CN110166007A - 基于超前项模型的宽带功率放大器数字预失真系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于超前项模型的宽带功率放大器数字预失真系统及方法，所述的宽带功率放大器预失真系统包括基于超前项的数字预失真模块、数模转换器、上变频器、功率放大器、有限带宽反馈回路、模数转换器以及模型提取模块。本发明还公开了基于超前项模型的宽带功率放大器预失真方法，利用基于超前项的功率放大器模型，以及非常有限的反馈回路带宽，实现了宽带功率放大器的预失真，获得了良好的线性化效果，极大地减轻了对于宽带功率放大器预失真处理时反馈回路的实现负担，在未来5G宽带系统中具有广阔的应用和发展前景。
Description
技术领域
本发明属于数字预失真处理技术，具体涉及有限反馈回路带宽场景下，基于超前项模型的宽带功率放大器的数字预失真系统及其方法。
背景技术
在第五代移动通信系统(5G)中，对数据速率以及能量效率提出了很高的要求，一方面，为了实现高能量效率的通信，作为通信系统中关键的器件，功率放大器，需要工作在高效率状态，而这不可避免地会引入非线性失真以及记忆效应失真的现象。为了保证功率放大器高效率的同时提升其线性度，通常会采用数字预失真技术。另一方面，为了提高数据速率，会引入大带宽传输技术，这会给传统的数字预失真技术带来困难，主要体现在，传统数字预失真的反馈回路需要有3-5倍的传输信号带宽，而在大带宽传输技术的场景下，难以设计具有3-5倍于大带宽信号带宽的反馈回路。
因此，亟须开发一种能够以有限反馈回路带宽，实现宽带功率放大器预失真的系统及其方法，解决上述未来5G系统中的技术困难。
发明内容
发明目的：针对上述现有技术的不足，本发明的第一目的是利用极其有限的反馈回路带宽，提供一种基于超前项模型的宽带功率放大器数字预失真系统，第二目的是提供一种基于超前项模型的宽带功率放大器数字预失真方法。
为达到此目的，本发明采用以下技术方案：
一种基于超前项模型的宽带功率放大器数字预失真系统，包括：
基于超前项的数字预失真模块：用于对基带输入宽带数字信号x(n)进行预失真处理，产生基带预失真数字信号u(n)；
数模转换器模块：用于将基带预失真数字信号u(n)转换成模拟信号；
上变频器模块：用于对数模转换器的输出信号进行上变频，使其达到功率放大器的工作频段；
功率放大器模块：用于对上变频器的输出信号进行放大并输出；
有限带宽反馈回路模块：利用有限的带宽，用于将功率放大器的输出信号反馈给模数转换器；
模数转换器模块：用于将有限带宽反馈回路反馈回的模拟信号转换为数字信号，得到基带功率放大器输出数字信号y(n)；
模型提取与性能评估模块：系统训练阶段中，根据基带输入宽带数字信号x(n)和基带功率放大器输出数字信号y(n)，提取基于超前项模型的数字预失真系数矩阵C，并将其送到基于超前项模型的数字预失真模块。系统运行阶段中，根据基带输入宽带数字信号x1(n)和基带功率放大器输出数字信号y1(n)评估系统性能。
系统训练阶段中，基带输入宽带数字信号x(n)直接送入数模转换器模块以及模型提取与性能评估模块。
系统运行阶段中，基带输入宽带数字信号x1(n)送入基于超前项的数字预失真模块以及模型提取与性能评估模块。
本发明所述的基于超前项模型的宽带功率放大器预失真方法，包括以下步骤：
(1)系统训练
S1.1、将基带输入宽带数字信号x(n)直接送入数模转换器模块，采集其经过数模转换器模块、上变频器模块、功率放大器模块、有限带宽反馈回路模块以及模数转换器模块后的基带功率放大器输出数字信号y(n)；
S1.2、在模型提取模块中，根据基带输入宽带数字信号x(n)以及基带功率放大器输出数字信号y(n)，提取基于超前项模型的数字预失真系数矩阵C；
S1.3、将S1.2步骤中得到的数字预失真系数矩阵C更新到基于超前项模型的数字预失真模块中；
(2)系统运行
S2.1、将基带输入宽带数字信号x1(n)送入基于超前项模型的数字预失真模块中，根据S1.3步骤中更新好的数字预失真系数矩阵C，生成基带预失真数字信号u1(n)；
