CN114826298B - 一种短波发射机谐波抑制装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种短波发射机谐波抑制装置及方法。在对谐波信号进行下变频过程中，根据射频载波频率f_c与多音本振信号的频率间隔确定多音产生器的本振频率f_r，在不混叠的前提下，将谐波信号下变频到频率较低的位置，实现了最低采样率的模数转换器同时对多次谐波信号的无失真采样。通过信号预处理单元对采样得到的谐波数字信号依次进行信号分离、与基带信号对齐和相位180度旋转得到目标谐波信号，利用目标谐波信号与基带信号(原始输入信号)进行建模，得到谐波抑制模型。将发射机基带信号送入各谐波补偿器得到谐波抑制信号，将谐波抑制信号与基波信号在数字合成模块合成后，通过DAC输入功放完成数字谐波抑制。

Description

一种短波发射机谐波抑制装置及方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种短波发射机谐波抑制装置及方法。

背景技术

作为最后一道通讯防线，短波通信系统传输距离远、通信安全程度高、抗毁能力强，是唯一不受有源中继限制的远程通讯手段，能够在极端恶劣的条件下发挥巨大作用。然而，作为短波通信系统的核心模块——功率放大器，其非线性失真严重制约了短波通信发展。

交调失真、谐波失真是造成非线性失真的主要原因。其中，交调失真通常采用线性化技术抑制，例如，数字预失真技术，它通过对功放逆向建模形成与功放相反的失真，再与功放级联便可实现整个系统响应的线性。而谐波失真，以往都是通过在功放和天线之间使用开关控制的滤波器组的方式进行抑制。但由于滤波器组的体积庞大，无法满足短发发射机小型化发展需求，且开关和滤波器带来的插入损耗降低了整个系统的效率。此外，对于多频带和超宽带工作的功放，低频信号的谐波分量可能会落入更高的工作频带，这无法被带外滤波器滤除。因此，采用数字处理技术抑制谐波从而代替掉笨重的滤波器会是一种更优的办法。

短波通信的频率范围为2MHz到30MHz，相对来说频率较低，这使得直接谐波采样成为可能，但是，对于高频率的高次谐波信号来说，仍然需要超过100MHz的采样率才能满足奈奎斯特采样率，这样的采样方式一方面会采集到基波，由于谐波的功率远远小于基波的功率，而动态范围有限，导致采样到的谐波信号精度下降，特征不够准确，这直接会影响到谐波抑制的结果。另一方面对模数转换器ADC的设计要求更高，且会增加成本和系统功耗。

发明内容

本发明针对传统的短波发射机采用笨重的谐波抑制滤波器组，导致发射机体积庞大，且无法实现多频带工作的等问题，提出了一种短波发射机谐波抑制装置及方法。

一种短波发射机谐波抑制装置，包括混频采样模块、信号预处理模块、数字预补偿模块、数字上变频模块、数字合成模块、数模转换器DAC和功率放大器；

所述混频采样模块由下变频单元和模数转换器ADC组成；下变频单元接收从功率放大器耦合到的功率信号；根据实际需求生成多音本振信号，并以多音本振信号为依据对接收到的功率信号进行下变频处理后输出至模数转换器ADC；模数转换器ADC从接收的下变频处理后的功率信号中捕获谐波信号，并将捕获的谐波信号转换为数字谐波信号输出至信号预处理模块；

所述信号预处理模块对接收的数字谐波信号依次进行数字分离提取、与输入基带信号对齐、频谱搬移和反相处理后，得到n次目标谐波抑制信号输出至数字预补偿模块；

所述数字预补偿模块由含模型参数计算单元、n个谐波补偿器及n个数字上变频模块组成；模型参数计算单元具有n个输出端，n个输出端分别与n个谐波补偿器一一对应连接，n个谐波补偿器分别与n个数字上变频模块一一对应连接；模型参数计算单元接收信号预处理模块提供的n次目标谐波抑制信号和基带输入信号，以接收的基带输入信号和各次目标谐波抑制信号为输入正向建模，利用参数辨识算法分别计算出各谐波补偿器的模型系数输出至对应的谐波补偿器；各谐波补偿器分别接收基带输入信号和各自对应的模型系数，根据各自接收的基带信号和模型系数生成谐波抑制信号输出至对应的数字上变频模块；各数字上变频模块将接收的谐波抑制信号进行上变频处理后输出至数字合成模块；

