一种适用于5G宽带MIMO系统的DPD装置及方法与流程

本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种适用于5g宽带mimo系统的dpd装置及方法。

背景技术：

随着无线通信技术发展，对数据传输速率要求不断提高，为了满足在稀缺频谱资源上实现大容量数据传输，现在通信系统都采用高带宽、高阶调制及多输入多输出(mimo)等技术。这种非恒定包络调制、多载波技术将导致调制信号的高峰均比，加之高宽带应用，对射频功率放大器的线性度提出了更高的要求。为了提高射频功率放大器的效率，降低系统功耗，目前最有效的方式是对数字信号进行预失真(dpd)处理。

采用dpd装置时，需要将射频功率放大器输出信号进行反馈，反馈信号数字化处理后发送给dpd内核算法，dpd模型通过反馈信号和输入信号迭代处理，提取预失真系数，校正输入信号预失真，然后再通过非线性的射频功率放大器，最终得到线性化的信号输出。

功率放大器的失真由幅度-幅度失真(am-am)、幅度-相位失真(am-pm)以及由记忆效应引起的失真。目前5g信号都采用较大带宽，系统带宽越宽，射频功率放大器记忆效应越明显，非线性影响越严重，其线性化处理越复杂。此外新的通信系统对延时要求越来越高，也要求dpd模型能够快速响应射频功率放大器引起的失真。

目前针对多通道mimo系统或多频段系统的dpd装置，反馈信号回路主要采用每路单独反馈和多路切换反馈方式。每路单独反馈对硬件要求较高，需要每路射频放大器单独一路反馈回路、下变频、模数转换等资源，优点是能够对发射信号进行实时监测，及时响应。多路切换方式则需要轮询方式对每路信号进行反馈，当通道数较多时轮询一个周期时间较长，硬件资源占用少，但响应不及时。

技术实现要素：

本发明提供了一种适用于5g宽带mimo系统的dpd装置及方法，具有占用硬件资源少，且能够对dpd反馈回路信号进行实时监测，响应及时的优点。

为了实现本发明的目的，所采用的技术方案是：一种适用于5g宽带mimo系统的dpd装置，包括数据处理模块、数模转换模块、信号输出模块、信号反馈模块和模数转换模块，

数据处理模块将基带输入信号和反馈信号进行迭代处理，获取预失真系数，通过建立的dpd模型对基带信号进行dpd处理，然后连接至数模转换模块；

数模转换模块将数据处理模块处理后的预失真信号进行数模转换，滤波后进行正交iq调制，连接至信号输出模块；

信号输出模块将数模转换模块输入的信号进行功率放大、滤波处理，然后经天线发射输出；

信号反馈模块是保证反馈信号至少有两个反馈路径，第一个反馈路径为主反馈回路，第二个反馈路径为辅助反馈回路；

主反馈回路通过开关切换方式为多路输出信号共用反馈，同一时间只能接通其中一路输出信号反馈，用于dpd系数的主调节，在所有通道输出都正常时，进行轮询接通，及时更新各通道dpd系数，保证更新通道输出信号线性度最佳；

辅助反馈回路通过空口耦合或多路输出信号耦合后再合路的方式进行反馈，反馈信号中含有多路输出信号组合，用于信号的实时监测，作为输出信号失真通道的预选器，当通道中有较严重的失真信号输出时，判断失真信号输出通道，通过将主反馈回路切换至输出信号失真最严重通道，快速完成dpd系数主调节，辅助反馈回路还作为dpd系数的辅助调节，对输出信号失真较小时，细微调节dpd系数；

模数转换模块将信号反馈模块的反馈信号解调后再进行模数转换，连接至数据处理模块。

作为本发明的优化方案，信号反馈模块包括多个耦合单元、多个发射天线和射频开关，多个耦合单元接收信号输出模块输出的多个功率信号，输出多个发射信号和多个耦合信号；多个发射天线连接至多个耦合单元，接收多个发射信号，辐射输出多个发射信号；主反馈回路接收多个耦合信号，通过射频开关切换输出一个耦合信号，经过iq解调制、低通滤波、adc转换后进入数据处理模块；辅助反馈回路，由一个耦合天线，接收复合的多个发射信号，形成一路反馈信号，经过iq解调制、低通滤波、adc转换后进入数据处理模块。

