CN111786639B - 一种双频功放数字预失真装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双频功放数字预失真装置及方法，包括基于二维简化记忆多项式模型的数字预失真器、第一数模转换器、第二数模转换器、第一数模转换器、第二数模转换器、第一调制器、第二调制器、功率合成器、功放、衰减耦合器、功率分配器、第一解调器、第二解调器、第一低通滤波器、第二低通滤波器、第一模数转换器、第二模数转换器和基于二维简化记忆多项式模型的数字预失真模型训练模块。本发明简化了二维数字预失真模型，省去了2D‑MMP模型中计算交叉带参数的过程，降低了数字信号处理的复杂度，同时减少了2D‑MMP模型中的预失真参数个数，数字预失真算法更快，且能实现更好的预失真效果。
Description
技术领域
本发明涉及无线通信领域，具体涉及一种双频功放数字预失真装置及方法，特别是涉及一种基于二维简化记忆多项式模型的双频功放数字预失真装置及方法。
背景技术
近些年来随着通信技术的快速发展，无线通信在整个通信领域中显得越来越重要，这也使得无线通信技术在不断进步。在如今通信系统以及未来第五代通信系统(5G)中，移动通信环境需要多标准并存以满足各种制式的传输要求。因此，多频通信尤其是并发双频通信技术成为研究热点。在通信系统中，功率放大器会引起信号的非线性失真，与单个频带的功率放大器不同的是，并发双频带功率放大器通常会产生带内和交叉带的失真，在通信信道和相邻信道中引入不需要的信号。
数字预失真技术可以用来补偿由功放引起的非线性失真，同时不受频段限制,数字信号容易实现且更加高效、便捷，得到了广泛应用。为了迎合并发双频通信的需求，并发双频带功放的数字预失真成为了数字预失真技术的研究热点。
针对并发双频带功放的数字预失真，《Digital predistortion for concurrentdual-band transmitters using 2-D modified memory polynomials》提出了二维改进记忆多项式(2D-MMP)模型，与二维数字预失真(2D-DPD)模型相比，在模型精度基本不变的同时降低了模型复杂度，但该模型需要先利用二分法来确定交叉带参数。
发明内容
发明目的：为了降低上述现有技术中双频带功放行为模型复杂度，本发明的第一目的是提供一种双频功放数字预失真装置。同时，本发明的第二目的是基于所述装置提供一种基于二维简化记忆多项式模型的双频功放数字预失真方法。
为达到此目的，本发明采用以下技术方案如下。
本发明提供的一种基于二维简化记忆多项式模型的双频功放数字预失真装置，包括以下模块：
基于二维简化记忆多项式模型的数字预失真器：基于二维简化记忆多项式模型的数字预失真器包含基于二维简化记忆多项式模型的数字预失真模型，对第一频段输入数字基带信号x1(n)和第二频段输入数字基带信号x2(n)进行预失真处理，产生第一频段数字预失真信号xpd1(n)和第二频段数字预失真信号xpd2(n)；
第一数模转换器：对第一频段数字预失真信号xpd1(n)进行数模转换；
第二数模转换器：对第二频段数字预失真信号xpd2(n)进行数模转换；
第一调制器：对第一数模转换器的输出信号进行调制，产生第一频段射频信号；
第二调制器：对第二数模转换器的输出信号进行调制，产生第二频段射频信号；
功率合成器：将第一频段射频信号和第二频段射频信号合成一路信号；
功放：对功率合成器的输出信号进行放大并输出；
衰减耦合器：对功放的输出信号进行衰减和耦合；
功率分配器：将衰减耦合器的输出信号分为两路相等的信号；
第一解调器：对功率分配器的输出信号的第一频段进行解调；
第二解调器：对功率分配器的输出信号的第二频段进行解调；
第一低通滤波器：对第一解调器的输出信号进行低通滤波；
第二低通滤波器：对第二解调器的输出信号进行低通滤波；
第一模数转换器：对第一低通滤波器的输出信号进行模数转换，产生第一频段输出数字基带信号y1(n)；
第二模数转换器：对第二低通滤波器的输出信号进行模数转换，产生第二频段输出数字基带信号y2(n)；