所述数字合成模块接收上变频后的基带输入信号和谐波抑制信号，根据接收的基带输入信号和谐波抑制信号进行合成处理后，经数模转换器DAC转换成模拟信号后输出至功率放大器实现谐波抑制。

进一步的，所述信号预处理模块由依次连接的数字分离提取单元、信号对齐单元、频谱搬移单元和反相处理单元组成；其中数字分离单元的输入端作为信号预处理模块的输入端，与ADC模块的输出端连接，利用与谐波带宽相等的数字滤波器从接收信号中提出谐波信号并输出；反相处理单元的输出端作为信号预处理模块的输出端，连接模型参数计算单元的输入端。

进一步的，所述下变频单元中的多音本振信号采用数模转换器DAC直接生成或由外部输入一个任何频率的本振信号通过阶跃恢复二极管生成。

更进一步的，所述下变频单元由多音产生器和混频器组成，多音产生器根据实际需求的频率产生多音本振信号提供给混频器，混频器接以多音本振信号为依据对功率放大器输出的信号进行下变频处理。

一种短波发射机的谐波抑制方法，包括以下步骤：

步骤1、对短波发射机谐波抑制装置进行参数设置，需要设置的参数包括：基带输入信号带宽a，数字上变频模块DUC的射频载波频率f_c、各次谐波抑制通道的频率nf_c，多音产生器输入的本振频率f_r以及模数转换器ADC的采样率f_s；参数设置过程中：射频载波频率f_c与多音产生器的本振频率f_r之间应满足|f_c-f_r|＞10a；模数转换器ADC在同时采集n次谐波时，其采样率需要满足奈奎斯特采样定律，f_s＞2n|f_c-f_r|；

步骤2、基于设定的参数对功率放大器输出的信号进行多音本振混频采样，得到下变频后的谐波信号；

步骤3、将下变频后的谐波信号提供给信号预处理单元进行预处理得到各次目标谐波抑制信号；预处理过程如下：

3.1、利用与谐波带宽相等的数字滤波器分别从下变频后的谐波信号中提取出各次谐波信号，同时滤除掉其他的冗余分量；

3.2、采用延时对齐算法将步骤3.1提取的谐波信号与基带输入信号对齐，以消除环路延迟对谐波模型辨识结果的影响；

3.3、基于步骤3.2的对齐结果，对谐波信号进行频谱搬移处理，即将中心频点移至零频；

3.4、对频谱搬移后的谐波信号进行反相处理，得到目标谐波抑制信号；

步骤4、以基带输入信号与步骤3得到的目标谐波抑制信号正向建模，利用参数辨识算法计算出谐波补偿通道的模型系数；

3.4、对频谱搬移后的谐波信号进行反相处理，得到目标谐波抑制信号；

步骤4、以基带输入信号与步骤3得到的目标谐波抑制信号正向建模，利用参数辨识算法计算出谐波补偿通道的模型系数；

步骤5、结合模型系数与基带输入数据流生成谐波抑制信号；基带输入信号和谐波抑制信号经过数字上变频后在数字域合成后，再经数模转换器DAC输入功放，进而实现谐波抑制。

本发明提供的一种短波发射机谐波抑制装置及方法，在对谐波信号进行下变频过程中，根据射频载波频率f_c与设置的多音本振信号的频率间隔来确定多音产生器的本振频率f_r，在不混叠的前提下，将谐波信号下变频到频率最低的位置，实现了最低采样率的数模转换器ADC同时对多次谐波信号的无失真采样。通过信号预处理单元对采样得到的谐波数字信号依次进行信号分离、与基带信号对齐和相位180度旋转得到目标谐波信号，利用目标谐波信号与基带信号(原始输入信号)进行建模，得到谐波抑制模型。将发射机基带信号送入各谐波补偿器得到谐波抑制信号，将谐波抑制信号与原始基波信号在数字合成模块合成后，通过DAC输入功放即可完成数字谐波抑制。需要说明的是：在本发明中的数字合成模块并非实际器件，仅用于实现各信号相加。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明通过设定射频载波频率f_c与多音产生器输入的本振频率f_r之间的关系|f_c-f_r|＞10a，确定出多音本振信号频率设置的合理性，在此多音本振信号频率基础上，实现了各次谐波信号在不混叠的前提下，同时下变频到频率较低的位置，进而使用低采样率的ADC就可以同时对多次谐波信号的无失采样。降低了模数转换器ADC的采样率需求，进而降低发射机的设计成本和功耗。由于所需的采样点数减少，使得计算处理方面也更加容易，更适合应用于实际工程中。此外，无需改变本振频率即可实现的多次采样，即避免了多次采样引入的本振相位误差，同时系统响应也更加快速。

