TWI700888B

TWI700888B - 數位預失真電路及數位預失真方法

Info

Publication number: TWI700888B
Application number: TW108131161A
Authority: TW
Inventors: 蔣坤霖; 陳家銘
Original assignee: 中磊電子股份有限公司
Priority date: 2019-08-30
Filing date: 2019-08-30
Publication date: 2020-08-01
Also published as: US10862516B1; TW202110081A

Abstract

本發明提出一種數位預失真電路及數位預失真方法。在此方法中，將輸入訊號依序進行預失真處理、數位至類比轉換、以及放大處理以產生輸出訊號。此輸入訊號經預失真處理後的第一頻寬大於輸入訊號經數位至類比轉換後的第二頻寬。對輸出訊號過濾第二頻寬以外的訊號以產生第二輸出訊號。依據輸入訊號經預失真處理的預失真訊號及第二輸出訊號估測預失真訊號經放大處理後第三輸出訊號。此第三輸出訊號的第三頻寬大於第二頻寬。依據第三輸出訊號及預失真訊號決定預失真處理的參數。藉此，可對第二頻寬以外的失真情況修正，進而彌補頻寬不足的缺陷。

Description

數位預失真電路及數位預失真方法

本發明是有關於一種訊號處理技術，且特別是有關於一種數位預失真電路及數位預失真(Digital Pre-Distortion，DPD)方法。

訊號之功率大小影響通訊系統之效能與吞吐量，因此功率放大器(Power Amplifier，PA)在通訊系統中扮演不可或缺的角色。功率放大器具有非線性之特性，當其操作在高功率範圍時將造成頻譜非預期性增長(spectral re-growth)、相鄰通道干擾(adjacent channel interference)及頻帶外溢漏(out-of-band emissions)、及頻帶內失真(in-band distortion)等失真現象。為了解決前述失真現象，數位預失真技術被提出。數位預失真技術可對功率放大器之輸出及輸入訊號進行訊號訓練(training)，並據以形成補償訊號，即可透過補償訊號對輸入訊號應用預失真。

圖1是數位預失真的流程示意圖，而圖2是習知應用數位預失真的電路。請同時參照圖1及圖2，原始傳送訊號的頻譜201經過功率放大器(PA)之後，會有溢漏(leakage)的現象。而此現象將造成傳送信號品質下降，且進一步影響相鄰頻帶之信號從而造成頻帶間干擾(inter-band interference)。為了抑制前述現象，訊號 x( n)經數位至類比轉換器(Digital-to-analog converter，DAC)、及功率放大器(Power Amplifier，PA)後透過耦合器回饋至接收端(即，輸出訊號是透過反饋鏈路(feedback path)獲得)，回饋的訊號 y( n)再經類比至數位轉換器(Analog-to-Digital Converter，ADC)後進入數位預失真訓練(DPD Training)器，且DPD訓練器所得到的係數將再傳給DPD執行器使用。其中，DPD訓練器會找出訊號 x(n)經預失真處理後的訊號 z( n)與訓練的訊號

之間最小的誤差 e( n)對應的係數。

值得注意的是，DPD技術能修正DAC頻寬內的訊號，但無法修正DAC頻寬以外的訊號。如圖2所示，假設訊號頻譜201的頻寬為100百萬赫茲(MHz)，則經由功率放大器後訊號的5倍頻寬內相鄰通道溢漏比(Adjacent Channel Leakage Ratio，ACLR)上升(頻譜203的頻寬為500MHz)。當DAC與ADC的頻寬足夠(例如，頻寬為500MHz)時，相鄰通道溢漏比的問題可利用DPD執行器來修正(經預失真處理後的頻譜202的頻寬為500MHz)，且訊號可被還原成原本傳送訊號(如圖2中的頻譜201大致相同於頻譜203(振幅增大))。然而，DAC與ADC的頻寬不足5倍時，DPD執行器只能修正部分的相鄰通道溢漏比的問題。由此可知，針對頻寬受限的數位預失真技術仍有待改進。

