CN108322413B - 5g毫米波有源天线阵列的空口数字预失真方法及其系统 - Google Patents

5g毫米波有源天线阵列的空口数字预失真方法及其系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于5G毫米波有源相控阵天线阵列的空口数字预失真实现方法及其5G毫米波有源相控阵数字预失真系统，所述方法采用无源天线探头空口采集5G毫米波有源相控阵天线阵列辐射的非线性信号，空口采集到的非线性信号通过预失真接收通道送入执行发射链路非线性校正的基带信号处理单元，并在基带针对波束能量进行预失真处理，以校正原始发射信号产生的非线性失真。本发明采用空口非接触方法采集发射能量，避免在尺寸紧凑的毫米波有源相控阵天线阵面中设计复杂的功率耦合网络，能实现针对多个发射通道构成的整个发射波束的多个发射通道失真的整体校正。本发明针能够显著降低基带数字处理单元数据处理量以及降低DPD系统的硬件成本。

Description

5G毫米波有源天线阵列的空口数字预失真方法及其系统
技术领域
本发明属于毫米波通信及信号处理技术领域，特别是涉及一种用于5G毫米波有源相控天线阵列的空口数字预失真实现方法及其5G毫米波有源相控阵数字预失真系统。
背景技术
随着移动通信技术不断向5G演进，能支持大带宽、高速率通信的5G毫米波有源相控阵通信技术成为业界研究热点。为了提高数据通信速率，5G通信系统一般采用16QAM或者64QAM高阶调制信号，信号具有较大峰均比(PAPR)。一般情况下，通信系统希望发射信号的峰值功率等于PA的P-1dB，而发射信号的平均功率要比 P-1dB小PAPR，即PA处于回退状态。然而当发射链路特别是末级功放工作于功率回退状态时，发射链路的效率大大降低。而发射链路的功率消耗占系统功耗很大比重，从而系统的效率大大降低。5G毫米波有源相控天线阵列的空口数字预失真 (简称DPD)技术可以有效提高发射链路平均输出功率，通过对发射信号的非线性的分析对发射链路进行非线性建模，并在基带中提前对输出信号进行预失真，从而在保证信号EVM、ACLR等性能的基础上提高发射链路的平均输出功率。
常规的DPD技术方案采用定向耦合器从PA的输出口耦合回信号数字化后送给基带处理单元分析、参数抽取并建模，基带产生的原始信号经过预失真后再送至 PA输入口，对PA的非线性进行数字矫正。对于通道数量较多(大于16)的5G毫米波有源相控阵系统，常规的DPD技术方案有两个不足：一是常规的DPD技术方案在电路板上紧靠PA输出口耦合信号，当通道数量多时，PA输出耦合网络复杂，在紧凑的相控阵天线空间内实现难度大；二是常规的DPD技术方案通常采用一个基带处理单元对应一个发射PA，然而由于5G毫米波有源相控阵通常通道数较多，发射 PA数量多，难以针对每个PA分别采用一个基带信号处理单元。
然而对于毫米波相控阵天线阵列而言，为了降低模拟数字转换器(ADC)成本以及数字化之后的数据处理难度，混合波束赋形成为主流技术，即m个数字中频单元对应着m×n个毫米波T/R通道，从而基带处理单元数量也远远小于射频有源通道。传统的一个基带处理单元对应一个发射PA的数字预失真方法无法适用于有源相控阵天线阵列。
如何克服现有技术所存在的不足已成为当今微波通信及信号处理技术领域中亟待解决的重点难题之一。
发明内容
本发明的目的是为克服现有技术所存在的不足而提供一种用于5G毫米波有源相控天线阵列的空口数字预失真实现方法及其5G毫米波有源相控阵数字预失真系统，本发明能够解决一个基带信号处理单元对应多个射频发射通道的有源相控阵系统的DPD难题。