附图说明

图1为本发明提出的短波发射机的谐波抑制装置的实现框图；

图2为本发明提出的信号预处理模块的流程图；

图3为本发明提出的数字预补偿模块参数计算示意图。

具体实施方式

为了更加清楚地展示本发明的技术方案和技术优势，将参照附图和具体实施案例对本发明作进一步地详细说明。显然，此处描述的具体实施案例仅仅用于解释本发明，并不是唯一的实施案例。应当认为，基于本发明并且没有做出创造性劳动的所有其他实施案例都属于本发明保护的范围。

本发明提供的一种短波发射机的谐波抑制装置，如图1所示，包括功率放大器PA、混频采样模块、信号预处理模块、数字预补偿模块、数字合成模块和数模转换器DAC。

本发明提供的一种短波发射机的谐波抑制装置，如图1所示，包括功率放大器、混频采样模块、信号预处理模块、数字预补偿模块、数字合成模块和数模转换器DAC；

所述功率放大器PA的输入端连接数模转换器DAC的输出端，第一输出端连接混频采样模块，第二输出端连接外部天线，用于对数模转换器DAC提供的输出信号进行线性放大，保证发射机链路有足够的增益。

所述混频采样模块包括下变频单元和模数转换器ADC；下变频单元的输入端连接功率放大器的第一输出端，输出端连接模数转换器ADC的输入端，用于根据实际需求的频率产生多音本振信号，并以多音本振信号为依据对功率放大器输出的信号进行下变频处理。本实施例中，下变频单元由多音产生器和混频器组成，多音产生器根据实际需求的频率产生多音本振信号提供给混频器，混频器接以多音本振信号为依据对功率放大器输出的信号进行下变频处理。模数转换器ADC的输出端连接信号预处理模块的输入端，用于同时捕获下变频后的n次谐波信号。

所述信号预处理模块的输出端连接数字预补偿模块的输入端，用于对谐波信号依次进行数字分离提取、与输入基带信号对齐、频谱搬移和反相处理，得到2次、3次及4次目标谐波抑制信号。如图2所示，信号预处理模块由依次连接的数字分离提取单元、信号对齐单元、频谱搬移单元和反相处理单元组成；其中数字分离单元的输入端作为信号预处理模块的输入端，与ADC模块的输出端连接。用于从接收到的谐波数字中提出2次、3次及4次谐波信号。信号对其单元用于将提取出的2次、3次及4次谐波信号与基带信号对齐，使其处于同一时域，以消除延迟对谐波模型辨识结果的影响；频谱搬移单元用于根据对齐结果对2次、3次、4次谐波信号进行频谱搬移处理，即将中心频点移至零频。反相处理单元的输出端作为信号预处理模块的输出端，连接模型参数计算单元的输入端，用于对上述各次谐波信号的相位旋转180度，作为目标谐波抑制信号。

所述数字预补偿模块由含模型参数计算单元、3个谐波补偿器及3个数字上变频模块组成；模型参数计算单元具有3个输出端，3个输出端分别与3个谐波补偿器一一对应连接，3个谐波补偿器分别与3个数字上变频模块一一对应连接；模型参数计算单元接收信号预处理模块提供的3次目标谐波抑制信号和基带输入信号，以接收的基带输入信号和各次目标谐波抑制信号为输入正向建模，利用参数辨识算法分别计算出各谐波补偿器的模型系数输出至对应的谐波补偿器；各谐波补偿器分别接收基带输入信号和各自对应的模型系数，根据各自接收的基带信号和模型系数生成谐波抑制信号输出至对应的数字上变频模块；各数字上变频模块将接收的谐波抑制信号进行上变频处理后输出至数字合成模块。

所述数字合成模块接收谐波抑制信号和经数字上变频DUC上变频后的基带输入信号；根据接收的基带输入信号和谐波抑制信号进行合成处理后，经数模转换器DAC转换成模拟信号后输出至功率放大器实现谐波抑制。

使用时，混频采样模块根据射频载波频率f_c与本振频率之间关系式来设置多音产生器的本振频率，实现将谐波信号在不混叠的前提下，实现了低采样率的ADC同时对多次谐波信号的无失采样。再通过信号预处理单元对接收的数字谐波信号依次进行信号分离、与基带信号对齐和相位180度旋转得到目标谐波信号,利用目标谐波信号与基带信号进行建模，计算出谐波抑制模型系数。。将基带信号和模型系数送入对应的谐波补偿器得到谐波抑制信号，，将谐波抑制信号与原始基波信号在数字域合成后通过DAC输入功放即可完成数字谐波抑制。