S2.2、采集基带预失真数字信号u1(n)经过数模转换器模块、上变频器模块、功率放大器模块、有限带宽反馈回路模块、模数转换器模块后的基带功率放大器输出数字信号y1(n)，然后在模型提取与性能评估模块中，利用x1(n)和y1(n)间的非线性和记忆效应失真消除情况评估所提出的基于超前项模型的宽带功率放大器预失真系统及其方法的表现。
进一步，所述步骤S1.2具体包括以下步骤：
利用式(1)所示的带超前项的记忆多项式模型来对功率放大器的逆向特性进行建模，将基带输入宽带数字信号x(n)以及基带功率放大器输出数字信号y(n)按列排开，得到式(2)；
X＝YC (2)
其中，L为记忆多项式滞后项的最大记忆深度，R为记忆多项式超前项的最大记忆深度，N为记忆多项式的最高非线性阶数，cji为第j阶记忆、第i阶非线性在基于超前项的记忆多项式模型中的未知系数，y(n-j)为n-j时刻基带功率放大器输出数字信号的复数值，x(n)基带输入宽带数字信号，X为基带输入宽带数字信号按列排开得到的基带输入宽带数字信号矩阵；Y为基带功率放大器输出数字信号按列排开并对每一列进行非线性运算以及延时处理，再合并每一列后得到的基带功率放大器输出数字信号矩阵；C为数字预失真系数矩阵；
提取所述数字预失真系数矩阵C的表达式如下所示：
C＝(YHY)-1YHX(3)
进一步，所述步骤S2.1具体包括以下步骤：首先将基带输入宽带数字信号x1(n)按列排开，并对每一列进行非线性运算以及延时处理，再合并每一列后得到基带输入宽带数字信号矩阵X1，利用S1.3步骤中已经提取的数字预失真系数矩阵C对基带输入宽带数字信号矩阵X1进行处理，得到功率放大器的基带预失真数字信号矩阵U1＝X1C，然后按时间将矩阵U1展开，得到功率放大器的基带预失真数字信号u1(n)。
进一步，所述步骤S2.2具体包括以下步骤：采集基带预失真数字信号u1(n)经过数模转换器模块、上变频器模块、功率放大器模块、有限带宽反馈回路模块、模数转换器模块后的基带功率放大器输出数字信号y1(n)后，在模型提取与性能评估模块中，根据x1(n)和y1(n)，利用NMSE(归一化均方误差)指标评价预失真的效果，其表达式如下：
有益效果：本发明公开了一种基于超前项模型的宽带功率放大器预失真系统，利用基于超前项的功率放大器模型，以及非常有限的反馈回路带宽，实现了宽带功率放大器的预失真，获得了良好的线性化效果，极大地减轻了对于宽带功率放大器预失真处理时反馈回路的实现负担，在未来5G宽带系统中具有广阔的应用和发展前景。
附图说明
图1是本发明的系统框图；
图2是将发明具体实施方式的系统应用在基带输入宽带数字信号x(n)带宽为144MHz，峰均比为6.2dB，反馈回路带宽为160MHz，测试频点为3GHz的功率放大器场景下，得到的基带输入宽带数字信号x(n)和基带功率放大器输出数字信号y(n)的幅度随时间变化的曲线；
图3是将发明具体实施方式的系统应用在基带输入宽带数字信号x(n)带宽为144MHz，峰均比为6.2dB，反馈回路带宽为160MHz，测试频点为3GHz的功率放大器场景下，得到的基带输入宽带数字信号x(n)和基带功率放大器输出数字信号y(n)的功率谱密度曲线；
图4是将发明具体实施方式的系统应用在基带输入宽带数字信号x(n)带宽为144MHz，峰均比为6.2dB，反馈回路带宽为160MHz，测试频点为3GHz的功率放大器场景下，预失真前，基带输入宽带数字信号x(n)和基带功率放大器输出数字信号y(n)，以及预失真后，基带输入宽带数字信号x1(n)和基带功率放大器输出数字信号y1(n)的AM/AM曲线和AM/PM曲线。
图5是将发明具体实施方式的系统应用在基带输入宽带数字信号x(n)带宽为144MHz，峰均比为6.2dB，反馈回路带宽为160MHz，测试频点为3GHz的功率放大器场景下，预失真前，基带输入宽带数字信号x(n)和基带功率放大器输出数字信号y(n)，以及预失真后，基带输入宽带数字信号x1(n)和基带功率放大器输出数字信号y1(n)之间的幅度误差随时间变化的曲线。
具体实施方式
为了详细的说明本发明公开的技术方案，下面结合说明书附图及具体实施例做进一步的阐述。
