CN112968681B

CN112968681B - 一种高斯白噪声背景下功放模型参数精确提取系统及方法

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Publication number: CN112968681B
Application number: CN202110140183.7A
Authority: CN
Inventors: 胡明; 杨昌睿
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2021-02-02
Filing date: 2021-02-02
Publication date: 2023-04-25
Anticipated expiration: 2041-02-02
Also published as: CN112968681A

Abstract

本发明公开了一种高斯白噪声背景下功率放大器模型参数精确提取系统及方法，由信号源模块产生的测试信号是周期信号，可以保证回传信号也是周期信号，便于后续进行统计平均。在参数提取模块，首先进行周期信号的统计平均，有利于减弱高斯白噪声对信号的影响，使平均后的信号更接近于未受噪声影响的PA实际输出。通过此种方式，以功率放大器数字预失真系统为应用场景，在信道噪声为高斯白噪声的情况下，提供了一种减少噪声影响、获取高精确度PA模型参数的方法。

Description

一种高斯白噪声背景下功放模型参数精确提取系统及方法

技术领域

本发明涉及通信领域，具体涉及一种高斯白噪声背景下功率放大器模型参数精确提取系统及方法。

背景技术

在现代通信系统中，常常需要对一些通信模块进行数学建模，为了获得精确的模型参数，就要求所采集数据具有较高的精确度。但是，噪声的存在会影响数据的精度，从而降低所建立数学模型的精确度。为了提高模型的精确度，就需要采用一定的方法来降低噪声对数据的干扰。

在无线通信系统中，功率放大器(Power Amplifier，PA)对整个系统性能起着至关重要的作用。理想功放可对输入信号进行线性放大，但实际功放的输入和输出信号之间并不具有线性关系，而是产生了非线性失真，并引入了一定的记忆性，即输出信号不仅与当前时刻的输入信号有关，还受到以前多个时刻的输入信号影响，如图1所示。为了解决功率放大器的非线性失真，抑制频带外的杂散信号，目前常采用数字预失真(DigitalPredistortion，DPD)技术。

DPD技术的关键是在基带采集PA的输入、输出数据，并依据采集数据对PA进行数学建模，如图2所示。因此，采集数据的精确度越高，建立的PA模型就越接近实际的功率放大器。PA的输入数据在基带就是数模转换(D/A)前的数字信号，而在基带的PA输出数据，就是PA输出的少量耦合信号经反馈通道后的回传信号。一般情况下，回传到基带的PA输出信号往往受到噪声的干扰，从而影响采集数据的精确度。

由此可以看出，噪声会导致回传信号的精度不高，从而使获取的PA模型参数不够精确，最终影响预失真效果。为了进一步提高模型的精确度，关键在于降低噪声的影响，进而提高回传信号的精度，这就是本发明的目标。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出一种高斯白噪声背景下功放模型参数精确提取系统及方法，通过下述技术方案实现：

一种高斯白噪声背景下功放模型参数的精确提取系统，包括参数提取模块和依次连接的信号源模块、预失真模块、D/A转换器、功率放大器以及A/D转换器，所述参数提取模块的输入端连接预失真模块和A/D转换器的输出端，输出端连接至所述预失真模块；所述参数提取模块包括数据存储模块、数据对齐模块、数据平均模块、参数获取算法模块，其中：

所述数据存储模块的输入接入所述A/D转换器输出的回传信号，其输出与数据对齐模块的输入相连；

所述数据对齐模块的输出与数据平均模块的输入相连；

所述参数获取算法模块的一个输入端与所述数据平均模块的输出端相连，其另一个输入端通过处于直通状态的预失真模块与信号源相连；

所述参数获取算法模块的输出端连接所述预失真模块的一个输入端；

所述数据存储模块用于采集、存储经回传通道返回的多个周期测试信号；

所述数据对齐模块用于确定每个周期的开始和结束位置，对每段周期测试信号的首尾进行对齐；

所述数据平均模块用于对各周期测试信号相同位置编号的数据进行算数平均；

所述参数获取算法模块用于利用来自一个输入端的周期测试信号以及来自另一个输入端经处理后的回传信号，采用设定算法提取功率放大器模型参数，并发送给预失真模块。

上述方案的有益效果是，通过定义一种新的回传信号处理系统框架，可以降低噪声对回传信号精度的影响，从而获取更精确的PA模型参数，进一步改善噪声环境下的预失真效果。

还提出一种高斯白噪声背景下功放模型参数的精确提取方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、信号源发出周期测试信号，并通过处于直通状态的预失真模块分别发送给数据发送信道和参数获取算法模块；