基于二维简化记忆多项式模型的数字预失真模型训练：对第一频段输入数字基带信号x1(n)、第二频段输入数字基带信号x2(n)、第一频段输出数字基带信号y1(n)、第二频段输出数字基带信号y2(n)进行基于二维简化记忆多项式模型的双频功放数字预失真模型训练，产生第一频段预失真参数和第二频段预失真参数，将第一频段预失真系数和第二频段预失真系数送入基于二维简化记忆多项式模型的数字预失真器。
进一步，所述二维简化记忆多项式模型包含带内记忆多项式模型部分和交叉带调制部分。
进一步，所述二维简化记忆多项式模型仅考虑奇数阶非线性部分时，二维简化记忆多项式模型如式(1)所示：
其中，2Ka+1为非线性阶数，M为记忆深度，
表示当记忆深度为m时，第k个第一频段带内记忆多项式模型参数，
表示当记忆深度为m时，第k个第一频段与第二频段的第一交叉带调制模型参数，
表示当记忆深度为m时，第k个第二频段带内记忆多项式模型参数，
表示当记忆深度为m时，第k个第一频段与第二频段的第二交叉带调制模型参数，x1(n-m)表示n-m时刻的第一频段输入数字基带信号，x2(n-m)表示n-m时刻的第二频段输入数字基带信号。
进一步，所述二维简化记忆多项式模型考虑奇数和偶数阶非线性部分时，二维简化记忆多项式模型如式(2)所示：
其中，K为非线性阶数。
基于上述装置，本发明所述的基于二维简化记忆多项式模型的双频功放数字预失真方法，包括以下步骤：
S1、将第一频段输入数字基带信号x1(n)和第二频段输入数字基带信号x2(n)送入基于二维简化记忆多项式模型的数字预失真器，基于二维简化记忆多项式模型的数字预失真器包含基于二维简化记忆多项式模型的数字预失真模型，对第一频段输入数字基带信号x1(n)和第二频段输入数字基带信号x2(n)进行预失真处理，产生第一频段数字预失真信号xpd1(n)和第二频段数字预失真信号xpd2(n)；
S2、对第一频段数字预失真信号xpd1(n)进行数模转换并送入第一调制器，产生第一频段射频信号；对第二频段数字预失真信号xpd2(n)进行数模转换并送入第二调制器，产生第二频段射频信号；
S3、将第一频段射频信号和第二频段射频信号合成一路信号并送入功放进行放大并输出；
S4、功放的输出信号经过衰减和耦合后通过功率分配器，分为两路相等的信号；
S5、功率分配器的第一路输出信号依次通过第一解调器、第一低通滤波器、第一模数转换器进行解调、滤波、数模转换，产生第一频段输出数字基带信号y1(n)；功率分配器的第二路输出信号依次通过第二解调器、第二低通滤波器、第二模数转换器进行解调、滤波、数模转换，产生第二频段输出数字基带信号y2(n)；
S6、对第一频段输入数字基带信号x1(n)、第二频段输入数字基带信号x2(n)、第一频段输出数字基带信号y1(n)、第二频段输出数字基带信号y2(n)进行基于二维简化记忆多项式模型的双频功放数字预失真模型训练，确定第一频段预失真参数和第二频段预失真参数。
进一步，所述步骤S6中，基于二维简化记忆多项式模型的双频功放数字预失真模型训练包括以下步骤：
S61、获取第一频段输入数字基带信号x1(n)和第一频段输出数字基带信号y1(n)并做归一化和对齐处理；获取第二频段输入数字基带信号x2(n)和第二频段输出数字基带信号y2(n)并做归一化和对齐处理；
S62、基于二维简化记忆多项式模型的数字预失真模型训练仅考虑奇数阶非线性部分时，确定非线性阶数2Ka+1和记忆深度M；基于二维简化记忆多项式模型的数字预失真模型训练考虑奇数和偶数阶非线性部分时，确定非线性阶数K+1和记忆深度M；
S63、根据记忆深度M、非线性阶数2Ka+1或K+1，利用第一频段输出数字基带信号y1(n)和第二频段输出数字基带信号y2(n)作为模型输入，第一频段输入数字基带信号x1(n)和第二频段输入数字基带信号x2(n)作为模型输出，确定第一频段预失真参数和第二频段预失真参数。
有益效果：与现在技术相比，本发明所述的一种双频功放数字预失真装置及方法显著效果如下：
1)本发明装置中的二维简化记忆多项式的数字预失真模型，不包含2D-MMP模型中交叉带参数，降低了数字预失真装置的复杂度；
2)本发明方法中二维简化记忆多项式模型比2D-MMP模型中的预失真参数个数更少，不像2D-MMP模型一样需要额外的二分法来确定交叉带参数，因此数字预失真模型中系数计算更简单，并能实现更好的预失真效果。
