CN109756197A - 一种具有非线性失真补偿的通信系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有非线性失真补偿的通信系统及方法，所述通信系统包括：预失真器和功率放大器；所述预失真器的输入端与输入信号连接，所述预失真器的输出端与所述功率放大器的输入端连接；所述功率放大器用于对所述预失真器输出的信号进行放大处理，在放大处理的过程中会引发对输入信号的失真；所述预失真器用于补偿所述功率放大器对输入信号引入的失真，以使所述功率放大器输出的信号保持所述输入信号原有的线性度。本发明所述的通信系统解决了高功率放大器由于幅度、相位及记忆效应综合作用产生的非线性失真，该通信系统的输出信号不会改变输入信号的线性度，该系统具有线性度高、频谱效率高、抗窄带干扰和多径衰落能力强以及复杂度低等优点。

Description

一种具有非线性失真补偿的通信系统及方法

技术领域

本发明涉及通信数据处理技术领域，具体涉及一种具有非线性失真补偿的通信系统及方法。

背景技术

无线通信区别于有线通信，即在不同地址、利用电磁波及其他设备进行信号的传播。随着无线通信技术的不断发展，4G通信网络已经被人们广泛使用。基于正交频分复用OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)的4G通信技术是一种使用多个载波共同传送信息的方法，该方法通过恰当地选择子载波的距离，使子载波之间保持相交性，这样虽然在频谱上重叠，在接收端的信号不会出现失真。OFDM技术具有频谱利用率高、调制/解调灵活、抗选择性衰落和窄带干扰能力强的优点，能够实现非对称性传输。

但是，由于OFDM技术对频谱偏差极为敏感，在信号传输过程中，OFDM系统子载波间的正交性可能遭到频谱偏移或者相位噪声的破坏，引起信道间干扰；此外，OFDM系统的输出是各子载波携带信息的加和，在多个信号的相位相同时，尤其在发送端使用高功率放大器时，输出瞬时功率就会远远高于各信号的平均功率，可能会造成信号畸变导致失真，同时降低放大器的效率。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种具有非线性失真补偿的通信系统及方法。

为实现以上目的，本发明采用如下技术方案：一种具有非线性失真补偿的通信系统，其特征在于，包括：

预失真器和功率放大器；

其中，所述预失真器的输入端与输入信号连接，所述预失真器的输出端与所述功率放大器的输入端连接；

所述功率放大器用于对所述预失真器输出的信号进行放大处理，在放大处理的过程中会引发对输入信号的失真；

所述预失真器用于补偿所述功率放大器对输入信号引入的失真，以使所述功率放大器输出的信号保持所述输入信号原有的线性度。

可选的，所述功率放大器是采用基于维纳模型的高功率放大器。

可选的，所述预失真器是基于Hammerstein模型的预失真器。

可选的，所述功率放大器包括：速调管放大器、行波管放大器和/或场效应管放大器。

本发明还提供了一种具有非线性失真补偿的方法，包括：

对功率放大器进行维纳建模，并求取维纳模型中的未知参数；

利用哈默斯坦模型构建预失真器；

将预失真器的输出端连接功率放大器的输入端，以使输入信号在进入功率放大器前，先通过预失真器处理，完成对输入信号的补偿，以使所述功率放大器输出的信号保持所述输入信号原有的线性度。

可选的，所述对功率放大器进行维纳建模，并求取维纳模型中的未知参数，包括：

利用PSO算法或MPSO算法进行迭代，求取得到维纳模型的未知参数。

可选的，所述利用PSO算法进行迭代，求取得到维纳模型的未知参数，包括：

S1：指定群大小S、搜索空间θ和最大迭代次数L_max，在速度空间V中，随机初始化粒子的位置和每个粒子群的初始速度；

S2：使用式(1)计算每个粒子的新速度，如果检查后发现速度不在速度空间V中，则设定速度为0.5*rand*v_i,max；

其中，pb^l(m)为运动中粒子m访问的最佳位置，gb^l为整个群访问的最佳位置，v^l(m)表示粒子m第l次迭代的速度，v^l+1(m)表示粒子m第l+1次迭代的速度，I_ω表示惯性权重，rand是[0,1]中均匀分布的随机数，c₁和c₂表示两个加速度系数；