一种基于超前项模型的宽带功率放大器数字预失真系统，该系统的结构如图1所示，在该系统训练阶段中，基带输入宽带数字信号x(n)直接送入数模转换器模块以及模型提取与性能评估模块。系统运行阶段中，基带输入宽带数字信号x1(n)送入基于超前项的数字预失真模块以及模型提取与性能评估模块。
具体的说，基于超前项的数字预失真模块：用于对基带输入宽带数字信号x(n)进行预失真处理，产生基带预失真数字信号u(n)；
数模转换器模块：用于将基带预失真数字信号u(n)转换成模拟信号；
上变频器模块：用于对数模转换器的输出信号进行上变频，使其达到功率放大器的工作频段；
功率放大器模块：用于对上变频器的输出信号进行放大并输出；
有限带宽反馈回路模块：利用有限的带宽，用于将功率放大器的输出信号反馈给模数转换器；
模数转换器模块：用于将有限带宽反馈回路反馈回的模拟信号转换为数字信号，得到基带功率放大器输出数字信号y(n)；
模型提取与性能评估模块：系统训练阶段中，根据基带输入宽带数字信号x(n)和基带功率放大器输出数字信号y(n)，提取基于超前项模型的数字预失真系数矩阵C，并将其送到基于超前项模型的数字预失真模块。系统运行阶段中，根据基带输入宽带数字信号x1(n)和基带功率放大器输出数字信号y1(n)评估系统性能。
实施上述系统的一种基于超前项模型的宽带功率放大器数字预失真方法，包括以下步骤：
(1)系统训练
S1.1、将基带输入宽带数字信号x(n)直接送入数模转换器模块，采集其经过数模转换器模块、上变频器模块、功率放大器模块、有限带宽反馈回路模块以及模数转换器模块后的基带功率放大器输出数字信号y(n)；
S1.2、在模型提取模块中，根据基带输入宽带数字信号x(n)以及基带功率放大器输出数字信号y(n)，提取基于超前项模型的数字预失真系数矩阵C；
S1.3、将S1.2步骤中得到的数字预失真系数矩阵C更新到基于超前项模型的数字预失真模块中；
(2)系统运行
S2.1、将基带输入宽带数字信号x1(n)送入基于超前项模型的数字预失真模块中，根据S1.3步骤中更新好的数字预失真系数矩阵C，生成基带预失真数字信号u1(n)；
S2.2、采集基带预失真数字信号u1(n)经过数模转换器模块、上变频器模块、功率放大器模块、有限带宽反馈回路模块、模数转换器模块后的基带功率放大器输出数字信号y1(n)，然后在模型提取与性能评估模块中，利用x1(n)和y1(n)间的非线性和记忆效应失真消除情况评估所提出的基于超前项模型的宽带功率放大器预失真系统及其方法的表现。
步骤S1.2具体包括以下步骤：
利用式(5)所示的带超前项的记忆多项式模型来对功率放大器的逆向特性进行建模，将基带输入宽带数字信号x(n)以及基带功率放大器输出数字信号y(n)按列排开，得到式(6)；
X＝YC (6)
其中，L为记忆多项式滞后项的最大记忆深度，R为记忆多项式超前项的最大记忆深度，N为记忆多项式的最高非线性阶数，cji为第j阶记忆、第i阶非线性在基于超前项的记忆多项式模型中的未知系数，y(n-j)为n-j时刻基带功率放大器输出数字信号的复数值，x(n)基带输入宽带数字信号，X为基带输入宽带数字信号按列排开得到的基带输入宽带数字信号矩阵；Y为基带功率放大器输出数字信号按列排开并对每一列进行非线性运算以及延时处理，再合并每一列后得到的基带功率放大器输出数字信号矩阵；C为数字预失真系数矩阵；
提取数字预失真系数矩阵C的表达式如下所示：
C＝(YHY)-1YHX (7)
步骤S2.1具体包括以下步骤：首先将基带输入宽带数字信号x1(n)按列排开，并对每一列进行非线性运算以及延时处理，再合并每一列后得到基带输入宽带数字信号矩阵X1，利用S1.3步骤中已经提取的数字预失真系数矩阵C对基带输入宽带数字信号矩阵X1进行处理，得到功率放大器的基带预失真数字信号矩阵U1＝X1C，然后按时间将矩阵U1展开，得到功率放大器的基带预失真数字信号u1(n)。
进一步，所述步骤S2.2具体包括以下步骤：采集基带预失真数字信号u1(n)经过数模转换器模块、上变频器模块、功率放大器模块、有限带宽反馈回路模块、模数转换器模块后的基带功率放大器输出数字信号y1(n)后，根据x1(n)和y1(n)，利用NMSE(归一化均方误差)指标评价预失真的效果，其表达式如下：
本发明的实施可以分为两个部分，系统训练过程与系统运行过程。
1、系统训练的过程：
