CN109347495B - 低位宽ad条件下提高数字信号传输精度的系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了低位宽AD条件下提高数字信号传输精度的系统及方法，系统包括顺次连接的数据处理模块、预失真模块、DA模块、功率放大器模块、AD模块和数据恢复模块；还包括与预失真模块和AD模块输出端连接的参数计算模块；数据处理模块的信号输入端作为系统的信号输入端，数据恢复模块的信号输出端作为系统的信号输出端。本发明在AD有效位宽有限的条件下，可以进一步提高数字信号的传输精确度，获得高位宽AD才可能达到的效果。

Description

低位宽AD条件下提高数字信号传输精度的系统及方法
技术领域
本发明属于通信技术领域，具体涉及一种低位宽AD条件下提高数字信号传输精度的系统及方法。
背景技术
在现代通信系统中，DA、AD过程是数字信号常见的处理环节，因为模拟信号相对于数字信号更容易受到干扰，所以当原始数字信号完成DA转换后，模拟信号在传输过程中往往会产生畸变，导致信号经AD转换后，恢复的数字信号与原始数字信号存在一定的误差。因此，在实际的DA、AD处理过程中，DA的数据位宽一般较高(例如，一个数据由16位二进制码表示)，而AD的数据位宽较低(例如，一个数据由12位二进制码表示)，在复杂通信系统中，由于干扰因素较多，AD的有效位宽往往比AD模块提供的位宽还要小。
在通信系统中，常常需要对一些通信模块进行建模，为了获得精确的模型参数，就要求所采集数据具有较高的精确度，而现实的AD模块位宽以及环境条件，限制了高精度数据的采集。
在无线通信系统中，功率放大器(Power Amplifier，PA)对整个系统性能起着至关重要的作用。理想功放可以对输入信号进行线性放大，但实际功放的输入和输出信号之间并不具有线性关系，而是产生了非线性失真，并引入了一定的记忆性，即输出信号不仅与当前时刻的输入信号有关，还受到以前多个时刻的输入信号影响，如图1所示。为了解决功率放大器的非线性失真问题，目前常采用数字预失真(Digital Predistortion，DPD)技术。
DPD技术的关键是在基带采集PA的输入、输出数据，并依据采集数据对PA进行建模。因此，采集数据的精确度越高，建立的PA模型就越接近实际的功率放大器。PA的输入数据在基带就是DA转换前的数字信号，而在基带的PA输出数据，就是PA输出的少量耦合信号经反馈通道、AD转换后的数字信号。因此，DA、AD中数字信号的位宽就决定了所采集PA输入、输出数据的精度。一般情况下，PA输入信号的精度较容易提高，例如，经常采用16位宽的DA模块。而回传信号受到的干扰较多，即使采用高精度AD模块，实际产生作用的有效位宽也不多，例如，如果采用12位宽的AD模块，有效位宽接近10位。
由此可以看出，由于AD有效位宽有限，导致回传信号的精度不高，从而使PA模型参数不够精确。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供的低位宽AD条件下提高数字信号传输精度的系统及方法，解决了在现有技术中，由于AD有效位宽有限而导致的信号传输精度不高，进而使模型参数不够精确的问题。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：低位宽AD条件下提高数字信号传输精度的系统，其特征在于，包括数据处理模块、预失真模块、DA模块、功率放大器模块、AD模块、数据恢复模块和参数计算模块；
所述数据处理模块、预失真模块、DA模块、功率放大器模块、AD模块和数据恢复模块顺次连接；
所述预失真模块的第一信号输入端与数据处理模块的信号输出端连接，其第二信号输入端与参数计算模块的信号输出端连接；
所述预失真模块的信号输出端还与参数计算模块的第一信号输入端连接，所述AD模块的信号输出端还与参数计算模块的第二信号输入端连接；
所述数据处理模块的信号输入端作为系统的信号输入端，所述数据恢复模块的信号输出端作为系统的信号输出端。
进一步地，