有鑑於此，本發明實施例提供一種數位預失真電路及數位預失真方法，在頻寬限制情況下，基於頻寬較大的估測輸出訊號來訓練預失真模型，即可彌補頻寬不足所造成的問題。

本發明實施例的數位預失真方法，其包括下列步驟：將輸入訊號依序進行預失真處理、數位至類比轉換、以及放大處理以產生輸出訊號。此輸入訊號經預失真處理後的第一頻寬大於輸入訊號經數位至類比轉換後的第二頻寬。對輸出訊號過濾第二頻寬以外的訊號以產生第二輸出訊號。依據輸入訊號經預失真處理的預失真訊號及第二輸出訊號估測預失真訊號經放大處理後第三輸出訊號。此第三輸出訊號的第三頻寬大於第二頻寬。依據第三輸出訊號及預失真訊號決定預失真處理的參數。

本發明實施例的數位預失真電路，其包括預失真器、數位至類比轉換器、放大電路、帶通濾波器、及輸出訊號估測電路。預失真器對輸入訊號進行預失真處理以產生預失真訊號。此預失真訊號具有第一頻寬。數位至類比轉換器耦接預失真器，並將預失真訊號轉換成類比預失真訊號。此類比預失真訊號具有第二頻寬，且第一頻寬大於第二頻寬。放大電路耦接數位至類比轉換器，並對類比預失真訊號放大以產生輸出訊號。帶通濾波器耦接放大電路，並對輸出訊號過濾第二頻寬以外的訊號以產生第二輸出訊號。輸出訊號估測電路耦接帶通濾波器及預失真器，並依據預失真訊號及第二輸出訊號估測預失真訊號經放大電路處理後的第三輸出訊號。第三輸出訊號的第三頻寬大於第二頻寬，且預失真器依據第三輸出訊號及預失真訊號決定預失真處理的參數。

基於上述，本發明實施例的數位預失真電路及數位預失真方法，針對其頻寬小於放大電路處理後的頻寬的數位至類比轉換器，對輸出訊號過濾數位至類比轉換器的頻寬以外的訊號，並據以估測具有更大的頻寬的輸出訊號。此輸出訊號將可作為預失真訓練所用。藉此，訓練所得的參數可進一步對數位至類比轉換器的頻寬以外的失真情況修正，即可彌補頻寬不足的缺陷。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

圖3是依據本發明一實施例的數位預失真電路100的元件方塊圖。請參照圖3，數位預失真電路100包括但不僅限於預失真器110、數位至類比轉換器120、放大電路130、帶通濾波器140及輸出訊號估測電路150。數位預失真電路100可內嵌在各類型基地台、使用者設備(例如，手機、平板電腦等)、通訊收發器(例如，支援Wi-Fi、或各世代行動通訊技術)、或其他通訊收發裝置。

預失真器110接收數位形式的輸入訊號IS，並用以對輸入訊號IS進行預失真處理，以產生預失真訊號PDS，其詳細功能待後續實施例詳述。預失真器110可由數位訊號處理器(Digital Signal Processor，DSP)、微處理器、特殊應用積體電路(Application-Specific Integrated Circuit，ASIC)、場可程式化邏輯閘陣列(Field Programmable Gate Array，FPGA)等可程式化單元來實施。

數位至類比轉換器120耦接預失真器110，並用以對預失真訊號PDS進行數位至類比轉換，以產生類比預失真訊號APDS(即，類比形式的預失真訊號PDS)。值得注意的是，於本發明實施例中，輸入訊號IS經預失真處理後的第一頻寬大於輸入訊號IS經數位至類比轉換後的第二頻寬(即，數位至類比轉換器120具有第二頻寬)。例如，第一頻寬是500 MHz，且第二頻寬是300 MHz。

放大電路130耦接數位至類比轉換器120，並用以對類比預失真訊號APDS進行放大處理，以產生輸出訊號OS。放大電路130可以是用於調整類比預失真訊號APDS的功率增益的功率放大器。需說明的是，在一些實施例中，放大電路130與數位至類比轉換器120之間可能更連接有混波器，以形成射頻的輸出訊號OS。

