CN117639807A - 一种数字辅助谐波消除方法及多倍频无滤波器发射机 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种数字辅助谐波消除方法及多倍频无滤波器发射机,用于解决现有谐波消除方法存在的直流到射频转换效率下降、很难满足谐波抑制要求、开关滤波器组占地空间大、成本昂贵、能耗高以及无法抑制靠近信号带的频谱泄漏的技术问题。本发明的谐波消除方法为:在功率放大器输出路径上注入与功率放大器输出的多次谐波信号相位相反、能量相同的各次模拟信号,以抵消功率放大器输出的各次谐波信号;具体的,先耦合产生的多次谐波信号,对其插零值并进行FFT变换,以提取各次谐波信号;将提取的各次谐波信号移相180度,再进行频率转换和能量调整,获得与功率放大器当前输出的多次谐波信号相位相反、能量相同的各次模拟信号。
Description
技术领域
本发明涉及多倍频射频发射机,尤其涉及一种数字辅助谐波消除方法及多倍频无滤波器发射机。
背景技术
随着无线标准的快速发展,要求一个无线电平台能够透明地支持所有现有标准。由于这些标准的频谱和调制方案不同,因此采用多标准、多模式的软件定义无线电(Software Defined Radio,SDR)。SDR的射频发射机需要在广泛的无线电频谱范围内工作,以实现向后兼容,并可以处理现有和即将到来的无线标准。此外,它还需要提供对旧一代无线通信的兼容性,因此出现了多倍频射频发射机。
然而,多倍频射频发射机面临一个关键问题,即需要处理工作频带内非线性功率放大器(Power Amplifier,PA)产生的谐波干扰和互调干扰。数字预失真(Digital Pre-distortion,DPD)是一种常见的线性化方案,其通过捕获和建模PA产生的非线性行为,生成一个反模型来对信号进行预失真处理,以补偿PA产生的互调干扰。但数字预失真技术无法完全消除谐波分量,目前,通常采用功率回退法和滤波消除法来消除谐波分量。功率回退法的具体原理为:通过在线性区域内使PA工作远低于饱和点,能够抑制非线性功放产生的谐波。但这会导致直流到射频的转换效率下降,不仅浪费能源,还需要昂贵且庞大的散热冷却机制来确保可靠性。此外,在多倍频的情况下,谐波在工作范围内被放大,仅采用功率回退法可能无法满足对谐波抑制的要求。滤波消除法的具体原理为:使用射频滤波器抑制谐波,即在PA的输出端放置一个开关滤波器组,根据输入信号频率配置合适的工作频率,若输入信号频率为ω0,开关滤波器组则在中心频率ω0处创建通带,而谐波信号2ω0、3ω0…mω0由于滤波器的阻带无法通过,以此达到消除谐波的目的。这种方法需要切换开关滤波器组来选择工作频带并同时抑制谐波。然而,随着谐波数量的增加,开关滤波器组的结构会变得复杂和庞大,其不仅占地空间大、成本昂贵,同时还会增加功耗。此外,滤波消除法还存在着无法抑制靠近信号带的频谱泄漏的问题。
发明内容
本发明的目的在于解决现有功率回退法消除谐波分量的方法存在的直流到射频的转换效率下降,且可能无法满足谐波抑制要求的技术问题,以及滤波消除法存在的开关滤波器组占地空间大、成本昂贵、能耗高以及无法抑制靠近信号带的频谱泄漏的技术问题,而提供一种数字辅助谐波消除方法及多倍频无滤波器发射机。
为了实现上述目的,本发明提供的技术解决方案如下:
一种数字辅助谐波消除方法,其特殊之处在于,包括以下步骤:
1】对原始输入信号进行预失真处理,预失真处理后的信号依次进行数模转换和上变频处理后进入功率放大器中进行功率放大;
2】在功率放大器输出路径上注入与功率放大器当前输出的多次谐波信号相位相反、能量相同的各次模拟信号,用于抵消功率放大器当前输出的多次谐波信号;
所述与功率放大器当前输出的多次谐波信号相位相反、能量相同的各次模拟信号通过以下方法获得:
a】耦合功率放大器产生的多次谐波信号,并对耦合的多次谐波信号进行下变频处理和模数转换;
b】在经步骤a处理后的多次谐波信号时域中插零值,再对插零值后的多次谐波信号进行FFT变换,获得各次谐波信号的频域特性,根据各次谐波信号的频域特性依次提取各次谐波信号;
c】将提取的各次谐波信号移相180度,获得与各次谐波信号相位相反的信号;
d】将与各次谐波信号相位相反的信号转换到模拟域,再进行频率转换和能量调整,获得与功率放大器当前输出的多次谐波信号相位相反、能量相同的各次模拟信号。
