CN111901264B - 基于非均匀量化查找表的短波数字预失真方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于非均匀量化查找表的短波数字预失真方法，包括：选取预失真结构，采集当前预失真信号和反馈信号，并对当前采集的信号进行同步对齐；计算当前的输入信号与预失真输出信号的归一化均方误差；判断当前计算的归一化均方误差是否大于预设目标值，若是，则采用最小二乘法计算预失真系数，并据此对查找表进行更新，下一轮预失真采用更新后的查找表进行预失真；否则，下一轮采用当前查找表进行预失真。本发明采用非均匀量化表格索引的记忆多项式模型，提高了表格索引精度，进而改善数字预失真系统的性能。

Description

基于非均匀量化查找表的短波数字预失真方法

技术领域

本发明属于自适应数字预失真技术领域，尤其涉及基于非均匀量化查找表的短波数字预失真方法，适用于提高短波射频功率放大器效率及数字预失真系统指标。

背景技术

频率范围在1.6MHz～30MHz之间的无线电磁波频率通常称为短波频段，利用短波频率进行世界范围内的广播传输进行单向通信，通常称为短波广播；能够接收到上述某一段频率的收音机称为短波电台。由于短波通信主要依靠电离层与地面间的来回反射和折射进行传播，无论白天黑夜，短波都可以传播很远。如今随着计算机、微电子和无线通信技术的不断发展，短波通信技术有了突破性进展，利用短波进行应急通信、抗灾通信、特别是军事上要求的陆海空统一通信指挥方面发挥着更重要、更广泛的作用。

目前，短波电台已日趋数字化，其工作频段已不限于原有的短波频段范围，因而呈现出多波段、多信道的特征。短波电台数字化过程中，对短波功率放大器的性能提出了越来越高的要求，即在满足较高的线性要求前提下，使得功放有较高的效率。为了达到这一要求，就要让放大器既线性又高效，采用预失真技术可以利用自适应原理来跟踪补偿功率放大器由于温度、湿度等环境因素改变而造成的误差。预失真技术不但可以提升发射机的效率，降低成本与缩小体积，亦能有效增加发射机的线性度以提升系统效能与通信质量，对于未来高效率短波电台的发展和实现有着十分重大的实际意义。

现有的预失真结构如图1所示，包含两个通道：数据训练的环路通道和预失真通道。数据训练通道是一个环路结构，其核心部分为预失真算法模块，该模块对经功放后的反馈输出和原输入信号进行处理，得到功放的失真特性，然后得到功放失真反特性的LUT参数。当功放特性随着时间或外界环境变化发生改变时，可以通过自适应的预失真算法来自适应更新预失真反特性LUT参数。

图2给出了现有一种基本的提取预失真表格结构。其中，X为输入信号，Y为输出(反馈)信号。首先根据需求确定输出功率，第一次运行时，系统直通，LUT参数全“1”，LUT(X)＝X，信号通过功放之后，得到第一组输出数据，反馈进行预失真，通过求解min|LUT(Y)-LUT(X)|得到LUT参数，然后在迭代过程中不断修正LUT参数，直到输出信号Y得到满意的效果，提取此时LUT参数作为这一输出功率下的预失真LUT，供开环系统使用。为了便于实现，短波数字预失真结构采用的是查找表(Lookup Table，LUT)，现有的查找表的地址索引均采用均值索引，即针对输入信号的幅度采用等间隔的表格索引，把功放的增益预调整值作为索引对应内容来存储于查找表中，但是当输入信号随着外界环境和时间的不同而变化时，这种均匀量化的查找表无法反应这种变化，导致预失真性能下降。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的是提出一种基于非均匀量化查找表的短波数字预失真方法，采用非均匀量化表格索引的记忆多项式模型，提高了表格索引精度，进而改善数字预失真系统的性能。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以解决。

基于非均匀量化查找表的短波数字预失真方法，包括以下步骤：

步骤1，选取预失真结构，采集当前预失真信号和反馈信号，并对当前采集的信号进行同步对齐；

步骤2，设置信号长度为N，计算当前的输入信号与预失真输出信号的归一化均方误差，N为正整数；

步骤3，判断当前计算的归一化均方误差是否大于预设目标值，若是，则采用最小二乘法计算预失真系数，并据此对查找表进行更新，下一轮预失真采用更新后的查找表进行预失真；否则，下一轮采用当前查找表进行预失真。