帶通濾波器140耦接放大電路130，並用以對輸出訊號OS過濾特定頻帶以外的訊號，以產生第二輸出訊號OS2。此第二輸出訊號OS2可進一步透過天線及/或其他發射器傳送而出。需說明的是，在一些實施例中，帶通濾波器140與放大電路130之間可能更連接有耦合器，以將輸出訊號OS回饋回接收端(即，數位預失真電路100)。

輸出訊號估測電路150耦接帶通濾波器140及預失真器110，並用以接收預失真訊號PDS及第二輸出訊號OS2，且據以產生第三輸出訊號OS3，而其詳細功能待後續實施例詳述。輸出訊號估測電路150可由數位訊號處理器、微處理器、特殊應用積體電路、場可程式化邏輯閘陣列等可程式化單元來實施，亦可能是數個數位電路所組成的電路。

為了方便理解本發明實施例的操作流程，以下將舉諸多實施例詳細說明本發明實施例中針對數位預失真電路100的訊號處理流程。下文中，將搭配數位預失真電路100中的各項元件及模組說明本發明實施例所述之方法。本方法的各個流程可依照實施情形而隨之調整，且並不僅限於此。

圖4是依據本發明一實施例的數位預失真方法的流程圖。請參照圖4，數位預失真電路100將輸入訊號IS依序進行預失真處理、數位至類比轉換、以及放大處理以產生輸出訊號OS(步驟S410)。具體而言，預失真器110可使用諸如Wiener-Hammerstein 模型、記憶多項式(Memory Polynomial，MP)模型、廣義記憶多項式(Generalized Memory Polynomial，GMP)模型、或其他記憶功率大器模型進行預失真處理。例如，記憶多項式模型的數學式表示如下：

…(1)

是預失真器110 的輸出訊號(即，預失真訊號PDS)，

是預失真器110 的輸入訊號(即，輸入訊號IS)，

是係數，n為整數。又例如，廣義記憶多項式模型的數學式表示如下：

…(2)

是預失真器110 的輸出訊號(即，預失真訊號PDS)，

是預失真器110 的輸入訊號(即，輸入訊號IS)，

、

、

是係數。這些預失真處理所用函數中的係數，是預失真器110基於第三輸出訊號OS3及預失真訊號PDS訓練所得的參數(例如，預失真模型、或其他增益函數的係數等)。例如，預失真器110將預失真訊號PDS與第三輸出訊號OS3經放大電路130的反向模型/函數(即，預失真模型)後的訊號之間的誤差最小化，並得出誤差最小的反向模型。預失真器110並可基於這些參數補償放大電路130在輸入訊號IS的頻寬以外的失真現象。

需說明的是，本發明實施例的預失真器110包括訓練(例如，訓練預失真模型或增益函數的係數)及修正(例如，將輸入訊號IS通過記憶功率大器模型或與增益函數相乘)兩功能。此外，前述預失真處理是採用自適應演算法，然在一些實施例中，預失真器110亦可能採用查找表方式(例如，線性對應或增益對應)得出預失真訊號PDS。

值得注意的是，本發明實施例是針對數位至類比轉換器120的第二頻寬小於預失真訊號PDS的第一頻寬的限制。也就是說，類比預失真訊號APDS的第二頻寬小於預失真訊號PDS的第一頻寬。然而，放大電路130對類比預失真訊號APDS進行放大處理所產生的輸出訊號OS可能有失真現象(例如，溢漏、頻譜增長等)出現在第二頻寬以外。若預失真器110是基於輸出訊號OS與預失真訊號PDS來訓練預失真處理所用的參數，則這些參數可能僅能補償第二頻寬內的失真現象。為了解決前述問題，本發明實施例會對輸出訊號OS進一步處理。

帶通濾波器140對輸出訊號OS過濾第二頻寬以外的訊號以產生第二輸出訊號OS2(步驟S430)。例如，第二頻寬是200 MHz，則第二輸出訊號OS2是對輸出訊號OS保留200 MHz內的訊號。藉此，可確保放大電路130對輸出訊號OS在第二頻寬以外的失真被移除。