本发明还提供了一种采用上述数字辅助谐波消除方法消除谐波的多倍频无滤波器发射机,包括功率放大器、数模转换单元、上变频单元以及预失真器,所述预失真器的输入端用于接收原始输入信号,并对其进行预失真处理,获得预失真信号;所述数模转换单元、上变频单元用于对预失真器输出的预失真信号依次进行数模转换和上变频处理后送入功率放大器中进行功率放大;其特征在于:
还包括谐波消除单元和功率合成器;
所述谐波消除单元包括按输入输出顺序依次连接的耦合器、下变频单元、模数转换单元、谐波信号处理模块、数模转换器、频率转换模块以及误差放大器;
所述功率合成器第一输入端连接功率放大器的输出端;所述耦合器的输入端连接功率合成器的输出端,用于耦合功率放大器产生的经功率合成器功率合成后的多次谐波信号;
所述下变频单元和模数转换单元,用于对耦合的多次谐波信号依次进行下变频和模数转换处理;
所述谐波信号处理模块,用于对经下变频和模数转换处理的多次谐波信号时域中插零值,再对插零值后的多次谐波信号进行FFT变换,以提取各次谐波信号,再将提取的各次谐波信号移相180度,获得与提取的各次谐波信号相位相反的信号,即各次谐波信号的反相位信号;
所述数模转换器,用于将各次谐波信号的反相位信号转换到模拟域;
所述频率转换模块,用于将转换到模拟域的各次谐波信号的反相位信号频率分别与基波频率ω0的多次倍频相乘,获得各次谐波信号反相位信号的目标频率,再将各次谐波信号反相位信号的目标频率相加,获得合成的各次谐波信号的反相位模拟信号;
所述误差放大器,用于对合成的各次谐波信号的反相位模拟信号进行能量调整,获得与功率放大器的各次谐波信号相位相反、能量相同的各次模拟信号;
所述功率合成器第二输入端连接误差放大器的输出端,用于通过与功率放大器的各次谐波信号相位相反、能量相同的各次模拟信号对功率放大器输出的各次谐波信号进行抵消;
所述耦合器的第二输出端与外部发射设备连接,用于对功率合成器功率合成后输出的信号进行发射。
本发明相比于现有技术的有益效果如下:
1、本发明提供的一种数字辅助谐波消除方法,直接耦合功率放大器产生的多次谐波信号,并将其反向信号注入功率放大器的输出路径上,使其与功率放大器产生的多次谐波相抵消,实现了精确的谐波抑制;相比于传统的谐波消除方法,本发明这种数字控制的谐波抵消技术,在精确抑制谐波实现线性化输出的基础上,可以避免在功率放大器的输出端设置开关滤波器组,简化了发射机的结构,同时大大降低了发射机的成本和功耗。
2、本发明提供的一种多倍频无滤波器发射机,通过预失真器有效地消除了互调干扰,同时,通过设置谐波消除单元耦合功率放大器的多次谐波信号,并生成与多次谐波信号相位相反的各次模拟信号,再通过功率合成器注入功率放大器输出路径中,使其与功率放大器当前输出的各次谐波信号完成抵消,减少了功率放大器的非线性失真,优化了系统,实现了线性化和放大原始信号的目的,有效提高了发射信号的质量和效果,同时大大降低了能耗。
附图说明
图1为本发明一种数字辅助谐波消除方法实施例步骤2中采用插零值和FFT变换进行频谱分析,获得各次谐波信息的原理图;
图2为本发明提一种多倍频无滤波器发射机的结构示意图。
具体附图标记如下:
1-预失真器;2-功率放大器;3-数模转换单元;4-上变频单元;5-功率合成器;6-耦合器;7-下变频单元;8-模数转换单元;9-谐波信号处理模块;10-数模转换器;11-频率转换模块;12-误差放大器。
具体实施方式
为使本发明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作进一步详细说明。
一种数字辅助谐波消除方法,具体包括以下步骤:
1】互调失真的消除
对于互调失真,本发明采用现有的数字预失真技术进行消除,即在功率放大器前端放置一个间接学习结构的DPD模型,以达到在基带单元中实现线性化的目的。具体的,通过DPD模型对原始输入信号进行预失真处理,预失真处理后的信号依次进行数模转换和上变频处理后进入功率放大器中进行功率放大。
2】谐波失真的消除
由于功率放大器的非线性行为,会使得原始输入信号(待发射的原始基带信号)经过功率放大器后产生多次谐波干扰,因此,本发明通过在功率放大器输出路径上注入与功率放大器当前输出的多次谐波信号相位相反、能量相同的各次模拟信号,用于抵消功率放大器当前输出的多次谐波信号。