基于上述装置，本实施例还提供了一种短波发射机的谐波抑制方法，包括以下步骤：步骤1、对短波发射机谐波抑制装置进行参数设置，需要设置的参数包括：基带输入信号带宽a，数字上变频模块DUC的射频载波频率f_c、各次谐波抑制通道的频率，多音产生器输入的本振频率f_r、以及模数转换器ADC的采样率f_s；参数设置过程中：射频载波频率f_c与输入本振频率f_r之间应满足|f_c-f_r|＞10a；模数转换器ADC在同时采集n次谐波时，其采样率需要满足奈奎斯特采样定律，f_s＞2n|f_c-f_r|；

步骤2、基于设定的参数对功率放大器输出的信号进行多音本振混频采样，得到下变频后的谐波信号；

步骤3、将下变频后的谐波信号提供给信号预处理单元进行预处理得到目标谐波信号；预处理过程如下：

3.1、利用与谐波带宽相等的数字滤波器分别从下变频后的谐波信号中提取出谐波信号，同时滤除掉其他的冗余分量；

3.2、采用延时对齐算法将步骤3.1提取的谐波信号特征与基带输入信号对齐，使其处于同一时域，以消除延迟对谐波模型辨识结果的影响；

3.3、基于步骤3.2的对齐结果，对谐波信号进行频谱搬移处理，即将中心频点移至零频；从而得到最低采样率。

3.4、对频谱搬移后的谐波信号进行反相处理，得到目标谐波抑制信号；

步骤4、以基带输入信号与步骤3得到的目标谐波抑制信号正向建模，利用参数辨识算法计算出谐波补偿通道的模型系数；

3.4、对频谱搬移后的谐波信号进行反相处理，得到目标谐波抑制信号；

步骤4、以基带输入信号与步骤3得到的目标谐波抑制信号正向建模，利用参数辨识算法计算出谐波补偿通道的模型系数；

步骤5、结合模型系数与基带输入数据流生成谐波抑制信号；基带输入信号和谐波抑制信号经过数字上变频后在数字域合成后，再经数模转换器DAC输入功放，进而实现谐波抑制。

实施例1

基带输入信号为信号带宽为10KHz的调制信号，射频载波频率f_c为5MHz，2次谐波、3次谐波和4次谐波中心频率为10MHz，15MHz，20MHz，在本实施案例中，只考虑2、3和4次谐波。根据|f_c-f_r|＞10a确定多音产生器输入的本振频率f_r为4.9MHz，再通过多音产生器产生9.8MHz、14.7MHz和19.6MHz多音本振信号。2次谐波、3次谐波和4次谐波经过基于多音本振的混频采样单元后下变频到中心频率为0.2MHz、0.3MHz和0.4MHz的位置。为了完成无失真采样，ADC采样率至少应该为0.8MHz。在信号预处理模块中，分别使用带宽为20KHz、30KHz和40KHz的数字滤波器提取2次谐波、3次谐波和4次谐波信号，然后使用延时对齐算法实现各次谐波信号与基带输入信号对齐。对齐后再将各次谐波信号的中心频点搬移到零频，最后完成相位旋转180度得到各次目标谐波抑制信号。在数字预补偿模块中，首先建立短波功率放大器的2次谐波模型、3次谐波模型和4次谐波模型，利用基带输入信号和各次目标谐波抑制信号正向建模，求出2次、3次和4次谐波抑制器的模型系数。基带输入信号通过各次谐波抑制器得到相应的谐波抑制信号，这些谐波抑制信号与基带输入信号分别通过数字上变频到对应的频率处后在数字域合成，合成后的信号通过DAC作为功放的输入信号，进而实现谐波抑制。

Claims (5)

1.一种短波发射机谐波抑制装置，包括混频采样模块、信号预处理模块、数字预补偿模块、数字上变频模块、数字合成模块、数模转换器DAC和功率放大器，其特征在于：

所述混频采样模块由下变频单元和模数转换器ADC组成；下变频单元接收从功率放大器耦合到的功率信号；根据实际需求生成多音本振信号，并以多音本振信号为依据对接收到的功率信号进行下变频处理后输出至模数转换器ADC；模数转换器ADC从接收的下变频处理后的功率信号中捕获谐波信号，并将捕获的谐波信号转换为数字谐波信号输出至信号预处理模块；