S2、在信道中叠加噪声后的周期测试信号被发送至数据存储模块；

S3、在数据存储模块，连续采集并存储多个周期的测试信号，并形成数据流发送至数据对齐模块；

S4、在数据对齐模块，确定数据流中每段周期测试信号的开始和结束位置，完成多个周期测试信号的首尾对齐；

S5、在数据平均模块，首先接收经数据对齐后的多个周期测试信号，并对多个周期测试信号相同位置编号的数据进行算数平均，然后将算数平均后的一个周期信号发送至参数获取算法模块；

S6、在参数获取算法模块，利用来自其一个输入端的标准周期测试信号以及另一个输入端经处理后的回传信号，采用设定算法提取功率放大器模型参数，并发送给预失真模块。

进一步的，所述步骤S1中周期测试信号幅度不小于正常工作时的信号幅度，且各段周期测试信号之间保持设定时间间隔。

进一步的，所述S2中叠加噪声为高斯白噪声。

上述方案的有益效果是，通过定义一种新的回传信号处理方法，在高斯白噪声背景情况下，提高了用于PA模型参数获取的回传信号精度，使噪声得到明显抑制，从而使获取的PA模型更加精确。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为记忆非线性功放的输入输出幅度关系图。

图2为预失真原理框架示意图。

图3为本发明参数提取模块内部结构示意图。

图4为本发明实施例验证建模精度的仿真结构示意图。

图5为本发明实施例预失真场景仿真总体结构示意图。

图6为本发明实施例功率谱对比图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

实施例

一种高斯白噪声背景下功放模型参数精确提取系统，包括参数提取模块和依次连接的信号源模块、预失真模块、D/A转换器、功率放大器以及A/D转换器，参数提取模块的输入端连接预失真模块和A/D转换器的输出端，输出端连接至预失真模块。在参数提取过程中，预失真模块处于直通状态。而本发明采用如图3所示结构对参数提取模块进行改进。在图3所示的解决方案中，信号源模块产生周期测试信号，其幅度不小于正常工作时的信号幅度；数据存储模块用于采集、存储经回传通道返回的多个周期测试信号；数据对齐模块确定每个周期的开始位置，完成每段周期测试信号的首尾对齐；数据平均模块完成各周期测试信号相同位置编号数据的算数平均；参数获取算法模块利用来自一个输入端的周期测试信号、以及来自另一个输入端经处理后的回传信号，采用已有的算法提取PA模型参数，并发送给预失真模块。

具体而言，参数提取模块包括数据存储模块、数据对齐模块、数据平均模块、参数获取算法模块，其中：

所述数据对齐模块的输出与数据平均模块的输入相连；

由于高斯白噪声具有随机性，从统计意义上说，其均值为零，所以，将受噪声干扰的多个回传周期信号进行算术平均，可以削弱噪声对回传信号的影响。而且，参与算数平均的周期数越多，噪声抑制的效果越好。假设测试信号的周期长度是L，那么一个周期的测试信号可以表示为：

一个周期的回传信号可以表示为：

在式(2)中，δ(r)是随机噪声，g(r)是无噪声影响的回传信号。本发明的目标就是要减弱噪声对回传信号的影响，让参与PA模型参数提取的回传信号尽量靠近g(r)。在数据存储模块保存的多个周期信号可以表示为：

第1周期：

第2周期：

第k周期：

在式(3)所示周期信号中，每个周期的g(r)保持不变，而噪声是随机信号，所以分别用δ₁(r)、δ₂(r)、…、δ_k(r)表示。在数据对齐模块确定上述k个周期信号的开始位置以后，数据平均模块就可以对相同位置编号的数据进行算数平均，于是，周期长度为L的回传信号经过算数平均以后可以分别表示为：