具体的,与功率放大器当前输出的多次谐波信号相位相反、能量相同的各次模拟信号通过以下方法获得:
a】耦合功率放大器产生的多次谐波信号,并对耦合的多次谐波信号依次进行下变频处理和模数转换。
b】由于耦合的多次谐波分量混合导致无法区分,因此需要对其进行谐波处理。如图1所示,在经下变频处理和模数转换后的多次谐波信号时域中插零值,再对插零值后的多次谐波信号进行FFT变换,获得各次谐波信号的频域特性,对各次谐波信号的频域特性进行分析,依次提取各次谐波信号。
由FFT变换的性质可知,在时域对信号进行插零值处理后,经过FFT变换得到的信号频谱会发生相应的压缩变化。具体的,对信号进行插零值处理,根据需要处理的序列点数确定插零值的个数,若对待处理序列进行m倍零点插值,则序列频谱压缩到原来的1/m,设基波频率(即主链路信号发射频率)为ω0,则m次谐波的频率为mω0,若对其进行m倍零点插值,可将m次谐波搬移到基频位置处,从而提取所需要的各次谐波。这种利用FFT变换的方法可以在不增加额外资源的情况下得到各次谐波的信息。
c】将提取的各次谐波信号移相180度,获得与各次谐波信号相位相反的信号。
d】由于经上述处理的与各次谐波信号相位相反的信号此时接近零频,不再是真实的谐波信号,因此先将与各次谐波信号相位相反的信号频谱转换到模拟域,再进行频率转换和能量调整,获得与功率放大器当前输出的多次谐波信号相位相反、能量相同的各次模拟信号。
本发明提供的一种数字辅助谐波消除方法,直接耦合功率放大器产生的多次谐波信号,并将其反向信号注入功率放大器的输出路径上,使其与功率放大器产生的多次谐波相抵消从而实现线性化,相比于传统的谐波消除方法,简化了发射机的结构,避免了在功率放大器的输出端设置可变滤波器组,同时大大降低了发射机的成本和功耗。
本发明还提供了一种采用上述数字辅助谐波消除方法消除谐波的多倍频无滤波器发射机,如图2所示,包括功率放大器2、数模转换单元3、上变频单元4、预失真器1、谐波消除单元以及功率合成器5。
预失真器1的输入端用于接收原始输入信号,本实施例中原始输入信号为两路相互正交的I0、Q0数字信号,预失真器1对输入的两路相互正交的I0、Q0数字信号进行预失真处理后,获得两路相互正交的预失真信号。
预失真器1、数模转换单元3、上变频单元4以及功率放大器2按输入输出的顺序依次连接,预失真器1输出的两路相互正交的预失真信号通过数模转换单元3转换为两路相互正交的模拟信号,然后将这两路相互正交的模拟信号送入上变频单元4处理,即分别与相位差为90°的本地振荡相乘进行混频操作,再在高频域中对其进行线性化处理,经上变频处理的信号经加法器合成后输入功率放大器2中进行功率放大。
谐波消除单元包括按输入输出顺序依次连接的耦合器6、下变频单元7、模数转换单元8、谐波信号处理模块9、数模转换器10、频率转换模块11以及误差放大器12。
功率合成器5第一输入端连接功率放大器2的输出端;耦合器6的输入端连接功率合成器5的输出端,用于耦合功率放大器2产生的经功率合成器5功率合成后的多次谐波信号。
下变频单元7和模数转换单元8,用于对耦合的多次谐波信号依次进行下变频和模数转换处理。具体的,使用频率转换器或数字混频器,将耦合的多次谐波信号的频率向下偏移,然后再通过模数转换单元8转换为数字信号,再通过加法器合成后输入谐波信号处理模块9。
谐波信号处理模块9,用于对输入信号的时域进行插零值处理,再对插零值后的多次谐波信号进行FFT变换,以提取各次谐波信号,再将提取的各次谐波信号移相180度,获得与提取的各次谐波信号相位相反的信号,即各次谐波信号的反相位信号。
数模转换器10,用于将各次谐波信号的反相位信号转换到模拟域。频率转换模块11,用于将转换到模拟域的各次谐波信号的反相位信号频率分别与基波频率ω0相乘,获得各次谐波信号反相位信号的目标频率,再将各次谐波信号反相位信号的目标频率通过加法器相加,获得合成的各次谐波信号的反相位模拟信号。
误差放大器12,用于对合成的各次谐波信号的反相位模拟信号进行能量调整,获得与功率放大器2的各次谐波信号相位相反、能量相同的各次模拟信号。
功率合成器5第二输入端连接误差放大器12的输出端,用于通过与功率放大器2的各次谐波信号相位相反、能量相同的各次模拟信号对功率放大器2输出的各次谐波信号进行抵消。
