CN108881083B - 宽带rof系统包络辅助rf/if数字预失真技术 - Google Patents

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Abstract

本发明宽带ROF系统包络辅助RF/IF数字预失真技术，涉及一种对包含RF功放在内的宽带多频段光载无线电(ROF)传输系统的线性化技术。本发明同时采用射频/中频(RF/IF)包络和基带包络采样，减小了宽带信号的长期和短期记忆效应影响。与已有数字预失真模型相比，本发明性能更优，复杂度低，且复杂度不随信号频带数的增加而增加。本发明的优点在于：1.本发明的数字预失真线性化方法既可以消除带内非线性，也可以消除带外非线性，而传统的数字预失真方法尽管能消除带内非线性，但对带外非线性却无能为力；2.本发明的数字预失真线性化方法的系数数量少，复杂性低，随频段数增加不会增加复杂性。

Description

宽带ROF系统包络辅助RF/IF数字预失真技术
技术领域
本发明涉及一种包含RF功率放大器的宽带多频段光载无线电(ROF)传输系统线性化的预失真技术。
背景技术
随着LTE/LTE-A的部署和5G移动电信标准的发展，无线接入网(RAN)需要提供更高的容量，这也意味着更高的成本。当在无线电接入网络中使用光载无线电(RoF)传输系统时，可以大大简化远端天线位置处的物理功能单元，从而降低维护成本。同时，可以实现宽带和高质量的射频/微波/无线信号传输。
RoF传输系统通过光纤连接中央处理单元(CPU)和远端射频单元(RRU)，用于发射无线RF信号。因此，可以在BBU(基带处理单元)中进行RF上变频、RF下变频、调制和解调等功能而不是在RRU中。与其他传输方式相比，RoF技术具有许多明显的优势。当RF信号通过RoF系统传输时，在RRU中不需要使用数模转换或模数转换，因此RRU对无线信号协议、比特率和RF载波等都是透明的。
由于使用光副载波调制以及RF功率放大器和各种非线性光电器件，RoF系统传输的信号也会受到非线性信号失真。非线性失真包括非线性和记忆效应在内的信号失真，将导致无线信号的误差向量幅度(EVM)和相邻信道功率比(ACPR)增大。当同时发送两个或多个无线信号时，三阶互调(IMD3)和五阶互调(IMD5)可能会很强，因此必须采取一些措施来抑制它们。
常用ROF线性化有光/模拟线性化和数字线性化。模拟线性化带宽较宽，但不能解决ROF的记忆效应问题。
对于单波段应用，传统的数字预失真(DPD)可获得较好的线性化效果。可以采用记忆多项式模型(MP)，广义记忆多项式模型(GMP)，动态偏差减小模型(DDR3D-DPD，以及CR-GMP)等模型。对于多波段应用，已有一些两波段，三波段和多波段模型被提出，例如2D-DPD，3D-DPD，以及复杂度降低广义记忆多项式模型(CR-GMP)，MIMO子载波Volterra DPD。
4G/5G多波段宽带工作给线性化带来了困难，高带宽需要高采样率。目前已有大量工作致力于采用较小采样带宽的线性化研究。欠采样技术可以减小反馈路径的复杂性，采用极坐标计算模型系数可以减小模型系数计算的复杂性，但基带多频段DPD模型复杂性仍较高，随着频带数的增加，模型系数将大幅增加。采用数模变换(DAC)将射频数字化或在中频数字化，可以在射频或中频进行DPD，而不是在基带实现DPD。已有研究者将MP DPD技术用于多波段载波聚合的LTE的ROF系统中频预失真。
系统复杂性是多波段传输系统面临的挑战之一。把多波段系统看做一个单输入单输出系统，采用传统单波段的记忆多项式DPD模型等建模是常用的方法。由于采样带宽宽，采样间隔小，为了削弱长期记忆效应影响效应的影响，DPD模型所需的记忆深度太长，对于5G这样的宽带系统来说，采样率将更高，建模更复杂。
