CN101057437A - 在数字预失真线性化发射机中用于正向路径增益控制的系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种用于在数字预失真线性器的正向信号路径(102)中控制增益的系统和方法被公开。预失真系统的环路增益被保持一致，其中，一个分开控制的恒定增益观测路径(104)提供了精确的正向路径(102)增益控制。在发射机中，这被划分成来自预失真功能的数字增益和来自电压可变衰减器(VVA)(130)的模拟增益。本发明平衡了两个域之间的分布以便最大化动态范围并且最小化正向信号路径(102)中的噪声。为了准确地分布正向路径增益，VVA(130)的特征必须为大家所熟知。因为这些装置趋向于随着温度和批量的可变特征而是非线性的，所以本发明通过跟踪VVA(130)的变化传输特性来补偿这个非线性特性，从而给出一个可预测的局部特征。本发明公开的另一个方面是用非常低的发射功率和环路增益级来操作的能力，从而在作为单元初始化的这类情况期间允许精确的增益控制，这需要在一个很宽的动态范围上进行操作。

Description

在数字预失真线性化发射机中用于正向路径增益控制的系统和方法

相关申请信息

本申请要求于2004年11月10日提交的美国临时申请序列号60/626,755和于2005年8月29日提交的美国申请序列号11/214,191的优先权，其中的公开内容在此通过参考被全部引入。

发明领域

本发明涉及数字通信领域。更具体地说，本发明涉及合并了数字预失真线性化的无线电发射机的领域。

发明背景

效率是大功率放大器的一个重要量度。为了实现最高效率，这些放大器经常被偏置成强非线性的操作模式。现代的大容量调制技术展现出大振幅变化，这导致输出信号上的大失真分量，以及把能量泄漏到相邻频带中。

预失真技术试图通过向输入信号施加一个逆特征来补偿功率放大器的非线性。这些技术对于系统增益来说很敏感，其中的变化可以有效地不校准预失真信号(施加于到达非线性分量的信号的补偿太大或者太小)并且降低线性化特性。

增益随温度、寿命等等的起伏是一个众所周知的、与放大器和无线电收发信机相关联的现象。AGC(自动增益控制)回路已被广泛使用在无线电系统中多年，以确保最佳动态范围、线性度和噪声特性。这些中的大多数是基于电路的一阶或二阶的控制回路，其在普通的控制理论中被很好地了解。尽管如此，AGC回路中的增益控制电路本身可引入不希望的非线性。

因此，需要一种用于在采用大功率放大器的发射机的正向信号路径中来补偿增益变化的改进的系统和方法，此增益变化降低了线性化特性。

发明内容

本发明的第一方面提供了一种用于自适应地控制射频发射机的增益的方法，该射频发射机包括数字预失真器、模拟增益调节器和大功率放大器。该方法包括接收数字输入信号并且用预失真器向该输入信号提供数字增益调节以便在预定的增益漂移范围内来校正增益漂移。该方法还包括把输入信号转换成模拟射频信号并且当增益漂移超出增益漂移范围时用模拟增益调节器向该射频输入信号提供模拟增益调节。

在一个优选实施例中，该方法还包括在模拟增益调节期间停用并重置数字增益调节。增益漂移优选地在规定的输入信号值上被测量。例如，该规定的输入信号值可以是输入信号数值的均方根平均值。该方法还包括对大功率放大器的输出进行抽样，数字化该抽样输出并且用数字化的输出来自适应地控制数字增益调节和模拟增益调节。优选地，该增益控制方法可以这样来初始化，即通过停用数字增益调节，在初始设置时设置模拟增益调节，用数字输入信号和数字化的输出信号来测量增益误差，自适应地控制模拟增益调节直到增益误差在容限值之内为止，锁定模拟增益调节然后启用数字增益调节。模拟增益调整器可以是电压可变衰减器。

