CN101695061B - 宽带多载波通信系统中的线性化装置及线性化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种宽带多载波通信系统中有记忆非线性放大器的线性化装置及方法。该装置包括信号修整器、自适应滤波器、放大器、衰减器、抽头系数更新器和查询表更新器；其中信号修整器和自适应滤波器分别对传输信号进行修整、滤波，并输出给放大器放大；之后信号分为两路，一路送入信道传输，另一路送入衰减器衰减至放大前电平，输出给抽头系数更新器和查询表更新器，分别对滤波器抽头系数和幅度查询表及相位查询表进行更新；重复上述步骤，不断更新幅度查询表、相位查询表和滤波器抽头系数，并对生成的传输信号再进行修整、滤波；如此反复，实现宽带多载波通信系统中放大器线性化功能。本发明具有收敛速度快、收敛精度高，线性化程度高的优点。

Description

宽带多载波通信系统中的线性化装置及线性化方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，涉及宽带多载波通信系统中的放大器线性化装置和方法，可用于宽带多载波通信系统中对放大器有记忆非线性失真的消除。

背景技术

功率放大器是现代通信系统的主要部件之一，常用的放大器包括固态功率放大器和行波管放大器。固态功率放大器是一种失真较小的放大器，但是其效率较低；而行波管放大器是一种效率高的放大器，非线性失真却相当的显著。通常，对于通信系统更注重放大器的效率，因此非线性失真显著的放大器经常被使用，而针对放大器非线性失真的处理问题就搁上了研究的台面。

通常，放大器会存在一个线性区间。当信号处于线性放大区间时，放大器输出是线性放大的输入信号。但是，一旦信号超过放大器的线性区间，放大器会对信号造成非线性失真。对于宽带多载波通信系统来说，由于信号为多个子载波的叠加，因此传输信号经常会出现超过放大器线性放大区的情况，放大器会造成严重的非线性失真，降低接收端的误码率性能。此外，在宽带系统中，随着传输信号带宽的增大，放大器的失真还显示出了记忆性失真的特性，输出的信号不仅仅与当前输入信号相关，还与之前的输入信号相关。放大器的有记忆非线性失真会极大的降低系统性能，在最极端的情况下可能完全无法传输正确数据。

目前，已有针对放大器有记忆非线性失真的线性化方法，主要包括二维查询表数字查表法、带前馈的线性化方法和数字预失真技术。其中Pascale J，GeneviéveB.Filter lookup table method for power amplifier linearization.IEEE Transactions onvehicular technology.2007，56(3)：1076-1087，简称FLUT，提出的滤波查表法是其中性能较为突出的一种。图1是该方法的一个结构框图，该方法在串并变换模块和放大器模块之间串联预失真器和自适应滤波器，使用直接反馈信号来进行预失真器查询表更新；同时使用非直接反馈信号来进行滤波器抽头系数的更新。这种方法由于使用了与查询表数目相同组数的抽头系数，需要更新的抽头组数大大增加；同时使用了非直接学习结构进行滤波器抽头系数的更新，造成收敛速度慢，收敛精度不高的缺点。

发明内容

本发明的目的在于克服上述已有技术的缺点，提供一种宽带多载波通信系统中的线性化装置和线性化方法，以提高收敛速度和收敛精度，从而提高整个系统的性能。

为实现上述目的，本发明的线性化装置包括：

信号修整器、自适应滤波器、放大器、衰减器、抽头系数更新器和查询表更新器，其中衰减器和信号修整器之间连接抽头系数更新器，该抽头系数更新器使用衰减器输出的反馈信号和信号修整器的输出信号，为自适应滤波器提供一组更新后的抽头系数；

所述的抽头系数更新器包括：

减法器，将衰减器输出的反馈信号和信号修整器输出的修整信号相减后，传输给乘法器；

三个乘法器，其中第一乘法器将减法器输出信号和第一加法器输出信号相乘后，输出给第二乘法器；第二乘法器将第一乘法器的输出信号和迭代步长相乘后，输出给第二加法器；第三乘法器将第i个延时器的输出信号和记忆效应估计因子相乘，输出给第一加法器；

两个加法器，其中第一加法器将第i-1个延时器的输出信号和第三乘法器的输出信号相加后，传输给第一乘法器；第二加法器将第二乘法器的输出信号和第i个抽头已有的旧抽头系数相加后，生成第i个抽头更新的抽头系数，传输给自适应滤波器；

i个延时器，将修整信号依次经过i个延时器后，得到第i-1个延时器和第i个延时器的输出信号；其中第i-1个延时器的输出信号输送给第一加法器；第i个延时器的输出信号传输给第三乘法器。

