Устройство и способ адаптивной линеаризации аналогового радиотракта с помощью двухблочного цифрового корректора Российский патент 2018 года по МПК H03F1/32 H04B7/05 

Группа изобретений относится к области систем обработки сигналов в средствах связи, в частности, к устройствам и методам повышения линейности аналогового передающего тракта и может быть использовано в системах беспроводной связи СВЧ-диапазона.

Одной из наиболее актуальных проблем развития современных систем связи является решение задачи нивелирования сигнальных искажений в аналоговой части канала передачи данных. Источниками сигнальных искажений выступают в первую очередь усилитель мощности, который проявляет нелинейные инерционные свойства, и преобразовательный тракт (фильтрация, преобразование частот), проявляющий линейные инерционные свойства.

В настоящее время достаточно широкое распространение получили цифровые способы повышения линейности аналогового радиотракта, реализованные в виде системы, состоящей из корректора и контроллера адаптивного обновления параметров предыскажений. При этом корректор осуществляет ввод нелинейно-динамических предыскажений, обратных по своим характеристикам к характеристикам радиотракта, а контроллер адаптивно регулирует меняющиеся канальные характеристики.

Известны устройство и способ линеаризации аналогового радиотракта, предложенные в патенте US 13/932,099 (номер публикации - US 20140161207 А1; номер заявки - US 13/932,099; дата публикации - 12.06.2014; заявлен - 1.07.2013; другие номера - US 9014299), где применяется адаптивный способ обновления параметров предыскажений. Непрерывность обновления коэффициентов корректора достигается благодаря введенному в устройство обратному каналу. Это позволяет отслеживать разницу между сигналами до и после прохождения радиотракта, что необходимо для работы итерационного алгоритма многопараметрической оптимизации. Недостатком данного устройства и способа является то, что за линеаризацию радиотракта, состоящего из фильтрующей цепи и усилителя мощности, отвечает одноблочный цифровой корректор, оперирующий единым набором параметров предыскажений, который обобщает физические свойства усилителя мощности (инерционность, нелинейность) и фильтрующей цепи (инерционность). Такое обобщение приводит к тому, что при построении модели цифрового корректора инерционность усилителя мощности и фильтрующей цепи суммируется, а нелинейность усилителя приписывается всему радиотракту в целом. Таким образом, качество модельного описания линеаризуемой системы снижается, что влечет за собой ухудшение качества работы цифровой коррекции.

Известны устройство и способ линеаризации аналогового радиотракта, предложенные в патенте US 10/744,087 (номер публикации - US 20040179629 А1; номер заявки - US 10/744,087; дата публикации - 16.09.2004; заявлен - 24.12.2003; другие номера - US 7333559), где применяется двухблочный вариант цифрового корректора. Разбиение корректора на части становится возможным в силу дифференцированной структуры канала передачи данных: преобразовательный тракт, проявляющий инерционные свойства, и усилитель мощности, являющийся источником нелинейных и, в меньшей степени, инерционных искажений. Недостатком данного устройства и способа является то, что адаптивная подстройка характеристики двухблочного корректора осуществляется с помощью двух независимых вычислителей, что усложняет аппаратную реализацию такого устройства и делает неустойчивым способ многопараметрической оптимизации.

Наиболее близким аналогом по технической сущности к предлагаемому устройству является устройство цифровой линеаризации канала, в котором ввод предыскажений осуществляется поэтапно с помощью двухблочной архитектуры корректора (патент US 14/537,843 (номер публикации - 14537843, 537843, US 9172334 В2; номер заявки - US 14/537,843; дата публикации - 27.10.2015; заявлен - 10.11.2014; другие номера - US 20150061774).

На фиг. 1 представлена структурная схема устройства-прототипа, где обозначено:

1 - двухблочный цифровой корректор;

2 - цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП);

3 - преобразовательный тракт с повышением частоты;

4 - усилитель мощности;

5 - преобразовательный тракт с понижением частоты;

6 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП);

7 - блок алгоритма идентификации;

9 - блок нелинейных инерционных предыскажений;

10 - блок нелинейных безынерционных предыскажений;

11 - блок выбора.