根据另一个方面，本发明提供了一种用于自适应地控制射频发射机的增益的方法，该射频发射机采用具有非线性特性的模拟增益调节器。该方法包括接收输入信号，对发射机的输出进行抽样，以及对抽样输出进行数字化。该方法还包括估计模拟增益调节器的非线性特性的局部梯度以及用输入信号、数字化的输出信号和估计出的梯度来自适应地控制模拟增益调节器的设置。

在该方法的一个优选实施例中，局部梯度通过反复比较实际增益调节与增益调节设置而被估计。优选地，增益调节器设置被限制在模拟增益调节器特征的相对线性化的部分。例如，增益调节器设置优选地被限制到一个特征区域，其中，梯度在预定限度内。此外，增益调节器设置中的改变步长也被优选地限制在预定限度内。模拟增益调整器可以是电压可变衰减器。然后，增益调节器设置是数字控制电压值，并且该方法还包括把数字控制电压值转换成模拟控制电压。

根据另一个方面，本发明提供了一个预失真线性化发射机。该发射机包括用于接收数字输入信号的输入端，和接收数字输入信号并用包括数字增益调节的预失真操作来操作输入信号的预失真器。该发射机还包括用于把预失真的输入信号转换成一个较高频模拟信号的转换和频率变换电路块，和用于接收并且增益调节模拟信号的模拟增益调节器。放大器接收并放大被增益调节的模拟信号并且提供一个被放大的输出信号。一个输出抽样耦合器被耦合到放大器输出端并且提供一个被模拟抽样的输出。频率变换和数字化电路块从被模拟抽样的输出信号中提供一个被数字抽样的输出信号，并且自适应电路块被耦合来接收数字输入信号以及被数字抽样的输出信号。该自适应电路块还被耦合到预失真器和模拟增益调节器，并且该自适应电路块基于从数字输入信号和抽样输出信号确定的增益误差来自适应控制预失真器和模拟增益调节器的增益调节。

在预失真线性化发射机的一个优选实施例中，通过预失真器执行的预失真操作是数字复合(digital complex)增益操作。模拟增益调整器优选地可以是电压可变衰减器。自适应电路块优选地在模拟增益调节期间停用预失真器的数字增益调节操作。此外，该自适应电路块还可以在输入信号功率降低到预失真更新阈值之下时停用数字增益调节的自适应。当输入信号功率在提供自适应模拟增益控制之前降低到预失真更新阈值之下时，自适应电路块优选地把整个预失真增益调节偏移一个累积的反向增益。在一个实施例中，自适应电路块从输入信号的工作时间的自相关性和输入信号与被数字抽样的输出信号的互相关性的比较中计算出增益误差。

附图简述

图1是根据本发明优选实施例的数字预失真线性发射机的示意框图。

图2是根据本发明优选实施例的图1中所示的数字预失真器的示意框图。

图3是距离RMS目标值的预失真功能的增益漂移的图解表示，该RMS目标值说明了根据本发明优选实施例的预失真器增益操作的窗口。

图4是说明了根据本发明优选实施例的VVA梯度(gradient)的自适应的图解表示。

图5是说明了本发明阐明的VVA特征的非线性的图解表示。

本发明的详细描述

图1示出了根据本发明优选实施例的数字预失真线性发射机。该发射机包括正向信号路径102和观测信号路径104。正向信号路径包括抽样数据输入端100，其接收诸如宽带码分多址或其它众所周知的数字调制信号之类的传统数字通信信号。正如本领域技术人员众所周知的是，输入信号通常可以是以正交(I，Q)格式所提供的数字复合信号，附图中示出一条线路仅仅是为了便于说明。该输入信号被预失真器110修改以便补偿大功率放大器(HPA)140的非线性特性。然后，该预失真的信号通过一个传统的数据转换和频率变换功能块120被转换成射频信号。正向路径模拟增益由射频可变电压衰减器(VVA)130来控制，其被修改以便保持一个恒定输出功率。HPA140的输出端150通过射频抽样耦合器152被耦合到观测路径104并且还被提供给传统的发射电路和适当的天线以用于特殊应用(未示出)。观测路径信号电平由另一个VVA160来控制。模拟观测路径信号通过一个传统的频率变换和数字化功能块170被转换成一个数字基带信号。数字基带信号被提供给还接收数字输入信号的自适应电路块180。自适应电路块180使用数字观测路径信号和数字输入信号来在由线路182说明的正向路径中自适应控制预失真器110。自适应电路块180还自适应地控制在由线路184所说明的正向路径中的模拟VVA130和把数字控制信号转换成模拟电压的相关传统数模转换器(132)。

