CN114978204A - 双极化相控阵的数字预失真系统及方法 - Google Patents

双极化相控阵的数字预失真系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种双极化相控阵的数字预失真系统及方法，其中，该系统包括：双极化数字预失真模块、双极化相控阵波束成形模块、双极化天线阵列、更新方式判决模块和系数提取模块，其中双极化数字预失真模块产生水平和垂直极化预失真信号，预失真信号输入到双极化相控阵波束成形模块中，波束成形模块的输出信号输入到双极化天线阵列，天线阵列辐射形成波束，采集空间辐射信号并送入更新方式判决模块，判决模块决定全部更新或部分更新系数，将预失真信号和空间反馈信号均送入系数提取模块，系数提取模块将更新的系数输入数字预失真模块。本发明解决系统中功率放大器的非线性失真，以及双极化天线阵列引起的交叉极化串扰。

Description

双极化相控阵的数字预失真系统及方法
技术领域
本发明涉及通信领域，尤其涉及一种双极化相控阵的数字预失真系统及方法。
背景技术
发射机的效率一直是通信技术中的问题之一，尤其是发射机中功率放大器的效率问题，这是限制相控阵发展的关键问题。所以针对相控阵提出了许多数字预失真方案。
然而现有研究中相控阵数字预失真方法都是考虑在单极化系统中应用。然而随着科技的发展，人们对通信容量的需求越来越大，例如，随着直播平台、短视频等自媒体的兴起，越来越多的手机用户需要上传海量数据。因此，在通信带宽有限的情况下，极化复用是一种有效的方法，它利用极化的正交关系，在同一载波频率内传输两个独立的信号，从而提高频谱利用率，进而实现更大的容量。然而除了上述单极化发射机中的非线性问题外，极化纯度是双极化相控阵数字预失真技术的另一个关键挑战。垂直极化到水平极化的交叉极化分量充当水平极化信号的干扰源。对于水平极化耦合到垂直极化的交叉极化串扰也具有一样的性质，这都将导致双极化通信质量的下降。许多降低交叉极化串扰的相控阵已经设计出来。然而，射频链路和天线的设计将显著增加设计成本和制造成本。所以考虑结合数字预失真技术，处理发射机中的交叉极化串扰问题。
相控阵的应用不可避免的考虑到波束切换等动态问题。通常，当用户在波束的3dB带宽内移动时，考虑到移相器精度和波束控制速度，系统将不会切换波束。因此波束在一定波束宽度内，其非线性特性会发生变化，尤其是在双极化相控阵中。传统方法总是需要更新所有的系数，这将增加系统的复杂性并且消耗更多能量。因此，需要一种适用于双极化相控阵这种用户动态场景的数字预失真更新方案。
发明内容
技术问题：为解决移动终端中双极化相控阵系统中的放大器非线性和双极化天线阵列中的极化串扰，以及波束扫描和用户移动的动态场景下系数更新问题，本发明提供一种双极化相控阵的数字预失真系统及方法。
技术方案：为达到此目的，本发明采用以下技术方案：
本发明所述的一种双极化相控阵的数字预失真系统包括：双极化数字预失真模块、双极化相控阵波束成形模块、双极化天线阵列、更新方式判决模块和系数提取模块；其中，所述双极化数字预失真模块产生水平和垂直极化对应的预失真信号，预失真信号输入到所述双极化相控阵波束成形模块中，所述双极化相控阵波束成形模块的输出信号输入到所述双极化天线阵列，所述天线阵列辐射形成波束，采集得到空间反馈信号并送入所述更新方式判决模块，所述更新方式判决模块决定全部更新或部分更新系数，将所述预失真信号和所述空间反馈信号均送入所述系数提取模块，所述系数提取模块将更新的系数并输入到所述双极化数字预失真模块。
其中，所述双极化相控阵波束成形模块，其中水平极化的第k个功率放大器的非线性特征通过公式(1)中的模型描述：
Figure BDA0003619090310000021
其中(·)*表示共轭运算，
Figure BDA0003619090310000022
表示水平极化的第k个功率放大器输入信号，
Figure BDA0003619090310000023
表示双极化天线阵列反射到功率放大器的输入信号，
Figure BDA0003619090310000024
表示功率放大器的输出，n为信号序数，H表示水平极化，并且有
Figure BDA0003619090310000025
Figure BDA0003619090310000026
Figure BDA0003619090310000027
其中
Figure BDA0003619090310000028
这里
Figure BDA0003619090310000029
表示水平极化的第k个功率放大器的模型系数，P表示非线性阶数，M表示记忆深度，p表示非线性阶数的序数，m表示记忆深度的序数。
所述水平极化的第k个功率放大器，其非线性模型根据合理假设，简化为公式(6)所描述的简化版模型：
Figure BDA00036190903100000210
其中，
Figure BDA00036190903100000211
和
Figure BDA00036190903100000212
分别表示相控阵系统水平极化和垂直极化的输入信号，
Figure BDA00036190903100000213
