CN103647595B - 卫星移动通信系统的信号发射装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种卫星移动通信系统的信号发射装置和方法。其中，该方法包括：对输入信号添加输入信号的高次项分量和延迟分量，其中，该高次项分量的高次参数和延迟分量的延迟参数是根据卫星移动通信系统的功率放大特性配置的；利用当前的预补偿系数对添加高次项分量和延迟分量后的输入信号进行线性滤波，得到预补偿信号；其中，该当前的预补偿系数是卫星移动通信系统根据上一次发射信号的预补偿效果训练生成的，其初始值是预先设定的；对上述预补偿信号进行功率放大变换得到发射信号，输出该发射信号。本发明能够有效降低高发射功率下的信号非线性失真程度，使输出的发射信号更符合传输要求和实际应用，提升了系统的性能。

Description

卫星移动通信系统的信号发射装置和方法

技术领域

本发明涉及通信领域，具体而言，涉及卫星移动通信系统的信号发射装置和方法。

背景技术

卫星移动通信系统具有覆盖区域广、传输容量大等特点，其无需考虑地面基站的建设，可以直接通过卫星覆盖到地面移动通信系统的覆盖盲区，如海洋、沙漠、山区、极地等无人区。因此，卫星移动通信系统成为各国通信领域的重点发展方向。同样，卫星移动通信系统在我国国家基础设施建设和国家信息安全战略中具有重要地位。

在卫星移动通信系统中，为了提高发射机的功率效率以对抗传输路径损耗，要求功率放大器应尽量工作在饱和点附近，这样就不可避免的引入了非线性失真。非线性失真对系统最直接的影响就是导致发射信号幅度和相位的畸变。

由此可见，相关技术中的卫星移动通信系统无法在较高发射效率的基础上，控制发射信号的非线性失真度在较小的范围内。

发明内容

本发明的目的在于提供一种卫星移动通信系统的信号发射装置和方法，以解决上述的问题。

在本发明的实施例中提供了一种卫星移动通信系统的信号发射装置，包括：信号预处理模块，用于对输入信号添加输入信号的高次项分量和延迟分量，其中，高次项分量的高次参数和延迟分量的延迟参数是根据卫星移动通信系统的功率放大特性配置的；信号预补偿模块，用于利用当前的预补偿系数对信号预处理模块添加高次项分量和延迟分量后的输入信号进行线性滤波，得到预补偿信号；其中，当前的预补偿系数是卫星移动通信系统根据上一次发射信号的预补偿效果训练生成的，其初始值是预先设定的；功率放大器，用于对信号预补偿模块得到的预补偿信号进行功率放大变换得到发射信号，并输出发射信号。

在本发明的实施例中还提供了一种卫星移动通信系统的信号发射方法，包括：对输入信号添加输入信号的高次项分量和延迟分量，其中，该高次项分量的高次参数和延迟分量的延迟参数是根据卫星移动通信系统的功率放大特性配置的；利用当前的预补偿系数对添加高次项分量和延迟分量后的输入信号进行线性滤波，得到预补偿信号；其中，该当前的预补偿系数是卫星移动通信系统根据上一次发射信号的预补偿效果训练生成的，其初始值是预先设定的；对上述预补偿信号进行功率放大变换得到发射信号，输出发射信号。

本发明实施例通过预先对输入信号进行分量添加和线性滤波，能够有效降低高发射功率下的信号非线性失真程度，使输出的发射信号更符合传输要求和实际应用，提升了系统的性能。

附图说明

图1示出了本发明实施例提供的卫星移动通信系统的信号发射装置的结构框图；

图2示出了本发明实施例提供的卫星移动通信系统的信号发射装置的具体结构框图；

图3示出了本发明实施例提供的卫星移动通信系统的信号发射方法的流程图。

具体实施方式

下面通过具体的实施例子并结合附图对本发明做进一步的详细描述。

为了使卫星移动通信系统中的非线性变换部件（例如：放大器）工作在效率较高的饱和点附近，又可以使发射信号的非线性失真维持在较小的区间。本发明实施例采用在发射信号前，对信号进行非线性预补偿的方式，基于此，本发明实施例提供了一种卫星移动通信系统的信号发射装置和方法。下面通过实施例进行描述。