通过采用预失真器功能的自适应来直接执行增益控制，在自适应电路块180的控制下来平衡预失真器功能和模拟VVA130之间的增益分布，本发明改进了现有的增益控制技术。在一个优选实施例中，一个小窗口被规定，在该小窗口上预失真器功能的数值可以变化。当数值超出一个设置阈值时，预失真器功能被重置并且增益控制被施加，替代地施加给正向信号路径中的模拟VVA130。这在基带信号处理中保持了最佳动态范围。

本发明还提供了对于VVA的改善控制。VVA特征在其范围上趋向于非线性。对此补偿的先前技术已经包括了使用多项式模型来预测所需的增益改变。然而，这个特征随温度并且批量变化，从而潜在地在这种方法中造成大的差错或在最糟情况下造成增益振荡。本发明通过把VVA的特征近似为一条直线而解决了这个问题，其是所关心的局部特征的优良近似。这条线的梯度随着增益改变脱离局部特征预测而被变更，由此允许增益控制算法跟踪VVA在其全工作范围上的特征。

在预失真器110的优选实施例中，预失真功能是如图2所示的乘复合性增益功能。输入信号被提供给复合增益功能块112，复合增益功能块112例如用输入信号数值从输入信号中提供一个复合增益值。例如基于查询表或多项式方法的各种已知技术中的任意一种都可以被采用来从输入信号中提供增益功能。然后，复合增益值在乘法器114处被应用于输入信号以便沿线路116提供一个预失真的输入信号。自适应引擎180用反向增益来更新这个复合增益功能，该反向增益通过用数字化的观测路径信号来划分抽样数据输入端100而被测量。因此，这个增益功能不仅被驱动用于补偿HPA的非线性特性，而且还被驱动用于保持一致的环路增益。

正向路径增益通过被假设是固定的观测路径增益而被有效地控制。当观测路径具有固定增益时，任何非零的环路增益都将被累积，从而在被更新的预失真功能中引起数值偏移。因此，预失真功能被驱动从HPA中保持一个恒定的输出功率。这个方法不足以独自执行在发射信号全动态范围上的增益控制，因为数字预失真功能和DAC的动态范围所引入的量化噪声将限制性能。替代地，一个最大漂移范围被应用于预失真复合增益功能的数值。当被监控的漂移超出这个范围时，预失真功能的数值偏移如在等式(1)中所述那样被移除，并且正向路径模拟增益被调节来用于补偿。

$P\left(x\right)=\frac{P\left(x\right)}{\mathrm{Gain}\_\mathrm{drift}}---\left(1\right)$

VVA_gain＝VVA_gain*Gain_drift

这个技术的好处在于正向路径增益可以非常准确地由预失真功能的自适应来控制。因为调节预失真功能的数值偏移和模拟增益之间存在一个有限时延，所以发射增益时时刻刻都可能出错。预失真功能的漂移范围应该被设置得足够低以便最小化这些增益瞬态的影响，但是也应该被设置得足够高以便让它调节在估计模拟增益设置中的任何差错。