为了测试所提出的基于超前项模型的宽带功率放大器预失真系统及其方法对宽带功率放大器预失真的性能表现，将发明具体实施在基带输入宽带数字信号x(n)带宽为144MHz，峰均比为6.2dB，反馈回路带宽为160MHz，测试频点为3GHz的功率放大器场景下。进行步骤S1.1，采集160MHz反馈回路带宽下得到的基带功率放大器输出数字信号y(n)，信号x(n)以及信号y(n)的幅度随时间变化曲线如图2所示，可以看到信号x(n)以及信号y(n)之间出现了明显的失真，x(n)以及信号y(n)的功率谱密度曲线如图3所示。然后进行步骤S1.2，利用基带输入宽带数字信号x(n)以及基带功率放大器输出数字信号y(n)，提取基于超前项模型的数字预失真系数矩阵C。最后进行步骤S1.3，将S1.2步骤中得到的数字预失真系数矩阵C更新到基于超前项模型的数字预失真模块中。
2、系统运行的过程：
首先进行步骤S2.1，将基带输入宽带数字信号x1(n)送入基于超前项模型的数字预失真模块中，利用S1.3步骤中更新好的数字预失真系数矩阵C，生成基带预失真数字信号u1(n)。然后进行步骤S2.2，采集基带预失真数字信号u1(n)经过数模转换器模块、上变频器模块、功率放大器模块、有限带宽反馈回路模块、模数转换器模块后的基带功率放大器输出数字信号y1(n)，此时，基带输入宽带数字信号x1(n)与基带功率放大器输出数字信号y1(n)间的非线性和记忆效应失真得到明显地消除，利用预失真前基带输入宽带数字信号x(n)和基带功率放大器输出数字信号y(n)以及预失真后基带输入宽带数字信号x1(n)和基带功率放大器输出数字信号y1(n)之间的NMSE指标、幅度调制对幅度调制曲线(AM/AM)以及幅度调制对相位调制曲线(AM/PM)、以及预失真前基带输入宽带数字信号x(n)和基带功率放大器输出数字信号y(n)的幅度误差和预失真后基带输入宽带数字信号x(n)和基带功率放大器输出数字信号y(n)的幅度误差评价预失真效果。
利用基于超前项模型的预失真系统，得到的预失真前后NMSE性能对比如表1所示。通过表1可以发现，通过所提出的预失真系统后，基带输入宽带数字信号x1(n)与基带功率放大器输出数字信号y1(n)间的NMSE有显著地降低，说明所提出的方法具有良好的预失真效果。
表1.基于超前项模型的预失真前后NMSE对比
| NMSE(dB) | |
| 预失真前 | -15.8471 |
| 预失真后 | -33.7807 |
此外，预失真前后的AM/AM曲线和AM/PM曲线如图4所示。通过观察图4，可以发现，预失真后，AM/AM曲线和AM/PM曲线得到明显的改善，说明功率放大器引起的非线性失真和记忆效应失真得到明显地消除。预失真前后的幅度误差曲线如图5所示，可以发现，预失真前，信号x(n)以及信号y(n)之间存在较大的误差，预失真后，信号x1(n)以及信号y1(n)之间误差得到明显地消除，幅度误差均被降低到0.05以下。
总之，所提出的基于超前项模型的预失真系统及其方法，能够以非常有限的反馈回路带宽，实现宽带功率放大器的线性化，获得了良好的线性化效果，并极大地减轻了对于宽带功率放大器预失真处理时反馈回路的实现负担，在未来5G宽带系统中具有广阔的应用和发展前景。另外，虽然本发明中只公开了基于超前项的记忆多项式模型，但是基于超前项的方法也可以应用在其它功率放大器的模型上，以解决宽带功率放大器的预失真问题。
Claims (6)
1.一种基于超前项模型的宽带功率放大器数字预失真系统，其特征在于：包括如下模块：
基于超前项的数字预失真模块：用于对基带输入宽带数字信号x(n)进行预失真处理，产生基带预失真数字信号u(n)；
数模转换器模块：用于将基带预失真数字信号u(n)转换成模拟信号；
上变频器模块：用于对数模转换器的输出信号进行上变频，使其达到功率放大器的工作频段；
功率放大器模块：用于对上变频器的输出信号进行放大并输出；
有限带宽反馈回路模块：用于将功率放大器的输出信号反馈给模数转换器；
模数转换器模块：用于将有限带宽反馈回路反馈回的模拟信号转换为数字信号，得到基带功率放大器输出数字信号y(n)；