接著，輸出訊號估測電路150依據輸入訊號IS經預失真處理的預失真訊號PDS及第二輸出訊號OS2估測第三輸出訊號OS3(步驟S450)。具體而言，由於第二頻寬不足經放大電路130放大後的頻寬，因此基於輸出訊號OS訓練的預失真處理可能無法完成修正輸出訊號OS中第二頻寬以外的訊號。本發明實施例是先產生其頻寬大於第二頻寬的第三輸出訊號OS3。輸出訊號估測電路150可估測放大電路130對應的模擬放大電路。此模擬放大電路可以是函數形式或對照表形式。預失真訊號PDS經此模擬放大電路後的訊號在第二頻寬內將趨近於第三輸出訊號OS3。例如，輸出訊號估測電路150將預失真訊號PDS經模擬放大電路後的訊號與第二輸出訊號OS2之間的誤差最小化，並得出誤差最小的模擬放大電路的函數。輸出訊號估測電路150接著將模擬放大電路對預失真訊號PDS放大所產生訊號作為第三輸出訊號OS3。此第三輸出訊號OS3的產生是假設預失真訊號PDS沒有經過頻寬受限的數位至類比轉換，且第三輸出訊號OS3的第三頻寬會大於第二頻寬。第三頻寬可以是等於第一頻寬或其他大於第二頻寬的頻寬。

接著，預失真器110依據第三輸出訊號OS3及預失真訊號PDS決定預失真處理的參數(步驟S470)。具體而言，相較於輸出訊號OS，第三輸出訊號OS3沒有受到數位至類比轉換的頻寬限制。因此，基於第三輸出訊號OS3訓練所得的參數(例如，預失真模型、或其他增益函數的係數等)，預失真器110應可對第二頻寬以外的訊號修正。以記憶功率大器的預失真模型為例，頻寬受限的記憶多項式模型的數學式表示如下：

…(3)

是預失真器110 的輸出訊號(即，預失真訊號PDS)，

是低通濾波處理的頻率響應(其頻寬不大於帶通濾波器140的頻寬(即，第二頻寬))。在低通濾波處理的通帶內，預失真器110可對預失真訊號PDS與第三輸出訊號OS3經放大電路130的反向模型/函數(即，預失真模型)後的訊號之間的誤差，利用諸如最小平方(Least Square，LS)、均方(Mean Square，MS)、均方根(Root Mean Square，RMS)等最佳化方式求解(即，得出係數)，其數學式表示如下：

…(4)

是預失真器110 的輸出訊號(即，預失真訊號PDS)，

是預失真器110 的輸入訊號(即，輸入訊號IS)，

是全頻寬係數(其對應頻寬大於第二頻寬)。

又例如，頻寬受限的廣義記憶多項式模型的數學式表示如下：

…(5)

是預失真器110 的輸出訊號(即，預失真訊號PDS)。同樣地，預失真器110也可對數學式(5)利用諸如最小平方、均方、均方根)等最佳化方式求解。接著，預失真器110可基於第三輸出訊號OS3訓練所得的參數輸入訊號IS進行預失真處理。藉此，輸出訊號OS在第二頻寬以外的失真現象將能被修正。

下文以更具體的硬體架構說明，圖5是依據本發明一實施例的數位預失真電路100的元件方塊圖及頻譜示意圖。請參照圖5，預失真器110包括DPD執行器111、DPD訓練器112及累加(summation)電路113。輸出訊號估測電路150包括類比至數位轉換器151、放大電路模型估測器152、低通濾波器153, 154及累加電路155。

DPD執行器111及DPD訓練器112分別用以執行前述預失真器110的修正及訓練功能。低通濾波器153, 154是已知其頻率響應的濾波器，且其頻寬不大於帶通濾波器140的頻寬(即，第二頻寬)。放大電路模型估測器152可由數位訊號處理器、微處理器、特殊應用積體電路、場可程式化邏輯閘陣列等可程式化單元來實施。