附图说明
图1为本发明具体实施方式中数字预失真装置的示意图；
图2(a)为3.55GHz的功率谱比较图；
图2(b)为3.65GHz的功率谱比较图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明的技术方案作进一步的介绍。
本具体实施方式公开了一种基于二维简化记忆多项式模型的双频功放数字预失真装置，如图1所示，包括以下模块：
基于二维简化记忆多项式模型的数字预失真器：基于二维简化记忆多项式模型的数字预失真器包含基于二维简化记忆多项式模型的数字预失真模型，对第一频段输入数字基带信号x1(n)和第二频段输入数字基带信号x2(n)进行预失真处理，产生第一频段数字预失真信号xpd1(n)和第二频段数字预失真信号xpd2(n)；
第一数模转换器：对第一频段数字预失真信号xpd1(n)进行数模转换；
第二数模转换器：对第二频段数字预失真信号xpd2(n)进行数模转换；
第一调制器：对第一数模转换器的输出信号进行调制，产生第一频段射频信号；
第二调制器：对第二数模转换器的输出信号进行调制，产生第二频段射频信号；
功率合成器：将第一频段射频信号和第二频段射频信号合成一路信号；
功放：对功率合成器的输出信号进行放大并输出；
衰减耦合器：对功放的输出信号进行衰减和耦合；
功率分配器：将衰减耦合器的输出信号分为两路相等的信号；
第一解调器：对功率分配器的输出信号的第一频段进行解调；
第二解调器：对功率分配器的输出信号的第二频段进行解调；
第一低通滤波器：对第一解调器的输出信号进行低通滤波；
第二低通滤波器：对第二解调器的输出信号进行低通滤波；
第一模数转换器：对第一低通滤波器的输出信号进行模数转换，产生第一频段输出数字基带信号y1(n)；
第二模数转换器：对第二低通滤波器的输出信号进行模数转换，产生第二频段输出数字基带信号y2(n)；
基于二维简化记忆多项式模型的数字预失真模型训练：对第一频段输入数字基带信号x1(n)、第二频段输入数字基带信号x2(n)、第一频段输出数字基带信号y1(n)、第二频段输出数字基带信号y2(n)进行基于二维简化记忆多项式模型的双频功放数字预失真模型训练，产生第一频段预失真参数和第二频段预失真参数，将第一频段预失真系数和第二频段预失真系数送入基于二维简化记忆多项式模型的数字预失真器。
二维简化记忆多项式模型包含带内记忆多项式模型部分和交叉带调制部分。
二维简化记忆多项式模型仅考虑奇数阶非线性部分时，二维简化记忆多项式模型如式(1)所示：
其中，2Ka+1为非线性阶数，M为记忆深度，
表示当记忆深度为m时，第k个第一频段带内记忆多项式模型参数，
表示当记忆深度为m时，第k个第一频段与第二频段的第一交叉带调制模型参数，
表示当记忆深度为m时，第k个第二频段带内记忆多项式模型参数，
表示当记忆深度为m时，第k个第一频段与第二频段的第二交叉带调制模型参数，x1(n-m)表示n-m时刻的第一频段输入数字基带信号，x2(n-m)表示n-m时刻的第二频段输入数字基带信号。
进一步，所述二维简化记忆多项式模型考虑奇数和偶数阶非线性部分时，二维简化记忆多项式模型如式(2)所示：
其中，K为非线性阶数。
具体实施方式还公开了一种基于二维简化记忆多项式模型的双频功放数字预失真方法，包括以下步骤：
S1：将第一频段输入数字基带信号x1(n)和第二频段输入数字基带信号x2(n)送入基于二维简化记忆多项式模型的数字预失真器，基于二维简化记忆多项式模型的数字预失真器包含基于二维简化记忆多项式模型的数字预失真模型，对第一频段输入数字基带信号x1(n)和第二频段输入数字基带信号x2(n)进行预失真处理，产生第一频段数字预失真信号xpd1(n)和第二频段数字预失真信号xpd2(n)；
S2：对第一频段数字预失真信号xpd1(n)进行数模转换并送入第一调制器，产生第一频段射频信号；对第二频段数字预失真信号xpd2(n)进行数模转换并送入第二调制器，产生第二频段射频信号；
S3：将第一频段射频信号和第二频段射频信号合成一路信号并送入功放进行放大并输出；
S4：功放的输出信号经过衰减和耦合后通过功率分配器，分为两路相等的信号；