S3：使用式(2)计算每个粒子的新位置，并检查位置是否在搜索空间内，如果新位置小于θ_i,min，那么就将新位置设为θ_i,min，如果新位置大于θ_i,max，那么就将新位置设为θ_i,max；

S4：计算新位置的成本函数并在此基础上找到与每个粒子相关联的个人最佳；

S5：最多重复执行S2-S4 L_max次，直到找到全局最佳，全局最佳对应的参数值为维纳模型的未知参数的取值。

可选的，所述利用哈默斯坦模型构建预失真器，包括：

根据式(3)计算预失真器的线性滤波器的传递函数G(z)；

G(z)·H(z)＝z^-τ 式(3)

其中，H(z)是维纳模型线性滤波器的传递函数；

式(3)中的g_i代表预失真器的线性滤波器系数，τ是时滞。

可选的，在构建完成预失真器之后，还包括：对预失真器的振幅和相位进行修正。

可选的，所述对预失真器的振幅和相位进行修正，包括：

利用第一修正方程对预失真器的振幅进行修正，利用第二修正方程对预失真器的相位函数进行修正。

本发明采用以上技术方案，所述具有非线性失真补偿的通信系统通过采用在功率放大器前设置预失真器，所述预失真器用于补偿所述功率放大器对输入信号引入的失真，以使所述功率放大器输出的信号保持所述输入信号原有的线性度；该通信系统解决了高功率放大器由于幅度、相位及记忆效应综合作用产生的非线性失真，该通信系统的输出信号不会改变输入信号的线性度，该通信系统具有线性度高、频谱效率高、抗窄带干扰和多径衰落能力强以及复杂度低等优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明具有非线性失真补偿的通信系统的一种实施方式提供的结构示意图；

图2是本发明具有非线性失真补偿方法的一种实施方式提供的流程示意图；

图3是利用PSO算法求取维纳模型的未知参数的流程示意图。

图中：1、预失真器；2、功率放大器。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。

图1是本发明具有非线性失真补偿的通信系统的一种实施方式提供的结构示意图。

如图1所示，本实施例所述的通信系统包括：

预失真器1和功率放大器2；

其中，所述预失真器1的输入端与输入信号x(n)连接，所述预失真器1的输出端与所述功率放大器2的输入端连接；

所述功率放大器2用于对所述预失真器1输出的信号进行放大处理，在放大处理的过程中会引发对输入信号x(n)的失真；

所述预失真器1用于补偿所述功率放大器2对输入信号x(n)引入的失真，以使所述功率放大器2输出的信号y(n)保持所述输入信号x(n)原有的线性度。

进一步的，所述功率放大器2是采用基于维纳模型的高功率放大器。

进一步的，所述预失真器1是基于Hammerstein模型的预失真器。

进一步的，所述功率放大器2包括：速调管放大器、行波管放大器和/或场效应管放大器。

本实施例所述的具有非线性失真补偿的通信系统通过采用在功率放大器2前设置预失真器1，所述预失真器1用于补偿所述功率放大器2对输入信号引入的失真，以使所述功率放大器2输出的信号保持所述输入信号原有的线性度；该通信系统解决了高功率放大器由于幅度、相位及记忆效应综合作用产生的非线性失真，该通信系统的输出信号不会改变输入信号的线性度，该通信系统具有线性度高、频谱效率高、抗窄带干扰和多径衰落能力强以及复杂度低等优点。

图2是本发明具有非线性失真补偿的方法的一种实施方式提供的流程示意图。

如图2所示，本实施例所述的非线性失真补偿方法包括：

S21：对功率放大器进行维纳建模，并求取维纳模型中的未知参数；

S22：利用哈默斯坦模型构建预失真器；

S23：利用构建出的预失真器对功率放大器进行补偿；

具体的，将预失真器的输出端连接功率放大器的输入端，以使输入信号在进入功率放大器前，先通过预失真器处理，完成对输入信号的补偿，以使所述功率放大器输出的信号保持所述输入信号原有的线性度。