根据本发明提出的一种用于5G毫米波有源相控天线阵列的空口数字预失真实现方法，其特征在于，具体是用于包括由具有非线性特征的多通道5G毫米波有源相控阵天线阵列、基于空口耦合的空口信号采集通道以及具有实现发射链路非线性的建模和数字预失真功能的基带信号处理单元构建的5G毫米波有源相控阵通信空口数字预失真系统的实现方法，具体步骤包括如下：
步骤1，基带信号处理单元产生的多通道5G宽带基带信号馈入具有非线性特征的5G毫米波有源相控阵天线阵列，所述5G毫米波有源相控阵天线阵列具有m个中频通道，m×n个射频收发通道，通过m个中频通道进行放大和滤波处理，上变频后每个中频信号通过1分n功率分配网络传输到m×n个射频收发通道以及m×n个天线阵子，并形成m个波束辐射出去；所述5G毫米波有源相控阵天线阵列采用混合波束赋形方法实现；
步骤2，基于空口耦合，可令5G毫米波有源相控阵天线阵列辐射的发射波束指向无源天线，采用无源天线采集5G毫米波有源相控阵天线阵列辐射的发射波束，所述发射波束一个或多个波束的合成波束，并将无源天线采集的非线性发射波束信号馈入基于空口耦合的空口信号采集通道，进行下变频处理、数字化处理；
步骤3，将空口耦合采集并数字化之后的非线性发射波束信号从空口信号采集通道馈入基带信号处理单元，与发射原始信号比较，并进行非线性参数抽取建模与基带信号数字预失真处理；
步骤4，预失真处理后的基带信号再次馈入5G毫米波有源相控阵天线阵列，从而矫正多通道发射波束信号的非线性。
本发明提出的一种用于5G毫米波有源相控天线阵列的空口数字预失真实现方法的5G毫米波有源相控阵数字预失真系统，其特征在于，包括具有非线性特征的多通道5G毫米波有源相控阵天线阵列、基于空口耦合的空口信号采集通道以及具有实现发射链路非线性的建模和数字预失真功能的基带信号处理单元，其中：
所述基带信号处理单元产生的多通道5G宽带基带信号馈入具有非线性特征的5G毫米波有源相控阵天线阵列，所述5G毫米波有源相控阵天线阵列具有m 个中频通道，m×n个射频收发通道，通过m个中频通道进行放大和滤波处理，上变频后每个中频信号通过1分n功率分配网络传输到m×n个射频收发通道以及m×n个天线阵子，并形成m个波束辐射出去；所述5G毫米波有源相控阵天线阵列采用混合波束赋形方法实现；
所述基于空口耦合，可令5G毫米波有源相控阵天线阵列辐射的发射波束指向无源天线，采用无源天线采集5G毫米波有源相控阵天线阵列辐射的发射波束，所述发射波束一个或多个波束的合成波束，并将无源天线采集的非线性发射波束信号馈入基于空口耦合的空口信号采集通道，进行下变频处理、数字化处理；空口耦合采集并数字化之后的非线性发射波束信号从空口信号采集通道馈入基带信号处理单元，与发射原始信号比较，并进行非线性参数抽取建模与基带信号数字预失真处理；预失真处理后的基带信号再次馈入5G毫米波有源相控阵天线阵列，从而矫正多通道发射波束信号的非线性。
本发明的实现原理是：针对传统的一个基带信号处理单元对应一个发射PA 的DPD方法不适用于有源相控阵天线阵列的问题，本发明提出了一种用于5G 毫米波有源相控天线阵列的空口数字预失真实现方法及其5G毫米波有源相控阵数字预失真系统，它利用无源天线探头空口接收5G毫米波有源相控阵天线阵列目标波束的发射信号，接收信号经ADC数字化之后反馈至基带信号处理单元，然后在基带信号处理单元中进行信号非线性参数提取、发射链路非线性建模并进行数字预失真处理。具体来说，本发明所述的具有非线性特征5G毫米波有源相控阵天线阵列具有m个中频通道和m×n个射频收发通道，其中m个数字中频单元对应着m×n个射频收发通道；每个基带信号处理单元通过功率分配网络对应 n个射频收发通道，通过射频收发通道的幅度和相位控制实现子阵模拟波束赋形，而多个子阵之间可以通过多个基带单元的数字幅度相位加权形成数字波束合成，两者结合从而实现模拟、数字混合波束赋形。