S5：功率分配器的第一路输出信号依次通过第一解调器、第一低通滤波器、第一模数转换器进行解调、滤波、数模转换，产生第一频段输出数字基带信号y1(n)；功率分配器的第二路输出信号依次通过第二解调器、第二低通滤波器、第二模数转换器进行解调、滤波、数模转换，产生第二频段输出数字基带信号y2(n)；
S6：对第一频段输入数字基带信号x1(n)、第二频段输入数字基带信号x2(n)、第一频段输出数字基带信号y1(n)、第二频段输出数字基带信号y2(n)进行基于二维简化记忆多项式模型的双频功放数字预失真模型训练，确定第一频段预失真参数和第二频段预失真参数。
步骤S6中，基于二维简化记忆多项式模型的双频功放数字预失真模型训练包括以下步骤：
S61：获取第一频段输入数字基带信号x1(n)和第一频段输出数字基带信号y1(n)并做归一化和对齐处理；获取第二频段输入数字基带信号x2(n)和第二频段输出数字基带信号y2(n)并做归一化和对齐处理；
S62：基于二维简化记忆多项式模型的数字预失真模型训练仅考虑奇数阶非线性部分时，确定非线性阶数2Ka+1和记忆深度M；基于二维简化记忆多项式模型的数字预失真模型训练考虑奇数和偶数阶非线性部分时，确定非线性阶数K+1和记忆深度M；
S63：根据记忆深度M、非线性阶数2Ka+1或K+1，利用第一频段输出数字基带信号y1(n)和第二频段输出数字基带信号y2(n)作为模型输入，第一频段输入数字基带信号x1(n)和第二频段输入数字基带信号x2(n)作为模型输出，确定第一频段预失真参数和第二频段预失真参数。
以输入基带信号为20MHz带宽的OFDM信号、调制频率为3.55GHz和3.65GHz、中心频率为3.6GHz的功放为例，功放输入输出数据同步对齐后，做归一化处理。
第一模数转换器、第二模数转换器的采样率为100MSa/s，预失真模型参数确定为K＝4(Ka＝2)、M＝3，采用本发明提出的双频功放数字预失真技术前后的输出信号的功率谱图如图2所示，图2为预失真前后的两个频段的功率谱比较图。两个频段的邻近信道功率比(ACPR)在如表1所示。从中可以看出采用本发明提出的双频功放数字预失真技术后，输出信号两个边带的ACPR降低了15dB以上，表明功放的带内部分失真和交叉带调制失真都得到很好的补偿，功放的非线性得到了很好的改善。由上述可知，本发明简化了二维数字预失真模型，省去了2D-MMP模型中计算交叉带参数的步骤，降低了数字信号处理的复杂度；同时，本发明中的二维简化记忆多项式模型减少了2D-MMP模型中的预失真参数个数，数字预失真算法更快，且能实现更好的预失真效果。
表1.两个频段的邻近信道功率比
Claims (6)
1.一种双频功放数字预失真装置，其特征在于，包括基于二维简化记忆多项式模型的数字预失真模型，对第一频段输入数字基带信号x1(n)和第二频段输入数字基带信号x2(n)进行预失真处理，产生第一频段数字预失真信号xpd1(n)和第二频段数字预失真信号xpd2(n)；
第一数模转换器：对第一频段数字预失真信号xpd1(n)进行数模转换；
第二数模转换器：对第二频段数字预失真信号xpd2(n)进行数模转换；
第一调制器：对第一数模转换器的输出信号进行调制，产生第一频段射频信号；
第二调制器：对第二数模转换器的输出信号进行调制，产生第二频段射频信号；
功率合成器：将第一频段射频信号和第二频段射频信号合成一路信号；
功放：对功率合成器的输出信号进行放大并输出；
衰减耦合器：对功放的输出信号进行衰减和耦合；
功率分配器：将衰减耦合器的输出信号分为两路相等的信号；
第一解调器：对功率分配器的输出信号的第一频段进行解调；
第二解调器：对功率分配器的输出信号的第二频段进行解调；
第一低通滤波器：对第一解调器的输出信号进行低通滤波；
第二低通滤波器：对第二解调器的输出信号进行低通滤波；
第一模数转换器：对第一低通滤波器的输出信号进行模数转换，产生第一频段输出数字基带信号y1(n)；
第二模数转换器：对第二低通滤波器的输出信号进行模数转换，产生第二频段输出数字基带信号y2(n)；
基于二维简化记忆多项式模型的数字预失真模型训练：对第一频段输入数字基带信号x1(n)、第二频段输入数字基带信号x2(n)、第一频段输出数字基带信号y1(n)、第二频段输出数字基带信号y2(n)进行基于二维简化记忆多项式模型的双频功放数字预失真模型训练，产生第一频段预失真参数和第二频段预失真参数，将第一频段预失真系数和第二频段预失真系数送入基于二维简化记忆多项式模型的数字预失真器。