Устройство-прототип содержит последовательно соединенные двухблочный цифровой корректор 1, ЦАП 2, преобразовательный тракт с повышением частоты 3, усилитель мощности 4, выход которого через последовательно соединенные преобразовательный тракт с понижением частоты 5 и АЦП 6 соединен с первым входом блока алгоритма идентификации 7, выход которого подключен к первому входу двухблочного цифрового корректора 1, а второй вход - к первому выходу двухблочного цифрового корректора.

Двухблочный цифровой корректор 1 состоит из блока нелинейных инерционных предыскажений 9, блока нелинейных безынерционных предыскажений 10 и блока выбора 11, причем первый и второй входы блока нелинейных инерционных предыскажений 9 являются соответствующими входам двухблочного цифрового корректора 1, а первый вход также входом устройства; первый выход - первым выходом двухблочного цифрового корректора, а второй выход соединен с входом блока выбора 11 и первым входом блока нелинейных безынерционных предыскажений 10, второй вход которого соединен с выходом блока выбора 11, а выход блока нелинейных безынерционных предыскажений 10 является вторым выходом двухблочного цифрового корректора 1.

Устройство-прототип работает следующим образом.

Квадратуры сигнала подают на вход цифрового блока нелинейных инерционных предыскажений 9, где происходит процесс нелинейного преобразования сигнала (нелинейность малого порядка) с учетом совокупной динамики канала. Затем предыскаженный в блоке 9 сигнал претерпевает второй этап цифровой коррекции - ввод заранее определенных нелинейных (нелинейность высокого порядка) безынерционных предыскажений в блоке 10. При этом с выхода блока нелинейных инерционных предыскажений 9 на вход блока выбора 11 поступает информация о средней мощности сигнала, которая обуславливает выбор табличной нелинейной функции, применяемой к сигналу в блоке нелинейных безынерционных предыскажений 10. Известно, что большая часть канальных искажений вызвана нелинейностью усилителя мощности 4, поэтому разделение этапов ввода предыскажений в данном случае связано с тем, что стационарный блок ввода нелинейных безынерционных предыскажений 10 обеспечивает грубое выравнивание характеристик радиотракта, используя заранее определенные параметры предыскажений нелинейности высокого порядка, а в блоке 9 с помощью параметров нелинейно-инерционных предыскажений с малым порядком нелинейности происходит подстройка линейности канальных характеристик. Далее сигналы с введенными предыскажениями поступают в цифро-аналоговый преобразователь 2, где приобретают аналоговую форму, после чего в преобразовательный тракт с повышением частоты 3 для перехода на рабочую частоту. Затем преобразованные сигналы для увеличения мощности поступают в усилитель мощности 4.

Характеристика нелинейности канала передачи изменяется в соответствии с рабочими условиями. Требуется, чтобы параметры двухблочного цифрового корректора 1 адаптивно обновлялись. Для этого в блоке нелинейных инерционных предыскажений 9 в сигнал дополнительно вводятся предыскажения, рассчитанные в блоке алгоритма идентификации 7. Часть сигналов, поступающих на выход усилителя 4, проходит назад на вход блока алгоритма идентификации 7 параметров предыскажений через АЦП 6 и преобразовательный тракт 5. Сигнал обратной связи обрабатывают в цифровой форме с помощью алгоритма идентификации 7, в котором сигналы с выхода блока нелинейных инерционных предыскажений 9 и с выхода АЦП 6 используются в процессе многопараметрической оптимизации, благодаря чему обеспечивается обновление параметров предыскажений блока 9 и, следовательно, адаптивное поддержание линейной характеристики всего канала передачи данных.

Недостатком устройства-прототипа является то, что оно не позволяет обеспечить адаптивное обновление параметров предыскажений второго блока цифрового корректора 1, так как при внешнем температурном воздействии в диапазоне от -40 до +50 градусов, девиация значения коэффициента усиления достигает больших значений (до 10 дБ), следовательно, заранее определенные в идеальных условиях фиксированные параметры предыскажений в блоке выбора 11 при сильных изменениях условий окружающей среды лишь ухудшают характеристику канала.