为实现上述目的，本发明的线性化方法包括如下步骤：

(1)对信号修整器的幅度查询表、相位查询表和自适应滤波器的抽头系数进行初始化；

(2)利用信号修整器幅度查询表值、相位查询表和滤波器抽头系数，分别对传输信号进行信号修整和滤波处理，得到处理后的信号；

(3)修整后的信号经过放大后分为两路，一路送入信道发射，另一路衰减至放大前的电平后反馈，使用输入信号和反馈信号分别对滤波器抽头系数和信号修整器幅度查询表及相位查询表进行更新，得到滤波器抽头系数更新值和信号修整器幅度查询表及相位查询表的更新值；

(4)再次生成传输信号，使用更新后的信号修整器幅度查询表、相位查询表和滤波器抽头系数，分别对信号进行信号修整和滤波处理，使修整后的信号呈现放大器记忆非线性失真的逆特性，进一步抵消放大器的记忆非线性失真；

(5)重复步骤(4)，不断更新信号修整器查询表和滤波器抽头系数，并对生成的传输信号再进行信号修整和滤波处理，直到衰减后的反馈信号星座点与发送信号星座点之间均方误差小于10^-3，实现线性化功能。

本发明由于采用了带记忆效应估计因子的滤波器抽头系数更新器，用以消除放大器的有记忆非线性失真，因而当信道是一个有噪声信道时，在信道条件相同的情况下，其接收端的误码率性能更好；同时由于使用了该滤波器抽头系数更新器，简化了反馈支路的结构复杂度，使反馈信号与发送信号之间的均方误差能够以更快的速度达到更小的误差。

附图说明

图1是现有消除放大器有记忆非线性失真装置的结构示意图；

图2是本发明装置的结构示意图；

图3是本发明装置中抽头系数更新器的结构示意图

图4是本发明方法的流程图；

图5是本发明方法与现有FLUT方法在接收端的星座图对比图；

图6是本发明方法与现有FLUT方法的发送端信号频谱比较图；

图7是本发明方法与现有FLUT方法学习曲线比较图；

图8是本发明方法与现有FLUT方法的误码率曲线比较图。

具体实施方式

参照图2，本发明装置包括信号修整器101，自适应滤波器102，放大器103，衰减器104，抽头系数更新器105，查询表更新器106，其中，自适应滤波器102串联在信号修整器101后，分别对信号进行信号修整和滤波处理；放大器103串联在自适应滤波器102后，对信号进行放大，之后分为两路，一路送入信道传输，另一路送入反馈支路；衰减器104串联在放大器103之后，将反馈信号衰减至放大前的电平水平，并输出给抽头系数更新器105和查询表更新器106；抽头系数更新器105连接在衰减器104和信号修整器101之间，为自适应滤波器102输出滤波器抽头系数的更新值；查询表更新器106连接在衰减器104后，为信号修整器101输出幅度查询表和相位查询表的更新值；

信号修整器101接收生成的宽带多载波信号，以信号幅度大小为索引在幅度查询表和相位查询表中查找对应位置的幅度修整值和相位修整值，对信号进行修整处理；在衰减器104后串联查询表更新器106，衰减器104输出的反馈信号和原始宽带多载波信号输入查询表更新器106，为信号修整器101的提供幅度查询表和相位查询表的更新值；

自适应滤波器102连接在信号修整器101和放大器103之间，该自适应滤波器102将信号修整器101的输出信号进行滤波处理，并将滤波后的信号输出到放大器103；在衰减器104和信号修整器101之间连接抽头系数更新器105，衰减器104的反馈信号和信号修整器101的输出信号送入抽头系数更新器105，为自适应滤波器102输出抽头系数的更新值；

参照图3，本发明装置中的抽头系数更新器105包括：

减法器201，将衰减器104输出的反馈信号和信号修整器101输出的修整信号相减后，传输给乘法器202a；

三个乘法器，其中第一乘法器202a将减法器201输出信号和加法器203a输出信号相乘后，输出给乘法器202b；第二乘法器202b将乘法器202a的输出信号和迭代步长相乘后，输出给加法器203b；第三乘法器202c将第i个延时器204_i的输出信号和记忆效应估计因子相乘，输出给加法器203a；

两个加法器，其中第一加法器203a将第i-1个延时器204_i-1的输出信号和乘法器202c的输出信号相加后，传输给乘法器202a；第二加法器203b将乘法器202b的输出信号和第i个抽头已有的抽头系数相加后，生成第i个抽头更新的抽头系数，传输给自适应滤波器102；

i个延时器，将修正信号依次经过i个延时器后，得到第i-1个延时器204_i-1和第i个延时器204_i的输出信号；其中第i-1个延时器204_i-1的输出信号输送给加法器203a；第i个延时器204_i的输出信号传输给乘法器202c；