2.根据权利要求1所述的双频功放数字预失真装置，其特征在于：所述二维简化记忆多项式模型包含带内记忆多项式模型部分和交叉带调制部分，其中带内部分是单一频段信号的记忆多项式模型，交叉带调制部分是包括双频段信号的混合模型。
3.根据权利要求1所述的双频功放数字预失真装置，其特征在于：所述二维简化记忆多项式模型仅考虑奇数阶非线性部分时，二维简化记忆多项式模型如式(1)所示：
其中，2Ka+1为非线性阶数，M为记忆深度，
表示当记忆深度为m时，第k个第一频段带内记忆多项式模型参数，
表示当记忆深度为m时，第k个第一频段与第二频段的第一交叉带调制模型参数，
表示当记忆深度为m时，第k个第二频段带内记忆多项式模型参数，
表示当记忆深度为m时，第k个第一频段与第二频段的第二交叉带调制模型参数，x1(n-m)表示n-m时刻的第一频段输入数字基带信号，x2(n-m)表示n-m时刻的第二频段输入数字基带信号。
4.根据权利要求1所述的双频功放数字预失真装置，其特征在于：所述二维简化记忆多项式模型考虑奇数和偶数阶非线性部分时，二维简化记忆多项式模型如式(2)所示：
其中，K为非线性阶数。
5.一种基于二维简化记忆多项式模型的双频功放数字预失真方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、将第一频段输入数字基带信号x1(n)和第二频段输入数字基带信号x2(n)送入基于二维简化记忆多项式模型的数字预失真器，基于二维简化记忆多项式模型的数字预失真器包含基于二维简化记忆多项式模型的数字预失真模型，对第一频段输入数字基带信号x1(n)和第二频段输入数字基带信号x2(n)进行预失真处理，产生第一频段数字预失真信号xpd1(n)和第二频段数字预失真信号xpd2(n)；
S2、对第一频段数字预失真信号xpd1(n)进行数模转换并送入第一调制器，产生第一频段射频信号；对第二频段数字预失真信号xpd2(n)进行数模转换并送入第二调制器，产生第二频段射频信号；
S3、将第一频段射频信号和第二频段射频信号合成一路信号并送入功放进行放大并输出；
S4、功放的输出信号经过衰减和耦合后通过功率分配器，分为两路相等的信号；
S5、功率分配器的第一路输出信号依次通过第一解调器、第一低通滤波器、第一模数转换器进行解调、滤波、数模转换，产生第一频段输出数字基带信号y1(n)；功率分配器的第二路输出信号依次通过第二解调器、第二低通滤波器、第二模数转换器进行解调、滤波、数模转换，产生第二频段输出数字基带信号y2(n)；
S6、对第一频段输入数字基带信号x1(n)、第二频段输入数字基带信号x2(n)、第一频段输出数字基带信号y1(n)、第二频段输出数字基带信号y2(n)进行基于二维简化记忆多项式模型的双频功放数字预失真模型训练，确定第一频段预失真参数和第二频段预失真参数。
6.根据权利要求5所述的基于二维简化记忆多项式模型的双频功放数字预失真方法，其特征在于：所述步骤(S6)中，基于二维简化记忆多项式模型的双频功放数字预失真模型训练包括以下步骤：
S61、获取第一频段输入数字基带信号x1(n)和第一频段输出数字基带信号y1(n)并做归一化和对齐处理；获取第二频段输入数字基带信号x2(n)和第二频段输出数字基带信号y2(n)并做归一化和对齐处理；
S62、基于二维简化记忆多项式模型的数字预失真模型训练仅考虑奇数阶非线性部分时，确定非线性阶数2Ka+1和记忆深度M；基于二维简化记忆多项式模型的数字预失真模型训练考虑奇数和偶数阶非线性部分时，确定非线性阶数K+1和记忆深度M；
S63、根据记忆深度M、非线性阶数2Ka+1或K+1，利用第一频段输出数字基带信号y1(n)和第二频段输出数字基带信号y2(n)作为模型输入，第一频段输入数字基带信号x1(n)和第二频段输入数字基带信号x2(n)作为模型输出，进行预失真参数训练，确定第一频段预失真参数和第二频段预失真参数。
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