輸入訊號IS依序經過數位至類比轉換器120、放大電路130及帶通濾波器140，以產生第二輸出訊號OS2。類比至數位轉換器151將第二輸出訊號OS2轉換成數位形式的數位輸出訊號DOS，且低通濾波器153對數位輸出訊號DOS進行低通過濾以產生第四輸出訊號OS4。另一方面，放大電路模型估測器152產生初始的模擬放大電路，並將預失真訊號PDS經過模擬放大電路放大以產生模擬輸出訊號SOS。低通濾波器154對此模擬輸出訊號SOS進行低通過濾以產生第五輸出訊號OS5。累加電路155將第四輸出訊號OS4及第五輸出訊號OS5相減，以得出兩輸出訊號OS4,OS5之間的誤差e。此誤差e可用於估測最終的模擬放大電路。放大電路模型估測器152可將誤差e最小化，以得出誤差e最小的模擬放大電路。接著，放大電路模型估測器152將利用具有最小誤差的模擬放大電路對預失真訊號PDS放大，以形成第三輸出訊號OS3。

DPD訓練器112基於初始的預失真模型，並將第三輸出訊號OS3經過預失真模型處理以產生估測預失真訊號EPDS。累加電路113將估測預失真訊號EPDS及預失真訊號PDS相減，以得出兩訊號EPDS, PDS之間的誤差e2。此誤差e2可用於產生最終的預失真模型。DPD訓練器112可將誤差e2最小化，以得出誤差e2最小的預失真模型。接著，DPD訓練器112依據此具有最小誤差的預失真模型產生預失真處理所用的參數DPDP，以供DPD執行器111使用。

針對頻譜變化而言，輸入訊號IS的頻譜501經DPD執行器111進行預失真處理後頻寬會被增大，但數位至類比轉換器120僅能形成具有第二頻寬的類比預失真訊號APDS(其頻譜如圖所示，頻譜502受限於虛線框的第二頻寬)。放大電路130對類比預失真訊號APDS放大後的輸出訊號OS的頻寬可能超過第二頻寬(其頻譜如圖所示，頻譜503在第二頻寬(以虛線框表示)以外仍有頻率響應)。而帶通濾波器140將第二頻寬以外的訊號除去以輸出第二輸出訊號OS2(其頻譜如圖所示，相較於頻譜503，頻譜504中第二頻寬以外的頻率響應被濾除)。

需說明的是，頻譜501~504的形狀僅是用於範例說明，且並非用以限制輸入訊號IS、數位至類比轉換器120、放大電路130及帶通濾波器140的類型或參數。

綜上所述，本發明實施例的數位預失真電路及數位預失真方法，在數位至類比轉換器的頻寬不足放大電路處理後的頻寬的限制下，估測具有更大頻寬的輸出訊號，並透過此輸出訊號來訓練預失真處理所用的參數。此外，放大電路處理後的輸出訊號中數位至類比轉換器的頻寬以外的訊號將被濾除。藉此，可對數位至類比轉換器的頻寬以外的失真情況修正，進而彌補頻寬不足的缺陷。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

201~203、501~504:頻譜 100:電子裝置x(n)、y(n)、z(n)、

:訊號 e(n)、e、e2:誤差 100:數位預失真電路 110:預失真器 111:DPD執行器 112:DPD訓練器 113、155:累加電路 120:數位至類比轉換器 130:放大電路 140:帶通濾波器 150:輸出訊號估測電路 151:類比至數位轉換器 152:放大電路模型估測器 153、154:低通濾波器 IS:輸入訊號 PDS:預失真訊號 APDS:類比預失真訊號 OS:輸出訊號 OS2:第二輸出訊號 OS3:第三輸出訊號 S410~S470:步驟 DOS:數位輸出訊號 SOS:模擬輸出訊號 OS4:第四輸出訊號 OS5:第五輸出訊號 EPDS:估測預失真訊號 DPDP:參數

圖1是數位預失真的流程示意圖。圖2是習知應用數位預失真的電路。圖3是依據本發明一實施例的數位預失真電路的元件方塊圖。圖4是依據本發明一實施例的數位預失真方法的流程圖。圖5是依據本發明一實施例的數位預失真電路的元件方塊圖及頻譜示意圖。

