CN115425996A - 一种抑制短波谐波和互调失真的方法及短波发射机 - Google Patents

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Abstract

本发明为解决现有短波发射机输出信号中带有的谐波和互调失真，现有同时抑制互调和谐波失真，且系统效率低复杂度高的问题，而提供了一种抑制短波谐波和互调失真的方法及短波发射机。该短波发射机包括数字预失真功能模块、数字预失真模型系数计算模块、数模转换器(DAC)、模数转换器(ADC)、功率放大器(PA)和天线；数字预失真模型系数计算模块包括模型系数计算单元和基函数单元；所述数字预失真功能模块和所述数字预失真模型系数计算模块，分别用于求出可以抑制谐波和互调的预失真信号和预失真模型系数，以实现对发射短波谐波和互调失真的抑制。

Description

一种抑制短波谐波和互调失真的方法及短波发射机
技术领域
本发明涉及无线通信领域，具体涉及一种抑制短波谐波和互调失真的方法及短波发射机。
背景技术
高频又称之为短波，是指频率范围为1.6MHz-30MHz之间的无线电磁波频率。短波通过电离层的折射可以实现长远距离的通信，因生存能力强不需要昂贵的基础设备和设施，被广泛的应用于各种通信领域。然而，短波信道复杂、不稳定，具有时变的特性，使得短波发射机的设计有着很大的困难。随着技术的发展，传统的模拟发射机已被数字化的设备所替代，这就为短波发射机在复杂环境下可以拥有较高的性能提供了可能，使短波发射机可以具有优良的通用性和灵活性。
在进行无线通信时，效率和线性度等参数对功率放大器是非常重要的。为了获得一个更好的输出性能，功率放大器通常要工作在一个饱和区域，然而这就会来带系统的线性度降低，导致了带内带外频谱失真，即互调失真和谐波失真。为了消除谐波，一种传统的办法是在远低于饱和状态下驱动功率放大器；另一种办法是采用滤波器组，很明显这两种办法要么会降低功放的效率，要么会增加系统的硬件资源，从而增加了系统的功耗，并且这种方法也只会对谐波有用，忽视了互调失真。而在数字域的实现可以除掉滤波器组带来的硬件和能量的消耗。
数字预失真技术以其高精度、稳定、可灵活配置等优势成为目前应用最广泛、应用效果最好的一类线性化技术。数字预失真技术主要是通过优化基带信号而进一步地提高功放的线性度。近几年来数字预失真技术也被逐渐的应用于谐波和互调的消除。
中国专利CN211981855U，专利名称为：短波发射机。通过利用数字谐波消除模块实现对功率放大器输出信号中的谐波的消除。虽然该方法可以避免因为模拟滤波器组带来的插损问题，减少了整个系统的硬件资源的使用，降低了功耗，达到了对谐波的消除功能，但是该方法只能作用于谐波的消除，而忽视了互调失真。因此研究一种可以同时应用于谐波和互调消除的高效短波发射机是非常必要的。
中国专利CN114448454A，专利名称为：一种可抑制谐波和互调失真的短波发射机。通过对干扰信号的放大实现了在数字预失真处理过程中可以培养出抑制谐波和互调失真的模型系数，进而实现谐波和互调失真的抑制，但培养模型系数过程中的准确性仍有待提高。
发明内容
本发明的目的是解决现有短波发射机输出信号中带有的谐波和互调失真，现有同时抑制互调和谐波失真，且系统效率低复杂度高的问题，而提供了一种抑制短波谐波和互调失真的方法及短波发射机。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种抑制短波谐波和互调失真的方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
步骤1)、将输入带通信号x(n)经过数字预失真处理得到预失真信号；
步骤2)、将预失真信号转换为模拟信号，并经功率放大后，获得放大的带有干扰的模拟信号；