进一步地，所述预失真结构为记忆多项式结构。

进一步地，采集指令由Microblaze发出，Microblaze集成于FPGA中。

进一步地，所述计算当前的输入信号与预失真输出信号的归一化均方误差，具体为：

其中，x_n表示输入信号的第n个点，y_n表示反馈信号的第n个点。

进一步地，所述采用最小二乘法计算预失真系数，具体为：

3.1，设瞬时预失真表达式为：

式中，m表示多项式的次数，x_n为输入信号的第n个点，y_n为预失真输出信号的第n个点信号，p_n为输入信号第n个点的归一化后的模值，α₀，α₁，α₂，...，α_m分别为多项式系数；

3.2，计算使目标函数达到最小时的多项式系数，目标函数为：

将目标函数写成矩阵形式的预失真表达式，则定义误差向量为：

ε＝Y-X.*P.*W

式中，

W＝[α₀ α₁ α₂ … α_m]；Y＝[y₁ y₂ … x_n]^T；.*表示点乘，即矩阵对应元素相乘；

3.3，令X.*P＝A，则误差向量的平方表示为：

ε²＝Y²-2YA^TW+W^TAA^TW

对上式求W的微分，得：

式中，R＝AA^T，Q＝YA；

令

得到W的最小二乘解为：

W＝R^-1Q

即得到预失真器的多项式系数α₀，α₁，α₂，...，α_m。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明根据实际预失真线性化性能和实现复杂度等因素综合考虑，针对短波功放数字预失真线性化，利用归一化均方误差设计了一种非均匀量化表格索引的记忆多项式模型，提高了表格索引精度，进而改善数字预失真系统的性能。

附图说明

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

图1是现有技术中的预失真结构图；

图2是现有技术中的一种预失真参数提取方法示意图；

图3是本发明的预失真处理过程流程框图；

图4是采用本发明预失真模型得到的查找表参数分布图；

图5是分别采用本发明方法与传统均匀量化法的仿真结构对比图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例及效果作进一步详细描述。

本发明提出一种基于非均匀量化查找表的短波数字预失真方法，参考图3，该系统包括模数转换模块(ADC)、增益控制模块(DDC)、数字预失真器，模数转换模块(DAC)和功率放大器(PA)。

系统不进行预失真处理时，输入射频信号经过ADC转换成数字信号，再经过DDC进行增益调整后，直通到DAC接口，经射频板转换后送到PA放大，其后为衰减模块(ATT)。

系统接收到外部输入的预失真命令后，进行预失真处理：

步骤1，选取预失真结构，采集当前预失真信号和反馈信号，并对当前采集的信号进行同步对齐；

本发明选择经典的记忆多项式结构，Microblaze发出数据采集指令，采集输入基带信号、经过预失真器的前向信号和功放反馈回来的反向信号。采集数据完成后触发Microblaze进入中断，执行中断处理程序。具体是从外部存储器中读取输入基带信号、前向数据和反向数据，再将采集的信号进行同步对齐。

在数字预失真系统中需要进行功放建模和预失真系数估算，为了保证建模和系数计算的精确度，其内的运算都采用浮点运算。在FPGA中直接用硬件电路进行浮点运算将会浪费大量资源，工作速率也会降低，所以目前的预失真平台一般把这一部分功能放到ARM处理器或者DSP中，于是便有了ARM+FPGA架构和DSP+FPGA架构。采用两块核心芯片，这将导致电路的面积和成本大大增加。

本发明采用Microblaze处理器软核，用Microblaze软核替代ARM处理器或者DSP，在使用时直接按需例化，搭配硬件描述语言设计的硬逻辑完成设计。

步骤2，设置信号长度为N，计算当前的输入信号与预失真输出信号的归一化均方误差，N为正整数；

计算当前的输入信号与预失真输出信号的归一化均方误差(NMSE)，具体为：

其中，x_n表示输入信号的第n个点，x_n表示反馈信号的第n个点。

步骤3，判断当前计算的归一化均方误差是否大于预设目标值，若是，则采用最小二乘法计算预失真系数，并据此对查找表进行更新，下一轮预失真采用更新后的查找表进行预失真；否则，下一轮采用当前查找表进行预失真。

具体地，若NMSE小于设定的目标值，则结束此次预失真计算。反之，则计算预失真系数并通过Microblaze与FPGA接口发送到预失真器中。基带信号经过预失真器的增益补偿后，再送到功率放大器，重新计算NMSE。