参见图1所示的卫星移动通信系统的信号发射装置的结构框图，该装置包括：

信号预处理模块12，用于对输入信号添加输入信号的高次项分量和延迟分量，其中，该高次项分量的高次参数和延迟分量的延迟参数是根据卫星移动通信系统的功率放大特性配置的；

信号预补偿模块14，用于利用当前的预补偿系数对信号预处理模块12添加高次项分量和延迟分量后的输入信号进行线性滤波，得到预补偿信号；其中，上述当前的预补偿系数是卫星移动通信系统根据上一次发射信号的预补偿效果训练生成的，其初始值是预先设定的；

功率放大器16，用于对信号预补偿模块14得到的预补偿信号进行功率放大变换得到发射信号，并输出该发射信号。

上述信号预处理模块12、信号预补偿模块14和功率放大器16依次连接，该连接可以是有线连接，也可以是无线连接。

本实施例考虑卫星移动通信中的功率放大器16表现为记忆非线性特性，因此对输入信号进行了变换，添加信号的高次项分量和延迟分量。

本实施例通过预先对输入信号进行分量添加和线性滤波，能够有效降低高发射功率下的信号非线性失真程度，使输出的发射信号更符合传输要求和实际应用，提升了系统的性能。

本实施例的功率放大器16可以工作在饱和点附近，以提升发射效率。

上述信号预补偿模块14用于采用下述公式得到n时刻的预补偿信号其中，w（n-1）为n-1时刻的预补偿系数，w(0)=[1,0,…,0]^T，n为大于或等于1的整数；(·)^H为矩阵的共轭转置运算，为信号预处理模块12添加高次项分量和延迟分量后的输入信号。

上述信号预补偿模块14中使用的预补偿系数可以根据上一次发射信号的预补偿效果进行调整，生成新的预补偿系数，进而保证后面的发射信号的非线性失真度更小，基于此，本实施例对上述装置进行了优化，参见图2所示的卫星移动通信系统的信号发射装置的具体结构框图，该装置在图1的基础上，还包括：

发射信号变换模块24，用于提取功率放大器16得到的发射信号，对提取的发射信号添加该发射信号的高次项分量和延迟分量，以及使用当前的预补偿系数对添加分量后的发射信号进行线性滤波，得到滤波后的发射信号；将滤波后的发射信号输出至预补偿系数训练模块26；其中，该发射信号的高次参数和延迟参数与上述输入信号的高次参数和延迟参数相同；且上述当前的预补偿系数是预补偿系数训练模块26上一次训练得到的，其初始值是预先设定的；

预补偿系数训练模块26，用于提取信号预补偿模块14得到的预补偿信号，对该预补偿信号和发射信号变换模块24滤波后的发射信号进行做差，得到预补偿误差；根据预补偿误差更新当前的预补偿系数；将更新后的预补偿系数分别发送给信号预补偿模块14和发射信号变换模块24，用于信号预补偿模块14和发射信号变换模块24的下一次使用。

本实施例的预补偿系数的更新方式能够保证对输入信号的预补偿效果更准确。

其中，预补偿系数训练模块26用于采用下述公式计算n时刻的预补偿误差计算n时刻的预补偿系数w(n)=w(n-1)+K(n)e^*(n)；

其中，w（n-1）为n-1时刻的预补偿系数，w(0)=[1,0,…,0]^T，n为大于或等于1的整数；(·)^H为矩阵的共轭转置运算，为发射信号变换模块添加高次项分量和延迟分量后的发射信号；z（n）为n时刻的预补偿信号，为n时刻线性滤波后的发射信号；

$K\left(n\right)=\frac{P(n-1)\stackrel{-}{y}\left(n\right)}{\mathrm{\λ}+{\stackrel{-}{y}}^H\left(n\right)P(n-1)\stackrel{-}{y}\left(n\right)}$

