CN117639808A - 一种谐波消除方法及无滤波器发射机 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种谐波消除方法及无滤波器发射机，用于解决现有谐波消除方法存在的射频滤波器占地空间大、成本昂贵、能耗高及无法抑制靠近信号带的频谱泄漏的技术问题。本发明提供的方法为：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，将任一基带信号输入功率放大器，采集经功率放大器输出的谐波信号；对其滤波并移相，获得与各次谐波信号相位相反的信号；建立谐波抵消模型，拟合生成与功率放大器输出的各次谐波信号相位相反的信号；经频率转换和能量调整后，获得与功率放大器输出的各次谐波信号相位相反、能量相同的各次模拟信号。

Description

一种谐波消除方法及无滤波器发射机

技术领域

本发明涉及发射机，尤其涉及一种谐波消除方法及无滤波器发射机。

背景技术

由于功率放大器(PA)的非线性性质，输入信号在经过功率放大器时，会产生互调失真(IMD)和不同阶次的谐波失真，从而对功率放大器的输出信号产生干扰，影响输出信号的精确度。目前，数字预失真(DPD)是当下业界主流的PA线性化方案，即捕获PA的非线性行为，在基带内建立一个PA反模型，输入信号经过该PA反模型处理后对互调失真进行补偿，但传统的数字预失真往往无法完全改善谐波失真造成的干扰。

目前，通常在功率放大器后添加射频滤波器，以消除谐波失真，即多倍频发射机可以根据产生的谐波频率来切换射频滤波器的工作频带，以达到抑制谐波失真的作用。但随着谐波数量的增加，射频滤波器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，这种方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的谐波消除方法存在的射频滤波器占地空间大、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，而提供一种谐波消除方法及无滤波器发射机。

一种谐波消除方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

1】对原始输入信号x(n)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各次谐波信号；

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】将任一基带信号输入功率放大器，采集经功率放大器的输出信号并对其进行傅里叶变换，使输出信号从时域转换到频域；

b】根据输出信号的频域特性进行带通滤波器设计，以对输出信号进行滤波，获得各次谐波信号；再对获得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；

c】根据步骤b获得的与各次谐波信号相位相反的信号和步骤a采集的经功率放大器的输出信号，建立谐波抵消模型；对谐波抵消模型训练后，获得参数优化后的谐波抵消模型；

d】将原始输入信号x(n)输入参数优化后的谐波抵消模型中，拟合生成与功率放大器当前输出的各次谐波信号相位相反的信号；

e】将与功率放大器当前输出的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各次谐波信号相位相反、能量相同的各次模拟信号。

进一步地，步骤c中，建立谐波抵消模型具体为：

采用记忆多项式建立谐波抵消模型。

进一步地，采用记忆多项式建立的谐波抵消模型为：

其中，y(n)表示经谐波抵消模型的功率放大器输出，h(d,i)表示模型系数，i表示非线性阶数，d表示记忆深度，N表示非线性阶数的最大值，D表示记忆深度的最大值。

进一步地，步骤c中，建立谐波抵消模型具体为：

采用神经网络建立谐波抵消模型。

本发明还提供了一种无滤波器发射机，采用上述谐波消除方法消除谐波，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；其特殊之处在于，还包括谐波抵消单元和功率合成器；

所述谐波抵消单元包括谐波抵消模型、数模转换器、频率转换模块以及误差放大器；

所述谐波抵消模型的输入端连接原始输入信号，用于使原始输入信号通过谐波抵消模型拟合生成与功率放大器当前输出的各次谐波信号相位相反的信号；

所述数模转换器的输入端连接谐波抵消模型的输出端，用于将与各次谐波信号相位相反的信号转换到模拟域；

所述频率转换模块的输入端连接数模转换器的输出端，用于将转换到模拟域的与各次谐波信号相位相反的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；

所述误差放大器的输入端连接频率转换模块的输出端，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；

所述功率合成器第一输入端连接功率放大器的输出端，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；所述功率合成器的输出端与外部发射设备连接；

所述谐波抵消模型通过以下方法获得：

一】将任一基带信号输入功率放大器，采集经功率放大器的输出信号并对其进行傅里叶变换，使其从时域转换到频域，以提取输出信号的谐波信号；

二】对提取的谐波信号进行滤波，获得各次谐波信号；再对获得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；