系统在运行过程中实时计算NMSE，当其大于目标值后，启动新一轮的预失真计算，如此往复，实现自适应的数字预失真处理。

以上过程中的预失真系数的计算过程为：

3.1，设瞬时预失真表达式为：

式中，m表示多项式的次数，x_n为输入信号的第n个点，y_n为预失真输出信号的第n个点信号，p_n为输入信号第n个点的归一化后的模值，α₀，α₁，α₂，...，α_m分别为多项式系数；

3.2，计算使目标函数达到最小时的多项式系数，目标函数为：

将目标函数写成矩阵形式的预失真表达式，则定义误差向量为：

ε＝Y-X.*P.*W

式中，

W＝[α₀ α₁ α₂ … α_m]；Y＝[y₁ y₂ … y_n]^T；.*表示点乘，即矩阵对应元素相乘；

3.3，令X.*P＝A，则误差向量的平方表示为：

ε²＝Y²-2YA^TW+W^TAA^TW

对上式求W的微分，得：

式中，R＝AA^T，Q＝YA；

令

得到W的最小二乘解为：

W＝R^-1Q

即得到预失真器的多项式系数α₀，α₁，α₂，...，α_m。

本发明中，根据实际预失真线性化性能和实现复杂度等因素综合考虑，针对短波功放数字预失真线性化，设计了一种非均匀量化表格索引的记忆多项式模型，可以提高表格索引精度，进而改善数字预失真系统的性能，更新后的查找表分布如图4所示。

图4中设表格长度为L，区间1对应幅度区间为[7/8，1]*(最大幅值)，索引长度为L/3；区间2对应幅度区间为[1/2，7/8]*(最大幅值)，索引长度为L/3；区间3对应幅度区间为[0，1/2]*(最大幅值)，索引长度为L/3。

实测采用额定功率为125W的短波功放，满功率发射时，采用双音间隔0.6KHz的信号，发射频率为17.655MHz。实际测试结果如图5所示，采用本发明预失真处理后发射机三阶互调指标(2MHz～30MHz)从均匀量化的30dB提高到40dB以上，发射机频谱质量也取得很大改善。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.基于非均匀量化查找表的短波数字预失真方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，选取预失真结构，采集当前预失真信号和反馈信号，并对当前采集的信号进行同步对齐；

步骤2，设置信号长度为N，计算当前的输入信号与预失真输出信号的归一化均方误差，N为正整数；

步骤3，判断当前计算的归一化均方误差是否大于预设目标值，若是，则采用最小二乘法计算预失真系数，并据此对查找表进行更新，下一轮预失真采用更新后的查找表进行预失真；否则，下一轮采用当前查找表进行预失真；系统在运行过程中实时计算NMSE，当其大于目标值后，启动新一轮的预失真计算，如此往复，实现自适应的数字预失真处理。

2.根据权利要求1所述的基于非均匀量化查找表的短波数字预失真方法，其特征在于，所述预失真结构为记忆多项式结构。

3.根据权利要求1所述的基于非均匀量化查找表的短波数字预失真方法，其特征在于，采集指令由Microblaze发出，Microblaze集成于FPGA中。

4.根据权利要求1所述的基于非均匀量化查找表的短波数字预失真方法，其特征在于，所述计算当前的输入信号与预失真输出信号的归一化均方误差，具体为：

其中，x_n表示输入信号的第n个点，y_n表示反馈信号的第n个点。

5.根据权利要求1所述的基于非均匀量化查找表的短波数字预失真方法，其特征在于，所述采用最小二乘法计算预失真系数，具体为：

3.1，设瞬时预失真表达式为：

式中，m表示多项式的次数，x_n为输入信号的第n个点，y_n为预失真输出信号的第n个点信号，p_n为输入信号第n个点的归一化后的模值，α₀,α₁,α₂,…,α_m分别为多项式系数；

3.2，计算使目标函数达到最小时的多项式系数，目标函数为：

将目标函数写成矩阵形式的预失真表达式，则定义误差向量为：

ε＝Y-X.*P.*W

式中，

W＝[α₀ α₁ α₂ … α_m]；Y＝[y₁ y₂ … y_n]^T；.*表示点乘，即矩阵对应元素相乘；

3.3，令X.*P＝A，则误差向量的平方表示为：

ε²＝Y²-2YA^TW+W^TAA^TW

对上式求W的微分，得：

式中，R＝AA^T，Q＝YA；

令

得到W的最小二乘解为：

W＝R^-1Q

即得到预失真器的多项式系数α₀,α₁,α₂,…,α_m。

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