步骤3)、将放大的带有干扰的模拟信号转换为数字信号y(n)；
步骤4)、利用延时器获取延时数字信号y(n)序列值，构建矩阵YFIR＝[y(n),y(n-1),…,y(n-N)]；同时利用延时器获取延时数字信号y(n)中基波信号yFW(n)序列值，构建矩阵YMP＝[yFW(n),yFW(n)|yFW(n)|,…,yFW(n-K)|yFW(n-K)|L-1]；
其中，N表示获取延时数字信号y(n)序列值用到的延时器个数，N≥1，且N为整数；K表示获取延时y(n)中基波信号序列值用到的延时器个数，K≥1，且K为整数；L表示获取基波信号序列值构建矩阵时用到的非线性阶数，L≥1，且L为整数；
步骤5)、构建用于计算预失真系数的矩阵Y＝[YFIR,YMP]；
步骤6)、基于矩阵Y，采用最小二乘法计算预失真模型系数矩阵W＝[am,blm]，其中，am和blm是预失真模型系数；
步骤7)、根据步骤6)获得的预失真模型系数，对输入带通信号x(n)进行预失真处理，输出可抑制谐波和互调失真的预失真信号。
进一步地，步骤7)中，所述预失真处理具体为：
Figure BDA0003802943840000031
其中，DPD(x(n))表示所述数字预失真功能模块输出的预失真信号；x(n-m)表示(n-m)时刻的输入信号；xFW(n-m)表示(n-m)时刻的输入的基波信号。
进一步地，步骤6)中，所述预失真模型系数矩阵W＝[am,blm]＝(YHY)-1YHX；
其中，X表示数字预失真功能模块输出的矢量信号序列矩阵；[·]H表示矩阵的共轭转置，[·]-1表示矩阵的逆。
本发明还提供了一种抑制短波谐波和互调失真的短波发射机，其特殊之处在于：包括数字预失真功能模块、数字预失真模型系数计算模块、数模转换器(DAC)、模数转换器(ADC)、功率放大器(PA)和天线；
所述数字预失真功能模块的第一输入端与输入带通信号连接，用于对输入的带通信号进行预失真处理，其第一输出端与数模转换器(DAC)的输入端连接，第二输出端与数字预失真模型系数计算模块连接；
所述数模转换器(DAC)用于将数字预失真功能模块的输出信号转换为模拟信号，其输出端与功率放大器(PA)的输入端连接；
所述功率放大器(PA)用于对数模转换器的输出信号的功率进行放大，其输出端与天线连接，将输出信号通过天线输出，同时输出端与模数转换器(ADC)的输入端连接；
所述模数转换器(ADC)用于将功率放大器(PA)输出信号转换为数字信号，其输出端与数字预失真模型系数计算模块的第二输入端连接；
所述数字预失真模型系数计算模块用于计算出数字预失真功能模块的模型系数，数字预失真模型系数计算模块的输出端与数字预失真功能模块的第二输入端连接；
数字预失真模型系数计算模块包括模型系数计算单元和基函数单元，模型系数计算单元的第一输入端与数字预失真功能模块的第二输出端连接，输出端与数字预失真功能模块的第二输入端连接；基函数单元的输入端与模数转换器(ADC)的输出端连接，输出端与模型系数计算单元的第二输入端连接。
进一步地，所述基函数单元包括FIR滤波器模型单元、基波信号提取单元、MP模型单元和基函数存储单元；FIR滤波器模型单元、基波信号提取单元的输入端均与模数转换器(ADC)的输出端连接，FIR滤波器模型单元的输出端与基函数存储单元的第一输入端连接，基波信号提取单元的输出端与MP模型单元连接，MP模型单元连接的输出端与基函数存储单元的第二输入端连接，基函数存储单元的输出端与模型系数计算单元的第二输入端连接。
进一步地，所述FIR滤波器模型单元包括依次串联的N个延时器和FIR滤波器模型基函数存储单元；模数转换器(ADC)的输出信号y(n)和经N个延时器延时后的输出的信号均输入至与FIR滤波器模型基函数存储单元中，构建出用于计算预失真系数的矩阵YFIR；N≥1，且N为整数。