所述信号预处理模块对接收的数字谐波信号依次进行数字分离提取、与输入基带信号对齐、频谱搬移和反相处理后，得到n次目标谐波抑制信号输出至数字预补偿模块；

所述数字预补偿模块由含模型参数计算单元、n个谐波补偿器及n个数字上变频模块组成；模型参数计算单元具有n个输出端，n个输出端分别与n个谐波补偿器一一对应连接，n个谐波补偿器分别与n个数字上变频模块一一对应连接；模型参数计算单元接收信号预处理模块提供的n次目标谐波抑制信号和基带输入信号，以接收的基带输入信号和各次目标谐波抑制信号为输入正向建模，利用参数辨识算法分别计算出各谐波补偿器的模型系数输出至对应的谐波补偿器；各谐波补偿器分别接收基带输入信号和各自对应的模型系数，根据各自接收的基带信号和模型系数生成谐波抑制信号输出至对应的数字上变频模块；各数字上变频模块将接收的谐波抑制信号进行上变频处理后输出至数字合成模块；

所述数字合成模块接收上变频后的基带输入信号和谐波抑制信号，根据接收的基带输入信号和谐波抑制信号进行合成处理后，经数模转换器DAC转换成模拟信号后输出至功率放大器实现谐波抑制。

2.根据权利要求1所述的一种短波发射机谐波抑制装置，其特征在于：所述信号预处理模块由依次连接的数字分离提取单元、信号对齐单元、频谱搬移单元和反相处理单元组成；其中数字分离单元的输入端作为信号预处理模块的输入端，与ADC模块的输出端连接，利用与谐波带宽相等的数字滤波器从接收信号中提出谐波信号并输出；反相处理单元的输出端作为信号预处理模块的输出端，连接模型参数计算单元的输入端。

3.根据权利要求1所述的一种短波发射机谐波抑制装置，其特征在于：所述下变频单元中的多音本振信号采用数模转换器DAC直接生成或由外部输入一个任何频率的本振信号通过阶跃恢复二极管生成。

4.根据权利要求3所述的一种短波发射机谐波抑制装置，其特征在于：所述下变频单元由多音产生器和混频器组成，多音产生器根据实际需求的频率产生多音本振信号提供给混频器，混频器接以多音本振信号为依据对功率放大器输出的信号进行下变频处理。

5.一种短波发射机的谐波抑制方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1、对短波发射机谐波抑制装置进行参数设置，需要设置的参数包括：基带输入信号带宽a，数字上变频模块DUC的射频载波频率f_c、各次谐波抑制通道DUC的频率nf_c，多音产生器输入的本振频率f_r以及模数转换器ADC的采样率f_s；参数设置过程中：射频载波频率f_c与多音产生器的本振频率f_r之间应满足|f_c-f_r|＞10a；模数转换器ADC在同时采集n次谐波时，其采样率需要满足奈奎斯特采样定律，f_s＞2n|f_c-f_r|；

步骤2、基于设定的参数对功率放大器输出的信号进行多音本振混频采样，得到下变频后的谐波信号；

步骤3、将下变频后的谐波信号提供给信号预处理单元进行预处理得到各次目标谐波抑制信号；预处理过程如下：

3.1、利用与谐波带宽相等的数字滤波器分别从下变频后的谐波信号中提取出各次谐波信号，同时滤除掉其他的冗余分量；

3.2、采用延时对齐算法将步骤3.1提取的谐波信号与基带输入信号对齐；

3.3、基于步骤3.2的对齐结果，对谐波信号进行频谱搬移处理，即将中心频点移至零频；

3.4、对频谱搬移后的谐波信号进行反相处理，得到目标谐波抑制信号；

步骤4、以基带输入信号与步骤3得到的目标谐波抑制信号正向建模，利用参数辨识算法计算出谐波补偿通道的模型系数；

3.4、对频谱搬移后的谐波信号进行反相处理，得到目标谐波抑制信号；

步骤4、以基带输入信号与步骤3得到的目标谐波抑制信号正向建模，利用参数辨识算法计算出谐波补偿通道的模型系数；

步骤5、结合模型系数与基带输入数据流生成谐波抑制信号；基带输入信号和谐波抑制信号经过数字上变频后在数字域合成后，再经数模转换器DAC输入功放，进而实现谐波抑制。

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