本发明与现有技术相比其显著优点在于：
一是本发明采用空口耦合发射能量，避免在尺寸紧凑的毫米波有源相控阵天线阵面中设计复杂的功率耦合网络。
二是本发明采用空口耦合发射功率，能实现针对多个发射通道构成的整个发射波束的多个发射通道失真的整体校正。
三是本发明采用空口耦合发射功率，针对整个波束进行非线性校正，相比于传统DPD技术，能够显著降低基带数字处理单元数据处理量，降低DPD系统的硬件成本。
附图说明
图1为本发明提出的多通道5G毫米波有源相控阵天线阵列的方框示意图。如图1所示，包括m数字中频单元，对应着m×n个射频收发通道；每个基带处理单元通过功率分配网络对n个射频收发通道，通过射频收发通道的幅度和相位控制实现子阵模拟波束赋形，而多个子阵之间可以通过多个基带单元的数字幅度相位加权形成数字波束合成，两者结合从而实现模拟、数字混合波束赋形。
图2为本发明提出的5G毫米波有源相控阵通信空口数字预失真系统的原理方框示意图。如图2所示，包括具有非线性特征的多通道5G毫米波有源相控阵天线阵列1、基于空口耦合的空口信号采集通道2以及具有实现发射链路非线性的建模和数字预失真功能的基带信号处理单元3。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式作进一步的详细描述。
实施例1。
结合图1和图2，本发明提出的一种用于5G毫米波有源相控天线阵列的空口数字预失真实现方法，具体是用于包括由具有非线性特征的多通道5G毫米波有源相控阵天线阵列1、基于空口耦合的空口信号采集通道2以及具有实现发射链路非线性的建模和数字预失真功能的基带信号处理单元3构建的5G毫米波有源相控阵通信空口数字预失真系统的实现方法，具体步骤包括如下：
步骤1，基带信号处理单元3产生的多通道5G宽带基带信号馈入具有非线性特征的5G毫米波有源相控阵天线阵列1，所述5G毫米波有源相控阵天线阵列1具有m个中频通道，m×n个射频收发通道，通过m个中频通道进行放大和滤波处理，上变频后每个中频信号通过1分n功率分配网络传输到m×n个射频收发通道以及m×n个天线阵子，并形成m个波束辐射出去；所述5G毫米波有源相控阵天线阵列1采用混合波束赋形方法实现；
步骤2，基于空口耦合，可令5G毫米波有源相控阵天线阵列辐射的发射波束指向无源天线，采用无源天线采集5G毫米波有源相控阵天线阵列1辐射的发射波束，所述发射波束一个或多个波束的合成波束，并将无源天线采集的非线性发射波束信号馈入基于空口耦合的空口信号采集通道2，进行下变频处理、数字化处理；
步骤3，将空口耦合采集并数字化之后的非线性发射波束信号从空口信号采集通道2馈入基带信号处理单元3，与发射原始信号比较，并进行非线性参数抽取建模与基带信号数字预失真处理；
步骤4，预失真处理后的基带信号再次馈入具有非线性特征的5G毫米波有源相控阵天线阵列1，从而矫正多通道发射波束信号的非线性。
本发明提出的一种用于5G毫米波有源相控天线阵列的空口数字预失真实现方法的进一步的优选方案是：
所述空口耦合是指采用无源天线探头基于空间耦合方式采集有源相控阵天线阵列1发射波束的信号非线性。
所述无源天线空口采集的信号非线性代表着m×n个有源发射链路空间合成形成的波束的非线性。
所述基带信号数字预失真模块处理的反馈回来的多通道发射信号来源于 m×n个发射通道构成的波束，并且在m个基带信号处理单元3中进行数字预失真校正。
实施例2。
结合图1和图2，本发明提出的一种用于5G毫米波有源相控天线阵列的空口数字预失真实现方法的5G毫米波有源相控阵通信系统，包括具有非线性特征的多通道5G毫米波有源相控阵天线阵列1、基于空口耦合的空口信号采集通道 2以及具有实现发射链路非线性的建模和数字预失真功能的基带信号处理单元 3，其中：
