CN110266276A - 5g超宽带功率放大器低速数字预失真方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开5G超宽带功率放大器低速数字预失真方法。传统的数字预失真模块都是高速运行的，一般只适用于窄带信号，但随着未来5G通信系统的到来，窄带信号已经难以满足要求。本发明针对未来超宽带信号，设计了混叠消除的低速数字预失真模块，不仅能实现很低的工作速率，而且还能保证通信信号的质量。
Description
技术领域
本发明属于无线通信与微波技术领域，针对超宽带无线通信系统中功率放大器非线性问题提出的一种预矫正方法，具体采用低速数字预失真线性化方案，具体是5G超宽带功率放大器低速数字预失真频谱混叠消除方法。
背景技术
功率放大器是通信系统中必不可少的重要器件之一。随着5G技术应用的发展，信号带宽越来越宽，对功率放大器的线性度要求也逐步提高。一旦输入信号幅值超出功率放大器线性区，将导致传输信号出现非线性失真，这不仅会降低带内通信信号的质量，而且还将带来带外信号溢出影响相邻信道的通信质量。数字预失真的提出可以有效地解决由于功率放大器非线性而引起的信号失真问题。目前，数字预失真是解决功率放大器非线性最广泛也是最有效的方法之一。
在目前的无线通信系统中，随着数字预失真模块的工作速率增大，相对应的ADC模块、DAC模块的工作速率也要等比例增大。通信系统中各个模块的工作速率的提高会促使成本的大幅提升。如果强制将各模块的工作速率降低，那么所传输的带内信号就会产生混叠，严重影响带内信号的质量。因此,降低各模块的工作速率成为了一个非常棘手的问题。
发明内容
本发明的目的是为了针对现有技术的不足，提出针对5G超宽带无线通信系统的新颖低速数字预失真频谱混叠消除方法。
5G超宽带功率放大器低速数字预失真系统包括信号发射系统和信号接收系统；其中信号发射系统包括带混叠数字预失真模块(DPD)、减法器、DAC模块、上变频、功率放大器(PA)；基带信号经混叠DPD、减法器处理后分别送入DAC模块和参数提取模型，DAC模块输出信号经上变频、功率放大器输出。信号接收系统有两条反馈路径分别包括下变频、ADC模块、参数提取模型、带阻滤波器、信号降采样模块；一条路径为功率放大器输出信号经下变频和ADC模块后将信号送入参数提取模型，参数提取模型把所得参数送入混叠DPD。另一条路径为功率放大器经带阻滤波器、信号降采样模块处理后得混叠信号送入减法器，与混叠DPD输出信号做减法运算。
进一步，所述5G超宽带功率放大器低速数字预失真系统的基带信号带宽为n MHz。
进一步，所述混叠DPD的混叠来源是因为DPD正常工作所需的5n MHz运行速率降a(1<a<5)倍所致,所以整个系统中的DPD、ADC、DAC的运行速率均为5n/a MHz。
5G超宽带功率放大器低速数字预失真频谱混叠消除方法采用上述5G超宽带功率放大器低速数字预失真系统，包括以下步骤：
S1：在参数提取模型中，将ADC模块输出信号F和减法器输出信号D分别作输入和输出进行提参，并将参数送入混叠DPD中。提参为现有成熟技术，故不详解。
S2：功率放大器输出信号Y经带阻滤波器后的输出信号u经信号降采样得混叠信号C。
S3：把S2中所得的混叠信号近似为混叠DPD中的混叠信号，进而将混叠DPD的输出信号B和经信号降采样信号C做减法运算即可得减法器输出信号D，此输出为无混叠信号D。
进一步，所述步骤S1中的参数提取采用DVR模型的公式如下：
公式(1)中，为输入信号。为模型的输出信号。βk代为输入信号等间距比例长度的K个域值结点。是模型系数。M是模型记忆深度。n是采样点个数。j是虚数单位。θ是采样点的相位。
进一步，所述步骤S2中的带阻滤波器输出信号的公式如下：
r＝y*w (2)
p(q)＝r(aq) (3)
公式(2)中,r为带阻滤波器输出信号，y为功率放大器输出信号，w为带阻滤波器函数，w的带阻滤波的阻带带宽为5n/aMHz。
公式(3)中，p为混叠信号，a为运行速率的降低倍数,q是从1开始的整数。
进一步，所述步骤S3中的减法器输出信号的公式如下：
公式(4)中,为经减法器后的无混叠信号。
本发明具有以下优缺点：
(1)本发明采用的是频谱混叠消除的方法，消除了限带内的混叠频谱，提升了限带内的信号质量。这种方法在目前为止的所有预失真方法中都未提及。
