸、与基站数字部分兼容、较宽的工作频带、稳定性等等，并且具有较高的失真偏移容错，这是传统模拟前置补偿器较好的优点。
图6是根据本发明的第一实施例的数字反馈线性化设备100的工作原理的视图。该数字反馈线性化设备100的操作可以大致分成二个步骤。在第一个步骤中，具体实现查询表114。例如，将逐渐从“1”增加到“n”的训练信号输入到输入端，并且获得查询表114。查询表114包含通过收敛针对输入的幅度量化的n个反馈信号e(t)。在第二步骤中，使PA10线性化。删除获得查询表114所需的路径并利用查询表114使PA10线性化。
除了通过查询表214实现了反馈参考信号y_r(t)之外，图4和5所示的根据本发明的第二实施例的数字反馈线性化设备200的工作原理与传统模拟反馈前置补偿器(图1所示)的工作原理相似。以下等式2到6示出了根据本发明的第二实施例的数字反馈线性化设备200的工作原理，其中，根据等式4，针对输入的幅度，将反馈参考信号y_r(t)变成查询表214。在以下等式中，A表示PA10的增益，d(t)表示由PA10引起的失真成分，以及1/K表示反馈路径的偏移度。
y(t)＝A·x_e(t)+d(t)    ................(2)
y r ( t ) = y ( t ) K - - - ( 3 ) ]]>
x_e(t)＝x(t)-y_r(t)     ................(4)
y ( t ) = K ( Ax ( t ) + d ( t ) ) K + A - - - ( 5 ) ]]>
y ( t ) = Kx ( t ) + Kd ( t ) A - - - ( 6 ) ]]>
在等式5中，如果按照建立A＞＞K，(K+A)A的方式来设计图4的数字反馈线性化设备200。结果，得到了等式6。正如可以从等式6中所见，以K/A偏移失真成分d(t)并使该失真成分d(t)线性化。通过用查询表214代替反馈参考信号y_r(t)，可以防止数字反馈线性化设备200的延迟误差，并可以完全克服传统模拟反馈前置补偿器的不稳定性和较窄的工作频带，并且可以获得如等式6中所包含的线性化。
将参考图7和8来比较根据本发明的数字反馈线性化设备和传统数字前置补偿器的性能。
图7是示出了在传统数字前置补偿器和根据本发明的数字反馈线性化设备的收敛速度的仿真结果之间比较的曲线图。在图7中，水平轴表示迭代的数量，垂直轴表示在使PA10的输出信号线性化之后剩余的失真度。从图7中可以清楚地看到：根据本发明的数字反馈线性化设备显示出更优于传统数字前置补偿器的收敛特性的收敛特性。
图8A是示出了当在反馈信号e(t)中出现幅度误差时，在由传统数字前置补偿器和根据本发明的数字反馈线性化设备执行输出信号的线性化之后，失真度的仿真结果之间比较的曲线图。图8B是示出了当在反馈信号e(t)中出现相位误差时，在由传统数字前置补偿器和根据本发明的数字反馈线性化设备执行输出信号的线性化之后的失真度的仿真结果之间比较的曲线图。参考图8A和8B，该数字反馈线性化设备显示出在幅度误差和相位误差方面比传统数字前置补偿器低得多的水平的失真特性。在这个意义上，根据本发明的数字反馈线性化设备具有更好的失真偏移容错。
正如可以从图7、8A和8B的仿真结果中所见，根据本发明的数字反馈线性化设备可以弥补传统模拟反馈前置补偿器的缺陷并且在收敛速度和容错方面显示出优于传统数字补偿器的特性。换言之，数字反馈线性化设备同时具有传统模拟反馈前置补偿器和数字前置补偿器的优点。
如上所述，用于使PA线性化的数字反馈线性化设备和方法使用了DSP和反馈技术，其中通过将通过预定路径输入的输入信号与对应于PA的失真成分的反失真成分相加来产生线性化所需的预失真信号，并且通过使预失真信号经过PA来获得线性放大输出信号，因此有效地改善PA的线性度，可以实现更好的稳定性和较宽的工作频带，并且可以提高价格和尺寸上的竞争力。
虽然已经参考本发明的典型实施例具体地示出和描述了本发明，但是本领域的技术人员应该理解：在不脱离按照由所附的权利要求及其等价物所定义的本发明的精神和范围的情况下，可以在形式和细节上进行各种改变。