三】根据步骤二获得的与各次谐波信号相位相反的信号和步骤a采集的经功率放大器的输出信号，建立谐波抵消模型；对谐波抵消模型训练后，获得参数优化后的谐波抵消模型。

进一步地，所述谐波抵消模型采用记忆多项式建立，其表达式为：

其中，y(n)表示经谐波抵消模型的功率放大器输出，h(d,i)表示模型系数，d表示非线性阶数，i表示记忆深度，N表示非线性阶数的最大值，D表示记忆深度的最大值。

进一步地，所述谐波抵消模型采用神经网络建立。

本发明相比于现有技术的有益效果如下：

1、本发明提供的一种谐波消除方法，通过建立谐波抵消模型，并将原始输入信号输入参数优化后的谐波抵消模型中，生成与功率放大器当前输出的各次谐波信号相位相反的信号，经频率转换和能量调整后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，这种数字控制的前馈谐波消除技术在消除多次谐波的基础上，不仅可以避免在功率放大器的输出端设置射频滤波器，简化了发射机结构，降低了发射机的成本和功耗，同时可以利用数字化控制实现精确的谐波抑制。

2、本发明提供的一种无滤波器发射机，通过预失真器有效地消除了互调干扰，同时，通过谐波抵消模型拟合生成与功率放大器当前输出的各次谐波信号相位相反的信号，经频率转换和能量调整后，通过功率合成器注入功率放大器的输出路径中，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；相比于传统谐波消除技术，本发明具有成本低、无滤波器、宽带、可重构和体积小等优点。

附图说明

图1为本发明一种谐波消除方法实施例步骤2中拟合生成的与功率放大器当前输出的二次、三次和四次谐波信号相位相反的信号波形图；

图2为本发明一种无滤波器发射机实施例的结构示意图。

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-谐波抵消模型；7-数模转换器；8-频率转换模块；9-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，DPD捕获功率放大器非线性行为产生的IMD分量，然后在基带内建立可以补偿IMD失真特性的DPD模型，通过训练后的DPD模型对当前的原始输入信号(待发射的原始基带信号)进行预失真处理，以补偿IMD分量，使其线性化。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

原始输入信号x(n)(待发射的原始基带信号)经过功率放大器时会产生不同阶次的谐波信号，为了消除这些多次谐波信号，本发明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各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】将任一基带信号输入功率放大器，采集经功率放大器的输出信号并对其进行傅里叶变换，使其从时域转换到频域，获取输出信号的频域特性以进行频谱分析。

b】根据输出信号的频域特性进行带通滤波器设计，以对输出信号进行滤波，获得各次谐波信号，即获得各次谐波信号中的幅度、频谱和相位等特性。再对获得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。

c】根据步骤b获得的与各次谐波信号相位相反的信号和步骤a采集的经功率放大器的输出信号，建立谐波抵消模型。然后对建立的谐波抵消模型进行训练，即对该模型进行参数优化处理，获得参数优化后的谐波抵消模型。

由于记忆多项式模型是非线性建模方法中性价和成熟度都比较高的方法，因此本实施例中优选采用记忆多项式建立谐波抵消模型，其具体表达式如下：

其中，y(n)表示经谐波抵消模型的功率放大器输出，h(d,i)表示模型系数，d表示非线性阶数，i表示记忆深度，N表示非线性阶数的最大值，D表示记忆深度的最大值。

将上述模型公式展开，得到各次谐波信号的谐波抵消模型展开式：

当d1＝d2时，上式中的为二次谐波的记忆多项式；当d1＝d2＝d3时，上式中的为三次谐波的记忆多项式,以此类推，当d1＝d2＝…＝dm时，上式中的为m次谐波的记忆多项式。

在本发明的其他实施例中也可以采用神经网络等现有技术建立谐波抵消模型。

d】此时，将原始输入信号x(n)输入参数优化后的谐波抵消模型中，拟合生成与功率放大器当前输出的各次谐波信号相位相反的信号，具体如图1所示，为拟合生成的与功率放大器当前输出的二次、三次和四次谐波信号反相位信号。

e】将与功率放大器当前输出的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各次谐波信号相位相反、能量相同的各次模拟信号。

值得注意的是，本发明中可以利用采集的经功率放大器的输出信号，同时完成IMD分量和谐波信号的提取。

本发明提供的一种谐波消除方法，通过建立谐波抵消模型，并将原始输入信号输入参数优化后的谐波抵消模型中，生成与功率放大器当前输出的各次谐波信号相位相反的信号，经频率转换和能量调整后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功率放大器的线性化，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无滤波器发射机，采用上述谐波消除方法消除谐波，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、谐波抵消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，即待发射的原始基带信号，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。

谐波抵消单元包括谐波抵消模型6、频率转换模块7以及误差放大器8。

谐波抵消模型6的输入端连接原始输入信号，即待发射的原始基带信号，用于使原始输入信号通过谐波抵消模型6模拟生成与功率放大器当前输出的各次谐波信号相位相反的信号。优选的，本实施例中谐波抵消模型6采用记忆多项式建立，在本发明的其他实施例中也可以采用神经网络等现有技术建立谐波抵消模型。