本发明为一种用于包含RF功率放大器在内的RoF系统线性化技术，采用包络辅助RF/IF数字预失真技术，同时考虑RF和IF包络。宽带多频段光载无线电传输系统的包络辅助RF数字预失真
本发明有如下优点：1.本发明的数字预失真技术有效消除带外非线性和带内非线性2.本发明的数字预失真技术的模型考虑了长期记忆效应和短期记忆效应；3.本发明的数字预失真技术的模型系数数量少，复杂性低，可在不增加模型复杂度的情况下容易地用于两频段以上的射频无线信号。
本发明可用于4G移动通信系统和即将到来的5G移动通信系统以及其它未来的通信系统。
发明内容
本发明的目的在于克服了现有技术的不足，提供一种宽带ROF系统RF/IF包络辅助数字预失真技术。
本发明的宽带ROF系统RF/IF包络辅助预失真技术用于宽带光载无线电传输系统线性化，如图1所示。
本发明一种宽带ROF系统RF/IF辅助包络数字预失真技术的记忆多项式表示为：
Figure BDA0001709315720000021
其中x(n)是RF/IF信号，w(n)是所有子载波的基带包络绝对值之和，J和P分别是RF/IF信号的非线性阶数和记忆深度，K和Q分别是基带信号的非线性阶数和记忆深度，ajp是RF/IF信号的模型系数，bkq是基带信号的模型系数。式子(1)的第一部分用来消除RF/IF信号引起的短期记忆效应，第二部分用来消除基带信号包络引起的长期记忆效应。当有多个波段信号时，所有基带包络绝对值相加，模型仅用到相加后的总和，模型系数的数量不会随信号波段数量的增加而增加，亦即模型的复杂性不会随信号波段数增加而增加。
本发明一种宽带ROF系统RF/IF包络辅助数字预失真技术基带信号包络和RF/IF信号包络的采样见图2。基带信号采样点覆盖较长周期(用“o”点表示)，RF/IF信号采样点周期较短(用“*”点表示)，亦即RF/IF以高速率采样，在较短间隔采样，可用来削弱短期记忆效应影响；基带信号包络采样率低，但是在较长的时间间隔内采样，可用来削弱长期记忆效应影响。
本发明一种宽带ROF系统RF/IF包络辅助数字预失真技术，采用间接学习结构实现DPD，采用最小二乘法计算(1)中的模型系数。
本发明一种宽带ROF系统RF/IF包络辅助数字预失真技术，与传统的2D-DPD相比，本发明DPD技术采用的系数要少得多，当非线性阶数为6以上时，本发明的DPD模型减少约一半的系数。
本发明一种宽带ROF系统RF/IF包络辅助数字预失真技术，当两个间距比较小的双频带信号或者三频带信号传输时，本发明DPD技术在抑制IMD3和IMD5方面比传统基带2D-DPD性能要好。
本发明一种宽带ROF系统RF/IF包络辅助数字预失真技术，当两个间距比较大的双频带信号时，本发明DPD技术的ACPR比传统基带2D-DPD性能要好。
附图说明
图1为光载无线电传输系统模型图。
图2为基带包络采样点和RF/IF采样点。
图3为间接学习结构图。
图4为双频RF/IF信号仿真系统结构图。
图5为ROF仿真模型。
具体实施方式
本发明的目的在于克服了现有技术的不足，提供一种宽带ROF系统RF/IF包络辅助数字预失真技术。
本发明的宽带ROF系统RF/IF包络辅助预失真技术用于宽带光载无线电传输系统线性化，如图1所示。
本发明一种宽带ROF系统RF/IF包络辅助数字预失真技术，采用图3间接学习结构实现DPD，采用最小二乘法计算式(1)中的模型系数。RF/IF信号x(n)和基带信号包络w(n)通过数字预失真模块(A)的输出信号z(n)被馈入非线性器件，如RoF链路中或射频功率放大器。非线性器件的输出信号y(n)被衰减G倍(G代表非线性器件的增益)。衰减后，RF/IF信号xb(n)和基带信号包络wb(n)通过数字训练预失真模块(B)进入反馈回路，该训练预失真模块(B)与前馈回路中的预失真模块(A)相同。输出信号zb(n)用于与预失真信号z(n)比较，z(n)与zb(n)之间的误差e(n)用于训练预失真模块。