进一步地，MP模型单元包括依次串联的K个延时器和MP模型数字预失真基函数结构单元，模数转换器(ADC)的输出信号经基波信号提取单元后提取的基波信号与K个延时器延时后的基波信号均输入至MP模型数字预失真基函数结构单元，构建出用于计算预失真系数的矩阵YMP；K≥1，且K为整数。
进一步地，所述MP模型单元中的结构为是MP模型结构或其它多项式模型结构。
进一步地，所述模型系数计算单元采用最小二乘法计算模型系数。
与现有技术相比，本发明具有的有益技术效果如下：
1、本发明提供的抑制谐波和互调失真的短波发射机，包括数字预失真模型系数计算单元，连接在模数转换器(ADC)与数字预失真功能单元之间，通过使用FIR滤波器模型基函数和MP模型基函数计算出模型系数，传入到数字预失真功能单元，从而实现功率放大器的输出信号的谐波失真和互调失真的抑制。
2、本发明提供的抑制短波谐波和互调失真的方法，可以实现对所有谐波和互调的抑制，其对系数的需求也较小，复杂度低。通过建模的方法，提出了由用于的谐波抑制的FIR滤波器模型和用于近基波互调抑制的MP模型共同工作的方法来实现对谐波和互调失真的抑制。
附图说明
图1为本发明抑制谐波和互调失真的短波发射机实施例结构示意图；
图2为本发明短波发射机实施例中的基函数单元示意图；
图3为本发明短波发射机实施例中的FIR滤波器模型单元示意图；
图4为本发明短波发射机实施例中的MP模型单元示意图；
图5为本发明短波发射机实施例仿真谐波和互调抑制前后整体频谱对比图；
图6为本发明短波发射机实施例仿真谐波和互调抑制前后基波频谱对比图；
图7为本发明短波发射机实施例仿真谐波和互调抑制前后二次谐波频谱对比图；
图8为本发明短波发射机实施例仿真谐波和互调抑制前后三次谐波频谱对比图；
图9为本发明短波发射机实施例仿真谐波和互调抑制前后四次谐波频谱对比图。
具体实施方式
为使本发明的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种抑制短波谐波和互调失真的方法及短波发射机作进一步详细说明。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用来解释本发明的技术原理，目的并不是用来限制本发明的保护范围。
现有的短波发射机包括数字预失真处理模块、数模转换器(DAC)、模数转换器(ADC)、功率放大器(PA)和天线。在短波发射机中，输出信号通过模数转换器(ADC)转换成数字信号，再结合输入信号求出应用于预失真处理的模型系数，进而可以对输入信号进行预失真处理，再由数模转换器(DAC)转换为模拟信号，之后由功率放大器(PA)放大后通过天线发射出去。
如图1所示，本实施例提供的抑制谐波和互调失真的短波发射机，是基于DSP和FPGA来实现的，具体包括：数字预失真功能模块、数字预失真模型系数计算模块、数模转换器(DAC)、模数转换器(ADC)、功率放大器(PA)和天线。
数字预失真功能模块的第一输入端与带通信号连接，用于对输入的带通信号进行预失真处理，其第一输出端与数模转换器(DAC)的输入端连接，第二输出端与数字预失真模型系数计算模块连接；
数模转换器(DAC)用于将数字预失真功能模块的输出信号转换为模拟信号，其输出端与功率放大器(PA)的输入端连接；
功率放大器(PA)用于对数模转换器的输出信号的功率进行放大，其输出端与天线连接，将输出信号通过天线输出，同时输出端与模数转换器(ADC)的输入端连接；
模数转换器(ADC)用于对功率放大器的输出信号转换为数字信号，其输出端与数字预失真模型系数计算模块的第二输入端连接；
数字预失真模型系数计算模块的输出端与数字预失真功能模块的第二输入端连接，用于计算出适用于数字预失真功能单元的模型系数。