采用记忆多项式建立的谐波抵消模型表达式如下：

其中，y(n)表示经谐波抵消模型的功率放大器输出，h(d,i)表示模型系数，d表示非线性阶数，i表示记忆深度，D表示非线性阶数的最大值，N表示记忆深度的最大值。

上述各次谐波信号的谐波抵消模型展开式为：

可以看出，当d1＝d2时，上式中的为二次谐波的记忆多项式；当d1＝d2＝d3时，上式中的为三次谐波的记忆多项式,以此类推，当d1＝d2＝…＝dm时，上式中的为m次谐波的记忆多项式。

数模转换器7的输入端连接谐波抵消模型6的输出端，用于将与各次谐波信号相位相反的信号转换到模拟域。

频率转换模块8的输入端连接数模转换器7的输出端，用于将转换到模拟域的与各次谐波信号相位相反的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。

误差放大器9的输入端连接频率转换模块8的输出端，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，将其放大至适当的功率水平，以获得与功率放大器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第一输入端连接功率放大器2的输出端，第二输入端连接误差放大器9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。功率合成器5的输出端与外部发射设备连接。

本发明提供的无滤波器发射机，通过预失真器1有效地消除了互调干扰，同时，通过谐波抵消模型拟合生成与功率放大器当前输出的各次谐波信号相位相反的信号，经频率转换和能量调整后，通过功率合成器5注入功率放大器的输出路径中，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 (7)

1.一种谐波消除方法，其特征在于，包括以下步骤：

1】对原始输入信号x(n)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各次谐波信号；

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】将任一基带信号输入功率放大器，采集经功率放大器的输出信号并对其进行傅里叶变换，使输出信号从时域转换到频域；

b】根据输出信号的频域特性进行带通滤波器设计，以对输出信号进行滤波，获得各次谐波信号；再对获得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；

c】根据步骤b获得的与各次谐波信号相位相反的信号和步骤a采集的经功率放大器的输出信号，建立谐波抵消模型；对谐波抵消模型训练后，获得参数优化后的谐波抵消模型；

d】将原始输入信号x(n)输入参数优化后的谐波抵消模型中，拟合生成与功率放大器当前输出的各次谐波信号相位相反的信号；

e】将与功率放大器当前输出的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各次谐波信号相位相反、能量相同的各次模拟信号。

2.根据权利要求1所述的一种谐波消除方法，其特征在于：

步骤c中，建立谐波抵消模型具体为：

采用记忆多项式建立谐波抵消模型。

3.根据权利要求2所述的一种谐波消除方法，其特征在于：

采用记忆多项式建立的谐波抵消模型为：

其中，y(n)表示经谐波抵消模型的功率放大器输出，h(d,i)表示模型系数，i表示非线性阶数，d表示记忆深度，N表示非线性阶数的最大值，D表示记忆深度的最大值。

4.根据权利要求1所述的一种谐波消除方法，其特征在于：

步骤c中，建立谐波抵消模型具体为：

采用神经网络建立谐波抵消模型。

5.一种无滤波器发射机，采用权利要求1-4任一所述的谐波消除方法消除谐波，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：

还包括谐波抵消单元和功率合成器(5)；

所述谐波抵消单元包括谐波抵消模型(6)、数模转换器(7)、频率转换模块(8)以及误差放大器(9)；

所述谐波抵消模型(6)的输入端连接原始输入信号，用于使原始输入信号通过谐波抵消模型(6)拟合生成与功率放大器当前输出的各次谐波信号相位相反的信号；

所述数模转换器(7)的输入端连接谐波抵消模型(6)的输出端，用于将与各次谐波信号相位相反的信号转换到模拟域；

所述频率转换模块(8)的输入端连接数模转换器(7)的输出端，用于将转换到模拟域的与各次谐波信号相位相反的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(9)的输入端连接频率转换模块(8)的输出端，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)第一输入端连接功率放大器(2)的输出端，第二输入端连接误差放大器(9)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；所述功率合成器(5)的输出端与外部发射设备连接；

所述谐波抵消模型(6)通过以下方法获得：

一】将任一基带信号输入功率放大器，采集经功率放大器的输出信号并对其进行傅里叶变换，使输出信号从时域转换到频域；

二】根据输出信号的频域特性进行带通滤波器设计，以对输出信号进行滤波，获得各次谐波信号；再对获得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；

三】根据步骤二获得的与各次谐波信号相位相反的信号和步骤一采集的经功率放大器的输出信号，建立谐波抵消模型；对谐波抵消模型训练后，获得参数优化后的谐波抵消模型。

6.根据权利要求5所述的一种无滤波器发射机，其特征在于：

所述谐波抵消模型采用记忆多项式建立，其表达式为：

其中，y(n)表示经谐波抵消模型的功率放大器输出，h(d,i)表示模型系数，d表示非线性阶数，i表示记忆深度，N表示非线性阶数的最大值，D表示记忆深度的最大值。

7.根据权利要求5所述的一种无滤波器发射机，其特征在于：

所述谐波抵消模型采用神经网络建立。