耦合器6的第二输出端与外部发射设备连接,用于对功率合成器5功率合成后输出的信号进行发射。
本发明提供的多倍频无滤波器发射机,通过预失真器1有效地消除了互调干扰,同时,通过设置谐波消除单元耦合功率放大器的多次谐波信号,并生成多次谐波信号相位相反的各次模拟信号,再通过功率合成器5注入功率放大器输出路径中,使其与功率放大器当前输出的各次谐波信号完成抵消,减少了功率放大器的非线性失真,实现了线性化和放大原始信号的目的,有效提高了发射信号的质量和效果。
以上所述,仅用以说明本发明的技术方案,而非对其限制,对于本领域的普通专业技术人员来说,可以对上述实施例所记载的具体技术方案进行修改,或者对其中部分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所保护技术方案的范围。
Claims (2)
1.一种数字辅助谐波消除方法,其特征在于,包括以下步骤:
1】对原始输入信号进行预失真处理,预失真处理后的信号依次进行数模转换和上变频处理后进入功率放大器中进行功率放大;
2】在功率放大器输出路径上注入与功率放大器当前输出的多次谐波信号相位相反、能量相同的各次模拟信号,用于抵消功率放大器当前输出的多次谐波信号;
所述与功率放大器当前输出的多次谐波信号相位相反、能量相同的各次模拟信号通过以下方法获得:
a】耦合功率放大器产生的多次谐波信号,并对耦合的多次谐波信号进行下变频处理和模数转换;
b】在经步骤a处理后的多次谐波信号时域中插零值,再对插零值后的多次谐波信号进行FFT变换,获得各次谐波信号的频域特性,根据各次谐波信号的频域特性依次提取各次谐波信号;
c】将提取的各次谐波信号移相180度,获得与各次谐波信号相位相反的信号;
d】将与各次谐波信号相位相反的信号转换到模拟域,再进行频率转换和能量调整,获得与功率放大器当前输出的多次谐波信号相位相反、能量相同的各次模拟信号。
2.一种采用权利要求1所述的数字辅助谐波消除方法消除谐波的多倍频无滤波器发射机,包括功率放大器(2)、数模转换单元(3)、上变频单元(4)以及预失真器(1),所述预失真器(1)的输入端用于接收原始输入信号,并对其进行预失真处理,获得预失真信号;所述数模转换单元(3)、上变频单元(4)用于对预失真器(1)输出的预失真信号依次进行数模转换和上变频处理后送入功率放大器(2)中进行功率放大;其特征在于:
还包括谐波消除单元和功率合成器(5);
所述谐波消除单元包括按输入输出顺序依次连接的耦合器(6)、下变频单元(7)、模数转换单元(8)、谐波信号处理模块(9)、数模转换器(10)、频率转换模块(11)以及误差放大器(12);
所述功率合成器(5)第一输入端连接功率放大器(2)的输出端;所述耦合器(6)的输入端连接功率合成器(5)的输出端,用于耦合功率放大器(2)产生的经功率合成器(5)功率合成后的多次谐波信号;
所述下变频单元(7)和模数转换单元(8),用于对耦合的多次谐波信号依次进行下变频和模数转换处理;
所述谐波信号处理模块(9),用于对经下变频和模数转换处理的多次谐波信号时域中插零值,再对插零值后的多次谐波信号进行FFT变换,以提取各次谐波信号,再将提取的各次谐波信号移相180度,获得与提取的各次谐波信号相位相反的信号,即各次谐波信号的反相位信号;
所述数模转换器(10),用于将各次谐波信号的反相位信号转换到模拟域;
所述频率转换模块(11),用于将转换到模拟域的各次谐波信号的反相位信号频率分别与基波频率ω0的多次倍频相乘,获得各次谐波信号反相位信号的目标频率,再将各次谐波信号反相位信号的目标频率相加,获得合成的各次谐波信号的反相位模拟信号;
所述误差放大器(12),用于对合成的各次谐波信号的反相位模拟信号进行能量调整,获得与功率放大器(2)的各次谐波信号相位相反、能量相同的各次模拟信号;
所述功率合成器(5)第二输入端连接误差放大器(12)的输出端,用于通过与功率放大器(2)的各次谐波信号相位相反、能量相同的各次模拟信号对功率放大器(2)输出的各次谐波信号进行抵消;
所述耦合器(6)的第二输出端与外部发射设备连接,用于对功率合成器(5)功率合成后输出的信号进行发射。
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