图3中的两个数字预失真模型(A，B)系数相同，数字预失真模型系数在反馈回路中计算，而不是在前馈回路中计算。
对于前馈回路数字预失真模型(A)，输出信号和输入信号之间的关系可以用表示为：
ujp(n)＝x(n-p)|x(n-p)|j-1 (2)
vkq(n)＝x(n)|w(n-q)|k-1 (3)
则可以把(1)式改写为：
Figure BDA0001709315720000041
或以向量的形式改写为：
z(n)＝[u10(n)，...，u1P(n)，...，uJ0(n)，...，uJP(n)，
v11(n)，...，v1Q(n)，...，vK1(n)，...，vKQ(n)]α (5)
其中α＝[a10，...，a1P，...，aJ0，…，aJP，b11，...b1Q，...，bKQ]T。
本发明采用最小二乘法计算模型系数：
Figure BDA0001709315720000042
或简化形式：
Z＝Uα (7)
对于反馈回路数字预失真模型(B)，输入信号xb(n)是输出信号y(n)被衰减G倍的信号，输出信号为zb(n)。可以得到xb(n)和zb(n)之间相似的表达式：
Zb＝Ubα (8)
其中除了用xb(n)构造以外，矩阵Ub具有与矩阵U相似的形式。
zb(n)和z(n)之间的差异可以用均方误差(MSE)的形式来表示：
Figure BDA0001709315720000051
MSE最小值可以通过对式(10)的求导等于零求得。可以得到：
Z＝Ubα (10)
由于矩阵Ub不是方阵，不能简单地对它求逆，而要用常微分方程来估计系数：
Figure BDA0001709315720000052
Ub H代表Ub的厄密共轭(复共轭)转置。
在第一次计算之前，前馈回路中的数字预失真模型(A)的系数需要输入RF/IF信号x(n)进行初始化，也就是在第一次系数更新之前z(n)等于x(n)。初始化后，可以使用更新的系数来计算z(n)。系数可以递归地更新。
本发明一种宽带ROF系统RF/IF包络辅助数字预失真技术的双频仿真系统如图4所示。该系统用于线性化64QAM-OFDM的LTE信号。比特流映射成64QAM的数字符号。每个符号表示带宽为15kHz的副载波的复数值，这些数字符号被分配到频域的子载波上，快速傅里叶逆变换(iFFT)将来自频域的信号转换到时域，iFFT大小为2048，对应于30.72MHz的基带采样频率。频域信号被上变频到射频，并通过另一个iFFT变换成时域离散RF/IF信号。该时域离散RF/IF信号iFFT的大小为262144，对应于3.93216GHz的RF采样频率。循环前缀添加到时域无线基带和RF/IF信号上。在循环前缀前添加了一串连零，以分离重复的OFDM符号。然后将RF/IF信号和两个基带信号叠加的包络馈送到数字预失真模块(A)中，再把数字预失真模块(A)产生的预失真射频无线信号馈送到RoF模型。RoF模型或RoF链路的输出信号衰减后，通过反馈回路送到数字预失真模块(B)。随后通过快速傅里叶变换(FFT)、两个带通滤波器和两个快速傅里叶逆变换，将RF/IF信号下变频为两个基带信号包络。反馈回路中数字预示真模型(B)的系数通过RF/IF信号包络和基带信号包络来计算，然后用其更新前馈回路中数字预失真模型(A)的系数。前馈回路中的数字预失真模型(A)的系数被初始化，以保持RF/IF信号不变。
该结构可以通过调整来进行多频段RF/IF信号的线性化。在三频情况下，使用三个基带信号的包络总和，而不是两个基带信号的包络总和。