模型提取与性能评估模块：系统训练阶段中，根据基带输入宽带数字信号x(n)和基带功率放大器输出数字信号y(n)，提取基于超前项模型的数字预失真系数矩阵C，并将其送到基于超前项模型的数字预失真模块；系统运行阶段中，根据基带输入宽带数字信号x1(n)和基带功率放大器输出数字信号y1(n)评估系统性能。
2.根据权利要求1所述的基于超前项模型的宽带功率放大器数字预失真系统，其特征在于：所述系统在系统训练阶段中，基带输入宽带数字信号x(n)直接送入数模转换器模块以及模型提取与性能评估模块；在系统运行阶段中，基带输入宽带数字信号x1(n)送入基于超前项的数字预失真模块以及模型提取与性能评估模块。
3.一种基于超前项模型的宽带功率放大器数字预失真方法，其特征在于：包括系统训练和系统运行两个阶段，具体步骤如下：
(1)系统训练
S1.1、将基带输入宽带数字信号x(n)直接送入数模转换器模块，采集其经过数模转换器模块、上变频器模块、功率放大器模块、有限带宽反馈回路模块以及模数转换器模块后的基带功率放大器输出数字信号y(n)；
S1.2、在模型提取模块中，根据基带输入宽带数字信号x(n)以及基带功率放大器输出数字信号y(n)，提取基于超前项模型的数字预失真系数矩阵C；
S1.3、将步骤S1.2中得到的数字预失真系数矩阵C更新到基于超前项模型的数字预失真模块中；
(2)系统运行
S2.1、将基带输入宽带数字信号x1(n)送入基于超前项模型的数字预失真模块中，根据S1.3步骤中更新好的数字预失真系数矩阵C，生成基带预失真数字信号u1(n)；
S2.2、采集基带预失真数字信号u1(n)经过数模转换器模块、上变频器模块、功率放大器模块、有限带宽反馈回路模块、模数转换器模块后的基带功率放大器输出数字信号y1(n)，然后在模型提取与性能评估模块中，利用x1(n)和y1(n)间的非线性和记忆效应失真消除情况评估所提出的基于超前项模型的宽带功率放大器预失真系统及其方法的表现。
4.根据权利要求3所述的基于超前项模型的宽带功率放大器数字预失真方法，其特征在于：所述步骤S1.2具体包括如下过程：
首先利用带有超前项的记忆多项式模型来对功率放大器的逆向特性进行建模，将基带输入宽带数字信号x(n)以及基带功率放大器输出数字信号y(n)按列排开；然后提取数字预失真系数矩阵；
所述的记忆多项式模型表达式如下所示：
根据基带输入宽带数字信号矩阵，其表达式如下所示：
X＝YC
其中，L为记忆多项式滞后项的最大记忆深度，R为记忆多项式超前项的最大记忆深度，N为记忆多项式的最高非线性阶数，cji为第j阶记忆、第i阶非线性在基于超前项的记忆多项式模型中的未知系数，y(n-j)为n-j时刻基带功率放大器输出数字信号的复数值，x(n)基带输入宽带数字信号，X为基带输入宽带数字信号按列排开得到的基带输入宽带数字信号矩阵；Y为基带功率放大器输出数字信号按列排开并对每一列进行非线性运算以及延时处理，再合并每一列后得到的基带功率放大器输出数字信号矩阵；C为数字预失真系数矩阵；
提取所述数字预失真系数矩阵C的表达式如下所示：
C＝(YHY)-1YHX。
5.根据权利要求3所述的基于超前项模型的宽带功率放大器数字预失真方法，其特征在于：所述步骤S2.1具体包括以下步骤：
首先将基带输入宽带数字信号x1(n)按列排开，并对每一列进行非线性运算以及延时处理，再合并每一列后得到基带输入宽带数字信号矩阵X1，接着根据步骤S1.3中已经提取好的数字预失真系数矩阵C，对基带输入宽带数字信号矩阵X1进行处理，得到功率放大器的基带预失真数字信号矩阵U1＝X1C，然后按时间将矩阵U1展开，得到功率放大器的基带预失真数字信号u1(n)。
6.根据权利要求3所属的基于超前项模型的宽带功率放大器数字预失真方法，其特征在于：所述步骤S2.2具体包括以下步骤：
采集基带预失真数字信号u1(n)经过数模转换器模块、上变频器模块、功率放大器模块、有限带宽反馈回路模块、模数转换器模块后的基带功率放大器输出数字信号y1(n)后，在模型提取与性能评估模块中，根据x1(n)和y1(n)，利用NMSE指标评价预失真的效果，其表达式如下：
所述的NMSE为归一化均方误差。
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