所述数据处理模块将输入的高精度信号分解成若干个低精度信号，并将若干个低精度信号分别传输至预失真模块；
所述DA模块用于对低精度信号进行数模转换；
所述功率放大器模块具备记忆非线性特征，用于将DA模块输出的信号进行放大，一部分输出信号由天线发射，另一部分经过耦合回传至AD模块；
所述AD模块用于对功率放大器模块输出的耦合回传信号进行模数转换；
所述数据恢复模块用于将AD模块转换后的若干个低精度数字信号相乘，恢复原始输入的高精度数字信号；
所述参数计算模块用于采集功率放大器模块前后的数字信号，运用预失真算法提取预失真参数；
所述预失真模块利用参数计算模块提取的预失真参数，对数据处理模块输出的若干个低精度信号进行预失真处理。
进一步地，所述数据处理模块包括顺次连接的符号与幅值分离单元、数据分解单元、数据合并单元和归一化单元；
所述符号与幅值分离单元的信号输入端作为系统的信号输入端，所述归一化单元的信号输出端作为数据处理模块的信号输出端。
进一步地，所述数据恢复模块包括顺次连接的数据拆分单元和乘法操作单元；
所述数据拆分单元作为数据恢复模块的信号输入端与AD模块的信号输出端连接；所述乘法操作单元的信号输出端作为数据恢复模块的信号输出端。
低位宽AD条件下提高数字信号传输精度的方法，包括以下步骤：
S1、通过数据处理模块将输入的高精度数字信号分解为若干个低精度数字信号的乘积，并输出至预失真模块；
S2、通过预失真模块利用参数计算模块获取的预失真参数，对数据处理模块分解的若干个低精度信号进行预处理，其输出信号分别传输至参数计算模块和DA模块；
S3、通过DA模块将预失真模块处理后的数字信号转化为模拟信号；
S4、通过功率放大器模块将模拟信号进行放大处理，并将其输出信号耦合回传至AD模块；
S5、通过AD模块对功率放大器模块输出的耦合回传信号进行模数转换，其输出信号分别传输至数据恢复模块和参数计算模块；
S6、根据输入至参数计算模块的两路信号，参数计算模块计算预失真模块所需要的预失真参数；
S7、通过数据恢复模块将接收到的信号拆分为若干个低精度信号，并进行乘法操作，恢复原始高精度数字信号并输出。
进一步地，所述步骤S1具体为：
S11、建立查找表，并设置为以输入信号的幅值进行检索；
S12、将高精度数字信号输入至数据处理模块，并通过符号与幅值分离单元将其数据符号和幅值进行分离；
S13、在数据分解单元，用输入信号的幅值作为索引值，在查找表中检索对应的若干个分解项；
S14、通过数据合并单元，将若干个分解项和数据符号合并为一个数据流，通过归一化单元处理，将处理后的信号输出至预失真模块的第一信号输入端。
进一步地，所述步骤S7具体为：
S71、通过数据拆分单元将经由AD模块的输入信号进行拆分，分离出信号的符号位和若干个低精度信号；
S72、将分离后的符号位和若干个低精度信号均输入至乘法操作单元，进行信号相乘运算，恢复原始高精度数字信号并输出。
本发明的有益效果为：本发明提供的低位宽AD条件下提高数字信号传输精度的系统及方法，在AD有效位宽有限的条件下，可以进一步提高数字信号的传输精确度，获得高位宽AD才可能达到的效果。
附图说明
图1为本发明背景技术中记忆非线性功放输出幅度图。
图2为本发明提供的实施例中低位宽AD条件下提高数字信号传输精度的系统结构图。
图3为数据处理模块结构示意图。
图4为数据恢复模块结构示意图。
图5为本发明提供的实施例中低位宽AD条件下提高数字信号传输精度的方法流程图。
图6为本发明提供的实施例中数据处理模块数据处理方法流程图。
图7为本发明提供的实施例中信号归一化幅度为0.54时的功率谱对比图。
图8为本发明提供的实施例中信号归一化幅度为0.57时的功率谱对比图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
如图2所示，低位宽AD条件下提高数字信号传输精度的系统，包括数据处理模块、预失真模块、DA模块、功率放大器模块、AD模块、数据恢复模块和参数计算模块；