Задачей изобретения является улучшение характеристики канала путем реализации устройства, содержащего систему двухблочной цифровой коррекции с одновременным адаптивным обновлением параметров предыскажений первого и второго блоков корректора и предназначенного для снижения количества параметров оптимизации.

Достигаемый технический результат заключается в уменьшении количества параметров оптимизации адаптивного алгоритма без потери в качестве работы цифровой системы линеаризации.

Для решения поставленной задачи в устройство адаптивной линеаризации аналогового радиотракта, содержащее последовательно соединенные двухблочный цифровой корректор, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП), преобразовательный тракт с повышением частоты, усилитель мощности, выход которого через последовательно соединенные преобразовательный тракт с понижением частоты и АЦП соединен с первым входом блока алгоритма идентификации, второй выход которого соединен со вторым входом двухблочного цифрового корректора, при этом двухблочный цифровой корректор содержит блок нелинейных инерционных предыскажений, первый и второй входы которого являются соответствующими входами двухблочного цифрового корректора, а первый вход также входом устройства, согласно изобретению, введен второй двухблочный цифровой корректор идентичный первому и сумматор, причем выход первого двухблочного цифрового корректора соединен с первым входом сумматора, а второй вход сумматора соединен с выходом второго двухблочного цифрового корректора, а выход - со вторым входом блока алгоритма идентификации, первый выход которого соединен с третьим входом второго двухблочного цифрового корректора, а второй выход - с третьими и вторым входами первого и второго двухблочных цифровых корректоров соответственно, а первый вход второго цифрового корректора соединен с выходом АЦП; причем в двухблочный цифровой корректор введен блок линейных инерционных предыскажений, первый вход которого соединен с выходом блока нелинейных инерционных предыскажений, а второй является третьим входом двухблочного цифрового корректора, а выход - выходом двухблочного цифрового корректора.

На фиг. 2 приведена структурная схема предлагаемого устройства, где обозначено:

1.1, 1.2 - первый и второй двухблочный цифровой корректор;

2 - ЦАП;

3 - преобразовательный тракт с повышением частоты;

4 - усилитель мощности;

5 - преобразовательный тракт с понижением частоты;

6 - аналого-цифровой преобразователь;

7 - блок алгоритма идентификации;

8 - сумматор.

На фиг. 3 приведена структурная схема двухблочного корректора, где обозначено:

9 - блок нелинейных инерционных предыскажений;

12 - блок линейных инерционных предыскажений.

Предлагаемое устройство содержит последовательно соединенные первый двухблочный корректор 1.1, ЦАП 2, преобразовательный тракт с повышением частоты 3, усилитель мощности 4, выход которого через последовательно соединенные преобразовательный тракт с понижением частоты 5 и АЦП 6 соединен с первым входом второго двухблочного цифрового корректора 1.2 и с первым входом блока алгоритма идентификации 7, второй выход которого подключен к третьему и второму входам первого и второго двухблочных корректоров 1.1 и 1.2 соответственно, а первый выход - ко второму и третьему входам первого и второго двухблочных корректоров 1.1 и 1.2 соответственно. Кроме того, предлагаемое устройство содержит сумматор 8, представленный в виде четырех последовательно соединенных микросхем типа К155 ИМ6, к первому и второму входам которого подключены выходы первого и второго двухблочных корректоров 1.1 и 1.2 соответственно, а выход сумматора 8 соединен со вторым входом блока адаптивного алгоритма 7.

Двухблочный цифровой корректор 1.1, идентичный корректору 1.2, выполнен из блока нелинейных инерционных предыскажений 9, первый и второй входы которого являются соответственно первым и вторым входом двухблочного цифрового корректора 1.1, а выход соединен с первым входом блока линейных инерционных предыскажений 12, второй вход которого является третьим входом двухблочного цифрового корректора 1.1, а выход - выходом двухблочного цифрового корректора 1.1.