经过滤波处理的信号送入放大器103进行放大处理，将放大后的信号分为两路，一路送入信道直接传输，一路送入衰减器104；衰减器104将放大后的信号电平降低至放大前的水平，并将反馈信号同时传输给抽头系数更新器105和查询表更新器106；

当再次生成传输信号后，该信号经过信号修整和滤波处理，能呈现放大器有记忆非线性失真的逆特性，消除放大器对信号造成的失真影响；随着传输信号不断生成，幅度查询表、相位查询表和抽头系数值最终趋于稳定，此时经过信号修整和滤波处理后的信号呈现出放大器记忆非线性失真的逆特性，消除放大器的失真。

参考图4，本发明的线性化方法包含以下步骤：

步骤1，对生成的宽带多载波信号进行信号修整处理，并对幅度查询表及相位查询表进行更新；

1.1将幅度查询表初始化为全1，相位查询表初始化为全0；

1.2对输入信号，依据信号幅度确定对应的地址位置add：

$\mathrm{add}=\mathrm{ceil}\left(\frac{\left|S\right|\·{\mathrm{tab}}_{\mathrm{num}}}{{\max }_s}\right)$

其中，|S|表示输入信号S的幅度值，tab_num表示所使用查询表的大小，max_s表示所允许输入的信号幅度的最大值，该值通常是由放大器的饱和点决定的，如果某一个输入信号幅度超过max_s，那将其幅度减小为max_s参与计算；ceil( )表示向无穷大方向取整的一个函数，它保证输出的地址是一个整数；

1.3确定查询地址add后，在查询表中查找对应位置的幅度修整值和相位修整值，并对输入信号采用如下公式进行修整：

$\left\{\begin{array}{c}{\left|S\right|}_{\mathrm{add}}^{\′}={\left|S\right|}_{\mathrm{add}}\·{\left|R\right|}_{\mathrm{add}}\\ \arg {\left(S\right)}_{\mathrm{add}}^{\′}=\arg {\left(S\right)}_{\mathrm{add}}+\arg {\left(R\right)}_{\mathrm{add}}\end{array}\right.$

S′_add＝|S|′_add·exp[arg(S_t)′_add]

其中，|S|_add表示对应add地址的输入信号幅度，|R|_add表示在查询表中查询到的地址为add的幅度修整值，|S|′_add表示修整后的信号幅度值；arg(S)_add表示对应add地址的输入信号相位，arg(R)_add表示在查询表中查询到的地址为add的相位修整值，arg(S)′_add表示修整后的信号相位值，S′_add是经过修整后的输出信号；

1.4查询表更新器使用输入信号S和反馈信号F，采用如下的公式分别对幅度查询表和相位查询表进行更新：

$\left\{\begin{array}{c}{\left|R\right|}_{\mathrm{add}}^{\mathrm{new}}={\left|R\right|}_{\mathrm{add}}^{\mathrm{old}}+\mathrm{\μ}({\left|F\right|}_{\mathrm{add}}-{\left|S\right|}_{\mathrm{add}})\\ \arg {\left(R\right)}_{\mathrm{add}}^{\mathrm{new}}=\arg {\left(R\right)}_{\mathrm{add}}^{\mathrm{old}}+\mathrm{\μ}(\arg {\left(F\right)}_{\mathrm{add}}-\arg {\left(S\right)}_{\mathrm{add}})\end{array}\right.,$

其中μ是更新步长，|S|_add表示对应add位置的输入信号S的幅度，arg(S)_add表示对应add位置输入信号S的相位；|F|_add表示对应add位置反馈信号F的幅度，arg(F)_add表示对应add位置反馈信号F的相位；|R|_add和arg(R)_add分别表示对应add位置的幅度值和相位值，上标old和new分别表示更新前的值和更新后的值。

步骤2对经过修整后的信号进行滤波处理，并对抽头系数进行更新。

2.1将滤波器的抽头系数初始化，第一个抽头系数w₁初始化为1，其余抽头系数初始化为0；

2.2自适应滤波器接收信号修整器的输出信号，并对该信号采用如下公式滤波处理：

${\mathrm{Sw}}_n^{\′}=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{Sw}}_{n-i+1}{w}_i$

其中Sw′_n是滤波器第n个时刻的输出信号，Sw_n-i+1表示滤波器第n-i+1时刻的输入信号，w_i表示滤波器第i个抽头的抽头系数，N表示滤波器抽头的总书目；