作为本发明的优化方案，数据处理模块包括多个dpd处理模块、两个dpd适应模块和一个控制器，多个dpd处理模块处理多个基带信号，补偿引入的非线性失真；两个dpd适应模块接收主反馈回路和辅助反馈回路两路数字反馈信号，通过多个dpd处理模块调整dpd输出信号，所述控制器接收数字基带信号和数字反馈信号，并根据反馈信号状态，控制射频开关。

作为本发明的优化方案，信号反馈模块还包括多个二功分器，多个二功分器接收耦合单元发送的多个耦合信号，把每个耦合信号一分为二，输出两路多个功分耦合信号，一路多个功分耦合信号通过射频开关切换作为主反馈回路，另一路多个功分耦合信号经过合路器合成后作为辅助反馈回路。

为了实现本发明的目的，所采用的技术方案是：一种适用于5g宽带mimo系统的dpd方法，包括如下步骤：

步骤s01：根据辅助反馈回路信号，实时监测各射频通道信号功率，并估算各射频通道射频功率放大器的非线性失真程度；

步骤s02：获取非线性失真最严重的射频通道，并将主反馈回路切换至最严重失真射频通道；

步骤s03：通过主反馈回路获取该通道精确输出功率及非线性失真状态，通过改进发明的dpd模型获取通道系数，并快速更新该射频通道系数，保持该通道射频信号的线性输出；

步骤s04：根据辅助反馈回路信号继续获取其它非线性失真最严重的射频通道，并更新通道系数。

作为本发明的优化方案，dpd模型为动态偏差降维法，表示为：

其中x(n)和y(n)分别代表输入和输出的复合包络，hp,0(0,…0)和hp,r(0,…,0,i1,…,ir)表示p阶volterra内核，p为非线性阶数(奇数)，m代表记忆深度。

本发明具有积极的效果：

1)采用多路切换及多路信号复合两路反馈组合形式，既降低了多路信号单独反馈占用硬件资源多的缺点，又改进了多路信号轮询反馈响应慢的问题；

2)本发明相对传统多通道系统，硬件资源增加较少，成本较低，方法简单，实现容易；

3)本发明由于采用双重反馈形式，提高了反馈系统的可靠性；

4)该发明应用于宽带的多通道mimo系统时，实时监测mimo系统中各发射通道的通信质量及通道使用率；

5)该发明应用于波束合成系统时中，也可用于实时监测各通道输出信号相位信息，对波束合成信号的合成效果进行监测；

6)本发明采用新dpd模型算法，保持较高准确度的同时降低了模型复杂度，节省硬件逻辑资源，加快了系统响应速度。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明适用于5g宽带mimo系统的dpd装置的整体框图；

图2是本发明适用于5g宽带mimo系统的dpd方法的流程图；

图3示例了一种本发明装置的原理框图；

图4示例了另一种本发明装置的原理框图。

其中：1、数据处理模块，2、数模转换模块，3、信号输出模块，4、信号反馈模块，5、模数转换模块。

具体实施方式

如图1所示，本发明公开了一种适用于5g宽带mimo系统的dpd装置，包括数据处理模块1、数模转换模块2、信号输出模块3、信号反馈模块4和模数转换模块5，

数据处理模块1将基带输入信号和反馈信号进行迭代处理，获取预失真系数，通过建立的dpd模型对基带信号进行dpd处理，然后连接至数模转换模块2；

数模转换模块2将数据处理模块1处理后的预失真信号进行数模转换，滤波后进行正交iq调制，连接至信号输出模块3；

信号输出模块3将数模转换模块2输入的信号进行功率放大、滤波处理，然后经天线发射输出；

信号反馈模块4是保证反馈信号至少有两个反馈路径，第一个反馈路径为主反馈回路，第二个反馈路径为辅助反馈回路；

主反馈回路通过开关切换方式为多路输出信号共用反馈，同一时间只能接通其中一路输出信号反馈，用于dpd系数的主调节，在所有通道输出都正常时，进行轮询接通，及时更新各通道dpd系数，保证更新通道输出信号线性度最佳；

辅助反馈回路通过空口耦合或多路输出信号耦合后再合路的方式进行反馈，反馈信号中含有多路输出信号组合，用于信号的实时监测，作为输出信号失真通道的预选器，当通道中有较严重的失真信号输出时，判断失真信号输出通道，通过将主反馈回路切换至输出信号失真最严重通道，快速完成dpd系数主调节，辅助反馈回路还作为dpd系数的辅助调节，对输出信号失真较小时，细微调节dpd系数；