数字预失真模型系数计算模块包括模型系数计算单元和基函数单元，模型系数计算单元的第一输入端与数字预失真功能模块的第二输出端连接，输出端与数字预失真功能模块的第二输入端连接；基函数单元的输入端与模数转换器(ADC)的输出端连接，输出端与模型系数计算单元的第二输入端连接。
如图2所示，基函数单元包括FIR滤波器模型单元、基波信号提取单元、MP模型单元和基函数存储单元；FIR滤波器模型单元、基波信号提取单元的输入端均与模数转换器(ADC)的输出端连接，FIR滤波器模型单元的输出端与基函数存储单元的第一输入端连接，基波信号提取单元的输出端与MP模型单元连接，MP模型单元连接的输出端与基函数存储单元的第二输入端连接，基函数存储单元的输出端与模型系数计算单元的输入端连接。
FIR滤波器模型单元用于延时模数转换器(ADC)输出的样本数据y(n)序列，并构建为用于进一步计算预失真系数的矩阵。
基波信号提取单元用于提取模数转换器(ADC)输出的基波信号序列，MP模型单元将基波信号序列构建为用于进一步计算预失真系数的矩阵。MP模型单元中的结构为MP模型结构或其它多项式模型结构。
如图3所示，FIR滤波器模型单元包括依次串联的N个延时器和FIR滤波器模型基函数存储单元；模数转换器(ADC)的输出信号y(n)和经N个延时器延时后的输出的信号均输入至FIR滤波器模型基函数存储单元中，构建出用于计算预失真系数的矩阵。
FIR滤波器模型基函数存储单元输出的有限长样本数据y(n)序列，可表示为YFIR＝[y(n),y(n-1),…,y(n-N)]。
如图4所示，MP模型单元包括依次串联的K个延时器和MP模型数字预失真基函数结构单元，模数转换器(ADC)的输出信号经基波信号提取单元后提取的基波信号与K个延时器延时采集到的基波信号均输入至MP模型数字预失真基函数结构单元，构建出用于计算预失真系数的矩阵。
MP模型数字预失真基函数结构单元输出的基波信号序列，可表示为：YMP＝[yFW(n),yFW(n)|yFW(n)|,…,yFW(n-K)|yFW(n-K)|L-1]。
本实施例的抑制谐波和互调失真的短波发射机的工作过程为：
输入带通信号x(n)经过数模转换器(DAC)转换成模拟信号，通过功率放大器(PA)进行放大后，再通过模数转换器(ADC)转换成数字信号，在数字预失真模型系数计算模块中求出用于数字预失真功能模块的模型系数，，从而使得在进行预失真处理后功率放大器(PA)的输出信号的互调和谐波被抑制。由此，取代了传统的模拟滤波器组，避免了插损，减小了系统的体积，提高了系统的精度，提升了整机的效率。
上述抑制谐波和互调失真的短波发射机抑制谐波和互调失真的方法，具体包括以下步骤：
步骤1)、带通信号x(n)经过数字预失真功能模块进行数字预失真处理后，得到预失真信号；
步骤2)、预失真信号经数模转换器(DAC)转换为模拟信号，经功率放大器(PA)放大器放大后，获得放大的带有干扰的模拟信号；
步骤3)、将放大的带有干扰的模拟信号经由模数转换器(ADC)转换为数字信号y(n)传输至基函数单元中的FIR滤波器模型单元和基波信号提取单元；
步骤4)、利用延时器延时获取输出信号y(n)序列值，构建FIR滤波器模型单元矩阵YFIR＝[y(n),y(n-1),…,y(n-N)]；基波信号提取单元将输出信号y(n)中基波信号延时后传输至MP模型数字预失真基函数结构单元，构建矩阵YMP＝[yFW(n),yFW(n)|yFW(n)|,…,yFW(n-K)|yFW(n-K)|L-1]；
其中，N表示所述FIR滤波器模型单元用到的延时器个数；K表示所述MP模型单元用到的延时器个数；L表示所述MP模型单元的非线性阶数，L≥1，且L为整数；
步骤5)、在基函数存储单元中构建用于计算预失真系数的矩阵Y＝[YFIR,YMP]，并传输至模型系数计算单元；