所述基带信号处理单元3产生的多通道5G宽带基带信号馈入具有非线性特征的5G毫米波有源相控阵天线阵列1，所述5G毫米波有源相控阵天线阵列1 具有m个中频通道，m×n个射频收发通道，通过m个中频通道进行放大和滤波处理，上变频后每个中频信号通过1分n功率分配网络传输到m×n个射频收发通道以及m×n个天线阵子，并形成m个波束辐射出去；所述5G毫米波有源相控阵天线阵列1采用混合波束赋形方法实现；
所述基于空口耦合，可令5G毫米波有源相控阵天线阵列辐射的发射波束指向无源天线，采用无源天线采集5G毫米波有源相控阵天线阵列1辐射的发射波束，所述发射波束1个或1～m个波束的合成波束，并将无源天线采集的非线性发射波束信号馈入基于空口耦合的空口信号采集通道2，进行下变频处理、数字化处理；空口耦合采集并数字化之后的非线性发射波束信号从空口信号采集通道 2馈入基带信号处理单元3，与发射原始信号比较，并进行非线性参数抽取建模与基带信号数字预失真处理；预失真处理后的基带信号再次馈入5G毫米波有源相控阵天线阵列1，从而矫正多通道发射波束信号的非线性。
本发明提出的一种用于5G毫米波有源相控天线阵列的空口数字预失真实现方法的5G毫米波有源相控阵通信系统的进一步的优选方案是；
所述空口耦合是指采用喇叭等无源天线探头基于空间传输方式采集有源相控阵天线阵列发射波束的信号非线性。
所述无源天线空口采集的信号非线性代表着m×n个有源发射链路空间合成形成的波束的非线性。
所述基带信号数字预失真模块处理的反馈回来的多通道发射信号来源于 m×n个发射通道构成的波束，并且在m个基带信号处理单元中进行数字预失真校正。
具体来讲，所述5G毫米波有源相控天线阵列1可由包含4个中频通道、64 个射频收发通道、64个天线阵子、64天线单元的一个64通道有源相控阵天线阵列实现，该阵列可以形成1～4个波束。
所述辐射信号采集通道2由无源天线探头、下变频器和高速模拟数字转换器构成，采集从空口耦合过来的阵面发射信号，注意天线探头接收方向对准毫米波有源相控阵天线阵列的波束方向；
所述基带信号处理单元3由FPGA或者DSP构成，基带信号处理单元3分析接收信号的非线性，提取非线性参数，对发射链路建模，并对信号源输出信号进行预失真，以对发射链路非线性进行校正。
本发明的具体实施方式中未涉及的说明属于本领域公知的技术，可参考公知技术加以实施。
本发明经反复试验验证，取得了满意的试用效果。
以上具体实施方式及实施例是对本发明提出的一种用于5G毫米波有源相控天线阵列的空口数字预失真实现方法及其5G毫米波相控阵数字预失真系统技术思想的具体支持，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在本技术方案基础上所做的任何等同变化或等效的改动，均仍属于本发明技术方案保护的范围。

Claims (6)

1.一种用于5G毫米波有源相控天线阵列的空口数字预失真实现方法，其特征在于，具体是用于包括由具有非线性特征的多通道5G毫米波有源相控阵天线阵列(1)、基于空口耦合的空口信号采集通道(2)以及具有实现发射链路非线性的建模和数字预失真功能的基带信号处理单元(3)构建的5G毫米波有源相控阵天线阵列空口数字预失真系统的实现方法，具体步骤包括如下：
步骤1，基带信号处理单元(3)产生的多通道5G宽带基带信号馈入具有非线性特征的5G毫米波有源相控阵天线阵列(1)，所述5G毫米波有源相控阵天线阵列(1)具有m个中频通道，m×n个射频收发通道，通过m个中频通道进行放大和滤波处理，上变频后每个中频信号通过1分n功率分配网络传输到m×n个射频收发通道以及m×n个天线阵子，并形成m个波束辐射出去；所述5G毫米波有源相控阵天线阵列(1)采用混合波束赋形方法实现；