模数转换模块5将信号反馈模块4的反馈信号解调后再进行模数转换，连接至数据处理模块1。

如图2所示，一种适用于5g宽带mimo系统的dpd方法，包括如下步骤：

步骤s01：根据辅助反馈回路信号，实时监测各射频通道信号功率，并估算各射频通道射频功率放大器的非线性失真程度；

辅助反馈回路信号中包含有多个射频通道的反馈信号，该辅助反馈回路信号由多个射频通道反馈信号组合而成，由于该辅助反馈回路信号中包含的每个射频通道信号与该射频通道发送信号之间已经过校准，可以通过实时监测该辅助反馈回路信号，分解计算得到各个射频通道信号的状态，并且可以通过该反馈回路信号状态估算各通道射频功率放大器的非线性失真程度。

步骤s02：获取非线性失真最严重的射频通道，并将主反馈回路切换至最严重失真射频通道；

主反馈回路是反馈回路信号中只含有一个射频通道信号的反馈路径，由于主反馈回路信号只含有一个通道信号，因此可以更加准确的反应射频通道的各种状态。根据步骤s01估算得到的各通道射频功率放大器的非线性失真程度，按照各个射频通道的非线性失真程度进行排序，获取得到所有射频通道中信号非线性失真最严重的射频通道，并将主反馈回路的反馈路径切换至信号失真最严重的射频通道。

步骤s03：通过主反馈回路获取该通道精确输出功率及非线性失真状态，通过改进发明的dpd模型获取通道系数，并快速更新该射频通道系数，保持该通道射频信号的线性输出；

主反馈回路已连接至非线性失真最严重的射频通道，通过计算获取该射频通道信号的精确状态，包括射频输出功率及功率放大器导致的非线性失真状态。通过动态偏差降维法获取该射频通道的dpd模型系数，可以快速完成射频通道dpd模型系数的更新，保持射频通道的线性输出状态。

动态偏差降维法提出了一种有效的降阶方法，该方法去掉了高阶动态记忆效应，因为在许多实际射频功率放大器中，非线性动态记忆效应的影响会随着非线性阶数的增加而减弱。与经典的volterra模型不同的是，系数的数量随非线性阶数和记忆长度呈指数增长，而在降阶模型中，系数的数量几乎随非线性阶数和记忆长度呈线性增长。由于经过高阶动态记忆效应截断后，模型复杂度显著降低，该volterra模型可用于准确表征具有静态强非线性和长期线性和低阶非线性记忆效应的功率放大器。通过对volterra系数的重新分组，使不同的动态阶数可以被控制和分离，同时又保持了模型提取过程的简单性。该方法可以显着降低经典volterra模型的复杂度，同时不造成模型保真度的损失，静态非线性和不同阶数的动态效应都可以被识别。动态偏差降维法可表示为：

其中x(n)和y(n)分别代表输入和输出的复合包络。hp,0(0,…0)和hp,r(0,…,0,i1,…,ir)表示p阶volterra内核。p为非线性阶数(奇数),m代表记忆深度。

由于许多射频功率放大器具有动态效应随着非线性阶数的增加而衰减的特性，因此可以通过消除高阶动态效应来显着降低模型复杂度，即将r的值保持在较小范围内(r＝1；2)。

如果动态r等于1，则一阶模型可以表示为：

为了在复杂基带中精确建模功率放大器，公式中的模型需要转换为低通等效格式：

其中x(n)和y(n)分别表示输入和输出的基带复包络。

步骤s04：根据辅助反馈回路信号继续获取其它非线性失真最严重的射频通道，并更新通道系数。

步骤s03中非线性失真最严重的射频通道系数已更新完成，所指射频通道已完成信号线性化输出。同时辅助反馈回路也已获取当前所指的其他非线性失真最严重的射频通道，之后再将主反馈回路切换至当前非线性失真最严重的射频通道，完成当前射频通道系数更新。重复以上各步骤，时刻保持所有射频通道信号的线性化输出。