第1个数据：g(1)+(δ₁(1)+δ₂(1)+…+δ_k(1))/k

第2个数据：g(2)+(δ₁(2)+δ₂(2)+…+δ_k(2))/k

第L个数据：g(L)+(δ₁(L)+δ₂(L)+…+δ_k(L))/k (4)

由式(4)可以看出，因为高斯白噪声是随机信号且均值为0，所以采样的样本数(周期数)越多，噪声对各个数据的影响就越小，进而使参与PA参数提取的回传信号更精确，也就是更接近于无噪声影响的回传信号g(r)。

基于上述系统和理论，本发明提出一种高斯白噪声背景下功放模型参数精确提取方法，信号源模块产生的测试信号是周期信号，可以保证回传信号也是周期信号，便于后续进行统计平均。在参数提取模块，首先进行周期信号的统计平均，有利于减弱高斯白噪声对信号的影响，使平均后的信号更接近于未受噪声影响的PA实际输出，其具体包括如下步骤：

S1、信号源模块发出如式(1)所示的周期测试信号x(n)，其幅度不小于正常工作时的信号幅度，且各段周期测试信号之间保持一定间距；

S2、测试信号在信道中叠加噪声，并经过回传通道后成为y(n)，被送入数据存储模块；

S3、在数据存储模块，连续采集、存储k个周期的测试信号，如式(3)所示；

S4、在数据对齐模块，对于连续采集的数据流，由于各段周期测试信号之间保持有一定间距，所以较容易确定每段周期数据的开始和结束位置，完成k个周期测试信号的首尾对齐；

S5、在数据平均模块，完成k个周期测试信号相同位置编号数据的算数平均，如式(4)所示，然后将平均后的一个周期信号送往参数获取算法模块；

S6、在参数获取算法模块，利用来自一个输入端的标准周期测试信号、以及来自另一个输入端经处理后的回传信号，采用已有的算法提取PA模型参数，并发送给预失真模块。

本发明以功率放大器数字预失真系统为应用场景，除上述方法以外，预失真处理过程和常规方法一致，如图2所示。本发明在信道噪声为高斯白噪声的情况下，提供了一种减少噪声影响、获取高精确度PA模型参数的方法。

实验验证

具体验证框架如图4、图5所示。图4用于验证所建立PA模型的精确度，图5用于验证本方案在预失真场景下的效果，在图4、图5中的参数提取模块采用本发明方案，如图3所示。

在验证所建立PA模型的精确度时，建立如图4所示的仿真验证模型，包括：信号源、功率放大器、参数提取、功率放大器模型、高斯白噪声等模块。其中，参数提取模块进一步包括：数据存储、数据对齐、数据平均、参数获取算法等模块，如图3所示。在如图4所示的仿真模型中，信号源模块产生周期测试信号；功率放大器具备记忆非线性特征，采用的表达式及参数如式(5)所示；高斯白噪声用于体现信道噪声对回传信号的影响，信噪比设置为60dB；参数提取模块中的参数获取算法采用常见的RLS算法；功率放大器模型采用参数提取模块获取的功放参数建立PA模型，用于验证方案的效果。

c₁₀＝1.0513，c₃₀＝-0.0542，c₅₀＝-0.9657，

c₁₁＝-0.0680，c₃₁＝0.2234，c₅₁＝-0.2451，

c₁₂＝0.0289，c₃₂＝-0.0621，c₅₂＝0.1229 (5)

由图4可以看出，“输出1”是PA的输出，“输出2”是PA输出叠加噪声影响后的结果，“输出3”是采用本发明方案所建立PA模型的输出。由此可以看出，本发明的目的就是要减少参数提取模块中数据平均后的结果与“输出1”之间的误差，即减弱噪声对PA参数提取的影响。这样，“输出3”与“输出1”之间的误差越小，就说明所建立的PA模型与目标PA越接近，PA模型的精确度越高。