本发明一种宽带ROF系统RF/IF包络辅助数字预失真技术的ROF模型如图5所示。RF/IF信号通过第一射频滤波器后被馈送到非线性模型。第一射频滤波器作为输入匹配网络，引入短期记忆效应。基带信号包络通过基带滤波器，产生长期记忆效应。基带滤波器的输出映射成一个控制参数'a'，该参数用于调整非线性模型的特性。这样，长期记忆效应被合并到RF/IF信号中。非线性模型的输出信号通过模拟输出匹配网络的第二射频滤波器输出，将短期记忆效应添加到输出RF/IF信号中。基带滤波器的传递函数为：
Figure BDA0001709315720000061
第一射频滤波器和第二射频滤波器的传递函数相同，为：
HR(z)＝0.1+0.4z-1+0.25z-2+0.15z-3+0.1z-4 (13)
非线性模型用指数函数构造为：
y＝b(1-exp(-x/a)) (14)
其中'a'是控制参数，'b'是用于调整输出信号最大值的常数。
映射函数用于将基带信号包络的值映射在8-10之间，由(15)式表示：
a＝10-2exp(-xb/c) (15)
其中c是改变映射关系的常数。在仿真中，令b＝1和c＝0.2，用(15)给出的xb计算a。
本发明一种宽带ROF系统RF/IF包络辅助数字预失真技术，首先考虑双频RF/IF信号的仿真，找出RF/IF和基带信号的最佳记忆深度，使误差向量幅度(EVM)最小化，并保持数字预失真模型的系数数量尽量少。
本发明一种宽带ROF系统RF/IF包络辅助数字预失真技术，无线RF信号首先被下变频成中频信号，其中包含频域中的所有频带。然后采用低采样率对下变频信号进行采样，以降低采样带宽。
本发明一种宽带ROF系统RF/IF包络辅助数字预失真技术，与传统的2D-DPD相比，本发明DPD技术采用的系数要少得多，当非线性阶数为6以上时，本发明的DPD模型减少约一半的系数。
本发明一种宽带ROF系统RF/IF包络辅助数字预失真技术，当两个间距比较小的双频带信号或者三频带信号传输时，本发明DPD技术在抑制IMD3和IMD5方面比传统基带2D-DPD性能要好。
本发明一种宽带ROF系统RF/IF包络辅助数字预失真技术，当两个间距比较大的双频带信号时，本发明DPD技术的ACPR比传统基带2D-DPD性能要好。
上面对本发明的较佳实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域的普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (5)

1.宽带ROF系统RF/IF辅助包络数字预失真方法，其特征在于：
(i).预失真记忆多项式表示为：
Figure FDA0003149502510000011
其中x(n)是RF/IF信号，w(n)是所有子载波的基带包络绝对值之和，J和P分别是RF/IF信号的非线性阶数和记忆深度，K和Q分别是基带信号的非线性阶数和记忆深度，ajp是RF/IF信号的模型系数，bkq是基带信号的模型系数；式子(1)的第一部分用来消除RF/IF信号引起的短期记忆效应，第二部分用来消除基带信号包络引起的长期记忆效应；当有多个波段信号时，所有基带包络绝对值相加，模型仅用到相加后的总和，模型系数的数量不会随信号波段数量的增加而增加，亦即模型的复杂性不会随信号波段数增加而增加；
(ii).采用间接学习结构实现DPD，采用最小二乘法计算(1)中的模型系数：
a.RF/IF信号x(n)和基带信号包络w(n)通过数字预失真模块(A)的输出信号z(n)被馈入非线性器件，非线性器件的输出信号y(n)被衰减G倍，G代表非线性器件的增益；衰减后，RF/IF信号xb(n)和基带信号包络wb(n)通过数字训练预失真模块(B)进入反馈回路，该训练预失真模块(B)与前馈回路中的预失真模块(A)相同；输出信号zb(n)用于与预失真信号z(n)比较，z(n)与zb(n)之间的误差e(n)用于训练预失真模块；