进一步的，所述对功率放大器进行维纳建模，并求取维纳模型中的未知参数，包括：

利用PSO算法或MPSO算法进行迭代，求取得到维纳模型的未知参数。

如图3所示，所述利用PSO算法进行迭代，求取得到维纳模型的未知参数，包括：

S1：指定群大小S、搜索空间θ和最大迭代次数L_max，在速度空间V中，随机初始化粒子的位置和每个粒子群的初始速度；

S2：使用式(1)计算每个粒子的新速度，如果检查后发现速度不在速度空间V中，则设定速度为0.5*rand*v_i,max；

其中，pb^l(m)为运动中粒子m访问的最佳位置，gb^l为整个群访问的最佳位置，v^l(m)表示粒子m第l次迭代的速度，v^l+1(m)表示粒子m第l+1次迭代的速度，I_ω表示惯性权重，rand是[0,1]中均匀分布的随机数，c₁和c₂表示两个加速度系数；

S3：使用式(2)计算每个粒子的新位置，并检查位置是否在搜索空间内，如果新位置小于θ_i,min，那么就将新位置设为θ_i,min，如果新位置大于θ_i,max，那么就将新位置设为θ_i,max；

S4：计算新位置的成本函数并在此基础上找到与每个粒子相关联的个人最佳；

具体的，所述成本函数为：

其中，e(n)为期望输出y(n)与维纳模型实际输出之间的误差，

通过定义下列优化问题的解来估计真实参数向量θ，

其中，搜索空间为

真正的参数θ是搜索空间的一个元素。成本函数是一个非线性函数，具有局部极小值。

S5：最多重复执行S2-S4 L_max次，直到找到全局最佳，全局最佳对应的参数值为维纳模型的未知参数的取值。

可以理解的是，利用MPSO算法进行迭代，也可求取得到维纳模型的未知参数，过程参照利用PSO算法进行求解的步骤，在此不再赘述。

进一步的，所述利用哈默斯坦模型构建预失真器，包括：

根据式(3)计算预失真器的线性滤波器的传递函数G(z)；

G(z)·H(z)＝z^-τ 式(3)

其中，H(z)是维纳模型线性滤波器的传递函数；

式(3)中的g_i代表预失真器的线性滤波器系数，τ是时滞。

利用哈默斯坦模型(Hammerstein模型)构建预失真器，因为哈默斯坦模型代表了维纳模型的逆形式。更准确地说，Hammerstein模型的线性滤波器是辨识的维纳功放模型的线性滤波器的逆，而且被估计的维纳模型的逆非线性用来实现Hammerstein模型的非线性。

可选的，在构建完成预失真器之后，还包括：对预失真器的振幅和相位进行修正。

可选的，所述对预失真器的振幅和相位进行修正，包括：

利用第一修正方程对预失真器的振幅进行修正，利用第二修正方程对预失真器的相位函数进行修正。

设r(n)表示输入信号x(n)的振幅。考虑预失真器非线性的幅值增益函数为P(r)，这意味着无记忆非线性的振幅预失真函数是输入幅值(r)和预失真器的幅值增益函数的乘积，以及相应的相位预失真函数Ω(r)。

根据维纳模型(行波管放大器)引入的非线性幅值失真和相位失真表达式，得到了第一修正方程和第二修正方程，

其中，维纳模型引入的非线性幅值失真表达式为：

非线性相位失真表达式为：

其中，t＝[α_a β_a α_φ β_φ]^T代表行波管非线性的参数向量。r是无记忆非线性输入的振幅，r_sat是饱和输入并且A_max是输入饱和幅度，α_α和β_α是常数，饱和输入和输出饱和的表达式可以给出如下：

即振幅预失真函数所需的修正方程(第一修正方程)为：

A(r.P(r))＝r,r.P(r)≤r_sat 式(6)

用式(4)展开式(6)并给出两个解，并以较小的解作为所需的幅值增益函数。当r>A_max时，不可能得到A(r.P(r))＝r，因此在这种情况下，P(r)被设为1。因此，对应的幅值增益函数是