2.3抽头系数更新器使用衰减后的反馈信号F和输入信号Sw，采用如下更新公式对滤波器的抽头系数进行更新：

$w_i^{k+1}=w_i^k+\mathrm{\δ}({\mathrm{Sw}}_n-F_n){({\mathrm{Sw}}_{n-i+1}+\mathrm{\λ}\·{\mathrm{Sw}}_{n-i})}^{*}$

其中Sw_n表示第n个时刻抽头系数更新器的输入信号，Fw_n表示对应输入信号Sw_n的反馈信号，w_i表示滤波器第i个抽头的抽头系数，上标k和k+1分别表示第k次和第k+1次更新后的值，当k＝0时，w_i ^k表示第i个抽头系数的初始值，δ是更新步长，λ是记忆效应估计因子，*代表取共轭运算。

步骤3，再次生成传输信号，使用更新后的幅度查询表、相位查询表和滤波器抽头系数，分别对信号进行信号修整和滤波处理，使修整后的信号更好的呈现放大器记忆非线性失真的逆特性，进一步消除放大器失真带来的影响；

步骤4，重复步骤3，随着传输信号的不断生成，不断更新幅度查询表、相位查询表和滤波器抽头系数，并对生成的传输信号再进行信号修整和滤波处理，直到衰减后的反馈信号星座点与发送信号星座点之间均方误差小于10^-3，幅度查询表、相位查询表和滤波器抽头系数最终趋于稳定，生成的传输信号再进行信号修整和滤波处理，利用处理后的信号所呈现的放大器记忆非线性失真逆特性，抵消放大器的记忆非线性失真，实现宽带多载波通信系统中有记忆非线性放大器的线性化功能。

本发明的效果可通过以下仿真实验条件进一步说明：

1.仿真实验条件

利用Matlab仿真比较在宽带多载波通信系统中FLUT方法与本发明方法的线性化效果。仿真使用IEEE 802.11a OFDM模型作为仿真通信系统，采用64个子载波传输数据，星座点映射采用功率归一化的16QAM方形映射，放大器输出功率回退为8dB，发明方法中记忆效应估计因子取为0.3；放大器模型使用Wiener模型，Wiener模型是一个线性子系统串联一个无记忆非线性子系统构成的有记忆放大器模型，在Wiener模型中选取Saleh模型作为无记忆非线性子系统，其参数选择为

其中A表示输入信号的幅度大小，

表示输入信号的相位；f(A)表示放大器输出的信号幅度，g(A)表示放大器输出的信号相位；线性子系统采用一个3阶的FIR滤波器，其系数为[0.7692，0.1538，0.0769]。

2.仿真结果

在理想信道条件下，对接收端星座图进行仿真的结果，如图5所示，其中图5a是文献方法在理想信道条件下接收端的星座图，图5b是本发明方法在理想信道条件下接收端的星座图。从图5a与图5b的对比可以看出，现有的FLUT方法在消除了放大器记忆非线性失真后，接收端信号星座点仍有一定的扩散和扭曲；而本发明方法在消除放大器记忆非线性失真后，接收端信号星座点收敛在理想位置上；

在理想信道条件下，对发送端信号频谱进行仿真的结果如图6所示。从图6可以看出，本发明方法比已有的FLUT方法带外衰减高2dB左右，对邻接信道的影响更小；

为比较收敛速度和收敛精度，对本发明方法和已有的FLUT方法的学习曲线进行仿真，该学习曲线是指衰减后的反馈信号与传输信号星座点间均方误差随着迭代次数增多而变化的曲线，如图7所示。从图7可以看出，本发明方法学习曲线稳定后的误差更小，提高了收敛精度，并且比已有的FLUT方法更快地达到稳定，提高了收敛速度。

在高斯白噪声信道条件下，对误码率性能进行仿真的结果如图8所示，图8中四条曲线由上到下分别是：不使用放大器线性化处理的完全失真系统的信噪比-误码率曲线，使用FLUT方法的信噪比-误码率曲线，本发明方法的信噪比-误码率曲线和放大器是完全线性放大器时理想系统的信噪比-误码率曲线。从图8可以看出，本发明方法的误码率性能高于已有FLUT方法的误码率性能，在误码率为10^-5时，信噪比提高1.5dB左右，并且十分接近理想系统的误码率性能。

Claims (3)