$P\left(n\right)=\frac{P(n-1)-K\left(n\right){\stackrel{-}{y}}^H\left(n\right)P(n-1)}{\mathrm{\λ}}$

其中，(·)^*表示复数的共轭运算，P=δΙ，δ为预设的常数，λ为预设的遗忘因子，I为预设的单位矩阵。

上述系统还包括：预补偿系数存储模块，用于存储上述预补偿系数训练模块26更新的预补偿系数。例如，将预补偿系数的初始值存储在该系统的指定存储区，后续每次预补偿系数训练模块26对当前的预补偿系数进行更新后，将此次更新的预补偿系数再存储在该指定存储区，此时，该指定存储区内存储的为最新的预补偿系数。当信号预补偿模块14和发射信号变换模块24需要调用当前的预补偿系数时，可以直接从该指定存储区内获取。

本实施例的发射信号变换模块24利用前一次的预补偿系数，对经过信号变换之后的发射信号进行线性滤波；然后由预补偿系数训练模块26计算预补偿误差，对预补偿系数进行自适应调整。利用训练算法的收敛性，随着信号的逐个输入，使得预补偿误差逐渐趋近于零，预补偿系数逐渐收敛。

在当前的各种卫星移动通信系统当中，常用的数字调制有QPSK、8PSK、16APSK等。在本实施例中，基于图2所示的装置，以4/π-QPSK数字调制为例进行说明。

一、输入信号变换

本实施例的卫星移动通信系统中功率放大器的非线性特性可以利用Volterra（沃特）级数来进行数学建模，且一个至多包含五次奇数项的Volterra级数已经足够用于表示信号的非线性失真。因此，对输入信号进行变换，可以添加Volterra级数三次项和五次项，该三次项和五次项相当于上述高次参数。

在n时刻，取延迟长度为Q的输入信号序列x(n)=[x(n),x(n-1),…,x(n-Q+1)]^T，经过Volterra级数项添加之后变换为：

$\begin{array}{c}\stackrel{-}{x}\left(n\right)=[x\left(n\right),x\left(n\right){\left|x\left(n\right)\right|}^2,x\left(n\right){\left|x\left(n\right)\right|}^4,x(n-1),x(n-1){\left|x(n-1)\right|}^2,x(n-1){\left|x(n-1)\right|}^4,\\ \·\·\·,{x(n-Q+1),x(n-Q+1){\left|x(n-Q+1)\right|}^2,x(n-Q+1){\left|x(n-Q+1)\right|}^4]}^T\end{array}$

其中(·)^T运算表示矩阵转置，延迟长度Q取10（相当于上述延迟参数取10）。

二、预补偿

利用预补偿系数训练模块26提供的预补偿系数，对经过信号变换之后的输入信号序列进行线性滤波，以完成对输入信号的非线性预补偿。

设n-1时刻的预补偿系数为：

w(n-1)=[w_0,1,w_0,3,w_0,5,w_1,1,w_1,3,w_1,5,…,w_Q-1,1,w_Q-1,3,w_Q-1,5]^T；

则经过非线性预补偿后的n时刻信号z(n)为：

其中，(·)^H运算表示矩阵的共轭转置，初始预补偿系数为w(0)=[1,0,…,0]^T。

三、输出信号变换

非线性预补偿之后的n时刻信号z(n)通过非线性部件，得到非线性部件的n时刻输出信号y(n)。

对功率放大器16输出的发射信号进行变换，添加Volterra级数三次项和五次项。

在n时刻，同样取延迟长度为Q的非线性部件输出信号序列为y(n)=[y(n),y(n-1),…,y(n-Q+1)]^T，经过Volterra级数项添加之后变换为：

$\begin{array}{c}\stackrel{-}{x}\left(n\right)=[x\left(n\right),x\left(n\right){\left|x\left(n\right)\right|}^2,x\left(n\right){\left|x\left(n\right)\right|}^4,x(n-1),x(n-1){\left|x(n-1)\right|}^2,x(n-1){\left|x(n-1)\right|}^4,\\ \·\·\·,{x(n-Q+1),x(n-Q+1){\left|x(n-Q+1)\right|}^2,x(n-Q+1){\left|x(n-Q+1)\right|}^4]}^T\end{array}$