因为预失真功能是非线性的，所以一个适当的指数值必须被选择来驱动增益漂移阈值判断。增益控制指数的实际值不是决定性的，因为只要回路已经会聚，反向增益对于所有的输入信号数值来说就都应该为1。在优选实施例中，对应于抽样数据输入数值的RMS的指数值被使用，这使得对数字定标和增益预算的控制更加容易。以RMS指数的预失真功能的增益被保持为预设置的″目标″值加上或减去预设置的增益漂移范围。这在图3中被说明。

在正常工作状态下，预失真功能被主动地适配并且增益控制算法被锁定。在这种情况中，增益漂移可以如图3所示地在RMS指数上从预失真功能中被直接测量。在一个优选实施例中，本发明采用两个额外方法用于从其目标值中计算出预失真功能的增益漂移，它们被用来在预失真功能自适应被停用或者当增益控制算法被解锁或初始化的时候来提供增益控制。

由于较低功率下增加的线性度和较少的强烈频谱需求，许多数字预失真功能只须在一个有限的输入功率范围上操作。只要输入功率降低到预失真更新阈值之下，预失真功能就不再被适配并且不能用来确定用于驱动增益控制算法的增益漂移。增益控制算法可以借助于操作来自于自适应引擎180的累积增益误差，在这个差错超出增益漂移窗口时校正模拟增益，但是这将导致一个相等于窗口尺寸的潜在增益误差。在估计增益漂移之前，增益控制算法通过将整个预失真功能偏移一个累积的反向增益来解决这个问题。增益误差从对应于RMS指数的累积反向增益中被估计。这被当作一个线性增益改变并且被用作预失真功能的标量。

上述反向增益方法在高信噪比条件中是有效的。因为它从输入信号功率的窄范围中导出增益控制误差，所以它可能在噪声条件下衰变。在扩展大动态范围的增益控制算法中有用的另一个方法涉及相关性，其与低信噪比条件相比更加鲁棒。通过在自适应引擎180中利用时间排列，增益误差从输入信号的″工作时间″自相关性、输入信号与观测路径信号的互相关性的比较中被计算出来。这在等式(2)中被示出。

auto_corr＝S_in(t)*S_in(t)^H                        (2)

cross_corr＝S_in(t)*S_obs(t)^H

$\mathrm{Gain}\_\mathrm{error}=\frac{\mathrm{auto}\_\mathrm{corr}}{|\mathrm{cross}\_\mathrm{corr}|}$

接下来，VVA增益控制参考图1和图4-5被更详细地解释。如上所述，只要在RMS指数上预失真功能的数值超出规定范围，该功能就被重置成被施加于VVA的目标增益和增益漂移。还如上所指，VVA一般将具有使精确增益控制变得困难的非线性特性。增益控制对VVA的应用用一种方法被控制来解决这个问题。

模拟增益调节通过数字控制的电压可变衰减器(VVA)130在正向路径中被实现，其中控制电压经由数模转换器(DAC)132从自适应引擎中被设置。一个梯度搜索方法被优选地用来在一个小范围VVA值上估计VVA特征。随着正向路径增益的改变，梯度被调节来跟踪VVA130的特征。这在很宽的VVA特征和温度范围内让增益控制起到作用。

图4说明了梯度是怎样被变更的。VVA的局部特征通过将增益的改变与DAC值的改变进行比较而被建模，其设置了VVA的控制电压。来自预失真功能的目标增益的漂移是增益的改变，VVA控制设置中所需的改变从中被计算出来。在随后迭代上，对应于DAC值改变的实际增益改变可以被计算为旧的增益误差和新的增益误差之差。例如，如果需要一个3dB的增益改变，但是随后的增益误差是1dB，则VVA改变只导致2dB的增益改变。梯度可以这样被变更。