1.一种宽带多载波通信系统中的线性化装置，包括信号修整器(101)、自适应滤波器(102)、放大器(103)、衰减器(104)、抽头系数更新器(105)和查询表更新器(106)，其中，自适应滤波器(102)串联在信号修整器(101)后，分别对信号进行信号修整和滤波处理；放大器(103)串联在自适应滤波器(102)后，对信号进行放大，之后分为两路，一路送入信道传输，另一路送入反馈支路；衰减器(104)串联在放大器(103)之后，将反馈信号衰减至放大前的电平水平，并输出给抽头系数更新器(105)和查询表更新器(106)；抽头系数更新器(105)连接在衰减器(104)和信号修整器(101)之间，为自适应滤波器(102)输出滤波器抽头系数的更新值；查询表更新器(106)连接在衰减器(104)后，为信号修整器(101)输出幅度查询表和相位查询表的更新值；其特征在于：

衰减器(104)和信号修整器(101)之间连接抽头系数更新器(105)，该抽头系数更新器使用衰减器(104)输出的反馈信号和信号修整器(101)的输出信号，为自适应滤波器(102)提供一组更新后的抽头系数。

2.根据权利要求1所述的线性化装置，其特征在于：抽头系数更新器(105)包括：

减法器(201)，将衰减器(104)输出的反馈信号和信号修整器(101)输出的修整信号相减后，传输给乘法器(202a)；

三个乘法器(202a，202b，202c)，其中第一乘法器(202a)将减法器(201)输出信号和加法器(203a)输出信号相乘后，输出给乘法器(202b)；第二乘法器(202b)将乘法器(202a)的输出信号和迭代步长相乘后，输出给加法器(203b)；第三乘法器(202c)将第i个延时器(204_i)的输出信号和记忆效应估计因子相乘，输出给加法器(203a)；

两个加法器(203a，203b)，其中第一加法器(203a)将第i-1个延时器(204_i-1)的输出信号和乘法器(202c)的输出信号相加后，传输给乘法器(202a)；第二加法器(203b)将乘法器(202b)的输出信号和第i个抽头已有的抽头系数相加后，生成第i个抽头更新的抽头系数，传输给自适应滤波器(102)；

i个延时器(204₁，...，204_i)，将修正信号依次经过i个延时器后，得到第i-1个延时器(204_i-1)和第i个延时器(204_i)的输出信号；其中第i-1个延时器(204_i-1)的输出信号输送给加法器(203a)；第i个延时器(204_i)的输出信号传输给乘法器(202c)。

3.一种宽带多载波通信系统中的线性化方法：包括如下步骤：

3a.对信号修整器的幅度查询表、相位查询表和自适应滤波器的抽头系数进行初始化；

3b.利用信号修整器幅度查询表值、相位查询表和滤波器抽头系数，分别对传输信号进行信号修整和滤波处理，得到处理后的信号；其中所述的对信号进行滤波处理，采用如下公式进行：

${\mathrm{Sw}}_n^{\′}=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{Sw}}_{n-i+1}{w}_i$

其中Sw′_n是滤波器第n时刻的输出信号，Sw_n-i+1表示滤波器第n-i+1时刻的输入信号，w_i表示第i个抽头的抽头系数，N表示滤波器的抽头总数目；

3c.修整后的信号经过放大后分为两路，一路送入信道发射，另一路衰减至放大前的电平后反馈，使用输入信号和反馈信号分别对滤波器抽头系数和信号修整器幅度查询表及相位查询表进行更新，得到滤波器抽头系数更新值和信号修整器幅度查询表及相位查询表的更新值；

3d.再次生成传输信号，使用更新后的信号修整器幅度查询表、相位查询表和滤波器抽头系数，分别对信号进行信号修整和滤波处理，使修整后的信号呈现放大器记忆非线性失真的逆特性，进一步抵消放大器的记忆非线性失真；其中所述的对滤波器抽头系数更新，采用如下公式进行：

$w_i^{k+1}=w_i^k+\mathrm{\δ}({\mathrm{Sw}}_n-{\mathrm{Fw}}_n){({\mathrm{Sw}}_{n-i+1}+\mathrm{\λ}\·{\mathrm{Sw}}_{n-i})}^{*}$

其中Sw_n表示第n个时刻抽头系数更新器的输入信号，Fw_n表示对应输入信号Sw_n的反馈信号，w_i表示滤波器第i个抽头的抽头系数，上标k和k+1分别表示第k次和第k+1次更新后的值，当k＝0时，

表示第i个抽头系数的初始值，δ是更新步长，λ是记忆效应估计因子，*代表取共轭运算；

3e.重复步骤3d，不断更新信号修整器查询表和滤波器抽头系数，并对生成的传输信号再进行信号修整和滤波处理，直到衰减后的反馈信号星座点与发送信号星座点之间均方误差小于10^-3，实现线性化功能。

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