其中，数据处理模块、预失真模块、DA模块、功率放大器模块、AD模块和数据恢复模块顺次连接；预失真模块的第一信号输入端与数据处理模块的信号输出端连接，其第二信号输入端与参数计算模块的信号输出端连接；预失真模块的信号输出端还与参数计算模块的第一信号输入端连接，AD模块的信号输出端还与参数计算模块的第二信号输入端连接；数据处理模块的信号输入端作为系统的信号输入端，数据恢复模块的信号输出端作为系统的信号输出端。
上述数据处理模块将输入的高精度信号分解成若干个低精度信号，并将若干个低精度信号分别传输至预失真模块；
DA模块用于对低精度信号进行数模转换；
功率放大器模块具备记忆非线性特征，用于将DA模块输出的信号进行放大，其输出带有较多的频带外杂散信号，其绝大部分输出信号由天线发射，少部分输出经过耦合回传至AD模块；
AD模块用于对功率放大器模块输出的耦合回传信号进行模数转换；
数据恢复模块用于将AD模块转换后的若干个低精度数字信号相乘，恢复原始输入的高精度数字信号；
参数计算模块用于采集功率放大器模块前后的数字信号，运用预失真算法提取预失真参数；
预失真模块利用参数计算模块提取的预失真参数对数据处理模块输出的若干个低精度信号进行预失真处理。
如图3所示，上述数据处理模块包括顺次连接的符号与幅值分离单元、数据分解单元、数据合并单元和归一化单元；符号与幅值分离单元的信号输入端作为系统的信号输入端，所述归一化单元的信号输出端作为数据处理模块的信号输出端。
如图4所示，数据恢复模块包括顺次连接的数据拆分单元和乘法操作单元；数据拆分单元作为数据恢复模块的信号输入端与AD模块的信号输出端连接；乘法操作单元的信号输出端作为数据恢复模块的信号输出端。
在本发明的一个实施例中，如图5所示，还提供了低位宽AD条件下提高数字信号传输精度的方法，包括以下步骤：
S1、通过数据处理模块将输入的高精度数字信号分解为若干个低精度数字信号的乘积，并输出至预失真模块。
如图6所示，上述步骤S1具体为：
S11、建立查找表，并设置为以输入信号的幅值进行检索。
上述步骤S11中建立的查找表用于存储不同输入信号的分解项。
S12、将高精度数字信号输入至数据处理模块，并通过符号与幅值分离单元将其数据符号和幅值进行分离。
S13、在数据分解单元，用输入信号的幅值作为索引值，在查找表中检索对应的若干个分解项。
对应的若干个分解项可以记为data_1、data_2、…、data_n，其中，n为分解项的个数。
S14、通过数据合并单元，将若干个分解项和数据符号合并为一个数据流，并通过归一化单元处理，将处理后的信号v(n)输出至预失真模块的第一信号输入端。
在进行DA转换前，将高精度数字信号转换为若干个低精度数字信号的乘积(例如：1个16位宽数字信号可以分解为2个8位宽数字信号的乘积)，使各数据的位宽大幅减小，这就大幅降低了对AD位宽的要求，采用常规AD模块就能对低位宽数据实现精确恢复，从而保证了参数计算模块对PA模型参数的精确提取，让数据恢复模块的输出信号更接近于原始高精度数字信号，提高了数字信号的传输精度。
S2、通过预失真模块利用参数计算模块获取的预失真参数，对数据处理模块分解的若干个低精度信号进行预处理，其输出信号u(n)分别传输至参数计算模块和DA模块。
S3、通过DA模块将预失真模块处理后的数字信号转化为模拟信号。
S4、通过功率放大器模块将模拟信号进行放大处理，并将其输出信号耦合回传至AD模块。
S5、通过AD模块对功率放大器模块输出的耦合回传信号进行模数转换，其输出信号y(n)分别传输至数据恢复模块和参数计算模块。
S6、根据输入至参数计算模块的两路信号y(n)和u(n)，参数计算模块计算预失真模块所需要的预失真参数。
在上述预失真模块到参数计算模块的数据信号处理过程中，在信号预失真处理时，要处理的信号已不再是高精度数字信号，而是分解后的低精度数字信号，因此，对所采用预失真参数提取算法的性能要求不高，而且降低了对AD位宽的要求，更容易实现y(n)和v(n)之间的线性化，当y(n)和v(n)之间的线性化程度较高时，必然导致最终输出信号z(n)与原始输入信号x(n)之间有较高的线性度。