Двухблочные корректоры 1.1 и 1.2 реализованы на основе ПЛИС семейства Virtex 6 фирмы Xilinx, ЦАП 2 - на микросхеме аналогичной DAC8412 фирмы Analog Devices, преобразовательный тракт с повышением частоты 3 - на микросхеме аналогичной HMC525LC4 фирмы Hittite, преобразовательный тракт с понижением частоты 5 - на микросхеме аналогичной HMC525LC4 фирмы Hittite, АЦП 6 - на AD9626 фирмы Analog Devices, блока алгоритма идентификации 7 - на основе сигнального процессора TMS320C54 фирмы Texas Instrument.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

Квадратуры сигнала x(n) подают на первый вход первого двухблочного корректора 1.1, в котором первый этап ввода предыскажений осуществляется в блоке 9, сигнал на выходе которого описывается полиномиальной моделью с памятью и имеет вид:

где b_к - параметры предыскажений, хранящиеся в памяти блока 9; P - степень нелинейности, Мет - величина задержки. Затем предыскаженный на первом этапе цифровой коррекции сигнал поступает на вход блока линейных инерционных предыскажений 12. Выходной сигнал блока 12 имеет вид:

где a_к - параметры предыскажений, хранящиеся в памяти блока 12; Q - величина задержки. Известно, что усилитель мощности 4, являясь источником нелинейных искажений, также проявляет некоторые инерционные свойства при прохождении через него широкополосных сигналов. Поэтому блок 9 отвечает за линеаризацию усилителя мощности 4 (в общем случае - с памятью Мет), а блок 12 - за выравнивание линейных искажений, вносимых преобразовательным трактом с повышение частоты 3. Таким образом, удается разделить инерционные свойства преобразовательного тракта 3 и усилителя мощности 4. Это позволяет сократить совокупное число параметров двухблочного корректора 1.1, 1.2 до величины N₂=P⋅Мет+Q. Сигналы с последовательно введенными предыскажениями затем поступают в цифро-аналоговый преобразователь 2, после чего в преобразовательный тракт с повышением частоты 3. Преобразованные сигналы усиливают с использованием усилителя мощности 4.

Нелинейно-динамическая характеристика аналогового радиотракта изменяется в соответствии с рабочими условиями и параметрами окружающей среды. Как и для устройства-прототипа, требуется, чтобы параметры цифрового корректора 1.1 и 1.2 адаптивно обновлялись. Часть сигналов, поступающих на выход усилителя 4, проходит назад на вход блока алгоритма идентификации 7 через преобразователь с понижением частоты 5 и АЦП 6. При этом другим входным параметром блока 7 является сигнал ошибки, поступающий с выхода сумматора 8. На входы сумматора 8 поступают сигнал с выхода первого двухблочного корректора 1.1 и инвертированный сигнал с выхода второго двухблочного корректора 1.2, в котором оцифрованный АЦП 6 сигнал обратного канала преобразуется аналогично тому, как был преобразован в первом корректоре 1.1. Сигнал ошибки при этом имеет вид:

где u(n) - сигнал обратного канала с выхода АЦП 6. Таким образом, реализуется схема обратного обучения. Блок 7, используя сигнал обратной связи u(n) с выхода АЦП 6 и сигнал ошибки е с выхода сумматора 8 осуществляет процесс многопараметрической оптимизации, в результате которого рассчитываются обновления параметров предыскажений двухблочных корректоров 1.1 и 1.2.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ оптимизации параметров предыскажений, основанный на итерационном обновлении коэффициентов цифрового корректора, представленного в виде полиномиальной модели с эффектом памяти, на базе метода стохастического градиента (F. Zhang, Y. Wang, В. Ai «Variable Step-size MLMS Algorithm for Digital Predistortion in Wideband OFDM Systems», IEEE Trans. On Consumer Electronics, 2015, Vol. 61. No. 1, pp. 10-15).

Метод стохастического градиента обновляет коэффициенты предыскажений первого и второго корректоров следующим образом:

,

где h_к - параметры предыскажений; p - степень нелинейности (1…P); q - глубина памяти системы (1…K); μ - шаг метода стохастического градиента; e - ошибка, определяющаяся разностью сигналов на выходах первого и второго корректоров; u(n) - сигнал на линеаризуемого устройства.