(2)目前在频谱混叠方面的研究，学术界和工业界都很欠缺，是一个新的方向和解决问题的思路，而且在实验的结果中也验证了所提方法的可行性。
(3)所述低速数字预失真模块在超带宽通信系统中，相对于高速数字预失真模块的优点是实现了整个通信系统的低速运行，从而很大程度地降低了成本，为5G超大带宽数字预失真的实现提供了坚实的理论基础和实验佐证。
(4)所述低速数字预失真模块相比于无数字预失真模块，其效果明显提升。由于频谱混叠消除是通过减去功率放大器的输出频谱得到的近似结果，精度上比传统低速预失真模块(把高速数字预失真模块直接变成低速运行)有所下降，但在可以接受的范围之内。
(5)所述低速数字预失真模块可实现迭代功能。但是，由于混叠的频谱能量过低，要求的精度比较高。本方案采用的近似方案(精度低)在后续几次迭代并未体现线性化效果的提升，如图6。如何提高频谱混叠消除的精度将是我们下一步着重的研究方向。
附图说明
图1是本发明的基本原理示意图；
图2是本发明的混叠原理示意图；
图3是本发明的实现流程图；
图4是本发明的仿真频谱对比图；
图5是本发明的仿真频谱迭代三次效果图；
图6是本发明的实测频谱对比图。
具体实施方式
下面结合具体实施对本发明做进一步的分析。
图1是数字预失真模块的基本原理图示意图。图2是本发明的混叠原理示意图，是为了更好的说明本专利中的所述混叠频谱产生的原因,效果图(a)是当采样率大于输出带宽时的完整频谱图，效果图(b)是当采样率小于输出带宽时的混叠频谱图。图3是本发明的具体实现流程图，对本专利进行了详细的解释说明，特别是对混叠频谱消除方法的概述。图4和图6分别表示本发明的仿真频谱对比图和实测频谱对比图。在仿真和实测对比图中，都能明显看出本专利的所述低速数字预失真模块相比于无数字预失真模块的效果更佳。图5是本发明的仿真频谱迭代三次效果图。
如图1所示，数字线性化的基本思路是将功率放大器的反函数(数字预失真DPD)与功率放大器级联，从而得到线性化的输出。其中，DPD模块的输出信号带宽由信号的采样频率所决定。如图2(a)所示，当信号采样率大于等于所产生输出信号带宽时，输出信号可以完整无误地表征在频谱域。若将整个无线通信的运行速率降低，则数字预失真模块的输出信号会出现频谱混叠，如图2(b)所示。
如图3所示，本发明所述的5G超宽带功率放大器低速数字预失真系统包括信号发射系统和信号接收系统；其中信号发射系统包括带混叠数字预失真模块(DPD)、减法器、DAC模块、上变频、功率放大器(PA)；基带信号经混叠DPD、减法器的输出信号分别送入DAC模块和参数提取模型，DAC模块输出信号经上变频、功率放大器输出。信号接收系统有两条反馈路径分别包括下变频、ADC模块、参数提取模型和带阻滤波器、信号降采样；一条路径为功率放大器输出信号经下变频和ADC模块后将信号送入参数提取模型，参数提取模型把所得参数送入混叠DPD。另一条路径为功率放大器经带阻滤波器、信号降采样后得混叠信号送入减法器，与混叠DPD输出信号做减法运算。
进一步，所述5G超宽带功率放大器低速数字预失真系统的基带信号带宽为n MHz。
进一步，所述混叠DPD的混叠来源是因为DPD正常工作所需的5n MHz运行速率降a(1<a<5)倍所致,所以整个系统中的DPD、ADC、DAC的运行速率均为5n/a MHz。
采用本发明所述的5G超宽带功率放大器低速数字预失真系统，包括以下步骤：
S1：如图3所示，在参数提取模型中，将ADC模块输出信号F和减法器输出信号D分别作输入和输出进行提参，并将参数送入混叠DPD中。
S2：如图3所示，功率放大器输出信号Y经带阻滤波器后的输出信号u经信号降采样得混叠信号C。
S3:如图3所示，把S2中所得的混叠信号近似为混叠DPD中的混叠信号，将混叠DPD的输出信号B和经信号降采样信号C做减法运算即可得减法器输出信号D，此输出为无混叠信号D。
进一步，所述步骤S1中的参数提取采用DVR模型的公式如下：
公式(1)中，为输入信号。为模型的输出信号。βk代为输入信号等间距比例长度的K个域值结点。是模型系数。M是模型记忆深度。n是采样点个数。j是虚数单位。θ是采样点的相位。
进一步，所述步骤S2中的带阻滤波器输出信号的公式如下：
r＝y*w (2)
p(q)＝r(aq) (3)