Figure BDA0003619090310000031
和
Figure BDA0003619090310000032
表示模型系数。
所述系数提取模块，根据公式(7)所示的模型公式提取数字预失真系数，
Figure BDA0003619090310000033
其中，
Figure BDA0003619090310000034
为远场辐射的信道模型，N为相控阵中功率放大器的个数，
Figure BDA0003619090310000035
为远场接收信号，
Figure BDA0003619090310000036
和
Figure BDA0003619090310000037
为模型系数，系数即与波束扫描角度θ有关，也与观测角度θo有关。
本发明所述数字预失真系统的双极化相控阵的数字预失真方法包括以下步骤：
S1：水平极化和垂直极化的原始基带信号通过双极化数字预失真模块得到水平和垂直极化的预失真信号，令迭代次数t＝1；
S2：将步骤S1得到的水平极化和垂直预失真信号送入双极化相控阵波束成形模块；
S3：将步骤S2得到的波束成形模块输出送入双极化阵列中，在自由空间中辐射；
S4：将步骤S3在空间辐射的信号反馈回来；
S5：更新方式判决模块判断全部更新系数或是部分更新系数，若全部更新系数则进行步骤S6并跳过步骤S7，若部分更新系数则直接进行步骤S7；
S6：根据全部更新数字预失真模型，提取全部模型系数，并将全部系数拷贝到双极化数字预失真模块中；
S7：提取部分模型系数，并将提取的部分系数拷贝到双极化数字预失真模块中，为提取的系数不更新；
S8：水平极化和垂直极化的原始基带信号依次重新进入双极化数字预失真模块，并得到新的预失真信号，t＝t+1，然后返回步骤S2；
S8：结束。
所述步骤S5中更新方式判决模块根据用户需求、系统的非线性变化情况以及系统精度要求，选择需要全部更新系数的范围；波束每切换一次全部更新一次极化数字预失真模块系数，在一个波束范围内，用户发生移动也只部分更新系数。
所述步骤S6中全部更新数字预失真模型表示为公式(8)
Figure BDA0003619090310000041
其中xH，xV表示水平和垂直极化的原始基带信号，
Figure BDA0003619090310000042
表述数字预失真系数，
Figure BDA0003619090310000043
表示数字预失真模块的输出信号也是相控阵模块的输入信号，H(·)表示非线性运算，提取系数时使用最小二乘方法：
Figure BDA0003619090310000044
其中
Figure BDA0003619090310000045
表示广义逆运算，在双输入DPD的初始步骤中，
Figure BDA0003619090310000046
之后进行正常迭代，直到得到的线性度要求。
所述步骤S7中提取部分模型系数，通过最小二乘方法提取部分系数：
Figure BDA0003619090310000047
其中
Figure BDA0003619090310000048
是上一次的系数，部分更新中不需要更新。
所述数字预失真方法适用于水平极化或垂直极化。
有益效果：本发明公开了一种双极化相控阵数字预失真系统及其方法，有效处理了放大器非线性和双极化天线阵列中的极化串扰问题，并通过部分更新的方式有效减小复杂度，使得该方法适用于波束扫描和用户移动的动态场景，在双极化应用中具有广阔前景。
附图说明
图1为本发明的具体实施方式中的系统的框图。
图2为本发明系统中双极化相控阵示意图。
图3为本发明具体实施方式中三个扫描角度上的幅度调制对幅度调制曲线和幅度调制对相位调制曲线；其中：a为波束扫描和观测角度为-20°时H极化的曲线图；b为波束扫描和观测角度为-20°时V极化的曲线图；c为波束扫描和观测角度为0时H极化的曲线图；d为波束扫描和观测角度为0时V极化的曲线图；e为波束扫描和观测角度为20°时H极化的曲线图；f为波束扫描和观测角度为20°时V极化的曲线图。
图4为本发明具体实施方式中三个扫描角度上的功率谱密度曲线；其中：a为波束扫描和观测角度为-20°时H极化的曲线图；b为波束扫描和观测角度为-20°时V极化的曲线图；c为波束扫描和观测角度为0时H极化的曲线图；d为波束扫描和观测角度为0时V极化的曲线图；e为波束扫描和观测角度为20°时H极化的曲线图；f为波束扫描和观测角度为20°时V极化的曲线图。
图5为本发明具体实施方式中不同位置上误差矢量幅度测试结果曲线；