Недостатком такого способа оптимизации является то, что линеаризация канальной характеристики достигается применением единого вектора коэффициентов предыскажений h_к, который обобщает линейные инерционные свойства преобразовательного тракта и усилителя мощности, а также приписывает нелинейность усилителя всему радиотракту в целом. При этом число параметров предыскажений для одноблочного корректора определяется выражением K=P⋅(Q+Мет), где Q - глубина памяти преобразовательного тракта (инерционность); Мет - глубина памяти усилителя мощности, а P - степень его нелинейности. Эффективность такого подхода резко падает в системах с использованием широкополосных многопозиционных сигналов. Это связано с тем, что обработка широкополосных сигналов подразумевает возникновение значительной задержки в преобразовательном тракте Q. Кроме того, подобные сигналы в большей степени способствуют проявлению инерционных свойств усилителя мощности Мет. Таким образом, количество параметров предыскажений К сильно возрастает, что усложняет реализацию их адаптивного обновления.

Задачей изобретения является улучшение характеристики канала путем реализации способа адаптивной многопараметрической оптимизации, позволяющего проводить параллельный расчет параметров предыскажений первого и второго блоков двухблочного корректора.

Для решения поставленной задачи в способе адаптивной линеаризации аналогового радиотракта, основанный на использовании метода ввода цифровых предыскажений, в качестве алгоритма оптимизации которого применяется метод стохастического градиента; осуществляющийся поэтапно с помощью двухблочной структуры цифрового корректора, при котором на первом этапе происходит нелинейно-динамическое преобразование входного сигнала, согласно изобретению, на втором этапе ввода предыскажений производится линейно-динамическое преобразование сигнала, при этом метод стохастического градиента является модифицированным для проведения одновременного расчета и обновления коэффициентов первого и второго блоков двухблочного корректора.

Достигаемый технический результат заключается в уменьшении количества параметров оптимизации адаптивного алгоритма без потери в качестве работы цифровой системы линеаризации.

Как известно, в основе способа многопараметрической оптимизации лежит идея минимизации целевой функции вида (2):

где e - сигнал ошибки, описываемый выражением (3).

Обновление коэффициентов двухблочного корректора проводится с помощью минимизации целевой функции (4):

Следовательно, рассчитав значения градиентов в системе (5) с помощью выражений (1) и (2), получим закон итерационного обновления искомых параметров предыскажений {a_к, b_к}:

где μ_a, μ_b - постоянные параметры метода стохастического градиента.

Таким образом, блок алгоритма идентификации в каждый момент времени осуществляет одновременное обновление коэффициентов системы двухблочной коррекции, разделяя инерционные предыскажения, направленные на выравнивание характеристики преобразовательного тракта, и нелинейно-инерционные предыскажения, направленные на линеаризацию усилителя мощности. Как оговаривалось выше, такое разделение, во-первых, уменьшает число параметров оптимизации, а во-вторых, детализирует структуру анализируемого радиотракта. Кроме того, в зависимости от выбора начальных значений параметров предыскажений предложенный метод позволяет проводить как расчет коэффициентов двухблочного корректора «с нуля» (при a_к(0)=1, b_к(0)=1), так и адаптивную корректировку заранее рассчитанных параметров предыскажений. Стоит отметить, что использование второго корректора не сказывается на вычислительной нагрузке решающего устройства, в котором реализован адаптивный контроллер, так как число параметров, затрагиваемых в процессе многопараметрической оптимизации, не удваивается. Схема обратного обучения применяется лишь для того, чтобы проводить более точную оценку ошибки алгоритма оптимизации.