100:數位預失真電路

110:預失真器

120:數位至類比轉換器

130:放大電路

140:帶通濾波器

150:輸出訊號估測電路

IS:輸入訊號

PDS:預失真訊號

APDS:類比預失真訊號

OS:輸出訊號

OS2:第二輸出訊號

OS3:第三輸出訊號

Claims

一種數位預失真(pre-distortion)方法，包括：將一輸入訊號依序進行一預失真處理、一數位至類比轉換、以及一放大處理以產生一輸出訊號，其中該輸入訊號經該預失真處理後的一第一頻寬大於該輸入訊號經該數位至類比轉換後的一第二頻寬；對該輸出訊號過濾該第二頻寬以外的訊號以產生一第二輸出訊號；依據該輸入訊號經該預失真處理的一預失真訊號及該第二輸出訊號估測該預失真訊號經該放大處理後的一第三輸出訊號，其中該第三輸出訊號的一第三頻寬大於該第二頻寬；以及依據該第三輸出訊號及該預失真訊號決定該預失真處理的參數。
如申請專利範圍第1項所述的數位預失真方法，其中估測該第三輸出訊號的步驟包括：將該第二輸出訊號轉換成一數位輸出訊號；以及依據該預失真訊號及該數位輸出訊號估測該放大電路對應的一模擬放大電路，其中該第三輸出訊號是由該模擬放大電路對該預失真訊號放大所產生。
如申請專利範圍第2項所述的數位預失真方法，其中估測該放大電路對應的該模擬放大電路的步驟包括：對該數位輸出訊號進行一低通過濾以產生一第四輸出訊號；對該第三輸出訊號進行該低通過濾以產生一第五輸出訊號，其中該低通濾波對應的頻寬不大於該第二頻寬；以及依據該第四輸出訊號及該第五輸出訊號之間的一誤差產生該模擬放大電路。
如申請專利範圍第3項所述的數位預失真方法，其中產生該模擬放大電路的步驟包括：將該誤差最小化，以得出該誤差最小的該模擬放大電路。
如申請專利範圍第1項所述的數位預失真方法，其中該第三頻寬等於該第一頻寬。
一種數位預失真電路，包括：一預失真器，對一輸入訊號進行一預失真處理以產生一預失真訊號，其中該預失真訊號具有一第一頻寬；一數位至類比轉換器，耦接該預失真器，並將該預失真訊號轉換成一類比預失真訊號，其中該類比預失真訊號具有一第二頻寬，且該第一頻寬大於該第二頻寬；一放大電路，耦接該數位至類比轉換器，並對該類比預失真訊號放大以產生一輸出訊號；一帶通濾波器，耦接該放大電路，並對該輸出訊號過濾該第二頻寬以外的訊號以產生一第二輸出訊號；以及一輸出訊號估測電路，耦接該帶通濾波器及該預失真器，並依據該預失真訊號及該第二輸出訊號估測該預失真訊號經該放大電路處理後的一第三輸出訊號，其中該第三輸出訊號的一第三頻寬大於該第二頻寬，且該預失真器依據該第三輸出訊號及該預失真訊號決定該預失真處理的參數。
如申請專利範圍第6項所述的數位預失真電路，其中該輸出訊號估測電路包括：一類比至數位轉換器，耦接該帶通濾波器，並將該第二輸出訊號轉換成一數位輸出訊號；以及一放大電路模型估測器，耦接該類比至數位轉換器及該預失真器，並依據該預失真訊號及該數位輸出訊號估測該放大電路對應的一模擬放大電路，其中該第三輸出訊號是由該模擬放大電路對該預失真訊號放大所產生。
如申請專利範圍第7項所述的數位預失真電路，其中該輸出訊號估測電路更包括：一第一低通濾波器，耦接該類比至數位轉換器，並對該數位輸出訊號過濾以產生一第四輸出訊號；以及一第二低通濾波器，耦接該放大電路模型估測器，並對該第三輸出訊號過濾以產生一第五輸出訊號，其中該第一低通濾波器及該第二低通濾波器對應的頻寬不大於該第二頻寬，其中該放大電路模型估測器依據該第四輸出訊號及該第五輸出訊號之間的一誤差產生該模擬放大電路。
如申請專利範圍第8項所述的數位預失真電路，其中該放大電路模型估測器將該誤差最小化，以得出該誤差最小的該模擬放大電路。
如申請專利範圍第6項所述的數位預失真電路，其中該第三頻寬等於該第一頻寬。