公式(2)中,r为带阻滤波器输出信号，y为功率放大器输出信号，w为带阻滤波器函数，w的带阻滤波的阻带带宽为5n/aMHz。
公式(3)中，p为混叠信号，a为运行速率的降低倍数,q是从1开始的整数。
进一步，所述步骤S3中的减法器输出信号的公式如下：
公式(4)中,为经减法器后的无混叠信号。
本发明实测的基带输入信号的通频带为20MHz，全带采样率为200MHz。虽然本专利只用了20MHz带宽来实现预失真功能，但是对于5G超宽带，也具有相同的效果。在频谱混叠存在的情况下，用所述低速数字预失真模块、传统低速数字预失真模块及无数字预失真模块三者进行比较。所对比的数字预失真模块中各模型参数都相同。以上结果的对比是根据归一化均值方差(NMSE)来说明的。NMSE代表的是输入信号与输出信号两者之间的相近情况。如果NMSE的数值越小，则说明输入信号与输出信号的非常接近，其指标数值可在表一中查看。从仿真的效果可以看出，所述低速数字预失真模块和传统低速数字预失真模块的运行速率都下降了5倍，且所述低速数字预失真模块相比于无数字预失真模块，在NMSE方面提升了26.7169dB。从实测平台的效果可以看出，所述低速数字预失真模块和传统低速数字预失真模块的运行速率都下降了5倍(40MHz)，且所述低速数字预失真模块相比于无数字预失真模块，在NMSE方面提升了23.5539dB。
表一.数字预失真模块设计各项指标对比。
| 仿真NMSE(dB) | 实测NMSE(dB) | 降采样倍数值 | |
| 无数字预失真模块 | -3.9210 | 3.2061 | 1 |
| 混叠数字预失真模块 | -34.5446 | -23.7998 | 5 |
| 所述低速数字预失真模块 | -30.6379 | -20.3478 | 5 |
不管在仿真还是实例测量的结果分析都表明所述低速数字预失真模块可以在低速率的条件下较好地矫正超宽带功率放大器的非线性失真。
Claims (3)
1.5G超宽带功率放大器低速数字预失真方法，其特征在于基于以下数字预失真系统包括信号发射系统和信号接收系统；其中信号发射系统包括带混叠数字预失真模块(DPD)、减法器、DAC模块、上变频、功率放大器(PA)；基带信号经混叠DPD、减法器处理后分别送入DAC模块和参数提取模型，DAC模块输出信号经上变频、功率放大器输出；信号接收系统有两条反馈路径分别包括下变频、ADC模块、参数提取模型、带阻滤波器、信号降采样模块；一条路径为功率放大器输出信号经下变频和ADC模块后将信号送入参数提取模型，参数提取模型把所得参数送入混叠DPD；另一条路径为功率放大器经带阻滤波器、信号降采样模块处理后得混叠信号送入减法器，与混叠DPD输出信号做减法运算；
该方法包括以下步骤：
S1：在参数提取模型中，将ADC模块输出信号F和减法器输出信号D分别作输入和输出进行提参，并将参数送入混叠DPD中；
S2：功率放大器输出信号Y经带阻滤波器后的输出信号u经信号降采样得混叠信号C；
S3：把S2中所得的混叠信号近似为混叠DPD中的混叠信号，进而将混叠DPD的输出信号B和经信号降采样信号C做减法运算即可得减法器输出信号D，此输出为无混叠信号D；
所述步骤S1中的参数提取采用DVR模型的公式如下：
公式(1)中，为输入信号；为模型的输出信号；βk代为输入信号等间距比例长度的K个域值结点；是模型系数；M是模型记忆深度；n是采样点个数；j是虚数单位；θ是采样点的相位；
所述步骤S2中的带阻滤波器输出信号的公式如下：
r＝y*w (2)
p(q)＝r(aq) (3)
公式(2)中,r为带阻滤波器输出信号，y为功率放大器输出信号，w为带阻滤波器函数，w的带阻滤波的阻带带宽为5n/a MHz；
公式(3)中，p为混叠信号，a为运行速率的降低倍数,q是从1开始的整数；
所述步骤S3中的减法器输出信号的公式如下：
公式(4)中,为经减法器后的无混叠信号。
2.如权利要求1所述的5G超宽带功率放大器低速数字预失真方法，其特征在于基带信号带宽为n MHz。
3.如权利要求1所述的5G超宽带功率放大器低速数字预失真方法，其特征在于DPD、ADC、DAC的运行速率均为5n/a MHz。
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