В таблице 1 приведена количественная оценка трех возможных аппаратных реализаций цифровых корректоров аналогового радиотракта, через который проходит сигнал с модуляцией QAM-16 и полосой 5 МГц. В качестве критериев оценки качества линеаризации использовались параметры EVM, характеризующий степень деформации сигнального созвездия, и ACPR, описывающий уровень внеполосного излучения в частотной области (причем под L3 и R3 понимают внеполосное излучение в соседних левом и правом каналах, а под L5 и R5 - внеполосное излучение в левом и правом дополнительных каналах). При этом оптимальное (минимизация критерия EVM) число параметров одноблочного корректора определяется как N=Р⋅(Q+Мет) при (Р=5, Q=10, Мет=2); двухблочного корректора согласно устройству-прототипу - N=P₁⋅(Q+Мет)+P₂ при (P₁=3, Q=10, Мет=2, P₂=5); двухблочного корректора согласно предлагаемому способу и устройству - N=P⋅Мет+Q при (P=5, Q=10, Мет=2).

Пример линеаризации характеристик радиотракта, реализованный согласно предлагаемому устройству, представлен на фиг. 4 (амплитудная характеристика), фиг. 5 (амплитудно-фазовая характеристика) и фиг. 6 (спектры сигнала) до (1) и после (2) цифровой коррекции.

Таким образом, предлагаемые устройство и способ позволяют меньшим числом параметров предыскажений обеспечить лучшие показатели качества линеаризации радиотракта, а также увеличить быстродействие всей системы линеаризации, что критично в случае адаптивной подстройки коэффициентов.

Изобретение относится к области систем обработки сигналов в средствах связи. Технический результат заключается в уменьшении количества параметров оптимизации адаптивного алгоритма без потери в качестве работы цифровой системы линеаризации. Устройство адаптивной линеаризации аналогового радиотракта содержит двухблочный цифровой корректор, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП), преобразовательный тракт с повышением частоты, усилитель мощности, преобразовательный тракт с понижением частоты, аналогоцифровой преобразователь (АЦП), блок алгоритма идентификации, при этом двухблочный цифровой корректор содержит блок нелинейных инерционных предыскажений. Дополнительно введен второй двухблочный цифровой корректор, идентичный первому, и сумматор, причем в двухблочные цифровые корректоры введен блок линейных инерционных предыскажений. 2 н.п. ф-лы, 6 ил., 1 табл.

1. Устройство адаптивной линеаризации аналогового радиотракта, содержащее последовательно соединенные двухблочный цифровой корректор, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП), преобразовательный тракт с повышением частоты, усилитель мощности, выход которого через последовательно соединенные преобразовательный тракт с понижением частоты и АЦП соединен с первым входом блока алгоритма идентификации, второй выход которого соединен со вторым входом двухблочного цифрового корректора, при этом двухблочный цифровой корректор содержит блок нелинейных инерционных предыскажений, первый и второй входы которого являются соответствующими входами двухблочного цифрового корректора, а первый вход первого двухблочного цифрового корректора является входом устройства, отличающееся тем, что введен второй двухблочный цифровой корректор, идентичный первому, и сумматор, причем выход первого двухблочного цифрового корректора соединен с первым входом сумматора, а второй вход сумматора соединен с выходом второго двухблочного цифрового корректора, а выход - со вторым входом блока алгоритма идентификации, первый выход которого соединен с третьим входом второго двухблочного цифрового корректора, а второй выход - с третьими и вторым входами первого и второго двухблочных цифровых корректоров соответственно, а первый вход второго цифрового корректора соединен с выходом АЦП; причем в каждый двухблочный цифровой корректор введен блок линейных инерционных предыскажений, первый вход которого соединен с выходом блока нелинейных инерционных предыскажений, а второй является третьим входом двухблочного цифрового корректора, а выход - выходом двухблочного цифрового корректора.

2. Способ адаптивной линеаризации аналогового радиотракта, основанный на использовании метода ввода цифровых предыскажений, в качестве алгоритма оптимизации которого применяется метод стохастического градиента, осуществляющийся поэтапно с помощью двухблочной структуры цифрового корректора, при котором на первом этапе происходит нелинейно-динамическое преобразование входного сигнала, отличающийся тем, что на втором этапе ввода предыскажений производится линейно-динамическое преобразование сигнала, при этом метод стохастического градиента является модифицированным для проведения одновременного расчета и обновления коэффициентов первого b'_к и второго а'_к блоков двухблочного корректора.