VVA的逐步增益改变在其范围边缘降低，所以图4中所示的特性曲线的梯度将潜在地无限增加。还潜在地对弯曲(inflection)有响应，其可以导致一个梯度逆变(如图5中的500处所示)。这个特征还受到批量和温度的变化影响，其进一步使一个普通的增益控制算法变得复杂。VVA特征中的弯曲特别地具有挑战性，因为这些造成梯度逆变，而没有辅助检查则算法不能从中恢复。为了解决这个问题，一个梯度限度被设置来防止VVA在其范围末端(图5中的范围502)的使用。如果梯度超出一个预置值，则一个超出范围的警告被报告给系统。当增益控制试图超出它时，VVA值在这个级别处被保持，否则恢复到正常操作。超出范围的警告还在DAC值到达其范围的绝对末端时被报告。

在一个优选实施例中，VVA控制算法在被解锁时用在最大衰减设置的VVA来初始化。在这种模式中，当模拟增益被调节来产生容限之内的增益误差时，预失真功能自适应保持不活动。当在容限之内时，VVA增益控制被设置锁定并且预失真功能自适应启动。梯度近似值只在DAC值的小范围上有效，因此为了防止输出功率越过其最大限度，需要对最大增益改变进行某些限制。最大增益步骤不能可靠地受限于一个预置值，因为它在这个自适应方法中基本上是″未知″。替代地，一个最大DAC步骤被应用。然而，观察VVA特征的线性范围然后选择一个适当的DAC步骤可以确定一个近似增益步骤的限制。

一个附加预防措施保护在增益倾斜期间不受潜在的梯度逆变。在某个VVA响应的高衰减端的弯曲在温度上激烈地变化。在大多数情况下，最大DAC步骤是足够大的，以便保证第一步骤充足地移动超出弯曲点(inflection point)以免不利地影响梯度计算。如果该步骤没有克服弯曲点，则一个梯度逆变将发生。当一个梯度逆变被检测到时，VVA因此不被调节，但是被迫使在同一方向中继续。只要逆变是清楚的，梯度就将被正确地调节。

这个增益控制技术依赖于VVA的增益特性在DAC值的小范围上是线性的假设，从而对于增益中的缓慢变化给定一个稳定的增益控制算法。如果测量到的增益误差超出一个预置值，则该算法在停用预失真功能自适应之前被设置为解锁。该算法继续在解锁模式中运行，直到增益误差进入预失真功能增益的容限窗口之内为止。

对计算出的DAC值改变(超出最大步长，等等)的任何调节都应该对随后迭代进行考虑以便确保正确的梯度计算。因此，预失真功能增益改变应该被调节以便在正向路径中保持正确的增益校准。然而，原始的增益误差必须在随后迭代梯度计算中被使用。

通过阅读上文应当理解，本发明提供了一个用于预失真线性化发射机的改进的正向路径增益控制系统和方法。尽管具体的详细实施例已经被描述，然而这些不应该被看作从本质上的限制，因为本领域技术人员应当理解，各种各样的更改可以采用本发明的教导被提供。

Claims (20)

1.一种用于自适应地控制射频发射机的增益的方法，该射频发射机包括数字预失真器、模拟增益调节器和大功率放大器，该方法包括：

接收数字输入信号；

用所述预失真器向所述输入信号提供数字增益调节以便在预定的增益漂移范围内来校正增益漂移；

把所述输入信号转换成模拟射频信号；和

当增益漂移超出所述增益漂移范围时，用所述模拟增益调节器向所述射频输入信号提供模拟增益调节。

2.根据权利要求1的用于自适应地控制射频发射机的增益的方法，进一步包括在所述模拟增益调节期间停用并重置数字增益调节。

3.根据权利要求1的用于自适应地控制射频发射机的增益的方法，其中，所述增益漂移在规定的输入信号值上被测量。

4.根据权利要求3的用于自适应地控制射频发射机的增益的方法，其中，所述规定的输入信号值是输入信号数值的均方根平均值。

5.根据权利要求1的用于自适应地控制射频发射机的增益的方法，进一步包括对大功率放大器的输出进行抽样，数字化该抽样输出并且使用数字化的输出来自适应地控制所述数字增益调节和所述模拟增益调节。