其中，数据处理模块1主要但不限于现场可编程逻辑门阵列(fpga)，其负责基带输入信号、输出反馈信号及各模块的信号的联合处理内容。该数据处理模块1主要实现基带信号预处理、dpd模型实现、输出反馈信号分析、模块控制、数模转换控制、模数转换控制、本振频率控制及信号增益控制。

基带信号预处理是从输入的基带信号中解析出指令及数据，根据不同的指令将基带输入信号数据进行预处理后分两路，一路用于输入dpd模型，做dpd预处理，另一路用于和反馈信号做迭代运算获取射频通道的系数。

dpd模型实现是根据本发明方法中步骤s03所述动态偏差降维法，采用fpga硬件描述语言逻辑算法实现该算法。

反馈信号分析是指信号经过射频功率放大器输出后，通过反馈回路返回数据处理模块并进行数字量化后，根据该数字量化数据计算各通道信号信息，包括各射频通道信号幅度及相位信息，以及射频通道的非线性失真程度。

模块控制是指根据上述反馈信号分析后得到的信号状态进行判断，根据判断结果进行进一步操作。如根据射频通道非线性失真程度，获取非线性失真最严重的射频通道，控制主反馈回路射频开关切换至该射频通道。

数模转换控制是指经过dpd模型处理后的数字基带信号转换为模拟信号时，对其进行格式转换、对齐、同步等处理。

模数转换控制是指反馈信号转换为数字信号时，对其进行同步、对齐、格式转换等处理。

本振频率控制是对射频上下变频所使用的本振频率进行的配置处理。

信号增益控制是指在通信时发射和接收通道的增益配置处理。

数模转换模块2将数据处理模块处理后的预失真信号进行转换为模拟信号，滤波后再与本振信号进行正交(iq)调制，调制后的射频信号再进行滤波，然后连接至信号输出模块3。

信号输出模块3将数模转换模块2输入的信号进行功率放大、滤波处理、收发隔离，然后经天线发射输出。对于tdd系统，收发隔离可采用环形器及射频开关元件，对于fdd系统，收发隔离可采用多工器。

信号反馈模块4是保证反馈信号至少有两个反馈路径，第一个反馈路径为主反馈回路，第二个反馈路径为辅助反馈回路。在本实施例中，将射频功率放大器输出后的信号进行反馈，反馈回路由两路组成，其中一路为每个射频通道单独反馈，各射频通道的反馈信号再通过射频开关进行切换后至解调器，下变频后进行滤波，滤波后进入模数转换器(adc)，因此该反馈回路同一时刻只有一路信号接入adc，转换为数字信号，该路反馈信号称为主反馈回路，其用于dpd系数的主调节，在所有通道输出都正常时，进行轮询接通，及时更新各通道dpd系数，保证更通道输出信号线性度最佳。另一路反馈信号则由多个反馈回路组合后再进行反馈，一般组合反馈回路中射频通道数量不超过8路，该反馈回路的多个射频通道组合方式有多种形式，可以是空口耦合或多路输出信号耦合后通过合路器进行组合，该反馈回路称为辅助反馈回路，用于信号的实时监测，作为输出信号失真通道的预选器，当通道中有较严重的失真信号输出时，判断失真信号输出通道，通过将主反馈回路切换至输出信号失真最严重通道，快速完成dpd系数主调节，辅助反馈回路还作为dpd系数的辅助调节，对输出信号失真较小时，可以细微调节dpd系数。

模数转换模块5将功率放大器输出后的信号进行耦合，耦合后的信号与本振信号进行(iq)解调、滤波后模数转换为数字信号，输入至数据处理模块。

如图3所示实例，包括一个数据处理模块、多个dac、多个上变频模调制器、一个本振源、多个射频滤波器、多个射频功率放大器、多个耦合单元、多个发射天线、一个主反馈回路和一个辅助反馈回路