考虑到在参数提取模块中采集存储的样本数(周期数)越多，噪声对各个数据的影响就越小，进而使参与PA参数提取的回传信号就越接近于“输出1”，所以在获取参数时，设置参与平均的周期数分别为100、1000、10000、20000、30000，然后采用不同平均周期情况下获取的参数来搭建图4中的“功率放大器模型”，以观察所建立模型的精度。在不同平均周期情况下，PA模型输出(输出3)与目标PA输出(输出1)之间的归一化均方误差(NMSE)如表1所示。由表1可以看出，随着平均周期数的增加，所获得模型的输出与目标结果之间的误差越来越小，噪声抑制效果越明显。当未采用本方案直接获取PA参数时，即表1中平均周期数为0的情况，所建立PA模型与目标结果之间的NMSE是-41dB。而当采用本方案后，如果采用1000个周期进行平均，误差已降低到-69dB，即使仅采用100个周期进行平均，误差也可降低到-59dB，相对于-41dB改善18dB。说明本方案能明显抑制噪声的影响，提高所建立PA模型的精确度。

表1

平均周期数	0	100	1000	10000	20000	30000
							NMSE(dB)	-41	-59	-69	-78	-84	-85

将本方法应用于预失真场景，建立如图5所示的仿真验证模型，包括：信号源、预失真、功率放大器、参数提取、高斯白噪声等模块。该仿真模型分前后两个工作阶段：PA参数提取阶段、预失真工作阶段。在PA参数提取阶段，信号源模块产生周期测试信号，预失真模块采用直通方式，功率放大器、高斯白噪声、参数提取等模块的设置及工作方式与图4相同。在预失真工作阶段，信号源的输出不再是周期测试信号，而是正常基带数据，参数提取模块在将获取的PA参数发送至预失真模块后暂停工作，预失真模块依据PA模型参数对输入数据进行预处理，然后输出至功率放大器模块，功率放大器、高斯白噪声的设置及工作方式保持不变。

采用本方案的预失真效果对比如图6所示。在图6中，“有噪声PA输出”是指在有噪声情况下，未进行预失真时的PA输出；“有噪声DPD效果”是指在有噪声情况下，进行预失真处理后的PA输出，此时，预失真所采用的PA模型参数未采用本方案的提取方法；“本方案DPD效果”是指在有噪声情况下，进行预失真处理后的PA输出，此时，预失真所采用的PA模型参数由本方案的提取方法获取；“无噪声DPD效果”是指在没有叠加噪声情况下，进行预失真处理后的PA输出。

在图6中，对比“有噪声PA输出”和“有噪声DPD效果”可以看出，“有噪声DPD效果”的带外杂散明显减弱，说明预失真产生作用。但相较于“无噪声DPD效果”，“有噪声DPD效果”还有明显差距，说明噪声对模型参数的影响比较明显。另一方面，“本方案DPD效果”基本与“无噪声DPD效果”重合，说明采用本方案后，噪声得到明显抑制，从而使获取的PA模型更加精确，进而使DPD的改善效果更加明显。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种高斯白噪声背景下功放模型参数的精确提取系统，包括参数提取模块和依次连接的信号源模块、预失真模块、D/A转换器、功率放大器以及A/D转换器，所述参数提取模块的输入端连接预失真模块和A/D转换器的输出端，输出端连接至所述预失真模块，其特征在于，所述参数提取模块包括数据存储模块、数据对齐模块、数据平均模块、参数获取算法模块，其中：

所述数据对齐模块的输出与数据平均模块的输入相连；

2.一种基于权利要求1所述系统的高斯白噪声背景下功放模型参数的精确提取方法，其特征在于，包括如下步骤：

3.根据权利要求2所述的一种高斯白噪声背景下功放模型参数的精确提取方法，其特征在于，所述步骤S1中周期测试信号幅度不小于正常工作时的信号幅度，且各段周期测试信号之间保持设定时间间隔。

4.根据权利要求2所述的一种高斯白噪声背景下功放模型参数的精确提取方法，其特征在于，所述S2中叠加噪声为高斯白噪声。