步骤6)、模型系数计算单元采用最小二乘的方法计算预失真模型系数矩阵W＝[am,blm]＝(YHY)-1YHX，并传输至数字预失真功能模块；
其中，am和blm是所述模型系数计算单元计算的预失真模型系数；X表示所述数字预失真功能单元输出的矢量信号序列矩阵；[·]H表示矩阵的共轭转置，[·]-1表示矩阵的逆；
步骤7)、数字预失真功能模块进行预失真处理，输出抑制谐波和互调失真的预失真信号；
数字预失真处理，具体为：
Figure BDA0003802943840000101
其中，DPD(x(n))表示抑制可以抑制谐波和互调失真的预失真信号；x(n-m)表示(n-m)时刻的输入信号；xFW(n-m)表示(n-m)时刻的输入的基波信号；N表示所述FIR滤波器模型单元用到的延时器个数，K表示所述MP模型单元用到的延时器个数，L表示所述MP模型单元的非线性阶数。
在仿真实验中，假设输入信号为间隔48kHz，采样频率为30MHz，载波频率为4MHz的双音信号，输入信号的生成和算法实现都在MATLAB中完成，信号被下载到矢量信号发生器(ESG4438C)中，以注入功率放大器。功率放大器的输出信号被衰减，然后被频谱分析仪(N9010A)捕获，该分析仪与VSG共享相同的参考时钟和触发信号。
图5从整体上显示了输出信号的谐波和互调的抑制效果，可以看出经数字预失真功能模块求出的预失真信号对功率放大器的谐波和互调的抑制能力较比于原输出信号有很大程度的提升。
将基波、二次谐波、三次谐波和四次谐波放大后可以得到图6、图7、图8和图9。
通过观察图6可以发现，本实施例的短波发射机对输出信号的IMD3、IMD5和IMD7分别有33.23dBc、15.96dBc和17.32dBc的改善提升。而图7、图8和图9反映出本实施例的短波发射机对输出信号的二次谐波、三次谐波和四次谐波分别有33.51dBc、46.01dBc和43.57dBc的改善，同时其谐波周围的互调也有很大程度的改善。
由此，本实施例可抑制谐波和互调失真的短波发射机利用培养的新输出信号有效的解决了谐波和互调失真的问题。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明技术方案的范围。

Claims (9)

1.一种抑制短波谐波和互调失真的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1)、将输入带通信号x(n)经过数字预失真处理得到预失真信号；
步骤2)、将预失真信号转换为模拟信号，并经功率放大后，获得放大的带有干扰的模拟信号；
步骤3)、将放大的带有干扰的模拟信号转换为数字信号y(n)；
步骤4)、利用延时器获取延时数字信号y(n)序列值，构建矩阵YFIR＝[y(n),y(n-1),…,y(n-N)]；同时利用延时器获取延时数字信号y(n)中基波信号yFW(n)序列值，构建矩阵YMP＝[yFW(n),yFW(n)|yFW(n)|,…,yFW(n-K)|yFW(n-K)|L-1]；
其中，N表示获取延时数字信号y(n)序列值用到的延时器个数，N≥1，且N为整数；K表示获取延时y(n)中基波信号序列值用到的延时器个数，K≥1，且K为整数；L表示获取基波信号序列值构建矩阵时用到的非线性阶数，L≥1，且L为整数；
步骤5)、构建用于计算预失真系数的矩阵Y＝[YFIR,YMP]；
步骤6)、基于矩阵Y，采用最小二乘法计算预失真模型系数矩阵W＝[am,blm]，其中，am和blm是预失真模型系数；
步骤7)、根据步骤6)获得的预失真模型系数，对输入带通信号x(n)进行预失真处理，输出可抑制谐波和互调失真的预失真信号。
2.根据权利要求1所述的抑制短波谐波和互调失真的方法，其特征在于：