6.根据权利要求5的用于自适应地控制射频发射机的增益的方法，还包括通过下列步骤来初始化增益控制方法：

停用所述数字增益调节；

在初始设置时设置模拟增益调节；

用数字输入信号和数字化的输出信号来测量增益误差；

自适应地控制模拟增益调节，直到增益误差在容限值之内为止；

锁定模拟增益调节；和

启用所述数字增益调节。

7.根据权利要求1的用于自适应地控制射频发射机的增益的方法，其中，所述模拟增益调节器是电压可变衰减器。

8.一种用于自适应地控制射频发射机的增益的方法，该射频发射机采用具有非线性特性的模拟增益调节器，该方法包括：

接收输入信号；

对该发射机的输出进行抽样；

对抽样输出进行数字化；

估计模拟增益调节器的非线性特性的局部梯度；和

用所述输入信号、数字化的输出信号和估计出的梯度来自适应地控制模拟增益调节器的设置。

9.根据权利要求8的用于自适应控制射频发射机的增益的方法，其中，所述局部梯度通过反复比较实际增益调节与增益调节设置来估计。

10.根据权利要求8的用于自适应地控制射频发射机的增益的方法，其中，所述增益调节器设置被限制在模拟增益调节器特征的相对线性化的部分。

11.根据权利要求10的用于自适应地控制射频发射机的增益的方法，其中，增益调节器设置被限制在一个特征区域，其中梯度在预定限度内。

12.根据权利要求10的用于自适应地控制射频发射机的增益的方法，其中，增益调节器设置中的改变步长被限制在预定限度之内。

13.根据权利要求8的用于自适应地控制射频发射机的增益的方法，其中，所述模拟增益调节器是电压可变衰减器并且所述增益调节器设置是数字控制电压值，并且其中，该方法还包括把数字控制电压值转换成模拟控制电压。

14.一种预失真线性化发射机，包括：

输入端，用于接收数字输入信号；

预失真器，其接收数字输入信号并且用包括数字增益调节的预失真操作来操作该输入信号；

转换和频率变换电路块，用于把预失真的输入信号转换成一个较高频模拟信号；

模拟增益调节器，用于接收并增益调节该模拟信号；

放大器，用于接收并放大被增益调节的模拟信号并且提供一个被放大的输出信号；

输出抽样耦合器，其被耦合到放大器输出端并且提供一个被模拟抽样的输出；

频率变换和数字化电路块，用于从所述模拟抽样输出信号中提供被数字抽样的输出信号；和

自适应电路块，其被耦合来接收所述数字输入信号和所述被数字抽样的输出信号并且耦合到所述预失真器和所述模拟增益调节器，所述自适应电路块基于从数字输入信号和抽样输出信号确定的增益误差来自适应地控制所述预失真器和模拟增益调节器的增益调节。

15.根据权利要求14的预失真线性化发射机，其中，所述预失真操作是数字复合增益操作。

16.根据权利要求14的预失真线性化发射机，其中，所述模拟增益调节器是电压可变衰减器。

17.根据权利要求14的预失真线性化发射机，其中，所述自适应电路块在模拟增益调节期间停用预失真器的数字增益调节操作。

18.根据权利要求14的预失真线性化发射机，其中，所述自适应电路块在输入信号功率降低到预失真更新阈值之下时停用数字增益调节的自适应。

19.根据权利要求14的预失真线性化发射机，其中，当输入信号功率在提供所述自适应模拟增益控制之前降低到预失真更新阈值之下时，所述自适应电路块把整个预失真增益调节偏移一个累积的反向增益。

20.根据权利要求14的预失真线性化发射机，其中，所述自适应电路块从输入信号的工作时间的自相关性和输入信号与被数字抽样的输出信号的互相关性的比较中计算出增益误差。

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