步骤2，基于空口耦合，可令5G毫米波有源相控阵天线阵列辐射的发射波束指向无源天线，采用无源天线采集5G毫米波有源相控阵天线阵列(1)辐射的发射波束，所述发射波束为一个发射波束或多个发射波束的合成波束，并将无源天线采集的非线性发射波束信号馈入基于空口耦合的空口信号采集通道(2)，进行下变频处理、数字化处理；
步骤3，将空口耦合采集并数字化之后的非线性发射波束信号从空口信号采集通道(2)馈入基带信号处理单元(3)，与发射原始信号比较，并进行非线性参数抽取建模与基带信号数字预失真处理；
步骤4，预失真处理后的基带信号再次馈入5G毫米波有源相控阵天线阵列(1)，从而校正多通道发射波束信号的非线性；
所述空口耦合是指采用无源天线探头基于空间传输方式采集5G毫米波有源相控阵天线阵列(1)发射波束的信号非线性。
2.根据权利要求1所述的一种用于5G毫米波有源相控天线阵列的空口数字预失真实现方法，其特征在于，所述无源天线空口采集的信号非线性代表着m×n个有源发射链路空间合成形成的一个或多个波束的非线性。
3.根据权利要求1-2任一项所述的一种用于5G毫米波有源相控天线阵列的空口数字预失真实现方法，其特征在于，所述基带信号数字预失真处理的反馈回来的多通道发射信号来源于m×n个发射通道构成的波束，并且在m个基带信号处理单元(3)中针对m个波束进行数字预失真校正。
4.根据权利要求1所述的一种用于5G毫米波有源相控天线阵列的空口数字预失真实现方法的5G毫米波有源相控阵数字预失真系统，其特征在于，包括具有非线性特征的多通道5G毫米波有源相控阵天线阵列(1)、基于空口耦合的空口信号采集通道(2)以及具有实现发射链路非线性的建模和数字预失真功能的基带信号处理单元(3)，其中：
所述基带信号处理单元(3)产生的多通道5G宽带基带信号馈入具有非线性特征的5G毫米波有源相控阵天线阵列(1)，所述5G毫米波有源相控阵天线阵列(1)具有m个中频通道，m×n个射频收发通道，通过m个中频通道进行放大和滤波处理，上变频后每个中频信号通过1分n功率分配网络传输到m×n个射频收发通道以及m×n个天线阵子，并形成m个波束辐射出去；所述5G毫米波有源相控阵天线阵列(1)采用混合波束赋形方法实现；
所述基于空口耦合，可令5G毫米波有源相控阵天线阵列辐射的发射波束指向无源天线，采用无源天线采集5G毫米波有源相控阵天线阵列(1)辐射的发射波束，所述发射波束为一个发射波束或多个发射波束的合成波束，并将无源天线采集的非线性发射波束信号馈入基于空口耦合的空口信号采集通道(2)，进行下变频处理、数字化处理；空口耦合采集并数字化之后的非线性发射波束信号从空口信号采集通道(2)馈入基带信号处理单元(3)，与发射原始信号比较，并进行非线性参数抽取建模与基带信号数字预失真处理；预失真处理后的基带信号再次馈入5G毫米波有源相控阵天线阵列(1)，从而校正多通道发射波束信号的非线性；
所述空口耦合是指采用无源天线探头基于空间传输方式采集有源相控阵天线阵列发射波束的信号非线性。
5.根据权利要求4所述的一种用于5G毫米波有源相控天线阵列的空口数字预失真实现方法的5G毫米波有源相控阵数字预失真系统，其特征在于，所述无源天线空口采集的信号非线性代表着m×n个有源发射链路空间合成形成的波束的非线性。
6.根据权利要求5所述的一种用于5G毫米波有源相控天线阵列的空口数字预失真实现方法的5G毫米波有源相控阵数字预失真系统，其特征在于，所述基带信号数字预失真处理的反馈回来的多通道发射信号来源于m×n个发射通道构成的一个或多个波束，并且在m个基带信号处理单元中进行数字预失真校正。
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