S7、通过数据恢复模块将接收到的信号拆分为若干个低精度信号，并进行乘法操作，恢复原始高精度数字信号并输出。
上述步骤S7具体为：
S71、通过数据拆分单元将经由AD模块的输入信号y(n)进行拆分，分离出信号的符号位和若干个低精度信号；
其中，若干个低位宽数字信号为data_1、data_2、…、data_n。
S72、将分离后的符号位和若干个低精度信号均输入至乘法操作单元，进行信号相乘运算，恢复原始高精度数字信号并输出。
在本发明的一个实施例中，还提供了一个通过本发明方法提高数字信号传输精度的实例：
进行系统中部分组成模块的参数设置：
(1)本实施例中的功率放大器模型为：
参数：
c10＝1.0513+0.0904j c30＝-0.0542-0.2900j c50＝-0.9657-0.7028j
c11＝-0.0680-0.0023j c31＝0.2234+0.2317j c51＝-0.2451-0.3735j
c12＝0.0289-0.0054j c32＝-0.0621-0.0932j c52＝0.1229+0.1508j
(2)将高精度输入数字信号分解为两个位宽为8的低精度数字信号，其中，设置的输入信号查找表由3列构成，第1列是索引值，代表输入信号的幅值；第2、3列代表两个分解后的8位宽数字信号，如表1所示，因此，DA位宽≥8即可；
(3)因为12位宽AD在实际中应用较多，且由于噪声的影响，其有效位宽往往只有约10位，所以，设置AD位宽为10；
(4)在参数计算模块中，提取预处理参数的方法为RLS算法。
由于传输的数字信号由0、1表示，为了便于观察，在构建查找表时均转化为10进制数，对于各个10进制数与具体物理量的对应关系，需要按照不同的位宽进行换算。例如，对于位宽是8的数字信号，如果其满值的归一化幅值为1，那么每变化一个量化单位，其代表的幅值变化就是1/28，如果查到的表项值是9，对应的归一化幅值就是9×1/28＝3.515625×10-2，而对应的二进制数就是00001001。
在查找表中，如果某个数无法用两个8位二进制数的乘积精确表示，就用最接近数分解的两个二进制数代替，如表1中索引值为97的情况。
表1：查找表
具体结果如图7、图8所示，在图7中，输入信号的归一化幅度是0.54，可以看出，采用常规RLS算法后，DPD可以较大幅度抑制杂散输出，改善输出信号的线性度，同时还可以看到，由于回传信号的精确度更高，本发明方法比常规RLS算法能获得更大的杂散抑制效果，杂散抑制能力进一步提高超10dB。在图8中，输入信号的归一化幅度是0.57，由图可以看出，由于幅度变大，输出信号中的杂散分量进一步增加，常规RLS算法对杂散的抑制效果减弱(杂散抑制能力劣化约8dB)，而本发明方法仍能保持较强的杂散抑制能力，使其相对于常规RLS算法的改善效果，进一步提高了约20dB。
另一方面，通过计算输出相对于输入的归一化均方误差(Normalized MeanSquared Error，NMSE)，可以进一步看出数字信号的传输精度，结果如表2所示，其中，10位AD是指其有效位宽。由表2可以看出，当信号幅度较小时，常规方法的恢复信号可获得较好的精确度，相对于不采用DPD技术的情况，NMSE提高了约14dB(-51.11-(-36.68)＝-14.43dB)；而此时本发明方法的NMSE改善了约28dB(-64.65-(-36.68)＝-27.97dB)。当归一化信号幅度提高到0.57时，常规方法的NMSE仅有接近5dB的改善，而本发明的NMSE仍能保持较好的改善能力。
表2：不同方法的NMSE对比
输入信号归一化幅度 不进行DPD 常规方法采用10位AD 本发明采用10位AD
0.54 -36.68dB -51.11dB -64.65dB
0.57 -35.27dB -39.85dB -64.58dB
本发明的有益效果为：本发明提供的低位宽AD条件下提高数字信号传输精度的系统及方法，在AD有效位宽有限的条件下，可以进一步提高数字信号的传输精确度，获得高位宽AD才可能达到的效果。

Claims (6)