图6为本发明具体实施方式中不同位置上星座图测试结果。其中：a为波束扫描为-20°观测角度为-29°时H极化的曲线图；b为波束扫描为-20°观测角度为-29°时V极化的曲线图；c为波束扫描和观测角度为0时H极化的曲线图；d为波束扫描和观测角度为0时V极化的曲线图；e为波束扫描为20°观测角度为29°时H极化的曲线图；f波束扫描为20°观测角度为29°时H极化的曲线图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式和附图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双极化相控阵的数字预失真系统，如图1所示，包括：双极化数字预失真模块、双极化相控阵波束成形模块、双极化天线阵列、更新方式判决模块和系数提取模块，其中，所述双极化数字预失真模块产生水平和垂直极化对应的预失真信号，所述预失真信号输入到所述双极化相控阵波束成形模块中，所述双极化相控阵波束成形模块的输出信号输入到所述双极化天线阵列，所述天线阵列辐射形成波束，采集得到空间反馈信号并送入所述更新方式判决模块，所述更新方式判决模块决定全部更新或部分更新系数，将所述预失真信号和所述空间反馈信号均送入所述系数提取模块，所述系数提取模块将更新的系数并输入到所述双极化数字预失真模块。
本具体实施方式公开了一种双极化相控阵的数字预失真方法，包括以下步骤：
S1：水平极化和垂直极化的原始基带信号通过双极化数字预失真模块得到水平和垂直极化的预失真信号，令迭代次数t＝1；
S2：将步骤S1得到的水平极化和垂直预失真信号送入双极化相控阵波束成形模块；
S3：将步骤S2得到的波束成形模块输出送入双极化阵列中，在自由空间中辐射；
S4：将步骤S3在空间辐射的信号反馈回来；
S5：更新方式判决模块判断全部更新系数或是部分更新系数，若全部更新系数则进行步骤S6并跳过步骤S7，若部分更新系数则直接进行步骤S7；
S6：根据全部更新数字预失真模型，提取全部模型系数，并将全部系数拷贝到双极化数字预失真模块中；
S7：提取部分模型系数，并将提取的部分系数拷贝到双极化数字预失真模块中，为提取的系数不更新；
S8：水平极化和垂直极化的原始基带信号依次重新进入双极化数字预失真模块，并得到新的预失真信号，t＝t+1，然后返回步骤S2；
S8：结束。
一个典型的双极化相控阵可以描述为图2所示。相控阵系统具有N个DLP天线单元和2N路径。对于第k个DLP天线单元，它于第kH个和第kV个射频路径相连接。水平极化和垂直极化的输入信号分别为
Figure BDA0003619090310000061
和
Figure BDA0003619090310000062
波束成形网络的波束权重为wH和wV，其中水平极化和垂直极化对应的第kH个和第kV个元素分别为
Figure BDA0003619090310000063
和
Figure BDA0003619090310000064
在波束成形网络之后，第kH个和第kV个的PA的输入分别为
Figure BDA0003619090310000065
和
Figure BDA0003619090310000066
和
Figure BDA0003619090310000067
是
Figure BDA0003619090310000068
和
Figure BDA0003619090310000069
经过移相得到的。这里以水平极化为例进行具体说明。
双极化相控阵波束成形模块中水平极化的第k个功率放大器的非线性特征通过公式(1)中的模型描述：
Figure BDA00036190903100000610
其中(·)*表示共轭运算，
Figure BDA00036190903100000611
表示功率放大器的输出，n为信号序数，H表示水平极化，并且有
Figure BDA00036190903100000612
Figure BDA00036190903100000613
Figure BDA00036190903100000614
其中
Figure BDA0003619090310000071
这里
Figure BDA0003619090310000072
表示水平极化的第k个功率放大器的模型系数，P表示非线性阶数，M表示记忆深度，p表示非线性阶数的序数，m表示记忆深度的序数。
在双极化相控阵系统中，下面两个假设合理，
1)经过双极化相控阵波束成形模块后，功率放大器输入和模块的原始总输入之间具有如下关系：
Figure BDA0003619090310000073
Figure BDA0003619090310000074
2)功率放大器具有弱非线性，功率放大器的入射信号可以表示为：
Figure BDA0003619090310000075
Figure BDA0003619090310000076
其中
Figure BDA0003619090310000077
和
Figure BDA0003619090310000078
分别是水平极化和垂直极化第k个功率放大器对应的记忆深度为M的有限脉冲响应滤波器，表示了信号的线性失真。
Figure BDA0003619090310000079
和
Figure BDA00036190903100000710
是对应的非线性误差项，这与线性项相比是很小的。
根据上述假设水平极化的第k个功率放大器的非线性模型可以简化为公式(8)所描述的简化版模型：
Figure BDA00036190903100000711
其中，
Figure BDA00036190903100000712
和
Figure BDA00036190903100000713
分别表示相控阵系统水平极化和垂直极化的输入信号，
Figure BDA00036190903100000714