其次，再从式(5)中得到预失真器相位函数的修正方程(第二修正方程)，即

Ω(r)+φ(r.P(r))＝0

预失真器相位畸变的表达式是：

然后，利用第一修正方程对预失真器的振幅进行修正，利用第二修正方程对预失真器的相位函数进行修正，得到修正后的预失真器。

本实施例所述的补偿方法处理过程简单，运算复杂度低，能够解决通信系统中功率放大器由于幅度、相位及记忆效应综合作用产生的非线性失真，该补偿方法能够使输入信号经过功率放大后也不会发生振幅和相位的非线性变化，使输出信号保持输入信号的线性度，有利于使通信系统具有更好的线性度、频谱效率以及抗窄带干扰能力。

可以理解的是，上述各实施例中相同或相似部分可以相互参考，在一些实施例中未详细说明的内容可以参见其他实施例中相同或相似的内容。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是指至少两个。

流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。

本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。

此外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。

上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种具有非线性失真补偿的通信系统，其特征在于，包括：

预失真器和功率放大器；

其中，所述预失真器的输入端与输入信号连接，所述预失真器的输出端与所述功率放大器的输入端连接；

所述功率放大器用于对所述预失真器输出的信号进行放大处理，在放大处理的过程中会引发对输入信号的失真；

所述预失真器用于补偿所述功率放大器对输入信号引入的失真，以使所述功率放大器输出的信号保持所述输入信号原有的线性度。

2.根据权利要求1所述的通信系统，其特征在于，所述功率放大器是采用基于维纳模型的高功率放大器。

3.根据权利要求1所述的通信系统，其特征在于，所述预失真器是基于Hammerstein模型的预失真器。

4.根据权利要求1至3任一项所述的通信系统，其特征在于，所述功率放大器包括：速调管放大器、行波管放大器和/或场效应管放大器。

5.一种具有非线性失真补偿的方法，其特征在于，包括：

对功率放大器进行维纳建模，并求取维纳模型中的未知参数；

利用哈默斯坦模型构建预失真器；

将预失真器的输出端连接功率放大器的输入端，以使输入信号在进入功率放大器前，先通过预失真器处理，完成对输入信号的补偿，以使所述功率放大器输出的信号保持所述输入信号原有的线性度。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述对功率放大器进行维纳建模，并求取维纳模型中的未知参数，包括：

利用PSO算法或MPSO算法进行迭代，求取得到维纳模型的未知参数。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述利用PSO算法进行迭代，求取得到维纳模型的未知参数，包括：

S1：指定群大小S、搜索空间θ和最大迭代次数L_max，在速度空间V中，随机初始化粒子的位置和每个粒子群的初始速度；

S2：使用式(1)计算每个粒子的新速度，如果检查后发现速度不在速度空间V中，则设定速度为0.5*rand*v_i,max；

其中，pb^l(m)为运动中粒子m访问的最佳位置，gb^l为整个群访问的最佳位置，v^l(m)表示粒子m第l次迭代的速度，v^l+1(m)表示粒子m第l+1次迭代的速度，I_ω表示惯性权重，rand是[0,1]中均匀分布的随机数，c₁和c₂表示两个加速度系数；

S3：使用式(2)计算每个粒子的新位置，并检查位置是否在搜索空间内，如果新位置小于θ_i,min，那么就将新位置设为θ_i,min，如果新位置大于θ_i,max，那么就将新位置设为θ_i,max；

S4：计算新位置的成本函数并在此基础上找到与每个粒子相关联的个人最佳；

S5：最多重复执行S2-S4L_max次，直到找到全局最佳，全局最佳对应的参数值为维纳模型的未知参数的取值。

8.根据权利要求5至7任一项所述的方法，其特征在于，所述利用哈默斯坦模型构建预失真器，包括：

根据式(3)计算预失真器的线性滤波器的传递函数G(z)；

G(z)·H(z)＝z^-τ 式(3)

其中，H(z)是维纳模型线性滤波器的传递函数；

式(3)中的g_i代表预失真器的线性滤波器系数，τ是时滞。

9.根据权利要求6至8任一项所述的方法，其特征在于，在构建完成预失真器之后，还包括：对预失真器的振幅和相位进行修正。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述对预失真器的振幅和相位进行修正，包括：

利用第一修正方程对预失真器的振幅进行修正，利用第二修正方程对预失真器的相位函数进行修正。