数据处理模块，含有多个dpd处理通道，输出多路数字基带信号；

多个dac，连接至多个dpd处理通道，接收多个数字基带信号并转换为模拟基带信号；

多个上变频调制器，连接至多个dac，接收多个模拟基带信号并输出调制的射频信号；

一个本振源，连接至多个上变频调制器，输出上变频用本振信号；

多个射频滤波器，接至多个上变频调制器，接收多个射频信号，进行滤波处理，输出滤波后射频信号；

多个射频功率放大器，连接至多个射频滤波器，接收滤波后的射频信号，放大输出功率信号；

多个耦合单元，连接至多个射频功率放大器，接收多个功率信号，输出多个发射信号和多个耦合信号；

多个发射天线，连接至多个耦合单元，接收多个发射信号，辐射输出多个发射信号；

一个主反馈回路，接收多个耦合信号，通过射频开关切换输出一个耦合信号，经过iq解调制、低通滤波、adc转换后进入数据处理模块；

一个辅助反馈回路，由一个耦合天线，接收复合的多个发射信号，形成一路反馈信号，经过iq解调制、低通滤波、adc转换后进入数据处理模块。

数据处理模块1包括多个dpd处理模块、两个dpd适应模块和一个控制器，多个dpd处理模块处理多个基带信号，补偿由多个射频功率放大器引入的非线性失真；两个dpd适应模块接收主反馈回路和辅助反馈回路两路数字反馈信号，通过多个dpd处理模块调整dpd输出信号，控制器接收数字基带信号和数字反馈信号，并根据反馈信号状态，控制射频开关。

信号反馈模块4包括多个耦合单元、多个发射天线和射频开关，多个耦合单元接收信号输出模块3输出的多个功率信号，输出多个发射信号和多个耦合信号；多个发射天线连接至多个耦合单元，接收多个发射信号，辐射输出多个发射信号；主反馈回路接收多个耦合信号，通过射频开关切换输出一个耦合信号，经过iq解调制、低通滤波、adc转换后进入数据处理模块；辅助反馈回路，由一个耦合天线，接收复合的多个发射信号，形成一路反馈信号，经过iq解调制、低通滤波、adc转换后进入数据处理模块。

图3所述实例的实现关键在于发射天线与耦合天线的设计，耦合天线设计与各通道发射天线距离都较近，每个通道发射天线与该耦合天线的耦合系数都已经校准过，每个发射通道的输入信号与反馈信号之间的幅度及相位差也都已经校准，因此可以通过监测该复合后的反馈信号，计算得到各通道射频信号的状态。当监测到各通道射频功率放大器均工作在线性状态时，调整各通道dpd系数，对输入信号不进行预失真，当监测到某个射频通道功率放大器工作在非线性状态时，调整该射频通道dpd系数，对该通道输入信号进行预失真，最终使该通道输出线性化。

图3所述实例所述反馈回路设计在mimo系统中，不仅可以用于dpd处理，还可以用于实时监测mimo系统中各发射通道的通信质量及通道使用率。该设计在波束合成系统中，也可用于实时监测各通道输出信号相位信息，对波束合成信号的合成效果进行实时监测。

如图4所示的另一个实例，包括：一个数据处理模块、多个dac、多个上变频模调制器、一个本振源、多个射频滤波、多个功率放大器、多个耦合单元、多个二功分器、多个发射天线、一个主反馈回路、一个辅助反馈回路。其中一个数据处理模块、多个dac、多个上变频模调制器、一个本振源、多个射频滤波、多个功率放大器、多个耦合单元、多个发射天线与图3所述相同。

信号反馈模块4还包括多个二功分器，多个二功分器接收耦合单元发送的多个耦合信号，把每个耦合信号一分为二，输出两路多个功分耦合信号，一路多个功分耦合信号通过射频开关切换作为主反馈回路，另一路多个功分耦合信号经过合路器合成后作为辅助反馈回路。

一个主反馈回路，接收一路多个功分耦合信号，通过射频开关切换输出一个反馈信号，经过iq解调制、低通滤波、adc转换后进入数据处理模块；

一个辅助反馈回路，接收另一路多个功分耦合信号，通过合路器合成为一个包含多个功分耦合信号的反馈信号，经过iq解调制、低通滤波、adc转换后进入数据处理模块。

图4所述实例中各射频通道信号经功率放大器输出后进行单独耦合，每个射频通道耦合后的信号再分为两路，其中一路耦合信号经过射频开关作为主反馈回路，另一路耦合信号经过合路器合成后作为辅助反馈回路。由于每个射频通道的反馈信号的路径都已确定，所有射频通道经过校准之后，输入信号与反馈信号之间的幅度及相位差也都确定，因此可以通过监测组合后的辅助反馈信号，计算得到各通道射频信号的状态。工作原理与图3所示相同，都是通过实时调整多个射频通道dpd系数，对多个射频通道输入信号进行预失真，最终使多个射频通道输出线性化。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。