Figure BDA00036190903100000715
和
Figure BDA00036190903100000716
表示模型系数。
结合公式(8)中的功率放大器模型，可以得到远场接收信号模型：
Figure BDA00036190903100000717
Figure BDA0003619090310000081
其中，
Figure BDA0003619090310000082
为远场辐射的信道模型，N为相控阵中功率放大器的个数，
Figure BDA0003619090310000083
为远场接收信号，
Figure BDA0003619090310000084
和
Figure BDA0003619090310000085
为模型系数，系数即与波束扫描角度θ有关，也与观测角度θ0有关。
更新方式判决模块根据用户需求、系统的非线性变化情况以及系统精度要求，选择需要全部更新系数的范围；在移动终端中，波束每切换一次全部更新一次极化数字预失真模块系数，在一个波束范围内，用户发生移动也只部分更新系数。
在全部更新时，数字预失真模型表示为公式(10)
Figure BDA0003619090310000086
其中xH，xV表示水平和垂直极化的原始基带信号，
Figure BDA0003619090310000087
表述数字预失真系数，
Figure BDA0003619090310000088
表示数字预失真模块的输出信号也是相控阵模块的输入信号，H(·)表示非线性运算。提取系数时使用最小二乘方法：
Figure BDA0003619090310000089
其中
Figure BDA00036190903100000810
表示广义逆运算。在双输入DPD的初始步骤中，
Figure BDA00036190903100000811
之后进行正常迭代，直到得到的线性度要求。
在部分更新时，通过最小二乘方法提取部分系数：
Figure BDA00036190903100000812
其中
Figure BDA00036190903100000813
是上一次的系数，部分更新中不需要更新。
使用8个发射通道和8个接收通道的束成形收发机和4个单元的双极化天线单元阵列，并在26.5GHz的中心频率处进行验证。
使用20M调制信号，并设置了3个不同的波束扫描角度(θ＝0°，20°，-20°)进行验证，每个扫描角度上全部更新DPD系数。归一化均方误差(Normalized Mean SquareError，，NMSE)的值列于表1，而相邻信道功率比(Adiacent Channel Power Ratio，ACPR)的值列于表2。图3和4显示了测量的线性化性能，包括幅度调制对幅度调制(Amplitude-Modulation to Amplitude-Modulation，AM/AM)曲线、幅度调制对相位调制(Amplitude-Modulation to Phase-Modulation，AM/PM)曲线，和功率谱密度(Power SpectralDensity，PSD)曲线。
表1测试NMSE结果
Figure BDA0003619090310000091
表2测试ACPR结果
Figure BDA0003619090310000092
使用了5G-NR信号进行动态性能验证。根据3dB增益波束宽度，设置范围为10°。设置三个转向角(-20°、0°和20°)。在每个量程中，观测角度离散化为3°，因此在每个10°量程中有7个测试点。对于所提出的DLP-DPD方案，全系数仅在-20°、0°和20°更新，而在其他观测角度仅更新部分系数。
图5显示了从30度到-30度的测量误差矢量幅度(Error Vector Magnitude，EVM)性能。为了比较方案的性能，设置了全更新的方法，该方法在每个角度上更新模型的所有系数。完全更新算法和所提出的方法都能明显提高性能。可以发现，较差的性能主要集中在距离两端，因为距离两端天线的隔离性能较中心点有一定程度的下降。图6是在不同位置上的星座图测试结果。

Claims (9)

1.一种双极化相控阵的数字预失真系统，其特征在于，所述系统包括：双极化数字预失真模块、双极化相控阵波束成形模块、双极化天线阵列、更新方式判决模块和系数提取模块；其中，所述双极化数字预失真模块产生水平和垂直极化对应的预失真信号，预失真信号输入到所述双极化相控阵波束成形模块中，所述双极化相控阵波束成形模块的输出信号输入到所述双极化天线阵列，所述天线阵列辐射形成波束，采集得到空间反馈信号并送入所述更新方式判决模块，所述更新方式判决模块决定全部更新或部分更新系数，将所述预失真信号和所述空间反馈信号均送入所述系数提取模块，所述系数提取模块将更新的系数并输入到所述双极化数字预失真模块。
2.根据权利要求1所述的双极化相控阵的数字预失真系统，其特征在于，所述双极化相控阵波束成形模块，其中水平极化的第k个功率放大器的非线性特征通过公式(1)中的模型描述：
Figure FDA0003619090300000011
其中(·)*表示共轭运算，
Figure FDA0003619090300000012