1.低位宽AD条件下提高数字信号传输精度的系统，其特征在于，包括数据处理模块、预失真模块、DA模块、功率放大器模块、AD模块、数据恢复模块和参数计算模块；
所述数据处理模块、预失真模块、DA模块、功率放大器模块、AD模块和数据恢复模块顺次连接；
所述预失真模块的第一信号输入端与数据处理模块的信号输出端连接，其第二信号输入端与参数计算模块的信号输出端连接；
所述预失真模块的信号输出端还与参数计算模块的第一信号输入端连接，所述AD模块的信号输出端还与参数计算模块的第二信号输入端连接；
所述数据处理模块的信号输入端作为系统的信号输入端，所述数据恢复模块的信号输出端作为系统的信号输出端；
所述数据处理模块将输入的高精度信号分解成若干个低精度信号，并将若干个低精度信号分别传输至预失真模块；
所述DA模块用于对低精度信号进行数模转换；
所述功率放大器模块具备记忆非线性特征，用于将DA模块输出的信号进行放大，一部分输出信号由天线发射，另一部分经过耦合回传至AD模块；
所述AD模块用于对功率放大器模块输出的耦合回传信号进行模数转换；
所述数据恢复模块用于将AD模块转换后的若干个低精度数字信号相乘，恢复原始输入的高精度数字信号；
所述参数计算模块用于采集功率放大器模块前后的数字信号，运用预失真算法提取预失真参数；
所述预失真模块利用参数计算模块提取的预失真参数，对数据处理模块输出的若干个低精度信号进行预失真处理。
2.根据权利要求1所述的低位宽AD条件下提高数字信号传输精度的系统，其特征在于，所述数据处理模块包括顺次连接的符号与幅值分离单元、数据分解单元、数据合并单元和归一化单元；
所述符号与幅值分离单元的信号输入端作为系统的信号输入端，所述归一化单元的信号输出端作为数据处理模块的信号输出端。
3.根据权利要求1所述的低位宽AD条件下提高数字信号传输精度的系统，其特征在于，所述数据恢复模块包括顺次连接的数据拆分单元和乘法操作单元；
所述数据拆分单元作为数据恢复模块的信号输入端与AD模块的信号输出端连接；所述乘法操作单元的信号输出端作为数据恢复模块的信号输出端。
4.低位宽AD条件下提高数字信号传输精度的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、通过数据处理模块将输入的高精度数字信号分解为若干个低精度数字信号的乘积，并输出至预失真模块；
S2、通过预失真模块利用参数计算模块获取的预失真参数，对数据处理模块分解的若干个低精度信号进行预处理，其输出信号分别传输至参数计算模块和DA模块；
S3、通过DA模块将预失真模块处理后的数字信号转化为模拟信号；
S4、通过功率放大器模块将模拟信号进行放大处理，并将其输出信号耦合回传至AD模块；
S5、通过AD模块对功率放大器模块输出的耦合回传信号进行模数转换，其输出信号分别传输至数据恢复模块和参数计算模块；
S6、根据输入至参数计算模块的两路信号，参数计算模块计算预失真模块所需要的预失真参数；
S7、通过数据恢复模块将接收到的信号拆分为若干个低精度信号，并进行乘法操作，恢复原始高精度数字信号并输出。
5.根据权利要求4所述的低位宽AD条件下提高数字信号传输精度的方法，其特征在于，所述步骤S1具体为：
S11、建立查找表，并设置为以输入信号的幅值进行检索；
S12、将高精度数字信号输入至数据处理模块，并通过符号与幅值分离单元将其数据符号和幅值进行分离；
S13、在数据分解单元，用输入信号的幅值作为索引值，在查找表中检索对应的若干个分解项；
S14、通过数据合并单元，将若干个分解项和数据符号合并为一个数据流，通过归一化单元处理，将处理后的信号输出至预失真模块的第一信号输入端。
6.根据权利要求4所述的低位宽AD条件下提高数字信号传输精度的方法，其特征在于，所述步骤S7具体为：
S71、通过数据拆分单元将经由AD模块的输入信号进行拆分，分离出信号的符号位和若干个低精度信号；
S72、将分离后的符号位和若干个低精度信号均输入至乘法操作单元，进行信号相乘运算，恢复原始高精度数字信号并输出。
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