步骤7)中，所述预失真处理具体为：
Figure FDA0003802943830000011
其中，DPD(x(n))表示所述数字预失真功能模块输出的预失真信号；x(n-m)表示(n-m)时刻的输入信号；xFW(n-m)表示(n-m)时刻的输入的基波信号。
3.根据权利要求1所述的抑制短波谐波和互调失真的方法，其特征在于：
步骤6)中，所述预失真模型系数矩阵W＝[am,blm]＝(YHY)-1YHX；
其中，X表示数字预失真功能模块输出的矢量信号序列矩阵；[·]H表示矩阵的共轭转置，[·]-1表示矩阵的逆。
4.一种抑制短波谐波和互调失真的短波发射机，其特征在于：包括数字预失真功能模块、数字预失真模型系数计算模块、数模转换器(DAC)、模数转换器(ADC)、功率放大器(PA)和天线；
所述数字预失真功能模块的第一输入端与输入带通信号连接，用于对输入的带通信号进行预失真处理，其第一输出端与数模转换器(DAC)的输入端连接，第二输出端与数字预失真模型系数计算模块连接；
所述数模转换器(DAC)用于将数字预失真功能模块的输出信号转换为模拟信号，其输出端与功率放大器(PA)的输入端连接；
所述功率放大器(PA)用于对数模转换器的输出信号的功率进行放大，其输出端与天线连接，将输出信号通过天线输出，同时输出端与模数转换器(ADC)的输入端连接；
所述模数转换器(ADC)用于将功率放大器(PA)输出信号转换为数字信号，其输出端与数字预失真模型系数计算模块的第二输入端连接；
所述数字预失真模型系数计算模块用于计算出数字预失真功能模块的模型系数，数字预失真模型系数计算模块的输出端与数字预失真功能模块的第二输入端连接；
数字预失真模型系数计算模块包括模型系数计算单元和基函数单元，模型系数计算单元的第一输入端与数字预失真功能模块的第二输出端连接，输出端与数字预失真功能模块的第二输入端连接；基函数单元的输入端与模数转换器(ADC)的输出端连接，输出端与模型系数计算单元的第二输入端连接。
5.根据权利要求4所述的抑制短波谐波和互调失真的短波发射机，其特征在于：
所述基函数单元包括FIR滤波器模型单元、基波信号提取单元、MP模型单元和基函数存储单元；FIR滤波器模型单元、基波信号提取单元的输入端均与模数转换器(ADC)的输出端连接，FIR滤波器模型单元的输出端与基函数存储单元的第一输入端连接，基波信号提取单元的输出端与MP模型单元连接，MP模型单元连接的输出端与基函数存储单元的第二输入端连接，基函数存储单元的输出端与模型系数计算单元的第二输入端连接。
6.根据权利要求5所述的抑制短波谐波和互调失真的短波发射机，其特征在于：
所述FIR滤波器模型单元包括依次串联的N个延时器和FIR滤波器模型基函数存储单元；模数转换器(ADC)的输出信号y(n)和经N个延时器延时后的输出的信号均输入至FIR滤波器模型基函数存储单元中，构建出用于计算预失真系数的矩阵YFIR；N≥1，且N为整数。
7.根据权利要求6所述的抑制短波谐波和互调失真的短波发射机，其特征在于：
MP模型单元包括依次串联的K个延时器和MP模型数字预失真基函数结构单元，模数转换器(ADC)的输出信号经基波信号提取单元后提取的基波信号和经K个延时器延时后的基波信号均输入至MP模型数字预失真基函数结构单元，构建出用于计算预失真系数的矩阵YMP；K≥1，且K为整数。
8.根据权利要求5-7任一所述的抑制短波谐波和互调失真的短波发射机，其特征在于：
所述MP模型单元中的结构为是MP模型结构或多项式模型结构。
9.根据权利要求7所述的抑制短波谐波和互调失真的短波发射机，其特征在于：
所述模型系数计算单元采用最小二乘法计算模型系数。
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