b.数字预失真模型(A)与数字预失真模型(B)的系数相同，数字预失真模型系数在反馈回路中计算，而不是在前馈回路中计算；
c.前馈回路数字预失真模型(A)输出信号和输入信号之间的关系表示为：
ujp(n)＝x(n-p)|x(n-p)|j-1 (2)
vkq(n)＝x(n)|w(n-q)|k-1 (3)
则把(1)式改写为：
Figure FDA0003149502510000012
或以向量的形式改写为：
z(n)＝[u10(n)，...，u1P(n)，...，uJ0(n)，...，uJP(n)，
v11(n)，...，v1Q(n)，...，vK1(n)，...，vKQ(n)]α (5)
其中α＝[a10，...，a1P，...，aJ0，...，aJP，b11，...b1Q，...，bKQ]T，
采用最小二乘法计算模型系数：
Figure FDA0003149502510000021
或简化形式：
Z＝Uα (7)
d.反馈回路数字预失真模型(B)的输入信号xb(n)是输出信号y(n)被衰减G倍的信号，输出信号为zb(n)； 可以得到xb(n)和zb(n)之间相似的表达式：
Zb＝Ubα (8)
e.zb(n)和z(n)之间的差异可以用均方误差(MSE)的形式来表示：
Figure FDA0003149502510000022
MSE最小值可以通过对式(10)的求导等于零求得； 可以得到：
Z＝Ubα (10)
由于矩阵Ub不是方阵，不能简单地对它求逆，而要用常微分方程来估计系数：
Figure FDA0003149502510000023
Ub H代表Ub的厄密共轭转置。
2.权利要求1所述的宽带ROF系统RF/IF辅助包络数字预失真方法，其特征在于：
a.RF/IF信号通过第一射频滤波器后被馈送到非线性模型；
b.第一射频滤波器作为输入匹配网络，引入短期记忆效应；
c.基带信号包络通过基带滤波器，产生长期记忆效应；基带滤波器的输出映射成一个控制参数’a’，用于调整非线性模型的特性；
d.长期记忆效应合并到RF/IF信号中，非线性模型的输出信号通过模拟输出匹配网络的第二射频滤波器输出；
e.基带滤波器的传递函数为：
Figure FDA0003149502510000031
第一射频滤波器和第二射频滤波器的传递函数相同，为：
HR(z)＝0.1+0.4z-1+0.25z-2+0.15z-3+0.1z-4 (13)
f.非线性模型用指数函数构造为：
y＝b(1-exp(-x/a)) (14)
其中’a’是控制参数，’b’是用于调整输出信号最大值的常数；
g.映射函数将基带信号包络的值映射在8-10之间，由(15)式表示：
a＝10-2exp(-xb/c) (15)
其中c是改变映射关系的常数。
3.权利要求1所述的宽带ROF系统RF/IF辅助包络数字预失真方法，其特征在于：基带信号采样点覆盖第一周期，采样率为第一采样率，RF/IF信号采样点周期为第二周期，采样率为第二采样率，第一周期比第二周期长，而第一采样率比第二采样率低；亦即：基带信号包络采样以第一采样率在第一周期的时间间隔内采样来削弱长期记忆效应影响，而RF/IF以高于第一采样率的第二采样率在短于第一周期的第二周期内采样来削弱短期记忆效应影响。
4.权利要求1所述的宽带ROF系统RF/IF辅助包络数字预失真方法，其特征在于：首先进行双频RF/IF信号的仿真，找出RF/IF和基带信号的最佳记忆深度，使误差向量幅度(EVM)最小化，并保持数字预失真模型的系数数量最少。
5.权利要求1所述的宽带ROF系统RF/IF辅助包络数字预失真方法，其特征在于：首先下变频RF信号成中频信号，然后采用低采样率对下变频信号进行采样，降低采样带宽。
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