其中(·)^T运算表示矩阵转置，延迟长度Q取10。

四、预补偿系数训练

利用n-1时刻的预补偿系数，对经过信号变换之后的输出信号进行线性滤波，得到训练输出信号

设n-1时刻的预补偿系数为：

w(n-1)=[w_0,1,w_0,3,w_0,5,w_1,1,w_1,3,w_1,5,…,w_Q-1,1,w_Q-1,3,w_Q-1,5]^T；

则n时刻的训练输出信号为：

n时刻的预补偿误差为：

根据预补偿误差e(n)，对预补偿系数进行自适应调整，调整之后的n时刻的预补偿系数为：w(n)=w(n-1)+K(n)e^*(n)；

其中：

$K\left(n\right)=\frac{P(n-1)\stackrel{-}{y}\left(n\right)}{\mathrm{\λ}+{\stackrel{-}{y}}^H\left(n\right)P(n-1)\stackrel{-}{y}\left(n\right)}$

$P\left(n\right)=\frac{P(n-1)-K\left(n\right){\stackrel{-}{y}}^H\left(n\right)P(n-1)}{\mathrm{\λ}}$

其中(·)^*和(·)^H运算分别表示复数的共轭和矩阵的共轭转置，P=δΙ，δ为常数，这里取δ=100，λ为遗忘因子，这里取λ=0.99，I为单位矩阵，本实施例中，预补偿系数训练模块26中的初始预补偿系数与信号预补偿模块14中使用的初始预补偿系数保持一致，为w(0)=[1,0,…,0]^T。

此时，信号预补偿模块14获得新的n时刻的预补偿系数。利用训练算法的收敛性，随着信号的逐个输入，使得预补偿误差逐渐趋近于零，预补偿系数逐渐收敛。

当突发发送完成，上述信号发射装置进入空闲状态，此时整个预补偿环路进入锁定状态，信号预补偿模块14以及预补偿系数训练模块26中的预补偿系数均保持最后一次训练时的系数。当再次进行突发发送时，快速进入收敛状态。

对应于上述装置，本发明实施例还提供了一种卫星移动通信系统的信号发射方法，参见图3，该方法包括以下步骤：

步骤S302，对输入信号添加输入信号的高次项分量和延迟分量，其中，该高次项分量的高次参数和延迟分量的延迟参数是根据卫星移动通信系统的功率放大特性配置的；

步骤S304，利用当前的预补偿系数对添加高次项分量和延迟分量后的输入信号进行线性滤波，得到预补偿信号；其中，当前的预补偿系数是卫星移动通信系统根据上一次发射信号的预补偿效果训练生成的，预补偿系数初始值是预先设定的；

步骤S306，对预补偿信号进行功率放大变换得到发射信号，输出发射信号。

本实施例通过预先对输入信号进行分量添加和线性滤波，能够有效降低高发射功率下的信号非线性失真程度，使输出的发射信号更符合传输要求和实际应用，提升了系统的性能。

该系统的功率放大器可以工作在饱和点附近，这样能够最高效地进行信号发射。

上述利用当前的预补偿系数对添加高次项分量和延迟分量后的输入信号进行线性滤波，得到预补偿信号可以包括：采用下述公式得到n时刻的预补偿信号其中，w（n-1）为n-1时刻的预补偿系数，w(0)=[1,0,…,0]^T，n为大于或等于1的整数；(·)^H为矩阵的共轭转置运算，为添加高次项分量和延迟分量后的输入信号。

为了优化预补偿系数，上述方法还包括：提取预补偿信号；提取上述发射信号，对提取的发射信号添加发射信号的高次项分量和延迟分量；其中，发射信号的高次参数和延迟参数与输入信号的高次参数和延迟参数相同；使用当前的预补偿系数对添加分量后的发射信号进行线性滤波，得到滤波后的发射信号，其中，该当前的预补偿系数是上一次训练得到的，其初始值是预先设定的；对提取的预补偿信号和滤波后的发射信号进行做差，得到预补偿误差；根据预补偿误差更新当前的预补偿系数。这样可以逐步收敛预补偿系数，更好地对输入信号进行预补偿。