表示水平极化的第k个功率放大器输入信号，
Figure FDA0003619090300000013
表示双极化天线阵列反射到功率放大器的输入信号，
Figure FDA0003619090300000014
表示功率放大器的输出，n为信号序数，H表示水平极化，并且有
Figure FDA0003619090300000015
Figure FDA0003619090300000016
Figure FDA0003619090300000017
其中
Figure FDA0003619090300000018
这里
Figure FDA0003619090300000019
表示水平极化的第k个功率放大器的模型系数，P表示非线性阶数，M表示记忆深度，p表示非线性阶数的序数，m表示记忆深度的序数。
3.根据权利要求2所述双极化相控阵的数字预失真系统，其特征在于，所述水平极化的第k个功率放大器，其非线性模型根据合理假设，简化为公式(6)所描述的简化版模型：
Figure FDA0003619090300000021
其中，
Figure FDA0003619090300000022
和
Figure FDA0003619090300000023
分别表示相控阵系统水平极化和垂直极化的输入信号，
Figure FDA0003619090300000024
Figure FDA0003619090300000025
和
Figure FDA0003619090300000026
表示模型系数。
4.根据权利要求1所述双极化相控阵的数字预失真系统，其特征在于，所述系数提取模块，根据公式(7)所示的模型公式提取数字预失真系数，
Figure FDA0003619090300000027
其中，
Figure FDA0003619090300000028
为远场辐射的信道模型，N为相控阵中功率放大器的个数，
Figure FDA0003619090300000029
为远场接收信号，
Figure FDA00036190903000000210
和
Figure FDA00036190903000000211
为模型系数，系数即与波束扫描角度θ有关，也与观测角度θo有关。
5.一种如权利要求1、2、3或4所述数字预失真系统的双极化相控阵的数字预失真方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：水平极化和垂直极化的原始基带信号通过双极化数字预失真模块得到水平和垂直极化的预失真信号，令迭代次数t＝1；
S2：将步骤S1得到的水平极化和垂直预失真信号送入双极化相控阵波束成形模块；
S3：将步骤S2得到的波束成形模块输出送入双极化阵列中，在自由空间中辐射；
S4：将步骤S3在空间辐射的信号反馈回来；
S5：更新方式判决模块判断全部更新系数或是部分更新系数，若全部更新系数则进行步骤S6并跳过步骤S7，若部分更新系数则直接进行步骤S7；
S6：根据全部更新数字预失真模型，提取全部模型系数，并将全部系数拷贝到双极化数字预失真模块中；
S7：提取部分模型系数，并将提取的部分系数拷贝到双极化数字预失真模块中，为提取的系数不更新；
S8：水平极化和垂直极化的原始基带信号依次重新进入双极化数字预失真模块，并得到新的预失真信号，t＝t+1，然后返回步骤S2；
S8：结束。
6.根据权利要求5所述双极化相控阵的数字预失真方法，其特征在于，所述步骤S5中更新方式判决模块根据用户需求、系统的非线性变化情况以及系统精度要求，选择需要全部更新系数的范围；波束每切换一次全部更新一次极化数字预失真模块系数，在一个波束范围内，用户发生移动也只部分更新系数。
7.根据权利要求5所述双极化相控阵的数字预失真方法，其特征在于，所述步骤S6中全部更新数字预失真模型表示为公式(8)
Figure FDA0003619090300000031
其中xH,xV表示水平和垂直极化的原始基带信号，
Figure FDA0003619090300000032
表述数字预失真系数，
Figure FDA0003619090300000033
表示数字预失真模块的输出信号也是相控阵模块的输入信号，H(·)表示非线性运算，提取系数时使用最小二乘方法：
Figure FDA0003619090300000034
其中
Figure FDA0003619090300000035
表示广义逆运算，在双输入DPD的初始步骤中，
Figure FDA0003619090300000036
之后进行正常迭代，直到得到的线性度要求。
8.根据权利要求5所述双极化相控阵的数字预失真方法，其特征在于，所述步骤S7中提取部分模型系数，通过最小二乘方法提取部分系数：
Figure FDA0003619090300000037
其中
Figure FDA0003619090300000038
是上一次的系数，部分更新中不需要更新。
9.根据权利要求5所述双极化相控阵的数字预失真方法，其特征在于，所述数字预失真方法适用于水平极化或垂直极化。
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