其中，对提取的预补偿信号和滤波后的发射信号进行做差，得到预补偿误差包括：采用下述公式计算n时刻的预补偿误差计算n时刻的预补偿系数w(n)=w(n-1)+K(n)e^*(n)；其中，w（n-1）为n-1时刻的预补偿系数，w(0)=[1,0,…,0]^T，n为大于或等于1的整数；(·)^H为矩阵的共轭转置运算，为发射信号变换模块添加高次项分量和延迟分量后的发射信号；z（n）为n时刻的预补偿信号，为n时刻线性滤波后的发射信号；

$K\left(n\right)=\frac{P(n-1)\stackrel{-}{y}\left(n\right)}{\mathrm{\λ}+{\stackrel{-}{y}}^H\left(n\right)P(n-1)\stackrel{-}{y}\left(n\right)}$

$P\left(n\right)=\frac{P(n-1)-K\left(n\right){\stackrel{-}{y}}^H\left(n\right)P(n-1)}{\mathrm{\λ}}$

其中，(·)^*表示复数的共轭运算，P=δΙ，δ为预设的常数，λ为预设的遗忘因子，I为预设的单位矩阵。

上述方法还包括：当更新上述当前的预补偿系数时，存储更新后的预补偿系数。

以上实施例通过对输出信号进行预补偿操作，能够在保证信号准确度的前提下，更高效地发射信号，同时，上述实施例的装置和方法适用于对各种非线性部件造成的信号非线性失真进行预补偿。

显然，本领域的技术人员应该明白，上述的本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明不限制于任何特定的硬件和软件结合。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种卫星移动通信系统的信号发射装置，其特征在于，包括：

信号预处理模块，用于对输入信号添加所述输入信号的高次项分量和延迟分量，其中，所述高次项分量的高次参数和所述延迟分量的延迟参数是根据所述卫星移动通信系统的功率放大特性配置的；

信号预补偿模块，用于利用当前的预补偿系数对所述信号预处理模块添加所述高次项分量和延迟分量后的输入信号进行线性滤波，得到预补偿信号；其中，所述当前的预补偿系数是所述卫星移动通信系统根据上一次发射信号的预补偿效果训练生成的，其初始值是预先设定的；

功率放大器，用于对所述信号预补偿模块得到的预补偿信号进行功率放大变换得到发射信号，并输出所述发射信号；

发射信号变换模块，用于提取所述功率放大器得到的发射信号，对提取的所述发射信号添加所述发射信号的高次项分量和延迟分量，以及使用当前的预补偿系数对添加分量后的发射信号进行线性滤波，得到滤波后的发射信号，将滤波后的发射信号输出至预补偿系数训练模块；其中，所述发射信号的高次参数和延迟参数与所述输入信号的高次参数和延迟参数相同；且所述当前的预补偿系数是所述预补偿系数训练模块上一次训练得到的，其初始值是预先设定的；

所述预补偿系数训练模块，用于提取所述信号预补偿模块得到的预补偿信号，对所述预补偿信号和所述发射信号变换模块滤波后的发射信号进行做差，得到预补偿误差，根据所述预补偿误差更新当前的预补偿系数；将更新后的所述预补偿系数分别发送给所述信号预补偿模块和所述发射信号变换模块。

2.根据权利要求1所述的信号发射装置，其特征在于，所述信号预补偿模块用于采用下述公式得到n时刻的预补偿信号其中，w(n-1)为n-1时刻的预补偿系数，w(0)＝[1,0,…,0]^T，n为大于或等于1的整数；(·)^H为矩阵的共轭转置运算，为所述信号预处理模块添加所述高次项分量和延迟分量后的输入信号。

3.根据权利要求1所述的信号发射装置，其特征在于，所述预补偿系数训练模块用于采用下述公式计算n时刻的预补偿误差计算n时刻的预补偿系数w(n)＝w(n-1)+K(n)e^*(n)；

其中，w(n-1)为n-1时刻的预补偿系数，w(0)＝[1,0,…,0]^T，n为大于或等于1的整数；(·)^H为矩阵的共轭转置运算，为所述发射信号变换模块添加所述高次项分量和延迟分量后的发射信号；z(n)为n时刻的预补偿信号，为n时刻线性滤波后的发射信号；

$K\left(n\right)=\frac{P(n-1)\stackrel{\‾}{y}\left(n\right)}{\mathrm{\λ}+{\stackrel{\‾}{y}}^H\left(n\right)P(n-1)\stackrel{\‾}{y}\left(n\right)}$

$P\left(n\right)=\frac{P(n-1)-K\left(n\right){\stackrel{\‾}{y}}^H\left(n\right)P(n-1)}{\mathrm{\λ}}$

其中，(·)^*表示复数的共轭运算，P＝δΙ，δ为预设的常数，λ为预设的遗忘因子，I为预设的单位矩阵。

4.根据权利要求1所述的信号发射装置，其特征在于，所述系统还包括：预补偿系数存储模块，用于存储所述预补偿系数训练模块更新的预补偿系数。

5.一种卫星移动通信系统的信号发射方法，其特征在于，包括：

对输入信号添加所述输入信号的高次项分量和延迟分量，其中，所述高次项分量的高次参数和所述延迟分量的延迟参数是根据所述卫星移动通信系统的功率放大特性配置的；

利用当前的预补偿系数对添加所述高次项分量和延迟分量后的输入信号进行线性滤波，得到预补偿信号；其中，所述当前的预补偿系数是所述卫星移动通信系统根据上一次发射信号的预补偿效果训练生成的，其初始值是预先设定的；

对所述预补偿信号进行功率放大变换得到发射信号，输出所述发射信号；

提取所述预补偿信号；

提取所述发射信号，对提取的所述发射信号添加所述发射信号的高次项分量和延迟分量；其中，所述发射信号的高次参数和延迟参数与所述输入信号的高次参数和延迟参数相同；

使用当前的预补偿系数对添加分量后的发射信号进行线性滤波，得到滤波后的发射信号；其中，所述当前的预补偿系数是上一次训练得到的，其初始值是预先设定的；

对提取的所述预补偿信号和所述滤波后的发射信号进行做差，得到预补偿误差；

根据所述预补偿误差更新当前的预补偿系数。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，利用当前的预补偿系数对添加所述高次项分量和延迟分量后的输入信号进行线性滤波，得到预补偿信号包括：采用下述公式得到n时刻的预补偿信号其中，w(n-1)为n-1时刻的预补偿系数，w(0)＝[1,0,…,0]^T，n为大于或等于1的整数；(·)^H为矩阵的共轭转置运算，为添加所述高次项分量和延迟分量后的输入信号。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，对提取的所述预补偿信号和所述滤波后的发射信号进行做差，得到预补偿误差包括：

采用下述公式计算n时刻的预补偿误差计算n时刻的预补偿系数w(n)＝w(n-1)+K(n)e^*(n)；

其中，w(n-1)为n-1时刻的预补偿系数，w(0)＝[1,0,…,0]^T，n为大于或等于1的整数；(·)^H为矩阵的共轭转置运算，为所述发射信号变换模块添加所述高次项分量和延迟分量后的发射信号；z(n)为n时刻的预补偿信号，为n时刻线性滤波后的发射信号；

$K\left(n\right)=\frac{P(n-1){\stackrel{\‾}{y}}^H\left(n\right)}{\mathrm{\λ}+{\stackrel{\‾}{y}}^H\left(n\right)P(n-1)\stackrel{\‾}{y}\left(n\right)}$

$P\left(n\right)=\frac{P(n-1)-K\left(n\right){\stackrel{\‾}{y}}^H\left(n\right)P(n-1)}{\mathrm{\λ}}$

其中，(·)^*表示复数的共轭运算，P＝δΙ，δ为预设的常数，λ为预设的遗忘因子，I为预设的单位矩阵。

8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

当更新所述当前的预补偿系数时，存储更新后的预补偿系数。